Sök efter skatter och skatter: Magnetometrar - grundläggande information. Ferroprobe magnetometrar Magnetometer med ferromagnetisk kärna och tre lindningar

Låt oss bygga ett vektordiagram av en idealisk transformator vid tomgång (Fig. 15.34).

Magnetiseringskraft utan belastning

Låt oss nu komponera den ekvivalenta kretsen för en ideal transformator med dess belastning (Fig. 15.35).

Om en last med ett motstånd är ansluten till terminalerna på sekundärlindningen Z n, då kommer en ström att passera genom den , vilket i sin tur kommer att tendera att minska det magnetiska flödet , och detta kommer att leda till en minskning av emk. , till följd varav den nuvarande kommer att öka upp till ett värde vid vilket det magnetiska flödet kommer att få sitt initiala värde och ekvationen (15.35) kommer att uppfyllas.

Sålunda leder uppkomsten av ström i sekundärkretsen till en ökning av strömmen i primärkretsen. I en laddad transformator är det magnetiska flödet i kärnan lika med det magnetiska flödet vid tomgång, d.v.s. Alltid F= konst. Vid belastning, det magnetiska flödet skapas under verkan av magnetiseringskrafterna hos primär- och sekundärlindningarna:

Låt oss bygga ett vektordiagram av en idealisk transformator under belastning (Fig. 15.36).

Vi kommer att omvandla den ekvivalenta kretsen för en ideal transformator, för vilken vi kommer att bli av med induktiv koppling. Om du ansluter terminalerna på transformatorlindningarna med samma namn till varandra, kommer transformatorns driftläge inte att ändras.

Betrakta först de induktivt anslutna elementen, som nu har en gemensam punkt. Kopplingskoefficienten för två element i detta fall lika med ett, eftersom hela det magnetiska flödet är helt kopplat till varven på primär- och sekundärlindningarna, dvs.

så med tanke på det w 1 = w 2 finner vi:

Låt oss nu ersätta en del av kretsen med induktivt kopplade element med en gemensam punkt (Fig. 15.37 A) till en ekvivalent krets utan induktiv koppling (Fig. 15.37 b).

;

;

Med hänsyn till det hittade tar kretsen den form som visas i fig. 15.37 V, och den ekvivalenta kretsen för en ideal transformator är vyn som visas i fig. 15.38.

Om vi ​​nu tar hänsyn till de aktiva och induktiva spridningsmotstånden för båda lindningarna, då för en transformator med w 1 = w 2 får vi den ekvivalenta kretsen som visas i fig. 15.39.

Vi skriver ekvationerna för kretsens primära och sekundära kretsar:

Låt oss bygga ett vektorkretsdiagram (Fig. 15.40).

För att mäta små konstanta och variabla magnetfält används ferroprober, som i sin enklaste form är stavar av mjukt magnetiskt material och med två lindningar, varav den ena skapar ett tillfälligt magnetiskt flöde och den andra mäter.

När den passerar genom excitationslindningen av en växelström med sinusform, kommer kärnans magnetiska tillstånd att förändras längs en dynamisk hysteresloop, medan ett e uppträder i mätlindningen. d.s., som förutom grundfrekvensen kommer att innehålla högre udda övertoner.

Ris. 21. kretsschema ballistisk installation: elektromagnet, mätspole, ballistisk galvanometer, primär- och sekundärlindningar på referensspolen, strömbrytare, nyckel, reostatsystem, A - amperemeter

Ris. 22. Schematisk uppställning av mätsonden

Om en sådan sond placeras i ett konstant magnetfält riktat på samma sätt som växelfältet längs kärnans axel, kommer kärnans magnetiska tillstånd redan att förändras enligt en asymmetrisk delcykel. Detta förklaras av det faktum att i rörelseriktningen för det konstanta fältet kommer ommagnetiseringen av kärnan att ske vid lägre värden av växelfältet än i frånvaro av ett konstant fält, och i motsatt riktning, konstanten fältet kommer att förhindra ommagnetisering. I detta fall, i kurvan e. d.s. tillsammans med udda övertoner kommer jämna, huvudsakligen andra övertoner att visas. Det visar sig att värdet av t.ex. d.s. detta

övertoner är proportionell mot magnetfältets styrka. Efter storlek e. d.s., proportionell mot denna överton, och mät fältstyrkan.

