Магнитометр с ферромагнитным сердечником и тремя обмотками. Феррозондовый магнитометр

Построим векторную диаграмму идеального трансформатора при холостом ходе (рис.15.34).

Намагничивающая сила при холостом ходе

Составим теперь схему замещения идеального трансформатора при его на­грузке (рис.15.35).

Если к зажимам вторичной обмотки подключить нагрузку с сопротивлением Z н , то в ней будет проходить ток , который, в свою очередь, будет стремиться уменьшить магнитный поток, а это приведёт к уменьшению э.д.с., вследст­вие чего ток возрастёт до такой величины, при которой магнитный поток при­обретёт первоначальное значение и будет выполняться уравнение (15.35).

Та­ким образом, появление тока во вторичном контуре приводит к увеличению тока в первичном контуре. В нагруженном трансформаторе магнитный поток в сердечнике равен маг­нитному потоку при холостом ходе, т.е. всегда Ф = const. При нагрузке магнитный поток создаётся под действием намагничиваю­щих сил первичной и вторичной обмоток:

Построим векторную диаграмму идеального трансформатора при нагрузке (рис.15.36).

Преобразуем схему замещения идеального трансформатора, для чего изба­вимся от индуктивной связи. Если соединить одноимённые зажимы обмоток трансформатора между собой, то режим работы трансформатора не изменится.

Рассмотрим сначала индуктивно связанные элементы, которые теперь имеют общую точку. Коэффициент связи двух элементов в данном случае равен единице, поскольку весь магнитный поток полностью сцеплен с витками первичной и вто­ричной обмоток, т.е.

поэтому, учитывая, что w 1 = w 2 , находим:

Заменим теперь часть схемы с индуктивно связанными элементами с общей точкой (рис.15.37а ) на эквивалентную схему без индуктивной связи (рис.15.37б ).

;

;

С учётом найденного схема принимает вид, показанный на рис.15.37в , а схема замещения идеального трансформатора – вид, изображённый на рис.15.38.

Если теперь учесть активные и индуктивные сопротивления рассеяния обеих обмоток, то для трансформатора, у которого w 1 = w 2 , получим схему замещения, приведенную на рис.15.39.

Запишем уравнения первичного и вторичного контуров цепи:

Построим векторную диаграмму цепи (рис.15.40).

В магнитометрах этого типа магниточувствительным элементом является феррозонд, который представляет собой два тонких и длинных стержня из пермаллоя (железо-никелевый сплав - магнитомягкий ферромагнетик), на которые во взаимообратном направлении намотана первичная возбуждающая обмотка. Кроме того, оба сердечника вместе с первичной обмоткой охвачены вторичной (измерительной) обмоткой (рис.4.4а). Магнитомягкие ферромагнетики характерны тем, что петля гистерезиса для них настолько узка, что ее можно рассматривать, как одну кривую (рис.4.4б). Принцип действия феррозонда состоит в следующем. С помощью внешнего источника через первичную (возбуждающую) обмотку пропускается ток частотой чаще всего 400 Гц). Если внешнее магнитное поле отсутствует, то исходная намагниченность сердечников равна нулю. При пропускании тока частотой в каждый полупериод импульсы индукции в сердечниках направлены противоположно и компенсируют друг друга (рис.4.4б). Поэтому общая индукция в ближайшем к сердечникам пространстве в каждый момент времени равна нулю и в измерительной обмотке сигнал не индуцируется, т.е. также равен нулю. При появлении внешнего поля Т (которое необходимо измерить) в каждый полупериод это поле с индукцией одного из сердечников совпадает, а индукция другого сердечника направлена противоположно, что равносильно сдвигу индукции сердечников. Общая (суммарная В ) индукция в пространстве у сердечников, складываясь, образует переменный магнитный поток, изменяющийся с частотой 2 (рис.4.2. б). Этот поток индуцирует в измерительной обмотке электрический сигнал частотой 2 и амплитудой, пропорциональной «сдвигу» индукции в обмотках - внешнему намагничивающему полю Т.

Для измерения этого поля необходимо только выделить с помощью фильтра (Ф) сигнал частотой 2 (800 Гц), усилить его усилителем (У), определить знак поля (фазу) фазочувствительным детектором (ФЧД) и измерить его амплитуду измерителем (И). При этом прибор, измеряющий амплитуду сигнала, может быть проградуирован в единицах напряженности или индукции магнитного поля. Такой феррозонд называется «феррозонд типа второй гармоники». Полезной для магнитных съемок особенностью такого феррозонда является то, что он может измерять составляющую напряженности магнитного поля, направленную по оси зонда. То есть, если поле Т будет направлено перпендикулярно сердечникам, то «сдвига» индукции в обмотках не будет и

Рис. 4.4. Принцип действия феррозондового магнитометра типа второй гармоники.

сигнала во вторичной обмотке не будет. Эта особенность позволяет проводить так называемые компонентные измерения (т.е.измерения трех составляющих по осям) индукции магнитного поля, что относится к достоинствам метода. Недостатком метода является наличие смещения нуля прибора, что даже при высоком пороге чувствительности прибора в 1нТл не позволяет проводить измерения с высокой точностью. Феррозонд имеет также другие наименования: зонд магнитного насыщения, магнитомодуляционный датчик (ММД). В зарубежной литературе он называется flux – date(флакс-гейт) - потокопропускающий. На этом принципе основаны использовавшиеся с 30-х до конца 80-х годов аэромагнитометры (АМФ-21, АММ-13 и др.), наземные магнитометры (М-17, М-29). В настоящее время на этом принципе используются скважинные магнитометры (ТСМК-30,КСП-38 и др.).

Протонные магнитометры.

