Феррозондовые преобразователи магнитного поля



страница6/6
Дата26.07.2014
Размер1.11 Mb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6

Феррозондовые преобразователи магнитного поля,
принцип действия, конструкция.

     Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для измерения и индикации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей и их градиентов. Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных полей разных частот.
На рис. схематически показаны некоторые варианты конструкций феррозондов.

c:\users\юля\desktop\1\феррозондовые преобразователи магнитного поля_files\fero_01_01.gif

     В простейшем варианте феррозонд состоит из ферромагнитного сердечника и находящихся на нем двух катушек:

  • катушки возбуждения, питаемой переменным током

  • и измерительной (сигнальной) катушки.
     Сердечник феррозонда выполняется из материалов с высокой магнитной проницаемостью.
На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с частотой от 1 до 300 кГц (в зависимости от уровня параметров и назначения прибора).
В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля Н, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу.
Изменение магнитного поля, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке ЭДС, изменяющуюся по гармоническому закону.
Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся магнитное поле Но, то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и стано- вится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС в сигнальной катушке.
В частности, появляются четные гармонические составляющие ЭДС, величина которых пропорциональна напряженности измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания.
Феррозонды подразделяются на:

  • стержневые одноэлементные (рис. а)

  • дифференциальные с разомкнутым сердечником (рис.б)

  • дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (рис.в).
      Дифференциальный феррозонд (рис. б, в), как правило, состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечетные гармонические составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается измерительная аппаратура и повышается чувствительность феррозонда.
Феррозонды отличаются очень высокой чувствительностью к магнитному полю.
Они способны регистрировать магнитные поля с напряженностью до 10-4-10-5 А/м (~10-10—10-11 Тл).
Современные конструкции феррозондов отличаются компактностью.

Объем феррозонда, которым комплектуются отечественные магнитометры Г73, составляет менее 1 см3, а трехкомпонентный феррозонд для магнитометра Г74 вписывается в куб со стороной 15 мм.
    В качестве примера на рис. приведена конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда.

Конструкция феррозонда достаточно проста и не требует особых пояснений.
Его сердечник изготовлен из пермаллоя.
Он имеет переменное по длине поперечное сечение, уменьшающееся примерно в 10 раз в центральной части сердечника, на которую намотаны измерительная обмотка и обмотка возбуждения.
Такая конструкция обеспечивает при сравнительно небольшой длине (30 мм) высокую магнитную проницаемость (1, 5x105) и малое значение напряженности поля насыщения в центральной части сердечника, что приводит к увеличению фазовой и временной чувствительности феррозонда. За счет этого улучшается и форма выходных импульсов в измерительной обмотке феррозонда, что позволяет снизить погрешности схемы формирования сигнала «время-импульс».
Диапазон измерения феррозондовых преобразователей типовой конструкции составляет ±50... ±100 А/м (±0, 06... ±0, 126 мТл).
Плотность магнитного шума в полосе частот до 0,1 Гц для феррозондов со стержневыми сердечниками составляет 30 - 40 мкА/м (м x Гц1/2) в зависимости от поля возбуждения, уменьшаясь с увеличением последнего. В полосе частот до 0,5 Гц плотность шума оказывается в 3 - 3,5 раза выше.
При экспериментальном исследовании кольцевых феррозондов установлено, что уровень шума у них на порядок ниже, чем у феррозондов со стержневыми сердечниками.c:\users\юля\desktop\1\феррозондовые преобразователи магнитного поля_files\fero_01_02.gif

C:\Users\Юля\Desktop\1\Физические характеристики Удмуртская Республика - prour_ru.mht

Физические характеристики





1

mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\физические%20характеристики%20%20удмуртская%20республика%20-%20prour_ru.mht!http://prour.ru/sites/prour.ru/files/temparticles/articles/ep629-1.jpgmhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\физические%20характеристики%20%20удмуртская%20республика%20-%20prour_ru.mht!http://prour.ru/sites/prour.ru/files/temparticles/articles/ep629-2.jpg

Рис. 1. Устройство магнитного усилителя (а) и феррозонда (б):

1 — ферромагнитные сердечники; 2 — входная обмотка; 3 — обмотка переменного тока; 4 — выходная (измерительная) обмотка

В феррозонде (рис.1, б) внешнее поле напряженности Но непосредственно воздействует на ферромагнитные сердечники. На эти же сердечники действует и переменное поле H1(t), создаваемое током i1(t). Преобразование напряженностей Но и H1(t) в переменную магнитную индукцию B(t)= В[H1(t), Но], а затем и в ЭДС e(t) = e[B(t)], появляющуюся в выходной (измерительной) обмотке, осуществляется так же, как в магнитном усилителе.

Существует довольно много типов и модификаций феррозондов. Они отличаются друг от друга по режиму работы, способу наложения вспомогательного поля, выбранной схеме и конструктивному исполнению. Однако феррозондам присущи и некоторые общие свойства.

