Caută comori și comori: Magnetometre - informații de bază. Magnetometre Fluxgate Magnetometru cu miez feromagnetic și trei înfășurări

Să construim o diagramă vectorială a unui transformator ideal în gol (Fig. 15.34).

Forța de magnetizare la ralanti

Să întocmim acum un circuit echivalent pentru un transformator ideal sub sarcina acestuia (Fig. 15.35).

Dacă la bornele înfășurării secundare este conectată o sarcină cu rezistență Z n, atunci un curent va trece prin el , care, la rândul său, va tinde să reducă fluxul magnetic , iar acest lucru va duce la o scădere a fem. , drept urmare curentul va creste la o asemenea valoare la care fluxul magnetic își va dobândi valoarea inițială și se va îndeplini ecuația (15.35).

Astfel, apariția curentului în circuitul secundar duce la o creștere a curentului în circuitul primar. Într-un transformator încărcat, fluxul magnetic din miez este egal cu fluxul magnetic în gol, adică. Mereu F= const. Flux magnetic sub sarcină este creat sub influența forțelor de magnetizare ale înfășurărilor primare și secundare:

Să construim o diagramă vectorială a unui transformator ideal sub sarcină (Fig. 15.36).

Să transformăm circuitul echivalent al unui transformator ideal, pentru care vom scăpa de cuplarea inductivă. Dacă conectați aceleași borne ale înfășurărilor transformatorului între ele, modul de funcționare al transformatorului nu se va schimba.

Să luăm în considerare mai întâi elementele cuplate inductiv care au acum un punct comun. Coeficientul de cuplare a două elemente în acest caz egal cu unu, deoarece întregul flux magnetic este complet interblocat cu spirele înfășurărilor primare și secundare, adică.

prin urmare, având în vedere că w 1 = w 2, găsim:

Să înlocuim acum o parte a circuitului cu elemente cuplate inductiv cu un punct comun (Fig. 15.37). A) la un circuit echivalent fără cuplare inductivă (Fig. 15.37 b).

;

;

Ținând cont de ceea ce s-a găsit, circuitul ia forma prezentată în Fig. 15.37 V, iar circuitul echivalent al unui transformator ideal este de tipul prezentat în Fig. 15.38.

Dacă luăm acum în considerare rezistența de scurgere activă și inductivă a ambelor înfășurări, atunci pentru un transformator în care w 1 = w 2, obținem circuitul echivalent prezentat în Fig. 15.39.

Să scriem ecuațiile circuitelor primare și secundare ale circuitului:

Să construim o diagramă vectorială a circuitului (Fig. 15.40).

Pentru a măsura câmpuri magnetice constante și alternative mici, se folosesc fluxgate, care în forma lor cea mai simplă sunt tije din material magnetic moale și având două înfășurări, dintre care una creează un flux magnetic temporar, iar cealaltă este de măsurare.

Când un curent alternativ de formă sinusoidală trece prin înfășurarea de excitație, starea magnetică a miezului se va schimba de-a lungul unei bucle de histerezis dinamic și, de exemplu, apare în înfășurarea de măsurare. d.s., care, pe lângă frecvența fundamentală, va conține armonici impare mai mari.

Orez. 21. Diagramă schematică instalatie balistica: electromagnet, bobina de masura, galvanometru balistic, infasurari primare si secundare ale bobinei de referinta, intrerupatoare, cheie, sistem reostat, A - ampermetru

Orez. 22. Proiectarea schematică a sondei de măsurare

Dacă o astfel de sondă este plasată într-un câmp magnetic constant, direcționat în același mod ca câmpul alternativ de-a lungul axei miezului, atunci starea magnetică a miezului se va schimba deja într-un ciclu privat asimetric. Acest lucru se explică prin faptul că în direcția de acțiune a unui câmp constant, inversarea magnetizării miezului va avea loc la valori mai mici ale câmpului alternativ decât în ​​absența unui câmp constant, iar în direcția opusă, o constantă. câmpul va preveni inversarea magnetizării. În acest caz, în curba e. d.s. Alături de armonicile impare, vor apărea și cele pare, în principal armonicile secundare. Rezultă că valoarea lui e. d.s. acest

armonicele sunt proporționale cu intensitatea câmpului magnetic. După mărime e. d.s., proporțional cu această armonică și măsoară intensitatea câmpului.