På fig. Figur 22 visar ett schematiskt arrangemang av en av mätsonderna, vars kärna är gjord av ett magnetiskt mjukt permalloymaterial. Kärnan består av 20-50 plattor tjocka.Om samma antal varv av en tråd lindas på båda sidor av kärnan i motsatta riktningar, kommer de magnetiska flödena som skapas av varje lindning att vara lika.

Ris. 23. Schematiskt arrangemang av en magnetisk sond av bryggtyp

Ris. 24. För att överbrygga sondanordning

Lindningarna är seriekopplade. Mätspolen 3 sätts på kärnan 1. Om en växelström passerar genom varven på lindningen 2, kommer det inte att finnas någon i mätspolen, eftersom förändringarna i det magnetiska flödet över tiden från varje lindning 2 kommer att vara lika och motsatt i riktning. När kärnan placeras i ett konstant enhetligt fält, som är riktat vinkelrätt mot lindningarnas och spolens tvärsnittsplan, kommer det att ske en omfördelning av magnetiska flöden i utrymmet mellan lindningarna 2, eftersom det konstanta fältet kommer att addera upp med alternerande fält, vilket resulterar i en elektromotorisk kraft i mätspolen 3. Detta e. d.s. kommer att vara proportionell mot magnetfältets styrka. Med hjälp av en sådan sond, vid en växelströmsfrekvens på 103 Hz, kan man mäta magnetfält av storleksordningen

Magnetiska sonder av brotyp existerar för närvarande. En av dessa broar visas i fig. 23. Bryggan är utskuren av magnetiskt mjukt material (fig. 24). Den är sammansatt av flera ark, varav ena halvan är skuren längs och den andra halvan tvärs över valsningen. Detta säkerställer optimal magnetisk enhetlighet hos broarmarna och förbättrar grenarnas magnetiska kontakt. Segmenten är böjda och förbundna med varandra så att en andra diagonal av bron bildas. Spolar 1 och 2 är placerade på bryggans diagonaler, och vilken som helst av dem kan vara antingen mätande eller spännande. Lindningen av excitationsspolen drivs av växelström industriell eller

ökad frekvens. Magnetbryggan är i jämvikt, och utan ett externt konstant magnetfält visas inget e i mätspolen. d.s. Om bryggan placeras i ett externt konstant magnetfält, så störs balansen i bryggan, ett alternerande magnetiskt flöde uppträder i bryggans diagonal och e.m. i mätspolen. d.s. induktion, vars värde bestämmer värdet på den externa fältstyrkan. Det maximala värdet e. d.s. uppstår i mätspolen om det yttre fältet är riktat parallellt med två motsatta grenar av bryggan. För att öka känsligheten görs ibland en magnetbrygga med stolpar (bild 25).

Ris. 25. Schematiskt arrangemang av en magnetisk sond med poler

Låt oss överväga en mycket känslig kompensationsmagnetometer för att mäta magnetfältets styrka upp till , där en magnetiskt mättad sond används. Det schematiska diagrammet för magnetometern och sektionen av den magnetiskt mättade sonden visas i fig. 26 och 27.

Magnetometerkretsen består av en exciterings- och signalkrets, en kompensationskrets och en krets för kontroll av enhetens känslighet.

Exciterings- och signalkretsen inkluderar generator 4, frekvensdubblare 5, fasdiskriminator 6, resonansförstärkare 7 och indikatoranordning 8. För att öka känsligheten använder anordningen en kompensationsmätmetod, där det uppmätta fältet för solenoid 2 kompenseras av en annan fält av känd storlek och motsatt riktning. Detta fält skapas med hjälp av en spole med en ström i vilken sonden 1 är placerad. Kompensationsspolen 3 används antingen i form av en konventionell solenoid eller i form av en sluten spole. Spolen av den andra typen används när det finns ferromagnetiska material nära magnetometern.