Рассмотрим эти свойства на примере дифференциального феррозонда (Рис.2).



mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\физические%20характеристики%20%20удмуртская%20республика%20-%20prour_ru.mht!http://prour.ru/sites/prour.ru/files/temparticles/articles/ep629-3.jpg

Рис.2. Двухстержневой дифференциальный феррозонд

4





Лабораторная работа № МИФВ-3

Исследование статической характеристики феррозондового магнитомодуляционного преобразователя

1. Цель работы

Изучение конструкции и принципов действия феррозондового магнитомодуляционного преобразователя (ФМП) и методики исследования характеристики при его работе в слабых магнитных полях.

2. Краткие теоретические сведения

Феррозондами называют чувствительные к воздействию внешних магнитных полей устройства, содержащие ферромагнитные сердечники и охватывающие их обмотки, в одну из которых подают переменный ток, а с другой снимают ЭДС, по которой и судят об измеряемом значении параметров полей (например, напряжённости или индукции). Феррозонды относятся к магнитомодуляционным преобразователям, обладающим диаграммой направленности.

По принципу действия феррозонды близки к магнитным усилителям.

На рис.1 показано устройство магнитного усилителя и феррозонда.

В магнитном усилителе (рис.1, а) ток iо, поступая во входную обмотку, преобразуется сначала в напряженность циркулярного магнитного поля Hо(iо), a уже затем вместе с напряженностью переменного поля H1(t), создаваемой током i1(t), преобразуется в ферромагнитных сердечниках в переменную индукцию B(t)=B[H1(t), Hо] и наводимую в выходной обмотке усилителя ЭДС е(t) = e[B(t)].

3








Дифференциальный феррозонд содержит два одинаковых ферромагнитных сердечника, выполненных в виде тонких стержней, уложенных в специальные каркасы параллельно друг другу. Поверх каркасов нанесены первичные обмотки WB, включенные последовательно и образующие цепь возбуждения феррозонда. Эту цепь питают переменным током. Поверх первичных обмоток укладывается вторичная WC, охватывающая оба сердечника, в которой наводится ЭДС, пропорциональная измеряемому параметру магнитного поля.

В дифференциальном феррозонде первичные обмотки соединены таким образом, что протекающий в них ток создает в объеме сердечников напряженности H1, равные по величине, но противоположные по направлению. При наличии внешнего поля напряженностью Но, направленного вдоль сердечников, в объеме одного из них действует разность напряжённостей (Hо–H1), в объеме другого – сумма (Hо+H1). Если сердечники идентичны, то:



mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\физические%20характеристики%20%20удмуртская%20республика%20-%20prour_ru.mht!http://prour.ru/sites/prour.ru/files/temparticles/articles/ep629-4.jpg,

где В' и В" – индукции или плотности магнитных потоков в сердечниках.

ЭДС во вторичной обмотке, охватывающей оба сердечника, будет определяться следующей формулой:

mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\физические%20характеристики%20%20удмуртская%20республика%20-%20prour_ru.mht!http://prour.ru/sites/prour.ru/files/temparticles/articles/ep629-5.jpg,

где s – поперечное сечение сердечников, WС – количество витков вторичной обмотки.

Появление ЭДС во вторичной обмотке дифференциального феррозонда с идентичными полуэлементами возможно при нелинейности характеристик В = f(H).

Общее выражение наводимой ЭДС во вторичной обмотке имеет вид:



mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\физические%20характеристики%20%20удмуртская%20республика%20-%20prour_ru.mht!http://prour.ru/sites/prour.ru/files/temparticles/articles/ep629-6.jpg,

из которого следует выражение для ЭДС четных гармоник:



mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\физические%20характеристики%20%20удмуртская%20республика%20-%20prour_ru.mht!http://prour.ru/sites/prour.ru/files/temparticles/articles/ep629-7.jpg,

где n – номер гармоники, E2n – амплитудное значение четной гармоники ЭДС.

5


Наиболее широко используется второй режим работы дифференциального феррозонда с выходом на второй гармонике.

Изменение амплитуды выходной ЭДС в зависимости от ориентации феррозонда по отношению к вектору, характеризующему магнитное поле, свидетельствует о свойстве направленности.



mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\физические%20характеристики%20%20удмуртская%20республика%20-%20prour_ru.mht!http://prour.ru/sites/prour.ru/files/temparticles/articles/ep629-8.jpg

Рис.3. Диаграммы направленности феррозонда. HH – горизонтальная составляющая геомагнитного поля; HZ – вертикальная составляющая поля; HТ – полный вектор поля.

Диаграммы направленности феррозонда в геомагнитном поле в двух различных плоскостях изображены на рис.3. Они представляют собой правильные «восьмерки». Максимумы диаграмм соответствуют направлению продольной оси чувствительности феррозонда, минимумы – направлению, перпендикулярному этой оси.

Таким образом, феррозондовые магнитомодуляционные преобразователи, характеризуются не только простой конструкцией и достаточно высокой чувствительностью, но и возможностью непосредственного измерения составляющих вектора магнитного поля (обеспечивая тем самым получение полной информации о структуре поля и его источниках), пригодностью для работы в очень слабых магнитных полях.