Протонный магнитометр впервые был разработан в 1953 г. М. Паккардом и Р. Варианом(США) и в СССР - в 1957 г.А. Я. Ротштейном и В. С. Цирелем. Эти магнитометры основаны на принципе свободной ядерной прецессии протонов -ядер атома водорода. Протон как движущаяся вращающаяся заряженная частица обладает определенным моментом количества движения (спином) р и магнитным моментом .Магнитное поле протона аналогично полю стержневого магнита, ориентированного вдоль оси вращения частицы. Протон как магнит стремится установиться своей магнитной осью в направлении магнитного поля Земли (как магнитная стрелка компаса), а свойство гироскопа (волчка)препятствует этому. Поэтому ось вращения (и магнитный момент) протона начинает описывать конические поверхности вокруг направления вектора внешнего магнитного поля Т ВН . (рис.4.5,а). Такое движение называется прецессией. Прецессия называется свободной, если она происходит без воздействия на систему протонов внешних сил.

Рис. 4.5. Принцип действия ядерно-протонных магнитометров.

Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что частота свободной прецессии протонов в магнитном поле прямо пропорциональна модулю вектора напряженности Т ВН . внешнего магнитного поля и связана с ним простым соотношением, которое называется равенством Лармора: f=( где = р/ - гиромагнитное отношение протона, т.е. отношение его механического момента вращения р к магнитному моменту . Поскольку постоянная величина определена с очень высокой точностью (относительная погрешность порядка 10 -6) и не зависит от любых внешних факторов (температура, давление и др.), результаты измерений этим способом характеризуются очень высокой точностью и стабильностью.

Магнитные моменты различных протонов ориентированы антипараллельно, поэтому в обычном состоянии вследствие тепловых соударений частиц магнитные моменты отдельных протонов ориентированы хаотично и их суммарный магнитный момент близок к нулю. Поэтому используются специальные способы поляризации рабочего вещества, т.е.ориентировки магнитных моментов элементарных частиц - протонов. Для измерения магнитного поля удобнее всего использовать простейшие атомные ядра - протоны, так как они в жидкостях дают наиболее острый и интенсивный резонанс. Магнитоизмерительный преобразователь (МИП) представляет собой сосуд с протонсодержащей жидкостью (обычно это был очищенный керосин), помещенный в катушке с проводом (рис.4.5 б). Если через обмотку МИП пропустить сильный электрический ток, создающий в направлении оси катушки магнитное поле НК напряженностью порядка 100 Э (переключатель К подключен к блоку питания), то под действием поля НК происходит магнитная поляризация рабочего вещества – множество содержащихся в нем протонов приобретут ориентировку магнитных моментов в направлении вектора напряженности магнитного поля Н к. После резкого отключения тока (переключатель К подключается к частотомеру)протоны начнут согласованно прецессировать вокруг вектора напряженности внешнего магнитного поляТ , наводя в той же обмотке катушке Э.Д.С. с частотой прецессии. Через несколько секунд прецессия затухает из-за теплового соударения частиц и потери синфазности прецессии протонов, но этого времени вполне достаточно, чтобы преобразовать сигнал и определить его частоту. Частотный выход прибора обеспечивает возможность регистрации результатов измерений в цифровом виде. Основным методом измерений частоты сигнала свободной прецессии в протонных магнитометрах является метод подсчета числа периодов (сигналов) прецессии в течение фиксированного интервала времени, определяемого по периодам эталонной частоты специального кварцевого генератора. Регистрации показаний может осуществляться различными устройствами: аналоговым самописцем (или фотоосциллографом); цифропечатающим устройством; цифровым перфораторным или магнитным регистратором ит. д.Иногда для удобства непосредственно записывают не частоту сигнала ядерной прецессии, а частоту биений, образующихся между частотой сигналов прецессии и эталонной частотой специального кварцевого генератора (близкой к частоте прецессии): f б = f с – f кв г Данный метод обеспечивает большую точность измерений частоты, но мало пригоден для их автоматизации. Можно поступить наоборот: обеспечить подсчет периодов эталонной частоты в течение фиксированного числа сигналов ядерной прецессии. В этом случае получается цифровой результат, обратно пропорциональный индукции поля, что не позволяет производить непосредственный отсчет в единицах магнитной индукции, как в предыдущем случае. Но в данном методе не требуется умножитель частоты, необходимый при непосредственных отсчетах показаний. В последних модификациях ядерно-протонных магнитометров применяется метод динамической поляризации. В методе динамической поляризации ядер используется эффект Оверхаузера, заключающийся в том, что в некоторых веществах с сильным взаимодействием ядерных спинов с электронными можно создать дополнительную поляризацию одной спиновой системы, например, ядерной, за счет поляризации другой, например, электронной. Рабочее вещество возбуждается на частоте электронного резонанса с помощью радиочастотного поля (примерно 56 МГц), а передача энергии протонам происходит за счет внутренних взаимодействий. Существует класс веществ, для которых может быть реализовано указанное явление. К ним принадлежат растворы натрия в аммиаке, растворы в органических жидкостях ряда свободных устойчивых радикалов гидразинового ряда (в частности, дифенил-пикрилгидрозил), а также водные и бензольные растворы свободного радикала дисульфонатапироксиламина (соль Фреми) и некоторых других радикалов. Перечисленные растворы дают возможность наблюдать динамическую поляризацию в слабых магнитных полях, в том числе в земном магнитном поле. Метод динамической поляризации позволяет сократить продолжительность циклаизмерения, а также проводить измерения одновременно с процессом поляризации. К недостаткам метода следует отнести недолговечность некоторых видов рабочего вещества, что создает неудобства при производственных магнитных съемках. На методике динамической поляризации ядер построены отечественные протонные магнитометры ММП-203М, аэромагиитометры ММВ-215. Канадская фирма Geotech разработала на этом принципе вертикальный аэромагнитометр-градиентометр GRAD-1 с чувствительностью 0,01нТл для каждого датчика и 0,025 нТл/м для градиентных измерений. Протонные магнитометры обладают высокой точностью (1 нТл), стабильностью работы, высокой производительностью, не требуют нивелировки и мало чувствительны к отклонениям от оптимальной ориентировки МИП прибора при измерении. В настоящее время это наиболее широко применяемые приборы при проведении наземных съемок (ММП-203М, МИНИМАГ), аэромагнитных (ММС-213, ММС-214) и гидромагнитных (АПМ-3, МПМ-3) съемок, а также скважинных магнитных измерений(МСП-2).Полевые протонные магнитометры ММП-203, ММП-203М, МИНИМАГконструктивно выполнены в виде двух раздельных блоков – магнитоизмерительного преобразователя (датчика) и измерительного пульта. Датчик протонного (ядерного) магнитометра обычно представляет собой цилиндрический сосуд из органического стекла с жидкостью, содержащей протоны (смесь воды со спиртом, керосин, раствор соли Фреми и т д.). Сосуд помещается в многовитковую катушку, настроенную в резонанс с частотой ожидаемого сигнала. Эта катушка используется как для возбуждения (поляризация), так и для съемки сигнала в виде ЭДС определенной частоты (эти функции катушки разделены во времени).

