Физические характеристики
|
1
 
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).
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:
 ,
где В' и В" – индукции или плотности магнитных потоков в сердечниках.
ЭДС во вторичной обмотке, охватывающей оба сердечника, будет определяться следующей формулой:
 ,
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:
 ,
из которого следует выражение для ЭДС четных гармоник:
 ,
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.
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.
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:
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?
|
|
| |