Kompensation kan också utföras med hjälp av en ström som leds genom provets mätlindning. I detta fall reduceras mäthuvudets dimensioner avsevärt, men likformigheten i kompensationsfältet förvärras. För att driva kompensationskretsen, använd uppladdningsbara batterier stor kapacitet. Den magnetiskt mättade sonden består av två kärnor 6 gjorda av molybdenpermalloy. Kärnorna är sammansatta av plattor vars storlek skärs längs det rullade material och utsätts för värmebehandling. På kärnorna finns en magnetiseringslindning 4, som har 1400 varv tråd med en diameter och en mätlindning 3 på 400 varv tråd

En spänning på 25 V vid frekvensen Hz appliceras på excitationslindningen. Excitationsströmmen är 0,3 A. Under dessa förhållanden har inställningen den största känsligheten. Innan mätningar påbörjas justeras sonden genom att flytta kärnan i Helmholtz-spolar. Signalen som tas emot på mätlindningen förstärks av en avstämd resonansförstärkare och matas sedan till fasdiskriminatorn. Avvikelsen för nollinstrumentets pekare med 2-3 divisioner motsvarar magnetfältets styrka.Den beskrivna magnetometern är stabil i drift och dess läge är praktiskt taget oberoende av förändringar i yttre förhållanden (temperatur, mekaniska vibrationer etc.).

Ris. 26. Schematiskt diagram av en magnetometer med en magnetisk sond: 1 - sond, 2 - solenoid, 3 - kompensationsspole, 4 - generator, 5 - frekvensdubblare, 6 - fasdiskriminator, 7 - resonansförstärkare, 8 - indikatoranordning, kompensation krets, krets för att kontrollera enhetens känslighet

Uppsatsen presenterar en beräkning av de optimala driftsförhållandena för en sond som består av två permalloy-kärnor med dimensionerna 0,18X1,75X100. Excitationslindningen är lindad från en tråd med en längd av 350 varv. Mätlindningen består av 1500 varv tråd ledig dag e. d.s. andra övertonen. För att beräkna det effektiva värdet av amplituden för denna överton används följande formel:

var är det externa uppmätta magnetfältet, sondens känslighet för det yttre fältet i den andra övertonen. Det sista värdet bestäms av formeln

där antalet varv av mätlindningen, kärnornas tvärsnittsarea, är frekvensen av växelströmmen som försörjer excitationslindningarna, koefficienten som tar hänsyn till flödesförlusten är någon konstant, beroende på den magnetiska materialets egenskaper och avmagnetiseringsfaktorn.

Känsligheten bestäms vid det optimala värdet av förspänningsströmmen, vars styrka beräknas med formeln

var är antalet varv i exciteringslindningen.

Den beskrivna sonden har en hög känslighet om en lång kärna används.

Grabovsky och Skorobogatov använde en permalloy ferroprobe för att mäta tvångskraften.Deras uppsättning bestod av två helt identiska magnetiseringsspolar, mellan vilka det fanns en ferroprobe med en längd, bredd och tjocklek. För att mäta koercitivkraften placerades ett magnetiserat prov i en av spolarna, medan provets magnetfält fick enhetens pekare att avvika, vilken var kopplad till indikatorlindningen som fanns på fluxgate. Genom att leda en likström genom magnetiseringsspolarna avmagnetiserades provet gradvis. I det ögonblick då indikatoranordningens pekare återgick till nollläget, mättes strömstyrkan i spolarna och värdet på koercitivkraften beräknades med hjälp av formeln där är spolkonstanten.

Ris. 27. (se skanning) Tvärsnitt av en magnetisk sond: 1 - strömförande kronblad, 2 - kropp, 3 - mätlindning, 4 - excitationslindning, 5 - ram, 6 - kärna, 7 - isolerande packning

Med den beskrivna coercimetern kan du snabbt mäta med en noggrannhet på 2-3%.