Квантовые магнитометры.

По установившейся отраслевой (геолого-геофизической) терминологии квантовыми называются магнитометры, работающие на принципе оптической накачки, хотя по международной терминологии группа квантовых магнитометров значительно шире. Магнитометры на принципе оптической накачки основаны на взаимодействии магнитных моментов атомов рабочего вещества (пары щелочных металлов - Na, K, Rb, Cz или инертные газы He, Ar, Kr и др.) с внешним магнитным полем (эффект Зеемана). Сущность эффекта Зеемана состоит в том, что энергетические уровни атомов жидких, газообразных и парообразных веществ, находящихся в магнитном поле, расщепляются на несколько подуровней. Частота излучения или поглощения f(в Гц) при переходе электрона с одного подуровня на другой определяется:f= ( Б / h) Т ВН, (3.23)где Б - магнетон Бора (магнитный момент электрона); h - постоянная Планка (коэффициент пропорциональности между квантом энергии и циклической частотой его излучения), Т ВН -напряженность внешнего магнитного поля. Из формулы (3.23) видно, что если измерить частоту излучения f при переходе электрона с одного подуровня на другой, можно определить значение поля Т ВН. Но наблюдать переход отдельных атомов с одного зеемановского уровня на другой практически невозможно. Необходимо добиться согласованного возбуждения множества атомов и последующего перехода их всех сразу в невозбужденное состояние. Этого добиваются с помощью принципа оптической накачки. Схематически принцип оптической накачки или оптической ориентации атомов состоит в следующем (рис.4.6.).Под действием внешнего магнитного поля Т ВН , в соответствии с эффектом Зеемана, энергетические уровни атомов расщепляются на подуровни А,В,С (рис.4.6а). Поэтому преимущественную заселенность подуровня В обеспечивают облучением рабочего вещества светом, в котором нет спектральной линии В. Тогда, по законам квантовой физики, переход из В в С запрещен (невозможен) из А в С возможен, из С в А и В равновероятен. Постепенно(рис. 4.6 б - г ) атомы перейдут в состояние В. Поглощение света закончится, вещество магнитно поляризуется (одинаковая поляризация магнитных моментов атомов). Отфильтровка спектральной линии ВС достигается круговой поляризацией монохроматического света. Детектирование сигнала при оптической накачке осуществляется по изменению интенсивности проходящего света. При воздействии дополнительного радиочастотного магнитного поля (усиливающего выравнивание заселенности) прозрачность рабочего вещества уменьшается, что фиксируется фотоэлементом в виде электрического сигнала.

Минимум света наблюдается при соответствии частоты радиополя (f P) круговой частоте резонансного перехода = 2 = *Т ВН , (3.24) где - гиромагнитное отношение электрона. Нетрудно заметить, что и в основе способа оптической накачки, и в основе способа ядерной прецессии - одна и та же формула, но способы поляризации рабочего вещества различны. Именно по этой причине за рубежом и ядерно-протонные и квантовые магнитометры

Рис. 4.6. К пояснению принципа оптической накачки

объединяют под общим названием «ядерные магнитометры».Порог чувствительности магнитометров, основанных на принципе оптической накачки, составляет 1 - 0.01 нТл в зависимости от цикла измерений. Их показания менее устойчивы, чем у протонных магнитометров, однако они имеют лучшую частотную характеристику, могут работать и в слабо-, и в сильно градиентных полях. На принципе оптической накачки построены квантовые аэромагнитометры ММ-305,КАМ-28, пешеходные М-33, ММП - 303, ММ -60.Порядок работы с этими магнитометрами также достаточно прост и аналогичен порядку работы с магнитометром ММП -203М.

В магнитометрах этого типа магниточувствительным элементом является феррозонд, который представляет собой два тонких и длинных стержня из пермаллоя (железо-никелевый сплав - магнитомягкий ферромагнетик), на которые во взаимообратном направлении намотана первичная (возбуждающая) обмотка. Кроме того, оба сердечника вместе с первичной обмоткой охвачены вторичной (измерительной) обмоткой (рис.3.15 а). Магнитомягкие ферромагнетики характерны тем, что петля гистерезиса для них настолько узка, что ее можно рассматривать, как одну кривую (рис.3.15 б).

Рис. 3.15. Принцип действия феррозондового магнитометра

типа второй гармоники.

Принцип действия феррозонда состоит в следующем. С помощью внешнего источника через первичную (возбуждающую) обмотку пропускается ток частотой w (чаще всего 400 Гц). Если внешнее магнитное поле отсутствует, то исходная намагниченность сердечников равна нулю. При пропускании тока частотой w в каждый полупериод импульсы индукции в сердечниках направлены противоположно и компенсируют друг друга (рис.3.15 б). Поэтому общая индукция в ближайшем к сердечникам пространстве в каждый момент времени равна нулю и в измерительной обмотке сигнал не индуцируется, т.е. также равен нулю.

