Магнитомодуляционное измерительное преобразование

Магнитомодуляционное измерительное преобразование основано на проявлении нелинейных свойств ферромагнетиков при их намагничивании одновременно в полях разных частот.

В отличие от пассивных индукционных преобразователей магнитомодуляционные (феррозондовые преобразователи) являются устройствами активного типа. Происходящие в них процессы всегда связаны со взаимодействием минимум двух магнитных полей — внешнего измеряемого и вспомогательного поля возбуждения, создаваемого за счет протекания электрического тока в одной из обмоток. Благодаря этому появляется возможность преобразования в электрический сигнал на основе явления электромагнитной индукции характеристик постоянных магнитных полей без использования описанного в предыдущем разделе механического вращения индукционной измерительной обмотки.

Возможность преобразования постоянного магнитного поля в электрический сигнал (ЭДС измерительной обмотки w₂) покажем на примере воздействия на ферромагнитный сердечник, имеющий форму длинного стержня, одновременно постоянного (измеряемого) магнитного поля напряженностью Я₀ и вспомогательного переменного магнитного поля напряженностью создаваемого переменным электрическим током обмотки возбуждения ид (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Ферромагнитный сердечник, намагничиваемый постоянным и переменным магнитными полями

ЭДС измерительной обмотки в соответствии с законом электромагнитной индукции определяется выражением:

где Ф — магнитный поток через измерительную обмотку, создаваемый постоянным и переменным магнитными полями; S — площадь поперечного сечения ферромагнитного сердечника; В — индукция магнитного поля в сердечнике.

Будем считать закон изменения напряженности переменного магнитного поля Я_ синусоидальным. Поскольку магнитные свойства ферромагнетика имеют нелинейный характер (разд. 2.3), для нахождения закона изменения во времени индукции магнитного поля при известном характере изменения напряженности следует воспользоваться основной кривой намагничивания ферромагнетика — зависимостью В (Н). Будем считать, что эта зависимость носит безгистерезисный характер (рис. 4.6).

Для получения зависимости B (t) следует для каждого значения времени /, найти с использованием зависимости H (t) соответствующее значение Я" а далее с использованием зависимости В (Н) — соответствующее моменту времени значение индукции B_h

По описанной методике были получены временные зависимости индукции для случаев намагничивания ферромагнитного сердечника только в переменном магнитном поле (Я₀=0, сплошная кривая, рис. 4.6) и одновременно в постоянном и переменном магнитных полях (Но ^ 0, пунктирная кривая, рис. 4.6).

Анализ полученных зависимостей показывает, что в случае намагничивания ферромагнетика только в переменном магнитном поле H (t) = H_msin зависимость B (t) ввиду нелинейного характера зависимости В (Н) отличается от синусоидальной. В этом случае имеет место симметричное (одинаковое для положительной и отрицательной полуволн) искажение формы зависимости B (t). В спектре сигнала B (t) в случае такого намагничивания присутствуют наряду с первой гармоникой частоты со также нечетные гармоники этой частоты.

В случае намагничивания ферромагнетика одновременно в переменном и постоянном магнитных полях, H (t) = Н₀ + H_msinwt, зависимость B (t) также отличается от синусоидальной. Однако в этом случае искажение синусоиды носит несимметричный характер (положительная полуволна отличается от отрицательной как по амплитуде, так и по форме). В спектре сигнала B (t) в отличие от предыдущего варианта намагничивания присутствуют наряду с первой и нечетными гармониками частоты оз также четные гармоники этой частоты.

Временные зависимости ЭДС измерительной обмотки в соответствии с (4.4) находятся дифференцированием зависимостей B (t). Анализ сигналов e (t) для описанных выше случаев намагничивания ферромагнетика показывает, что временные зависимости ЭДС еще сильнее, нежели соответствующие зависимости для индукции, отличаются от синусоидальных. Наличие постоянного магнитного поля существенным образом влияет на форму сигнала e (t), что дает возможность использования рассматриваемого измерительного преобразования для измерения характеристик постоянных магнитных полей.

Название «магнитомодуляционное» данное преобразование получило ввиду того, что наличие постоянного магнитного поля вызывает изменение магнитной проницаемости ферромагнетика и, как следствие, изменение формы (модуляцию) изменяющихся с частотой переменного магнитного поля периодических сигналов B (t) и e (t).

