Индукционные магнитометрические приборы

Параметры, на изменении которых основан принцип действия индукционных магнитометрических приборов:

Y - скалярное произведение тензора относительной магнитной проницаемости и вектора s площади контура

(7.24)

где S₀ - единичный вектор; S - площадь сечения контура; μ_i - относительная магнитная проницаемость вещества; μ_e - относительная магнитная проницаемость окружающей среды; N - коэффициент размагничивания вещества; μ_e=1.

Закон электромагнитной индукции, распространенный на материальные структуры с переменными параметрами, имеет вид:

(7.25)

где e_∑ - суммарная э.д.с. индукции; Y - совокупный векторный параметр, являющийся функцией частных параметров у и характеризующий макроскопические магнитные свойства некой структуры, помещенной в поле ; w - количество витков измерительной катушки, охватывающей структуру; к - число параметров, зависящих от времени. Частотные параметры у в простейшем случае есть, например, площадь контура катушки, магнитная проницаемость вещества, в котором регистрируется поле и коэффициент размагничивания тела. Последний параметр характеризует гистерезисные свойства тела, т. е. способность материала перемагничиваться.

Уравнение (7.25) позволяет разделить все индукционные преобразователи (и приборы) на пассивные и активные в зависимости оттого, какой член в уравнении дает больший вклад в значение э.д.с. индукции. Пассивные приборы - те, в которых возбуждаемая э.д.с. связана только с изменением во времени индукции поля . Активные преобразователи, напротив, принципом действия имеют изменение во времени одного из параметров измерительной цепи, например, изменения эффективной площади контура, изменением во времени магнитной проницаемости сердечника катушки, в которой наводится э.д.с. индукции, изменением угла между направлением вектора магнитной индукции и осью измерительной катушки. Такие преобразователи являются по существу параметрическими модуляторами. Модуляция измеряемой величины осуществляется в них за счет воздействия дополнительной энергии на тот или иной параметр.

Пассивные преобразователи реализуют случай, когда прибор измеряет изменение внешнего поля . При этом вектор может изменяться как по модулю, так и по направлению. Пассивные преобразователи, как правило, используют для измерения периодически изменяющихся магнитных полей, например по синусоидальному закону, что имеет место во многих электрических машинах - в двигателях, в генераторах и т. п. В этом случае э. д. сл индукции преобразователя равна:

(7.26)

Коэффициент преобразования такого датчика зависит от числа витков измерительной катушки и от материала сердечника, точнее, от магнитных свойств сердечника.

Приборы с пассивными преобразователями часто снабжаются интегрирующими устройствами и измеряют не э. д. с. индукции, а суммарный заряд, который протекает через электрическую цепь, в которую включается катушка. В этом случае прибор можно проградуировать в единицах магнитного потока. Такие приборы называются веберметрами, или флюк-сметрами. Простейшим интегратором в таком приборе может служить баллистический гальванометр, т. е. гальванометр, показания которого пропорциональны магнитному потоку, прошедшему через катушку. На рис. 7.20 приведена структурная схема веберметра.

Рис. 07.20. Структурная схема веберметра

 

 

Веберметр работает следующим образом. При разомкнутом ключе К настраивают прибор таким образом, чтобы сигналы с фотоэлементов были бы одинаковыми. В этом случае индикатор усилителя устанавливают на нулевое показание. При замыкании ключа К луч гальванометра Г сместится, сигналы с фотоэлементов станут разными, и индикатор в усилителе, обозначенный на рис. 7.20 миллиамперметр, зарегистрирует сигнал, про-

порционалычый изменению магнитного потока ΔФ. Таким образом удается зарегистрировать магнитные потоки на уровне ~10^-6Вб.

Следующим типом индукционного преобразователя рассмотрим так называемые измерительные генераторы, или месс-генераторы. Эти приборы содержат вращающиеся чувствительные элементы. Простейшая конструкция месс-генератора содержит рамку на опоре, приводимую во вращение электромотором. Сигнал снимается также, как и в электромоторе, со щеток, опирающихся на коллекторные кольца. В этом случае э.д.с. индукции преобразователя равна:

(7.27)

где w - частота вращения рамки; к - угол между нормалью к рамке и направлением вектора . Из формулы 7.28 видно, что месс-генератор является α-преобразователем, т. е. измерительная информация - э.д.с. индукции - получается за счет изменения ориентации рамки относительно направления магнитного поля. Существует несколько вариантов преобразователей - измерительных генераторов. Для повышения их чувствительности и улучшения других метрологических характеристик устанавливают несколько подвижных катушек, вводят компенсацию постоянных магнитных полей, например магнитного поля Земли, реализуют трансформаторный съем выходной э.д.с. и т.д.

Оригинальный индукционный преобразователь для магнитометрических измерений предложен Барнеттом в двух вариантах: один основан на

а-преобразовании, другой - на М-преобразовании, т. е. на возбуждении э.д.с. индукции за счет изменения магнитной проницаемости сердечника. Схема к-преобразователя Барнетта дана на рис. 7.21 .