При появлении внешнего поля Т (которое необходимо измерить) в каждый полупериод это поле с индукцией одного из сердечников совпадает, а индукция другого сердечника направлена противоположно, что равносильно сдвигу индукции сердечников. Общая (суммарная В S) индукция в пространстве у сердечников, складываясь, образует переменный магнитный поток, изменяющийся с частотой 2w (рис.3.15. б). Этот поток индуцирует в измерительной обмотке электрический сигнал частотой 2w и амплитудой, пропорциональной «сдвигу» индукции в обмотках - внешнему намагничивающему полю Т.

Для измерения этого поля необходимо только выделить с помощью фильтра (Ф) сигнал частотой 2w (800 Гц), усилить его усилителем (У), определить знак поля (фазу) фазочувствительным детектором (ФЧД) и измерить его амплитуду измерителем (И). При этом прибор, измеряющий амплитуду сигнала, может быть проградуирован в единицах напряженности или индукции магнитного поля. Такой феррозонд называется «феррозонд типа второй гармоники».

Полезной для магнитных съемок особенностью такого феррозонда является то, что он может измерять составляющую напряженности магнитного поля, направленную по оси зонда. То есть, если поле Т будет направлено перпендикулярно сердечникам, то «сдвига» индукции в обмотках не будет и сигнала во вторичной обмотке не будет.

Эта особенность позволяет проводить так называемые компонентные измерения (т.е. измерения трех составляющих по осям) индукции магнитного поля, что относится к достоинствам метода. Недостатком метода является наличие смещения нуля прибора, что даже при высоком пороге чувствительности прибора в 1нТл не позволяет проводить измерения с высокой точностью.

Феррозонд имеет также другие наименования: зонд магнитного насыщения, магнитомодуляционный датчик (ММД). В зарубежной литературе он называется flux - date (флакс-гейт) - потокопропускающий.

Предлагаемый вашему вниманию дифференциальный магнитометр может быть очень полезен для поиска крупных железных предметов. Таким прибором практически невозможно искать клады, однако он незаменим при поиске неглубоко затонувших танков, кораблей и других образцов военной техники.

Принцип действия дифференциального магнитометра очень прост. Любой предмет из ферромагнетика искажает естественное магнитное поле Земли. К таким предметам относится все, изготовленное из железа, чугуна и стали. В значительной степени повлиять на искажение магнитного поля может и собственная намагниченность предметов, которая часто имеет место. Зафиксировав отклонение напряженности магнитного поля от фонового значения, можно сделать вывод о наличии вблизи измерительного прибора предмета из ферромагнитного материала.

Искажение магнитного поля Земли вдали от мишени мало, и оно оценивается по разности сигналов от двух разнесенных на некоторое расстояние датчиков. Поэтому прибор и назван дифференциальным. Каждый датчик измеряет сигнал, пропорциональный напряженности магнитного поля. Наибольшее распространение получили ферромагнитные датчики и датчики на основе магнетонной прецессии протонов. В рассматриваемом приборе используются датчики первого типа.

Основой ферромагнитного датчика (называемого также феррозондовым) является катушка с сердечником из ферромагнитного материала. Типовая кривая намагничивания такого материала хорошо известна из школьного курса физики и имеет с учетом влияния магнитного поля Земли следующий вид, показанный на рис. 29.

Рис. 29. Кривая намагничивания

Катушка возбуждается переменным синусоидальным сигналом несущей частоты. Как видно из рис. 29, смещение кривой намагничивания ферромагнитного сердечника катушки внешним магнитным полем Земли приводит к тому, что индукция поля и связанное с ним напряжение на катушке начинают искажаться несимметричным образом. Иными словами, напряжение датчика при синусоидальном токе несущей частоты будет отличаться от синусоиды более "приплюснутыми" верхушками полуволн. И искажения эти будут несимметричны. На языке спектрального анализа это означает появление в спектре выходного напряжения катушки четных гармоник, амплитуда которых пропорциональна напряженности магнитного поля смещения (поля Земли). Вот эти четные гармоники и надо "выловить".

Рис. 30. Дифференциальный ферромагнитный датчик

Прежде чем упомянуть естественным образом напрашивающийся для этой цели синхронный детектор, работающий с опорным сигналом удвоенной несущей частоты, рассмотрим конструкцию усложненного варианта ферромагнитного датчика. Он состоит из двух сердечников и трех катушек (рис. 30). По своей сути, это дифференциальный датчик. Однако для простоты далее в тексте не будем называть его дифференциальным, так как сам магнитометр и без того уже - дифференциальный (©).

Конструкция состоит из двух идентичных ферромагнитных сердечников с идентичными катушками, расположенными параллельно рядом друг с другом. По отношению к возбуждающему электрическому сигналу опорной частоты они включены встречно. Третья катушка представляет собой обмотку, намотанную поверх двух сложенных вместе первых двух катушек с сердечниками. При отсутствии внешнего смещающего магнитного поля электрические сигналы первой и второй обмоток симметричны и в идеальном случае действуют так, что выходной сигнал в третьей обмотке отсутствует, так как магнитные потоки через нее полностью компенсируются.

При наличии внешнего смещающего магнитного поля картина меняется. То один, то другой сердечник на пике соответствующей полуволны "залетает" в насыщение глубже, чем обычно вследствие добавочного воздействия магнитного поля Земли. В результате на выходе третьей обмотки появляется сигнал рассогласования удвоенной частоты. Сигналы основной гармоники в идеале там полностью компенсируются.

Удобство рассмотренного датчика заключается в том, что его катушки можно включить для повышения чувствительности в колебательные контура. Первую и вторую -в колебательный контур (или контура), настроенный на несущую частоту. Третью - в колебательный контур, настроенный на вторую гармонику.