În fig. 22 prezintă o proiectare schematică a uneia dintre sondele de măsurare, al cărei miez este realizat din material magnetic moale permaloy. Miezul este format din plăci groase de 20-50. Dacă același număr de spire ale unui fir sunt înfășurate pe ambele părți ale miezului în direcții opuse, atunci fluxurile magnetice create de fiecare înfășurare vor fi egale.

Orez. 23. Proiectarea schematică a unei sonde magnetice de tip punte

Orez. 24. La dispozitivul sonda tip punte

Înfășurările sunt conectate între ele în serie. Bobina de măsurare 3 este plasată pe miezul 1. Dacă curentul alternativ este trecut prin spirele înfășurării 2, atunci acesta nu va avea loc în bobina de măsurare, deoarece modificările fluxului magnetic în timp de la fiecare înfășurare 2 vor fi egale și opuse ca direcție. Când miezul este plasat într-un câmp uniform constant, care este îndreptat perpendicular pe planul secțiunii transversale al înfășurărilor și bobinei, va avea loc o redistribuire a fluxurilor magnetice în spațiul dintre înfășurările 2, deoarece câmpul constant se va aduna la alternanță. câmpuri, în urma cărora va apărea o forță electromotoare în bobina de măsurare 3. Acest e. d.s. va fi proporțională cu intensitatea câmpului magnetic. Folosind o astfel de sondă, la o frecvență de curent alternativ de 103 Hz, este posibil să se măsoare câmpuri magnetice de ordinul

În prezent există sonde magnetice de tip punte. Unul dintre aceste poduri este prezentat în Fig. 23. Podul este decupat din foaie de material magnetic moale (Fig. 24). Este asamblat din mai multe foi, dintre care o jumătate este tăiată pe lungime, iar cealaltă jumătate peste rulare. Acest lucru asigură uniformitatea magnetică optimă a brațelor de punte și îmbunătățește contactul magnetic al brațelor. Segmentele sunt pliate și conectate între ele astfel încât să se formeze o a doua diagonală a podului. Bobinele 1 și 2 sunt situate pe diagonalele podului și oricare dintre ele poate fi măsuratoare sau excitantă. Înfășurarea bobinei de excitație este alimentată de industrial sau

frecventa crescuta. Puntea magnetică este în echilibru și, fără un câmp magnetic extern constant, nu are loc nicio emisie în bobina de măsurare. d.s. Dacă puntea este plasată într-un câmp magnetic extern constant, atunci echilibrul punții este perturbat, va apărea un flux magnetic alternant în diagonala punții și va apărea o emisie în bobina de măsurare. d.s. inducție, a cărei mărime determină valoarea intensității câmpului extern. Valoarea maximă e. d.s. apare în bobina de măsurare dacă câmpul exterior este îndreptat paralel cu două ramuri opuse ale punții. Pentru a crește sensibilitatea, se realizează uneori o punte magnetică cu poli (Fig. 25).

Orez. 25. Proiectarea schematică a unei sonde magnetice cu poli

Să luăm în considerare un magnetometru de compensare extrem de sensibil pentru măsurarea intensității câmpului magnetic până la , unde este utilizată o sondă saturată magnetic. Schema schematică a magnetometrului și secțiunea sondei saturate magnetic sunt prezentate în Fig. 26 și 27.

Circuitul magnetometrului constă dintr-un circuit de excitare și semnal, un circuit de compensare și un circuit pentru testarea sensibilității dispozitivului

Circuitul de excitație și semnal include un generator 4, un dublator de frecvență 5, un discriminator de fază 6, un amplificator rezonant 7 și un dispozitiv indicator 8. Pentru a crește sensibilitatea, dispozitivul utilizează o metodă de măsurare a compensației, în care câmpul măsurat al solenoidului 2 este compensată de un alt câmp de mărime cunoscută și direcția opusă. Acest câmp este creat de o bobină purtătoare de curent în interiorul căreia se află sonda 1. Bobina de compensare 3 este utilizată fie sub forma unui solenoid convențional, fie sub forma unei bobine închise. Al doilea tip de bobină este utilizat atunci când materialele feromagnetice sunt situate lângă magnetometru.