I Janus coercimeter har ferroproben formen av en ram, på vars sidor det finns två lindningar: excitation och mätning. Testprovet placeras i solenoiden så att dess ändar sticker ut från solenoiden. De ligger intill järnoket, vars mellersta del är stängd av fluxgate-kärnan.

Drozhzhina och Friedman föreslog en fluxgate

magnetometer för att studera magnetiska egenskaper hos mjuka magnetiska material. I deras magnetometer ersattes det mobila astatiska systemet av ferroprober, vilket gjorde det möjligt att eliminera nollfluktuationer. Ferroproben består av två kärnor av permalloy, excitationslindningarna är seriekopplade så att kärnornas magnetiska flöden sluts inbördes. Fluxportens mätlindningar slås på differentiellt och utan ett externt konstant fält, summan av det inducerade e. d.s. i dessa lindningar är noll. I närvaro av ett konstant magnetfält i t.ex. d.s. även övertoner uppträder, vars storlek bestämmer detta fält.

Fluxgate-magnetometern består av två identiska solenoider anordnade horisontellt, den ena under den andra, i den ena av vilka testprovet placeras. Differentialflödesgrinden är placerad mellan dessa solenoider. Magnetfälten hos solenoider utan prov kompenseras ömsesidigt i den volym där fluxgate är placerad.

För kvalitativa mätningar är det bättre att använda en astatisk fluxgate-magnetometer. I denna utföringsform är en fluxgate placerad mellan solenoiderna och den andra på avstånd från den första i ett parallellt horisontalplan. Lindningarna hos dessa fluxportar är seriekopplade mot varandra.

Med hjälp av en fluxgate-magnetometer är det möjligt att bestämma magnetiseringskurvan, hysteresloopen och koercitivkraften hos mjuka magnetiska material. Magnetiseringskurvan och hysteresloopen mäts med kompensationsmetoden. För detta ändamål passerar en ström genom kompensationslindningen, vars magnetfält kompenserar för fältet för det magnetiserade provet i området för sondplatsen. För att mäta tvångskraften måste du magnetisera provet och sedan, genom att öka avmagnetiseringsfältet, minska avläsningarna från indikatorenheten till noll. enkel krets och en snabb mätprocess är en av fördelarna med fluxgate-magnetometern framför andra magnetometrar, vilket kommer att beskrivas i kapitel V. På senare tid har vissa typer av magnetiska sönder börjat användas för att studera magnetfältet i acceleratorer och spektrometrar. Beskrivningen av sonderna finns också tillgänglig i verken.

I magnetometrar av denna typ är det magnetiskt känsliga elementet en fluxgate, som består av två tunna och långa permalloystavar (en järn-nickellegering är en magnetiskt mjuk ferromagnet), på vilken en primär (spännande) lindning är lindad i den inbördes motsatta riktning. Dessutom täcks båda kärnorna, tillsammans med primärlindningen, av den sekundära (mät-)lindningen (fig. 3.15 a). Mjukmagnetiska ferromagneter kännetecknas av att hysteresloopen för dem är så smal att den kan betraktas som en enda kurva (fig. 3.15 b).

Ris. 3.15. Funktionsprincipen för fluxgate-magnetometern

andra harmoniska typen.

Funktionsprincipen för fluxgate är som följer. Genom att använda extern källa en ström med en frekvens w (oftast 400 Hz) leds genom den primära (exciterande) lindningen. Om det inte finns något externt magnetfält, är den initiala magnetiseringen av kärnorna noll. Vid passering av en ström med frekvensen w i varje halvcykel riktas induktionspulserna i kärnorna motsatt och kompenserar varandra (fig. 3.15 b). Därför är den totala induktionen i utrymmet närmast kärnorna noll vid varje tidpunkt och signalen induceras inte i mätlindningen, d.v.s. är också lika med noll.

