/
Author: Афанасьев Ю.В.
Tags: электротехника автоматика измерительные приборы магнетизм электромагнитное поле феррозонды
Year: 1969
Text
УДК 621.317.444 : 620.179.143
6П2.1.083
А94
Афанасьев Ю. В.
А94 Феррозонды. Л., «Энергия», 1969.
168 с. с рис.
В книге изложены основы проектирования и применения феррозондов — весьма чувствительных, надежных и экономичных датчиков магнитного поля.
Значительное внимание уделено рассмотрению принципа действия феррозондов различного типа, сравнительной оценке их параметров и характеристик. Отмечены особенности конструктивного выполнения и изготовления феррозондов. Приведены схемы феррозондовых устройств для измерения постоянных и переменных магнитных полей, неоднородностей поля и угловых величин.
Книга рассчитана на широкий круг читателей — инженеров и научных работников, имеющих отношение к измерительной технике и автоматике. Она может быть полезна также для студентов старших курсов соответствующих ВУЗов.
3-3-10
203-69
Предисловие
В современных условиях необходимость производства магнитных измерений возникает в самых различных отраслях народного хозяйства, науки и техники. Среди датчиков, используемых для этой цели, значительное место занимают феррозонды, обладающие высокой чувствительностью, надежностью, экономичностью и малыми габаритами.
Феррозонды относятся к активным индукционным преобразователям и по своему принципу действия во многом схожи с магнитными усилителями. От последних они отличаются тем, что не содержат управляемой электрической цепи. В феррозондах управляемая электрическая цепь заменена магнитной в виде пермаллоевых стержневых сердечников, приобретающих намагниченность под действием измеряемого поля. Поскольку напряженность магнитного поля характеризуется вектором, а намагниченность сердечников зависит не только от их ориентации, но и от соотношения продольных и поперечных размеров, то, кроме отмеченных свойств, феррозонды обладают еще и диаграммой направленности, благодаря чему они могут быть использованы для измерения компонент поля и углов.
Наличие естественной диаграммы направленности выгодно отличает феррозонды от новейших ядерно-прецессионных и квантовых датчиков, которые обеспечивают более высокую точность измерений, но непосредственно реагируют на скалярную величину поля. Они приобретают диаграмму направленности лишь за счет наложения вспомогательного поля заранее известного направления и величины, что не только усложняет и отягощает дополнительными погрешностями процесс измерения, но и делает сами устройства более громоздкими и менее надежными по сравнению с феррозондовыми.
В настоящее время феррозондовые устройства применяют для разведки полезных ископаемых, поиска объектов негеологического происхождения, изучения структуры геомагнитного поля и полей космического пространства, в навигационных системах, а также в системах следящего привода. Ежегодно публикуемые статьи, рефераты и патенты свидетельствуют о все расширяющейся сфере применимости феррозондов. Их предлагают использовать для автоматизации производственных процессов, считывания инфор
1* 3
мации с медленно движущихся носителей, регулирования уличного движения, контроля за перемещением магнитомеченых частиц при моделировании тех или иных физических процессов и т. д. и т. п.
Несмотря на сравнительную давность изобретения феррозондов сколько-нибудь цельная и последовательная теория их, положенная в основу расчетов и проектирования современных измерительных устройств, появилась значительно позднее. Разработке этой теории немало способствовали советские ученые. Основополагающим явилось учение о намагниченности ферромагнитных тел конечных размеров, развитое крупным советским физиком В. К. Аркадьевым. Это учение в той или иной степени использовано во всех отечественных и зарубежных работах о феррозондах. Большой вклад в теорию феррозондов внесли М. А. Розенблат и Р. И. Янус. Заслуживают внимания работы С. Ш. Долгинова, В. И. Дрожжиной, Л. X. Фридмана, А. П. Лысенко, Р. Я. Беркмана, Ю. Ф. Пономарева и др.
Опубликованные работы, главным образом статьи и материалы научно-технических конференций, носят разрозненный характер и далеко не полностью освещают круг вопросов, связанных с проектированием и применением феррозондов различного типа.
Настоящая книга имеет целью в какой-то мере восполнить этот пробел.
Книга является по существу первой попыткой систематического изложения вопросов теории, проектирования и применения феррозондов.
Значительное внимание в книге уделено рассмотрению физических основ, принципа действия и параметров феррозондов. Приведены конкретные схемы феррозондовых устройств и соображения о наиболее целесообразном их использовании при измерении постоянных и переменных магнитных полей, неоднородности поля и угловых величин. Отмечены некоторые новые тенденции в развитии феррозондового метода измерения.
Все величины, входящие в формулы и выражения, записаны в международной системе единиц (СИ). Для практической оценки чувствительности феррозондов использована дробная единица напряженности магнитного поля системы СГС — гамма, широко распространенная среди магнитологов.
Автор весьма признателен кандидатам технических наук Е. Н. Чечуриной, Р. Я- Беркману, В. И. Дрожжиной, Л. X. Фридману и Ю. Ф. Пономареву и инженеру Л. Г. Кадинской, взявшим на себя труд полностью или частично ознакомиться с рукописью книги и сделавших ряд ценных замечаний, учтенных при подготовке ее к печати. Автор благодарен также коллективу ОКБ МГ СССР и особенно инженеру Л. Г. Кадинской за многолетнюю помощь в работе по проектированию феррозондов. Материалы этой работы частично использованы в книге.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФЕРРОЗОНДОВ
1. Феноменологические свойства
Феррозондом называется устройство, чувствительное к внешним магнитным полям, главным образом постоянным и медленно изменяющимся, содержащее ферромагнитные сердечники и обмотки, распределенные по их длине.
От пассивных индукционных датчиков и ферритовых антенн феррозонды отличаются тем, что являются устройствами активного типа. Происходящие в них процессы всегда связаны с существованием двух полей — внешнего измеряемого поля и некоторого вспомогательного поля, образуемого за счет тока, протекающего в одной из обмоток. Взаимодействие этих полей в объеме сердечников, изготавливаемых из легко насыщающихся магнитных материалов, например пермаллоя, приводит к появлению в другой обмотке электродвижущей силы, по величине которой и судят о напряженности внешнего поля.
По принципу действия феррозонды наиболее близки к магнитным усилителям. По существу они и являются магнитными усилителями, у которых управляющая электрическая цепь заменена разомкнутой магнитной цепью.
Существует довольно много типов и модификаций феррозондов. Феррозонды отличаются друг от друга по режиму работы, способу наложения вспомогательного поля, выбранной схеме и конструктивному исполнению. Эти отличия оказываются более или менее существенными в зависимости от диапазона и частотного спектра измеряемых полей, условий, в которых проводятся измерения, особенностей преобразования полезного сигнала в измерительной схеме. Однако феррозондам присущи и некоторые общие свойства.
Рассмотрим эти свойства на примере наиболее распространенного в настоящее время дифференциального феррозонда (рис. 1).
Р Дифференциальный феррозонд содержит два одинаковых пермаллоевых сердечника, выполненных в виде тонких стержней
5
прямоугольного сечения, уложенных в специальные каркасы параллельно друг другу. Поверх каркасов нанесены первичные обмотки, включенные последовательно и образующие цепь возбуждения феррозонда. Эту цепь питают переменным током звуковой частоты. Кроме первичных обмоток имеется также общая
Рис. 1. Схема (а) и конструкция (б) дифференциального феррозонда.
1 — пермаллоевые сердечники; 2 — первичные обмотки; 3 — вторичная обмотка; 4 — внутренние каркасы; 5—пазы для сердечников, 6 — внешний каркас; 7 — чехол; 8 — выводные контакты.
вторичная обмотка. Вторичная обмотка вместе с подключаемым к ней индикаторным прибором образует измерительную цепь.
В дифференциальном феррозонде первичные обмотки соединены таким образом, что протекающий в них ток i создает в объеме сердечников поля Нг, равные по величине, но противоположные по направлению. При наличии внешнего поля Нй, направленного вдоль сердечников, в объеме одного из них действует разность напряженностей (Н0 — Н^, в объеме другого — сумма (Яо + 6
-f- Ях). Если сердечники идентичны, то можно записать
B'^B^-HJ,)
В" — В (Но +Ht), ] {)
где В' и В" — индукции или плотности магнитных потоков в сердечниках.
Э. д. с. во вторичной обмотке, охватывающей оба сердечника, будет
-sw^tB’ + B"), (2)
где s — поперечное сечение сердечников, w2 — количество витков вторичной обмотки и t — время.
Появление э. д. с. во вторичной обмотке дифференциального феррозонда с идентичными сердечниками принципиально возможно лишь при нелинейности характеристик В = f (Н).
Действительно, предположив обратное и введя для каждого сердечника постоянные и одинаковые коэффициенты pia = BjH, имеющие размерность абсолютной магнитной проницаемости, получим:
В' В = 2цаН0 и
е= — 2s®2pa-^-.
Последнее выражение совпадает с известной формулой для выходной э. д. с. пассивных индукционных датчиков; при Но = const (постоянное внешнее поле) оно становится равным нулю.
Аппроксимируем теперь характеристики В = f (Н) укороченным полиномом третьей степени:
В = аН + ЬН3, (3)
где а и b — коэффициенты аппроксимации, зависящие от материала и формы сердечников1. В соответствии с (1)
В’ = аН0 — аН± + ЬН30 — ЗЬН20 Я, + ЗЬН0Н2 — bHt |
В" = аН0 + аНг + ЬН30 + ЗЬН20Н1 + ЗЬН0Н2 + ЬН3. j
Положив Ht = //msin cat и Но = const, имеем:
В' + В" = 2аН() + 26Яо + ЗЬН0Н2т — 3bH0H2m cos 2<of (5) и
е = 6(£ibsw2H(jAmSin 2со/, (6)
где со = 2л/, / — частота вспомогательного поля и Нт — амплитуда этого поля.
1 Данная аппроксимация весьма приближенна. Однако, отличаясь простотой,
она оказывается полезной для качественного описания процессов и явлений в ферромагнитных цепях.
7
Таким образом, в отличие от пассивных индукционных датчиков э. д. с. в феррозонде появляется при наличии постоянного поля и оказывается пропорциональной этому полю.
Из выражения (6) следует также, что выходная э. д. с. имеет удвоенную частоту. Работа на удвоенной частоте типична для феррозондов. Однако принципиально дифференциальный феррозонд может работать и на основной частоте.
Пусть ток возбуждения дифференциального феррозонда, кроме переменной составляющей, содержит также и постоянную. Тогда можно записать:
Нт sin — /Д =
где Н2 = const. Произведя необходимую подстановку в (4), получаем взамен (5):
В' + В" = С -ф 1 2bH0H2Hm sin at — cos 2cot, (7)
где С — постоянная составляющая индукции. После дифференцирования в соответствии с (2), имеем
е* = &absw2H0 (—2Н2Нт cos cot -ф sin 2wZ), (8)
т. е. в составе э. д. с. появилась первая гармоника, величина которой также пропорциональна внешнему полю.
Заметим, что приведенное ранее выражение (6) является частным случаем (8). Последнее переходит в (6) при Н2 = 0.
Выражения (6) и (8) получены в предположении строгой идентичности и сердечников, и первичных обмоток феррозонда. Однако на практике сердечники и обмотки могут быть подобраны лишь с определенной точностью. В результате этого во вторичной обмотке появляется дополнительная э. д. с., которая не связана или почти не связана с наличием внешнего поля. Эту дополнительную э. д. с. мы будем называть помехой и обозначать индексом N. Полезную же э. д. с. будем обозначать индексом S.
Найдем спектр помехи. Для этого воспользуемся выражением (4), выбрав из него попарные члены с разными знаками. Введем обозначения: еа — а" — а', еь — Ь" — УиД = Д = Н" = Нтз'т at -ф -ф Н2 (пеидептичпостыо обмоток пренебрегаем). Тогда
Bn = Bn -ф Bn = ?аН\ -ф 3?вН qH -ф евН = СД -ф
-ф &аНт ~Ф ЗЕвН0Нт -j-еД/т 4" ЗеьН2 Нт} sin cot —
---еьН2Н^ cos 2at---Hh sin Зсоt, (9)
8
где cN — постоянная составляющая помехи. Подставив это выражение в (2), получим
et = — cos® (еаНт + 3et>HoHm + еьНт +
+ Зе,ьН1нcos (£>t — Зеь Н2Нт sin 2(£>t —
—|-e()//mCos3coZ j . (10)
Теперь мы можем написать выражение для суммарной э. д. с., появляющейся во вторичной обмотке феррозонда. Положив в (8) - 6 + Ь— = Ь, имеем
el = e*s + = cos® 1б&Я0 [ — 2Н2Нт cos со/ +
+ Н^п sin 2со/J — [с,аНт + 3ebHlHm +
+ еьН3т + ЗгьН’^Нщ^ cos со/ +
+ ЗгьН^т sin 2со/ + чьН3п cos Зсо/j} (11)
и при Н2 = 0 (отсутствие постоянной составляющей тока в цепи возбуждения) —
вх = вз + e.v = cos®2 [бЬНцНт sin 2со/ —
— (eaHm + 3e.bHlHm ф- cos со/ +
+ у е(,Ят cos Зсо/ ] . (12)
Сравнивая (11) с (12), нетрудно установить, что режим работы феррозонда, характеризующийся наличием постоянной составляющей в токе возбуждения, менее благоприятен. В этом случае информацию о внешнем поле Но несет не только вторая, но и первая гармоника. Однако обе эти гармоники содержатся и в спектре помехи. Поэтому, независимо от того, какую гармонику мы будем выделять, используя частотную фильтрацию, добиться существенного улучшения отношения сигнал/помеха в данном случае не удается. Положение усугубляется еще и тем, что величина помехи не остается постоянной, так как коэффициенты еа, е6 оказываются зависимыми от таких внешних факторов, как температура окружающей среды, вибрация и т. п. Когда же постоянная составляющая в токе возбуждения отсутствует, информацию о внешнем поле несет главным образом вторая гармоника, причем спектр помехи содержит лишь первую и третью гармоники. Следовательно, выделив из общего спектра выходной э. д. с. феррозонда вторую
9
гармонику, мы можем резко улучшить соотношение сигнал/по-меха.
По указанной причине феррозонды с дополнительным постоянным подмагничиванием оказались пригодными лишь для измерения относительно сильных магнитных полей. Наоборот, феррозонды без начального подмагничивания, с выходом на удвоенной частоте применяются для измерения слабых магнитных полей или малых приращений поля. Типичные схемы измерительных
Рис. 2. Феррозондовые магнитометры: а — с дополнительным постоянным подмагничиванием, б — без дополнительного подмагничивания.
1 — феррозонд; 2 — избирательный усилитель; 3 — синхронный детектор, 4 — регистрирующий прибор; 5 — источник постоянного тока; 6 — генератор синусоидального напряжения (тока); 7 — удвоитель частоты; U и I — соответственно напряжения и токи, действующие в цепях.
устройств (магнитометров), соответствующие использованию этих двух режимов работы феррозонда, изображены на рис. 2.
Возможность выделения той или иной гармоники позволяет говорить о соответствующих коэффициентах преобразования или чувствительностях феррозонда. В общем случае имеем:
0, = ^. (13)
где Gn — чувствительность феррозонда по n-ой гармонике и EnS — амплитуда n-ой гармоники полезной э. д. с. На начальных участках зависимость EnS = F как правило, линейна. Поэтому для слабых полей взамен (13) пишут:
G = EnS
Н9
(14)
10
Отсюда с учетом (8) следует, что чувствительность феррозонда пропорциональна коэффициенту аппроксимации Ь, характеризующему магнитные свойства сердечников, поперечному сечению сердечников, числу витков вторичной обмотки, частоте и амплитуде вспомогательного поля. Видно также, что чувствительность по первой и второй гармоникам различна, в частности, чувствительность по первой гармонике зависит от величины дополнительного поля Н2.
Возможность работы на той или иной гармонике позволяет также говорить и о соответствующих порогах чувствительности феррозонда. Под порогом чувствительности обычно понимают то наименьшее значение измеряемой величины, которое способно вызвать заметное изменение выходного параметра прибора или устройства. В феррозонде это наименьшее значение определяется уровнем помехи. Поэтому можно записать:
Рп=~^~, (15)
u п.
где EnN — амплитуда /г-ой гармоники э. д. с. помехи, Gn — чувствительность по /г-ой гармонике и рп — порог чувствительности (более точное определение этого понятия будет дано в главе второй). Заметим, что порог чувствительности феррозонда выражается в единицах поля.
Часто пользуются также величиной
= (16)
где En — амплитуда суммарной э. д. с. помехи. Величина q оказывается полезной для оценки качества феррозонда. Однако ее не следует путать с величиной рп. Например, при работе феррозонда на удвоенной частоте [см. выражение (12) 1 величина q характеризует лишь степень неидентичности его сердечников и обмоток. Эта величина может быть на несколько порядков больше величины р2.
Экспериментально чувствительность и порог чувствительности могут быть определены благодаря наложению на феррозонд поля, напряженность которого заранее известна. Это поле обычно создается с помощью калиброванных катушек (соленоидов) или колец Гельмгольца. Контрольно-измерительный комплекс, используемый для определения указанных параметров феррозонда, показан на рис. 3.
Испытуемый феррозонд устанавливают в центре колец Гельмгольца таким образом, чтобы его продольная ось совпала с осью колец. К обмотке возбуждения подключают генератор синусоидального напряжения. При оценке чувствительности по первой гармонике в эту же обмотку подают ток смещения, создающий в объеме сердечников дополнительное постоянное поле. Выходную (вторичную) обмотку феррозонда подключают ко входу
11
анализатора гармоник и ламповому милливольтметру. С помощью анализатора выделяют нужную гармонику выходного напряжения. Затем кольца вместе с закрепленным в них феррозондом ориентируют таким образом, чтобы продольная ось феррозонда оказалась перпендикулярной вектору геомагнитного поля. О перпендикулярности судят по минимуму показаний милливольтметра анализатора и лампового милливольтметра. Показание первого
"т
Рис. 3. Контрольно-измерительный комплекс.
1, 4 — магазины сопротивлений; 2, 7 — источники постоянного тока; 3 — генератор синусоидального напряжения (тока); 5 — испытуемый феррозонд; 6 — кольца Гельмгольца;
8 — переключатель; 9 — миллиамперметр; 10 — ламповый милливольтметр; 11 — анализатор гармоник; 12 — милливольтметр анализатора; Нт — вектор геомагнитного поля;
ММ' — продольная ось феррозонда и колец Гельмгольца.
соответствует величине EnN, показание второго — величине EN. В кольца подают ток, измеряемый миллиамперметром. Если постоянная колец известна, то становится известным и поле, создаваемое в объеме феррозонда. При наличии поля милливольтметр анализатора измерит величину EnS. Зная напряженность поля, создаваемую кольцами, и располагая значениями EnS, EnN и En, можно оценить чувствительность, порог чувствительности и качество изготовления феррозонда.
Особенности экспериментальной оценки указанных параметров свидетельствуют о том, что феррозонд по существу является относительным индикатором поля. Действительно, чувствительность феррозонда определяют в известном поле, созданном, например, с помощью колец Гельмгольца. Об измеренном же значении поля судят по выходной э. д. с. и чувствительности феррозонда. Следовательно, измеренные значения есть результат сравнения напряженности внешнего поля с величиной того же наименования. 12
До сих пор мы предполагали, что внешнее поле направлено вдоль сердечников, параллельно продольной оси феррозонда (см. рис. 1). Однако это всего лишь частный случай взаимного расположения вектора внешнего поля и продольной оси феррозонда. Касаясь экспериментальной оценки чувствительности фер
розонда, мы уже говорили о перпендикулярности его оси вектору геомагнитного поля. По достижении перпендикулярности наблюдался минимум выходной э. д. с. феррозонда. Изменение амплитуды выходной э. д. с. в зависимости от ориентации феррозонда
в поле свидетельствует о присущем ему свойстве направленности.
Диаграммы направленности феррозонда в геомагнитном поле в двух различных плоскостях изображены на рис. 4. Видно, что они представляют собой правильные «восьмерки». Максимумы диаграмм соответствуют направлению продольной оси феррозонда, минимумы — направлению, перпендикулярному этой оси. Подобные диаграммы могут иметь место лишь при косинусоидальной зависимости амплитуды выходной э. д. с. от угла между продольной осью феррозонда и вектором внешнего поля. Поэтому можно
Рис. 4. Диаграммы направленности феррозонда.
— горизонтальная составляющая геомагнитного поля; Hz — вертикальная составляющая поля; Нт — полный вектор поля.
записать:
EnS = GiH,
(17)
где i — единичный вектор, совпадающий с направлением продольной оси феррозонда и Н — вектор внешнего поля (для геомагнитного поля пишется с индексом Т). Если положить Н cos а = = Но, где а — угол между векторами i и Н, то все приведенные ранее выражения остаются в силе, хотя и с оговоркой, что Но есть не что иное, как продольная компонента поля.
Свойство направленности феррозондов позволяет использовать их для измерения компонент поля и углов.
Чувствительность феррозонда к углу может быть получена путем дифференцирования (17) по а:
(18)
где j — единичный вектор, совпадающий с нормалью к плоскости, образованной векторами Н и i.
Из (18), в частности, следует, что наибольшая чувствительность феррозонда к угловым перемещениям (перемещаться может
13
либо сам феррозонд, либо вектор внешнего поля) наблюдается в том случае, когда векторы Н и i взаимно перпендикулярны. Это обстоятельство учитывается при построении следящих систем, в которых феррозонды используются в качестве датчиков угла рассогласования.
Подводя итог, перечислим основные свойства феррозонда:
1. Феррозонд является датчиком активного типа, преобразующим действующую на него напряженность внешнего постоянного поля в э. д. с., кратную по частоте питающему его переменному току. Преобразование оказывается возможным благодаря нелинейности магнитных характеристик его сердечников.
2. В зависимости от выбранного режима работы феррозонда информацию о внешнем поле могут нести первая или вторая гармоники его выходной э. д. с. Использование второй гармоники выходной э. д. с. предпочтительнее, поскольку позволяет улучшить соотношение сигнал/помеха и создать высокочувствительные измерительные устройства.
3. Феррозонд является относительным индикатором поля. Измеренные с его помощью значения представляют собой результат сравнения напряженностей внешнего поля с величинами того же наименования.
4. Феррозонд имеет диаграмму направленности, максимум которой совпадает с направлением его продольной оси. Наличие диаграммы направленности позволяет использовать феррозонд не только для измерения напряженности поля, но и для измерения углов.
К этому следует добавить, что феррозонд является наиболее надежным и помехоустойчивым датчиком магнитного поля. При малой потребляемой мощности он отличается высоким коэффициентом полезного действия. Феррозонд имеет незначительные габариты и вес, прост в изготовлении.
Благодаря отмеченным свойствам и эксплуатационным характеристикам феррозонды находят все более широкое применение в различных устройствах измерительной техники и автоматики.
2. Проницаемость сердечника
Как было отмечено в § 1, основу феррозонда составляют ферромагнитные сердечники, находящиеся под воздействием измеряемого и вспомогательных полей.
Предположим сначала, что сердечники имеют форму вытянутых эллипсоидов с полуосями а, Ь, с, причем а — большая полуось. Если вещество, из которого изготовлен такой эллипсоид, изотропно, то, в соответствии с теорией поляризации тел конечных размеров, развитой В. К- Аркадьевым [1, 2], проницаемость эллипсоида может быть представлена в виде симметричного тен-14
зора, имеющего компоненты:
* _ 1
* _ 1
И 1 +№(И-1) ’
* = 1
И 1 + <ф-1) ’
(19)
Здесь р*, |4, |1с — относительные магнитные проницаемости тела в направлении соответствующих осей, Na, Nb, Nc — коэффициенты размагничивания в направлении тех же осей и р — относительная магнитная проницаемость вещества.
Коэффициенты размагничивания Na, Nb, Nc, называемые также коэффициентами формы, зависят от соотношения полуосей эллипсоида. В общем случае они различны по величине, хотя для любого трехосного эллипсоида
Na+Nb+Nc= 1.
(20)
Для вытянутого эллипсоида вращения (овоида)
==1п(Х + К%г-1)-1
(21)
и
Nb = Nc=^±, - (22)
где X = alb — ale.
При А > 10, Na <0,02, a Nb и Nc находятся в пределах 0,49—0,5. Подставляя эти коэффициенты в (19), видим, что наибольшую проницаемость вытянутый эллипсоид имеет в направлении большой оси.
Если произвольно ориентировать такой эллипсоид относительно вектора слабого внешнего поля, то получим:
Ва = №аНа’ вь = вов^й;
(23)
где р0 = 4л-10"7 гн/м —магнитная постоянная, На, Нь, Нс — компоненты вектора Н внешнего поля и Ва, Вь, В с— соответствующие компоненты вектора индукции В внутри эллипсоида. Модули
15
векторов Н и В будут:
Н=у-№ + Н1 + Н1 (24)
В = Но K(HX)2+(№)2+(K^)2‘. (25)
Из-за различия значений рй, р£, р*
Вд / В а ВЬ НЬ Вс t Нс
В ' Н' И ~в
т. е. вектор В оказывается непараллельным вектору Н (рис. 5).
Рис. 5. Ферромагнитные эллипсоид и шар в геомагнитном поле. Нт — вектор поля; В — вектор внутренней индукции.
Заметим, что при произвольной ориентации эллипсоида вектор В отклоняется от вектора Н в сторону большой оси. Если ориентация неизменна, то это отклонение тем сильнее, чем значительнее величина X отличается от единицы.
При X = 1 эллипсоид вырождается в шар. Для шара Na = = Nb = Nc — 1/3 и ра = = рс = 2- Поэтому вектор В
в нем всегда параллелен вектору Н (рис. 5).
При X Д> 1, например, при X = 100, Na да 4,3-10-4. Положив р= 105, в соответствии с (19) и (22) имеем: ра ^2,3-103 и рй = рс 2, т. е. в направлении большой оси проницаемость эллипсоида оказывается на три порядка выше, чем в направлении малой оси. В этом случае вектор В практически совпадает с направлением большой оси и компонентой Вй, так как компонентами Вь и Ве ввиду их малости можно пренебречь.
Полученный результат чрезвычайно важен. Он свидетельствует о том, что сильно вытянутый эллипсоид, изготовленный из вещества с высокой магнитной проницаемостью, фактически намагничивается под действием составляющей внешнего поля, совпадающей с на-16
правлением его продольной оси. Для этого случая взамен (23) и (25) можно записать:
В = рор*Н (26)
или
В = pop*iH, (27)
где i — орт, совпадающий с направлением продольной оси сердеч
ника.
Сравнивая (27) с (17), нетрудно заключить, что направленные свойства феррозонда могут быть объяснены сильно выраженной
анизотропией формы его сердечников.
Несмотря на то, что продольная проницаемость вытянутого эллипсоида во много раз больше поперечной, она всегда меньше проницаемости вещества, из которого изготовлен этот эллипсоид. Зависимость р*(р) для эллипсоида с X = 100 представлена на рис. 6. Видно, что по мере увеличения р величина р* приближается к некоторому предельному значению. Это предельное значение может
Рис. 6. Зависимость проницаемости тела
от проницаемости вещества.
быть найдено из (19):
1
lim р*
N ~т'
(28)
Величину т называют проницаемостью формы.
Для получения больших индукций обычно стремятся к тому, чтобы проницаемость тела оказалась близкой к проницаемости формы, т. е. к выполнению условия р* як т. Однако выполнение этого условия имеет и более глубокие резоны.
Из (19) следует, что
Р* = Ж Н).
При заданном jV(X = const) имеем:
Дц* = Лц, (29)
где Др — приращение проницаемости вещества и Др* — приращение проницаемости тела. Разделив левую и правую части этого выражения на р* и взяв логарифмическую производную от (19) с учетом того, что р 1, получим:
Ф \ !1
Ю. В. Афанасьев
/V \ Л.. _ 1
1 + Лф J Р “ ьулф
Др
У'
Миколя'в ь а державна
(30)
17
Равенство (30) показывает, что относительные приращения проницаемости тела ослаблены в 1 + Л'ц раз по сравнению с вызывающими их относительными приращениями проницаемости вещества. Это ослабление незначительно, если 2Vp < 1. Но оно становится ощутимым, если Мц 1. Так, например, при N = 4,3 X X 10"4 (X = 100) и 2Vp 1 изменение проницаемости вещества на 30—40% приводит к изменениям проницаемости тела менее чем на 1%. Этим весьма важным обстоятельством широко пользуются на практике.
При Nil 1 взамен (19) можно записать:
Р* = -L = т, (31)
что совпадает с выражением (28) для предельного значения проницаемости тела.
Заметим, что коэффициент размагничивания N может рассматриваться как своеобразный показатель магнитной отрицательной обратной связи в теле. Обратная связь возникает за счет того, что тело, намагничиваясь в поле, создает собственное размагничивающее поле, направленное внутри тела навстречу внешнему и результирующему полям. Размагничивающее поле тем сильнее, чем ближе расположены в поле полюса намагниченности. В поперечном направлении вытянутого эллипсоида полюса расположены близко, поэтому и обратная связь в этом направлении более глубокая. В продольном же направлении полюса разнесены, поэтому обратная связь менее глубокая. Эффективность обратной связи в том или ином направлении тела как раз и учитывается с помощью соответствующих коэффициентов размагничивания [см. выражение (19)].
Пользуясь представлениями об обратных связях, легко объяснить не только направленные свойства тел, но и эффект стабилизации проницаемости этих тел. Действительно, при определенных условиях (jV|i > 1) обратная связь становится настолько глубокой, что результирующее поле оказывается чрезвычайно слабым, а размагничивающее — сравнимым с внешним полем. Малейшее изменение проницаемости вещества приводит к увеличению размагничивающего поля и, следовательно, к уменьшению результирующего поля, вследствие чего индукция в теле остается прежней. Неизменность индукции при изменении проницаемости вещества и воспринимается как неизменность проницаемости тела.
Также легко объясняется и скошенность вправо (сдвиг Релея) предельной гистерезисной петли тела относительно гистерезисной петли вещества. Эта скошенность тем сильнее, чем больше коэффициент N и, следовательно, глубже обратная связь. Из-за наличия обратной связи тем же значениям индукции соответствуют большие напряженности поля (рис. 7).
Из изложенного следует, что для нахождения различных магнитных характеристик и свойств разомкнутых сердечников тре-18
буется знать их коэффициенты размагничивания. Эти коэффициенты достаточно просто вычисляются для сердечников эллипсоидальной формы. Из (21) для сильно вытянутых эллипсоидов (X 1) имеем:
, __ 1п2Х —1
(32)
Эта формула даже при X = 10 позволяет вычислить коэффициент размагничивания с погрешностью менее 1%.
Изготовление сердечников в форме эллипсоидов сопряжено со значительными трудностями. Поэтому в феррозондах, как пра-
вило, сердечники выполнены, например, в виде вытянутых цилиндров (проволок) или узких полосок прямоугольного сечения (штампованных пластинок).
Трудность вычисления коэффициентов размагничивания подобных тел объясняется тем, что строгих аналитических выражений, связывающих величины коэффициентов с геометрическими размерами этих тел,не существует. Подобные тела, приобретая во внешнем однородном поле неоднородную намагниченность, харак
Рис. 7. Предельные гистерезисные петли и средние кривые намагничивания вещества (/) и тела (2).
теризуются в различных точках тела
различными значениями размагничивающего поля. Поэтому при
менительно к таким телам можно говорить лишь о некоторых усредненных для данного участка или всего сердечника в целом коэффициентах размагничивания.
Коэффициенты размагничивания сердечников неэллипсоидальной формы обычно находят по таблицам либо вычисляют по эмпирическим формулам. При этом различают коэффициенты размагничивания для центрального сечения сердечника, так называемые центральные или баллистические коэффициенты размагничивания, и усредненные коэффициенты размагничивания. Усредненные коэффициенты в свою очередь разделяются на дроссельные (усреднение на участке, меньшем длины сердечника) и магнитометрические (усреднение вдоль всего сердечника). И с теми, и с другими коэффициентами приходится иметь дело, поскольку первичные и вторичные обмотки феррозонда, как правило, распределены вдоль сердечников на разной длине.
Коэффициенты размагничивания сердечников неэллипсоидальной формы зависят также от величины проницаемости вещества. Это объясняется тем, что последняя влияет на характер распределения намагниченности вдоль сердечников. Коэффициенты растут по мере увеличения проницаемости вещества, однако при Ур, > 1 достигают некоторого определенного значения NM. Так как
2*
19
соотношение TVp, 1 обычно выполняется, то в дальнейшем будем говорить только о предельных значениях центрального или усредненного коэффициентов размагничивания, опуская в обозначениях индекс оо.
Табл. 1, заимствованная нами из работы [2], дает представление о различии коэффициентов размагничивания сердечников эллипсоидальной и цилиндрической формы в широком диапазоне изменения X, причем подXцилиндра понимается отношение длины к диаметру.
Таблица t
л a/b = l/d 10 20 30 50 60 80 102 6-102 103 101 105
N /N JV3/ цц 1,30 1,25 1,23 1,21 1,21 1,21 1,21 1,19 1,18 1,17 1,16
Из таблицы видно, что центральный коэффициент размагничивания А1Щ всегда меньше коэффициента размагничивания N3 эллипсоида и что при изменении X отношение N3/N^ изменяется крайне монотонно. Аналогичная связь существует и между N3 и А'цп — коэффициентом размагничивания сердечников призматической формы. Это обстоятельство послужило известной основной для поиска эмпирических зависимостей (X) или Л7 (X'), где X' = 1/]ТТ [2—12].
В работе М. А. Розенблата [9] показано, что центральный коэффициент размагничивания сплошных и полых цилиндров, сплошных и наборных стержней прямоугольного сечения, а также эллипсоидов может быть вычислен по формуле
где s — площадь поперечного сечения сердечника (для эллипсоидов в экваторном сечении), I—длина сердечника, б и h — поперечные размеры сердечника и k — коэффициент, зависящий от формы сердечника (табл. 2).
Нетрудно заметить, что для эллипсоида вращения (k = 4, I = 2а и б + h — 2b) формула (33) совпадает с (32), т. е. (32) становится частным случаем более общей формулы (33). Для цилиндра (й = 2,4 и б = h = d) из (33) имеем:
(34)
С учетом того, что для подавляющего большинства призматических сердечников, используемых в феррозондах, можно принять In kll(8 h) % 5 [13], получаем упрощенную формулу
Л/цп%5,2-^-,
(35)
20
которая совпадает с формулой, полученной в [4]. Заметим, что формула (35) пригодна лишь для прикидочных расчетов. Для более точных расчетов следует пользоваться формулой (33).
Пользуясь центральными коэффициентами размагничивания, с учетом (23), (31) и ранее сделанных допущений, находим центральное значение индукции в сердечниках:
= (36)
В сердечниках неэллипсоидальной формы ляется наибольшим из всех других значений по длине сердечника (рис. 8).
