 |
Пассивные измерительные катушки (ИК)
|
|
|
|
Пассивные ИК являются одними из самых простых датчиков для измерения переменных и импульсных МП. Принцип работы таких преобразователей основан на законе электромагнитной индукции Фарадея. В таких приборах исследуемое изменяющееся магнитное поле создает переменное потокосцепление с неподвижной ИК и вызывает появление в ней индуцированной ЭДС, пропорциональной скорости изменения магнитной индукции 
.
Под воздействием изменяющегося МП в неподвижной ИК возникает сигнал. Источником энергии этого сигнала является электромагнитное поле. Именно поэтому такие катушки называются «пассивными».
|
| Рис. 16. Пассивные ИК |
Рассматриваемый датчик в общем случае является катушкой, состоящей из обмотки — некоторого числа витков металлического провода, диэлектрического каркаса, магнитного сердечника — концентратора МП и электростатического экрана. Иногда датчик представляет собой один (плоский) круговой или прямоугольной формы виток металлического провода, называемый рамкой.
На рис. 16,а показан пример плоской круглой бескаркасной ИК, состоящей из 
витков и помещенной в однородное переменное МП с индукцией 
. Для повышения чувствительности индукционных преобразователей часто применяют усилители поля в виде концентраторов МП из ферромагнитных материалов. Пример такого датчика показан на рис.16,б. Здесь в качестве концентратора используется стержневой ферромагнетик круглого сечения.
Для уменьшения влияния сопутствующего электрического поля на выходной сигнал ИК ее помещают в электростатический экран, выполненный из немагнитного материала с высокой электропроводностью (на рис. 16 не показан). Экран должен иметь разрезы вдоль силовых линий измеряемого МП. Назначение этих разрезов — не допустить возникновения в стенках экрана токов Фуко.
|
|
|
Найдем ЭДС, наводимую в ИК, изображенную на рис. 16,а. Считая магнитные потоки, пронизывающие каждый из витков катушки, равными и используя (13), получаем значение для потокосцепления катушки 
, где 
— поток через виток датчика. Пусть угол между вектором индукции внешнего переменного однородного МП и осью катушки равен 
, тогда из (11) получаем: 
, где 
— площадь витка. Учитывая две последние формулы и (15), окончательно получаем значение для наводимой ЭДС датчика
. (30)
Из формулы (30) видно, что для того чтобы получить сигнал, пропорциональный индукции МП, а не его производной, ЭДС с выхода ИК необходимо проинтегрировать. Поэтому непосредственно ЭДС с выхода датчика используют только в случаях, когда измеряемое МП изменяется по гармоническому закону с постоянной частотой. Так, если 
, где 
и 
— амплитудное значение индукции и частота измеряемого МП соответственно, то 
.
Если в датчике используется концентратор МП, то количество линий магнитной индукции, пронизывающих катушку, увеличивается в 
раз, где — магнитная проницаемость тела концентратора (п.1.6). Эту проницаемость можно найти, используя формулу (28). Тогда ЭДС, наводящаяся в ИК с ферромагнитным сердечником, с учетом формул (28) и (30)
,
где 
и 
— относительная магнитная проницаемость и коэффициент формы сердечника концентратора МП соответственно.
Обычно произведение 
, и тогда проницаемость тела будет равна 
, т.е. она практически не зависит от изменения относительной проницаемости ферромагнетика сердечника. Благодаря этому ЭДС с выхода рассматриваемого датчика имеет линейную зависимость от величины МП, даже если концентратора имеет нелинейную зависимость от величины МП или имеет сильную температурную зависимость.
|
| Рис. 17. Эквивалентная схема ИК |
Эквивалентная схема ИК приведена на рис.17. Здесь 
— индуктивность катушки, 
— паразитная емкость (емкость между витками и электростатическим экраном и т.д.), 
— активное сопротивление катушки, включающее в себя сопротивление провода катушки и сопротивление потерь (потери в диэлектриках каркаса катушки, изоляции проводов, потери на вихревые токи и потери в сердечнике концентратора, если он есть). Эти параметры датчика плохо поддаются точному расчету и поэтому обычно определяются экспериментально.
|
|
|
Различные варианты интегрирования сигнала с ИК показаны на рис. 18. На этих рисунках эквивалентная схема ИК не показана, но подразумевается, что она полностью соответствует схеме рис. 17.
|
| Рис. 18. Интегрирование сигнала с ИК |
На рис. 18,а интегрирование производится за счет реактивностей самой ИК. Выходным сигналом здесь является ток. К выходу датчика здесь подключен преобразователь ток-напряже-ние, шунтирующий своим низким входным сопротивлением емкость (см. рис.17). Ток 
можно найти из уравнения
. (31)
Если достаточно мало, то первым слагаемым с правой стороны уравнения (31) можно пренебречь. Тогда
и 
, (32)
где 
— коэффициент усиления преобразователя ток-напряжение.