3. Задание к лабораторной работе

1.Изучить принцип действия и конструкцию дифференциального феррозонда.

2.Ознакомиться с методикой исследования и контроля метрологических характеристик.

6








 




3.Смакетировать схему ФМП, проверить её работоспособность.

4.Снять статическую характеристику дифференциального феррозонда в опорном геомагнитном поле с помощью горизонтируемой поворотной платформы.

5.Провести обработку результатов измерения, построить график статической характеристики феррозонда и систематической погрешности.

4. Порядок выполнения задания

1. Собрать схему для проведения исследований (рис.4) и убедиться в ее работоспособности, о которой можно судить по форме напряжения и сигнальной обмотке дифференциального феррозонда и её изменению при вращении горизонтируемой поворотной платформы.

mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\физические%20характеристики%20%20удмуртская%20республика%20-%20prour_ru.mht!http://prour.ru/sites/prour.ru/files/temparticles/articles/ep629-9.jpg

Рис.4. Схема включения дифференциального феррозонда:

Г – генератор сигналов низкочастотный Г3–118; U – вольтметр В7–38;

F – дифференциальный двухстержневой феррозонд; nU – селективный нановольтметр type–237; Ос – осциллограф С1–77; 1-4 – клеммы

2. Для снятия статической характеристики феррозонда необходимо подать с генератора Г переменное напряжение U=10В и частотой f=2кГц. При этом селективный нановольтметр следует настроить на удвоенную частоту f =4кГц.

3. Зарисовать диаграммы напряжений на выходе ФМП при максимальном и минимальном уровнях и измерить амплитуды данных сигналов.

4. Вращая горизонтируемую поворотную платформу с исследуемым ФМП, изменяя тем самым величину напряженности геомагнитного поля на ось чувствительности ФМП, выполнить измерения амплитудных значений уровня второй гармоники на выходе ФМП при равномерном шаге дискретизации угла 15° в диапазоне 0 – 360°.

7


5. Результаты измерений и вычислений занести в табл.1.1. При этом учесть, что максимальные значения сигнала с феррозонда соответствуют величине горизонтальной составляющей напряженности геомагнитного поля Hm = cos?Т, где Т = 0,47 Э, ? – магнитное наклонение, равное 72° для данной широты местности, а систематические погрешности определяются следующим образом:

mhtml:file://c:\users\юля\desktop\1\физические%20характеристики%20%20удмуртская%20республика%20-%20prour_ru.mht!http://prour.ru/sites/prour.ru/files/temparticles/articles/ep629-10.jpg

Таблица 1.1



?, град.

0

15

30

45

60

75

90







360

U2fизм, мВ































?U2f, мВ































6. Построить и проанализировать следующие графики:

1) U2f = f(?);

2) ?U2f = f(?).

7. Определить динамический диапазон, изучить характер распределения по диапазону измерения систематической погрешности и провести оценку погрешности по модулю.

5. Контрольные вопросы

1.Что такое феррозонд?

2.Объясните принцип действия дифференциального феррозонда.

3.Почему в качестве информационного сигнала используется вторая гармоника?

4.Какова форма сигнала на выходе ФМП?

5.Каков характер распределения выходного сигнала ФМП по диапазону измерения при его вращении на горизонтируемой поворотной платформе?



6.Как определяется динамический диапазон ФМП?






1   2   3   4   5   6

Похожие:

Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconЛабораторная работа «Магнитоэлектрические преобразователи»
Магнетизм — форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconЗакон Био-Савар-Лапласа. Основные закономерности
Силовыми характеристиками магнитного поля служат напряженность магнитного поля и индукция магнитного поля или магнитная индукция....
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconПланы ответов к билетам выпускного экзамена по Физике Магнетизм
Тесла. Линии индукции магнитного поля, их особенности. Графическое изображение поля прямого и кругового тока. Поле соленоида. Действие...
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconКод дидактической единицы предъявляемого содержания из гос
Действия магнитного поля на проводник с током, действие магнитного поля на частицу. Сила Лоренца
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconЭлектрическое поле
Ения В/м (Вольт-на-метр). Величина магнитного поля характеризуется напряженностью магнитного поля Н, единица А/м (Ампер-на-метр)
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconЛабораторная работа №9 Исследование магнитного поля в катушках Гельмгольца
Целью лабораторной работы является экспериментальное изучение магнитного поля пространстве, ограниченного катушками Гельмгольца
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconУрок изучения нового материала по теме «Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца»
Выделить и изучить новое физическое явление — действие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconЛабораторная работа №2 определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля земли
Ознакомление с одним из основных методов определения напряженности магнитного поля Земли
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconАбсолютная магнитная проницаемость, Гн/м
Интенсивность магнитного поля характеризуется также вектором магнитной индукции, измеряемой в теслах (Тл). Напряженность магнитного...
Феррозондовые преобразователи магнитного поля iconПриложение 3 Дифференцированный тест Действие магнитного поля на проводник с током Начальный уровень
По какой из приведенных ниже формул можно вычислить модуль индукции магнитного поля в по силе, действующей на проводник с током....
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org