När ett externt fält T uppträder (som måste mätas) i varje halvcykel, sammanfaller detta fält med induktionen av en av kärnorna, och induktionen av den andra kärnan är riktad motsatt, vilket är ekvivalent med en förskjutning i induktionen av kärnorna. Den totala (totala B S) induktionen i rymden vid kärnorna, summerat, bildar ett alternerande magnetiskt flöde som ändras med en frekvens på 2w (Fig. 3.15. b). Detta flöde inducerar en elektrisk signal i mätlindningen med en frekvens på 2w och en amplitud proportionell mot "förskjutningen" av induktionen i lindningarna - det externa magnetiseringsfältet T.

För att mäta detta fält är det bara nödvändigt att välja en signal med en frekvens på 2w (800 Hz) med hjälp av ett filter (F), förstärka det med en förstärkare (U), bestämma tecknet för fältet (fas) med en fas -känslig detektor (PSD) och mät dess amplitud med en mätare (I). I detta fall kan enheten som mäter signalens amplitud kalibreras i enheter för styrkan eller induktionen av magnetfältet. En sådan fluxgate kallas en "andra harmonisk typ av fluxgate".

En användbar egenskap hos en sådan ferrosond för magnetiska mätningar är att den kan mäta komponenten av magnetfältstyrkan riktad längs sondens axel. Det vill säga, om fältet T är riktat vinkelrätt mot kärnorna, kommer det inte att finnas någon "förskjutning" av induktion i lindningarna och det kommer ingen signal i sekundärlindningen.

Denna egenskap gör det möjligt att utföra de så kallade komponentmätningarna (d.v.s. mätningar av tre komponenter längs axlarna) av magnetfältsinduktionen, vilket är en av fördelarna med metoden. Nackdelen med metoden är närvaron av en nollförskjutning av enheten, som, även med en hög känslighetströskel för enheten på 1 nT, inte tillåter att mätningar görs med hög noggrannhet.

Ferroprobe har också andra namn: magnetisk mättnadssond, magnetisk moduleringssensor (MMD). I utländsk litteratur kallas det flux - date (flux gate) - streaming.

Magnetometer designad för att mäta magnetfältsinduktionen. Magnetometern använder ett referensmagnetfält, som tillåter vissa fysiska effekter omvandla det uppmätta magnetfältet till en elektrisk signal.
Den tillämpade tillämpningen av magnetometrar för att detektera massiva föremål gjorda av ferromagnetiska (oftast stål) material är baserad på den lokala förvrängningen av jordens magnetfält av dessa föremål. Fördelen med att använda magnetometrar framför traditionella metalldetektorer är större upptäcktsområde.

Ferroprobe (vektor) magnetometrar

En av typerna av magnetometrar är . Ferrosonden uppfanns av Friedrich Förster ( )

År 1937 och tjänar till att bestämma magnetfältsinduktionsvektor.

Ferroprobe design

enstavs ferrosond

Den enklaste ferroproben består av en permalloystav på vilken en excitationsspole är placerad (( drivspole), drivs av växelström och en mätspole ( detektorspole).

Permalloy- en legering med mjukmagnetiska egenskaper, bestående av järn och 45-82% nickel. Permalloy har hög magnetisk permeabilitet (maximal relativ magnetisk permeabilitet ~100 000) och låg koercitivkraft. Ett populärt märke av permalloy för tillverkning av fluxgate är 80НХС - 80% nickel + krom och kisel med en mättnadsinduktion på 0,65-0,75 T, som används för kärnor av små transformatorer, chokes och reläer som arbetar i svaga fält av magnetiska sköldar, för pulstransformatorkärnor, magnetiska förstärkare och beröringsfria reläer, för kärnorna i magnethuvuden.
Beroendet av den relativa magnetiska permeabiliteten på fältstyrkan för vissa kvaliteter av permalloy har formen -

Om ett konstant magnetfält appliceras på kärnan, uppstår en spänning i mätspolen ävenövertoner, vars värde fungerar som ett mått på styrkan hos ett konstant magnetfält. Denna spänning filtreras och mäts.

tvåstavs ferrosond

Ett exempel är enheten som beskrivs i boken Karalisa V.N. "Elektroniska kretsar i industrin" -