Как показал М. А. Розенблат а) [9, 15], закон распределения ин- ।
дукции вдоль сердечников не- I
эллипсоидальной формы с доста- ]________
точной для практики точностью -х -1/2 описывается формулой ------
значения Вц яв-индукции, взятых
Вц
+ 1/2+х
Вх= Вц(1-С^), (37) где Вх — значение магнитной индукции в сечении, расположенном на расстоянии х от центрального сечения (рис. 8) и С— некоторый постоянный коэффициент, зависящий от формы сердечника (табл. 2).
С учетом (33) и (36) получено:
Рис. 8. Распределение магнитной индукции вдоль эллипсоидального (а) и неэллипсоидального (б) сердечников.
1 f
®ср = ~ I Bxdx =
х2 — Л-1 J
nl С1 ~ "зТГ (Х1 + Х1Х2 + 1
- 4 /, kl-----НоЯ =
4sVn^+T-1)
(38)
где Wу — усредненный коэффициент размагничивания сердечника и (х2 — xj — участок усреднения, обычно занимаемый какой-либо обмоткой. Отсюда
(39)
21
Если участок усреднения расположен симметрично относительно центрального сечения сердечника (хх = —х2), то
/ /7 С t<2 \ ’ я --у
где \lw = х2 — хг — длина участка усреднения или размещенной на нем обмотки.
Значения коэффициентов k и С приведены в табл. 2. [151.
Таблица 2
Форма сердечника k С
Эллипсоид 4 0
Стержень прямоугольного сечения 3,6 0,75
Цилиндр 2,4 0,8—0,85
Формула (40) носит универсальный характер. Она пригодна для расчета коэффициентов размагничивания сердечников эллипсоидальной, цилиндрической и призматической форм. Пользуясь ею, можно вычислить как дроссельные (lw <Z 1), так и магнитометрические (1Ш = /) коэффициенты размагничивания. Некоторым недостатком формулы может служить лишь наличие в ней табличных коэффициентов k и С. Однако более поздние попытки замены этих коэффициентов зависимостями, базирующимися на различных, иногда весьма обнадеживающих физических трактовках [11, 12], пока не привели к повышению точности вычислений.
Пользуясь формулой (40) и выражением (30), можно определить условия, при которых проницаемость сердечников ц* оказывается стабилизированной. Далее в соответствии с (31) легко определить и саму величину ц*: при Дур, > 1 проницаемость ц* = 1/ЛД.
3. Два основных режима работы
В предыдущем параграфе было показано, что ферромагнитные сердечники вытянутой формы намагничиваются во внешнем поле под действием составляющих, которые совпадают с их продольными осями. В слабых полях индукции в сердечниках оказываются
пропорциональными напряженностями этих составляющих.
Располагая тремя идентичными сердечниками и ориентируя их в слабом поле таким образом, чтобы продольные оси сердечников образовали прямоугольную систему координат х, у, z, в соответствии с (27) получим:
Вх = ц,0[1*Нх, By = рор*7Д. Вг = цор*//г, ,
(41)
22
где Нх, Ну, Нг— компоненты вектора Н внешнего поля. Если величина р* известна и найден способ измерения значений Вх, Bv, Bz, то по этим данным легко определить и значения компонент Нх, Ну, Нг.
В сильных полях связь между индукцией в сердечнике и соответствующей компонентой напряженности внешнего поля усложняется. Эта связь становится нелинейной, поскольку проницаемость сердечника также оказывается зависимой от напряженности поля.
Формально для случая сильных полей взамен (41) можно записать:
Bz(^) = pop*(tf,)^, (42)
где i = х, у, z — индекс соответствующей компоненты внешнего поля. Однако по существу функция р* (Н) может быть найдена лишь в том случае, если известна функция В (Н).
Представив функцию В (Я) в виде однозначной зависимости, изображенной на рис. 7 штриховой линией и называемой средней кривой намагничивания сердечника, можно найти зависимость р* (Я), которая примет вид, показанный на рис. 9 (кривая /). Заметим, что зависимость р* (Я) является четной функцией, так как
р*(Я) = р*(— Я).
Видно также, что наибольшее значение р* имеет тогда, когда Я —0, т. е. в слабых полях. С увеличением поля Я величина р* уменьшается.
Как отмечалось в § 1, на сердечники феррозонда действует совокупность полей, причем по крайней мере одно из них является переменным. Если сердечники характеризуются нелинейными свойствами, то проницаемость для постоянных и переменных полей оказывается различной.
Выше, при описании магнитного состояния сердечников в постоянных полях мы пользовались нормальной проницаемостью: рор* = BIH.
Описывая магнитное состояние сердечников в переменных полях, следует пользоваться дифференциальной проницаемостью рорд = dB/dH.
Из (42) следует, что индукция в сердечнике является функцией двух переменных р* и Я. Поэтому [2]
1 dB _d (ц*В) * , „ dp*
p0 ' dfi ~ dH ~ -dH‘
(43)
Отсюда нетрудно заключить, что рд = р* только тогда, когда Я = 0 или dyS'ldH = 0. Во всех других случаях рд =)= р*.
Имея кривую р* (Я) и пользуясь выражением (43), можно путем графического построения производной dp*ldH (касатель
23
ная FG, см. рис. 9) и проведением из начала координат прямой, ей параллельной (отрезок ОР), получить величину Hd\i*!dH (отрезок DE). Вычитая эту величину от ординаты кривой ц* (Я), находим значение (отрезок СО). Ряд значений цд, взятых вдоль абсциссы, и образует зависимость р* (Я) (кривая 2).
Очевидно, что зависимость рд (Я) также является четной. В то же время она характеризуется гораздо большей нелинейностью,
чем зависимость р* (Я). Совпала
Рис. 9. Зависимость нормальной (/) и дифференциальной (2) проницаемости сердечника от напряженности поля.
я с нормальной проницаемостью в области слабых полей, дифференциальная проницаемость резко падает при насыщении сердечника, оказываясь в сотни раз меньше нормальной.
В § 1 отмечалось, что благодаря нелинейности в составе индукций, кроме составляющих, пропорциональных сумме измеряемого и вспомогательных полей, появляются составляющие, пропорциональные произведению этих полей. Эти составляющие могут быть названы мультипликативными Они то и от-
ветственны за возникновение полезной э. д. с. в феррозонде, см. выражения (4), (5), (6).
Наличие мультипликативных составляющих индукции само по себе еще не указывает на вид используемой нелинейной зависимости. В общем случае ею может быть как ц* (Я), так и рд (Я). Для того чтобы знать, какая из зависимостей используется в каждом конкретном случае, необходимо располагать сведениями о взаимной направленности полей.
Если измеряемое и вспомогательное поля параллельны, то одно из них, меньшее по величине, может рассматриваться как приращение другого. В случае безгистерезисных аппроксимаций функцию разлагают в ряд Тейлора:
В (Н + ЛЯ) = f (Я) + £ Mi /<"> (Я), п=\
(44)
где п — порядок производной. При достаточно малых значениях А Я имеем
АВ = В(Я + ДЯ) —В(Я) = ^-ДЯ = рордАЯ, (45)
1 От латинского multiplicatio — умножение.
24
т. е. приращения индукции, обусловленные действием поля ЛЯ, оказываются пропорциональными величине рд. Поскольку величина рд также является функцией поля, выражение (45) можно переписать в виде:
АВ (Я кН) = роРд (Я) АЯ. (46)
Если измеряемое и вспомогательные поля взаимно перпендикулярны, то функция В || (Н и + Hj.) не может быть исследована с помощью разложения в ряд (44). В то же время исследовать эту функцию можно очень просто. Предположим, что Иц —слабое постоянное поле, а поле Н± = 0. Тогда в соответствии с (27) имеем:
В ii = РоР*Я||.
Ясно, что при наложении поперечного поля (Н± =г 0) индукция В|, может измениться только за счет воздействия этого поля на проницаемость р*. Следовательно, можно записать
В||(Я„,Я±) = рор*(Я±)Я||. (47)
Сравнивая выражения (46) и (47), видим, что в одном случае используется зависимость рд (Я), в другом — р* (Я). Эти случаи характерны для феррозондов с продольным и поперечным возбуждением соответственно. В главе второй будет показано, что различие зависимостей рд (Я) и р* (Я) в свою очередь приводит к различию параметров и характеристик этих типов феррозондов.
Однако независимо от выбранного способа возбуждения и действующей проницаемости различают два основных режима работы феррозонда. Рассмотрим особенности обоих режимов на примере работы феррозонда с продольным возбуждением.
Из (45) и (46) следует, что одно из полей (АЯ) должно быть во много раз меньше другого (Я), однако неясно, какое именно — вспомогательное или измеряемое. Если сохранить обозначения для измеряемого и вспомогательных полей, данные в § 1, то практически целесообразными оказываются следующие условия: 1) Hi < Я.2 + Яо и 2) Яо < Я!, Я2 = 0, которые и лежат в основе двух режимов работы феррозонда.
Режим первый {Hi < Я2 + Яо). В этом режиме по цепи возбуждения феррозонда протекает слабый переменный и достаточно сильный постоянный ток. Переменный ток образует поле Hr = Нт sin a>t, которое настолько мало, что не оказывает или почти не оказывает влияния на величину дифференциальной проницаемости сердечников рд. Напротив, постоянный ток создает поле Я 2, которое может изменить величину рд. Обычно поле Я 2 выбирают таким, чтобы рабочие точки сердечников оказались на участках наибольшей крутизны функции рд (Я). На рис. 10, где изображена правая ветвь функции цд (Я), такой точкой является точка А. Измеряемое поле Яо, алгебраически суммируясь с
25
полем Н2, Перемещает рабочую Точку на участке ОЁ. Если принять значение дифференциальной проницаемости в точке А за номинальное, то при положительных значениях измеряемого поля Но проницаемость будет уменьшаться, а при отрицательных — увеличиваться. Эффективность управления проницаемостью зависит от крутизны функции (Я) в точке А (касательная FG). Если бы поле Н 2 оказалось слабым и рабочая точка переместилась из А в С, то поле Но не смогло бы эффективно управлять проницаемо-
стью Цд.
Н a)t, Qt
Рис. 10. К выявлению особенностей первого режима работы феррозонда
o)t,Qt ' (Нт < ^2 + Но).
Найдем выражение для выходной э. д. с. дифференциального феррозонда (рис. 1) в рассматриваемом режиме работы.
Пусть Но = 0. Тогда, с учетом идентичности и встречного включения первичных обмоток феррозонда, в соответствии с (44) имеем:
В = В (Н2 + Hj) = p-о [и ^2 Р-д Hi ,
„ г „ я-,
В" = В(-Я2-Я1) = р0 [-Р я2-Иля1 + ^.-А],
где одним и двумя штрихами помечены магнитные величины первого и второго сердечников феррозонда соответственно. Если сердечники также идентичны, то В' = —В" и выходная э. д. с. феррозонда в соответствии с (2) равна нулю.
Теперь пусть Я) ¥=0. Если Я0<Я2, то по аналогии с (48) имеем:
В = В [(Яг Яо) + Яг] — Цо р- (Я2 Яо) р-д Я1 —
d Т Bq) 2
В" = В [(- Я2 + Яо) - Hi] = Ро - р "(Я2 - Яо) -
(49)
*" 4-4 ’ В?
__ и J_________‘ А___ __
d(H2 — Hl) ' 2
26
Первые члены в правых частях этих выражений суть постоянные составляющие индукции. Их можно опустить, поскольку первая производная по времени от этих составляющих равна нулю. Третьи члены не только малы (Н± < Н2 + Но), но в первом приближении равны по своим абсолютным значениям (Но <(Н2). Их алгебраической суммой можно пренебречь. Следовательно, необходимо учесть лишь вторые члены. Отсюда суммарная индукция
в' + в" = Ро (рд — Рд ) Н. (50)
Принимая во внимание, что рд = ср (Н2, Но), вновь воспользовавшись выражением (44) и полагая, что поле Но достаточно мало по сравнению с полем Н2, получим взамен (50):
В' + В" = 2р0^ВД. (51)
Выходная э. д. с. феррозонда в соответствии с (2) и (51), а также с учетом того, что = Нт sin at, будет
d *
е = —2w cos йС (52)
ап 2
Справедливость полученного выражения может быть доказана ^Рд
следующим образом. Очевидно, что величина р0 есть не что ал 2
иное, как вторая производная от индукции по напряженности поля Н 2, т. е.
<Фд _ уРВ
АН, - dH2 ‘
Взяв вторую производную от функции (3)
d2B dHl
ььн2
и подставив ее значение в (52), получим
е— — 12<» $-ш2Н2НйНт cos at.
Это выражение точно совпадает с соответствующей частью выражения (8). Очевидно, что в отличие от (8), формула (52) носит более общий характер.
Сущность описанных процессов сводится к следующему. Измеряемое поле Но, алгебраически суммируясь с полем Н2, направленным в объеме первого сердечника в одну сторону и в объеме второго — в противоположную, уменьшает дифференциальную проницаемость в одном из сердечников и увеличивает ее в другом. Из-за различия проницаемостей сердечников баланс индукций, обусловленных действием переменных полей Н[ = Нт sin at и Н\ = —Hmsm at, нарушается. В результате этого во вторичной
27
обмотке феррозонда появляется э. д. с., пропорциональная величине разбаланса, а следовательно, и величине измеряемого поля.
Эти процессы весьма схожи с теми, которые протекают в некоторых видах магнитных усилителей [14, 15], а также в других, немагнитных преобразователях (модуляторах) балансного типа [16].
Феррозонды, работающие в рассматриваемом режиме, равно как и их прототипы, характеризуются нелинейной функцией преобразования. Это следует из формулы (52) и рис. 10. Действительно, формула (52) получена в предположении, что поле Но достаточно мало по сравнению с полем Имеющийся в формуле коэффициент р,0 d[iRldH2 суть тангенс угла наклона касательной FG в точке А-Видно, что зависимость ря (Я) совпадает с этой прямой лишь в окрестностях точки А. В точках же D и Е наблюдается значительное отклонение зависимости р,д (Я) от прямой FG. Поэтому, например, при синусоидальном изменении измеряемого поля Н0 = Нта sin Ш с амплитудой, достаточной для периодического перемещения рабочей точки из D в Е и обратно, мы не получим синусоидального изменения функции рд (Ш), причем амплитуда периодической функции пд (Ш) окажется меньше ожидаемой синусоидальной.
Нелинейность функции преобразования не является серьезным недостатком рассматриваемого режима работы и с ним можно было бы мириться, если бы рассматриваемому режиму не были свойственны другие, более существенные недостатки (см. § 1, 6).
К преимуществам рассмотренного режима работы феррозонда можно отнести лишь малую потребляемую мощность по переменному току.
Режим второй (Но < НН.> = 0). В этом режиме работы по цепи возбуждения феррозонда протекает только переменный ток. Амплитуда этого тока такова, что создаваемое им поле Н± — = Нт sin at периодически доводит сердечники до состояния магнитного насыщения. Напротив, измеряемое поле Но настолько мало, что наличие его существенно не меняет общей картины перемагничивания сердечников.
Измеряемое поле Но алгебраически суммируется в объеме каждого сердечника в полем Н1 (см. рис. 1). Если первичные обмотки и сердечники феррозонда идентичны, то в соответствии с (44) имеем:
В — В (/7j -|- Но) — р0 р, Е^ + цдЯ0
du*„
В" = В (- + Яо) = Ио
Отсюда
2 ’
_i „'и i яо
И “1 "Г РдВ о । rfjjr ' 2
(53)
В + В ==
(54)
28
При Но = const с учетом (54) и (2) получим:
*
(Ш-
е = — 2swH0p.0-jf. (55)
Справедливость выражения (55), по крайней мере с качественной стороны, очевидна. Действительно, э. д. с. во вторичной обмотке идеально сбалансированного феррозонда при Но = const может возникнуть только за счет изменения во времени дифференциальной проницаемости сердечников. Однако выражение (55) правильно отражает и количественные соотношения.
Величина есть не что иное, как первая производная от индукции по напряженности поля, в данном случае поля Н Взяв первую производную от (3)
= а + ЗЬН\ = а + 4- ЬН\ — 4- ЬН2т cos 2at ап1 Z
и подставив ее значение в (55), получим:
е = 6absw2H0H2m sin 2о)С
Это выражение точно совпадает с ранее полученным выражением (6).
Нетрудно видеть, что в отличие от (6), выражение (55) носит более общий характер. Оно пригодно для анализа и расчетов независимо от вида безгистерезисной аппроксимации В (Я) [4, 10, 15, 17—20] Е
Сущность работы феррозонда в данном режиме ясна из рис. 11. Если Нт > Hs, где Hs — поле насыщения сердечников, то величина р* периодически изменяется от максимального (при Нг — 0) до минимального (при Нг = Нт) значений. Эти изменения происходят с удвоенной частотой, так как р* (Я) = р* (—Я).
Изменяющаяся во времени проницаемость при наличии постоянного поля Яо приводит к пульсирующей индукции. Пульсации индукции происходят также с удвоенной частотой, причем амплитуда пульсаций пропорциональна напряженности поля Яо. Эти пульсации и вызывают появление во вторичной обмотке феррозонда э. д. с. е (Яо) удвоенной частоты.
Из (55) следует, что э. д. с. е (Яо) при прочих равных условиях пропорциональна скорости изменения проницаемости р*. Однако на участке оЯ = 0-:—(рис. И), что соответствует изменению от максимального до минимального значений, эта скорость непостоянная. При 0 и оЯ ~ л/2 скорость изменения р* стремится к нулю; при оЯ =ь О эта скорость достигает максимального значения. По этой причине форма э. д. с. е (Яо) даже при наличии
1 Необоснованные сомнения в справедливости выражения (55) высказаны в работе [21 ].
29
слабого поля Но, как правило, отлична от синусоидальной и имеет вид острых пиков.
Несинусоидальная форма выходной э. д. с. при синусоидальном поле возбуждения характерна для данного режима работы феррозонда [напомним, что в ранее рассмотренном, первом режиме работы выходная э. д. с. имела синусоидальную форму — см. выражение (52)]. При несинусоидальной форме выходной э. д. с.
d|Xg
функцию-^- (at) можно связать по крайней мере с тремя пара-
Рис. 11. К выявлению особенностей второго режима работы феррозонда
(Но « Н2 = 0).
метрами э. д. с. — с ее средним значением, пиковым значением и амплитудным значением четных гармоник.
Учитывая, что максимальное значение р.* имеет место при at = = 0, а минимальное — при al = п/2, для среднего значения выходной э. д. с. из (55) находим [10, 15):
лс
Е =
^ср —
2
j* е dat о
(osw^H^Iq (р,д
макс Ндмин). (56)
Поскольку обычно р.* макс р* мин, то из (56) вытекает весьма важный вывод: среднее значение выходной э. д. с. феррозонда однозначно определяется максимальным значением дифференциальной проницаемости сердечников и не зависит ни от вида характеристики р* (Я), ни от закона изменения напряженности поля возбуждения, 30
Для получения пикового значения выходной э. д. с. при сйн\ -соидальном поле возбуждения представим функцию d\i/dt в виде
<57>
Очевидно, что максимальное значение функции dp/dt будет иметь место при значении at, близком к 0 (см. рис. И), где
0 = arcsln—~~ (58)
Пщ
угол насыщения сердечников. Из (55) с учетом (57) и (58) находим пиковое значение выходной э. д. с.:
= 2(05И2/70ц0 -,Д-1 7/mcos0. (59)
\ “1 / макс
В перевозбужденном режиме работы феррозонда, когда Нт > Hs, 0 —> 0 и взамен (59) можно записать
Еп 2asw2H0Hm]i0 \-j^} • (60)
Это выражение совпадает с полученным в работе [10].
Из (59) и (60) следует, что пиковое значение выходной э. д. с. феррозонда выражается через максимальное значение второй производной от индукции по напряженности поля Н±; оно пропорционально также амплитуде этого поля.
Амплитудное значение четных гармоник выходной э. д. с. феррозонда может быть найдено путем предварительного разложения функции ц* (at) в ряд Фурье. Так как функция р* (Я) четная, а функция (со/) нечетная, то р’ (сЯ) будет содержать лишь постоянную составляющую и косинусы четных гармоник [18—20]:
Рд(и/)= рср + S Ц2и. COS 2/мо^, (61)
Л
1 р * 1
где рср = — |1д(о)£)а со/ — среднее значение или постоянная о
составляющая дифференциальной проницаемости; р2л = л
2 Р *
~ | рд И) cos 2nwt dwt — амплитуды четных гармоник диф-
о
ференциальной проницаемости и п = 1, 2, 3. . . — целые числа
(номера четных гармоник).
Подставив (61) в (55), получим:
п
е (at) = 4(и)8®2Я0р0 У, np^ sin 2nat, (62)
п—\
31
т. е. выходная э. д. с. феррозонда будет также содержать сумму четных гармоник.
Выражение (62) весьма удобно: оно позволяет связать амплитуду любой четной гармоники дифференциальной проницаемости как функции времени с амплитудой соответствующей гармоники выходной э. д. с. Действительно, из (62) следует:
Ein = 4ncosay2//0p,0p2„, (63)
где В2„ — амплитудное значение какой-либо четной гармоники э. д. с.
Из трех возможных модификаций выражения (55)—(56), (59) и (63) — последняя имеет наибольшее практическое значение. Измерение амплитуды какой-либо нечетной гармоники выходной э. д. с., в частности второй гармоники, оказалось технически более целесообразным, чем измерение среднего или пикового значения э. д. с. (см. главу четвертую). Формулой (63) мы и воспользуемся в дальнейшем для конкретных расчетов.
Второй режим работы феррозонда имеет ряд преимуществ по сравнению с первым. Основное преимущество — четногармонический спектр сигнала. Как указывалось в § 1, использование (выделение) одной из четных гармоник э. д. с. позволяет улучшить соотношение сигнал/помеха, поскольку помеха, обусловленная разбалансировкой феррозонда, характеризуется во втором режиме нечетногармоническим спектром э. д. с. Другим преимуществом данного режима является обеспечение устойчивости (стабильности) нуля феррозондов, которая обусловлена тем, что при достаточно большой амплитуде поля возбуждения перемагничивание сердечников осуществляется по предельной петле гистерезиса (см. § 6). Наконец, второй режим обеспечивает гораздо больший динамический диапазон, а также более высокую линейность функции преобразования внутри этого диапазона.
Если первый режим работы характеризуется тем, что на проницаемость сердечников воздействует измеряемое поле, в то время как вспомогательное переменное поле используется лишь для снятия информации об этом воздействии, то второй режим работы, напротив, основан на том, что на проницаемость воздействует вспомогательное переменное поле, причем благодаря этому воздействию непосредственно и получают информацию об измеряемом поле. По отношению к измеряемому полю феррозонды, работающие во втором режиме, могут рассматриваться как параметрические устройства. О правомерности этой последней трактовки следует сказать несколько слов.
В работах [22—24] указаны условия, при которых нелинейная цепь может быть заменена эквивалентной параметрической цепью. Эти условия могут быть соблюдены в дифференциальном феррозонде. Смысл параметрической трактовки заключается в том, что нелинейная функциональная связь вида (46) заменяется линейной
АВ (/) = р.0|4(/) А/7,
32
Где f — время и ЛЯ = Но. Естественно, что такая замена возможна при Нт = const и Но < Нп, т. е. только для второго режима работы феррозонда. По существу параметрическая трактовка содержится уже в выражении (55), хотя наиболее отчетливо она выступает в (62) Ч
Еще более правомерна параметрическая трактовка для феррозондов с поперечным возбуждением. Действительно, для второго режима работы с учетом (47) и при Нт1 = const можно сразу записать:
ВII (0 = РоР*(ОЯ||, (64)
где 77 ц = Яо- Отсюда
е = — , (65)
т. е. получаем выражение, аналогичное выражению (55). Различие между ними состоит лишь в том, что в (65) р* — нормальная проницаемость, в то время как в (55) цд—дифференциальная проницаемость.
К преимуществам параметрической трактовки можно отнести:
а) возможность единого подхода к рассмотрению и изучению процессов, протекающих в феррозондах с продольным и поперечным возбуждением, что и использовано в работах [25, 26];
б) физическую наглядность получаемых выражений и формул, а также адекватность рассмотрения некоторых явлений, обусловленных реакцией нагрузки (параметрический резонанс и прочее);
в) простоту выкладок.
К сожалению, пользуясь только одной параметрической трактовкой, нельзя получить общее выражение для суммарной э. д. с. по типу (И) и (12). Однако в этом нет и особой необходимости. Как указывалось в § 1, величина помехи, обусловленная неиден-тичностью сердечников и обмоток дифференциального феррозонда, носит в общем случае случайный характер. Она во многом зависит от технологии изготовления феррозонда, а поэтому нуждается в конкретной оценке, которая, в силу аддитивности сигнала и помехи, может быть проведена независимо от выбранной трактовки возникновения полезной э. д. с. Разумеется, это в полной мере относится и к феррозондам с поперечным возбуждением, хотя механизм возникновения помехи в них иной.
Условие Яо<^( Нт, положенное в основу параметрической трактовки, практически также не является ограничительным. В современных магнитометрах и других устройствах феррозонды работают, как правило, в режиме нуль-индикатора (см. главу пятую). Поэтому указанное условие почти всегда выполнимо.
1 В перевозбужденном режиме (Нт^> Hs) работа феррозонда может быть уподоблена работе ключа, периодически разрывающего магнитную цепь для измеряемого поля. В этом отношении параметрическую природу феррозонда удачно характеризует английский термин «Flux-Gate» — «калитка для потока».
3 Ю. Б. Афанасьев 33
Итак, параметрическая трактовка может быть использована для описания второго режима работы феррозондов. Она присуща этому режиму.
Заметим, что параметрическая трактовка распространяется и на случай, когда Н 2 0, если суммарная напряженность поля
Hi + Н2 не изменяет своего знака. Это обеспечивается либо за счет того, что Н 2 > Нт, либо благодаря включению в цепь возбуждения вентиля (полупроводникового диода), подавляющего один полупериод переменного тока [15, 27]. Основной частотой периодической функции ря (/), а следовательно, и полезной э. д. с. при этом становится уже не вторая, а первая гармоника. Однако такой режим работы (Но < Ни Н2 4= 0) мы сознательно исключили из рассмотрения. Этот режим не имеет заметных преимуществ по сравнению с первым режимом и при одинаковой затрате мощности по переменному току явно уступает второму режиму.
Таким образом, рассмотренные нами первый и второй режимы работы феррозонда являются, по-видимому, единственно противопоставляемыми.
Это противопоставление позволяет выявить специфические особенности каждого режима работы, одновременно отражая одну из тенденций современной технической физики — разграничение нелинейных и параметрических процессов и явлений.
4. Историческая справка
Феррозонды были изобретены в начале 30-х годов нашего столетия в связи с поиском методов и средств, пригодных для производства магнитных измерений в движении.
Наиболее распространенные в то время механические магнитометры, основанные на взаимодействии магнитной стрелки с измеряемым полем и некоторой мерой, воспроизводимой с помощью магнитов, гравитационных рычагов и закрученных нитей [28—31 ], обеспечивающие высокую точность измерений в стационарных условиях, по вполне понятным причинам не могли быть использованы для точных измерений в движении, хотя попытки приспособить их, например, для морской съемки предпринимались неоднократно [32]. Сконструированные на базе механических магнитометров специальные приборы также не дали желаемых результатов [33—37]. Классический метод, составивший эпоху в истории магнитометрии, оказался неприемлемым для решения новых задач.
К тому времени все большее и большее внимание начинает уделяться индукционным методам и приборам [38—42].
В 1934 г. А. А. Логачевым предложен первый в мире индукционный аэромагнитометр [43—45]. Чувствительным элементом или датчиком аэромагнитометра был индуктор — многовитковая рамка, вращающаяся с постоянной скоростью. Прибор выпускался серийно заводом «Геологоразведка» под шифром АМ-9Л. В 1936 г. был произведен первый опытный полет, положивший начало 34
аэромагнитной съемке — наиболее эффективному методу магниторазведки, получившему вскоре всемирное признание. Аэромагнитометр АМ-9Л с успехом применялся до тех пор, пока не был вытеснен более совершенными феррозондовыми аэромагнитометрами.
В ряде отечественных и зарубежных работ изобретение феррозондов связывают с именами немецких ученых Ашенбреннера и Губо [46] х.
Феррозонд Ашенбреннера и Губо, называемый_ими «намагничиваемой системой», состоял из кольцевого сердечника, выполненного из железной, «цветочной» проволоки диаметром 0,2 мм, изолированной шеллаком, и обмоток, нанесенных поверх сердечника. Первичная обмотка наматывалась непосредственно на сердечник,
вторичная — размещалась на спе^
циальном каркасе, надеваемом на сердечник (рис. 12, а). В первичную обмотку подавался переменный ток частоты /=500 гц. Вторичная обмотка с помощью конденсатора С настраивалась в резонанс наудвоенную частоту 2/=1000 гц. Амплитуда э. д. с. удвоенной частоты была пропорциональна измеряемой компоненте поля, дей-; ствующей в направлении ММ,
Рис. 12. Феррозонд (а) и схема (б) магнитометра Ашенбреннера и Губо.
т. е. по нормали к плоскости витков вторичной обмотки.
Схема магнитометра Ашенбреннера и Губо изображена на
1 — кольцевой феррозонд; 2 — геиера-тор; 3 — избирательный усилитель: 4 —детектор (не синхронный); 5—усилитель постоянного тока; 6 — регистрирующий прибор.
рис. 12, б. Магнитометр предназначался для измерения коротко-периодных магнитных возмущений (t = 10 мин-±-1/20 сек), об
условленных ионосферными явлениями. Постоянная часть гео-
магнитного поля уравновешивалась с помощью магнита, размещаемого вблизи феррозонда.
В магнитометре Ашенбреннера и Губо феррозонд работал во втором режиме. Однако амплитуда поля возбуждения была, по-видимому, меньшей, чем это требовалось для стабильной работы феррозонда. Авторы указывают на наблюдаемое ими явление магнитного последействия (медленное смещение нуля после крат->повременного воздействия на феррозонд сильного поля), а также
1 Иногда упоминается имя Ротзипера [47, 48], а также другие имена [49].
з* 35
на сильную зависимость ухода нуля от колебаний тока возбуждения. Недостаточная устойчивость нуля послужила, по-видимому, основной причиной акцента на применимости прибора для измерения короткопериодных магнитных возбуждений.
Касаясь принципа действия прибора, Ашенбреннер и Губо правильно отметили, что по отношению к измеряемому полю кольцевой сердечник является разомкнутым и как бы состоящим из двух отдельных сердечников. Они привели, как аналогичную опробованной, схему феррозонда, состоящего из двух прямых сердечников, и указали на необходимость учета коэффициентов размагничивания сердечников при более точных расчетах. Вос-
пользовавшись аппроксимацией вида (3) и получив выражение (6), авторы дали по существу правильное, хотя всего лишь феноменологическое описание работы феррозонда. На базе такого описания нельзя было провести теоретический анализ работы феррозонда, а также определить его
Рис. 13. Магнитометр П. А. Ха-лилеева.
/ — стержневой феррозонд; 2—подстроечный конденсатор; 3 — вентиль; 4 — генератор, 5, 6 — фильтрующая RC цепь, 7 — регистрирующий прибор.
оптимальные параметры.
Феррозонды Ашенбреннера и Губо были усовершенствованы Ферстером [4,48], который взамен кольцевого
сердечника использовал два разделенных друг от друга стержневых сердечника. Ферстер применил стержневые феррозонды для испытаний магнитных материалов, а также создал приборы иного назначения, в том числе для измерения разности полей в двух различных точках (градиентометры). Работы Ферстера не были опубликованы.
Независимо от Ферстера и примерно в то же время стержневые феррозонды были предложены П. А. Халилеевым [32, 44]. Феррозонд П. А. Халилеева содержал один сердечник и одну обмотку, которая одновременно являлась обмоткой возбуждения и выходной обмоткой. Феррозонд сопрягался с весьма простой схемой (рис. 13). В начале Великой Отечественной войны более совершенные магнитометры П. А. Халилеева были выпущены для магниторазведочных работ.
Ретроспективно, главным образом в свете исследований Г. С. Горелика [50], можно указать также на работы Гаррисона [51—53]. Гаррисон обратил внимание на зависимость импеданса ферромагнитной проволоки, по которой пропускали слабый переменный ток, от воздействующего на нее в продольном направлении внешнего постоянного поля. Было установлено, что наблюдаемый эффект по порядку величины сильнее, чем магниторезистивный эффект (изменение омического сопротивления цепи под воздействием перпендикулярно направленного к ней магнитного поля [54]). По существу Гаррисон имел дело с феррозондами, возбуждаемыми слабым поперечным полем, требующими подмаг
36
ничивания постоянным продольным полем, т. е. работающими в первом режиме. Представление об особенностях магнитометра Гаррисона и трудностях его балансировки дает схема, изображенная на рис. 14.
В 1944 г. группой сотрудников Горьковского физико-технического института (Г. С. Горелик, И. Л. Берштейн, К- А. Горо-нина и И. С. Жукова) был предложен феррозонд с поперечным возбуждением, выходной сигнал которого имел удвоенную частоту [50, 55—58]. Механизм возникновения выходного сигнала
Рис. 14. Чувствительная система магнитометра Гар-
рисона.
1 — источник тока смещения, 2 — отрезки ферромагнитной проволоки; 3 — трансформаторы; 4 — балансировочное сопротивление; 5 — балансировочная индуктивность; 6 — генератор; 7 — балансировочный потенциометр; 8 — выходные клеммы.
не был тривиальным. Авторы установили факт зависимости продольной компоненты индукции, вызванной измеряемым полем, от величины поперечного поля. Это был эффект обратный тому, который наблюдал Гаррисон. Авторы не только обнаружили этот обратный эффект, но и физически правильно объяснили его. В свете их объяснений становился более ясным и прямой эффект. Обратный эффект характеризовался иными количественными соотношениями, которые соответствовали второму режиму работы феррозонда.
Феррозонд горьковчан и сопрягаемые с ним элементы измерительной схемы изображены на рис. 15.
К сожалению, из-за трудностей военного и послевоенного периодов промышленное освоение магнитометров горьковчан затянулось у нас на многие годы. Первые сообщения о внедрении этих приборов поступили из-за рубежа [59, 60].
Весьма интенсивное развитие феррозондовые магнитометры получили в США. Незадолго до второй мировой войны Вакье [49,
37
61, 62] привлек внимание американских ученых и специалистов к немецким магнитометрам. Имелся в виду, по-видимому, прежде всего прибор Ашенбреннера и Губо. Американцы повысили чувствительность магнитометра и изобрели способ автоматической ориентации феррозонда по направлению вектора геомагнитного поля. Однако первые публикации об этих работах появились лишь в 1946—1947 гг. [61—68].
Вслед за Советским Союзом, где впервые был разработан и внедрен метод аэромагнитной съемки, в США также развивают этот метод, но на основе использования феррозондов. Во время войны
Рис. 15. Магнитометр, предложенный группой сотрудников Горьковского физико-технического института.