Compensarea poate fi efectuată și folosind un curent care trece prin înfășurarea de măsurare a probei. În acest caz, dimensiunile capului de măsurare sunt reduse semnificativ, dar uniformitatea câmpului de compensare se deteriorează. Pentru a alimenta circuitul de compensare, utilizați baterii reîncărcabile capacitate mare. Sonda saturată magnetic constă din două miezuri 6 din permaloy de molibden. Miezurile sunt asamblate din plăci de dimensiuni care sunt tăiate de-a lungul materialului laminat și supuse unui tratament termic. Pe miezuri există o înfășurare de excitație 4 cu 1400 de spire de sârmă în diametru și o înfășurare de măsurare 3 cu 400 de spire de sârmă

Înfășurării de excitație este furnizată o tensiune de 25 V Hz. Curentul de excitație este de 0,3 A. În aceste condiții, instalația are cea mai mare sensibilitate. Înainte de începerea măsurătorilor, sonda este reglată prin deplasarea miezului în bobinele Helmholtz. Semnalul primit pe înfășurarea de măsurare este amplificat de un amplificator rezonant reglat și apoi alimentat la un discriminator de fază. Abaterea indicatorului dispozitivului zero cu 2-3 diviziuni corespunde intensității câmpului magnetic.Magnetometrul descris este stabil în funcționare și modul său este practic independent de modificările condițiilor externe (temperatură, vibrații mecanice etc.).

Orez. 26. Schema schematică a unui magnetometru cu o sondă magnetică: 1 - sondă, 2 - solenoid, 3 - bobină de compensare, 4 - generator, 5 - dublator de frecvență, 6 - discriminator de fază, 7 - amplificator rezistiv, 8 - dispozitiv indicator, compensare circuit, circuit pentru a verifica sensibilitatea dispozitivului

Lucrarea oferă un calcul al condițiilor optime de funcționare a unei sonde formată din două miezuri de permalloy cu dimensiunile 0,18X1,75X100.Înfășurarea de excitație este înfășurată dintr-un fir cu o lungime de 350 de spire.Înfășurarea de măsurare este formată din 1500 de spire de sârmă. la ieșirea instalației, se pornește un voltmetru, care înregistrează doar valoarea zi liberă e. d.s. a doua armonică. Pentru a calcula valoarea efectivă a amplitudinii acestei armonice, utilizați următoarea formulă:

unde este câmpul magnetic extern măsurat, sensibilitatea sondei la câmpul extern în a doua armonică. Ultima valoare este determinată de formulă

unde numărul de spire ale înfășurării de măsurare, aria secțiunii transversale a nucleelor, este frecvența curentului alternativ care alimentează înfășurările de excitație, un coeficient care ia în considerare disiparea fluxului este o anumită constantă, în funcție de magnetic proprietăţile materialului şi factorul de demagnetizare.

Sensibilitatea este determinată la valoarea optimă a curentului de polarizare, a cărui putere este calculată folosind formula

unde este numărul de spire în înfășurarea câmpului.

Sonda descrisă are o sensibilitate ridicată dacă este utilizat un miez lung.

Grabovsky și Skorobogatov au folosit un fluxgate permalloy pentru a măsura forța coercitivă.Instalarea lor a constat din două bobine de magnetizare complet identice, între care se afla o fluxgate de lungime, lățime și grosime.Un curent a fost trecut prin bobine în așa direcție încât în spațiul ocupat de fluxgate, câmpurile magnetice ale bobinelor au fost compensate reciproc. Pentru a măsura forța coercitivă, o probă magnetizată a fost plasată într-una dintre bobine, iar câmpul magnetic al probei a provocat o deviație a acului dispozitivului, care a fost inclus în înfășurarea indicatorului situat pe fluxgate. Prin trecerea unui curent continuu prin bobinele de magnetizare, proba a fost treptat demagnetizată. În momentul în care acul dispozitivului indicator a revenit în poziția zero, s-a măsurat puterea curentului în bobine și s-a calculat valoarea forței coercitive folosind formula unde este constanta bobinei.

Orez. 27. (vezi scanarea) Secțiunea unei sonde magnetice: 1 - petale purtătoare de curent, 2 - corp, 3 - înfășurare de măsurare, 4 - înfășurare de excitație, 5 - cadru, 6 - miez, 7 - garnitură izolatoare

Folosind coercimetrul descris, puteți măsura rapid cu o precizie de 2-3%.

În coercimetrul Janus, poarta de flux are forma unui cadru, pe ale cărui laturi sunt două înfășurări: excitație și măsurare. Proba de testat este plasată în solenoid, astfel încât capetele sale să iasă din solenoid. Ele sunt adiacente unui jug de fier, a cărui parte din mijloc este închisă de miezul fluxgate.

