Феррозондовые измерительные преобразователи

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

Приборостроительный факультет

кафедра «Стандартизация, метрология

 и  информационные системы» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Феррозондовые измерительные преобразователи 

курсовая  работа по дисциплине «Первичные измерительные 

преобразователи» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

исполнител:                                   
 

проверил:                            Мирошниченко 
 
 
 
 

2003

Содержание.

1. Общие сведения                                                                         
2. Примеры использования
3. Современные приборы основанные на использовании         феррозондов
4. Литература

1.Общие сведения

   Одним из главных компонентов в системе  регистрации магнитного поля являются датчики. Они во многом определяют параметры  системы, самый главный из которых - чувствительность. Принципы действия магнитных датчиков базируются на многих аспектах физики и электроники. Существует 11 наиболее применяемых методов

   обнаружения магнитного поля:

   1) индукционный;

   2) с  насыщенным сердечником;

   3) ядерной  прецессии;

   4) оптической накачки;

   5) СКВИД;

   6) на  основе эффекта Холла;

   7) магниторезистивный;

   8) магнитодиодный;

   9) магнитотранзисторный;

   10) с  использованием волоконных световодов;

   11) магнитооптические.

   Рассмотрим  датчики с насыщенным сердечником(феррозонды) более подробно. 

ФЕРРОЗОНДЫ

Для измерения  напряженности слабых магнитных  полей широкое применение получили магнитометры, основанные на использовании  нелинейности кривой намагничивания ферромагнитных материалов (феррозонды). Феррозонд представляет собой сердечник или комплект сердечников из магнитомягкого материала с обмотками.

1.1.Феррозонды, основанные на изменении индуктивности L обмотки переменного тока при изменении внешнего постоянного поля (фиг. I)

 Относительная магнитная проницаемость ферромагнитного материала, подсчитанная по эффективным значениям В и H, изменяется в зависимости от напряженности поля подмагничивания H (а/м) примерно по гиперболическому закону.

значение коэффициента k для стали Э-4А при f = 50 гц и для молибденового пермаллоя при f = 500 гц находится в пределах (1,8—2,6)*10^-2 м/а. Для получения разных знаков изменения магнитной проницаемости стержни феррозонда подмагничиваются в противоположных направлениях до постоянной начальной напряженности Н_см. Напряженность измеряемого поля Н_х усиливает намагниченность одного стержня и ослабляет намагниченность другого. Полученный при этом дисбалансбаланс мостика, составленного из обмоток, расположенных на разных стержнях, пропорционален величине напряженности измеряемого поля Н_х. Индуктивность обмоток w_~ определяется выражением.

,  где

-магнитное сопротивление 

l-длина магнитопровода феррозонда

S-площадь его сечения

-напряженность поля первоначального подмагничивания  

Фиг.  I. Схема феррозонда, с изменяющейся индуктивностью обмоток при подмагничивании сердечников постоянным потоком.

; G₁ и G₂-геометрические проводимости зазоров;

-магнитная проницаемость сердечника (для постоянного поля в первом приближении можно принять ).

Напряженность поля в теле магнитометра связана с напряженностью измеряемого поля при отсутствии магнитометра формулой

Эта формула  действительна для случая, когда концы магнитометра расположены далеко от полюсов магнитопровода. В противном случае следует пользоваться выражением

где =F_m/L

F_m-магнитодвижущая сила между полюсами, расположенными на расстоянии L. 

   1.2. Феррозонды, основанные на появлении четных гармоник в обмотках переменного тока при подмагничивании сердечника постоянным потоком (фиг. 2).

Обмотки сердечника w₁ питаются переменным током. Количество ампер-витков I₁w₁, выбрано так, что сердечник в каждый полупериод насыщается, и его магнитная

проницаемость резко падает. На фиг. 3, а показаны кривая намагничивания материала, синусоида напряженности поля Н± в сердечнике, созданной током I, 

Фиг.  2 Схемы феррозондов, основанных на измерении напряжения четных гармоник: а и б — со стержневым сердечником; в—с замкнутым сердечником; г — с кольцевым сердечником. 

    и  кривая изменения магнитной индукции  B в сердечнике. С обмоток w₂ снимается напряжение второй и других четных гармоник. Это напряжение появляется вследствие того, что величина потока в сердечнике от внешнего поля Н_х не остается постоянной, а меняется 2 раза в течение периода, достигая максимума, когда значение переменного тока проходит через 0 и сердечник не намагничен, и 2 раза — минимума, когда сердечник насыщен. На фиг3, б, показаны две кривые намагничивания сердечника внешним полем: 1 — для ненасыщенного сердечника и 2 — для сердечника, насыщенного потоком обмотки w₁ 

Фиг. 3   Кривые  намагничивания  сердечника  магнитометра:   а — для   переменного потока; б — для измеряемого поля; 1 — при отсутствии насыщения; 2 — для насыщенного сердечника; 3 — линия магнитного сопротивления зазоров.