1 — проволочный феррозонд; 2 — избирательный усилитель; 3 — генератор; 4 — детектор; 5 — регистрирующий прибор.
американцы уже располагали феррозондовым аэромагнитометром, который предназначался для поисков подводных лодок. Позднее на базе этого магнитометра был создан прибор, пригодный и для геофизической разведки.
В своих магнитометрах американские специалисты использовали стержневые феррозонды, работающие, как правило, во втором режиме. Они применяли как двухстержневые, так и одностержневые феррозонды. Некоторое представление о специфике сопряжения этих феррозондов с другими элементами магнитометров дают схемы, изображенные на рис. 16.
Впервые более или менее детальный анализ теоретических основ работы феррозондов дал Фельдткеллер [4], обобщивший данные неопубликованных работ Фёрстера. Фельдткеллер правильно оценил необходимость учета коэффициента размагничивания сердечников и провел четкое различие между проницаемостью вещества, формы и тела, пользуясь при этом известной схемой В. К. Аркадьева [1, 2], хотя и не ссылаясь на нее. Он рассмотрел'возможные режимы'работы и вывел формулы для’приближенных расчетов феррозондов с продольным возбуждением.
Фелч и др. [63], аппроксимируя кривую намагничивания сердечников феррозонда ломаной линией, вычислили амплитуду вто-38
рой гармоники выходной э. д. с. как функцию измеряемого поля и поля возбуждения. Полученные величины оказались достаточно близкими к наблюдаемым на практике. Авторы экспериментально установили также некоторые закономерности, характеризующие связь между уровнем шумов феррозонда и выбранным режимом его работы.
Вопросам балансировки (уравновешивания) дифференциальных феррозондов посвящена работа Вурма [48]. Вопросам при
менимости феррозондов в различных областях измерительной техники были посвящены работы [69—80].
Послевоенный^ этап развития феррозондового метода измерения’в Советском Союзе связан с именами М. А. Розенблата, С. Ш. Долгинова, Р. И. Януса и др.
М. А. Розенблат вывел достаточно точную и универсальную формулу [для^ численной оценки коэффициентов размагничивания стержневых ( сердечников разного сечения [см. выражение (40), § 2], а также с учетом работы [63] дал вполне приемлемые формулы для расчета феррозондов [9, 13].
С. Ш. Долгинов про
(V 6
Рис. ^.^Чувствительные системы американских магнитометров.
/ — двухстержневой феррозонд; 2 — шунтирующее сопротивление; 3 — трансформаторы; 4 — балансировочное сопротивление; 5—детектор-усилитель; 6 — одностержневой феррозонд; 7 —балластное сопротивление; 8 — полосовой фильтр на частоту f; 9 — генератор; 10 — полосовой фильтр на частоту 2f.
верил формулу М. А. Розенблата для коэффициента размагничивания на большом количестве сердечников разной длины и сечения, установив ее хорошее соответствие экспериментальным данным, а также, аппроксимируя кривую намагничивания сердечников арктангенсом, вычислил амплитуду второй гармоники выходной э. д. с. и определил другие параметры феррозонда. С. Ш. Долгинов выполнил достаточно подробный обзор-анализ предшествующих работ, подчеркнув перспективность феррозондов с продольным возбуждением, работающих на удвоенной частоте [68],
Р. И. Янус, Л. X. Фридман и В. И. Дрожжина дали общую теорию феррозондов с продольным возбуждением, работающих во втором режиме [10]. Не задаваясь какой-либо конкретной аппрок
39
симацией кривой намагничивания сердечников, пользуясь математическим разложением индукции от суммарного поля в ряд Тейлора и считая измеряемое поле достаточно малым по сравнению с полем возбуждения, авторы получили выражения для среднего и пикового значений, а также для максимальных значений амплитуд четных гармоник выходной э. д. с. феррозонда. В работе даны рекомендации, касающиеся устранения явлений, вызывающих уход нуля феррозондов, в частности, отмечена целесообразность применения сердечников стреловидной формы и сокращения длины измерительной обмотки.
Р. И. Янусом и его сотрудниками предложен также и сам термин «феррозонд», отличающийся лаконичностью и отражающий наиболее существенное в устройстве — наличие в нем ферромагнитного сердечника, намагничиваемого в измеряемом поле. В настоящее время этот термин получил наибольшее распространение х.
Н. Н. Шумиловский и Б. И. Блажкевич установили основные соотношения, пригодные для анализа и расчета дифференциальных феррозондов с продольным возбуждением, работающих в первом режиме [71—73].
В этот же период для нужд геофизической службы были разработаны, а затем выпускались серийно несколько моделей феррозондовых магнитометров.
В. Н. Пономаревым [85, 86] был разработан полевой переносный магнитометр ПМ-3.
Большим коллективом специалистов, возглавляемым Г. С. Смирновым [44, 45], были разработаны аэромагнитометры АЭМ-49 и АСГМ-25. В этих магнитометрах феррозонды работали во втором режиме. Однако выходным сигналом служила не вторая гармоЛгка, а пиковое значение э. д. с., являющееся результатом суперпозиции четных и нечетных гармоник. Необходимый уровень нечетных гармоник э. д. с. на выходе феррозонда обеспечивался за счет его начальной разбалансировки [45, 61, 62].
За последние 10—15 лет на основе упомянутых теоретических работ, а также на базе приобретенного опыта по созданию первых моделей магнитометров, были созданы более совершенные феррозондовые магнитометры геофизического назначения. К ним относятся магнитометр для немагнитной шхуны «Заря», переносный магнитометр М-17, высокочувствительные аэромагнитометры АМ-13 и АММ-13, магнитометр комплексной аэрогеофизической
1 Менее удачны термины «железонасыщенный зонд» и «магнитонасыщенный датчик». Что касается термина «магнитомодуляционный датчик» [13, 82], то, по нашему мнению, его следовало бы сохранить как обобщенное понятие для более широкого класса активных индукционных преобразователей. Кроме феррозондов в число таких преобразователей входят индуктор Барнетта [83], датчик Г. В. Брауде [84] и т. п. Эти последние устройства не содержат ферромагнитных сердечников, хотя в их объеме также осуществляется модуляция магнитного потока.
40
станции АСГ-46, серия магнитометров для космических исследований и т. д. и т. п. В новых магнитометрах феррозонды, как правило, работают во втором режиме, причем полезным сигналом служит вторая гармоника, выделяемая из общего спектра выходной э. д. с. (см. главы четвертую и пятую). Новые магнитометры отличаются высокой чувствительностью и более устойчивым нуль-пунктом.
В создании указанных приборов принимали участие С. Ш. Дол-гинов, Л. Н. Жузгов, ВдН. Михайловский, Р. Я- Беркман, Ю. И. Спектор, И. Г. Гольдреер, Ю. В. Афанасьев, В. Л. Канторович, О. П. Хвостов, Н. С. Матвеев, В. Ф. Ефремов, В. П. Люлик, Л. Г. Кадинская и др. Серийный выпуск приборов освоен заводом «Геологоразведка» МГ СССР.
Краткий обзор по зарубежным феррозондовым магнитометрам геофизического назначения, разработанным в последнее десятилетие, дан в работе [87].
Ссылки на наиболее важные теоретические работы этого же периода будут даны по ходу дальнейшего изложения.
ГЛАВА ВТОРАЯ
ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЕРРОЗОНДОВ
5. Чувствительность
В § 3 были даны общие выражения, связывающие величину полезной э. д. с. с конструктивными параметрами феррозонда и режимом его работы. Теперь надлежит конкретизировать эти выражения и определить оптимальные условия работы для каждого типа феррозонда в отдельности.
С учетом двух способов наложения вспомогательных переменных полей и двух основных режимов работы можно усмотреть по крайней мере четыре типа феррозондов:
1) с продольным возбуждением, работающий в первом режиме;
2) с поперечным возбуждением, работающий в первом режиме;
3) с продольным возбуждением, работающий во втором режиме;
4) с поперечным возбуждением, работающий во втором режиме. Для этих четырех типов мы и определим условия, при которых достигается оптимальная чувствительность. Как и ранее, будем пользоваться безгистерезисными аппроксимациями.
1. В соответствии с (13) и (52) для дифференциального феррозонда первого типа имеем
С, = I Дц I = . (66)
| ап о | ап 2
41
Из этого выражения видно, что чувствительность феррозонда
прямо пропорциональна частоте поля возбуждения, площади
поперечного сечения сердечников, количеству витков вторичной
обмотки, амплитуде поля возбуждения и крутизне характеристики (1* (//) в рабочей точке. В выражение введен также коэффициент £ 1, зависящий от конкретных особенностей феррозонда
(см. главу третью).
Величины со, s, w2 будем считать заданными и в рамках проводимого сопоставления одинаковыми для всех типов феррозондов. В известном смысле заданной можно считать и величину Нт. По условию первого режима работы (Нт < //2 + эта величина должна быть достаточно малой. Во всяком случае влияние ее на чувствительность очевидно. Менее очевидно влияние поля Н2.
Из (66) следует, что при прочих равных условиях чувствитель-
ность феррозонда будет наибольшей, если величина
dH2
ока-
жется максимальной. На рис. 10 это максимальное значение соот-
ветствует точке А (касательная FG). В других точках кривой
(1* (//) значение
^д dH2
будет меньшим, за исключением, разу-
меется, точки А, расположенной на левой ветви четной функции р* (//) симметрично точке А (на рис. 10 не показана).
Значение dy^JdH^ может быть найдено, если известно аналитическое выражение кривой ц* (//) или В (//). Пусть, например, функция В (//) аппроксимирована степенным полиномом [23, 88—90]:
В = аН -ф ЬН3 -ф с№,
(67)
где а, Ъ, с — коэффициенты аппроксимации1. Тогда, взяв вторую производную от функции ц* (//) и приравняв ее значение нулю:
£рд = = 6 (& 10с//2) = 0
dH% dHl
находим оптимальную величину поля Н2:
опт = •
Отсюда
Ио
макс
= 6ЬН2от -ф 20сН% опт = 4Ь У~
dH2 опт Г Wc
1 В отличие от аппроксимации укороченным полиномом (3), данная аппроксимация пригодна не только для качественного описания процессов в ферромагнитных цепях, но и для практических расчетов.
42
Подставив это значение в (66), получим _____
макс = 8ti)SW2Hmlb У . (68)
Коэффициенты аппроксимации функции (67) могут быть найдены, например, по методу, предложенному в работе [89]. Аналогичным путем могут быть получены выражения для оптимальной чувствительности и при других аппроксимациях.
Вид зависимости (щ (Н2), а также схема для экспериментальной проверки этой зависимости даны на рис. 17.
При экспериментальной проверке измеряется амплитуда E1S выходной э. д. с. как функция полей Но, Нт и Н 2. Если Но = const и Нт = const, то
д15(я2) = ад(я2),
т. е. ход зависимости E1S (ff2) повторяет зависимость Gr (Н2). А так как чувствительность пропорциональна производной d^dHz, то, располагая зависимостью Ers (Т/2), мы получаем информацию об истинной кривизне магнитных характеристик сердечников. Эта информация может оказаться полезной для оценки степени приближения аппроксимирующей функции к действительной.
Очевидно, что для оценки чувствительности феррозондов, работающих в первом режиме, пет необходимости аппроксимировать всю кривую намагничивания сердечников. Достаточно аппроксимировать лишь тот участок кривой, в пределах которого перемещается рабочая точка. На рис. 10 эти пределы
соответствуют точкам D и Е. Участок DE в свою очередь соответствует участку с наибольшей кривизной характеристики В (77).
В работе [71] участок С наибольшей кривизны функции В (77) аппроксимирован натуральной показательной функцией. Авторы нашли условия, при которых достигался оптимальный ток смещения феррозонда, а также показали, что при малых значениях тока возбуждения составляющими высших гармоник выходной э. д. с. практически можно пренебречь. Они получили выражение для чувствительности:
Рис. 17. Зависимость чувствительности феррозонда от вспомогательного постоянного поля (а) и схема для экспериментальной проверки этой зависимости (б).
1 — феррозонд; 2 — анализатор гармоник; 3 — милливольтметр анализатора; 4 — разделительный конденсатор; 5 — дроссель;
6 — миллиамперметр; 7 — переменное сопротивление (магазин сопротивлений); 8 — генератор; 9 — источник постоянного тока.
Gi = 2 а1те^ь,
43
где k± — коэффициент при первой гармонике разложения некоторой функции в ряд Фурье, со — круговая частота синусоидального тока возбуждения, 1т — амплитуда этого тока, /0 — величина тока смещения. Входящие в формулу коэффициенты а, с и b определялись экспериментально. Авторы отмечали, что параметр а связан с проницаемостью материала сердечников, их коэффициентом размагничивания и количеством витков вторичной обмотки, а параметры с и b зависят от числа витков первичных обмоток.
Однако с учетом выражения (66) для инженерных расчетов можно получить значительно более простое выражение.
Аппроксимируем рабочий участок функции ц* (//), соответствующий участку наибольшей кривизны характеристики В (//), прямой линией (рис. 18). Очевидно, что на всем протяжении прямой (участок ab) крутизна постоянна и равна
Ф1Д _ т ~ m
— _ tg а - Нь_На 2 _ На) ,
где На и Нь — соответственно значения поля в точках а и Ь, Hs — значение поля, соответствующее оптимальному значению поля Н2, а также совпадающее с точкой наибольшей кривизны характеристики В (//), т = р*макс — максимальное значение дифференциальной проницаемости сердечников (величиной р,*мин пренебрегаем). Если учесть, что
TJ ___ Вд ГТ _____ Bs
11 п - -- и 11 Q - --»
а ii()m Л цот
(69)
то в соответствии с (66) и (69) получим:
Bs — Ba ’
где Ва — индукция, соответствующая начальной точке криволинейного участка функции В (Н), и Bs — индукция насыщения (рис. 18).
Удобство формулы (70) состоит в том, что в ней чувствительность непосредственно связана с максимальной проницаемостью сердечников, зависящей от их формы, и параметрами материала (вещества), которые от формы не зависят. Действительно, при Л/ц > 1 величина т может быть вычислена по формуле (40) с учетом соотношения (31). Что касается значений Вд и Bs, то они могут быть получены из характеристики В (//), снятой на тороидальном образце, изготовленном из того же материала, либо взяты из соответствующих справочников. Из построений типа «релеева сдвига» (рис. 18) следует, что значения Во и Bs не зависят от изменения формы сердечников (характеристики сердечников измененной формы даны в штрихованной системе обозначений).
44
Рис. 18. К аппроксимации функции р.д (Я) ломаной линией.
Заметим, что аппроксимация рабочего участка характеристики р,* (Н) прямой линией эквивалентна аппроксимации соответствующего участка характеристики В (И) параболической зависимостью. Подобные аппроксимирующие зависимости близки к действительным и могут быть использованы не только в прикладных, но и исследовательских целях [91]. В ряде случаев взамен дифференциальных двухстержневых феррозондов используют одностержневые, а в качестве выходного параметра выбирают не амплитуду первой гармоники напряжения, действующего в выходной цепи.
На рис. 19, а приведена схема магнитометра с частотным выходом. Одностержневой феррозонд / подключен к широкополосному усилителю 3 таким образом, что образуется схема генератора с индуктивной обратной связью. Колебательным контуром генератора является одна из обмоток феррозонда, к которой подключен конденсатор С±.
В отсутствие измеряемого поля величина индуктивности, а следовательно, и резонансная частота генератора соответствуют некоторому минимальному значению. При наличии измеряемого поля индуктивность обмотки получает приращение, приводящее в свою очередь к изменению частоты генератора. Дру
гая обмотка феррозонда предназначена для подачи тока обратной связи (через делитель напряжения Д2Д3 и разделительный конденсатор С2) и тока смещения (поступающего от источника 2 через сопротивление Приращения частоты могут быть зарегистрированы с помощью частотных дискриминаторов (детекторов), счетных схем (частотомеров) и других устройств, широко используемых в системах с частотной модуляцией [92, 93].
Схема магнитометра с фазовым выходом приведена на рис. 19, б. В этой схеме феррозонд 1 содержит всего лишь одну обмотку, которая последовательно с разделительным конденсатором С2 и сопротивлением Т?4 включена в цепь генератора 4. В эту же обмотку от источника 2 поступает и ток смещения. В отсутствие измеряемого поля между напряжением и током в цепи имеет место некоторая номинальная разность фаз <рном = = arc tg —"НОМ . При наличии поля индуктивность обмотки получает приращение Д£д, вследствие чего наблюдается также и приращение Д<р. Приращения фазы могут быть зарегистрированы
45
с помощью фазовых дискриминаторов (детекторов) и других подобных устройств, используемых в системах с фазовой модуляцией [93, 94].
Чувствительность феррозонда в таких схемах может быть выражена через дифференциальную индуктивность рабочей обмотки и приращение этой индуктивности как функции измеряемого поля.
Номинальное значение дифференциальной индуктивности (Н2 = Н2от Но = 0) будет
г ____ ном _ макс /71 \
lw - 2lw Ч1'
Рис 19. Схемы феррозондовых магнитометров с частотным (а) и фазовым (б) выходом.
где s — поперечное сечение сердечника, w и lw — соответственно количество витков и длина обмотки, £ — коэффициент, зависящий от конструкции. С другой стороны
бц*
Др* = —д/у, (72)
1 Д dH2om ' ’
где ДЯ = Но. Отсюда
\Т ___ 4£дНОМ д » _ ^!ХД . г_Г
ном
Пользуясь формулами (71) и (73), можно в каждом конкретном случае найти выражение для чувствительности одностержневого феррозонда. Так, для схемы магнитометра с частотным выходом при условии, что рабочий участок зависимости ц* (Н) аппроксимирован прямой линией (рис. 18) и ц* макс = т, имеем:
G = |_ДП = df - А£д = 1_______А£Д =
1 |ДЯ I ^дном ДЯ 4лТдНОм Г/.Д номС ЛЯ
=------------, (74)
4лш (Bs — Во) ~\Г S^!!L с
У /'t'W
где С = СД (см. рис. 19, а). Аналогичным образом можно получить выражение и для чувствительности Gv одностержневого феррозонда, используемого в магнитометре с фазовым выходом.
46
2. На некоторых особенностях второго типа феррозондов мы останавливались в § 4. Отмечалось, что чувствительные к магнитному полю устройства, разработанные Гаррисоном (см. рис. 14), есть не что иное, как феррозонды с поперечным возбуждением, работающие в первом режиме. Более совершенная схема магнитометра с феррозондом этого типа изображена на рис. 20.
Феррозонд 1 выполнен в виде полой ферромагнитной трубки, во внутрь которой пропущен провод.'По проводу протекает слабый переменный ток If, создающий циркулярное поперечное поле Н±. Индуктивность цепи может быть увеличена за’счет многократного пропускания провода сквозь трубку, в виде тороидальной обмотки,
которая является плечом уравновешенного моста 3, к одной из диагоналей которого подключен генератор переменного тока 4. Необходимое начальное смещение в (феррозонде создается с помощью обмотки, распределенной вдоль сердечника и подключенной к источнику постоянного тока 2. В отсутствие измеряемого поля Но мост 3 уравновешен и выходное напряжение, снимаемое с другой его диагонали, равно нулю. При наличии поля Н0 индуктивность
Рис 20. Схема магнитометра, в которой применен феррозонд с поперечным возбуждением, работающий в первом режиме.
феррозонда получает приращение, равновесие моста нарушается и на выходе схемы появляется напряжение Uf.
Если материал, из которого изготовлена ферромагнитная трубка, изотропен, то
В и вл. В
= #7 = IT = (Ло!1’ <75)
где
В =ув]+ в\ , Н = +//1, (76)
причем
Н в = Нц + Н1о, (77)
т. е. является внутренним полем [1, 2], что следует из (75).
По условию работы феррозонда в первом режиме имеем: Н± < С И||. Тогда взамен (76) можно записать В Вц и Следовательно, магнитное состояние трубки почти целиком зависит от продольного поля.
По аналогии с изложенным в п. 1
_ Лх^0Ндном _ ^±^дМакс ном — I — Щ , V о)
‘‘wl.
где w — количество витков обмотки возбуждения (для феррозонда, изображенного на рис. 20, w = 1), Sj. — площадь попереч
47
ного сечения сердечника для поперечного поля, lwL — длина обмотки возбуждения, равная длине окружности трубки, и рд — дифференциальная проницаемость вещества. При аппроксимации рабочего участка зависимости р.д (//г) прямой линией, так же как и для феррозонда с продольным возбуждением (см. рис. 18), имеем:
Дп = н. '1°!'дмакс w пп\
!д dH(-20ПТ 2(BS-BO) rt‘o-
Исходя из равенства В ц = роц//г-о = рор,*Яо и полагая 2Vp 1, находим:
(8°)
где р, — нормальная проницаемость вещества, соответствующая значению поля Н(-20пт. Если учесть, что рдмакс = pMdKC = Р (указанные величины определяются по средней кривой намагничивания вещества — см. рис. 7), то из (78)—(80) получим:
дг ___ dL^ ном д __ W ^-к^ФоРмакс01 т_г /01 \
— /Щ Ф'д ~ Щ /В —в 1 '
«Ид ном “ со- (л5' аа)
Пользуясь выражениями (78), (81) и применяя те или иные методы измерения приращений индуктивности, в том числе и мостовые [95, 96], можно в каждом конкретном случае найти выражение для чувствительности феррозонда с поперечным возбуждением. Если такой феррозонд применен в магнитометре с частотным выходом, то по аналогии с (74) получим:
Gf = I ) =---------------Цот -----------, (82)
4л® (BS - Во) 1 f с
где С — емкость конденсатора, подключаемого параллельно обмотке возбуждения.
3. В соответствии с изложенным в § 3 для феррозондов с продольным возбуждением, работающих во втором режиме, может быть найдена чувствительность по среднему, пиковому и амплитудному значениям выходной э. д. с.
Если Идмакс = m (условие JVp, > 1) и m > р,‘ мнн, то с учетом (56) имеем для дифференциального феррозонда [10]:
= | = 4“ ®sw2&0m, (83)
где так же как и в выражении (66), — коэффициент, зависящий от конструкции феррозонда.
Чувствительность по пиковому значению выходной э. д. с. может быть найдена из выражения (59). После несложных тригонометрических преобразований получаем (см. рис. И):
<84>
48
Величина d\C^dHx может быть найдена, если известно аналитическое выражение зависимости р* (77) или В (77). Примеры вычисления этих величин для двух различных аппроксимаций даны в и. 1. При аппроксимации склона кривой р,* (77) прямой линией (рис. 18) взамен (84) можно записать:
cijs^ogiir/n'2 / Hi
<85>
Сходство выражения (85) с выражением (70) основано на том, что в обоих случаях чувствительность феррозондов пропорциональна максимальному значению второй производной от индукции по напряженности поля [см. выражения (59) и (52)]. Однако, если учесть, что амплитуда поля возбуждения во втором режиме работы феррозонда во много раз больше, чем в первом, то примерно во столько же раз и чувствительность Gn будет больше чувствительности Gv
Чувствительность по амплитудному значению какой-либо четной гармоники выходной э. д. с. может быть определена, если предварительно найдены коэффициенты ряда (61).
В общем случае с учетом выражений (61)—(63) имеем
Л
G2rt = дттг- = “ Л(О8йУ2£ро 1 М-д cos dcoG (86) ап л л t/
1 и I 0
Если И*макс = tn и т > Ц*мин, то, аппроксимируя зависимость р,*( /7) ломаной линией П-образной формы, показанной на рис. 11 штриховой линией, можно записать взамен (61) [20, 97]:
< + 2 cos ; (87)
2/710 •1'ср - "7Г’ (88)
Игп = sin 2nd, (89)
где 0 — угол насыщения, определяемый из выражения (58). Отсюда с учетом (63) находим:
G2fl = cos&y2gp,om sin 2nd. (90)
Из (90) следует, что чувствительность по любой четной гармонике э. д. с. зависит от угла 0. А так как угол 0, в свою очередь, зависит от амплитуды поля возбуждения Нт и значения поля насыщения 77s (рис. 11), то всегда можно выбрать такой режим
4 ГО. В. Афанасьев 49
возбуждения, когда | sin 2п<)1 = 1. Следовательно, предельное значение чувствительности феррозонда по любой четной гармонике э. д. с. будет
^24 маис = COSffi^Ho^' (91)
Найдем условия, при которых достигается максимальная чувствительность феррозонда по второй гармонике (п = 1). С учетом (58) имеем:
sin 20 = 2 sin 0 cos 0 = ^г^\/ 1—(92) пт у н- v
Рис. 21. Зависимость чувствительности феррозонда (по второй гармонике выходной э. д. с.) от поля возбуждения.
Приравнивая (92) единице и решая уравнение относительно Нт, получим:
HfflOnr=]/2Hs = ^. (93) И o'71
Как будет показано в следующем параграфе, из-за необходимости достижения устойчивости (стабильности) нуля феррозонда часто приходится работать при соотношении//т> 2> Нтот. В этом случае чувствительность феррозонда по второй гармо-
нике следует определять по формуле (90), которая при п = 1 с учетом (92) может быть записана следующим образом:
г 16 . Hs -1 / < !Is
G2 = — asw^m тЛ I/ 1 — - 2 • л. П щ V Н
г 11 т
(94)
Эта формула совпадает с формулой, полученной несколько иным путем в работе [13].
Пользуясь формулой (94), можно определить и вид зависимости G2 (Нт), изображенной на рис. 21 в относительных единицах. Зависимость G2 (//m) может быть легко получена экспериментально. Для этого измеряют амплитуду E2S выходной э. д. с. как функцию полей Но и Нт (измерения могут быть проведены с помощью контрольно-измерительного комплекса, изображенного на рис. 3). Если Но = const, то E2S (Нш) = H0G2 (Нт), т. е. ход зависимости E2S (Нт) повторяет зависимость G2 (Нт)- Опыт показывает, что измеренные таким образом зависимости хорошо согласуются с зависимостью, изображенной на рис. 21.
Заметим, что формула (94) дает несколько завышенные значения чувствительности по сравнению с наблюдаемыми на практике. Расхождения могут быть объяснены более резким характером изменения аппроксимирующей функции ji* (Й) по сравнению с действительной (рис. 11). Амплитуда первой гармоники прямоугольных импульсов р,* (cot) всегда больше амплитуды первой 50
50
гармоники импульсов какой-либо иной формы, вписанных в прямоугольные [93, 97, 98].
В некоторых случаях возникает необходимость в определенной чувствительности феррозонда по высшим четным гармоникам при заданном значении амплитуды Нт поля возбуждения, или, что то же самое, в нахождении четногармонического спектра выходной э. д. с. Для решения этой задачи можно воспользоваться выражением (90), предварительно вычислив по формуле (58) значение угла 0 для данного значения амплитуды Нт. Затем, последовательно вычисляя значения
| k2n | = sin2n0, (95)
где п — номера четных гармоник, находим коэффициенты для соответствующих амплитуд четных гармоник. Из-за указанных выше особенностей аппроксимирующей функции ц* (//) значения этих коэффициентов будут тем сильнее отличаться от действительных, чем выше номер четной гармоники.
Иногда решают обратную задачу — определяют условия, при которых амплитуды высших четных гармоник становятся значительно меньшими, чем амплитуда второй гармоники э. д. с. [20, 99, 100]. Эти условия обеспечиваются при форме поля (тока) возбуждения, отличной от синусоидальной. Получить такую форму поля возбуждения на практике бывает довольно сложно. В то же время достигаемый эффект — снижение амплитуд высших четных гармоник э. д. с. — не исключает надобности в полосовых фильтрах, которые приходится применять из-за значительного уровня нечетных гармоник, содержащихся в выходной э. д. с. и являющихся помехой при измерениях (см. § 1, 6).
4. Чувствительность феррозондов с поперечным возбуждением, работающих во втором режиме, можно найти, пользуясь выражением (65), в котором ц* суть нормальная проницаемость сердечников.
В § 3 отмечалось, что нормальная проницаемость тела как функция поля убывает значительно медленнее, чем дифференциальная. В то время, когда р* —-> 1, р* продолжает оставаться много больше единицы и лишь в пределе, т. е. в очень сильном намагничивающем поле, приближается к ней (см. рис. 9). В реальных феррозондах намагничивающее поле (поле возбуждения) не может быть выбрано очень большим. Поэтому, для сердечников феррозонда почти всегда р*нн > 1.
То же самое следует сказать и о нормальной проницаемости вещества как функции поля: она также убывает значительно медленнее, чем дифференциальная проницаемость. Так, например, если рмакс = Bs/[iaHs = 105 (аппроксимация функции В (//) ломаной линией), то при наложении поля, даже в сто раз превышающего поле Hs, получим рмин = 103. В то же время уже удвоенного значения поля Нт = 2HS достаточно, чтобы ра мин —> 1 и оказалась во много раз меньше величины рмии.
4*
51
Применительно к феррозондам с поперечным возбуждением это обстоятельство приходится учитывать, так как при значительной величине н „ величина ц* становится соизмеримой ц* . “мин гмин г Гмакс
Действительно, если материал, из которого изготовлен трубчатый сердечник феррозонда (рис. 22) изотропен, то в соответствии с (19) и (28), а также при условии р,мин > 1 имеем
р,* = . (96)
г р, + т ' '
Отсюда, например для значений т = 2-103, р,маКС = Ю5 и М-мин = Ю3 получаем соответственно:
ц,
г макс
^2-103 = т, Имакс + m
Цмин^г _ 2 .Q3 __ Ш
— 3 3 •
В данном случае уменьшение проницаемости вещества в сто раз привело к уменьшению проницаемости тела всего лишь в три раза.
Отсутствие пропорциональности между изменениями р,иц* объясняется эффектом стабилизации проницаемости тела (см. § 2). Этот эффект ослабляется, если произведение оказывается соизмеримо с единицей. При проектировании феррозондов с поперечным возбуждением часто приходится пользоваться ослаблением эффекта стабилизации с тем, чтобы при малых затратах мощности в цепи возбуждения получить возможно большие изменения проницаемости р,*, а следовательно, и большую чувствительность феррозонда.
Из (65) с учетом (96) находим чувствительность феррозонда по среднему значению выходной
/ 2 Т \ d — е dat
^мин Имин + т з
U2f
Uf^
Рис. 22. Феррозонд с поперечным возбуждением, работающий во втором режиме.
э.
д. с.:
G ср
dHQ
= -|-cosa)2gpom (
2
= ЛГ WS^Po (Имакс — Имин) =
U макс Имин
Имакс + II мин Л
(97)
где р,мин = Bs/noHm L и Нт± — амплитуда поля возбуждения, действующего в поперечном направлении.
Сравнивая полученное выражение с выражением (83), видим, что при прочих равных условиях чувствительность феррозонда с поперечным возбуждением всегда меньше чувствительности феррозондов с продольным возбуждением. Лишь в пределе, при очень большой амплитуде Нт± поля возбуждения, когда р,мин - > 1, чувствительности обоих типов феррозондов совпадают.
52
Чувствительность феррозонда по амплитудному значению какой-либо четной гармоники выходной э. д. с. может быть найдена, если известен спектр периодической функции р* (со/). В свою очередь, функция р* (со/) может быть определена, если известны зависимость р* (ff±) и форма поля возбуждения. Зависимость р* (77±) можно получить из зависимости р (77±) путем пересчета ординат по формуле (96). Форма поля возбуждения обычно задана. Вид зависимости р* (Ни функции р* (со/) при синусоидальном поле возбуждения показана на рис. 23.
Поскольку зависимость р* 1Н±) четная, то по аналогии с (61) можно записать:
Рис. 23. К выявлению особенностей работы феррозонда с поперечным возбуждением.
Аппроксимируя зависимость р*(/7±) какой-либо функцией, можно вычислить коэффициенты ряда (98).
Однако, если учесть монотонный характер убывания зависимости р* (Яд.), функцию р* (со/) в первом приближении можно заменить косинусоидой (на рис. 23 показана штриховой линией). Тогда
♦ ♦ * *
* , М-макс ~г Ммин . М-макс Ммин „ ± <пп\
р* (coz) =----g-------1------g----cos 2со/. (99)
Отсюда с учетом (65), (99) и (96) получаем
^2 — | М-0 (рмакс
Имин) --
= COS&'2ipom f—Ммакс------------
\ Рмакс + т рмин + т
(100)
53
Сравнивая это выражение с выражением (90), видим, что и по второй гармонике чувствительность феррозонда с поперечным возбуждением, при прочих равных условиях, ниже чувствительности феррозонда с продольным возбуждением.
[Заметим, что из-за различия между действительной'зависи-мостью р* (со/) и косинусоидой формула (100) дает несколько заниженные значения. Однако при другой форме поля возбуждения, например, соответствующей режиму синусоидальной индукции [15] (показана на рис. 23, а штриховой линией), зависимость ц* (со/) будет почти косинусоидальной и вычисления по формуле
Рис. 24. Зависимость чувствительности феррозонда от поля возбуждения.
(100) дадут значения, более близкие к действительным.
Для случая Нмаке = Цмакс» М-мин, принимая во внимание,
D
ЧТО р/мйц — 77 Р'оР'макс-^
xHsl, где Hs j. — поле насыщения, получаем из (100):
1 — кривая, соответствующая выражению 2—экспериментальная кри-
вая.
] > 2п \
^2 — G-ll'’U!2SP()M'MaKC 1
2 1 "mJ. /
(101)
Пользуясь (101), можно определить и вид зависимости G2 (Нт±).
В относительных единицах эта за-
висимость показана на рис. 24. Она хорошо согласуется с опытными данными, полученными для различных модификаций ферро-
зондов, процесс перемагничивания в которых соответствует режиму синусоидальной индукции.
Сравнивая кривые, изображенные на рис. 21 и 24, видим, что во втором случае зависимость Ga (Я,„) носит более монотонный характер, причем с возрастанием амплитуды поля возбуждения чувствительность феррозонда остается достаточно приближенной к максимальному значению. Монотонный характер зависимости G2 (Hmj) имеет место и при других аппроксимациях функции р* (со/). При этом оказывается (особенно в тех случаях, когда процесс перемагничивания соответствует режиму синусоидальной напряженности поля), что зависимость G2 (Нт±) имеет максимум, соответствующий некоторому значению поля возбуждения Нт± опт.
Если цмаКс « т, что может иметь место в том случае, когда сердечник феррозонда представляет собой ферромагнитную трубку толщиной порядка несколько микрон (см. главу третью), то в соответствии с (96) имеем: ц* = и, и ц* = и , т. е. ма-гнитное состояние сердечника целиком определяется проницае-мостью вещества. В этом случае из (65) и (99) получаем:
Gj — WSWjSPoP'MaKc I 1
^Ss.
(102)
54
Выражения (100)—(102) пригодны для приближенных расчетов. Погрешность определения максимальной чувствительности по этим формулам не превышает 20—30%.