Drozhzhina și Friedman au propus un fluxgate

magnetometru pentru studiul proprietăților magnetice ale materialelor magnetice moi. În magnetometrul lor, sistemul astatic mobil a fost înlocuit cu fluxgate, ceea ce a făcut posibilă eliminarea fluctuațiilor zero. Fluxgate este alcătuit din două miezuri din permalloy, înfășurările de câmp sunt conectate în serie, astfel încât fluxurile magnetice ale miezurilor să fie reciproc închise. Înfășurările de măsurare ale fluxgate-ului sunt conectate diferențial, iar fără un câmp extern constant suma de ex. d.s. în aceste înfășurări este zero. În prezența unui câmp magnetic constant în e. d.s. apar chiar şi armonici, a căror mărime determină acest câmp.

Un magnetometru fluxgate este format din doi solenoizi identici situati orizontal unul sub celălalt, în unul dintre care este plasată proba studiată. Fluxgate diferențial este situat între acești solenoizi. Câmpurile magnetice ale solenoizilor fără eșantion sunt compensate reciproc în volumul în care se află fluxgate.

Pentru măsurători de înaltă calitate, este mai bine să utilizați un magnetometru astatic fluxgate. în acest exemplu de realizare, o poartă de flux este situată între solenoizi, iar cealaltă este la o distanţă de prima într-un plan orizontal paralel. Înfășurările acestor fluxgate sunt conectate în serie între ele.

Folosind un magnetometru fluxgate, puteți determina curba de magnetizare, bucla de histerezis și forța coercitivă a materialelor magnetice moi. Curba de magnetizare și bucla de histerezis sunt măsurate folosind metoda de compensare. În acest scop, prin înfășurarea compensatoare este trecut un curent, al cărui câmp magnetic compensează câmpul probei magnetizate în zona în care se află sonda. Pentru a măsura forța coercitivă, trebuie să magnetizați proba și apoi, prin creșterea câmpului de demagnetizare, să reduceți citirile dispozitivului indicator la zero. Schema simpla iar procesul rapid de măsurare reprezintă unul dintre avantajele unui magnetometru fluxgate față de alte magnetometre, care va fi descris în capitolul V. Recent, unele tipuri de sonde magnetice au început să fie folosite pentru studiul câmpului magnetic în acceleratoare și spectrometre. O descriere a sondelor este, de asemenea, disponibilă în lucrări.

În magnetometrele de acest tip, elementul sensibil magnetic este un fluxgate, care constă din două tije subțiri și lungi din permalloy (un aliaj fier-nichel - un feromagnet magnetic moale), pe care înfășurarea primară (excitantă) este înfășurată în direcție opusă. În plus, ambele miezuri, împreună cu înfășurarea primară, sunt acoperite de o înfășurare secundară (de măsurare) (Fig. 3.15 a). Feromagneții magnetici moi se caracterizează prin faptul că bucla de histerezis pentru ei este atât de îngustă încât poate fi considerată ca o singură curbă (Fig. 3.15 b).

Orez. 3.15. Principiul de funcționare al unui magnetometru fluxgate

tip de a doua armonică.

Principiul de funcționare al fluxgate este următorul. Prin utilizarea sursă externă Un curent de frecvență w (cel mai adesea 400 Hz) este trecut prin înfășurarea primară (excitantă). Dacă nu există un câmp magnetic extern, atunci magnetizarea inițială a nucleelor ​​este zero. Când în fiecare semiciclu trece un curent de frecvență w, impulsurile de inducție din miezuri sunt direcționate în sens opus și se compensează reciproc (fig. 3.15 b). Prin urmare, inducția totală în spațiul cel mai apropiat de nuclee în fiecare moment de timp este zero și semnalul nu este indus în înfășurarea de măsurare, adică. este de asemenea zero.

Când apare un câmp extern T (care trebuie măsurat) în fiecare semiciclu, acest câmp coincide cu inducerea unuia dintre miezuri, iar inducerea celuilalt miez este îndreptată în direcția opusă, ceea ce este echivalent cu o deplasare. în inducerea miezurilor. Inducția totală (total B S) în spațiul din apropierea nucleelor, însumând, formează un flux magnetic alternant, modificându-se cu o frecvență de 2w (Fig. 3.15. b). Acest flux induce un semnal electric în înfășurarea de măsurare cu o frecvență de 2w și o amplitudine proporțională cu „deplasarea” inducției în înfășurări - câmpul extern de magnetizare T.