Описанный датчик обладает ярко выраженной диаграммой направленности. Его выходной сигнал максимален при расположении продольной оси датчика вдоль силовых линий внешнего постоянного магнитного поля. Когда продольная ось перпендикулярна силовым линиям - выходной сигнал равен нулю.

Датчик рассмотренного типа, особенно совместно с синхронным детектором, может успешно работать как электронный компас. Его выходной сигнал после выпрямления пропорционален проекции вектора напряженности магнитного поля Земли на ось датчика. Синхронное детектирование позволяет узнать и знак этой проекции. Но даже и без знака - сориентировав датчик по минимуму сигнала, получим направление на запад или на восток. Сориентировав по максимуму - получим направление магнитной силовой линии поля Земли. В средних широтах (например, в Москве) она идет наклонно и "втыкается" в землю в направлении на север. По углу магнитного склонения можно приблизительно оценить географическую широту местности.

Дифференциальные ферромагнитные магнитометры имеют свои достоинства и недостатки. К достоинствам относится простота прибора, он не сложнее радиоприемника прямого усиления. К недостаткам относится трудоемкость изготовления датчиков - кроме аккуратности требуется абсолютно точное совпадение количества витков соответствующих обмоток. Погрешность один-два витка может сильно снизить возможную чувствительность. Другим недостатком является "компасность" прибора, т. е. невозможность полной компенсации поля Земли вычитанием сигналов от двух разнесенных датчиков. На практике это приводит к ложным сигналам при поворотах датчика вокруг оси, перпендикулярной продольной.

Практическая конструкция

Практическая конструкция дифференциального ферромагнитного магнитометра была реализована и испытана в макетном варианте без специальной электронной части для звуковой индикации, с использованием только микроамперметра с нулем посередине шкалы. Схема звуковой индикации может быть взята из описания металлоискателя по принципу "передача-прием". Прибор имеет следующие параметры.

Основные технические характеристики
Напряжение питания 15... 18 В
Потребляемый ток не более 50 мА
Глубина обнаружения:
пистолет 2 м
пушечный ствол 4 м
танк 6 м

Структурная схема

Рис. 31. Структурная схема дифференциального ферромагнитного магнитометра

Структурная схема показана на рис. 31. Стабилизированный кварцем задающий генератор выдает синхроимпульсы тактовой частоты для формирователя сигналов.

На одном его выходе присутствует меандр первой гармоники, поступающий на усилитель мощности, возбуждающий излучающие катушки датчиков 1 и 2. Другой выход формирует меандр опорной удвоенной тактовой частоты со сдвигом 90° для синхронного детектора. Разностный сигнал с выходных (третьих) обмоток датчиков усиливается в приемном усилителе и выпрямляется синхронным детектором. Выпрямленный постоянный сигнал можно регистрировать микроамперметром или описанными в предыдущих главах устройствами звуковой индикации.

Принципиальная схема

Принципиальная схема дифференциального ферромагнитного магнитометра изображена на рис. 32 - часть 1; задающий генератор, формирователь сигналов, усилитель мощности и излучающие катушки, рис. 33 - часть 2: приемные катушки, приемный усилитель, синхронный детектор, индикатор и блок питания.

Рис. 32. Принципиальная электрическая схема - часть I

ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР (РИС. 32)

Задающий генератор собран на инверторах D1.1-D1.3. Частота генератора стабилизирована кварцевым или пье-зокерамическим резонатором Q с резонансной частотой 215 Гц = 32 кГц ("часовой кварц"). Цепь R1C1 препятствует возбуждению генератора на высших гармониках. Через резистор R2 замыкается цепь ООС, через резонатор Q -цепь ПОС. Генератор отличается простотой, малым потребляемым током, надежно работает при напряжении питания 3...15 В, не содержит подстроечных элементов и чересчур высокоомных резисторов. Выходная частота генератора - около 32 кГц.

ФОРМИРОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ (РИС. 32)

Формирователь сигналов собран на двоичном счетчике D2 и D-триггере D3.1. Тип двоичного счетчика непринципиален, главная его задача - поделить тактовую частоту на 2, на 4 и на 8, получив таким образом, меандры с частотами 16, 8 и 4 кГц соответственно. Несущая частота для возбуждения излучающих катушек-4 кГц. Сигналы с частотами 16 и 8 кГц, воздействуя на D-триггер D3.1, формируют на его выходе меандр удвоенной по отношению к несущей частоты 8 кГц, сдвинутый на 90° относительно выходного сигнала 8 кГц двоичного счетчика. Такой сдвиг необходим для нормальной работы синхронного детектора, так как такой же сдвиг имеет полезный сигнал рассогласования удвоенной частоты на выходе датчика. Вторая половинка микросхемы из двух D-триггеров - D3.2 в схеме не используется, но ее незадействованные входы должны обязательно быть подключены либо к логической 1, либо к логическому 0 для нормальной работы, что и изображено на схеме.

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ (РИС. 32)

Усилитель мощности с виду таким и не кажется и представляет всего лишь мощные инверторы D1.4 и D1.5, которые в противофазе раскачивают колебательный контур, состоящий из последовательно-параллельно включенных излучающих катушек датчика и конденсатора С2. Звездочка около номинала конденсатора означает, что его значение указано ориентировочно и что его надо подобрать при наладке. Незадействованный инвертор D1.6, чтобы не оставлять его вход неподключенным, инвертирует сигнал D1.5, но практически работает "вхолостую". Резисторы R3 и R4 ограничивают выходной ток инверторов на допустимом уровне и вместе с колебательным контуром образуют высокодобротный полосовой фильтр, благодаря чему форма напряжения и тока в излучающих катушках датчика практически совпадает с синусоидальной.