В заключение отметим, что чувствительность феррозондов любого типа принято выражать в микровольтах на гамму \мкв!у], причем
. 1 п-в 10-2 ,
1? = Ю э = а/м-
Из приведенных в настоящем параграфе выражений следует, что наибольшую чувствительность имеют феррозонды с продольным возбуждением, работающие во втором режиме. Чувствительность этих феррозондов обычно составляет десятки и даже сотни микровольт на гамму.
6. Порог чувствительности
Приведенное в § 1 определение порога чувствительности феррозонда нуждается в уточнении. Совершенно очевидно, что, если амплитуда помехи постоянна, а начальная фаза жестко фиксирована по отношению к фазе сигнала, то такая помеха может быть устранена методами компенсации. Помеха с постоянной амплитудой и фазой свидетельствует о смещенном нуле феррозонда, но никак не может определять его порог чувствительности. Помеха лишь тогда определяет порог чувствительности, когда какой-либо из параметров э. д. с. — амплитуда, фаза или частота — изменяются во времени, причем изменения носят случайный характер.
Поскольку измеряемым параметром выходной э. д. с. в большинстве случаев является амплитуда, то в развитие (15) можно записать:
(ЮЗ)
где EnN — некоторое среднее значение амплитуды помехи.
Если помеха обладает свойством эргодичности \ то
Ёпм = VELv (0 - (104)
— среднеквадратичное значение, причем ______ т
E2nN (t) = Um -Ё- f E2nN (t) dt — средний квадрат помехи, Г->00
т
= lim-M ЕnN (/) dt — постоянная составляющая помехи т-x» Т *
1 Это свойство состоит в том, что средние по множеству (т. е. математические ожидания, вычисленные по распределениям) совпадают со средними по времени, полученными для одной реализации процесса [101—103].
JEnN_
Рп Gn
55
и Т — время наблюдения. При отсутствии смещенного нуля можно положить EnN (/) = 0. В этом случае
= (105)
Можно показать [102—104], что
______ F
О
а)
9
где g (0 — спектральная плотность помехи EnN (f), пропорциональная мощности процесса и приходящаяся на полосу в 1 гц, “ F — ширина полосы какой-либо избирательной системы, с помощью которой выделяется п-я гармоника полезной э. д. с. (см. рис. 2). Отсюда с учетом (103) и : (105) имеем:
f0 f2 f
S)
(106)
Рп =
Рис. 25. Спектральная плотность (а) и характер (б) помехи на выходе феррозонда.
о G,
Опыт показывает, что в феррозондах спектральная плотность помехи не является равномерной. Она остается постоянной лишь вдали от рабочей частоты f0 п-й гармоники выходной э. д. с. По мере же приближения к частоте f0 плотность g (£) возрастает (рис.
25, а). Это налагает отпечаток и на сам процесс EnN (/): огибающая помехи с учетом изменения фазы (знака амплитуды £„Л-), как правило, содержит ярко выраженную инфранизко-
частотную составляющую, которая промодулирована меньшими по размаху высокочастотными составляющими (рис. 25, б).
Неравномерность спектральной плотности g (f) в некоторой полосе, близкой к частоте полезного сигнала, обусловлена существованием нескольких источников помех. Можно указать на
следующие источники:
1) недостаточная электромагнитная развязка между измерительной цепью и цепью возбуждения феррозонда;
2) остаточная намагниченность и магнитное последействие (вязкость) сердечников феррозонда;
3) неоднородность магнитных потоков (постоянного и переменного) в объеме сердечников;
4) неповторяемость процессов перемагничивания сердечников, образующая сплошной спектр так называемых магнитных шумов;
56
5) неупорядоченность теплового движения электронов в обмотках, приводящая к сплошному спектру так называемых электрических шумов.
Очевидно, что в каждый момент времени помеха представляет собой результат суперпозиции отдельных составляющих э. д. с., обусловленных существованием указанных источников.
Рассмотрим каждую из составляющих помехи в отдельности.
1. Недостаточная электромагнитная развязка между измерительной цепью и цепью возбуждения имеет место в феррозондах всех типов. Однако, как отмечалось в § 1 и 3, ее последствия наиболее ощутимы в феррозондах, работающих на основной частоте, т. е. в первом режиме.
В феррозондах с продольным возбуждением развязка осуществляется благодаря использованию двух сердечников и дифференциальному включению первичных обмоток (см. рис. 1, 17). Из-за неидентичности сердечников и обмоток на выходе феррозонда появляется э. д. с. помехи (см. § 1). Из (10), опуская член, пропорциональный квадрату измеряемого поля, имеем
|Е1ЛГ| = asw2Hm (е,а + еьН2т + Зе,ьн1^ .
Если учесть, что полезный сигнал, а следовательно, и чувствительность— см. выражения (8), (52), (70) и др., также пропорционален величинам <о, s, w2, Нт, то в соответствии с (8) и (15) получаем
!4г1=т(ж+‘Л) + т®;н”' (107)
Из (107) следует, что модуль отношения E1NIG1 зависит от величины еа и еь, характеризующих неидентичность сердечников, а также от величин Н2 и Нт, Если ец и е6 суть постоянные величины, отношение E1NIG1 дает величину смещенного нуля феррозонда. Во многих случаях, однако, величины щ и ей оказываются зависимыми от таких внешних факторов как температура окружающей среды, механические воздействия и т. п., причем далеко не всегда удается установить строгую детерминированную связь между суммой воздействий и суммарным откликом на эти воздействия. В этом случае говорят о случайной составляющей помехи, а следовательно, и о пороге чувствительности, обусловленном этой помехой.
Учитывая, что первый режим работы феррозонда характеризуется заданным значением поля Н2 (см. § 3), взамен (107) можно записать:
|-^|= a + ptfL
где аир — некоторые постоянные или медленно флуктуирующие величины. Из этого выражения следует, что отношение E1N/G1
57
зависит от квадрата амплитуды поля возбуждения. Однако разумным пределом снижения амплитуды поля возбуждения является
соотношение Ятмин ~
В феррозондах с поперечным возбуждением развязка осуществляется за счет ортогональности полей Нт1 и Но. Однако на практике обеспечить строгую ортогональность не удается. Поэтому и для этих феррозондов отношение E1N/G1 в сильной степени зависит от амплитуды поля возбуждения и от внешних факторов.
В феррозондах, работающих на удвоенной частоте, т. е. во втором режиме, недостаточность развязки, как отмечалось в § 1,
обуславливает лишь степень фильтрации сигнала в последующих звеньях магнитометра, поскольку э. д. с. помехи характеризуется в этом случае нечетногармоническим спектром. Отношение
и2 обычно во много раз меньше, чем E1n!G-l. Для достижения еще более низких значений E2N/G2 в цепях возбуждения феррозондов устанавливают режекторные фильтры, препятствующие прохождению четных гармоник тока, вырабатываемых генератором.
2. Остаточная намагниченность и магнитное последействие, наблюдаемые в сердечниках феррозонда, обусловлены наличием гистерезиса. До сих пор мы предполагали, что процессы в сердечниках протекают по средней безгистерезисной кривой намагничивания (рис. 7). Это предположение не могло привести к каким-либо существенным ошибкам при оценке чувствительности феррозондов и спектрального состава выходной э. д. с. Однако при анализе источников помех, обуславливающих нижний порог чувствительности феррозондов, гистерезис должен быть учтен.
На рис. 26, а показано семейство симметричных петель гистерезиса, полученных при цикличном перемагничивании сердечника. Внешняя петля, проходящая через точку Нс, называется предельной. Она получена при некотором максимальном значении поля перемагничивания, когда дальнейший рост площади 58
петли прекращается. Величину Нс называют коэрцитивной силой. Петли, расположенные внутри предельной петли, называют частными циклами. Вершины частных циклов лежат на основной кривой намагничивания. Средняя кривая намагничивания показана штриховой линией. Частные циклы в общем случае могут быть симметричными и асимметричными.
На рис. 26, б показан (внутри предельной петли гистерезиса) частный асимметричный цикл, характерный для сердечников феррозонда, работающего в первом режиме. Если суммарное поле
= Н 2 + Н0 периодически изменяется с некоторой частотой Q, а поле возбуждения Н± = Нт sin со/ более высокой частоты со отсутствует, то изменение магнитного состояния происходит по кривой, проходящей через точки А и Е. Если же поле //х =£= О, то изменение магнитного состояния происходит по иной кривой, показанной штриховой линией и проходящей через точку С.
Действительно, при некотором значении суммарного поля и отсутствии поля возбуждения Н± магнитное состояние сердечника будет характеризоваться точкой А. При наложении поля возбуждения с амплитудой Нт магнитное состояние будет изменяться сначала по восходящей ветви асимметричного цикла до точки Е, а затем при последующих периодах частоты со начнет циркулировать вокруг точки С. Точка С, лежащая внутри вновь установившегося частного цикла ED, характеризует усредненное магнитное состояние сердечника при одновременном наложении двух полей — медленно изменяющегося поля и быстро изменяющегося поля Н1 = Нт sin со Л Каждому новому значению поля Нх соответствует свой частный цикл ED с точкой С внутри. Соединив все точки С между собой, получим кривую изменения магнитного состояния сердечника, показанную штриховой линией [90].
Сравнивая частные асимметричные циклы при отсутствии и при наличии поля возбуждения, видим, что во втором случае ширина цикла меньше, чем в первом. Очевидно, что по мере увеличения амплитуды Нт поля возбуждения ширина цикла для поля будет уменьшаться. А так как явления остаточной намагниченности и магнитного последействия тесно связаны с шириной цикла, то с увеличением амплитуды поля возбуждения порог чувствительности феррозонда будет снижаться.
Уменьшение ширины цикла для постоянного или медленно изменяющегося поля происходит и тогда, когда переменное поле направлено перпендикулярно постоянному^.(феррозонды с поперечным возбуждением).
Поскольку первый режим работы феррозондов характеризуется соотношением Нг Н2 + Нй (см. § 3), то уменьшение ширины цикла остаточную намагниченность и магнитное последействие исключает неполностью. После кратковременного воздействия сильным постоянным полем нуль феррозонда смещается (остаточная намагниченность) и медленно сползает в сторону
59
исходного значения (магнитное последействие). Процесс сползания нуля, обусловленный магнитным последействием, может длиться иногда часами и более [105—107].
Иное дело — второй режим работы феррозонда, который характеризуется соотношением /Д > Но. В этом случае циклом становится предельная петля гистерезиса (рис. 26, в). Если измеряемое поле Но = 0, то усредненное за период поля возбуждения магнитное состояние сердечника характеризуется точкой, совпадающей с началом координат. Если Но =£ 0, то наблюдается перестройка петли (на рисунке перестроенная петля показана штриховой линией). При этом магнитное состояние сердечника будет характеризоваться некоторой точкой С. Поскольку ширина петли остается примерно одной и той же \ то точка С оказывается лежащей на средней кривой намагничивания. Если снять поле Н0, то петля восстанавливается и магнитное состояние сердечника будет вновь характеризоваться точкой, совпадающей с началом координат.
Другими словами, при большой амплитуде поля возбуждения гистерезисный цикл для постоянного или медленно изменяющегося поля как бы вырождается в однозначную зависимость, геометрическое место точек которой совпадает со средней кривой намагничивания, т. е. второй режим работы феррозонда оказывается благоприятным и в этом отношении.
В работах [10, 15, 63, 70, 82, 106, 107] показано, что в феррозондах, работающих во втором режиме, однозначная зависимость В (//0) достигается при условии Нт > Нтот, где Нтот~ амплитуда поля возбуждения, при которой чувствительность феррозонда (по второй гармонике) максимальна.
Для феррозондов с продольным возбуждением амплитуду поля возбуждения обычно выбирают с учетом соотношения
Нт = (3-5) Hs, (108)
где Hs — поле насыщения [ср. с выражением (93)].
Для феррозондов с поперечным возбуждением соотношение (108), как правило, оказывается недостаточным. Однако для этого типа феррозондов и при значительно больших значениях амплитуды поперечного поля не всегда удается получить практически однозначную зависимость В ц (//0) (см. главу третью).
Заметим, что явления остаточной намагниченности и магнитного последействия не поддаются строгой аналитической оценке. Они могут быть выявлены и оценены количественно лишь опытным путем. Очень часто остаточная намагниченность оказывается ответственной за смещенный нуль феррозонда, тогда как его
1 Заметим, что на рис 26, в изображена динамическая петля, тогда как на рис 26, а и б даны статические петли Из-за дополнительных потерь на вихревые токи динамическая петля всегда шире статической [108, 109]. На рисунке размерность по осям не указана, поэтому все предельные петли изображены одинаковыми.
60
порог чувствительности определяется временными изменениями, обусловленными магнитным последействием.
3. Неоднородность магнитных потоков (постоянного и переменного) в объеме сердечников также может привести к смещению нуля и загрублению порога чувствительности феррозонда.
Неоднородность магнитного потока может быть обусловлена как неоднородностью внешнего поля, так и неоднородностью внутреннего поля. Неоднородность внешнего поля может быть вызвана структурой самого измеряемого поля, распределением переменного поля, создаваемого первичными обмотками, характером компенсирующего поля (при нулевом методе измерения), зависящим от конструктивного выполнения катушек компенсации или компенсационных магнитов, а также от их расположения относительно осей симметрии феррозонда. Неоднородность внутреннего поля зависит от текстуры материала, из которого изготавливаются сердечники, а также от формы сердечников.
Опыт показывает, что неоднородность постоянного магнитного потока лишь тогда приводит к смещению нуля или загрублению порога чувствительности, когда она сочетается с неоднородностью переменного потока. Если неоднородность переменного потока устранена либо при наличии последней отсутствует внешнее постоянное поле, то указанные отрицательные явления не наблюдаются. С учетом этого обстоятельства может быть дан следующий механизм возникновения помехи, приводящей к смещению нуля и загрублению порога чувствительности.
При нулевом методе измерения неоднородность постоянного потока в сердечниках феррозонда поиводит к тому, что измеряемое поле оказывается уравновешенным полем компенсации по длине или объему сердечников лишь в среднем. В отдельных же частях сердечников может иметь место недокомпенсация или пере-компенсация измеряемого поля. Недокомпенсация соответствует одному знаку поля, перекомпенсация — другому. При равномерном распределении обмоток вдоль сердечников феррозонд может быть представлен в виде системы элементарных зондов, которые соединены последовательно. Если чувствительности и начальные фазы э. д. с. элементарных зондов одинаковы, то э. д. с. помехи на выходе феррозонда отсутствует. Однако равенство чувстви-тельностей и начальных фаз э. д. с. элементарных зондов будет иметь место лишь в том случае, когда переменный магнитный поток, обусловленный полем возбуждения, однороден по длине сердечников. В противном случае на выходе феррозонда появляется э. д. с. помехи. Будучи результатом суперпозиции элементарных э. д. с., помеха в общем случае имеет произвольную начальную фазу. На фазовой плоскости вектор этой помехи может быть разложен на синфазную и квадратурную составляющие. Поскольку при нулевом методе измерения синфазная составляющая выходной э. д. с. феррозонда, как правило, служит сигналом рассогласования, то в момент компенсации уравновешивается не только
61
полезная э. д. с., но и синфазная составляющая помехи. При этом квадратурная составляющая помехи не может быть уравновешена и продолжает действовать в выходной цепи феррозонда.
На наличие квадратурной составляющей помехи как на признак неоднородности магнитных потоков в сердечниках феррозонда, по-видимому, впервые указано в работе [НО]. Авторы столкнулись с появлением квадратурной составляющей при попытке уравновесить в объеме феррозонда поле, создаваемое соленоидом, полем магнита, располагаемого в непосредственной близости от феррозонда.
В работе [111] показано, что возникновение квадратурной составляющей помехи следует связывать с наличием динамической петли гистерезиса и появляющимся из-за этой петли фазовым сдвигом между индукцией и полем возбуждения. Для различных участков сердечника этот фазовый сдвиг различен, поскольку как само поле, создаваемое первичной обмоткой, так и индукция (см. рис. 8), убывает к концам сердечника. Следовательно, не только чувствительность, но и фаза выходной э. д. с. изменяются вдоль сердечника. Изменение фазы второй гармоники э. д. с. вдоль сердечника подтверждено экспериментально с помощью узкой подвижной катушки, выполняющей роль вторичной обмотки феррозонда [112].
Заметим, что наличие квадратурной составляющей помехи свидетельствует как о смещенном нуле, так и о возможных флуктуациях нуля феррозонда. В общем случае амплитуда и фаза помехи, разлагаемой на синфазную и квадратурную составляющие, не остаются постоянными, а зависят от величины измеряемого поля, амплитуды поля возбуждения, механических деформаций сердечников и т. п. Вследствие этого постоянно изменяется соотношение между синфазной и квадратурной составляющими. А так как при нулевом методе измерения синфазная составляющая когерентна полезному сигналу и уравновешивается полем компенсации, то изменение ее величины и воспринимается как уход или флуктуация нуля.
Не следует думать, что к отрицательным последствиям приводит только синфазная составляющая помехи. Если выходная э. д. с. феррозонда измеряется с помощью анализатора гармоник (см. рис. 3), то квадратурная составляющая э. д. с. является той реальной помехой, которая ограничивает порог чувствительности феррозонда. Если же полезный сигнал утилизируется в магнитометре, содержащем синхронный детектор (см. рис. 2), то порог чувствительности может быть снижен. Однако и в этом случае наличие квадратурной составляющей помехи приводит к нежелательной загрузке избирательного усилителя и флуктуациям нуля, возникающим из-за изменения фазовых характеристик измерительного тракта и ухода частоты генератора.
Аналитическая оценка уровня помехи, вызванной неоднородностью постоянного и переменного магнитных потоков в сердеч-62
никах, достаточно сложна, так как требует учета многих факторов, связанных с особенностями конструкции феррозонда, характером измеряемого поля, выбранным режимом работы и условиями измерений. И тем не менее, могут быть рекомендованы некоторые весьма эффективные приемы, позволяющие уменьшить уровень этой помехи.
В работах [112, 113] предложено использовать в качестве вторичной обмотки узкую катушку, имеющую возможность перемещаться вдоль продольной оси феррозонда и закрепляемую в точке, где квадратурная составляющая э. д. с. оказывается равной нулю. Этот прием успешно использован в переносном магнитометре М-17 (см. главу пятую), в котором компенсация измеряемого поля в объеме феррозонда осуществляется с помощью неоднородного поля, создаваемого постоянным магнитом.
Применение коротких вторичных обмоток оказалось полезным и в тех случаях, когда неоднородность поля компенсации симметрична относительно центра сердечников. Расположение обмотки в центре феррозонда задается при этом самой конструкцией (см. рис. 1).
Для подавления квадратурной составляющей помехи может быть рекомендован также перевозбужденный режим работы феррозонда [111, 114]. Уменьшение квадратурной составляющей помехи с увеличением амплитуды поля возбуждения объясняется выравниванием начальных фаз э. д. с. по длине феррозонда, обеспечиваемым за счет того, что все участки сердечника начинают перемагничиваться по предельной гистерезисной петле.
В ряде работ [115 и др.] показано, что при измерении однородных магнитных полей нулевым методом квадратурная составляющая помехи может быть уменьшена, если поле компенсации создается с помощью катушек, у которых отношение длины к диаметру lK/d 20, причем длина катушек /к превышает длину сердечников I на 15—20%.
Очевидно, что подобные же требования могут быть предъявлены и к обмоткам возбуждения феррозондов. Однако, как показывают расчеты и экспериментальные данные, неоднородность переменного потока зависит не столько от неоднородности поля обмоток, сколько от формы сердечников. Чем больше форма сердечников отличается от эллипсоидальной, тем сильнее неоднородность магнитного потока при однородном внешнем поле (§ 2, рис. 8). Поэтому в качестве приема, приводящего к снижению уровня помехи, можно рекомендовать также изготовление сердечников в форме, достаточно близкой к эллипсоидальной.
В работе [10] взамен эллипсоида, трудного в изготовлении, предложено использовать пластинку с равномерной толщиной, изготовленную в виде стрелки (рис. 27, а). Опыт показывает, что применение сердечников подобной формы полезно: величина квадратурной составляющей помехи падает примерно на порядок,
63
тогда как чувствительность феррозондов уменьшается всего лишь на 15—20%.
В работе [116] вновь предложено взамен стержневых сердечников использовать тороидальные1. Если обмотка возбуждения нанесена равномерно по всей длине (окружности) сердечника, изготовленного из тонкой пермаллоевой ленты, то переменный магнитный поток, возбуждаемый полем Н± = Нт sin со/, будет однородным. Постоянный же магнитный поток, обусловленный внешним полем, будет однородным лишь в частях сердечника,
расположенных симметрично относительно направления измеряе-
Рис. 27. Разновидности сердечников феррозонда: а — сердечник в виде стрелки; б — тороидальный сердечник.
мого внешнего поля (средней силовой линии), см. рис. 27, б. Кроме того, тороидальный сердечник, так же как и стержневой, для внешнего магнитного поля представляет собой разомкнутую магнитную цепь. Однако, если учесть, что один из потоков (переменный) в тороидальном феррозонде все же однороден, то в (силу изложенного выше можно предположить, что квадратурная составляющая помехи будет меньше, чем в обычных феррозондах с сердечниками стержневого типа.
4. Для подавляющего большинства феррозондов порог чувстви-
тельности определяется указанными в пп. 1—3 причинами или явлениями, действующими раздельно или в совокупности. Однако для феррозондов, работающих во втором режиме (в этом и состоит их основное преимущество), указанные причины и явления могут быть устранены или уменьшены настолько, что в течение хотя бы ограниченного промежутка времени порог чувствительности будет определяться иными фак-
торами, к которым и относятся так называемые магнитные шумы.
Магнитные шумы обусловлены неповторяемостью процессов перемагничивания сердечников и связаны с дискретной природой намагничивания отдельных доменов и микрообластей сердечника, а именно: со скачками Баркгаузена [117—119]. Неодинаковость этих скачков, соответствующая двум соседним циклам намагничивания, и образует на фоне дискретного спектра нечетных и четных гармоник сплошной спектр индукции,' называемый ма-
гнитным шумом.
1 Как отмечалось в § 4, феррозонд с тороидальным сердечником впервые предложен и опробован Ашенбреннером и Губо [46], см. рис. 12. Позднее (1959 г.), но задолго до работы [116] кольцевой феррозонд предлагался также Р. Я- Беркманом.
64
Как справедливо отмечено в работе [15], несмотря на наличие ряда интересных работ 1 до настоящего времени еще не существует достоверных методов теоретической оценки уровня магнитных шумов. Поэтому мы приведем здесь лишь некоторые результаты экспериментальных оценок, данных в работах [15, 121].
Прежде всего как для магнитных усилителей, так и для феррозондов установлена общая закономерность снижения магнитных шумов с увеличением амплитуды поля возбуждения (это было отмечено также и в более ранних работах.
Для магнитных усилителей и феррозондов, работающих во втором режиме, минимальный уровень магнитных шумов соответствует амплитуде возбуждения, превышающей в 2—3 раза оптимальную (для чувствительности по второй гармонике). Применительно к феррозондам с продольным возбуждением подобная степень перевозбуждения совпадает с соотношением [108], гарантирующим достижение однозначной зависимости В (Яо). По-видимому, это совпадение не является случайным и еще раз свидетельствует о том, что при неблагоприятных условиях работы феррозонда магнитные шумы будут замаскированы иными факторами.
При экспериментальном исследовании кольцевых (тороидальных) образцов, изготовленных из наиболее употребительных для сердечников феррозондов сплавов — 80НХС, 79НМ, 79НМУ, получен минимальный уровень магнитного шума, примерно равный 0,002у (в полосе пропускания в 1 гц, частота поля возбуждения f = 2000 гц). Для стержневых сердечников, изготовленных из тех же материалов, уровень шума оказался на порядок выше, т. е. около 0,02у. Увеличение уровня шума стержневых сердечников по сравнению с тороидальными может быть объяснено дополнительным влиянием явлений, рассмотренных в п. 3 и связанных с неоднородностью переменного магнитного потока вдоль стержневых сердечников. Зависимости, полученные в [121], показывают, что с увеличением объема сердечников магнитные шумы уменьшаются. При этом с увеличением длины сердечников шумы уменьшаются гораздо заметнее, чем с увеличением площади поперечного сечения.
Заметим, что уровень шума порядка 0,02у может быть получен и теоретически, если воспользоваться формулой (106) и некоторыми предположениями, изложенными в работе [122].
В целом ряде работ [121 —125] как теоретически, так и экспериментально показано, что уровень магнитных шумов уменьшается с повышением частоты поля возбуждения. Поскольку спектральная плотность магнитного шума сердечников растет прямо пропорционально частоте поля возбуждения, а э. д. с. шума в заданной полосе в соответствии с выражением (105) пропорциональна корню квадратному из спектральной плотности
1 Весьма обстоятельный обзор по исследованию магнитных шумов дан в работе [121].
5 Ю. В. Афанасьев 65
шумов, то, принимая во внимание, что чувствительность феррозонда любого типа пропорциональна частоте поля возбуждения (см. § 5), получаем в соответствии с выражением (106):
(Ю9)
т. е. порог чувствительности феррозонда, обусловленный магнитными шумами сердечников, обратно пропорционален корню квадратному из частоты поля возбуждения. Как показывают экспериментальные данные [15, 121 и др.], уменьшение уровня магнитных шумов с повышением частоты поля возбуждения примерно соответствует соотношению (109).
Для тороидальных сердечников, изготовленных из упомянутых выше сплавов, установлена полная продольная корреляция магнитных шумов по всей длине сердечников. Это указывает на когерентность магнитных шумов на различных участках сердечника и свидетельствует (по крайней мере в плане достижения низкого уровня магнитных шумов) в пользу применения кольцевых сердечников (см. п. 3 и рис. 27, б). В работе [122] показано, что уровень магнитных шумов для сердечников с продольным и поперечным возбуждением примерно одинаков.
Теоретические исследования магнитных шумов [123, 125, 126], как отмечено в [15], не обнаруживают каких-либо особенностей или неравномерностей спектра вблизи выбранной рабочей частоты магнитного усилителя или феррозонда. Однако экспериментальные данные свидетельствуют о том, что уровень шумов вблизи рабочей частоты возрастает [121—122].
В работе [121] экспериментально показано, что уровень магнитных шумов сердечников феррозонда для частоты 0,5 гц в 2—3 раза выше, чем для частоты порядка 30 гц и выше. Там же отмечается, что увеличение шума на низких частотах связано, по-види-мому, с действием факторов, имеющих иную физическую природу, чем «чистый» магнитный шум, и предлагается оценивать общий уровень шума по величине «подошвы» (т. е. по минимальному значению). Установлено, что уровень шумов в диапазоне 0—0,1 гц еще более возрастает, превышая уже на порядок величину шумов, оцениваемую по «подошве». Поэтому за истинную величину магнитных шумов в работе принято среднее из трех отсчетов на частотах 10, 20 и 30 гц. Для феррозонда с длиной сердечников 300 мм и общей площадью поперечного сечения 1,2 мм2, при частоте поля возбуждения f = 1000 гц средний уровень магнитных шумов составил величину порядка 0,012 у (в полосе пропускания в 1 гц).
Можно согласиться с автором работы [121 ] в том, что вблизи рабочей частоты, в частности, в диапазоне 0—0,1 гц на «чистый» магнитный шум накладываются помехи иной физической природы, на которых мы останавливались в п. 1—3. С наличием этих помех, по-видимому, и связана та неравномерность спектральной плотности суммарной помехи в выходной э. д. с. феррозонда, которая 66
изображена на рис. 25. Однако нет достаточных оснований к тому, чтобы не искать дополнительных источников шума именно вблизи рабочей частоты.
В этой связи хотелось бы указать на почти не исследованное в плане изучения природы магнитных шумов явление, связанное с наличием так называемых констант магнитострикции и анизотропии материала и формы ферромагнитных сердечников1. Как известно, эффект магнитострикции относится к четным эффектам, т. е. относительное удлинение или сжатие сердечников при их циклическом перемагничивании происходит с удвоенной частотой. Если рабочей частотой феррозонда служит вторая гармоника от частоты возбуждения, что совсем не исключено, что наличие магнитострикции приводит к резонансным явлениям, усиливающим уровень магнитного шума именно вблизи рабочей частоты. Эти резонансные явления, зависят от константы магнитострикции вещества (материала) и могут быть дополнительно усилены магнитострикцией формы (при наложении поля образец деформируется так, что коэффициент размагничивания N уменьшается) [128, 129]. В работе [105] показано, что константы магнитострикции проходят через нулевые значения у сплавов, содержащих порядка 80% никеля, в работе же [15] экспериментально подтверждено, что именно эти сплавы имеют минимальный уровень магнитного шума, что косвенно подтверждает высказанное предположение. Заметим, что при том же содержании никеля в сплавах (75—85%) нулевое значение проходит и первая константа анизотропии [105].
Очевидно, что для выявления всех аспектов, связанных с изучением магнитных шумов, необходимы дальнейшие теоретические и более тонкие экспериментальные исследования. Однако уже полученные данные свидетельствуют о том, что даже для частот измеряемого поля порядка 0,5 гц порог чувствительности феррозонда может быть достигнут порядка 0,01—0,02-у. Для более высоких частот (десятки герц и выше) порог чувствительности феррозонда может быть доведен до тысячных долей гаммы.
5. Электрические шумы, обусловленные неупорядоченностью теплового движения электронов в обмотках феррозонда, равно как и в сопротивлении нагрузки, подключенной ко вторичной обмотке феррозонда, представляют собой типичный белый шум с равномерным спектром.
Средний квадрат помехи, вызванный электрическими шумами, может быть вычислен по формуле Найквиста [102]:
£2 = AkT f R (f) df, (110)
F
где k — 1,37-10-23 etn • сек/град — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, R — действительная составляющая ком
1 Насколько известно автору, частичное исследование влияния этих констант на уровень магнитных шумов проведено лишь в работе [127].
5* 67
плексного сопротивления (обмотка, нагрузка плюс потери в сердечниках), F — полоса частот воспринимаемого шума, f — текущая частота. Отсюда в соответствии с (ЮЗ) и (105) имеем:
2 1 /А f R (f) df
= . (111)
В ряде случаев R можно считать величиной, независимой от частоты. Тогда
Рп = 2^TRF . (112)
Подставив в (112) значения R = 1 ком, Т = 300° К, F = 10 гц и G = 10 мкв!у (величины, легко достигаемые на практике), получаем порог чувствительности Рп ~ 0,0004-у, т. е. почти на два порядка ниже уровня магнитных шумов (см. п. 4).
Таким образом, при оценке общего уровня помех феррозонда, обусловленных рассмотренными выше факторами, фактор, связанный с наличием электрических шумов, по крайней мере в настоящее время может не учитываться.
Все перечисленные виды помех носят преимущественно случайный характер. Именно поэтому они должны суммироваться по квадратичному закону. Однако, учитывая неравномерную спектральную плотность суммарной помехи (см. рис. 25), следует определять порог чувствительности феррозонда для каждого частотного диапазона измеряемого поля в отдельности. Приводимая ниже таблица дает представление о пороге чувствительности в зависимости от частотного диапазона.
Таблица 3
Частотный диапазон измеряемого поля, гц Порог чувствительности феррозонда, у
10-6—10-1 Единицы
10-*—10-2 Десятые доли
10-3—10 Сотые доли
10 и выше Тысячные доли
Очевидно, что наличие более значительных по величине инфра-низкочастотных (с периодом от нескольких часов до нескольких суток) флуктуаций может рассматриваться как «смещение нуля», которое, как указывалось в начале этого параграфа, не может войти в определение порога чувствительности феррозонда. Напротив, если речь идет о магнитных измерениях в диапазоне 0—10'4 гц, то упомянутые инфранизкочастотные флуктуации, безусловно, должны быть просуммированы с другими помехами. Корень квадратный из суммы дисперсий всех помех, деленный на чувствительность феррозонда, и даст в этом случае значение порога чувствительности. 68
В заключение отметим, что, если по чувствительности, потребляемой мощности и некоторым другим параметрам феррозонды, работающие в первом режиме, еще могут конкурировать с феррозондами, работающими во втором режиме (см. § 3, 5), то анализ, проведенный в данном параграфе, касающийся оценки порога чувствительности, обусловленного действием различных факторов, не оставляет сомнений в том, что по этому параметру феррозонды, работающие во втором режиме, имеют явные преимущества (см. п. 1, 2, 4). Ориентировочные данные, приведенные в табл. 3, относятся к феррозондам именно этого типа. В инфранизкочастотной области измеряемых полей порог чувствительности феррозондов, работающих в первом режиме, только из-за факторов, рассмотренных в п. 1 и 2, может оказаться на 1—2 порядка выше, чем указано в таблице. Однако при измерении переменных полей разница в пороге чувствительности феррозондов обоих типов может оказаться не столь значительной.
7. Диаграмма направленности
Наряду с чувствительностью и порогом чувствительности чрезвычайно важным параметром или характеристикой феррозонда является диаграмма направленности. Важность этой характеристики обусловливается тем, что в последние годы феррозонды стали все чаще использоваться именно для измерения компонент магнитного поля и углов (направляющих косинусов) между какими-либо осями в пространстве и вектором магнитного поля [15, 18, 19, 21, 130—133]. И если первоначально феррозонды использовались главным образом для оценки скалярной величины поля (модуля полного вектора геомагнитного поля) [61—68], то это объяснялось отнюдь не тем, что их диаграмма направленности оказалась неудовлетворительной для оценки векторных величин, а тем, что отсутствовали надежные системы ориентации, которые можно было бы применить на подвижных платформах для стабилизации продольных осей феррозондов в заданных направлениях. Однако и возможность измерения скалярной величины поля базировалась на использовании направленных свойств двух других феррозондов, служащих датчиками следящей системы магнитометра (см. § 4). С появлением ядерно-прецессионных и квантовых магнитометров [136—139], датчики которых непосредственно реагируют на скалярную величину поля и измеряют ее с большей точностью, подобные же измерения с помощью феррозондов стали менее актуальными. Однако не стало менее актуальным применение феррозондов для измерения компонент поля и углов. Больше того, по сравнению с компонентными ядерно-прецессионными и квантовыми магнитометрами 1 феррозондовые отличаются простотой, высокой
1 Эти магнитометры могут быть преобразованы в компонентные путем создания в объеме их датчиков вспомогательного поля заранее известного направления [28].
69
Рис. 28. К выяснению понятия «магнитная ось дифференциального феррозонда».
надежностью, устойчивостью к помехам, незначительным энергопотреблением, малым весом и габаритами. Измерение компонент поля и углов, особенно в переменных полях (единицы и десятки герц), позволяет сравнивать эти приборы и в метрологическом отношении, что вместе с указанными достоинствами феррозондов свидетельствует об их перспективности именно как направленных индикаторов поля.
Если сердечник прямой и обладает достаточной жесткостью, то его продольная ось может быть названа магнитной осью. Как следует из выражения (27), основное свойство магнитной оси состоит в том, что при ортогональном расположении ее по отношению к вектору измеряемого поля индукция в сердечнике оказывается практически равной нулю (пренебрежимо малой величиной). А это означает, что направленные свойства феррозонда будут определяться только направлением магнитных осей его сердечников и не будут зависеть от углового положения измерительной катушки (вторичной обмотки), см. рис. 28, а. Однако ситуация, при которой угловым положением измерительной катушки можно пренебречь, является частным случаем, распространяемым, как будет показано ниже, отнюдь не на все типы феррозондов.