Pentru a măsura acest câmp, trebuie doar să selectați un semnal cu o frecvență de 2w (800 Hz) folosind un filtru (F), să-l amplificați cu un amplificator (U), să determinați semnul câmpului (fază) cu o fază- detector sensibil (PSD) și măsurați amplitudinea acestuia cu un metru (I). În acest caz, dispozitivul care măsoară amplitudinea semnalului poate fi calibrat în unități de intensitate a câmpului magnetic sau inducție. Un astfel de fluxgate se numește „fluxgate de tip al doilea armonic”.

O caracteristică utilă a unui astfel de fluxgate pentru studii magnetice este că poate măsura componenta intensității câmpului magnetic direcționată de-a lungul axei sondei. Adică, dacă câmpul T este direcționat perpendicular pe nuclee, atunci nu va exista nicio „deplasare” a inducției în înfășurări și nu va exista niciun semnal în înfășurarea secundară.

Această caracteristică face posibilă efectuarea așa-numitelor măsurători ale componentelor (adică, măsurători a trei componente de-a lungul axelor) ale inducției câmpului magnetic, care este unul dintre avantajele metodei. Dezavantajul metodei este prezența unui offset de zero al dispozitivului, care, chiar și cu un prag de sensibilitate ridicat al dispozitivului de 1 nT, nu permite măsurători cu o precizie ridicată.

Fluxgate are și alte denumiri: sondă de saturație magnetică, senzor de modulație magnetică (MMD). În literatura străină se numește flux - dată (flux gate) - flux-trecere.

Magnetometru conceput pentru a măsura inducția câmpului magnetic. Magnetometrul folosește un câmp magnetic de referință, care permite, prin anumite efecte fizice, transformă câmpul magnetic măsurat într-un semnal electric.
Utilizarea aplicată a magnetometrelor pentru detectarea obiectelor masive din materiale feromagnetice (cel mai adesea oțel) se bazează pe distorsiunea locală a câmpului magnetic al Pământului de către aceste obiecte. Avantajul utilizării magnetometrelor față de detectoarele tradiționale de metale este că raza de detectare mai mare.

Magnetometre Fluxgate (vectorale).

Un tip de magnetometru este . Fluxgate a fost inventat de Friedrich Förster ( )

În 1937 şi serveşte la determinarea vector de inducție a câmpului magnetic.

Design Fluxgate

Fluxgate cu o singură tijă

Cel mai simplu fluxgate constă dintr-o tijă de permalloy pe care este plasată o bobină de excitație (( bobina de antrenare), alimentat de curent alternativ și o bobină de măsurare ( bobina detector).

Permalloy- un aliaj cu proprietăți magnetice moi, format din fier și 45-82% nichel. Permalloy are permeabilitate magnetică ridicată (permeabilitate magnetică relativă maximă ~100.000) și coercivitate scăzută. O marcă populară de permalloy pentru fabricarea de fluxgate este 80НХС - 80% nichel + crom și siliciu cu o inducție de saturație de 0,65-0,75 T, utilizată pentru miezurile transformatoarelor, bobinelor și releelor ​​de dimensiuni mici care funcționează în câmpurile slabe ale ecranelor magnetice, pentru miezuri de transformatoare de impulsuri, amplificatoare magnetice și relee fără contact, pentru miezuri de cap magnetic.
Dependența permeabilității magnetice relative de intensitatea câmpului pentru unele soiuri de permalloy are forma -

Dacă miezului este aplicat un câmp magnetic constant, atunci apare o tensiune în bobina de măsurare chiar armonici, a căror mărime servește ca măsură a puterii unui câmp magnetic constant. Această tensiune este filtrată și măsurată.

Fluxgate cu tijă dublă

Un exemplu este dispozitivul descris în carte Karalisa V.N. "Circuite electroniceîn industrie" -



Dispozitivul este conceput pentru a măsura câmpuri magnetice constante în intervalul 0,001 ... 0,5 oersted.
Înfășurările câmpului senzorului L1Și L3 contor inclus. Măsurarea înfășurării L2înfăşurat peste înfăşurările câmpului. Înfășurările de excitație sunt alimentate de o frecvență de curent de 2 kHz de la un generator push-pull cu un inductiv părere. Modul generator este stabilizat de DC divizor de rezistență R8Și R9.

fluxgate cu miez toroidal
Una dintre opțiunile de design populare pentru un magnetometru fluxgate este un fluxgate cu un miez toroidal ( Fluxgate cu miez inel) -

În comparație cu tije fluxgate, acest design are mai putin zgomotși necesită creație forță magnetomotoare mult mai mică.