Рис. 33. Принципиальная электрическая схема - часть II. Приемный усилитель

ПРИЕМНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (РИС 33)

Приемный усилитель усиливает разностный сигнал, поступающий с приемных катушек датчика, образующих совместно с конденсатором СЗ колебательный контур, настроенный на удвоенную частоту 8 кГц. Благодаря подстроечно-му резистору R5 вычитание сигналов приемных катушек производится с некоторыми взвешивающими коэффициентами, которые могут изменяться перемещением движка резистора R5. Этим достигается компенсация неидентичностей параметров приемных обмоток датчика и минимизация его "компасности". Приемный усилитель двухкаскадный. Он собран на ОУ D4.2 и D6.1 с параллельной ОС по напряжению. Конденсатор С4 уменьшает усиление на высших частотах, предотвращая тем самым перегрузку усилительного тракта высокочастотными наводками от силовых сетей и других источников. Цепи коррекции ОУ - стандартные.

СИНХРОННЫЙ ДЕТЕКТОР (РИС. 33)

Синхронный детектор выполнен на ОУ D6.2 по типовой схеме. В качестве аналоговых ключей используется микросхема D5 КМОП мультиплексора-демультиплексора 8 на 1 (рис. 32). Его цифровой адресный сигнал перебирается только в младшем разряде, обеспечивая поочередную коммутацию точек К1 и К2 на общую шину. Выпрямленный сигнал фильтруется конденсатором С8 и усиливается ОУ D6.2 с одновременным дополнительным ослаблением не-отфильтрованных ВЧ составляющих цепями R14C11 и R13C9. Цепь коррекции ОУ - стандартная для использованного типа.

ИНДИКАТОР (РИС. 33)

Индикатор представляет собой микроамперметр с нулем посередине шкалы. В индикаторной части может с успехом использоваться схемотехника описанных ранее металлоискателей других типов. В том числе, в качестве индикатора можно использовать и конструктив металлоискателя по принципу электронного частотомера. В этом случае его LC-генератор заменяется на RC-генератор, а измеряемое выходное напряжение через резистивный делитель подается на частотозадающую цепь таймера. Подробнее об этом можно почитать на сайте Юрия Колоколова.

Микросхема D7 стабилизирует однополярное напряжение питания. С помощью ОУ D4.1 создается искусственная средняя точка питания, что позволяет использовать обычную двуполярную схемотехнику для ОУ. Керамические блокирующие конденсаторы С18-С21 смонтированы в непосредственной близости от корпусов цифровых микросхем D1, D2, D3, D5.

Типы деталей и конструкция

Типы использованных микросхем указаны в табл. 6.

Таблица 6. Типы использованных микросхем

Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К176 или зарубежные аналоги серий 40ХХ и 40ХХХ.

Сдвоенные операционные усилители (ОУ) серии К157 можно заменить любыми сходными по параметрам ОУ общего назначения (с соответствующими изменениями в цоколевке и цепях коррекции).

К применяемым в схеме дифференциального магнитометра резисторам не предъявляется особых требований. Они лишь должны иметь прочную и миниатюрную конструкцию и быть удобны для монтажа. Номинал рассеиваемой мощности 0,125...0,25 Вт.

Потенциометры R5, R16 желательны многооборотные для удобства точной настройки прибора. Рукоятка потенциометра R5 должна быть изготовлена из пластика и должна иметь достаточную длину, чтобы прикосновения руки оператора при настройке не вызывали изменения показаний индикатора за счет наводок. Конденсатор С16 - электролитический любого малогабаритного типа.

Конденсаторы колебательных контуров С2* и СЗ* состоят из нескольких (5-10 шт.) конденсаторов, включенных параллельно. Настройка контура в резонанс осуществляется подбором количества конденсаторов и их номинала. Рекомендуемый тип конденсаторов К10-43, К71-7 или зарубежные термостабильные аналоги. Можно попытаться использовать обычные керамические или металлопленоч-ные конденсаторы, однако, при колебаниях температуры придется чаще подстраивать прибор.

Микроамперметр - любого типа на ток 100 мкА с нулем посередине шкалы. Удобны малогабаритные микроамперметры, например, типа М4247. Можно использовать практически любой микроамперметр, и даже миллиамперметр - с любым пределом шкалы. Для этого надо соответствующим образом скорректировать номиналы резисторов R15-R17. Кварцевый резонатор Q - любой малогабаритный часовой кварц (аналогичные используются также в портативных электронных играх).

Выключатель S1 - любого типа, малогабаритный.

Рис. 34. Конструкция датчика-антенны

Катушки датчика выполнены на круглых ферритовых сердечниках диаметром 8 мм (используются в магнитных антеннах радиоприемников СВ- и ДВ-диапазонов) и длиной около 10 см. Каждая обмотка состоит из ровно и плотно намотанных в два слоя 200 витков медного обмоточного провода диаметром 0,31 мм в двойной лаково-шелковой изоляции. Поверх всех обмоток крепится слой фольги экрана. Края экрана изолируются друг от друга для предотвращения образования короткозамкнутого витка. Вывод экрана выполняется медным луженым одножильным проводом. В случае экрана из алюминиевой фольги этот вывод накладывается на экран на всю его длину и плотно приматывается изолентой. В случае экрана из медной или латунной фольги вывод припаивается.

Концы ферритовых сердечников закреплены во фторопластовых центрирующих дисках, благодаря которым каждая из двух половинок датчика удерживается внутри пластиковой трубы из текстолита, служащей корпусом, как это схематически изображено на рис. 34. Длина трубы - около 60 см. Каждая из половинок датчика расположена у конца трубы и дополнительно фиксируется силиконовым гермети-ком, которым заполняется пространство вокруг обмоток и их сердечников. Заполнение осуществляется через специальные отверстия в корпусе-трубе. Совместно с фторопластовыми шайбами такой герметик придает креплению хрупких ферритовых стержней необходимую упругость, препятствующую их растрескиванию при случайных ударах.

Налаживание прибора

1. Убедиться в правильности монтажа.

2. Проконтролировать потребляемый ток, который не должен превышать 100 мА.