Прежде всего рассмотрим, что следует понимать под магнитной осью наиболее распространенного дифференциального феррозонда, содержащего два стержневых сердечника
(рис. 1), продольные оси которых, в силу ряда причин, связанных с несовершенством конструкции и технологии изготовления, не строго параллельны одна другой.
Пусть Р — угол между продольными осями стержневых сердечников (см. рис. 28, б). Будем считать также (для простоты рас-суждений), что вектор измеряемого поля Но лежит в плоскости угла р. Тогда в соответствии (2), (17) и (27) можно записать.
EnS = EnS + EnS = Но [Gn cos (а — р ) + G. cos (а -ф p )], (113)
где EnS — амплитуда выходной э. д. с. дифференциального феррозонда; Gn и (л'п — чувствительности полуэлементов феррозонда; а — угол между направлением вектора Но и осью /VIЛ4, лежащей в плоскости угла Р; Р' и Р" — углы между осью ММ и соответ-70
ствуюЩими продольными осями сердечников. Если ММ — магнитная ось феррозонда, то, ориентируя феррозонд таким образом, чтобы угол а оказался равным 90°, и приравнивая выражение (113) нулю, получим:
Gn sin р = Gn sin р .
Поскольку углы Р' и р", как правило, малы (не превышают 1 — 2°), то синусы могут быть заменены самими углами: с„р' = с;р.
Отсюда, с учетом равенства р = Р' + Р", имеем:
(И4)
(Н5)
Из (114) и (115) следует, что при наличии угла р магнитная ось дифференциального феррозонда остается постоянно ориентированной относительно геометрических осей феррозонда как целого, например, относительно его внешнего чехла (см. рис. 1,6), лишь в том случае, если соотношение чувствительностей полуэлементов феррозонда остается постоянным. В частности, если чувствительности полуэлементов остаются одинаковыми и продольные оси сердечников не изменяют своей пространственной ориентации, то магнитная ось феррозонда совпадает с биссектрисой угла р. На практике чувствительности полуэлементов феррозонда оказываются не только не одинаковыми в момент настройки, но и по разному зависящими от изменения амплитуды поля воздуждения и воздействия внешних факторов, поэтому то необходимо оценить степень влияем
ния соотношения —~ на угловое смещение магнитной оси ферро-
зонда.
Q
Дифференцируя выражение (115) по—~ G
переходя к конеч-
ным приращениям и пренебрегая членами второго порядка малости, получаем
I < I = ) АГ | =
Или, с учетом того, что отношение —Г близко к единице:
(116)
71
Из (116) видно, что при постоянном значении угла р смещение магнитной оси равно четверти угла между продольными осями сердечников, помноженного на абсолютное значение приращения отношения чувствительностей полуэлементов феррозонда. Напри-/ G' 4 мер, если р = 2°, а приращение Д —г
т. е. смещение магнитной оси примерно равно одной угловой ми
= 3%, то Др' ~ 1',
нуте.
Таким образом, в дифференциальном феррозонде направление магнитной оси зависит не только от взаимного расположения сердечников, но и от соотношения чувствительностей полуэлементов феррозонда.
Выражение (113) получено в предположении, что разность фаз э. д. с. е' и е”, наводимых во вторичной обмотке феррозонда под воздействием переменных индукций В' и В "в сердечниках [см. выражение (2)] отсутствует. При этом справедливо указывается, что учет этой разности фаз практически вносит в выражение (116) поправку второго порядка малости. Однако эта разность фаз приводит к эффектам иного плана, которыми не следует пренебрегать и которые целесообразно рассмотреть в рамках настоящего параграфа.
Речь идет о том, что при наличии угла р между сердечниками и разностью фаз между э. д. с. е' и е", наводимых во вторичной обмотке, дифференциальный феррозонд, кроме основной диаграммы направленности, связанной с его продольной осью, приобретает дополнительную, связанную с поперечной осью, лежащей в плоскости угла р [141, 142].
Пусть полуэлементы феррозонда имеют одинаковую чувстви-G'
тельность, т. е. —— = 1. Тогда магнитная ось феррозонда совпа-G” I н
дает с биссектрисой угла р (так как Р' = Р", см. рис. 28, в). Разложим вектор внешнего поля Но, лежащий в плоскости угла Р, на продольную Н ц и поперечную Н± компоненты. Нетрудно видеть, что компонента Н ], дает проекции одного и того же знака на продольные оси сердечников:
Я'(Я||) = Я"(Я||) = Я|| cosl , (117)
компонента же Н± на те же оси сердечников даст проекции разных знаков:
Н' (Н±) = tf±sin-|-; Н' (НА) = — sin J- . (118)
Предположим далее, что полезным сигналом дифференциального феррозонда служит вторая гармоника выходной э. д. с1. Если
1 С равным правом можно взять и любую другою четную гармонику э д. с., или основную частоту, если рассматривать подобные же эффекты применительно к феррозондам, работающим в первом режиме (см. § 3).
72
э. Д- с. е' и е" синфазны, т. е. разность фаз <р между ними равна
нулю, то суммарная э. д. с. во вторичной обмотке феррозонда
с учетом (117) и (118) будет:
e2s (Ни) = e2S (ни COS + 4s (н]| COS=
= E'2s sin ш/ + E2s sin 2s>t = 2E2S sin 2со/, (119)
= 4s(#± sin -+ 4s (— Нл. sin-|~) =
= E2S sin 2co/ — E2s sin 2o)t = 0, (120)
т. e. компонента поля Н± не вызывает во вторичной обмотке появления дополнительной э. д. с. Если же разности фаз между е' и е" не равны нулю, <р -у= 0, то взамен (119) и (120) получим [141 ]: e2s (/7ц) = Eassin ^2со/ + + E2S sin ^2со7--=
= 2E2S cos sin 2co^, (121)
e2S (#i) = E2s sin ^2©Z 4- — E2S sin ^2co£--=
= 2E2S sin -y-cos2coE (122)
Выражения (121) и (122) получены в столь упрощенном виде благодаря тому, что за действительную ось отсчета на фазовой плоскости принята биссектриса угла q>, и в силу равенства амплитуд E2S и E2s, являющихся функциями соответствующих компонент поля и угла р между продольными осями сердечников. Векторная диаграмма э. д. с. е 2з (Яц) и e2s (Н±) дана на рис. 28, г, где ОО— действительная ось и РР — мнимая ось отсчета.
Из (121), (122) и векторной диаграммы (рис. 28, г) следует, что при наличии разности фаз ср в измерительной обмотке феррозонда появляется э. д. с., которая пропорциональна не только продольной Н и, но и поперечной Н±, компоненте вектора внешнего поля Но, действующего в плоскости угла р. При этом э. д. с. e2s (Яц) и CasJJIa.) сдвинуты по фазе на угол 90°; e2S (Н ц) называют синфазной составляющей, a e2s (Я±) — квадратурной составляющей выходной э. д. с. феррозонда.
Заметим, что описываемые явления присущи не только феррозондам, но и другим дифференциальным устройствам индукционного типа, в которых по тем или иным причинам также имеет место разность фаз между э. д. с. полуэлементов этих устройств (см., например, [143]).
73
В свете полученных выражений оценим чувствительность дифференциального феррозонда к продольной и поперечной компонентам поля.
Если учесть, что углы Р и <р малы (как правило, угол ср не превышает нескольких градусов), то значения cos в (117) и cos в (121) отличается от единицы на десятые и сотые доли процента. Поэтому для продольной компоненты поля остаются в силе все те выражения, которые были даны в § 5.
Для поперечной компоненты поля с учетом (118) имеем:
1 E'2s (Д±)) = | E^s (Д±) | = G’2H± sin -1.
Подставив это выражение в (122) и полагая, что 2G2 = G2, где С2 — чувствительность феррозонда в целом, получаем:
Е(Н±) = Екв = G2Н± sin -|-sin-|-, (123)
где Екв — амплитуда квадратурной составляющей выходной э. д. с. феррозонда. Отсюда чувствительность феррозонда к поперечному полю будет
G
и
ЛЕ кв dH1
6 Ф
= sm-Lsin-^ G2.
(124)
Если учесть, что углы Р и <р малы, то из (124) следует, что чувствительность дифференциального феррозонда к поперечной компоненте поля на несколько порядков меньше чувствительности к продольной компоненте поля. Так, например, при р = 2° и ср = = 3° чувствительность феррозонда к поперечному полю меньше чувствительности к продольному полю примерно в 4-104 раз.
И тем не менее влиянием поперечного поля во многих случаях нельзя пренебрегать. Эти случаи как раз и имеют место при измерении компонент поля и особенно углов, когда для обеспечения наибольшей угловой чувствительности в соответствии с выражением (18) феррозонд располагают таким образом, что поперечной компонентой становится сам вектор поля Но.
Например, при измерении приращений угла магнитного склонения АО феррозонд устанавливают так, чтобы его магнитная ось оказалась лежащей в горизонтальной плоскости и направленной перпендикулярно магнитному меридиану. При этом полный вектор геомагнитного поля Нт, действующий в поперечном направлении, может совпасть с плоскостью угла р и в соответствии с выражением (123) привести к возникновению квадратурной составляющей выходной э. д. с. Пусть Нт = 5- 104у, С2 = 10 мкв!у, то с учетом ранее сделанных допущений о величинах Р и q> получаем £кв = = 2-102 мкв, что при регистрации выходного сигнала с помощью анализатора гармоник (см. рис. 3) эквивалентно измеряемому про
74
дольному полю напряженностью в 20у. Конечно, при наличии в измерительной схеме синхронного детектора (см. рис. 2), настроенного на синфазную составляющую выходной э. д. с., влияние квадратурной составляющей э. д. с. будет существенно уменьшено. Однако наличие квадратурной составляющей, как было отмечено в § 6, приводит к нежелательной (особенно при больших коэффициентах усиления) загрузке избирательного усилителя и дополнительным погрешностям измерения.
Таким образом, наличие угла р между продольными осями сердечников и фазового сдвига <р между э. д. с. полуэлементов усложняет диаграмму направленности дифферен-циального феррозонда (рис. 29). Кроме про-дольной магнитной оси А4 ц А4 ц, такой ферро-зонд имеет еще и поперечную магнитную ось / \
М.Л4,. / \
Получение однозначной диаграммы на- « п
правленности (наличие только одной про- \ ч // /
дольной магнитной оси феррозонда) сопря- \ «// /
жено с подавлением квадратурной состав- , м
ляющей выходной э. д. с. Из (123) следует, 1 1
что квадратурная составляющая может быть / \ Р \
уменьшена за счет уменьшения углов р и ср. / /[А \
Уменьшение угла Р — чисто конструктор- и
ская или технологическая задача. Очевидно, \ /
что применение более жестких и более длин- \ /
ных сердечников способствует уменьшению угла р.
Уменьшение фазового угла ср — задача М»
скорее исследовательская, чем конструктор- Рис 29 Диаграмма ская, так как связана с особенностями рас- направленности реаль-пределения переменных магнитных потоков кого феррозонда, вдоль сердечников (см. § 6) и методикой
настройки (подбора практически идентичных сердечников) дифференциального феррозонда. Здесь оказываются эффективными те же приемы, которые были рассмотрены в п. 3, §6: применение узких катушек, несущих вторичную обмотку, применение сердечников в форме стрелок (рис. 27, а), использование перевозбужденного режима работы. Кроме того, при настройке феррозондов чрезвычайно важно следить, чтобы концы обоих сердечников оказались на одном и том же расстоянии от центра вторичной обмотки, так как особо сильное влияние на начальную фазу э. д. с. полуэлемента оказывает перемещение сердечника в продольном направлении [141].
Из (118) и (122) следует, что квадратурная составляющая выходной э. д. с. обусловлена действием на продольные оси сердечников проекций поперечного поля, имеющих разные знаки. С учетом этого был предложен способ автоматической компенсации квадратурной составляющей э. д. с. [144], заключающийся в том, что
75
a)
I
эту э. д. с. выделяют с помощью дополнительного синхронного детектора и в возбуждающую обмотку феррозонда с целью уравновешивания упомянутых проекций поля разводят выпрямленный ток. Эксперименты показали, что этот способ достаточно эффективен и практически позволяет получить однозначную диаграмму направленности феррозонда.
Все сказанное о диаграмме направленности дифференциальных феррозондов целиком относится и к недифференциальным, одностержневым феррозондам, если сердечники последних имеют изгиб или излом. Очевидно, что подобные сердечники могут быть представлены в виде двух и более самостоятельных частей, продольные оси которых оказываются непараллельными. К взаимному расположению этих частей будут применимы те же рассуждения, что и к сердечникам дифференциального феррозонда.
Именно поэтому вопрос о прямолинейности и жесткости сердечников важен для любого типа феррозонда.
Несколько слов о диаграмме направленности кольцевых феррозондов [46, 116].
Кольцевой (тороидальный) сердечник (рис. 27, б) намагничивается во внешнем поле под действием вектора Но, лежащего в плоскости кольца. Если сердечник имеет геометрически правильную форму круга, одинаковое поперечное сечение и внутреннюю текстуру по своей длине, то намагниченность его во внешнем поле не будет зависеть от изменения направления вектора Но. Поэтому
в отличие от стержневых феррозондов в феррозондах кольцевого типа необходимая диаграмма направленности (речь идет о направленности, действующей в плоскости кольца), достигается не за счет самого сердечника, а благодаря специальному размещению на нем измерительных (вторичных) обмоток.
На рис. 30, а изображен кольцевой феррозонд с двумя одинаковыми диаметрально расположенными узкими измерительными обмотками 1 и 2, включенными последовательно таким образом, чтобы наводимые в них э. д. с. под воздействием поля возбуждения вычитались (обмотка возбуждения, обычно равномерно распреде-76
м, Рис. 30. К выяснению понятия «магнитная ось кольцевого феррозонда».
ленная по всей длине кольцевого сердечника на рисунке не показана), а э. д. с., вызываемые внешним полем, суммировались. Очевидно, что магнитной осью феррозонда в этом случае будет ось Л4 ц 7И и. Феррозонд будет измерять компоненту поля Н р, совпадающую с направлением оси Л1 q Л4 ц. Поперечная компонента поля Н1, совпадающая с осью М^М±, не вызовет появления полезной э. д. с., так как обусловленный этой компонентой магнитный поток в центре обмотки 1 будет разветвляться, а в центре обмотки 2 сходиться, образуя по отношению к симметричным частям обеих обмоток встречно направленные потоки.
На рис. 30, б изображен кольцевой феррозонд, в котором одна из измерительных обмоток оказалась смещенной от диаметрального направления 00 на угол 0. В этом случае магнитная ось М ц М ц займет некоторое новое положение, примерно совпадающее с направлением биссектрисы угла, равного 180° — р. О примерном совпадении приходится говорить потому, что положение магнитной оси М || М и будет зависеть еще и от соотношения параметров обмоток 1 и 2 (числа витков, длины намотки и т. п.). Феррозонд с асимметрично расположенными обмотками будет также измерять продольную компоненту поля Н\\. Однако при наличии фазового сдвига q> между э. д. с., наводимых в обмотках 1 и 2, выходная э. д. с. такого феррозонда будет содержать квадратурную составляющую, пропорциональную поперечной компоненте поля Н>.
На рис. 30, в изображен кольцевой феррозонд, содержащий две ортогонально расположенные системы обмоток. Обмотки 1 и 2 обеспечивают информацию о продольной компоненте поля, обмотки 3 и 4 — о поперечной компоненте поля. Очевидно, что степень неорто-гональности магнитных осей М ц М ц и Л4±М± будет целиком зависеть от ошибок углового расположения обмоток, а также от поперечной идентичности их параметров.
Сравнивая в плане получения однозначной диаграммы направленности кольцевые феррозонды со стержневыми, нельзя усмотреть каких-либо преимуществ первых по сравнению со вторыми. Напротив, то обстоятельство, что намагниченность кольцевого сердечника зависит от двух компонент поля, есть явный недостаток, так как при измерении углов наличие значительного по величине поперечного поля предъявляет чрезвычайно жесткие требования не только к геометрической форме и внутренней структуре сердечника, но и к параметрам обмоток, а также сохранению этих параметров во времени. Однако следует отметить, что в тех случаях, когда кольцевой феррозонд с двумя ортогонально расположенными системами обмоток (рис. 30, в) используется в системе следящего привода так, что плоскость кольца оказывается перпендикулярной вектору внешнего поля Нт, измерения углов могут производиться с достаточно высокой чувствительностью и точностью. Это объясняется тем, что компонента поля, действующая по нормали к плоскости кольцевого сердечника, практически не вызывает его намагничивания (из-за значительного коэффициента размагничивания
77
в этом направлении, см. § 2). Таким образом, мы снова приходим к тому заключению, что анизотропия формы сердечников является важнейшим средством достижения диаграммы направленности феррозонда, столь необходимым для измерения компонент поля и углов.
В заключение отметим, что правильные круговые диаграммы направленности (рис. 4, 29) имеют место, когда градуировочная характеристика EnS (Яц) феррозонда любого типа обладает необходимым диапазоном линейности. В § 3 отмечалось, что феррозонды, работающие в первом режиме, имеют меньший диапазон линейности. Следовательно, диаграмма направленности таких феррозондов может иметь значительные отклонения от идеальной круговой диаграммы, что и было замечено на практике [71 ]. Феррозонды, работающие во втором режиме, обладают значительно большим диапазоном линейности и, как показывает опыт, почти идеальной круговой диаграммой направленности.
С помощью дифференциальных феррозондов, работающих во втором режиме, возможно измерение углов с точностью до 20—30 угловых секунд. Эти данные подтверждены в результате многочисленных экспериментов, проведенных при измерениях приращений магнитного склонения Д£), и включают в себя не только ошибки, обусловленные непостоянством пространственной ориентации магнитной оси относительно геометрических осей феррозонда как целого, но и ошибки, связанные с наличием длиннопериодных флуктуационных помех (см. § 6), носящих аддитивный характер и потому сказывающихся на общей суммарной погрешности измерения.
Таким образом, будучи достаточно простым устройством, феррозонд позволяет проводить прецизионные измерения векторных величин магнитного поля, а также малых угловых перемещений каких-либо тел, находящихся в геомагнитном или искусственно созданном поле. Благодаря высокой надежности, малым габаритам, весу и энергопотреблению феррозонды могут с успехом использоваться в качестве датчиков угла рассогласования в различного рода следящих системах начиная с простейших курсоуказателей и кончая системами ориентации космических аппаратов.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
КОНСТРУКТИВНОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ ФЕРРОЗОНДОВ
8. Выбор материала и технология изготовления сердечников
Сердечники феррозондов изготавливаются, как правило, из железоникелевых сплавов, характеризующихся наибольшими значениями магнитной проницаемости и, и малыми значениями коэрци-78
тивной силы Нс. Как указывалось в § 6, наиболее приемлемыми сплавами являются 80НХС, 79НМ и 79НМ-У. Эти сплавы обладают низким уровнем магнитных шумов [15] и имеют малые константы анизотропии [105], что позволяет изготавливать из них сердечники различной формы, в том числе и применяемые в феррозондах с поперечным возбуждением. Кроме того, эти сплавы обладают хорошей температурной стабильностью и достаточно высоким удельным электрическим сопротивлением, что делает их пригодными не только для работы на звуковых, но и на более высоких частотах. К достоинствам сплава 80НХС можно отнести отсутствие в нем дорогостоящего и дефицитного молибдена, сравнительно простую и дешевую технологию получения сплава.
Магнитные свойства указанных сплавов приведены в табл. 4 [15, 145] К На практике, как правило, имеет место производственный разброс магнитных свойств материалов, вызванный наличием
Таблица 4
Марка сплава Толщина мм с <3/Л4 Относительная проницаемость материала т л Точка Кюри, °C
^нач Iх макс Ид макс
80НХС о,1 2—3 22 000 120 000 240 000 0,7 330
0,05 3—3,5 20 000 80 000 —
0,01 3,5—4 — — НО 000
79НМ 0,1 1—2 20 000 120 000 450 000 0,85 450
0,05 2—3 16 000 90 000 —
0,01 2—3 — — 190 000
79НМ-У 0,1 0,5—1 22 000 150 000 525 000 0,75 400
0,05 1-2 20 000 120 000 —
0,01 2—3 — 310 000
содержания в нем примесей и неизбежными колебаниями его химического состава, а также возможными изменениями в степени обжатия при прокатке и термической обработке. Поэтому в табл. 4 даны минимальные значения нормальной начальной и максимальной проницаемости. Как отмечено в [15], для сплавов 80НХС и 79НМ-У величины максимальной проницаемости могут в ряде случаев иметь гораздо большие значения.
1 См. также ГОСТ 10160—62.
79
Из табл. 4 следует, что магнитные свойства материалов зависят от их толщины. С уменьшением толщины эти свойства ухудшаются. Однако, если учесть, что на магнитные свойства сердечников феррозонда, как правило, сильно влияет их форма (см. § 2), то указанное ухудшение свойств с уменьшением толщины сердечников, равно как и производственный разброс параметров материала, не оказывает существенного влияния на величины рмакс и рд макс. Действительно, из выражения (30) видно, что при выполнении условия Лщ > 1 проницаемость сердечника (тела) практически не зависит от изменения проницаемости вещества (материала).
Поэтому при выборе толщины материала для сердечников феррозонда обычно исходят не из стремления использовать наибольшие значения проницаемости вещества, а из других соображений. К ним относятся:
а) обеспечение конструктивной жесткости сердечников;
б) обеспечение наиболее простой технологии их изготовления;
в) исключение поверхностного эффекта (скин-эффекта) для выбранной частоты поля возбуждения.
Жесткость сердечников необходима для защиты их от механических воздействий. Механические воздействия приводят к ухудшению характеристик сердечников, в частности, к увеличению коэрцитивной силы Нс [146]. Увеличение же коэрцитивной силы сопряжено с увеличением потерь на гистерезис, а также с возможным увеличением уровня магнитных шумов [122], см. § 6. Кроме того, как было показано в § 7, механические воздействия, приводящие к искривлению или излому сердечников, отрицательно сказываются на диаграмме направленности феррозондов.
Наибольшие механические воздействия сердечники испытывают в момент настройки феррозонда, когда производят подбор их в пары с целью получения минимального уровня помехи (так называемой э. д. с. небаланса), см. § 1, 6. Поэтому толщину стержневых сердечников дифференциальных феррозондов, как правило, выбирают не менее 0,1 мм.
Выбор толщины стержневых сердечников не менее 0,1 мм выгоден и в технологическом отношении. Подобные сердечники могут изготавливаться с помощью штампа. Штамповка — наиболее простой и дешевый способ изготовления сердечников. В то же время этот способ обеспечивает идентичность геометрических размеров сердечников, что чрезвычайно важно, так как именно эти размеры и определяют величину максимальной проницаемости тела. Штамповка позволяет также изготавливать идентичные по размерам сердечники не только прямоугольной формы, но и иной, более сложной, формы, например, в виде стрелок (рис. 27, а) и т. п.
На опыте установлено, что при толщине материала 0,1 мм с помощью штампа вполне возможна вырубка сердечников, характеризующихся отношением длины к ширине порядка 50. В табл. 5 приведены основные типоразмеры стержневых плоских сердечников, изготовление которых из материалов толщиной 0,1 мм освоено 80
Таблица 5
Форма сердечника (контур вырубкн) Длина, мм Ширина, мм Примечание
Прямоугольник 100 2,0
» 70 1,5
Стрелка 145 3,0
» 70 3,о Концы стрелок имеют радиус
» 50 2,5 закругления порядка 0,5 мм
» 30 2,0
способом штамповки. Вырубка сердечников производится таким образом, чтобы их продольные оси оказались направленными вдоль прокатки материала. Вырубку партии сердечников желательно производить из одного и того же листа или полосы материала.
После вырубки сердечники освобождаются от заусениц и рихтуются. Освобождение от заусениц может производиться различными методами, в том числе электрополировкой на переменном токе [145]. Затем сердечники обезжириваются (протираются бензином или растворителем) и сушатся в термостате при температуре порядка 50° С в течение 30—40 мин. Во время сушки сердечники должны быть расположены так, чтобы обеспечивался свободный доступ воздуха к их поверхностям.
С целью максимальной очистки материала сердечников от вредных примесей, наиболее полной рекристаллизации сплава и обеспечения в нем благоприятной для магнитных свойств структуры производится отжиг сердечников. Для этого сердечники аккуратно, рядами закладываются в контейнер из жароупорного неокисляю-щегося материала и пересыпаются порошком чистой окиси алюминия во избежание возможного спекания их друг с другом. Предварительно порошок окиси алюминия прокаливается на чистом противне при температура +800° С в течение 3 ч, охлаждается на воздухе и просеивается через мелкое сито с диаметром ячеек 0,5 мм. Порошок не должен содержать угольной пыли, окалины и других загрязнений. Один или несколько контейнеров с уложенными в них сердечниками помещаются в камеру печи для отжига.
Отжиг производится в энергично рафинирующих средах (сухой очищенный водород или вакуум с остаточным давлением порядка 1 • 10-2 мм рт. ст.). Опыт показал, что наиболее простым и дешевым является вакуумный отжиг. После обеспечения необходимого уровня остаточного давления включается обогрев печи и в течение 2—3 ч температура внутри печи доводится до 1100° С. При этой температуре дается выдержка в продолжение 3—4 ч, после чего обогрев печи отключается. До температуры порядка 600° С охлаждение производится со скоростью 200° С в час. Затем дверца печи открывается, и охлаждение до комнатной температуры Д20° С идет более интенсивно. Контроль температуры внутри печи на протяжении нагрева, выдержки и охлаждения
6 Ю. В. Афанасьев 81
осуществляется с помощью термопары и пишущего гальванометра. Результаты контроля фиксируются на специальных круговых диаграммах, утвержденных Комитетом стандартов, реестр № 36.
Отожженные сердечники аккуратно вынимаются из контейнера (при этом спекшиеся друг с другом сердечники сразу же бракуются), путем обдува освобождаются от окиси алюминия и укладываются в тару, обеспечивающую их хранение при отсутствии механических воздействий. Иногда отожженные сердечники сразу же подклеиваются к предохраняющим их гетинаксовым пластинкам (см. § 9) и уже в таком, окончательно подготовленном для настройки феррозонда виде поступают на хранение.
Обеспечение жесткости сердечников и наиболее простой технологии их изготовления за счет использования материалов толщиной не менее 0,1 мм находится, однако, в известном противоречии с исключением эффекта поверхностного экранирования, если частота поля возбуждения выбирается достаточно высокой. Эффект поверхностного экранирования состоит в том, что при наличии электропроводных свойств упомянутых сплавов (удельное электрическое сопротивление их соответствует примерно 60 мком-см) проникновение переменного магнитного потока в глубь материала зависит от частоты намагничивающего поля [911. Очевидно, что безгистерезисная зависимость В , (Но), о которой говорилось в § 6, п. 2, может быть достигнута лишь при условии проникновения переменного магнитного потока на глубину не менее половины толщины сердечника. Вопрос о глубине проникновения переменного потока в зависимости от электропроводности материала, его магнитной проницаемости и частоты намагничивающего поля подробно рассмотрен в работе [91 ]. На основании полученных в этой работе формул в [13] для упомянутых сплавов дано простое соотношение:
/1^(2 ... 4)-±-, (125)
где h — толщина сердечника в мм, f — частота поля намагничивания (возбуждения) в гц. Отсюда предельные значения частот для соответствующих толщин сердечников будут х:
h, мм f, гц
1,0 1,6-10
0,1 1,6-Ю3
0,01 1,6-ю5
0,001 1,6-107
Стремление повысить частоту возбуждения феррозондов базируется, с одной стороны, на расширении информационных возмож-
1 Необходимо заметить, что численный коэффициент в формуле (125), по-видимому, нуждается в уточнении Во всяком случае для разомкнутых сердечников экспериментально установлено, что при толщине 0,1 мм безгистерезисная зависимость В ц (Яо) наблюдалась и на частоте, в четыре раза превышающей предельную (см главу четвертую, а также [159]).
82
ностей феррозондовых устройств, с другой — на миниатюризации и повышении надежности этих устройств. Расширение информационных возможностей состоит в том, что при повышении частоты поля возбуждения, в соответствии с известной теоремой Котельникова [147], повышается и верхняя граничная частота спектра измеряемоего поля. Это приводит к возможности создания быстродействующих магнитометров, магнитометров переменных магнитных полей, магнитометров для одновременного измерения постоянных и переменных полей и т. п. Миниатюризация феррозондовых устройств основывается на том, что с повышением рабочей частоты резко уменьшаются габариты и вес таких радиотехнических элементов, входящих в схему различных измерительных устройств, как трансформаторы, дроссели, конденсаторы и т. п. Это позволяет использовать в феррозондовых устройствах узлы в микро-модульном исполнении, шире применять печатный монтаж, твердые интегральные схемы и т. п. Миниатюризация — реальный шаг к внедрению дублированных или квадрированных магнитометрических систем, резко повышающий их надежность. Миниатюризированные магнитометры и градиентометры могут найти применение при проведении наземных поисковых работ, скважинных исследований и т. д. Миниатюризированные и вместе с тем высоконадежные магнитометрические системы и устройства крайне необходимы для проведения различных экспериментов в космическом пространстве.
Как уже отмечалось, из соображений обеспечения конструктивной жесткости и технологичности изготовления стержневые сердечники для феррозондов выштамповываются из материала толщиной не менее 0,1 мм. Поэтому, если речь идет о резком повышении рабочих частот феррозонда (порядка сотен килогерц), что возможно лишь при толщинах сердечников, измеряемых микронами, вопросы обеспечения жесткости и технологичности таких сердечников должны решаться иными путями.
В этом плане могут оказаться перспективными кольцевые феррозонды [116], сердечники которых представляют собой витые тороиды по типу применяемых в магнитных усилителях и выполняемых из пермаллоевых лент толщиной 0,01—0,05 мм (10—50 мк). Несмотря на сложность нарезки подобных лент, их обработки (снятие заусениц и обезжиривание), электроизоляции и самой навивки, технологию изготовления подобных сердечников можно считать хорошо освоенной [145]. Для придания сердечнику необходимой жесткости навивка ленты может производиться на стеатитовый керамический каркас, вместе с которым осуществляют отжиг сердечника и который сохраняется в дальнейшем как механическая основа сердечника.
По-видимому, следует считать перспективным и применение в феррозондах трубчатых сердечников, выполненных в виде тонких ферромагнитных покрытий, путем осаждения материала на
6* 83
жесткое керамическое, стеклянное или пластмассовое основание. Технология производства подобных покрытий бурно развивается в последние годы в связи с изучением особенностей и свойств тонких магнитных пленок [15, 148], а также их практическим использованием в различных устройствах вычислительной техники [149]. Из многочисленных методов осаждения ферромагнитных покрытий [148, 150] для изготовления сердечников феррозонда может быть рекомендован метод электрохимического осаждения металлов из солей на катод (электролиз). Для этого вся поверхность трубчатой или какой-либо иной изоляционной основы либо части этой поверхности покрываются тончайшей металлизированной подложкой. Подложку наносят химическим путем или способом катодного распыления. Пермаллоевые покрытия получают, как правило, благодаря использованию сернокислых электролитов, содержащих NiSO4 и FeSO4 [150].
Метод электроосаждения позволяет:
1) без особых трудностей получать покрытия толщиной 5—10 мк (такая толщина необходима для того, чтобы избавиться от некоторых отрицательных свойств, присущих собственно магнитным пленкам значительно меньшей толщины, а также для обеспечения необходимой анизотропии формы сердечников по отношению к измеряемому полю, см. § 2, 7, 9);
2) наносить покрытие на основу любой формы, в том числе и на наиболее устойчивую к механическим воздействиям трубчатую основу;
3) достигать высокой воспроизводимости магнитных свойств покрытий от образца к образцу;
4) получать изотропные покрытия с высокими значениями магнитной проницаемости [151], что крайне желательно при использовании трубчатых сердечников в феррозондах с поперечным возбуждением (см. § 9).
Кроме того, необходимо отметить, что метод электроосаждения является сравнительно дешевым методом, не требующим каких-либо специальных температурных и других условий, могущим быть освоенным на любом промышленном предприятии.
Изготовленные методом электроосаждения трубчатые сердечники различной длины и диаметра с толщиной ферромагнитного слоя 3—10 мкм испытаны автором совместно с Л. Г. Кадинской в феррозондах, работающих на частотах возбуждения порядка сотен килогерц (особенности конструктивного выполнения таких феррозондов описываются в следующем параграфе). Испытания показали, что при сохранении в покрытиях процентного содержания никеля и железа, примерно равного соотношению этих элементов в ранее указанных сплавах (см. табл. 4), трубчатые сердечники, изготовленные методом электроосаждения, могут использоваться в феррозондах наравне со стержневыми и кольцевыми сердечниками.
84
При этом очевидно, что трубчатые сердечники толщиной 5— 10 мкм целесообразнее всего использовать в высокочастотных феррозондах.
9. Особенности конструктивного выполнения феррозондов
Рассмотренные в § 3 специфические особенности, присущие двум основным режимам работы феррозонда и являющиеся классификационными признаками по принципу действия, естественно, не могут быть положены в основу классификации или перечисления конструкций феррозондов. Очевидно, что, коль скоро упомянутые режимы определяются через соотношение напряженностей измеряемого и вспомогательных полей, то какую бы конструкцию не имел феррозонд, принципиально он может работать как в первом, так и во втором режиме.
Значительно большее влияниее на особенности конструктивного выполнения феррозондов оказывает способ наложения вспомогательного переменного поля. Феррозонды с поперечным возбуждением, как правило, заметно отличаются по конструкции от феррозондов с продольным возбуждением.
Еще большее и, по-видимому, главенствующее влияние на конструкцию феррозонда оказывает сама форма примененных в нем сердечников, а также их механические и другие свойства, определяемые технологией изготовления (см. § 8).
Учитывая это, а также принимая во внимание, что осуществление способа поперечного возбуждения, как правило, предполагает использование трубчатых сердечников, существующие конструкции можно разделить на три основные группы:
1) стержневые феррозонды;
2) кольцевые феррозонды;
3) трубчатые феррозонды.
, Рассмотрим особенности конструктивного выполнения феррозондов, входящих в каждую группу.
1. Как уже отмечалось, наиболее распространенным типом стержневого феррозонда является дифференциальный феррозонд, конструкция которого в общих чертах показана на рис. 1, б. Кроме дифференциальных феррозондов, содержащих по крайней мере два стержневых сердечника \ известны и находят применение также и одностержневые феррозонды. По своему конструктивному выполнению одностержневые феррозонды, несомненно, проще дифференциальных. Однако в свете изложенного в § 7 это вовсе не означает, что к конструкциям одностержневых феррозондов предъявляются менее жесткие требования, чем к конструкциям дифференциальных феррозондов. Поэтому, ознакомившись с тре-
1 Иногда полуэлементы дифференциального феррозонда содержат не по одному, а по несколько сердечников, собираемых в пакет.