Acest senzor este înfăşurare de excitaţie, înfășurat pe un miez toroidal, prin care circulă un curent alternativ cu o amplitudine suficientă pentru a aduce miezul în saturație și măsurarea înfăşurării, de la care se elimină tensiunea alternativă, care este analizată pentru măsurarea câmpului magnetic extern.
Înfășurarea de măsurare este înfășurată peste miezul toroidal, acoperindu-l în întregime (de exemplu, pe un cadru special) -


Acest design este similar cu designul original fluxgate (se adaugă un condensator pentru a obține rezonanța la a doua armonică) -

Aplicații ale magnetometrelor cu protoni
Magnetometrele cu protoni sunt utilizate pe scară largă în cercetarea arheologică.
Magnetometrul cu protoni este menționat în romanul științifico-fantastic „Trapped in Time” de Michael Crichton. Cronologie") -
Arătă în jos dincolo de picioarele lui. Trei carcase galbene grele au fost prinse de barele frontale ale elicopterului. „În acest moment, avem mapper stereo pentru teren, radar cu infraroșu, UV și cu scanare laterală.” Kramer arătă pe geamul din spate, spre un tub argintiu lung de 6 metri, care atârna sub elicopterul din spate. — Și ce-i aia? „Magnetometru cu protoni”. "Uh-huh. Și ce face?" „Se caută anomalii magnetice în pământul de sub noi, care ar putea indica pereți îngropați, ceramică sau metal.”

Magnetometre cu cesiu

Un tip de magnetometre cuantice sunt magnetometre atomice cu metale alcaline cu pompare optică.

magnetometru cu cesiu G-858

Magnetometre Overhauser

Magnetometre cu stare solidă

Cele mai accesibile sunt magnetometrele încorporate în smartphone-uri. Pentru Android buna aplicatie folosind un magnetometru este . Pagina pentru această aplicație este http://physics-toolbox-magnetometer.android.informer.com/.

Configurarea magnetometrelor

Pentru a testa fluxgate puteți folosi. Bobinele Helmholtz sunt folosite pentru a produce un câmp magnetic aproape uniform. În mod ideal, acestea reprezintă două spire inelare identice conectate între ele în serie și situate la o distanță de o rază de viraj una de cealaltă. De obicei, bobinele Helmholtz constau din două bobine pe care sunt înfășurate un anumit număr de spire, iar grosimea bobinei ar trebui să fie mult mai mică decât raza lor. În sistemele reale, grosimea bobinelor poate fi comparabilă cu raza lor. Astfel, putem considera un sistem de inele Helmholtz ca fiind două bobine identice situate coaxial, distanța dintre centrele cărora este aproximativ egală cu raza lor medie. Acest sistem de bobine se mai numește și un solenoid divizat ( solenoid divizat).

În centrul sistemului există o zonă de câmp magnetic uniform (câmp magnetic în centrul sistemului într-un volum de 1/3 din raza inelelor omogen in limita de 1%), care poate fi folosit în scopuri de măsurare, pentru calibrarea senzorilor de inducție magnetică etc.

Inducția magnetică în centrul sistemului este definită ca $B = \mu _0\,(\left((4\over 5)\right) )^(3/2) \, (IN\over R)$,
unde $N$ este numărul de spire din fiecare bobină, $I$ este curentul prin bobine, $R$ este raza medie a bobinei.

Bobinele Helmholtz pot fi, de asemenea, folosite pentru a proteja câmpul magnetic al Pământului. Pentru a face acest lucru, cel mai bine este să utilizați trei perechi de inele reciproc perpendiculare, atunci orientarea lor nu contează.

Recent, nu au existat modificări semnificative în principiile măsurării câmpului magnetic. În domeniul sondajelor magnetice s-au stabilit metode bazate pe fenomenul rezonanței magnetice, orientarea optică a atomilor etc.. Pentru determinarea proprietăților magnetice ale rocilor și observațiile în puțuri se folosesc instalații cu porți flux, precum și magnetometre astatice și roci. generatoarele sunt folosite pentru măsurarea magnetizării remanente. Să ne oprim mai în detaliu asupra unui astfel de dispozitiv precum un magnetometru.