Однако практическое использование варианта магнитомодуляционного измерительного преобразователя, представленного на рис. 4.5, невозможно ввиду сложности получения измерительной информации о характеристиках постоянного магнитного поля на основе непосредственного измерения ЭДС измерительной обмотки. Это связано с наличием большой начальной ЭДС измерительной обмотки, наводимой переменным магнитным полем, даже при отсутствии измеряемого постоянного магнитного поля (сплошная кривая e{t), рис. 4.6), и относительно малых изменений ЭДС измерительной обмотки, обусловленных действием на ферромагнетик постоянного магнитного поля (пунктирная кривая .

Исключение начальной ЭДС из выходного сигнала измерительной обмотки возможно, в частности, с использованием варианта магнитомодуляционного преобразователя, показанного на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Тороидальный сердечник, намагничиваемый постоянным и переменным магнитными полями.

В этом случае ферромагнитный сердечник имеет форму тороида. Переменным током обмотки возбуждения w в сердечнике создается переменное магнитное поле напряженности H"(t) = #_wsinco/. Измерительная обмотка имеет две одинаковые секции w₂ и w₂₂, расположенные соответственно на левой и правой половинах тороидального сердечника. Относительно переменного магнитного поля возбуждения секции измерительной обмотки соединены встречно, что обеспечивает при отсутствии постоянного магнитного поля равенство нулю начальной ЭДС измерительной обмотки.

Для рассмотрения процессов, происходящих в магнитомодуляционном преобразователе на основе тороидального сердечника при его намагничивании переменным магнитным полем и намагничивании одновременно переменным и постоянным магнитными полями, может быть использован тот же подход, что и для ранее описанного преобразователя, рис. 4.5.

Выражение для ЭДС двухсекционной измерительной обмотки преобразователя, рис. 4.7, можно представить в виде.

где w₂ = w₂i = w₂2 — число витков секций измерительной обмотки; S — площадь поперечного сечения тороидального сердечника; B (t) и B₂(t) — временные зависимости индукции магнитного поля, соответственно, в левой и правой половинах тороидального сердечника (в зонах расположения секций измерительной обмотки w₂ и w₂₂).

При отсутствии постоянного магнитного поля намагничивание как левой, так и правой половин тороидального сердечника носит зеркально симметричный характер (рис. 4.8). Поэтому сумма B (t) + B₂{t) в этом случае равна нулю. А в соответствии с (4.10) и суммарная ЭДС измерительной обмотки так же равна нулю.

>

Рис. 4.8. Построение временных зависимостей индукции B (t) и ЭДС e (t) измерительной обмотки при намагничивании ферромагнитного тороида, рис. 4.7, в гармоническом магнитном поле (Но = 0).

При наличии постоянного магнитного поля вертикального направления ввиду различного направления силовых линий в левой и правой половинах тороидального сердечника симметрия магнитных полей нарушается (рис. 4.7). Сумма B (t) + B₂(t) в этом случае отлична от нуля, что приводит к появлению некомпенсированной ЭДС измерительной обмотки (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Построение временных зависимостей индукции B (t) и ЭДС e (t) измерительной обмотки при намагничивании ферромагнитного тороида, рис. 4.7, одновременно в гармоническом и постоянном.

магнитных полях

Нетрудно заметить, что период сигнала e (t) в два раза меньше периода изменения напряженности возбуждающего магнитного поля. Соответственно в спектре сигнала e (t) отсутствует первая гармоника частоты со переменного поля, но присутствуют четные гармоники этой частоты.

Функциональная связь ЭДС измерительной обмотки с напряженностью преобразуемого (измеряемого) постоянного магнитного поля имеет вид:

где pd (0 — временная зависимость дифференциальной магнитной проницаемости материала сердечника, определяемая характером основной кривой намагничивания В (Н), выбранной рабочей точкой на этой кривой, амплитудой и частотой магнитного поля возбуждения.

Основное использование магнитомодуляционных преобразователей — измерение постоянных и низкочастотных магнитных полей. Это одни из самых чувствительных магнитных преобразователей. Порог их чувствительности составляет порядка 1СГ⁴…1СГ⁵ А/м (10 ^|0…10″ Тл). Основные области использования: поиск полезных ископаемых, изучение пространственно-временной структуры поля Земли и планет, ориентирование и определение местоположения различных подвижных объектов в поле Земли, контроль качества выпускаемых электротехнических сталей и других материалов и изделий, контроль остаточной намагниченности, регистрация магнитных меток.