Enheten är utformad för att mäta konstanta magnetfält inom intervallet 0,001 ... 0,5 oersted.
Sensor excitationslindningar L1 Och L3 ingår mittemot. mäta lindning L2 lindas över excitationslindningarna. Excitationslindningarna matas med en frekvens på 2 kHz från en push-pull generator med en induktiv respons. Generatorläget stabiliseras av likström motståndsavdelare R8 Och R9.

ferrosond med toroidkärna
Ett av de populära alternativen för designen av en fluxgate-magnetometer är en fluxgate med en toroidformad kärna ( ringkärna fluxgate) -

Jämfört med stavferroprober har denna design mindre buller och kräver skapandet mycket mindre magnetomotorisk kraft.

Denna sensor är excitationslindning, lindad på en toroidformad kärna, genom vilken en växelström flyter med en amplitud som är tillräcklig för att föra kärnan till mättnad, och mäta lindning, från vilken växelspänningen tas bort, som analyseras för att mäta det externa magnetfältet.
Mätlindningen är lindad över den toroidformade kärnan och täcker den helt (till exempel på en speciell ram) -


Denna design liknar den ursprungliga fluxgate-designen (kondensator läggs till för att uppnå resonans vid den andra övertonen) -

Tillämpningar av protonmagnetometrar
Protonmagnetometrar används ofta i arkeologisk forskning.
Protonmagnetometern nämns i Michael Crichtons sci-fi-roman "Trapped in Time" ( Tidslinje") -
Han pekade ner förbi sina fötter. Tre tunga gula hus klämdes fast i helikopterns främre stöttor. "Just nu bär vi stereoterrängkartare, infraröd, UV och sidavsökningsradar." Kramer pekade ut bakrutan, mot ett sex fot långt silverrör som dinglade under helikoptern på baksidan. Protonmagnetometer. "Äh-ha. Och vad gör den?" "Letar efter magnetiska anomalier i marken under oss som kan tyda på nedgrävda väggar, eller keramik eller metall."

Cesiummagnetometrar

Alkalimetall atommagnetometrar med optisk pumpning är en sorts kvantmagnetometrar.

cesiummagnetometer G-858

Overhauser magnetometrar

Solid State magnetometrar

De mest prisvärda är magnetometrar inbyggda i smartphones. För Android bra applikation använder en magnetometer är . Sidan för den här appen är http://physics-toolbox-magnetometer.android.informer.com/ .

Justering av magnetometrar

För att testa fluxgate kan du använda . Helmholtz-spolar används för att producera ett nästan enhetligt magnetfält. I det ideala fallet är de två identiska ringformiga spolar kopplade till varandra i serie och placerade på ett avstånd från spolens radie från varandra. Vanligtvis består Helmholtz-spolar av två spolar, på vilka ett visst antal varv är lindade, och spolens tjocklek måste vara mycket mindre än deras radie. I verkliga system kan spolarnas tjocklek vara jämförbar med deras radie. Sålunda kan vi betrakta som ett system av Helmholtz-ringar två identiska spolar anordnade koaxiellt, vars avstånd mellan centran är ungefär lika med deras genomsnittliga radie. Ett sådant spolsystem kallas också en delad solenoid ( delad solenoid).

I mitten av systemet finns en zon med ett enhetligt magnetfält (magnetfältet i systemets mitt är i volymen 1/3 av ringarnas radie homogen inom 1 %), som kan användas för mätändamål, för kalibrering av magnetiska induktionssensorer, etc.

Den magnetiska induktionen i mitten av systemet definieras som $B = \mu _0\,(\left((4\over 5)\right) )^(3/2) \, (IN\over R)$,
där $N$ är antalet varv i varje spole, $I$ är strömmen genom spolarna, $R$ är medelradien för spolen.

Helmholtz-spolar kan också användas för att skydda jordens magnetfält. För att göra detta är det bäst att använda tre ömsesidigt vinkelräta par ringar, då spelar deras orientering ingen roll.