Magnetometru- un dispozitiv pentru măsurarea caracteristicilor unui câmp magnetic și a proprietăților magnetice ale substanțelor (materiale magnetice). În funcție de valoarea care se determină, instrumentele de măsurare se disting: intensitatea câmpului (oerstedmetre), direcția câmpului (inclinatoare și declinatoare), gradient de câmp (gradientometre), inducție magnetică (teslametre), flux magnetic (Webermetre, sau fluxmetre), forță coercitivă (coercimetre), permeabilitate magnetică (mu-metri), susceptibilitate magnetică (kappa-metre), moment magnetic.

Într-un sens mai restrâns, magnetometrele sunt instrumente pentru măsurarea puterii, direcției și gradientului unui câmp magnetic.

Cel mai important parametru al unui magnetometru este sensibilitatea acestuia. În același timp, este aproape imposibil să se oficializeze acest parametru și să-l uniformizeze pentru toate magnetometrele și nu numai pentru că magnetometrele diferă în principiul de funcționare, ci și în proiectarea convertoarelor și în funcția de procesare a semnalului. Pentru magnetometre, sensibilitatea este de obicei indicată de mărimea inducției magnetice a câmpului pe care dispozitivul este capabil să-l înregistreze. De obicei, sensibilitatea este măsurată în nanotesla (nT) 1nT = (1E-9) T.

Câmpul Pământului este de aproximativ 35000nT (35µT). Aceasta este o valoare medie - în diferite părți ale globului variază în intervalul 35000nT (35µT) - 60000nT (60µT). Astfel, sarcina căutării obiectelor feromagnetice este de a detecta, pe fondul câmpului natural al Pământului, o creștere a câmpului cauzată de distorsiunile obiectelor feromagnetice.

Există mai multe principii fizice și tipuri de instrumente magnetometrice bazate pe acestea care fac posibilă înregistrarea modificărilor minime ale câmpului magnetic al Pământului sau a distorsiunilor introduse de obiectele feromagnetice. Magnetometrele moderne au o sensibilitate de la 0,01nT la 1nT, în funcție de principiul de funcționare și de clasa problemelor care se rezolvă.

Există magnetometre pentru măsurarea valorilor absolute ale caracteristicilor câmpului și modificărilor relative ale câmpului în spațiu sau timp. Acestea din urmă se numesc variometre magnetice. Magnetometrele se clasifică și în funcție de condițiile de funcționare și, în final, în funcție de fenomenele fizice care stau la baza funcționării lor.

Există mai multe tipuri de magnetometre bazate pe diferite principii de funcționare, precum: fluxgate, magnetoinductiv, efect Hall, magnetorezistiv, cuantic (Proton).

Să ne oprim în detaliu asupra convertoarelor de câmp magnetic Fluxgate, luăm în considerare principiul lor de funcționare, proiectarea și tehnologia de măsurare.

Descoperirea proprietăților de permeabilitate magnetică ridicată în aliajele fier-nichel - permalloies a condus la crearea de magnetometre fluxgate sau cu senzori de flux, a căror funcționare a senzorilor se bazează pe efectul reacției permeabilității magnetice a miezurilor de permaloy la acțiunea câmpului magnetic constant al Pământului atunci când este alimentat de curent alternativ.

Traductorul de câmp magnetic fluxgate, sau fluxgate, este proiectat să măsoare și să indice câmpurile magnetice constante și care se schimbă lent și gradienții acestora. Acțiunea unui fluxgate se bazează pe o modificare a stării magnetice a unui feromagnet sub influența a două câmpuri magnetice de frecvențe diferite. În funcție de mărimea tensiunii aplicate, fluxgate poate funcționa pe principiile de tip vârf și a doua armonică. Dispozitivele care funcționează pe principiul armonicii secunde au devenit mai utilizate(3).

Sondele ferromagnetice se caracterizează prin:

Sensibilitate ridicată - modificarea minimă a elementului de câmp măsurat pe care dispozitivul este capabil să o înregistreze atunci când se modifică componenta de putere; sensibilitatea celor mai bune dispozitive este de 1 nT, pentru o valoare unghiulară - 01 sec;

Posibilitate de calibrare precisă (0,1%);

Coeficient de temperatură scăzut, mai mic de 0,01 nT/grad. Celsius în intervalul de temperatură de la -20 la +50 de grade. Celsius;

Nivel scăzut de zgomot propriu;

Mic ca dimensiune (10-20 cm) și greutate (1-2 kg cu o unitate de măsură);

Consum redus de energie(2).