85
бованиями, предъявляемыми к конструкциям дифференциальных феррозондов, можно составить представление и о требованиях к одностержневым феррозондам.
Конструкция дифференциального феррозонда должна обеспечивать:
а) сохранность магнитных свойств сердечников как в процессе настройки феррозонда, так и в процессе его эксплуатации;
б) прямолинейность укладки сердечников в пазы полуэлементов феррозонда;
в) высокую степень параллельности продольных осей сердечников, уложенных в пазы полуэлементов феррозонда;
г) неизменность положения обмоток относительно сердечников;
д) необходимую однородность переменных и постоянных полей, создаваемых с помощью обмоток;
е) высокую жесткость всей конструкции в целом и защитного чехла в частности, предохраняющего сердечники и обмотки от внешних механических воздействий.
Обеспечение сохранности магнитных свойств сердечников во время настройки феррозонда обычно достигается за счет подклейки к ним предохраняющих гетинаксовых пластинок. Пластинки могут подклеиваться как с одной, так и с двух сторон сердечника. Ширина пластинок обычно равна ширине сердечника, длина же превышает длину сердечника на 5—10 мм, а иногда и более в зависимости от того, на сколько длина сердечника меньше длины обмотки возбуждения, а следовательно, и длины каркаса полуэлемента феррозонда. Подклейка осуществляется на небольшой части поверхности сердечника, в центре или с одного из его концов, во избежание возможных стягивающих усилий при удлинении или укорочении сердечника под воздействием колебаний температуры окружающей среды. Подклейку производят клеем БФ-4.
В некоторых, особенно ответственных случаях, когда наряду с низким порогом чувствительности феррозонда необходимо обеспечить и высокое постоянство его диаграммы направленности и когда габариты феррозонда не имеют существенного значения, может быть рекомендован способ укладки сердечников в специальные пластмассовые или керамические пеналы, обладающие повышенной жесткостью. Укладка в пеналы также предусматривает подклейку небольшой части поверхности сердечника к дну пенала, из которого сердечник никогда не вынимается. При настройке подбор и замена сердечников производятся вместе с пеналами.
Требования по п. б, в и г обеспечиваются в нужной степени, если детали феррозонда изготовлены из плотного и температуроустойчивого материала, если они обработаны и пригнаны друг к другу с надлежащей точностью, если правильно учтены возможные механические нагрузки на каждую деталь в отдельности, а также если хорошо продумана последовательность операций всей сборки феррозонда.
86
Совершенно неподходящим материалом для изготовления деталей феррозонда является органическое стекло, неолейкорит и т. и. Хорошие результаты были получены при использовании радиотекстолита (рис. 31) и прессматериала АГ-4С (рис. 32). Безусловно желательными материалами являются керамика,радиофарфор и т. п., хотя изготовление из них фигурных деталей встречает определенные технические трудности. Иногда отдельные детали феррозонда, например, каркасы полуэлементов, несущие на себе обмотки возбуждения, изготавливают из металлов (латуни, дюр-
Рис. 31. Элементы конструкции дифференциального феррозонда стержневого типа.
1 — полуэлемент с обмоткой; 2 — два склеенных гюлуэлемента, 3 — концевые втулки, 4 — склеенные полуэлементы с втулками, 5 — сердечники, подклеенные к гетинаксовым пластинкам, 6 — конструкция с нанесенной измерительной обмоткой (собственно феррозонд); 7 — катушка компенсации; 8 — защитный чехол,
алюминия и др.). Такие детали должны быть разрезными во избежание образования короткозамкнутых витков. По той же йричине вставляемый в паз металлического каркаса ферромагнитный сердечник должен быть электрически изолирован от внутренней поверхности паза.
Материалы, из которых изготавливаются детали феррозонда (исключая, конечно, сами сердечники), должны быть немагнитными. Недопустимо и загрязнение деталей магнитными материалами (стальной стружкой, опилками и т. п.) в процессе изготовления. Объемная магнитная восприимчивость отдельных деталей феррозонда не должна превышать 10~5—10“4 единиц СИ. Оценка объемной восприимчивости, как правило, производится с помощью астатических магнитометров [28, 152].
Дополнительная обработка и подгонка деталей производятся в соответствии с указаниями в чертежах и утвержденным технологическим процессом. При этом поверхности деталей, предназначенные для склеивания; зачищаются наждачной бумагой, проти-
87
раются спиртом или ацетоном, просушиваются на воздухе, после чего на них наносится тонкий слой клея БФ-4. Слой подсушивается в термостате до полного высыхания. Затем на охлажденные поверхности наносится второй слой, который вновь подсушивается. Детали со склеиваемыми поверхностями зажимаются в специальных приспособлениях и сушатся в течение 2—3 ч при температуре около 60° С. При склеивании и сушке каркасов полуэлементов феррозонда в пазы, предназначенные для сердечников, вставляются специальные оправки (вкладыши). Эти же оправки вставляются и при нанесении обмоток на каркасы.
Нанесение обмоток производится, как правило, станочным способом. Провод укладывается виток к витку, каждый слой обмотки пропитывается шеллаком. Во время намотки производится счет витков. Каркасы с нанесенными иа них обмотками возбуждения, образующие полуэлементы феррозонда, комплектуются попарно по наибольшей сходимости омических и индуктивных сопротивлений (допустимое расхождение обычно составляет десятые доли процента от номинальных значений). Измерительная (вторичная) обмотка в некоторых случаях наматывается одновременно с двух катушек с последующим соединением конца одной половины обмотки с началом другой. В случае заземления одного из концов обмотки подобное соединение ее половин позволяет уменьшить влияние электромагнитных наводок на контур выходной цепи. Как указывалось в § 6, измерительная обмотка должна быть короткой и размещаться в центральной части сердечников. Очень часто в каркасе, предназначенном для нескольких обмоток (измерительной, компенсационной, калибровочной и т. д.), для измерительной обмотки предусматривается специальное углубление (рис. 32). По мере нанесения обмоток их концы подпаиваются к соответствующим выводным контактам штыревого типа.
После проверки всех обмоток на отсутствие короткозамкнутых витков можно приступить к сборке феррозонда. Прежде всего осуществляются выверка, подгонка и склеивание укомплектованных в пару полуэлементов феррозонда. Необходимо заметить, что от качества проведения этих операций зависит степень достижимой параллельности пазов, а следовательно, и продольных осей сердечников, о необходимости которой говорилось в § 7. Процесс склеивания описан выше. Затем склеенные полуэлементы, образующие сердцевину феррозонда, аккуратно вставляются внутрь каркаса измерительной обмотки. Соприкасающиеся поверхности при этом предварительно покрываются клеем. Клеем покрываются также и торцевые части поверхностей. Собранный таким образом феррозонд просушивается, после чего он считается подготовленным для настройки.
Во время настройки сердечники вместе с подклеенными к ним гетинаксовыми пластинками должны свободно, хотя и с небольшим трением, проходить в пазы полуэлементов феррозонда. Угловые перемещения сердечников при этом совершенно недо-88
пустимы, должна быть обеспечена возможность лишь поступательного движения сердечника в направлении продольной оси. При перемещении усилия прилагаются не к самому сердечнику, а к подклеенным к нему гетинаксовым пластинкам.
Сущность настройки сводится к тому, что за счет подбора идентичных в магнитном отношении сердечников добиваются необходимого для выбранного режима работы минимального уровня э. д. с помехи (см. §1,6) при одновременном обеспечении заданной чувствительности. Феррозонд считается достаточно хо-
Рис. 32. Элементы конструкции дифференциального феррозонда стержневого типа.
1 — каркас для измерительной и компенсационной обмоток, 2 — защитный чехол, 3 — феррозонд в собранном виде без чехла; 4 —[сердечники, подклеенные к гетинаксовым пластинкам, 5 — полуэлемеиты феррозонда.
рошо настроенным (отбалансированным), если величина q, вычисляемая по формуле (16) и соответствующая напряженности некоего фиктивного поля, не превышает 103у (для второго режима работы)1. При настройке, как отмечалось в § 7, необходимо следить, чтобы концы сердечников не оказались смещенными относительно друг друга. Смещения не будет, если выступающие из пазов части гетинаксовых пластинок окажутся одинаковыми по длине. Эти же выступающие части служат и для закрепления сердечников в нужном положении; по достижении минимального уровня помехи они заливаются радиоголоваксом или каким-либо
1 В работе [114] качество настройки дифференциального феррозонда предложено оценивать коэффициентом
q Uт ^2 “ UN ~ ’
где Um — напряжение возбуждения, UN — напряжение помехи, w1, w2 —число витков первичной и вторичной обмоток соответственно Феррозонд считается достаточно хорошо отбалансированным, если С лежит в пределах 150—500.
89
иным составом, связывающим их с торцевыми поверхностями полуэлементов и общего каркаса феррозонда.
После настройки на феррозонд надевается защитный чехол. С целью обеспечения влагоустойчивости, а также для придания дополнительной жесткости всей конструкции в целом торцевые части феррозонда, содержащие выводные концы из мягкого много-
жильного провода, часто заливаются эпоксидным компаундом.
Процентный состав компаунда: смола эпоксидная ЭД-6 (ВТУ МХП М-646-55) — 77%; пластификатор—дибутилфталат (ГОСТ 8728—58-10) — 15,3%; отвердитель — полиэтиленполиамин (ВТУ
МХП-10-55) — 7,7%. Заливка должна быть произведена в про-
Рис 33 Конструкция каркасов кольцевых феррозондов (вид сверху; штриховыми линиями показано положение сердечников).
межуток времени 30— 40 мин с момента образования компаунда. По истечении этого времени начинается переход компаунда в твердое состояние. Полное отвердение компаунда наступает через 6—8 ч.
Готовые феррозонды проходят контроль на сохранность достигнутых при настройке параметров, маркируются, после чего
подвергаются производственным испытаниям на соответствие требованиям технических условий.
Успешно прошедшие цикл испытаний феррозонды могут сразу же быть использованными для производства магнитных измерений.
2. Как отмечалось в § 8, технология изготовления сердечников кольцевых феррозондов во многом схожа с применяемой при изготовлении сердечников магнитных усилителей. То же самое следует сказать и о конструктивном выполнении этих устройств. Поэтому, отсылая читателей к более обстоятельным руководствам [14, 15, 108, 145], мы акцентируем внимание лишь на наиболее
существенных моментах конструирования, в частности, вытекающих из изложенного в § 7.
Прежде всего, сердечник со стеатитовым керамическим каркасом, или без этого каркаса, аккуратно укладывается в тороидальный защитный каркас. В этом защитном каркасе сердечник не должен перемещаться в каком-либо направлении.
Защитный каркас обычно состоит из двух частей: собственно каркаса и крышки, которая плотно скрепляется с каркасом, например склеивается, после укладки в него сердечника. Внешняя поверхность каркаса может иметь специальные углубления для измерительных обмоток (рис. 33). Углубления должны быть выполнены заранее в строгом соответствии с разметкой. Если каркас изготавливается способом прессовки, то соответствующая разметка делается при проектировании и изготовлении пресс-формы.
90
В углубления наматываются строго одинаковые количества витков провода. Обмотки попарно балансируются. Для этого каждая пара обмоток соединяется так, чтобы при подаче переменного тока в одну из обмоток другой, перпендикулярной, пары э. д. с., наводимые в балансируемых обмотках, вычитались. Путем добавления одного-двух витков к одной из балансируемых обмоток добиваются минимального значения э. д. с. разбаланса. Аналогичным образом балансируется и другая пара обмоток.
После балансировки обмоток последние могут быть залиты связующим компаундом. Цель заливки — закрепить витки измерительных обмоток и подготовить каркас для нанесения обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения наносится равномерно по всей окружности каркаса. Обмотка может быть как однослойной, так и многослойной, в зависимости от выходного сопротивления генератора, к которому будет подключен феррозонд. Витки обмотки возбуждения могут быть также закреплены связующим компаундом. Изготовленный таким образом феррозонд помещается в защитный чехол, имеющий выводные контакты.
Разумеется, могут быть предложены и иные варианты конструктивного выполнения кольцевых феррозондов.
Кольцевые феррозонды не получили широкого распространения в практике магнитных измерений. Кроме работы [153], в которой описан прибор, содержащий кольцевые феррозонды и предназначенный для измерения остаточной намагниченности и магнитной восприимчивости веществ, автору не удалось обнаружить каких-либо дополнительных сведений об использовании феррозондов этого типа.
Как отмечалось в § 7, кольцевой феррозонд с двумя ортогонально расположенными системами обмоток (см. рис. 30, в и 33, а) может найти применение в системах следящего привода. Очевидна целесообразность применения кольцевых феррозондов и в системах магнесинной синхронной передачи угловых перемещений [15, 154]. В этом случае измерительная цепь образует не две, а' три системы обмоток. Форма каркаса для такого феррозонда изображена на рис. 33, б. Феррозонд с тремя парами измерительных обмоток может быть использован, например, в качестве датчика дистанционного компаса.
3. В отличие от стержневых сердечников, практически намагничиваемых под действием одной, продольной компоненты поля, и кольцевых сердечников, намагничиваемых под действием двух компонент, расположенных в плоскости кольца, намагниченность трубчатых сердечников, в общем случае, может оказаться функцией трех компонент поля. Действительно, при значительном диаметре трубки она сочетает в себе свойства кольцевого и стержневого сердечников.
Пусть, например, ферромагнитная трубка, изготовленная методом электроосаждения (см. § 8) имеет размеры: длина /ц = = 30 мм, диаметр D = 2/? = 10 мм и толщина h = 10-3 мм =
91
= 1 мкм. Найдем продольную и поперечную проницаемость такого сердечника. Воспользовавшись упрощенной формулой (35), считая материал изотропным и полагая, что для обоих случаев справедливо соотношение 2Vp > 1, с учетом (31) имеем:
ц;^0,18-^; р* ^0,18-^, (126)
где Sy = 2nRh. и s± = l\\h — площади поперечного сечения сердечника в продольном и поперечном направлениях соответственно. Подставив числовые значения, получаем р* ^5,4-103 ир^^ь-л=1,5-103, т. е. продольная и поперечная проницаемость тела имеет один и тот же порядок.
В § 7 отмечалось, что изотропия формы сердечников является нежелательным явлением в плане достижения однозначной диаграммы направленности феррозонда. Напротив, анизотропия формы крайне желательна. Очевидно, это обстоятельство должно учитываться при проектировании феррозондов с трубчатыми сердечниками.
Практически необходимая анизотропия формы может быть без особых трудностей достигнута за счет уменьшения диаметра трубчатых сердечников. Из (126) следует, что, если уменьшить диаметр трубчатого сердечника на порядок при сохранении его длины и толщины, то продольная проницаемость тела увеличится на порядок, тогда как поперечная — уменьшится на два порядка. При таком соотношении проницаемостей последней практически можно пренебречь. Трубчатый сердечник малого диаметра будет обладать такой же анизотропией формы, как и стержневой.
Трубчатые сердечники могут быть использованы в феррозондах как с продольным, так и с поперечным возбуждением.
В феррозондах с поперечным возбуждением применение трубчатых сердечников по сравнению с проволочными [55, 60] более выгодно, так как трубчатый сердечник:
а) не разогревается током возбуждения, ибо последний протекает не по сердечнику, а по осевому проводу (рис. 22);
б) равномерно промагничивается циркулярным полем возбуждения во всем объеме (из-за малых толщин трубок, получаемых методом электроосаждения, отношение внешнего диаметра к внутреннему близко к единице);
в) обладает необходимой жесткостью (в силу специфики изготовления, см. § 8).
На рис. 34 схематически изображены три типа возможных конструкций феррозондов с поперечным возбуждением.
В конструкции первого типа (рис. 34, а) [155] поперечное поле возбуждения создается с помощью тороидальной обмотки, витки которой охватывают внутреннюю и внешнюю поверхность трубчатого сердечника от торца к торцу. Измерительная обмотка наложена поверх возбуждающей обмотки обычным способом. Поскольку витки обмоток взаимно перпендикулярны, достигается 92
электромагнитная развязка между измерительной цепью и цепью возбуждения.
Опыт показывает, что в подобных феррозондах малейшая неравномерность намотки или перекос витков обмоток приводят к существенному ухудшению соотношения сигнал/помеха. Правда, в работе 1155] предложено балансировать такие феррозонды за счет правого или левого закручивания системы витков тороидальной обмотки вокруг продольной оси сердечника, для чего в торцевой части феррозонда предусматривается специальное поворотное устройство (на рис. 34, а не показано). Однако на практике подобный способ балансировки оказался не очень
Рис. 34. Схематическое изображение трех возможных типов конструкций трубчатых феррозондов с поперечным возбуждением.
эффективным. Поворотное устройство усложняет конструкцию феррозонда и вовсе не гарантирует сохранность достигнутой балансировки при механических и других воздействиях.
В работе [155] трубчатый сердечник предложено изготавливать из листового пермаллоя. С целью устранения анизотропии пермаллоя, обусловленной его текстурой, а также исключения эффектов остаточной продольной намагниченности предложено наносить на листовой пермаллой специальные насечки, искривляющие направления переменного и постоянного магнитных потоков таким образом, что на отдельных микроучастках сердечника потоки становятся параллельными.
Применение листового пермаллоя не позволяет существенно повысить рабочую частоту феррозонда. Поэтому в работе [156] феррозонд рассматриваемого типа выполнен на ферритовом трубчатом сердечнике. С той же целью автором совместно с Л. Г. Кд-динской испытан феррозонд подобного типа с пермаллоевым сердечником толщиной 6 мкм, изготовленным методом электроосаждения (см. § 8). На частоте f = 100 кгц феррозонд имел чувствительность по второй гармонике порядка 10 мкв!у и потреблял мощность около 100 мет. Что касается постоянства соотношения сигнал/помеха, то феррозонду оказались присущи все те недостатки, о которых говорилось выше.
93
Другой тип конструкции феррозонда с поперечным возбуждением [157] изображен на рис. 34, б. В этой конструкции обмотка возбуждения образована осевым проводом и внешним металлическим чехлом (показан штриховыми линиями). По существу это та же тороидальная обмотка, но с множеством параллельных витков. Разница состоит лишь в том, что такая «обмотка» может быть выполнена достаточно жесткой и строго коаксиальной по отношению к трубчатому сердечнику. Действительно, нетрудно представить себе конструкцию феррозонда, состоящую из осевого провода, двух керамических трубок разного диаметра, входящих одна в другую, несущих ферромагнитное покрытие и измерительную обмотку, поверх которых одета металлическая трубка \ Дно трубки электрически соединяется с осевым проводом, с другой торцевой стороны провод и металлическая трубка непосредственно сопрягаются с коаксиальным кабелем. Металлическая трубка одновременно служит чехлом для феррозонда.
Очевидно, что подобная конструкция обладает необходимой жесткостью, благодаря чему обеспечивается высокое постоянство соотношения сигнал/помеха. Феррозонды этого типа просты в изготовлении и не нуждаются в настройке или юстировке.
К недостаткам феррозондов этого типа можно отнести лишь сравнительно низкий импеданс цепи возбуждения, что при согласовании с транзисторными генераторами требует применения понижающих трансформаторов с соотношением витков порядка 50 : 1 и более. Однако этот недостаток не является принципиальным. Кроме того, с повышением частоты поля возбуждения импеданс цепи возбуждения возрастает.
Феррозонд данной конструкции с сердечниками, полученными методом электроосаждения, может быть рекомендован для работы на радиочастотах, вплоть до нескольких мегагерц. При этом шунтирующее действие внешней металлической трубки (чехла) будет сказываться тем меньше, чем дальше она отстоит от измерительной обмотки.
Еще одна разновидность конструкции феррозонда с поперечным возбуждением изображена на рис. 34, в. В этой конструкции используются два трубчатых сердечника, продольные оси которых, так же как и в дифференциальном феррозонде, располагаются параллельно. Осевой провод последовательно проходит через оба сердечника, образуя цепь возбуждения. Измерительная обмотка наматывается поверх обоих сердечников.
Разработка этой последней конструкции может быть оправдана лишь в том случае, если в ней использовать готовый комбинированный провод (ферромагнитный материал осажден непосредственно на поверхность медной проволоки). Изогнутый в виде петли и уложенный в какой-либо каркас так, чтобы образовались парал-
1 Заметим, что в ряде случаев может оказаться целесообразным размещение измерительной обмотки поверх металлической трубки [157].
94
лельные участки длиной 10—15 мм, такой провод сразу же образует и цепь возбуждения, и магнитную цепь. Достаточно намотать поверх этого провода в перпендикулярном направлении 100— 200 витков обычного медного провода, чтобы получить простейший феррозонд, обладающий на частотах порядка 100 кгц вполне приемлемой чувствительностью (1—3 мкв!у).
Следует заметить, что проектирование феррозонда последнего типа в прецизионном исполнении вряд ли целесообразно, поскольку по чувствительности, порогу чувствительности и потребляемой мощности он уступает аналогичному по сложности дифференциальному феррозонду с продольным возбуждением.
Рис 35. Детали и общий вид конструкции дифференциального феррозонда с трубчатыми сердечниками, работающими на высоких частотах
Конструкция (общий вид и детали) дифференциального феррозонда с продольным возбуждением и трубчатыми сердечниками, изготовленными методом электроосаждения, показана на рис. 35.
Сердечник / имеет длину 30 мм и диаметр 0,15 мм. Его механической основой служит медная проволока, на остеклованную поверхность которой нанесена серебряная подложка толщиной 0;5 мкм, а на нее методом электроосаждения — слой пермаллоя (Ni = 79%, Fe = 21%) толщиной 10 мкм. При указанных размерах трубчатого ферромагнитного сердечника поперечной компонентной проницаемости тела, в соответствии с выражением (126), можно пренебречь. Сердечник 1 помещается внутрь кварцевой трубки 2 (каркас полуэлемента). Полуэлемент феррозонда — кварцевая трубка с обмоткой возбуждения — поз. 3, поз. 4 — текстолитовая основа с двумя углублениями для полуэлементов феррозонда, 5 — текстолитовый каркас для измерительной обмотки, 6 — собранный феррозонд без внешнего чехла; 7 — феррозонд в жестком дюралюминиевом чехле, одновременно являющемся экраном. При измерении переменных полей взамен дюралюминиевого чехла можно использовать неметаллический.
Настройка такого феррозонда аналогична настройке обычного дифференциального феррозонда со стержневыми сердечниками.
95
Роль гетинаксовых пластинок, подключаемых к стержневым сердечникам, в данном случае выполняет медная проволока, длина которой выбирается больше длины рабочей части ферромагнитного покрытия. Это позволяет закреплять сердечники в нужном положении путем подпайки по крайней мере одного из его концов, свободных от ферромагнитного покрытия, к специально предусмотренным металлическим держателям.
Небольшая партия опытных образцов феррозондов данной конструкции разработана в ОКБ МГ СССР и испытана автором совместно с Л. Г. Кадинской, А. Ф. Яковлевым и Е. Н. Гусевым. Испытания показали, что при числе витков измерительной обмотки w2 = 150 и наличии дюралюминиевого чехла чувствительность феррозонда по второй гармонике (2/ = 500 кгц) в перевозбужденном режиме работы (Нт 4HS, см. § 5, 6) составила около 3 мкв!у. После кратковременного наложения на феррозонд сильного магнитного поля (Н 800 а/м) явлений остаточной намагниченности и магнитного последействия обнаружено не было (ошибка измерения за счет погрешностей аппаратуры и влияния внешних помех не превышала нескольких гамм). Мощность, потребляемая феррозондом, в выбранном режиме работы составляла около 80 мет.
Полученные данные, разумеется, не являются исчерпывающими.
Однако уже сейчас эти феррозонды могут найти применение в измерительных устройствах и системах, требующих миниатюризированного исполнения. Выбор высокой рабочей частоты способствует такому исполнению. Эти же феррозонды могут быть использованы и для измерения слабых переменных полей в диапазоне частот от нескольких герц до нескольких десятков килогерц (см. главу пятую).
Таким образом, стержневые, кольцевые и трубчатые феррозонды, обладая различными специфическими особенностями, не конкурируют, а скорее дополняют друг друга, расширяя информационные возможности феррозондов, а следовательно, и сферу их применимости.
10. Пример расчета феррозонда на заданные параметры
Произведем расчет наиболее распространенного дифференциального феррозонда со стержневыми плоскими сердечниками, работающего во втором режиме. При этом под заданными параметрами будем понимать габаритные размеры (главным образом длину феррозонда), чувствительность по второй гармонике в режиме холостого хода (амплитудное или эффективное значение), а также условия обеспечения устойчивости нуля и низкого порога чувствительности (см. § 6). При этом нас будут интересовать также 96
полное выходное сопротивление, полное сопротивление цепи возбуждения, потребляемая феррозондом мощность \
Пусть длина проектируемого феррозонда будет не более 80— 85 мм, а чувствительность на холостом ходу в рабочем режиме порядка 10—20 мкв/у (амплитудное значение).
Учитывая возможно большее сокращение поперечных размеров феррозонда, а также желательность изготовления сердечников способом штамповки (см. § 8), останавливаемся на размерах сердечника 70x1,5x0,1 мм3. В качестве материала выбираем сплав 80НХС.
Для толщины сердечника h = 0,1 мм предельная частота поля возбуждения в соответствии с выражением (125) равна 1,6-103 гц\ принимаем f = 1,5 • 103 гц.
Учитывая рекомендации, данные в § 6 и 7, принимаем длину измерительной обмотки lw = 30 мм. Предполагаем также, что обмотка будет расположена симметрично относительно центра сердечника. Отсюда, в соответствии с формулой (40) и табл. 2, находим
kl
4-0,15 I In
Уу =
3,6-70
1,5 4- 0,1
3,14 702
0,75 3
-303
1,65-10’4.
— 1
я з
Взяв из табл. 4 значение максимальной проницаемости и умножая его на полученный коэффициент, убеждаемся, что соотношение Ур > 1 выполняется. В соответствии с (30) это позволяет не учитывать возможные изменения проницаемости материала и с учетом (31) полагать, что проницаемость сердечника (тела) целиком определяется его формой:
р* = = т ~ 6 • 103.
Далее можно воспользоваться формулой (94) и написать выражение для количества витков измерительной (вторичной) обмотки:
Ml -- ----2____
2 32Д£р0тД ’
(127)
где
1~^-- <128>
г т
Коэффициент А находим с учетом выражения (108); принимаем
ДП=ЗУ5. (129)
Отсюда А = 0,315.
1 Очевидно, что в зависимости от назначения проектируемой аппаратуры и условий ее эксплуатации перечень задаваемых параметров может быть пополнен.
7 Ю. В. Афанасьев 97
Теперь необходимо найти коэффициент Этот коэффициент зависит от конструктивных параметров и в общем случае может быть представлен как произведение по крайней мере трех сомножителей
£ = (130)
где — коэффициент, зависящий от близости сердечников, £2 — коэффициент, зависящий от среднего диаметра измерительной обмотки, — коэффициент, зависящий от шунтирующего действия сердечников или каких-либо металлических частей, образующих короткозамкнутые витки по отношению к измерительной обмотке.
Физический смысл коэффициента gx очевиден. Действительно, при соприкосновении двух сердечников площадь поперечного сечения удваивается, что в соответствии с (40) приводит к удвоению значения коэффициента размагничивания Ny и в соответствии с (31)— уменьшению в два раза проницаемости сердечника. Напротив, при разнесении сердечников на расстояние, равное или большее их длины, взаимодействием сердечников можно пренебречь. Поскольку на практике сердечники дифференциального феррозонда, как правило, располагаются на очень близком расстоянии друг от друга, во всяком случае на расстоянии, значительно меньшем их длины, указанное взаимодействие должно быть учтено. Исследованию этого вопроса посвящены работы [13, 158—160]. На основании теоретического анализа и опытных данных, приведенных в работе [160], для соотношений LH 0,05, где L — расстояние между средними плоскостями сердечников и I — длина сердечников, коэффициент £х можно вычислить по формуле [13]:
__L
h = (131)
здесь тс — проницаемость формы системы из двух сердечников и
Предполагая, что в проектируемом феррозонде расстояние между сердечниками будет L = 2ч-3 мм, подставляя соответствующие значения в (131), находим
£х = 0,58-4-0,61 ^0,6.
Коэффициент ^3, как правило, близок к единице. Он может быть вычислен по формуле [159]:
g2 =-—(132)
98
где jcp — средний диаметр измерительной обмотки. Предполагая, что в проектируемом феррозонде dcp — 10ч-12 мм, находим
= 0,98.
Коэффициент 13 для проектируемого феррозонда может быть приравнен единице, поскольку в нем используются плоские сердечники и остальные детали будут изготовлены из непроводящих материалов1.
В соответствии с выражением (130) получаем:
1 = 0,6-0,98-1,0 ^0,59.
Подставив значения величин А и | в (127) и выражая заданную чувствительность феррозонда в в-м/а, находим:
2,5-1С)~ _9450
> * > » >
Индуктивное сопротивление измерительной обмотки феррозонда определим по формуле
xL = 2®£эфф = , (133)
где Лэфф и РдЭфф — эффективные значения индуктивности и дифференциальной проницаемости сердечника соответственно, s — площадь поперечного сечения одного сердечника. С учетом аппроксимации ц* (Н) ломаной линией, см. рис. 11 и выражение (87), имеем:
Г л ’ ~ ___
^эфф = ]/ 4г! = (134)
о
Отсюда, принимая во внимание выражение (58), взамен (133):
получаем
- __ 1/2 arcsin HHSm
xL--------------- у --------
tfly J I
(135)
Подставляя в (135) численные значения, находим: “ 2,52-10-1,5 -103-6- 10е-1,5-10'7-1,26-10~6-0.6-6-103
----------------------згйР------------------------Х
т/2-0,34 „ 0о
X у —3/4— = 2,38 ком.
Выбрав для измерительной обмотки медный провод диаметром dnp = 0,06 мм и считая средний диаметр витка dcp = 11 мм,
1 В случае использования трубчатых сердечников и внешних металличе-
ских чехлов (см. § 9, рис. 35) коэффициент будет, естественно, отличаться
от единицы.
9:
99
находим активное сопротивление обмотки:
p/ср 4pdcpu,g 4.р75-10-8-1,1 - Ю-2-2,45-Ю3 Л -о
г = —— — —д— =-----------------g ё 'К-.)------= 0,53 ком.
snp j2p 3,6-10 9
Здесь р — удельное сопротивление, /пр — длина провода, snp — площадь поперечного сечения провода.
Пренебрегая емкостным сопротивлением измерительной обмотки, полное сопротивление вычисляем по формуле
Z = К г2 + xl = V0,532 + 2,382 = 2,44 ком.
Знание полного сопротивления, а также его реактивной и активной компонент позволит в дальнейшем правильно согласовать феррозонд с измерительной схемой.
Перейдем теперь к расчету цепи возбуждения феррозонда.
Исходя из выбранной аппроксимации: Bs = цотН3, а также с учетом (129) имеем
= (136>
Отсюда эффективное значение тока возбуждения можно вычислить по формуле
/эфф = . (137)
ф 1/2^1 1^2 кд руи '
Для обмотки возбуждения выбираем провод диаметром 0,2 мм. На каждом каркасе полуэлемента длиной 76 мм размещается 315 витков (один слой). Получаем:
, __ 3-0,7.7,6-10-3 —47 4
- [дьздд.Ю2-1,26-10-6-6-103 — ма-
Рассматривая цепь возбуждения как две последовательно включенные индуктивности полуэлементов феррозонда, найдем индуктивное сопротивление обмотки возбуждения 1
/ ; Hs
X/, — 2ьЭфф(0 — i у л ’ О'Эо)
где буквенные обозначения со штрихами соответствуют величинам, относящимся к цепи возбуждения. Поскольку обмотки полу
1 Опыт показывает, что при расчете цепи возбуждения дифференциального феррозонда даже при столь близком расположении сердечников (2—3 мм) их взаимным влиянием можно пренебречь. По этой причине в формулу (138) не введен какой-либо коэффициент [ср. формулу (135)]. Кроме того, в формулу (138) правильнее было бы ввести не 1л*'эфф, а просто ц*фф = Вэфф Однако
при 0
численные значения указанных величин примерно совпадают.
100
элементов имеют длину, равную или несколько большую длины сердечников, проницаемость т' вычисляем по формуле
, 1 я;2(1 — т) _
т 4sfln—— 1) “
у V д + /1 J
________3,14-702-0,75____~ 4- 7 1 оз
— ТТ 3,6-70 \ — .
4'0,15 \ П 1,5 + 0Д )
Сравнивая значения тит', видим, что они существенно отличаются друг от друга. Подставляя в (138) численные значения, находим
1,26-10-1,5-103-3,152-104-1,5-10'7-1,26.10_б-4,7-103
XL — 7-10-2 Х
д Г 2-0,34 , , ,
Х V 3,14 ~ 11,1 0М-
Активное сопротивление обмотки возбуждения при диаметре витка d1 = 4,2 мм будет
, SpdX 8-1,75-10-8-4,2.10-3-3,15-102 . с
' “ w
Полное сопротивление обмотки возбуждения вычисляем по формуле
z' = Y(г')2 +~ЙУ2 = ф'4,6г^Ги2 =12 ом.
Теперь можно найти эффективное значение рабочего напряжения, подводимого к обмотке возбуждения:
^эФф = W = 0,0475-12 = 0,57 в.
Полная мощность, расходуемая на возбуждение феррозонда, . будет
Р = /эффПэфф = z /эфф = 12-4,752 -10~4 = 27 мва.
При этом активная мощность
Рг = //1фф = 4,6-4,752-10~4 = 10,2 мет.
и реактивная
Рх = х/э<!ф= 11,1-4,752-10“4 = 25 метр.
На основании приведенных расчетных данных был спроектирован феррозонд, конструкция которого изображена на рис. 32 и описана в § 9. Технология изготовления примененных в феррозонде сердечников описана в § 8.
Ниже приводится табл. 6, по данным которой можно судить о степени соответствия расчетных параметров экспериментальным.