3. Проверить правильность работы задающего генератора и остальных элементов формирования импульсных сигналов.

4. Настроить колебательные контура датчика. Излучающий - на частоту 4 кГц, приемный - на 8 кГц.

5. Убедиться в правильности работы усилительного тракта и синхронного детектора.

Работа с прибором

Методика настройки и работы с прибором следующая. Выходим в место поисков, включаем прибор и начинаем вращать антенну-датчик. Лучше всего в вертикальной плоскости, проходящей через направление север-юг. Если датчик прибора на штанге, то можно не вращать, а раскачивать насколько это позволяет делать штанга. Стрелка индикатора будет отклоняться (компасный эффект). С помощью переменного резистора R5 пытаемся минимизировать амплитуду этих отклонений. При этом будет "съезжать" средняя точка показаний микроамперметра и ее надо будет тоже подстраивать другим переменным резистором R16, который предназначен для установки нуля. Когда "компасный" эффект станет минимальным, прибор считается отбалансированным.

Для малых объектов методика поисков с помощью дифференциального магнитометра не отличается от методики работы с обычным металлоискателем. Возле объекта стрелка может отклониться в любую сторону. Для больших объектов стрелка индикатора будет отклоняться в разные стороны на большом пространстве.

Этот прибор измеряет магнитное поле Земли в конкретной точке. При перемещении прибора вблизи ферромагнитных материалов (в нашем случае сталь, чугун), фиксируется изменение магнитного поля по сравнению с фоновым. Приборы этой группы подходят для поиска крупных чугунных и стальных объектов (танки, паровозы, автомобили). Из принципа работы магнитометра вытекает следующая особенность: степень искажения магнитного поля зависит, в основном, от массы объекта. Таким образом, на танк и на стопку рельс такого же веса магнитометр сработает одинаково. Следовательно, магнитометр подходит и для поиска складов оружия и боеприпасов. На цветные металлы магнитометр не реагирует.

Основные понятия

Магнитометр - прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ (магнитных материалов). В зависимости от определяемой величины, различают приборы для измерения: напряжённости поля (эрстедметры), направления поля (инклинаторы и деклинаторы), градиента поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или флюксметры), коэрцитивной силы (коэрцитиметры), магнитной проницаемости (мю-метры), магнитной восприимчивости (каппа-метры), магнитного момента.

В поисковых целях используются тесламетры и градиентометры . Основная идея использования магнитометра для поиска железосодержащих объектов заключается в следующем. Как известно, Земля обладает собственным магнитным полем. Величина и направление этого поля практически постоянны на достаточно больших площадях. Однако, вблизи ферромагнитного объекта магнитное поле изменяется, как по направлению, так и по величине. Зафиксировав с помощью магнитометра изменение магнитного поля, подобный объект можно обнаружить. Мало того, применяя методы расчета, используемые в геофизике, можно расчитать размеры объекта и глубину, на которой он находится.

Что говорит нам геофизика? На полюсах вертикальные составляющие магнитной индукции примерно равны 60 мкТл, а горизонтальные - нулю. На экваторе горизонтальная составляющая приблизительно равна 30 мкТл, а вертикальная - нулю. Еще некоторые цифры: железный объект весом 1 фунт (453 грамма), на расстоянии 3 м изменяет магнитное поле на 1 нТл. Таким образом, приличный магнитометр должен измерять магнитное поле в пределах 30 000 - 60 000 нТл с точностью до 1 нТл.

Принцип работы

Основные датчики, применяемые в магнитометрах:

Принцип действия оптико-механических магнитометров аналогичен работе компаса. Чувствительным элементом (датчиком) таких приборов служит постоянный магнит, который может свободно вращаться. В зависимости от ориентации оси вращения постоянного магнита, его магнитного момента и напряженности магнитного поля Земли постоянный магнит занимает определенное положение относительно горизонтальной или вертикальной плоскости. Изменение напряженности магнитного поля Земли приводит к соответствующему изменению угла наклона постоянного магнита (при прочих равных условиях). Для повышения точности определения угла наклона системы применяют специальные оптические устройства.Для снижения погрешности при ориентации по магнитному меридиану используют компенсационный способ измерений. Для этого в приборе имеется компенсационный магнит, жестко связанный с отсчетной шкалой. Плавная компенсация осуществляется вращением этого магнита до тех пор, пока постоянный магнит не установится горизонтально. Момент компенсации фиксируется с помощью особой оптической системы путем совмещения отраженного от зеркала на магните и неподвижного горизонтального индексов. Для расширения пределов измерения ΔZ существует второй, так называемый диапазонный магнит ступенчатой компенсации. Погрешность измерений таким прибором составляет 2—5 нТл.

Основой конструкции феррозонда (чувствительного элемента) феррозондового магнитометра служит электрическая катушка, намотанная на удлиненный стержень из ферромагнетика, обладающего малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях (например, из сплава железа и никеля — пермаллоя). В отсутствие внешнего магнитного поля при пропускании через генераторную (первичную) катушку переменного электрического тока частотой f и амплитудой, достаточной для создания поля возбуждения, превышающего уровень насыщения сердечника, в измерительной (вторичной) катушке возникает ЭДС удвоенной частоты 2f. При наличии внешнего постоянного магнитного поля, составляющая которого вдоль оси стержня отлична от нуля, в наведенной ЭДС будет преобладать частота, совпадающая с частотой поля возбуждения f. Феррозонд магнитометра состоит из двух одинаковых пермаллоевых стержней, расположенных параллельно друг другу и ориентированных вдоль измеряемой составляющей магнитного поля Земли. Обмотки катушек возбуждения соединены последовательно таким образом, чтобы переменное поле в двух сердечниках было направлено противоположно. Для измерения внешнего магнитного поля (его составляющей, направленной вдоль оси стержней) обычно используют компенсационный метод, заключающийся в компенсации постоянного магнитного поля Земли полем постоянного регулируемого тока. По величине тока компенсации судят о напряженности магнитного поля Земли вдоль оси феррозонда. К таким приборам относится аэромагнитометр АМФ-21. За счет погрешности в ориентировке феррозонда погрешность съемки таким магнитометром достигает десятков нанотесл. При скважинных работах применяют скважинный вариант ферромагнитометра (например, ТСМК-30), позволяющего измерять составляющие магнитного поля AZ, АХ, АУ с погрешностью до ± 100 нТл.