În fig. Figura 1 prezintă schematic câteva opțiuni de proiectare pentru fluxgate.

Orez. 1

În versiunea sa cea mai simplă, un fluxgate constă dintr-un miez feromagnetic și două bobine situate pe acesta: o bobină de excitație alimentată de curent alternativ și o bobină de măsurare (semnal). Miezul fluxgate este realizat din materiale cu permeabilitate magnetică ridicată. O tensiune alternativă cu o frecvență de la 1 la 300 kHz este furnizată bobinei de excitație de la un generator special (în funcție de nivelul parametrilor și scopul dispozitivului). În absența unui câmp magnetic măsurat, miezul, sub influența unui câmp magnetic alternant H creat de curentul din bobina de excitație, este remagnetizat într-un ciclu simetric. O modificare a câmpului magnetic cauzată de inversarea magnetizării miezului de-a lungul unei curbe simetrice induce o f.e.m. în bobina de semnal care variază conform unei legi armonice. Dacă, în același timp, asupra miezului acționează un câmp magnetic Ho constant măsurat sau care se schimbă lent, atunci curba de inversare a magnetizării își schimbă dimensiunea și forma și devine asimetrică. În acest caz, mărimea și compoziția armonică a EMF în bobina semnalului se modifică. În special, apar chiar și componente armonice ale EMF, a căror mărime este proporțională cu puterea câmpului măsurat și care sunt absente în timpul unui ciclu de inversare a magnetizării simetrice.

Fluxgates sunt împărțite în:

tijă cu un singur element (a)

diferențial cu miez deschis (b)

diferențial cu miez (inel) închis (c).

Fluxgate diferențial (Fig. b, c), de regulă, constă din două nuclee cu înfășurări care sunt conectate în așa fel încât componentele armonice impare să fie practic compensate. Acest lucru simplifică echipamentul de măsurare și crește sensibilitatea fluxgate. Sondele Fluxgate se caracterizează printr-o sensibilitate foarte mare la câmpurile magnetice. Sunt capabili să înregistreze câmpuri magnetice cu puteri de până la 10-4-10-5 A/m (~10-10-10-11 T).

Designurile moderne de fluxgate sunt compacte. Volumul fluxgate cu care sunt echipate magnetometrele G73 domestice este mai mic de 1 cm 3, iar fluxgate cu trei componente pentru magnetometrul G74 se potrivește într-un cub cu o latură de 15 mm

Ca exemplu în Fig. Figura 2 prezintă designul și dimensiunile unei tije fluxgate miniaturale.

Orez. 2

Designul fluxgate este destul de simplu și nu necesită explicatii speciale. Miezul său este realizat din permalloy. Are o secțiune transversală care variază pe lungimea sa, scăzând de aproximativ 10 ori în partea centrală a miezului, pe care sunt înfășurate înfășurarea de măsurare și înfășurarea de excitație. Acest design asigură, cu o lungime relativ scurtă (30 mm), o permeabilitate magnetică ridicată (1,5x105) și o valoare scăzută a intensității câmpului de saturație în partea centrală a miezului, ceea ce duce la creșterea sensibilității de fază și timp a fluxgate. Datorită acestui fapt, forma impulsurilor de ieșire în înfășurarea de măsurare a fluxgate este, de asemenea, îmbunătățită, ceea ce face posibilă reducerea erorilor în circuitul de generare a semnalului timp-impuls. Domeniul de măsurare al convertoarelor fluxgate cu un design standard este de ±50… ±100 A/m (±0,06… ±0,126 mT). Densitatea zgomotului magnetic în banda de frecvență de până la 0,1 Hz pentru fluxgate cu miez de tijă este de 30 - 40 μA / m (m x Hz1/2) în funcție de câmpul de excitație, descrescând pe măsură ce acesta din urmă crește. În banda de frecvență de până la 0,5 Hz, densitatea zgomotului este de 3 - 3,5 ori mai mare. Un studiu experimental al fluxgate-urilor inelare a arătat că nivelul lor de zgomot este cu un ordin de mărime mai mic decât cel al fluxgate-urilor cu miez de tijă(3).