149 101
Таблица 6
Наименование параметра Расчетное значение Измеренное значение
Чувствительность (амплитудное значение), мкв!у 20 13,2
Полное выходное сопротивление, ком 2,44 2,2
Активное сопротивление выходной (измерительной) обмотки, ом ................. 530 500
Ток возбуждения с учетом условия Нт = 3Hs (эффективное значение), ма 47,5 47,1
Напряжение возбуждения (эффективное значение), в 0,57 0,53
Полное сопротивление цепи возбуждения, ом . . . Активное сопротивление обмотки возбуждения, ом 12 11,3
4,6 4,9
Полная мощность, потребляемая в цепи возбуждения, мва 27 25
Указанные в табл. 6 измеренные значения получены при работе феррозонда в режиме заданного тока (синусоидальной напряженности поля). Измерения проводились с помощью контрольноиспытательного комплекса, изображенного на рис. 3. Ток возбуждения подавался от генератора с внутренним сопротивлением 600 ом и добавочным внешним сопротивлением 100 ом. Рабочий ток устанавливался путем предварительного определения тока, соответствующего наибольшей чувствительности, и умножения этого значения на коэффициент 3/фЛ2 = 2,13, величина которого была найдена из соотношений (93) и (129). Выходное сопротивление феррозонда определялось путем подключения параллельно входу анализатора гармоник магазина сопротивлений и подбора такой величины нагрузки, при которой выходное напряжение уменьшалось вдвое.
j,, Была произведена также оценка чувствительности феррозонда в режиме заданного напряжения (синусоидальной индукции). При этом чувствительность феррозонда оказалась равной 18 мкв!у, а рабочий ток — 51,1 ма.
В заключение отметим, что заниженные экспериментальные данные по чувствительности, по сравнению с расчетными, вполне естественны и объясняются тем, что реальная зависимость ц* (®0 отличается от аппроксимируемой (см. рис. 11), тогда как именно последняя и положена в основу вывода формулы (94), используемой в расчете. Из-за плавного характера реальной зависимости р* (ы/) амплитуды четных гармоник проницаемости будут всегда меньше по сравнению с вычисляемыми по формуле (89). При синусоидальном поле возбуждения расхождение между вычисленными и измеренными значениями будет более значительным с ростом величины т. Однако при иной форме поля возбуждения [100, 160] это расхождение будет минимальным, независимо от величины т.
102
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
СОПРЯЖЕНИЕ ФЕРРОЗОНДОВ С ЭЛЕМЕНТАМИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ
11. Согласование с генератором
В § 3 отмечалось, что по отношению к измеряемому полю феррозонды, работающие в первом режиме (Нт С + Но), проявляют себя как типичные нелинейные устройства, тогда как феррозонды, работающие во втором режиме Нй^Нт, Н2 = 0), могут рассматриваться как параметрические устройства, к которым в известной мере применим принцип суперпозиции. Иначе обстоит дело, если речь идет о цепи возбуждения. При Но = const феррозонды, работающие в первом режиме, могут рассматриваться по отношению к полю возбуждения как линейные устройства (амплитуда поля возбуждения настолько мала, что ее изменения не приводят к изменению среднего значения проницаемости), феррозонды же, работающие во втором режиме, являются по отношению к полю возбуждения типичными нелинейными устройствами (как было показано в предыдущем параграфе, эффективное значение проницаемости зависит от амплитуды поля возбуждения). Именно поэтому в выражениях (66), (68), (70) и др., относящихся к феррозондам, работающим в первом режиме, чувствительность прямо пропорциональна амплитуде Нт, а в выражениях (84), (94), (101) и др., относящихся к феррозондам, работающим во втором режиме, чувствительность является нелинейной функцией от Нт (см. рис. 21 и 24).
Заметим, что феррозонды дифференциального типа, работающие в первом режиме, практически не меняют своего полного сопротивления по цепи возбуждения и при изменении поля Яо, поскольку уменьшение индуктивного сопротивления в одном полуэлементе компенсируется увеличением индуктивного сопротивления в другом полуэлементе феррозонда1.
По указанным причинам не возникает каких-либо трудностей при согласовании дифференциальных феррозондов, работающих в первом режиме, с генераторами. Для этого достаточно вычислить полное сопротивление цепи возбуждения
г = / (Г)2 + (<)г,
где г — омическое сопротивление обмотки возбуждения и x,L — индуктивное. При выполнении условия (Vp > 1 индуктивное
1 Постоянство полного сопротивления цепи возбуждения, разумеется, имеет место лишь в пределах рабочего диапазона измеряемых полей, на участке DE, а также зависит от установки рабочей точки, задаваемой полем (см. § 3,
рис. 10),
103
сопротивление с учетом (71) может быть вычислено по формуле
- __97 _ 2л/те^Иот’
Хд — ном^ — ;
tw
Здесь буквенные обозначения со штрихами, так же как и в формулах § 10, указывают на то, что речь идет о величинах, относящихся к цепи возбуждения феррозонда. По полному сопротивлению z' и производится согласование с генератором. Поскольку величина г' практически не зависит от измеряемого поля, то с учетом выражений (66), (68), (70) и др., принимая во внимание, что
г __ Um __ Н
т ~~ г' ш1
имеем:
AGi А(7т б? ~ Um ’
(140)
т. е. относительные приращения чувствительности феррозонда при любом значении поля Но прямо пропорциональны приращению напряжения Um.
Несколько иначе обстоит дело с одностержневыми феррозондами, работающими в первом режиме. Очевидно, что в феррозондах этого типа величина z' зависит от напряженности измеряемого поля Н0 (эта зависимость как раз и положена в основу магнитометров, схемы которых изображены на рис. 19 и 20). Поэтому при согласовании таких феррозондов с генераторами предпочтителен режим заданного тока, что практически всегда и выполняется на практике.
Феррозонды, работающие во втором режиме, независимо от величины измеряемого поля являются по отношению к полю возбуждения нелинейными устройствами. Как следует из изложенного в § 10, при синусоидальном поле возбуждения величина р,*'эфф зависит от Нт, а следовательно, и z' зависит от lm. С увеличением тока возбуждения величина г' уменьшается, причем степень уменьшения не зависит от того, какое значение выходной э. д. с. феррозонда — среднее, пиковое или амплитудное одной из четных гармоник (см. § 5) — при этом измеряется. В § 10 показано, как рассчитать величину г' для любого заданного соотношения Зная величину г' и 1т, можно произвести согласование феррозонда с генератором.
Однако данная задача не столь тривиальна как в случае согласования с генератором феррозонда, работающего в первом режиме. Трудность состоит в том, чтобы установить, насколько устойчиво достигнутое согласование при возможных отклонениях параметров феррозондов (например, при их серийном изготовлении) и к каким 104
изменениям чувствительности феррозондов приведет возможное изменение выходного напряжения генератора. Очевидно, что, интересуясь этой последней зависимостью, необходимо знать, какое из перечисленных выше значений выходной э. д. с. изме-
ряется.
Рассмотрим особенности согласования дифференциального феррозонда с выходом на удвоенной частоте при синусоидальной напряженности поля возбуждения. Для анализа воспользуемся аппроксимацией Bs = pomHs и выражением (94).
Заметим также, что режим синусоидальной напряженности
поля возбуждения может быть достигнут двумя различными
способами. Первый способ состоит в том, что последовательно с обмоткой возбуждения,_ полное сопротивление которой z' является функцией амплитуды 1т тока возбужде-
ния, включается активное сопротивление R такой величины, чтобы в пределах возможного изменения выходного напряжения Umg генератора выполнялось соотношение R > z' (рис. 36, а). Второй способ состоит в том, что последовательно
Рис. 36. К выявлению особенностей согласования феррозонда с генератором.
с той же обмоткой возбуждения включается фильтр нижних частот, пропускающий только первую гар-
монику тока, причем внутреннее со-
противление генератора выбирается примерно равным сопроти-
влению z' (рис. 36,6). Первый способ эквивалентен осуществлению режима заданного тока. В этом режиме ток, протекающий в цепи возбуждения, определяется главным образом величиной сопротивления R и не зависит от возможных отклонений сопро-'тивления z'. Очевидно также, что в этом режиме зависимость С2 будет повторять зависимость G2 (Нт)- Второй способ не эквивалентен осуществлению режима заданного тока. Поскольку сопротивление z' феррозонда соизмеримо с внутренним сопроти-
влением z(- генератора, то с изменением г' ток 1т в цепи также изменится. Поэтому и зависимость G2 (Umg) в данном случае будет существенно отличаться от зависимости G2 (Нт).
Представим выражение (94) в виде:
^2—
(Hl)
где = 32/sw2^pom — постоянный коэффициент и К2 (Н!г1) ==
Hs 1 [ Н2
— I/ 1 — —2--------коэффициент, зависящий от амплитуды Нт
11,п г Г1
т поля возбуждения. Дифференцируя (141) по Нт, находим связь
105
между относительными приращениями амплитуды поля возбуждения и чувствительностью феррозонда:
AG3 _ AHm
G2 ~ dHm ' К.г(Нт)
Очевидно, что на основании изложенного выше для режима заданного тока (см. рис. 36, а) выражение (142) позволяет записать
(143)
В частности, для рабочего поля возбуждения Нт = 3HS (см. § 6, 10) имеем
^д=__0,87^ Utng
(144)
Знак минус в правой части равенства показывает, что с увеличением амплитуды выходного напряжения генератора чувствительность феррозонда уменьшается.
Очевидно также, что для схемы, изображенной на рис. 36, б, соотношение (143) неприменимо, поскольку в этом случае из-за нелинейного характера функции Im
&Нт &Umg
Нт Umg
Найдем связь между Нт и Umg, предполагая для упрощения выкладок, что г и xL > г£. Поскольку
— ''L (77m) /т, г ____ Нт1
1,11 “ W1 ’
то с учетом (138) получаем
t/mg = 4/&y1sporn'#m
2 arcsin -р—
Нт
л
(145)
AGa _
106
По аналогии со (141) выражение (145) можно представить в виде
Umg. — ^3^4 (^m)i
(И6)
где К3 = 4fw1S[i0m' J/ ----постоянный коэффициент, К±(Нт) =
= Нт 1/" arcsin^- —коэффициент, зависящий от амплитуды поля возбуждения. Дифференцируя (146) по Нт, найдем связь между относительными изменениями амплитуды напряжения генератора и поля возбуждения:
dK. (Нт) . АН,П
Umg dH т KUH/rj
(147)
или
A 77 m
Нт
At/nig Ung
Ids
(148)
Подставив (148) в (142), получаем
AG2
g2
n H”1 Hs
9 H”1 Hs
, -o . Hs
1-----s- arcsin
“tn
Jim
Hs .
—— arcsin
H2
m
^-1 nm
AUmg U mg
(149)
В частности, для поля возбуждения Нт — 3HS
—0,87 g2
1,92
0,92
MJ mg __ ______ р AG(;tg
t/ mg ’ U mg
(150)
Сравнивая численные коэффициенты в выражениях (144) и (150), видим, что для схемы, изображенной на рис. 36, б, зависимость чувствительности феррозонда от колебаний выходного напряжения генератора более резкая, чем для схемы, изображенной на рис. 36, а. И тем не менее схема рис. 36, б находит применение на практике как наиболее экономичная в энергетическом отношении. В некоторых случаях нелинейная зависимость 7m (T^mg), присущая этой схеме, может быть использована для стабилизации выходного напряжения генератора.
В заключение отметим, что для возбуждения феррозондов могут использоваться генераторы самого различного типа. Для пи-
107
тания феррозондов, работающих в первом режиме, можно использовать маломощные генераторы RC- или АС-типа, выполненные на одном транзисторе. Как правило, в цепи возбуждения этих феррозондов отсутствуют и какие-либо фильтры. Для питания феррозондов, работающих во втором режиме, используются более мощные транзисторные или ламповые генераторы, выполненные преимущественно по двухтактным схемам. Применение двухтактных схем снижает уровень четных гармоник в выходном напряжении генераторов [16, 82, 161]. Для этой же цели в цепи возбуждения феррозондов, особенно в устройствах, предназначенных для измерения слабых магнитных полей, устанавливаются фильтры нижних частот (на рис. 36, б фильтр обведен штриховой линией), имеющие наибольшее затухание на частоте второй гармоники и значительное затухание на частотах высших гармоник тока. Если фильтр используется для обеспечения режима синусоидальной напряженности поля возбуждения или не используется вообще и согласование с генератором осуществляется при условии, что z' zt, то между генератором (собственно генератором) и феррозондом предусматривается буферный каскад, например, транзисторный, собранный по схеме с общим эмиттером или с общим коллектором. Наличие буферного каскада устраняет реакцию феррозонда на колебательный контур генератора, благодаря чему гарантируется стабильность рабочей частоты последнего независимо от возможных изменений тока возбуждения, а следовательно, и индуктивного сопротивления xl феррозонда.
Заметим также, что весьма перспективными устройствами для питания феррозондов, работающими во втором режиме, являются генераторы прямоугольных импульсов [99, 100, 160, 162]. При их использовании достигается не только максимальная чувствительность феррозонда, но и постоянство ее индуктивного сопротивления xl (разумеется, при условии Нт > Hs)- Однако применение таких генераторов, собранных по известным схемам, в высокочувствительных магнитометрах встречает определенные трудности в части фильтрации четных гармоник тока в цепи возбуждения феррозонда.
12. Особенности работы феррозондов под нагрузкой
При работе феррозонда под нагрузкой на его сердечники, кроме измеряемого На и вспомогательных полей Нх и Я2, начинает действовать дополнительное поле Я3, образуемое током, протекающим по измерительной обмотке. Действие этого поля в целом ряде случаев, особенно при работе феррозонда на емкостную нагрузку, должно быть учтено, так как в противном случае режим работы становится неустойчивым.
Сказанное прежде всего относится к феррозондам, работающим во втором режиме, поскольку устойчивость или неустойчивость 108
работы феррозонда в этом режиме сопряжена с эффектом магнитного выпрямления [15, 108, 163]. Эффект заключается в следующем.
Пусть дифференциальная магнитная проницаемость р* сердечников феррозонда под воздействием поля возбуждения Нг изменяется так, как это показано на рис. 37 (сравним рис. 11). Если ток второй гармоники, протекающий по измерительной обмотке и создающий поле Н3, совпадает по фазе с полезной э. д. с., его вызывающей, то дополнительная индукция В (7/3) в сердечниках не будет содержать постоянной составляющей (рис. 37, а). Однако на практике в связи с комплексным характером выходного сопро-
Рис 37. к пояснению эффекта магнитного выпрямления, обусловленного током нагрузки.
тивления феррозонда (см. § 10) и комплексным характером нагрузки начальная фаза тока, протекающего по обмотке, как правило, не совпадает с начальной фазой выходной э. д. с. Обозначим разность фаз между э. д. с. и током через <р. Тогда, если ср > 0 (рис. 37, б), то в составе индукции В (Я3) появляется постоянная составляющая, знак которой отрицателен. Если же ср < 0 (рис. 37, в), то в составе индукции В (Я3) появляется постоянная составляющая, знак которой положителен. Эффект возникновения постоянной составляющей индукции при наложении на сердечники переменного поля, кратного по частоте полю возбуждения, и называют магнитным выпрямлением. Этот эффект аналогичен синхронному выпрямлению (детектированию), осуществляемому в электрических цепях [16, 22, 93, 164].
На рис. 38 изображена эквивалентная схема выходной цепи феррозонда, работающего на комплексную нагрузку ZH. Здесь г — внутреннее выходное сопротивление феррозонда для выбранной амплитуды и частоты поля возбуждения, ZH — комплексное внешнее сопротивление, в частности представляющее собой цепь с параллельным соединением сопротивления R, индуктивности L и емкости С. Формулы для вычисления ZH приведены в § 10.
109
Комплексное сопротивление ZH для второй гармоники тока вычисляется по формуле
2 =_______... _ 1______ , ,
Н 1/7 1 Y2 ( 1 — 4со2ЛС \2 ’
V \ R ) + ( 2и£ /
Чтобы не усложнять дело, рассмотрим работу феррозонда на активную, индуктивную и емкостную нагрузки в отдельности.
При активном характере нагрузки и соотношении R > г имеем режим, близкий к холостому ходу. По существу этот режим и имеет место при определении чувствительности феррозонда с помощью анализатора гармоник или лампового вольтметра, имеющих высокое входное сопротивление (см. рис. 3). Если же 7? ~ г, то получаем режим, близкий к оптимальному согласованию феррозонда по мощности. Пусть х1_=2<о£эфф^> д> г (см. § 10), тогда угол ср в выбранном масштабе (рис. 37) будет
Рис. 38. Эквивалентная схема измерительной цепи феррозонда.
arctg-p-
<Р= ----2--->0.
(151)
Следовательно, ток i2, протекающий по измерительной обмотке, будет отставать по фазе от э. д. с. е2, что соответствует случаю, когда магнитное выпрямление приводит к возникновению постоянной составляющей индукции, имеющей отрицательный знак и потому ослабляющей индукцию, вызываемую измеряемым полем Яо (рис. 37, б). Указанное ослабление индукции в сердечниках эквивалентно введению отрицательной обратной связи, что, безусловно, гарантирует устойчивую работу феррозонда.
При индуктивном характере нагрузки (xL ~ xL, xL > г) достигается еще большая устойчивость работы феррозонда, поскольку угол ф при этом не только положителен, но и приближается к своему максимальному значению
Ф =
л
Т'
(152)
Если ф = л/4, то эффект магнитного выпрямления максимален, а следовательно, при прочих равных условиях (оптимальном согласовании феррозонда с нагрузкой по мощности) в систему вводится наиболее глубокая отрицательная обратная связь.
Иначе обстоит дело, если нагрузка носит емкостной характер. В этом случае полное сопротивление, подключенное к эквивалентному генератору, будет
z = ]Лг2 + (х4 — хс)2
110
и разность фаз между э. д. с. е2 и током t2 (полем Н3)
t XL~XC arctg------
Ф =-------------> (154)
где Хс = ]/2(оС — емкостное сопротивление нагрузки.
Из (153) следует, что при емкостном характере нагрузки величина и знак угла <р зависят от величины и знака разности
XL — хс. _
Если xL > хс, т. е. 2(оЛэфф > 1/2(оС, то ф > 0 и, как (указывалось выше, в систему вводится отрицательная обратная связь, вследствие чего режим работы феррозонда оказывается устойчивым.
Если xL = хс, то ф = 0. Этот случай соответствует резонансу напряжений, и вся цепь, подключенная к эквивалентному генератору, ведет себя как активное сопротивление. При xL — = хс г ток второй гармоники, ограничиваемый лишь сопротивлением г, .достигает наибольшего значения. Это позволяет путем включения в схему сопротивления R = г выделить на нем максимальную полезную мощность, отдаваемую феррозондом. Различные варианты схем подобного согласования феррозонда с активной нагрузкой рассмотрены в работе [165].
Если xL <Z хс, то ф 0- Этот случай эквивалентен введению в систему положительной обратной связи (знак постоянной составляющей индукции В (Н3) совпадает со знаком индукции, вызываемой измеряемым полем Нй, см. рис. 37, в). При наличии положительной обратной связи работа феррозонда становится неустойчивой. Характерные признаки этого режима работы:
а) резкое увеличение чувствительности;
б) неустойчивость нуля при смене знака измеряемого поля (так называемое явление «затягивания», заключающееся в том, что изменение фазы выходного сигнала на 180° сопряжено с необходимостью наложения на феррозонд поля противоположного знака значительно большей величины, чем это требуется при работе в обычном режиме);
в) возможное возникновение устойчивой генерации на частоте первой гармоники, когда выходное напряжение уже не является функцией измеряемого поля.1
Возможность увеличения чувствительности феррозонда за счет использования хотя бы частичной емкостной нагрузки, безусловно, заманчива. И совершенно не случайно этому вопросу было посвящена весьма обстоятельная работа [18]. Однако, как показали
1 Возникновение устойчивой генерации феррозонда при емкостной нагрузке на чатоте первой гармоники есть не что иное, как явление параметрического резонанса [16, 22, 27]. Именно это явление со всей очевидностью доказывает правомерность параметрической трактовки при описании принципа действия феррозондов, работающих во втором режиме (см. § 3).
111
дальнейшие исследования [166, 167] и главным образом экспериментальные данные, подобный способ увеличения чувствительности, во всяком случае для устройств, измеряющих слабые маг-
нитные поля, не может быть рекомендован.
Для обеспечения устойчивости нуля феррозонда, работающего на емкостную нагрузку в 118] предложено увеличивать активное сопротивление измерительной обмотки, шунтировать емкость активным сопротивлением, а также использовать режим возбуж-
дения, характеризующийся
Рис. 39. К выявлению особенностей работы феррозонда подемко-стной нагрузкой
Очевидно, что по целому ряду причин, изложенных в § 6, данный режим возбуждения не может обеспечивать устойчивости нуля и низкого порога чувствительности. Экспериментально подтверждено также, что емкостная нагрузка, при прочих равных условиях, усугубляет неустойчивость нуля даже и в том случае, если активное сопротивление измерительной обмотки велико, а режим возбуждения соответствует соотношению (108). Однако повышение активного сопротивления измерительной обмотки все же следует считать полезным, так как оно вносит необходимое затухание в колебательную систему, гарантирующее условия, при которых в достаточно широком диапазоне изменения рабочих частот (в 1,5—2 раза), амплитуды поля возбуждения и подключаемого емкостного сопротивления параметрической генерации не возникает. Это обстоятельство имеет практическую ценность, поскольку позволяет один и тот же феррозонд использовать в схемах, работающих на разных рабочих частотах, при различной амплитуде поля возбуждения и различных нагрузках, в том числе носящих и емкостной характер.
На рис. 39 приведены кривые изменения чувствительности в зависимости от величины емкости, подключаемой к выходным клеммам феррозонда, расчет которого дан в § 10. Кривые, изображенные на рис. 39, а, получены на частоте поля возбуждения 112
f = 1,5 кгц', кривая 1 соответствует оптимальному режиму возбуждения (Н1П = ]/2Я5), кривая 2— перевозбужденному режиму (Нт = 3HS). Кривые, изображенные на рис. 39, б, получены на частоте поля возбуждения / = 5 кгц, причем кривая 1 также соответствует оптимальному режиму возбуждения, а кривая 2 — перевозбужденному. На обоих рисунках чувствительность феррозонда дана в относительных единицах.
Из приведенных кривых видно, что при одном и том же активном сопротивлении измерительной обмотки (порядка 500 ом, см. § 10) влияние емкостной нагрузки на частоте f = 5 кгц проявляется сильнее (наблюдается относительное увеличение чувствительности в 5—10 раз), чем на частоте f = 1,5 кгц, где в оптимальном режиме возбуждения наблюдается относительное увеличение чувствительности примерно в 2 раза, а в перевозбужденном режиме изменения чувствительности крайне незначительны.
Заметим, что этот же феррозонд на частоте f = Юн-15 кгц и при наличии емкостной нагрузки обладал чувствительностью порядка 0,3—2 мв/у. При этом наблюдалась крайняя неустойчивость нуля (явление «затягивания», о котором говорилось выше). При определенной амплитуде поля возбуждения феррозонд начинал генерировать на частоте первой гармоники, причем фаза генерации при отключении и подключении емкостной нагрузки случайно занимала два значения, отличающихся на 180° (контроль осуществлялся с помощью осциллографа по фигурам Лис-сажу), что свидетельствовало об идентичности наблюдаемых процессов с имеющими место в различного типа параметрических генераторах и параметронах [168].
Эти же явления могут наблюдаться и на более низких частотах, в том числе и на частоте / = 1,5 кгц, если измерительную обмотку феррозонда выполнить из провода большего диаметра, т. е. при понижении ее активного сопротивления. Надежное исключение этих явлений при необходимости работы феррозонда на емкостную нагрузку достигается при выполнении соотношения х:
xjr^8. (154)
Если при проектировании феррозонда выдвигается требование его универсальности в части устойчивой работы под нагрузкой любого характера, то соотношение (154) может быть добавлено к расчетным формулам, приведенным в § 10.
Подытоживая сказанное, отметим, что несмотря на ряд мер, повышающих устойчивость феррозонда при работе на емкостную нагрузку, этот режим согласования не может быть рекомендован для магнитометров с низким порогом чувствительности. Экспериментально установлено, что даже частичная емкостная нагрузка приводит к увеличению уровня флуктуаций нуля (см. § 6).
1 Эмпирическое выражение (154) может быть заменено более точными, хотя и более сложными формулами, приведенными, например, в работе [221.
8 Ю. В. Афанасьев . 113
В то же время, безусловно, может быть рекомендован режим работы на согласованные индуктивную и активную нагрузки, а также режим холостого хода, преимущества которого очевидны (Н3 = 0) и были отмечены еще в работе Вурма [48].
13. Способы выделения полезного сигнала
Согласование феррозонда с той или иной нагрузкой тесно связано с выбранным способом выделения полезного сигнала на фоне помехи, обусловленной главным образом проникновением энергии поля возбуждения в измерительную (выходную) цепь.
В § 1, 5 и 6 было показано, что применительно к феррозондам, работающим в первом режиме, т. е. с выходом на основной частоте, мы встречаемся с принципиальными трудностями, так как методы частотной фильтрации оказываются здесь практически непригодными. Некоторое улучшение соотношения сигнал/помеха может дать лишь фазовая фильтрация, поскольку напряжение помехи содержит не только синфазную, но и квадратурную составляющие (см. § 6). Поэтому целесообразно применение синхронных детекторов в магнитометрах с феррозондами, работающими в первом режиме (см. рис. 2). Из выражения (107) следует также, что одна из составляющих помехи пропорциональна квадрату амплитуды поля возбуждения. В то же время из выражений (8), (66) и др. следует, что чувствительность феррозондов этого типа пропорциональна первой степени амплитуды поля возбуждения. Следовательно, улучшение соотношения сигнал/помеха может быть получено также и за счет разумного выбора амплитуды поля возбуждения.
С целью дальнейшего улучшения соотношения сигнал/помеха в феррозондах, работающих в первом режиме, резонен переход к схемам магнитометров с частотным или фазовым выходом (см. § 5, рис. 19). В этом случае влияние помехи, создаваемой полем возбуждения, исключено, так как измеряемое поле преобразуется в сигналы, соответствующие приращению частоты, или фазы, а не амплитуды выходного напряжения. Непосредственное сопряжение феррозонда с емкостной нагрузкой (см., например, рис. 19, а) не приводит к каким-либо нежелательным явлениям, поскольку, как отмечалось в § 11, феррозонды, работающие в первом режиме, по отношению к полю возбуждения ведут себя как линейные устройства, в которых не могут иметь место ни эффект магнитного выпрямления, ни параметрическая генерация, рассмотренные в предыдущем параграфе. Отметим, что при увеличении амплитуды поля возбуждения и емкостном характере нагрузки эти эффекты, разумеется, возникают. В этом случае феррозонд с постоянным подмагничиванием (Я2 0) может генерировать на
половинной частоте [27], т. е. становится прямым аналогом параметрона [168]. Однако, как отмечалось в § 3, режим работы
/> Hs (Н0 < HJ, Н2ф0 для феррозондов нецелесообразен. 114
Выделение полезного сигнала из выходного напряжения феррозондов, работающих во втором режиме, позволяет прежде всего использовать частотную фильтрацию, так как сигналом в этом случае являются четные, а помехой — нечетные гармоники напряжения. Однако кроме частотной фильтрации возможны и иные способы выделения четных гармоник из выходного напряжения феррозонда.
Рис. 40. Простейшие схемы выделения четных гармоник из выходного напряжения феррозондов, работающих во втором режиме.
На рис. 40 изображены простейшие схемы магнитометров, в которых выделение четных гармоник осуществляется благодаря использованию симметричных нелинейных сопротивлений или их эквивалентов.
Схема рис. 40, а предложена сотрудниками ИФМ АН СССР [10]. Схема состоит из дифференциального феррозонда 1, двух встречно включенных диодов 2 и измерительного прибора 3 (микроамперметра) с большой постоянной времени.
Вольтамперная характеристика двух встречно включенных диодов, образующих нелинейное симметричное сопротивление, изображена на рис. 40, б. Если к такому сопротивлению подвести напряжение нечетных гармоник, являющихся помехой, то выпрямления тока не произойдет и стрелка измерительного прибора 3 останется на нулевой отметке. То же самое произойдет, если к встречно включенным диодам подвести напряжение только второй гармоники. Однако положение изменится, если в выходной цепи феррозонда будет действовать сумма четных гармоник.
8* 115
В этом случае результатом суперпозиции четных гармоник напряжения может оказаться (и практически почти всегда оказывается) асимметричная форма напряжения. Для примера, на рис. 40, б на фазовой оси показан результат суперпозиции второй и четвертой гармоник напряжения (гармоники показаны пунктиром). При подаче напряжения асимметричной формы на два встречно включенных диода происходит выпрямление тока, вследствие чего измерительный прибор 3 с большой постоянной времени зарегистрирует среднее значение тока /0. 'Величина этого тока будет пропорциональна измеряемой напряженности поля Но.
Другая схема, опробованная автором совместно с 3. Н. Тимченко, изображена на рис. 40, в. В этой схеме применен одностержневой феррозонд 1. В качестве симметричного нелинейного сопротивления 2 используется полупроводниковое сопротивление, выполненное на основе карбида кремния [169]. Последовательно с этим сопротивлением включены микроамперметр 3, шунтированный конденсатором большой емкости 4, и трансформатор 5, с помощью которого осуществляется согласование схемы с генератором (на рис. 40, айв генераторы не показаны). Эквивалентная схема этого простейшего магнитометра дана на рис. 40, г. В цепь включены два эквивалентных генератора: генератор с э. д. с Ег (генератор питания) и генератор с э. д. с. £а„ —феррозонд, вырабатывающий при наличии поля Н0 э. д. с. четных гармоник. Внутреннее активное сопротивление обоих генераторов плюс сопротивление рамки микроамперметра обозначим через г, Ьэ$ф — индуктивность феррозонда (см. § 12), R —эффективное значение величины полупроводникового сопротивления в рабочем режиме и L — индуктивность трансформатора. Если Ег (О Е2п и достаточна для того, чтобы не только обеспечить второй режим работы феррозонда (Нт > Hs), но и воздействовать на нелинейное симметричное сопротивление так, что величина последнего начинает пульсировать с удвоенной частотой, то в цепи появляется постоянная составляющая тока, пропорциональная измеряемому полю Н0.
Появление постоянной составляющей тока и в этой схеме может быть объяснено с помощью построений, изображенных на рис. 40, б. Разница состоит лишь в том, что для получения несимметричной формы напряжения достаточно одной четной гармоники, например второй, которая и суммируется с основной частотой. При этом наиболее асимметричная форма напряжения получается в том случае, когда вторая гармоника сдвинута относительно основной частоты на угол ср = л/4 [163]. При определенном соотношении активных и реактивных компонент эквивалентной схемы рис. 40, г указанный фазовый сдвиг может быть достигнут.
Возможна и параметрическая трактовка возникновения постоянной составляющей тока. Действительно, поскольку проводимость нелинейного симметричного сопротивления под воздействием напряжения основной частоты пульсирует с удвоенной 116
частотой, то при определенных фазовых соотношениях четные гармоники тока будут сихронно выпрямляться [1701.
Из последней трактовки следует, что подобные схемы весьма помехоустойчивы, так как синхронные выпрямители (детекторы), будучи взаимно корреляционными фильтрующими устройствами, при наличии интегрирующего звена, например RC — цепи или измерительного прибора с большой постоянной времени, обеспечивают не только фазовую, но и частотную избирательность [101, 102, 170, 171].
С другой стороны, наличие интегрирующего звена при выпрямлении суммы четных гармоник тока свидетельствует о независимости подобных измерительных схем от целого ряда внешних и внутренних факторов, что следует из выражений (56) и (83), а также подтверждается экспериментом [10, 172].
К основным недостаткам подобных схем магнитометров следует отнести малую выходную мощность, обусловленную отсутствием в них электронных усилителей, и недостаточную стабильность нуля, вызываемую асимметрией вольтамперных характеристик применяемых нелинейных сопротивлений и особенно их диодных эквивалентов.
Попытка устранения этих недостатков, основанная на применении двухтактных широкополосных усилителей, включаемых между феррозондом и синхронным детектором, выпрямляющим сумму четных гармоник сигнала, предпринята в работах [172, 173]. Однако несмотря на ряд преимуществ подобных схем, они могут быть рекомендованы лишь для построения магнитометров средней чувствительности.
Основная трудность в применении этих схем для построения высокочувствительных магнитометров состоит в том, что широкополосный усилитель, перегружаясь нечетными гармониками, начинает вырабатывать ложные четные гармоники и становится менее чувствительным к полезному сигналу — сумме четных гармоник, вырабатываемых феррозондом. В этом отношении лучшие результаты могут быть получены при использовании усилителей с отрицательными обратными связями на частотах помехи [174].
Другой способ выделения полезного сигнала, получивший наибольшее распространение в 50-е годы [44, 45, 61—68], основан на реализации пикового значения выходного напряжения феррозонда.
Следует сразу же отметить, что здесь, так же как и в предыдущем способе, предполагается использование симметричного нелинеййого сопротивления и образование асимметрии выходного напряжения феррозонда за счет сложения четных и нечетных гармоник. В качестве симметричного нелинейного сопротивления обычно используются диодные или триодные эквиваленты, содержащие естественные или автоматические источники запирающего напряжения [90, 163, 175]. Для достижения необходимых фазовых
117
соотношении между четными и нечетными гармониками, приводящих к резкой пиковой асимметрии выходного напряжения, используют сильно перевозбужденный режим работы феррозонда, а также шунтируют один из полуэлементов дифференциального феррозонда активным сопротивлением.
Процесс образования пиков выходного напряжения, знак которых зависит от знака измеряемого поля На, может быть объяснен не только на спектральном, но и временном языке [44, 45, 82, 90, 163]. Шунтирование одного из полуэлементов феррозонда приводит к его начальной пиковой разбалансировке. При наличии поля Н 0 один из пиков увеличивается по своей величине, а второй уменьшается.
Один из способов дальнейшего преобразования пикового напряжения заключается в том, что после отсечки подошвы пиков с помощью симметричного нелинейного сопротивления и усиления знакопеременных импульсов последние подают на эквивалент нелинейного сопротивления с четной вольтамперной характеристикой, например, диодный двухполупериодный выпрямитель. Если Н0 = 0, то с выпрямителя снимается напряжение удвоенной частоты, если же Но 4= 0, то на выходе выпрямителя появляется напряжение основной частоты. Это напряжение, несущее полезную информацию, может быть затем выделено с помощью фильтра, синхронного детектора или автоматического регистратора, использующего для перемещения каретки перопишущего устройства реверсивные двигатели типа моторов Феррариса [45, 901.
Из выражений (84) и (85) следует, что чувствительность феррозонда по пиковому значению выходной э. д. с. в отличие от чувствительности по среднему значению э. д. с. [см. выражения (83) и рис. 40] зависит от амплитуды поля возбуждения, а также от характерных особенностей кривой намагничивания сердечников. Это приводит к мультипликативной неустойчивости феррозонда, а следовательно, и рассматриваемого способа выделения полезного сигнала в целом.
Однако основным недостатком способа следует считать его аддитивную неустойчивость (наличие смещений и флюктуаций нуля), обусловленную тем, что вольтамерные характеристики применяемых нелинейных сопротивлений (диодные и триодные эквиваленты) не обладают строгой симметрией, причем степень асимметрии этих характеристик зависит от старения самих сопротивлений, температуры окружающей среды, изменения напряжения запирания и т. д. [ 19,90 ]. По этой’пр ичине способ не может быть'реко-мендован для построения высокочувствительных магнитометров.