Nyligen har det inte skett några betydande förändringar i principerna för magnetfältsmätning. Inom området för magnetiska undersökningar har metoder baserade på fenomenet magnetisk resonans, optisk orientering av atomer etc. etablerat sig.Ferroprobe-installationer används som bas för att bestämma de magnetiska egenskaperna hos bergarter och observationer i brunnar, och astatiska magnetometrar och berggeneratorer används för att mäta restmagnetisering. Låt oss uppehålla oss mer i detalj på en sådan enhet som en magnetometer.

Magnetometer- en anordning för mätning av magnetfältets egenskaper och magnetiska egenskaper hos ämnen (magnetiska material). Beroende på vilket värde som bestäms finns det mätinstrument: fältstyrka (oerstedmetrar), fältriktning (inklinatorer och deklinatorer), fältgradient (gradientometrar), magnetisk induktion (teslametrar), magnetiskt flöde (webermetrar eller flödesmätare), tvångskraft (coercimetrar), magnetisk permeabilitet (mu-meter), magnetisk susceptibilitet (kappa-meter), magnetiskt moment.

I en snävare mening är magnetometrar anordningar för att mäta styrkan, riktningen och gradienten hos ett magnetfält.

Den viktigaste parametern för en magnetometer är dess känslighet. Samtidigt är det nästan omöjligt att formalisera denna parameter, att göra den lika för alla magnetometrar, och inte bara för att magnetometrarna skiljer sig åt i funktionsprincipen, utan också i utformningen av givarna och signalbehandlingsfunktionen. För magnetometrar är det vanligt att beteckna känslighet med värdet av den magnetiska induktionen av fältet som enheten kan registrera. Typiskt mäts känsligheten i nanotesla (nT) 1nT = (1E-9) T.

Jordens fält är cirka 35000nT (35µT). Detta är ett medelvärde - i olika delar av världen varierar det i intervallet 35000nT (35µT) - 60000nT (60µT). Sålunda är uppgiften att söka efter ferromagnetiska objekt att upptäcka, mot bakgrund av jordens naturliga fält, ökningen av fältet på grund av förvrängningar från ferromagnetiska objekt.

Det finns flera fysikaliska principer och typer av magnetometriska instrument baserade på dem, som gör det möjligt att registrera minimala förändringar i jordens magnetfält eller förvrängningar som introduceras av ferromagnetiska föremål. Moderna magnetometrar har en känslighet från 0,01nT till 1nT, beroende på funktionsprincipen och vilken klass av problem som ska lösas.

Det finns magnetometrar för att mäta absoluta värden av fältkarakteristika och relativa fältförändringar i rum eller tid. De senare kallas magnetiska variometrar. Magnetometrar klassificeras också efter driftsförhållanden och slutligen i enlighet med de fysiska fenomen som ligger bakom deras funktion.

Det finns flera typer av magnetometrar baserade på olika funktionsprinciper, såsom: fluxgate, magnetoinduktiv, Hall-effekt, magnetoresistor, kvant (proton).

Låt oss uppehålla oss i detalj vid fluxgate magnetfältsgivare, överväga deras princip för drift, design och mätteknik.

Upptäckten av egenskaperna hos hög magnetisk permeabilitet i järn-nickellegeringar - permalloys ledde till skapandet av flux-gate eller flödesmottagande magnetometrar, vars sensorer är baserade på effekten av reaktionen av den magnetiska permeabiliteten hos permalloy-kärnor till verkan av jordens konstanta magnetfält när de drivs av växelström.

En fluxgate magnetfältsgivare, eller fluxgate, är utformad för att mäta och indikera konstanta och långsamt föränderliga magnetfält och deras gradienter. Funktionen av en ferroprob är baserad på en förändring i det magnetiska tillståndet hos en ferromagnet under inverkan av två magnetfält med olika frekvenser. Beroende på storleken på den applicerade spänningen kan fluxgate fungera enligt principen om topptyp och andra övertoner. Enheter som fungerar enligt principen om den andra övertonen har blivit mer allmänt använda (3).