Прямая 3, проведенная  под углом θ к оси H ( tg θ = ), характеризует

магнитное сопротивление  зазоров; точка пересечения ее с  кривой намагничивания сердечника феррозонда — распределение магнитодвижущей силы между феррозондом и зазорами (∆В — изменение индукции в сердечнике при напряженности поля Н_х).

Напряжение второй гармоники, получаемое на выходе феррозонда, равно

или

,

где к- коэффициент, определяемый формой кривой напряженности переменного тока.

Максимальная  величина U₂ имеет место при

Н_хм = ,

где H_s — напряженность поля начала насыщения (см. фиг. I, 178, а).

Величина Н_хм связана с напряженностью поля в измеряемом пространстве Н_х соотношениями, представленными выше, или графиками на фиг. 3

На фиг. 2 приведены различные типы сердечников и расположения обмоток. Последние две схемы требуют меньшей мощности подмагничивания. Чувствительность феррозонда с кольцевым сердечником тем выше, чем больше отношение диаметров сердечника d_вн/d_нар.

   Феррозонды  с изменением напряжения четных гармоник более чувствительны к слабым полям, чем феррозонды с изменением индуктивности. 

2.Пример использования. 

   Рассмотрим  использование феррозондов на примере металлоискателей.

   Для магниточувствительных  металлоискателей принято чувствительность обозначать величиной магнитной индукции поля, которое способен зарегистрировать прибор. Обычно чувствительность измеряют в нанотеслах (нТл) 1нТЛ=10^-9Т.

   Кроме чувствительности для определения  качества прибора используют такой  параметр, как разрешающая способность, который также измеряется в нанотеслах и определяет ту минимальную разницу  индукции, которую возможно зарегистрировать прибором.

   Поле  Земли составляет величину примерно 35000нTл. Это усредненная величина – в различных точках земного шара она меняется в диапазоне (35000 – 60000) нTл. Таким образом, задача поиска ферромагнитных предметов состоит в том, чтобы на фоне природного поля Земли обнаружить приращение поля, обусловленное искажениями от ферромагнитных предметов.

   Метод получивший наибольшее распространение, является метод, основанный на нелинейных свойствах ферромагнитных материалов.

   Рис.1

рис 2  

    Феррозонд  представляет собой катушку индуктивности  с нелинейным сердечником. Чаще  всего в качестве такого сердечника используется пермаллоевая проволока. На рис.1 и 2 приведены чертеж и график, поясняющие принцип действия феррозонда.

   Если  через катушку возбуждения пропустить переменный ток, который создаст  переменное поле с амплитудой напряженности  Н_m и приложить к феррозонду соосное постоянное поле напряженностью Н_о, то на выходе приемной катушки феррозонда появится напряжение, пропорциональное постоянному магнитному полю H_o и с удвоенной частотой. Появление напряжения удвоенной частоты обусловлено нелинейной характеристикой сердечника феррозонда. Это напряжение и является сигналом, по которому судят о внешнем магнитном поле.

    Феррозонд является векторным прибором, т.е. выходной сигнал этого чувствительного элемента зависит не только от величины внешнего магнитного поля, но и от его направления относительно оси феррозонда. Это свойство феррозонда позволяет использовать его в качестве ориентационного в пространстве устройства относительно силовых линий поля Земли, однако для построения поискового магнитометра это свойство является скорее недостатком, поскольку в процессе поиска изменение ориентации преобразователя поискового прибора неизбежно. Как было сказано выше, поиск ферромагнитных объектов происходит на фоне природного поля Земли, превосходящего на пять порядков приращения поля, вносимые объектами поиска, поэтому для решения задачи устранения влияния ориентации должны быть приняты нетривиальные конструктивные и электронносхемные приемы. На рис.3 приведена схематическая конструкция преобразователя феррозондового поискового прибора, в котором влияние ориентации относительно силовых линии поля Земли в значительной степени компенсировано.

   Рис. 3

   Преобразователь представляет собой два включенных дифференциально и расположенных на одной оси и на определенном расстоянии (базе) друг от друга феррозонда. Каждый феррозонд в таком преобразователе называют полузондом.

   Юстировочные  винты 1 и 2 обеспечивают взаимно перпендикулярное смещение полузондов относительно точек шарнирного крепления и позволяют тем самым добиваться высокой степени соосности полузондов. На рис.4 приведена электрическая схема дифференциального феррозондового преобразователя. 

   Рис.4.

   I_ген. – ток возбуждения феррозонда; 
U_сигн. – напряжение на выходе измерительных обмоток.