Рис. 07.21. Схема генератора Барнетта альфа-типа

 

 

В этом преобразователе в магнитное поле помещается многовитковая катушка из двух секций, между которыми вращается короткозамкнутое кольцо. В зависимости от величины и внешнего магнитного поля в генераторе Барнетта возбуждается э. д. с., пропорциональная магнитной индукции. Наводимая э.д.с. равна:

(7.28)

где обозначения те же, что в формулах (7.25-7.27). Генератор Барнетта второго (N) типа представляет собой либо катушку с вращающимся внутри нее сердечником из магнитного материала, либо двойную катушку, между секциями которой вращается магнитный сердечник (см. рис. 7.22 ).

Рис. 07.22. Генератор Барнетта N-типа

 

 

Генератор Барнетта с вращающимся сердечником или с многозубчатым ротором имееттеже преимущества, что и генератор скороткозамкну-тым кольцом: простоту реализации, отсутствие коллекторов и щеток, удвоенную частоту полезного сигнала, позволяющую повысить метрологические характеристики магнетометра. С использованием генераторов Барнетта удалось достичь чувствительности средств измерения магнитного поля до 10^-10 T при очень широком диапазоне измеряемыхзначений индуктивности магнитного поля.

Несмотря на ряд достоинств измерительных генераторов, им свойствен один общий недостаток - наличие вращающихся деталей. Тот же эффект наведения э.д.с. в катушке путем изменения магнитных параметров во внутреннем ее объеме можно получить, если вращательное движение сердечников заменить колебательным. Такие устройства называются виброзондами и представляют собой измерительные катушки, внутри которых расположены дополнительные, силовые катушки, жестко связанные с измерительной катушкой возвратной пружиной. По силовой катушке пропускают переменный ток, который взаимодействует с измеряемым постоянным током. Измерительная катушка устанавливается перпендикулярно силовой с тем, чтобы в измерительной катушке не наводилась э.д.с. за счет трансформации тока из силовой катушки.

Тот же эффект наведения э.д.с. в измерительной катушке, пропорциональной внешнему магнитному полю, можно получить за счет колебательного движения внутри измерительной катушки сердечника, изготовленного из электрострикционного материала. Накладывая переменное напряжение на электрострикционный сердечник, добиваются того же эффекта, который имеет место при использовании других типов виброзондов. Особую категорию индукционных преобразователей составляют ферроиндукционные преобразователи. Возможны три принципиально различных типа ферроиндукционных преобразователей:

· преобразователи с механическим возбуждением;

· преобразователи с тепловым возбуждением;

· преобразователи с магнитным возбуждением, называемые ферро-зондами.

На рис. 7.23 представлены схемы, поясняющие принципы работы индукционных преобразователей.

Рис. 07.23. Ферроиндукционные преобразователи: а) механический; б) тепловой; в) магнитный; 1 - ферромагнитный сердечник (покрытие); 2 - измерительная обмотка; 3 - кварцевая пластина; 4 - обмотка возбуждения; 5 - тепловой инжектор

 

 

Преобразователь механического типа представляет собой кварцевую пластинку с нанесенной на нее пленкой из ферромагнитного материала, например из пермаллоя. Прикладывая к торцам кварцевой пластины переменное напряжение, добиваются измерения магнитных свойств сердечника за счет измерения длины кварцевой пластины. В измерительной катушке наводится э.д.с. индукции, пропорциональная внешнему магнитному полю в направлении оси сердечника.

Тепловой ферроиндукционный преобразователь содержит малоинерционный тепловой инжектор, находящийся в непосредственном контакте стонкой пермаллоевой пленкой. По сердечнику такого преобразователя пропускают постоянный токтакой величины, чтобы температура сердечника была бы близка к точке Кюри - температуре, когда магнитная проницаемость материала аномально возрастает (эффект Гопкинса). Затем на постоянное напряжение накладывают переменное напряжение, что заставляет пульсировать температуру, а следовательно, и магнитную проницаемость сердечника. В измерительной катушке при наличии внешнего магнитного поля также, как в случае с механическим ферроиндукционным преобразователем, возникает э. д. с. индукции, однозначно связанная с индукцией внешнего поля B_i.

Третий тип ферроиндукционного преобразователя, феррозонд, представляет собой один или два сердечника из ферромагнитного материала, на которые намотаны две катушки. Одна катушка возбуждения создает магнитный поток определенной частоты. Вторая катушка (измерительная обмотка) формирует измеряемый сигнал. В измерительной обмотке появляется э.д.с., зависящая от индукции внешнего магнитного поля, совпадающего по направлению с осью феррозонда.

Для ферроиндукционных преобразователей всех трех типов справедливо уравнение:

(7.29)

где W - число векторов измерительной обмотки; - единичный вектор, совпадающий с плоскостью витков обмотки; S - площадь сечения сердечника в направлении ; μ* - тензор относительной магнитной проницаемости тела и - вектор индукции измеряемого магнитного поля.

Заканчивая рассмотрение преобразователей датчиков, используемых в магнитометрических приборах, следует остановиться на приборах для измерения параметров неоднородности магнитных полей. Такие приборы могут быть построены на основе либо одного преобразователя, перемещаемого в неоднородном магнитном поле, либо двух неподвижных преобразователей, разнесенных в направлении измеряемой неоднородности и включенных по схеме вычитания сигналов. Создано достаточно большое количество различных приборов такого типа, называемых магнитными градиентометрами. Основные варианты конструктивного решения градиентометров основаны либо на вращении преобразователя в магнитном поле, либо в периодическом измерении его положения - вибрации - в неоднородном поле.