Ferromagnetiska sonder kännetecknas av:

Hög känslighet - den minsta förändringen i det uppmätta fältelementet som enheten kan registrera när effektkomponenten ändras, känsligheten för de bästa enheterna är 1 nT, för ett vinkelvärde på 01 sek;

Möjlighet till exakt (0,1%) kalibrering;

Låg temperaturkoefficient, mindre än 0,01 nT/grad. Celsius i temperaturområdet från -20 till +50 grader. celsius;

Låg självljudsnivå;

Liten storlek (10-20 cm) och vikt (1-2 kg med en mätenhet);

Låg strömförbrukning(2).

På fig. 1 visar schematiskt några varianter av ferrosondkonstruktioner.

Ris. 1

I den enklaste versionen består fluxgate av en ferromagnetisk kärna och två spolar placerade på den: en excitationsspole som drivs av växelström och en mätspole (signal). Fluxgate-kärnan är gjord av material med hög magnetisk permeabilitet. En växelspänning med en frekvens på 1 till 300 kHz tillförs excitationsspolen från en speciell generator (beroende på parametrarnas nivå och enhetens syfte). I frånvaro av ett uppmätt magnetfält ommagnetiserar kärnan under verkan av ett växelmagnetfält H skapat av en ström i excitationsspolen i en symmetrisk cykel. Förändringen i magnetfältet, orsakad av ommagnetiseringen av kärnan längs en symmetrisk kurva, inducerar en EMF i signalspolen, som ändras enligt en harmonisk lag. Om ett mätbart konstant eller långsamt föränderligt magnetfält Ho verkar på kärnan samtidigt, ändrar magnetiseringskurvan sin storlek och form och blir asymmetrisk. Detta ändrar storleken och den harmoniska sammansättningen av EMF i signalspolen. I synnerhet uppträder även harmoniska EMF-komponenter, vars storlek är proportionell mot styrkan hos det uppmätta fältet och som saknas i en symmetrisk ommagnetiseringscykel.

Ferroprober är indelade i:

stång enkelelement (a)

öppen kärndifferential (b)

differential med en sluten (ring) kärna (c).

En differentiell fluxgate (fig. b, c) består vanligtvis av två kärnor med lindningar, som är sammankopplade på ett sådant sätt att de udda övertonskomponenterna praktiskt taget kompenseras. Detta förenklar mätutrustningen och ökar känsligheten hos fluxgate. Ferroprober kännetecknas av en mycket hög känslighet för ett magnetfält. De kan registrera magnetfält med intensitet upp till 10-4-10-5 A/m (~10-10-10-11 T).

Moderna konstruktioner av ferroprober är kompakta. Volymen på ferroproben som levereras med inhemska G73-magnetometrar är mindre än 1 cm3, och trekomponentsfluxporten för G74-magnetometern passar in i en kub med en sida på 15 mm

Som ett exempel, i fig. 2 visar utformningen och dimensionerna av en miniatyrstavsfluxgate.

Ris. 2

Ferroprobens design är ganska enkel och kräver inte särskilda förklaringar. Dess kärna är gjord av permalloy. Den har ett tvärsnitt som är variabelt längs längden, vilket minskar med cirka 10 gånger i den centrala delen av kärnan, på vilken mätlindningen och excitationslindningen är lindad. Med en relativt kort längd (30 mm) ger denna design hög magnetisk permeabilitet (1,5x105) och en låg mättnadsfältstyrka i den centrala delen av kärnan, vilket leder till en ökning av fas- och tidskänsligheten hos fluxgate. På grund av detta förbättras också formen på utgångspulserna i ferroprobens mätlindning, vilket gör det möjligt att minska felen i signalgenereringskretsen för "tidspuls". Mätområdet för ferroprobe-givare av en typisk design är ±50… ±100 A/m (±0,06… ±0,126 mT) m (m x Hz1/2) beroende på excitationsfältet, vilket minskar med ökningen av den senare. I frekvensbandet upp till 0,5 Hz är brustätheten 3 - 3,5 gånger högre. I en experimentell studie av ringferroprober fann man att deras ljudnivå är en storleksordning lägre än för ferroprober med stavkärnor (3).