При измерении низкочастотного МП реактивное сопротивление ИК 
становится соизмеримым с активным сопротивлением , из-за чего возникает значительная погрешность интегрирования. По уровню спада АЧХ –3 дБ нижнюю границу частотного диапазона можно найти как 
. Верхняя граница частотного диапазона определяется частотными свойствами магнитного сердечника концентратора МП (если он есть) и преобразователя ток-напряжение.
Если измерения МП происходят вблизи какого-либо ферромагнетика, то индуктивность ИК может значительно измениться. Как видно из формулы (32), это вызовет изменение результата измерения, а значит, и появление дополнительной погрешности.
Вариант интегрирования сигнала ИК с помощью пассивной 
цепи представлен на рис. 18,б. Выбор параметров 
и 
такого интегратора производят из следующих соображений: 1) во всем рабочем частотном диапазоне 
входное сопротивление интегратора должно быть значительно больше выходного сопротивления ИК, т.е.
(значение емкости в рабочем диапазоне частот должно быть мало, поэтому ею в расчетах пренебрегаем); 2) нижняя граница частотного диапазона (по уровню –3 дБ) 
такого интегратора определяется как 
. Если эти условия будут соблюдены, то напряжение на выходе пассивного интегратора
|
|
|
. (33)
Для повышения чувствительности измерителя с ИК пассивный интегратор заменяют интегрирующим усилителем. Схема активного интегратора приведена на рис. 18,в. Выходное напряжение здесь определяется так же, как и в случае пассивного интегратора, т.е. по формуле (33). При этом предполагается, что 
.
Расширению частотного диапазона пассивных ИК в область высоких частот мешает паразитная емкость . Эта емкость совместно с индуктивностью образует резонансный контур, из-за чего АЧХ ИК очень неравномерна.
Уменьшая емкость , можно добиться расширения частотного диапазона измерений. Емкость до определенного предела можно уменьшить следующими конструктивными способами: 1) в многовитковых ИК применяют секционную намотку; 2) для катушки используют каркасы с низкой диэлектрической проницаемостью; 3) отказываются от пропитки ИК компаундами и лаками, имеющими, как правило, высокую диэлектрическую проницаемость.
|
| Рис. 19. Линеаризация АЧХ ИК |
Другой способ расширения частотного диапазона в область высоких частот предложен в [13]. Здесь для линеаризации АЧХ ИК предлагается использовать саму ИК в качестве одного из звеньев 2-го порядка ФНЧ (рис. 19). Для этого к выходу ИК подключают сопротивление 
такого номинала, чтобы совместно с паразитными элементами катушки , и получилось звено 2-го порядка, соответствующее заданному типу фильтра (например, Чебышева или Баттерворта). 2-е звено фильтра можно построить на основе активного -фильтра. Такое построение позволяет расширить частотный диапазон измерителя МП в несколько раз.
Увеличения чувствительности ИК можно добиться увеличением количества витков катушки. Однако надо учитывать, что это ведет к увеличению выходного сопротивления ИК (т.к. увеличиваются и ), а значит, и к увеличению сопротивления интегратора (см. выше). Но увеличение ведет к увеличению собственных тепловых шумов этого резистора, которые становятся соизмеримы с выходным сигналом ИК. При использовании же интегратора, подобного приведенному на рис. 18,в, необходимо еще учитывать, что шумовой входной ток усилителя наводит на сопротивлении дополнительную ЭДС шума. В [11] и [12] приводятся формулы, позволяющие рассчитать количество витков ИК таким образом, чтобы отношение сигнал/шум на выходе схемы ИК–интегратор было максимально.
|
|
|
Перечислим различные источники погрешности, возникающие при измерении величины МП пассивной ИК: 1) погрешность из-за нелинейности АЧХ ИК; 2) погрешность интегрирования; 3) погрешность, связанная с неточной ориентацией ИК относительно линий индукции МП; 4) погрешность из-за паразитной вибрации ИК в МП; 5) в случае использования концентратора МП в ИК появляется погрешность нелинейности амплитудной характеристики ИК, возникающая из-за зависимости относительной магнитной проницаемости сердечника как от величины МП, так и от температуры.
Пассивные ИК обладают высокой чувствительностью (от единиц нТл), позволяют производить измерения в очень широком частотном диапазоне (от долей Гц до сотен МГц) и имеют небольшую погрешность измерения. Поэтому область их применения весьма широка.
|
|
|