   U_сигн. представляет собой сложногармонический сигнал, в котором информацию о величине внешнего магнитного поля несет разница амплитуд второй гармоники с каждого полузонда. Поскольку полузонды выполнены идентичными, то выходной сигнал не зависит от равномерного поля Земли, а определяется лишь градиентом внешнего поля. Феррозондовый преобразователь, выполненный по дифференциальной схеме (см. рис.3, 4) называют градиентометрическим или градиентометром. Процедура юстировки преобразователя позволяет в достаточной для практики степени исключить влияние на выходной сигнал пространственную ориентацию преобразователя относительно силовых линий магнитного поля Земли. Кроме этого преобразователь располагают конструктивно на вращающейся оси с тем, чтобы под собственным весом он всегда занимал вертикальное положение относительно земной поверхности, что целесообразно по двум причинам: во-первых силовые магнитные линии природного поля направлены под углом 40⁰ к поверхности Земли и градиент поля от вносимых ферромагнитными предметами искажений будет максимален при сближении направления природного поля с осью преобразователя, во-вторых такое естественное расположение преобразователя снижает погрешности от пространственных колебаний преобразователя неизбежные при поиске.

   На  рис.5 показано, как происходит искажение  силовых линий магнитного поля Земли  ферромагнитным предметом, что и фиксирует феррозондовый прибор.

   Рис.5

   Как говорилось выше, феррозондовый преобразователь  является векторным прибором, т.е. выходной сигнал преобразователя зависит от величины и направления приложенного поля. Это позволяет получать дополнительную информацию об ориентации и размерах скрытого ферромагнитного объекта. На рис. 6 показана огибающая выходного сигнала преобразователя от протяженного предмета (труба) под землей. 

   Рис.6

   С помощью  феррозондового градиентометра возможно оценивать глубину залегания  предметов, для чего необходимо прорисовать огибающую сигнала от предмета в координатах: U – уровень сигнала, L – расстояние. Ширина этой огибающей на уровне 0.5 от максимума приблизительно равна глубине залегания предмета. На рис.7 показана огибающая сигнала с преобразователем при его перемещении над скрытым под землей объектом на расстоянии Н.

   Рис.7

   Рассмотрим  примеры использования феррозондов  в различных приборах. 

   3.Современные приборы основанные на применении феррозондов.

   Металлодетектор Ferex4.021

    позволяет  обнаруживать большие ферромагнитные  объекты на глубинах до 6 м,  однако более крупные предметы  могут быть обнаружены на значительно  большей глубине.

   Таблица 1

   Технические характеристики:

• восемь диапазонов чувствительности от 3 нТ до 10000 нТ с разрешением 0.3 нТ;
• база 650мм;
• питание –4 батареи типа С;
• водозащита – IP57, 95% отн. влажности;
• температурный диапазон эксплуатации от -25 до +55 ⁰С;
• вес 4.5 кг;
• размеры 900х500 мм.

   рис.8 Использование металлодетектора.

   Электронный путевой компас CLIPPER

      Технические характеристики

• Номинальное напряжение питания 12 В пост. тока
• Потребляемый ток 120 мА (с подсветкой до 145 мА)
• Точность феррозонда ±1°
• 9 уровней электронного гашения колебаний
• Шаг шкалы 1°
• Размеры корпуса 110 х 110 мм
• Выступ вглубь за приборную панель 30 мм
• Диаметр датчика в корпусе 175 мм, высота 95 мм
• Длина кабеля датчика 5 м

 Компас CLIPPER представляет собой полностью электронное устройство с дистанционным датчиком на феррозонде. Значение курса относительно истинного или магнитного севера выводится на крупном четком экране с 7 уровнями яркости подсветки. Датчик предназначен для монтажа внутри корпуса судна. Он крепится на шарнире, допускающем наклон при качке до 45° в обе стороны. Небольшие ошибки компенсируются за счет электронной системы автоматической калибровки. 
    При включенном режиме следования по курсу на экране компаса появляются уголки, показывающие направление и величину отклонения от курса. Для возврата на нужный курс следует просто поворачивать руль в направлении, указываемом уголками до тех пор, пока они не исчезнут. Уровень чувствительности к отклонению от курса можно регулировать. 
    Компас оснащен также сигнализацией, предупреждающей об отклонении от курса. Как только отклонение превышает заданную величину, раздается звуковое предупреждение

   Феррозондовый магнитомер МФ-24ФМ 

   Предназначен  для измерения остаточного магнитного поля ферромагнитных изделий. Прибор является незаменимым средством контроля при проведении сварочных работ  с использованием технологии электронной  и электродуговой сварки, а также деталей после проведения магнитного неразрушающего контроля.

   Технические характеристики

   Диапазон  измерения ±2000мкТл.  
Погрешность измерения 5%. 
Тип преобразователя- феррозонд градиентометрический.  

   Литература 

   1. Ю.В.Афанасьев., Н.В.Студенцов и др

   «Магнитометрические измерительные преобразователи»

    «Энергия»       1972 

   2.Д.И.Агейкин,  Е.Н.Костина и др

   «Датчики  контроля и регулирования .Справочные материалы»

   М. «Машиностроение»   1965