 |
Феррозонды с поперечным возбуждением
|
|
|
|
Феррозонд с поперечным возбуждением, работающий во втором режиме, был впервые предложен в СССР группой сотрудников Горьковского физико-технического института во главе с Г.С. Гореликом [2].
В преобразователях с поперечным возбуждением переменное возбуждающее поле перпендикулярно к постоянному измеряемому полю 
.
Конструкция феррозонда горьковчан проста и представляет собой сердечник, выполненный из пермаллоевой проволоки (стержень), и измерительную обмотку, навитую на него (рис. 27,а). По стержню протекает переменный ток, создающий круговое поле в плоскости, перпендикулярной к оси стержня.
Если внешнее поле, направленное вдоль оси стержня, отсутствует, то в измерительной обмотке может возникнуть ЭДС только вследствие несовершенства конструкции преобразователя (закручивание стержня, отступление от перпендикулярности плоскости витка и оси стержня и т.п.).
При воздействии внешнего поля вдоль оси стержня магнитная проницаемость, характеризующая намагничивание стержня по его оси, будет изменяться во времени, а значение ее будет зависеть от индукции измеряемого поля при данном поле возбуждения 
. В измерительной обмотке при этом индуцируется ЭДС, содержащая четные гармоники. Среди них основной является вторая гармоника. Эту гармонику выделяют и по ее значению судят об измеряемом поле.
В преобразователях с поперечным полем возбуждения используют различные формы сердечников [2], например трубчатые, кольцевые, эллиптические и т.п.
|
| Рис. 27. Феррозонды: проволочный (а), трубчатый (б) |
На рис. 27,б изображен преобразователь с трубчатым сердечником, в котором поперечное поле возбуждения создается с помощью обмотки, расположенной равномерно на боковой поверхности трубки от торца к торцу. Измерительная обмотка навивается на трубку перпендикулярно по отношению к обмотке возбуждения. Трубчатые сердечники могут быть изготовлены из листового пермаллоя или феррита, в последнем случае частота возбуждения берется более высокой.
|
|
|
Преобразователи с трубчатыми сердечниками обладают рядом преимуществ по сравнению с преобразователями на проволочном сердечнике:
− высокая жесткость конструкции;
− отсутствие разогрева током возбуждения, так как последний протекает по тороидальной обмотке либо по осевому проводу;
− равномерное намагничивание по толщине во всем объеме (из-за малых толщин трубок).
В качестве их недостатка следует отметить, что даже небольшая неравномерность обмотки возбуждения или перекос ее витков вызывают значительное уменьшение соотношения сигнал-помеха.
Оценка чувствительности феррозондов с поперечным возбуждением имеет особенность, состоящую в том, что продольная компонента индукции не может быть представлена в виде ряда Тейлора.
Если напряженность измеряемого поля 
мала, то 
, где 
— нормальная проницаемость сердечника. Очевидно, что при наложении поперечного поля 
и при 
нормальная проницаемость может измениться только за счет воздействия поля , т.е. справедливо выражение 
. В случае синусоидальной формы поперечной составляющей 
и 
имеем 
, откуда ЭДС в измерительной обмотке
.
Поскольку зависимость 
— четная, то можно записать
.
Учитывая плавный характер зависимости , функцию 
в первом приближении можно аппроксимировать косинусоидой в виде
.
Тогда можно определить чувствительность феррозонда с поперечным возбуждением как
.
Для случая 
и принимая во внимание, что 
и 
, где 
— поле насыщения, получаем
.
Заметим, что чувствительность преобразователей с поперечным возбуждением, как правило, меньше чувствительности преобразователей с продольным возбуждением. При этом повышение чувствительности и снижение уровня шумов преобразователей с поперечным возбуждением приводят к увеличению потребляемой ими мощности.
|
|
|
Эффективным способом повышения чувствительности ферромодуляционных преобразователей является подключение к выходу измерительной обмотки конденсатора 
(рис. 28), что приводит к возникновению параметрического резонанса на частоте второй гармоники.
Для получения устойчивого режима параметрического резонанса выход измерительной катушки шунтируется переменным резистором 
. Значение емкости конденсатора и сопротивления резистора подбирают экспериментально, по определенной методике.
|
| Рис. 28. Схема для повышения чувствительности феррозондов |
В режиме параметрического резонанса чувствительность преобразователя повышается на 2-3 порядка, так как он становится высокодобротной избирательной системой на второй гармонике, поэтому ток возбуждения может иметь форму, отличную от синусоидальной, например в виде меандра.
Ферромодуляционные преобразователи, обладая ориентационной чувствительностью, широко используются для измерения компонент вектора напряженности магнитного поля. Так как стержневой преобразователь чувствителен лишь к компоненте, совпадающей с его осью, то, располагая ортогонально два или три стержневых преобразователя, можно соответственно получить двух- или трехкомпонентные магнитометры.
Ферромодуляционные преобразователи обладают высокой чувствительностью, большим рабочим диапазоном, сравнительно малыми размерами и потребляемой мощностью. Они могут использоваться для измерения параметров как постоянных, так и переменных магнитных полей. При измерении переменных полей необходимым условием является то, чтобы частота измеряемого поля была значительно (на один, два порядка) меньше частоты поля возбуждения.
Ферромодуляционным преобразователям свойствен ряд существенных погрешностей: от температуры, от нестабильности поля возбуждения, от вибрации, от старения материала сердечника и т.п. Вследствие указанных причин эти преобразователи обычно характеризуются основной погрешностью не менее 
.
|
|
|
Порог чувствительности ферромодуляционных преобразователей в основном определяется шумами. Причем основное значение имеет магнитный шум. Магнитный шум связан с флуктуациями параметров скачков Баркгаузена в процессе циклического перемагничивания сердечников [9]. Эти флуктуации, трансформируясь в измерительную обмотку, имеют характер разнополярных импульсов ЭДС, мощность которых на несколько порядков больше мощности теплового шума той же обмотки. По этой причине в ферромодуляционных преобразователях используют сердечники из сплавов, обладающих малым магнитным шумом, таких, как 81НМА, 83НФ, 82НМП.
Магнитоизмерительные приборы на основе ферромодуляционных преобразователей, благодаря ряду их достоинств, имеют широкую область применения: для исследования магнитного поля Земли и других планет, для измерения неоднородности магнитного поля, остаточной намагниченности веществ и т.п.
Трехкомпонентные преобразователи используются, например, не только для измерения вектора напряженности магнитного поля, но и для пространственной ориентации аппаратов в магнитном поле Земли.
|
|
|
