Магнитометр с ферромагнитным сердечником и тремя обмотками. Феррозондовый магнитометр

За последнее время не произошло каких либо существенных изменений в принципах измерения магнитного поля. В области магнитных съёмок утвердились способы, основанные на явлении магнитного резонанса, оптической ориентации атомов и др. В основу определения магнитных свойств горных пород и наблюдений в скважинах используют феррозондовые установки, а для измерения остаточной намагниченности применяют астатические магнитометры и рок-генераторы. Подробнее остановимся на таком приборе, как магнетометр.

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 более узком смысле магнитометры - приборы для измерения напряжённости, направления и градиента магнитного поля.

Самым главным параметром магнитометра является его чувствительность. При этом формализовать этот параметр, сделать его единым для всех магнитометров практически невозможно и не только потому, что магнитометры отличаются принципом действия, но и конструкцией преобразователей и функцией обработки сигнала. Для магнитометров принято чувствительность обозначать величиной магнитной индукции поля, которое способен зарегистрировать прибор. Обычно чувствительность измеряют в нанотеслах (нТл) 1нТл=(1Е-9) Т.

Поле Земли составляет величину примерно 35000nT (35µT). Это усредненная величина - в различных точках земного шара она меняется в диапазоне 35000nT (35µT) - 60000nT (60µT). Таким образом задача поиска ферромагнитных предметов состоит в том, чтобы на фоне природного поля Земли обнаружить приращение поля, обусловленное искажениями от ферромагнитных предметов.

Существует несколько физических принципов и основанных на них типов магнитометрических приборов, позволяющих фиксировать минимальные изменения магнитного поля Земли или искажения, вносимые ферромагнитными объектами. Современные магнитометры обладают чувствительностью от 0.01nT до 1nT, в зависимости от принципа действия и класса решаемых задач.

Различают магнитометры для измерений абсолютных значений характеристик поля и относительных изменений поля в пространстве или во времени. Последние называются вариометрами магнитными. Магнитометры классифицируют также по условиям эксплуатации и, наконец, в соответствии с физическими явлениями, положенными в основу их действия.

Существуют несколько типов магнитометров, основанных на разных принципах действия, такие как: феррозондовые, магнитоиндуктивные, на эффекте Холла, магниторезисторные, квантовые (Протонные).

Подробно остановимся на феррозондовых преобразователях магнитного поля, рассмотрим их принцип действия, конструкцию и технологию измерения.

Открытие свойств высокой магнитной проницаемости у железно-никелевых сплавов - пермаллоев привело к созданию феррозондовых или потоковоспринимающих магнитометров, в основу работы датчиков которых положен эффект реакции магнитной проницаемости пермаллоя сердечников на действие постоянного магнитного поля Земли при питании их переменным током.

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. В зависимости от величины подаваемого напряжения феррозонд может работать по принципу пик-типа и второй гармоники. Приборы, работающие по принципу второй гармоники, получили более широкое применение(3).

Ферромагнитные зонды характеризуются:

Высокой чувствительностью-минимальное изменение измеряемого элемента поля, которое способен зарегистрировать прибор при изменении силовой компоненты, чувствительность у лучших приборов составляет 1 нТл, для угловой величины-01 сек;

Возможностью точной (0,1%) калибровки;

Малым температурным коэффициентом, менее 0,01 нТл/град. цельсия в диапазоне температур от -20 до +50 град. цельсия;

Низким уровнем собственных шумов;

Небольшими размерами (10-20 см) и массой (1-2 кг с измерительным блоком);

Малым энергопотреблением(2).

На рис. 1 схематически показаны некоторые варианты конструкций феррозондов.

Рис. 1

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 становится 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 (а)

дифференциальные с разомкнутым сердечником (б)

дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (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 см 3 , а трехкомпонентный феррозонд для магнитометра Г74 вписывается в куб со стороной 15 мм

В качестве примера на рис. 2 приведена конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда.

Рис. 2

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(3).

Электромагнитные явления в трансформаторе со стальным сердечником подобны явлениям в воздушном трансформаторе, но магнитный поток, который пронизывает обе обмотки, замыкается не по воздуху, а через стальной сердечник (рис.15.31).

При нагрузке трансформатора существуют три магнитных потока: Ф – основной в сердечнике, Ф σ 1 – рассеяния, связанный только с первичной обмоткой, Ф σ 2 – рассеяния, связанный только со вторичной обмоткой.

Основной магнитный поток наводит в первичной и вторичной обмотках э.д.с. соответственно е 1 и е 2 . Магнитные потоки рассеяние Ф σ 1 и Ф σ 2 наводят в первичной и вторичной обмотках э.д.с. соответственно е σ 1 и е σ 1 .

Напряжение u 1 , приложенное к первичной обмотке, уравновешивается падением напряжения на активном сопротивлении обмотки и электродвижущими силами е σ 1 и е σ 1 , т.е.

Рассмотрим сначала идеальный трансформатор, в котором r 1 = 0; x σ 1 = 0; r 2 = 0; x σ 2 = 0; w 1 = w 2 .

При холостом ходе такой трансформатор не отличается от обычной идеальной катушки и может быть изображён схемой замещения (рис.15.33).

r м

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).