Фирмой Precision Navigation Inc. (США) разработан усовершенствованный вариант феррорезонансного датчика, который получил наименованиемагнитоиндуктивного датчика - Magneto-Inductive (MI) sensors. Датчик представляет собой микроминиатюрную катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником. Катушка содержит всего одну обмотку и регистрирует магнитное поле в направлении только одной из осей.

Датчик Холла работает, примерно, следующим образом (см. рисунок): если через полупроводниковую пластину в направлении A-B пропустить ток, то при наличии магнитного поля напряженностью H, направленного перпендикулярно плоскости пластины, на краях пластины E-F возникнет ЭДС. Величина, ЭДС зависит от напряженности магнитного поля. Чувствительность магнитометров с датчиками Холла порядка 10 нТл.

магниторезистор

Магниторезистор (см. рис.) содержит полупроводниковую пластину 2, расположенную на подложке 1 из анизотропного высокоэффективного ферромагнетика. Принцип работы магниторезистора заключается в следующем: в ферромагнетике сформирована доменная структура, по крайней мере, из двух доменов. Намагниченности в доменах нормальны плоскости подложки и противоположны одна другой. Пластина располагается вдоль доменов с одинаковым направлением намагниченности. Доменные структуры ферромагнитной подложки создают начальное магнитное поле в полупроводниковой пластине, увеличивая ее удельное сопротивление и смещая рабочую точку. При помещении магниторезистора в измеряемое магнитное поле, оно приводит к дополнительному изменению удельного сопротивления. Порог чувствительности магниторезисторов составляет около 0,1 нТл.

Принцип действия протонных или ядерных магнитометров основан на явлении свободной прецессии протонов в земном магнитном поле. После определенного электромагнитного воздействия на протонсодержащий датчик протоны прецессируют вокруг направления земного магнитного поля с угловой скоростью ω, пропорциональной полной напряженности магнитного поля Земли Т: ω = aT, где a — коэффициент пропорциональности, который равен гиромагнитному отношению ядра (отношению магнитного момента ядра к механическому). Протонный магнитометр состоит из магниточувствительного блока или датчика (протонсодержащий сосуд с водой, спиртом, бензолом и т. п., вокруг которого намотаны возбуждающая и измерительная катушки); соединительных проводов; электронного блока (предусилитель, схема коммутации, умножитель частоты, частотомер и световой индикатор); регистрирующего устройства и блока питания. Рабочий цикл, т. е. время определения значений магнитного поля в каждой точке, складывается из времени поляризации датчика (для воды оно составляет 3— 8 с), времени переключения датчика и времени определения частоты сигнала, наведенного в катушке датчика (0,1—0,4 с). В зависимости от протонсодержащего вещества и точности определения частоты прецессии рабочий цикл составляет 1—10 с. При небольшой скорости движения носителя магнитометра (наземный или морской варианты) данные о магнитном поле Земли Т получают практически непрерывно. При большой скорости, например при скорости самолета 350 км/ч, расстояние между замерами составляет 300 м. С помощью протонного магнитометра можно проводить магнитную съемку с использованием металлических носителей — кораблей или самолетов, обладающих собственным магнитным полем. При этом датчик магнитометра буксируют на кабеле, длина которого должна в несколько раз превышать продольные размеры носителя. С помощью протонного магнитометра дискретно (1 раз в 1—10 с) измеряют абсолютное значение магнитной индукции геомагнитного поля с погрешностью ± 1—2 нТл при низкой чувствительности (±45°) к ориентации датчика по магнитному меридиану, независимости от температуры и времени (отсутствует смещение нуля). Протонные магнитометры используют при наземных (например, отечественный магнитометр ММП-203) и морских (ММП-3) съемках, реже при воздушных съемках (МСС-214) и скважинных наблюдениях.

В квантовых магнитометрах , предназначенных для измерения абсолютных значений модуля индукции магнитного поля, используют так называемый эффект Зеемана. В электронной структуре атомов, обладающих магнитным моментом, при попадании в магнитное поле происходит расщепление энергетических уровней на подуровни, с разницей энергии и, соответственно, частотой излучения пропорциональной модулю полного вектора магнитной индукции в точке наблюдения. Чувствительным элементом магнитометра является сосуд, в котором имеются пары цезия, рубидия или гелия. В результате вспышки монохроматического света (метод оптической накачки) электроны паров переводятся с одного энергетического подуровня на другой. Возвращение их на прежний уровень после окончания накачки сопровождается излучением энергии с частотой, пропорциональной величине магнитного поля. С помощью квантового магнитометра измерения Т проводят с погрешностью ±(0,1—1) нТл при слабой чувствительности к ориентации датчика, высоком быстродействии и стабильности показаний (незначительное смещение нуля). Основными отечественными квантовыми магнитометрами являются приборы следующих марок: наземные (пешеходные) М-33 и ММП-303, морской КМ-8, аэромагнитометр КАМ-28. В магнитометрах для съемки в движении (морских, воздушных или автомобильных) регистрацию магнитной индукции ведут автоматически, практически непрерывно. Профили привязывают различными способами (радионавигационными, с помощью аэрофотосъемок и т. п.). Результаты наблюдений представляют иногда в аналоговой форме в виде магнитограмм, но чаще - в цифровой форме, обеспечивающей последующую обработку информации на бортовых ЭВМ или в экспедиционных вычислительных центрах.