В связи с развитием вычислительной техники все больший интерес начинает проявляться к построению феррозондовых магнитометров не с”аналоговым, а с дискретным выходом. Дискретный выход "позволяет регистрировать информацию на перфоленте и затем быстро обработать полученные данные в вычислительной машине.
118
Прямая возможность преобразования аналоговой информации об измеряемом поле в дискретную заключается в использовании так называемого фазоимпульсного эффекта в работе феррозонда [163, 176, 177]. Эффект состоит в следующем.
Пусть одностержневой феррозонд, содержащий первичную и вторичную обмотки возбуждается синусоидальным током, поступающим в первичную обмотку. Если этот ток создает поле, амплитуда которого Нт > Hs, то при отсутствии измеряемого поля (Но = 0) э. д. с., возникающая во вторичной обмотке, будет иметь вид чередующихся импульсов разного знака, причем расстояния между импульсами будут строго одинаковыми (рис. 41, а). При наличии измеряемого поля, например при Но <0, длительность насыщения сердечника в положительный полупериод поля возбуждения будет меньше, чем в отрицательный. Положительные импульсы э. д. с., возникающие во вторичной обмотке, при этом сдвинутся по фазовой оси вправо, а отрицательные — влево. В результате этого расстояния между импульсами окажутся неодинаковыми (рис. 41, б).
Эффект смещения импульсов, описанный на временном языке, есть не что иное, как результат появления четных гармоник, описанный ранее на спектральном языке [13,63, 163]. И тем не менее, именно временной язык позволяет увидеть еще один -способ выделения полезного сигнала.
Способ заключается в том, что непосредственному измерению подлежит не амплитуда выходной э. д. с. одностержневого феррозонда, а время между положительным и отрицательным импульсами, а также между отрицательным и следующим положительным импульсом. Для реализации способа вторичную обмотку феррозонда нагружают на реверсивный триггер, управляемый электронными ключами, к которым может быть подключен высокочастотный генератор либо источник постоянного тока. Способ предполагает вычитание времени нахождения триггера в одном состоянии из времени нахождения в другом. Если к электронным ключам подключен высокочастотный генератор (дискретный выход), то при наличии поля Но число периодов высокой частоты, прошедших через один ключ, не совпадет с числом периодов, прошедших через другой ключ. Число, соответствующее
119
Рис. 41. к пояснению фазоимпульсного эффекта, наблюдаемого в одностержневых феррозондах.
разности периодов высокой частоты, и будет пропорционально напряженности поля Н0. Если к электронным ключам подключен источник постоянного тока (аналоговый выход), то разность токов также будет пропорциональна полю Но и может быть измерена с помощью обычного измерительного прибора с нулем по середине шкалы [177].
В работе [177], [178] описаны довольно простые схемы магнитометров, в основу которых положен данный способ выделения полезного сигнала.
Временной способ выделения полезного сигнала получил дальнейшее развитие в работе [179]. Описанная в этой работе схема магнитометра предполагает применение дифференциального феррозонда, фильтра нижних частот, пропускающего первую и вторую гармоники, и триггера Шмитта. В работе указывается, что схема обладает достаточно высокой чувствительностью. Данные по стабильности нуля приведены лишь за 4 ч; за этот промежуток времени флуктуации нуля не превышали 1,5у. Схема представляет несомненный интерес, однако нуждается в более тщательных испытаниях.
В заключение отметим, что, несмотря на наличие перечисленных способов выделения полезного сигнала, претендующих на известные упрощения по сравнению с широко распространенным в настоящее время способом выделения второй гармоники, последний был и остается весьма перспективным для построения высокочувствительных феррозондовых магнитометров и других измерительных устройств (см. главу пятую). Подобное утверждение базируется на анализе, показывающем, что использование избирательных усилителей в сочетании с синхронными детекторами с нужной постоянной времени, обеспечивает оптимальную фильтрацию полезного сигнала, а следовательно, и наибольшую защищенность магнитометрических устройств от внешних помех.
Из теории следует, что операция синхронного детектирования описывается функционалом [102, 170]:
т
I(t)= "\U (t)Y(f)dt, (155>
о
где U (/) = Us(t) + UN (/) — напряжение на входе детектора, (/$(/)— напряжение полезного сигнала, Uv (t) — напряжение помехи, Y (0—некоторая весовая функция, характеризующая проводимость детектора во времени.
Функции Us (7) и Y (/) оказываются взаимно коррелированными и строго когерентными (феррозонд и детектор питаются от одного и того же генератора), а помеха UN (t) в общем случае является случайной величиной х, никак не связанной по фазе
1 В данном случае под помехой понимаются внешние возмущения, действующие на феррозонд в виде переменных полей и на усилитель в виде электрических наводок
120
с функцией У (t), поэтому за время усреднения Т выходной ток детектора будет практически пропорционален лишь полезному сигналу.
Наконец, из опыта известно, что выделение второй гармоники э. д с. феррозонда позволило обеспечить достижение наиболее низких порогов чувствительности магнитометрических устройств.
14. Пример построения схемы высокочувствительного феррозондового магнитометра
В настоящем параграфе описывается принципиальная схема высокочувствительного магнитометра, в основу которого положен способ выделения второй гармоники выходного напряжения феррозонда.
Принципиальная схема магнитометра изображена на рис. 42.
В магнитометре использован дифференциальный феррозонд стержневого типа, конструкция которого описана в § 9 (рис. 32), а обмоточные и другие данные приведены в § 10. Кроме обмоток возбуждения и измерительной, феррозонд имеет также обмотку обратной связи и компенсационную обмотку.
Работа феррозонда по цепи возбуждения близка к режиму синусоидальной напряженности поля, что обеспечивается за счет наличия в цепи фильтра нижних частот. Амплитуда тока выбрана в 2—3 раза больше ее оптимального (для второй гармоники выходной э. д. с.) значения. Экспериментально подтверждено, что такая величина тока вполне достаточна для исключения эффектов остаточной намагниченности и магнитного последействия (см. § 6). Установлено также, что выбранная частота тока возбуждения / = 5 кгц при толщине стержней 0,1 мм также вполне допустима. Применение более тонких стержней с целью устранения возможного скин-эффекта не приводило к сколько-нибудь заметному повышению стабильности нуля феррозонда.
Работа феррозонда по измерительной цепи близка к режиму согласованной по полному внутреннему сопротивлению активной нагрузки. Для измерения слабых магнитных полей такой режим оказался наиболее приемлемым, так как при этом достигаются высокая устойчивость нуля феррозонда и максимальная отдача его выходной мощности. В нагруженном режиме чувствительность феррозонда, оцениваемая по второй гармонике выходного напряжения, составляет около 30 мкв/у.
В магнитометре применен генератор LC-типа, выполненный на кремниевых транзисторах МП-102. Генератор состоит из задающего и двух буферных каскадов. Буферные каскады необходимы для развязки задающего каскада (собственно генератора) от нелинейной нагрузки (цепь возбуждения феррозонда) и для независимого управления фазой напряжения коммутации детектора.
121
Рис. 42. Принципиальная схема высокочувствительного магнитометра, основанного на способе выделения вто рой гармоники выходного напряжения феррозонда
122
Задающий каскад выполнен по схеме с общей базой на транзисторах Т7 и Ts; АС-контур образован коллекторной обмоткой трансформатора Тр3 и конденсатором С13. Положительная обратная связь — индуктивная; режим работы каскада — класс А. Каскад термостабилизирован делителем напряжения, состоящим из стабилитрона Дг и сопротивления Д12. Автоматическая балансировка коллекторных токов транзисторов осуществляется за счет сопротивления 7?10.
Буферный каскад, питающий феррозонд, выполнен по схеме с общим эмиттером на транзисторах Т3 и Т4. Каскад является усилителем мощности и работает в режиме класса АВ. АС-контур, образованный коллекторной обмоткой трансформатора Тр} и конденсатором С1о, настроен на частоту задающего каскада. Для лучшего согласования с фильтром нижних частот и феррозондом каскад охвачен отрицательной индуктивной обратной связью, фильтр содержит два параллельных контура, образованных дросселями Дрг, Др2 и конденсаторами С3, С5, настроенными на частоту второй гармоники, а также конденсатор С4, емкость которого выбрана с учетом индуктивности обмотки возбуждения феррозонда. Наличие фильтра и двухтактность схем задающего и буферного каскадов генератора исключают смещения нуля феррозонда за счет четных гармоник в цепи возбуждения.
Буферный каскад, питающий синхронный детектор и выполняющий функцию фазовращателя, собран также по схеме с общим эмиттером на транзисторах Ти и Т12. Фазовращательным элементом служит конденсатор С17, образующий с коллекторной обмоткой трансформатора Тр& колебательный контур, примерно настроенный на частоту задающего каскада. Каскад работает в режиме класса АВ. Двухтактность схемы генератора необходима не только для подавления (уравновешивания) четных гармоник тока, возникающих из-за нелинейности искажений в транзисторах, но и для исключения подмагничивания сердечников трансформаторов коллекторными токами. Кроме того, двухтактность схемы позволяет получить наибольший к. п. д. генератора.
Генератор подключен к источнику питания через фильтрующую цепочку Д32С18, основное назначение которой препятствовать прохождению четных гармоник тока, в частности, второй гармоники в цепь питания избирательного усилителя, настроенного на ту же частоту.
Избирательный усилитель настроен на частоту 2/ = 10 кгц. Коэффициент усиления на этой частоте имеет величину порядка 105. Полоса пропускания на уровне 0,7 находится в пределах 0,3—0,5 кгц. Затухание на частотах первой и третьей гармоник не хуже 60АЭ6.
Высокие требования, предъявляемые к избирательности усилителя, обусловлены главным образом необходимостью подавления первой и третьей гармоник выходного напряжения феррозонда. Как отмечалось (см. § 1), напряжение этих гармоник не является
123
функцией измеряемого поля, а зависит лишь от степени балансировки полуэлементов (стержней и обмоток) феррозонда. Однако даже в хорошо отбалансированных феррозондах уровень напряжений по первой и третьей гармоникам составляет 20—30 мв, что в сотни и тысячи раз больше минимальных сигналов второй гармоники, подлежащих регистрации. Это соотношение усугубляется тем, что по полезному сигналу магнитометр охвачен отри-' цательной обратной связью. Очевидно, что при недостаточной избирательности усилителей последние были бы загружены помехой и не могли бы обеспечить необходимую чувствительность к слабым сигналам (см. § 13).
Так же как и генераторы, усилитель выполнен по двухтактной схеме. Выбор двухтактной схемы обусловлен не только необходимостью подавления ложных четных гармоник напряжения, возникающих из-за нелинейных искажений при наличии напряжения нечетных гармоник, но и защитой усилителей от воздействия других помех, а также повышением устойчивости и обеспечением наибольшего амплитудного раствора в оконечных каскадах. Поэтому несмотря на увеличение числа транзисторов применение двухтактных схем оправдано, что подтверждается многолетним положительным опытом их эксплуатации в ранее разработанных моделях феррозондовых магнитометров [19, 180].
Усилитель содержит пять каскадов, выполненных на транзисторах МП-102 и связанных между собой либо с помощью трансформаторов, являющихся одновременно элементами резонансных контуров, либо гальванически.
Входным каскадом, на который непосредственно нагружен феррозонд, является эмиттерный повторитель, собранный на транзисторах Т\ и Т2. Каскад (работает в режиме класса А) сопряжен с дифференциальным полосовым фильтром, состоящим из двух последовательных звеньев Др3С6, ДрцС1 и одного параллельного, образованного частью обмотки автотрансформатора Тр2 и конденсатором Са. Фильтр настроен на частоту второй гармоники. Конденсатор С9 устраняет паразитные обратные связи, могущие возникнуть в диагонали дифференциальной схемы из-за неиден-тичности ее активных и реактивных элементов.
Второй каскад (работает в режиме класса А) собран на транзисторах Т5 и Тй по схеме с общим эмиттером. Для стабилизации рабочих точек транзисторов введена отрицательная обратная связь по постоянному току (цепочки 7?13СИ и Т?15СП). Согласование с последующим каскадом осуществлено с помощью трансформатора Тр^ первичная обмотка которого с помощью конденсатора С14 настроена в резонанс на частоту второй гармоники.
Первые два каскада, образующие как бы селективный предусилитель, развязаны по питанию от остальной части схемы цепочкой 1Д-СД.
Последующие три каскада связаны между собой гальванически. Третий каскад собран на транзисторах Ts, Tla по схеме
124
с общим эмиттером, четвертый — на транзисторах Т13, Т21 по схеме с общим коллектором и пятый — на транзисторах Т15, Т16 по схеме с общим эмиттером. Такое чередование каскадов позволяет наилучшим образом согласовать их между собой. Все три каскада охвачены отрицательной обратной связью по постоянному току, которая осуществляется благодаря падению напряжения на сопротивлении шунтированном конденсатором С21, и подаче этого напряжения через сопротивление на базы транзисторов Тв, Ти. Подобные обратные связи, вводимые в диагонали двухтактных схем, не только стабилизируют рабочие точки транзисторов, но и обеспечивают автоматическую балансировку схемы. Режим работы трех последних каскадов близок к классу АВ.
Выходной каскад усилителя является резонансным, настроенным на частоту второй гармоники. Контуром служат коллекторная обмотка трансформатора Тр6 и конденсатор С22.
К источнику питания усилитель подключен через фильтрующую цепочку Р37С23.
Синхронный детектор предназначен для фазочувствительной демодуляции сигнала, когерентного периодической функции его проводимостей. По существу это не что иное, как взаимно корреляционный фильтр, содержащий параметрическое и интегрирующее звенья [170], см. выражение (155).
Параметрическое звено детектора состоит из двух симметричных ячеек, выполненных на германиевых транзисторах типа МП-16Б (Тг1, Tw и Т19, Т20). Ячейки включены параллельно в цепь вторичной обмотки трансформатора Трв и коммутируются поочередно переменным напряжением основной частоты, вырабатываемым генератором. В цепь коммутации включены запирающие цепочки /?33С19 и R31C2(j, которые в совокупности с сопротивлениями R33R3S и R3SRb9 обеспечивают время открытого состояния ячеек, равное полупериоду удвоенной частоты. Следовательно, наличие этих цепочек исключает надобность в удвоителе частоты, широко применявшемся ранее в феррозондовых магнитометрах [19, 170, 181].
Интегрирующее звено детектора образовано сопротивлениями Т?4!)—Rn и конденсаторами С21—С2в. Сопротивление Ri0 одновременно выполняет функцию ограничителя переменной составляющей тока, протекающего через транзисторные ячейки. Уровень пульсаций на выходе магнитометра даже при наличии внешних переменных полей с амплитудой в десятки гамм не превышает 10—20 мв.
Наибольший коэффициент преобразования детектора по второй гармонике достигается при сдвиге фаз между напряжениями сигнала и коммутации, равном л/4 (по отношению к начальной фазе основной частоты). Необходимый фазовый сдвиг осуществляется за счет подбора емкости конденсатора С17, установленного в буферном каскаде генератора. Эпюры, поясняющие процесс образования периодической функции проводимости детектора,
125
а также процесс демодуляции сигнала второй гармоники, изображены на рис. 43.
Синхронный детектор необходим не только для обеспечения оптимальной фильтрации. Будучи фазочувствительным устройством, он придает магнитометру свойства нуль-индикатора, позволяя охватить весь канал отрицательной обратной связью, либо использовать компенсационный метод измерения, обеспечивающий наибольшую точность измерения.
При подключении магнитометра к униполярным регистраторам предусмотрен знакоразделитель, выполненный по схеме автокорреляционного выпрямителя на германиевых транзисторах. Разделитель содержит два транзистора МП-16Б (Т21, Т22). При наличии измеряемого поля один из транзисторов находится в открытом состоянии, шунтируя одно из нагрузочных сопротивлений (Д45 или /?46), Другой — в запертом состоянии.-Поскольку очередность открытого и закрытого состояния транзисторов зависит от изменения полярности напряжения, поступающего с синхронного детектора, выходной сигнал поступает либо на клеммы 1—2, либо на клеммы 1—3. По наличию сигнала на тех или иных клеммах и судят о знаке измеряемой компоненты поля. Биполярный регистратор может непосредственно подключаться к клеммам 2—3.
Для загрубления чувствительности магнитометра (в 4—5 раз) в схеме предусмотрено реле типа РПС-20, управляемое импульсами напряжения питания (клеммы 7—4 или 7—5).
Контактная группа реле включена в схему канала таким образом, что при переключении постоянно включенные в цепь обратной связи сопротивления /?44 и /?48 шунтируются сопротивлениями Ri3 и Ri7. При этом глубина обратной связи, охватывающей канал в целом, увеличивается, что и приводит к загрублению чувствительности канала.
Генератор и избирательный усилитель питаются через стабилизатор напряжения. Стабилизатор выполнен по автокомпенсаци-онной схеме и содержит мощный транзистор П213 (Т23), балласт-126
Рис. 43. Эпюры, поясняющие принцип действия синхронного детектора, работающего при соотношении частот 2:1.
С/к — напряжения коммутации, подводимые к соответствующим транзисторным ячейкам; /gx, — токи^баз транзисторных ячеек;
U3 — напряжение запирания; У — проводимость детектора; Us — напряжение сигнала второй гармоники; Гвых — демодулированный (выпрямленный) ток.
ное сопротивление /?49 и два встречно включенных стабилитрона Д814В (Д2, Д3), один из которых является опорным, а второй предназначен для термокомпенсации первого. Уровень стабилизируемого напряжения — порядка 10 в.
С внешней стороны последовательно с одной из шин питания включен диод Д4, предохраняющий магнитометр от выхода из строя при случайной подаче напряжения питания обратной полярности.
Основные параметры магнитометра приведены ниже:
Пределы измерения................................ ±50у
Чувствительность .............................. 0,12 в/у
Порог чувствительности (среднее квадратичное значение):
при кратковременных наблюдениях.............. 0,1у
» многосуточных наблюдениях.................. 1—2 у
Поправка за смещенный нуль ...................... 'С5у
Температурный коэффициент...................^0,1% на ГС
Потребляемая мощность....................... 0,8 вт
Напряжение питания........................ 12—17 в
Вес............................................... 1 кг
По существу описанный магнитометр является прецизионным нуль-индикатором, с помощью которого, применяя компенсационный метод, можно измерять компоненты геомагнитного поля, проводить работы, связанные с определением магнитной девиации, создаваемой различными подвижными объектами, и обеспечивать компенсацию геомагнитного поля в заданном объеме с большой точностью. Обладая высокой чувствительностью и острой диаграммой направленности, магнитометр может быть использован также в следящих системах, обеспечивающих ориентацию тех или иных объектов по магнитному полю.
Выпуск магнитометра (в трехканальном варианте) освоен промышленностью [182].
ГЛАВА ПЯТАЯ
ФЕРРОЗОНДОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
15. Измерители постоянных полей
Как отмечалось в § 4 и 7, первоначально, особенно при измерениях в движении, феррозонды использовались преимущественно для оценки скалярной величины поля или, как говорят, модуля полного вектора геомагнитного поля. Из выражения (18) следует, что угловая чувствительность феррозонда максимальна, когда магнитная ось феррозонда i перпендикулярна вектору геомагнитного поля Нт, и минимальна, когда ось 1 совпадает с направлением Нт. Например, при измерении вертикальной
Ш7
составляющей отклонение магнитной оси i в плоскости магнитного меридиана на небольшой угол а приводит к погрешности \Нг = hz — Hz = Hz cos а ± Нн sin а — Hz^ ± a, (156)
где h — измеренное значение вертикальной составляющей, Hz —
истинное значение вертикальной составляющей, Нн — истинное
значение горизонтальной составляющей. Если Нн = 1,5- 104у
Рис
44. Блок-схема аэромагнитометра
АМ-13.
и а = Г, то Д/7г^=260у. При измерении же модуля полного вектора и отклонении магнитной оси на тот же угол а погрешность будет
Д/7Т = /гт — Нт =
= Нт (cos а— 1) =
= —2/7rsin2^. (157)
Если Н, 5 104у и а — 1°, то —7,5у. Отсюда следует, что при прочих равных условиях (при равных ошибках ориентации магнитной оси
феррозонда в заданном направлении) измерение
I — магннточувствительный блок, II — электронный блок; III —регистратор, IV —стабилизатор напряжения, V — преобразователь, 1 — измерительный феррозонд, 2, 4 — ориентирующие фер розонды; 3, 5, 11 — реверсивные двигатели, 6, 8, 9 —усилительно-преобразовательные схемы, 7 —аттенюатор начальной компенсации, 10—блок питания; 12 — блок автоматического расширения пределов измерения, 13 — буферная батарея, помещенная в термостат, 14 — умформер со стабилизатором частоты, 15 — реохорд, -> — электрическая связь; —-----> — кинематическая связь
модуля вектора геомагнитного поля может произ-водиться с гораздо большей точностью, чем измерение составляющих этого вектора.
К настоящему времени известно достаточно боль-
шое количество моделей феррозондовых магнитометров, измеряющих полную величину
или приращения модуля вектора геомагнитного поля, используемых главным образом на подвижных платформах — самолетах, кораблях, искусственных спутниках Земли [87, 131]. Известны также и наземные феррозондовые магнитометры, измеряющие модуль геомагнитного поля [18, 183]4. Ниже дается краткое описание феррозондового магнитометра высокой точности, разработанного ОКБ Министерства геологии и используемого для аэромагнитной съемки в Советском Союзе.
Блок-схема аэромагнитометра изображена на рис. 44. Магнитометр состоит из трех независимых каналов: измерительного
1 В отличие от предложения [183] в работе [18] описан более совершенный прибор, позволяющий измерять не только модуль геомагнитного поля, но и два угла — магнитное склонение и наклонение (см. § 18).
128
и двух ориентирующих. Феррозонды ориентирующих каналов, выполняющие роль датчиков углового рассогласования, установлены вместе с феррозондом измерительного канала на общей площадке, имеющей две степени свободы и кинематически связанной с соответствующими реверсивными двигателями. Магнитные оси всех трех феррозондов образуют трехгранник с прямыми углами. Сигналы, вырабатываемые ориентирующими феррозондами, после прохождения через усилительно-преобразовательные схемы поступают на реверсивные двигатели, которые управляют угловым положением площадки таким образом, чтобы независимо от эволюций самолета магнитные оси ориентирующих феррозондов оказались расположенными в плоскости, перпендикулярной вектору геомагнитного поля. Очевидно, что при таком расположении в соответствии с (18) ориентирующие феррозонды обладают наибольшей угловой чувствительностью, а магнитная ось измерительного феррозонда оказывается ориентированной по направлению вектора геомагнитного поля.
Во всех трех каналах реализован способ выделения второй гармоники'выходного напряжения феррозондов. С целью обеспечения необходимых метрологических параметров при одновременном упрощении блок-схемы в магнитометре применен один общий генератор (умформер типа 8ЛО12-1ДС со стабилизатором 8ЛО12-2ДС), предназначенный для питания измерительных и силовых цепей, а усилительно-преобразовательные блоки выполнены по двухтактным схемам [180]. Каждый усилительно-преобразовательный блок состоит из избирательного усилителя, настроенного на частоту 2/ = 1000 гц, синхронного детектора, корректирующей цепи (для исключения автоколебаний), балансного модулятора, вырабатывающего напряжение частоты f, и реверсивного двигателя. Последний в измерительном канале кинематически связан с перопишущим устройством регистратора и движком реохорда, включенного в цепь компенсации измеряемого уюля. Таким образом, не только ориентирующие феррозонды’ но и измерительный феррозонд работают в режиме нуль-индикаторов.
В магнитометре предусмотрены автоматическое расширение пределов измерения и начальная компенсация поля. Для питания цепей компенсации использован стабилизатор параметрического типа, в котором в качестве нелинейного элемента применена буферная батарея [19, 92, 131]. Буферная батарея помещена в специальный термостат.
В магнитометре осуществлена автоматическая запись измеряемых значений. Запись производится чернилами на диаграммной ленте в прямоугольных координатах. Ширина рабочей части ленты 220 мм. Запись может производиться при двух чув-ствительностях: 0,5 и 0,1 мм/у. При подходе перопишущего устройства к краю ленты срабатывает система автоматического расширения пределов измерения. При сохранении указанной
9 Ю. В. Афанасьев 1?9
чувствительности эта система позволяет производить измерение в диапазоне ±11 ОООу. Скорость записи при соответствующих чувствительностях — 100 и 500 у!сек. Скорость протяжки ленты может быть 1,6; 3,2; 8 м/ч. Порог чувствительности аэромагнитометра — 2у. Смещение нуля не превышает 5 у/ч. Температурный коэффициент не более 3 уГС. Кроме записи напряженности поля, на ленте штампуются номера поддиапазонов, записывается высота полета, отмечаются марки времени, сигналы о прохождении ориентиров и моментах фотосъемки.
Рис. 45. Магниточувствительный блок аэромагнитометра.
/, 6 — феррозонды ориентирующих каналов; 3 — феррозонд измерительного канала; 2, 4—диски непосредственного привода площадки и вилки; 5 — площадка; 7 — вилка: 8, 9—удлиненные валики, связанные с редукторами реверсивных двигателей.
Автоматически ориентируемая площадка с тремя феррозондами показана на рис. 45. Вместе с системой привода и реверсивными двигателями она помещается в гондолу, буксируемую за самолетом на тросе с кабелем. Вес гондолы с помещенным в ней блоком — 32 кг, вес аппаратуры, устанавливаемой в самолете (включая лебедку с кабелем, выпускное устройство и прочее), — около 230 кг.
Кроме выпускного варианта магнитометра АМ-13 разработан также жесткий вариант АММ-13, позволяющий укреплять гондолу на верхней кромке киля самолета. Во втором варианте магнитометр снабжается компенсатором магнитных помех [184— 186]. В обоих вариантах магнитометр серийно выпускается заводом «Геологоразведка».
В связи с появлением ядерно-прецессионных и квантовых магнитометров [136—139], датчики которых непосредственно реагируют на скалярную величину поля и измеряют ее с большей точностью, чем феррозондовые, проектирование последних для 130
измерения тех же величин резко сократилось. Однако в некоторых случаях применение феррозондовых магнитометров, измеряющих скалярную величину, и при наличии новых магнитометров оказывается вполне обоснованным.
Дело в том, что скалярная величина поля может быть измерена с помощью простейших феррозондовых магнитометров, не содержащих ориентирующих систем. Основой для создания подобных магнитометров служит способ измерения модуля вектора магнитного поля, предусматривающий вычисление корня квадратного из суммы квадратов трех составляющих поля, совпадающих с осями прямоугольной системы координат, жестко связанной с подвижной платформой:
| нт I = ]Л^+Д2/+^1- (158)
Очевидно, что использование подобных магнитометров для измерения модуля вектора геомагнитного поля взамен описанного выше встречает серьезные трудности из-за отсутствия счетнорешающих устройств, производящих квадратирование, суммирование и извлечение корня с необходимой для этого точностью. Однако для измерения слабых полей, например для измерения магнитного поля на расстоянии нескольких земных радиусов от планеты, в районе Луны и межпланетном космическом пространстве, магнитометры этого типа оказались вполне пригодными [134, 187—189].
Магниточувствительный блок подобных магнитометров содержит три феррозонда, магнитные оси которых образуют трехгранник, жестко связанный с космическим аппаратом (обычно блок устанавливается на специальной штанге с целью уменьшения влияния помех, создаваемых аппаратом [134]). Электронный блок содержит три идентичных канала, схемы которых аналогичны описанной в § 14. Как правило, электронный блок сопрягается с радйотелеметрической системой аппарата, и вся последующая обработка информации производится в наземных условиях. Внешний вид магнитометра показан на рис. 46. Прибор весит около 3 кг и потребляет мощность менее 3 вт [182].
Очевидно, что в тех случаях, когда ориентация строительных осей космического аппарата известна, с помощью таких магнитометров определяется не только величина, но и направление измеряемого поля. Это позволяет иметь более полные сведения о пространственном распределении и структуре исследуемого магнитного поля.
Поскольку конечной целью наземных геомагнитных наблюдений является геологическая интерпретация, предусматривающая определение глубины и направления залегания рудных образований, то и здесь наиболее целесообразно было бы измерять не скалярную, а векторную величину поля.
9*
131
В работе [130] описан трехкомпонентный аэромагнитометр, предназначенный для измерения составляющих Нг и Нн и магнитного склонения D. Площадка с феррозондами стабилизируется с помощью гироскопа. Непосредственно измеряются составляющие Нг, Нх и Ну. С учетом значений Нх и Ну, а также показаний курсового гироскопа счетно-решающее устройство
Рис. 46 Внешний вид^трехкомпонентного феррозондового магнитометра.
обеспечивает вычисление горизонтальной составляющей Нн и угол склонения D. Информация выдается в виде средних значений измеряемых величин за 5 мин полета. Максимальные погрешности магнитометра: АЯг = 120у, АНн = 140у и AZ) = 1,2".
В работе [190] описан аэромагнитометр, измеряющий модуль полного вектора геомагнитного поля, а также углы склонения D и наклонения I. В приборе использованы феррозондовые ориентирующие каналы и демпфированный маятник для ориентации магниточувствительного блока в горизонтальной плоскости. При определении углов вводятся поправки за счет изменения курса самолета. Усредненные значения углов позволяют вычислить по величине | Нт | величины Нг и НИ. Вычисление производится
132
счетно-решающим устройством. Погрешность измерения указанных составляющих не превышает 120у.
Специально разработанные магнитометры для шхуны «Заря» измеряли составляющие Нг, Нн и угол D. Величина D определялась как угловая разность гирокурса и магнитного курса. На этой же шхуне устанавливался магнитометр с маятниковой стабилизацией феррозонда по вертикали, измеряющий составляющую Нг, а также магнитометр содержащий гировертикаль и систему автоматической ориентации в плоскости меридиана, измеряющий составляющие Нг и Нн. Погрешность измерения составляющих не превышала 100у [19].
При проведении наземной геомагнитной съемки с остановками на пунктах наблюдения измерение компонент поля, естественно, может производиться с гораздо большей точностью. Наиболее точным прибором, используемым для этих целей, по-видимому, следует считать магнитометр, описанный в работе [18] (см. § 18). Однако на практике наибольшее распространение получили однокомпонентные магнитометры, измеряющие составляющую Нг [28, 45, 87]. Подобные приборы не требуют какой-либо ориентировки на местности и потому сокращают время наблюдения.
В Советском Союзе подобный прибор под индексом М-17 разработан ОКБ Министерства геологии совместно с ИМА АН УССР. Первая серия приборов была изготовлена в 1960 г. заводом «Геологоразведка»
Магнитометр состоит из двух блоков: магниточувствительного и электронного, электрически соединяемых друг с другом посредством гибкого кабеля. Магнитометр переносится одним оператором. В пункте наблюдения оператор устанавливает магниточувствительный блок на поверхности земли и, отойдя от него на расстояние 2—3 м (для того, чтобы исключить магнитное влияние электронного блока на магниточувствительный), производит отсчет измеряемой величины по стрелочному прибору, расположенному на лицевой панели электронного блока (рис 47).
Магниточувствительный блок магнитометра содержит феррозонд, магнитная ось которого постоянно ориентируется по вертикали с помощью маятника, укрепленного в системе карданова подвеса. На маятнике укреплены также компенсационный магнит и система демпфирующих магнитов, перемещающихся при колебаниях маятника в непосредственной близости от неподвижно закрепленной проводящей поверхности (тарелка из отожженной меди).
Квадратурная составляющая выходной э д с феррозонда, возникающая из-за наличия неоднородного поля, создаваемого компенсационным магнитом, устраняется за счет применения узкой катушки, несущей измерительную обмотку и перемещаемой вдоль продольной оси феррозонда [112, 113]
Электронная схема магнитометра изображена на рис. 48. Несмотря на то, что в схеме использовано всего 6 транзисторов,
133
Рис. 47. Рабочий момент измерения приращений вертикальной составляющей геомагнитного поля с помощью феррозондового магнитометра М-17.
818
Рис. 48. Принципиальная схема феррозондового магнитометра М-17.
магнитометр обладает достаточно высокой чувствительностью и точностью. Шкала прибора имеет ±50 делений, причем за счет переключения сопротивлений, изменяющих глубину обратной связи (в качестве обмотки обратной связи используется измерительная обмотка), цена деления может быть установлена 10, 50 и 200у. Предусмотрено расширение пределов измерения за счет ступенчатой компенсации поля, осуществляемой вручную с помощью аттенюатора, подключенного к общему источнику питания. При этом в качестве обмотки компенсации использована обмотка возбуждения.
Погрешность магнитометра при неизменной температуре не превышает одного деления. Влияние температуры (главным образом на магниточувствительный блок) приводит к смещению нуля не более 2у на 1° С.
По сравнению с механическими магнитометрами (см. § 4) прибор обеспечивает высокую производительность и позволяет работать на зыбких почвах (песках, болотах, снежных покровах).
На базе магнитометра М-17 Уральским территориальным геологическим управлением создан трехкомпонентный шахтный магнитометр. Измерение компонент производится последовательно с помощью одного феррозонда. Опорная площадка связана с маятником, укрепленным в кардановом подвесе. На площадке имеются специальные ограничители, фиксирующие вертикальные и горизонтальные положения феррозонда. В силу того что магнитная ось феррозонда, как правило, не совпадает с его геометрической осью (ошибка может достигать десятков угловых минут), погрешность измерения компонент геомагнитного поля с помощью такого прибора, по-видимому, весьма значительна.
Трехкомпонентный феррозондовый магнитометр для скважинных исследований разработан во Всесоюзном институте техники разведки Министерства геологии. В приборе использованы одностержневые феррозонды, установленные на специальной площадке, имеющей одну степень свободы (вращение вокруг продольной оси скважинного снаряда). Благодаря смещению центра тяжести ориентация площадки постоянна относительно плоскости наклона скважины, причем магнитная ось одного из феррозондов занимает горизонтальное положение. Измерения производятся компенсационным методом путем последовательного подключения измерительной цепи к каждому из феррозондов (в скважинном снаряде предусмотрено специальное коммутирующее устройство). Порог чувствительности магнитометра составляет порядка ЗОу.
Весьма малогабаритные феррозондовые магнитометры для измерения приращений вертикальной составляющей геомагнитного поля, применяемые для пешеходной геомагнитной съемки и скважинных исследований, описаны в работе [191].
135
16. Измерители переменных полей
С помощью феррозондов можно измерять не только постоянные, но и переменные магнитные поля.
Допустим, что измеряемое внешнее поле изменяется во времени по синусоидальному закону, т. е. На (I) = Нт& sin Qt, где Нто — амплитуда и й — частота этого поля.
В этом случае применительно к дифференциальным феррозондам, работающим во втором режиме (см. § 3), взамен (54) можно записать:
В (0 + 5 (0 = 2р0р.д (0 Sin Qt (159)
Отсюда в соответствии с (2) получаем [18, 20]:
d (цлЯ0)
е = — 2sK'2p0 ——- = — 2s&y2pi0 х
„ . * dHa
Но dt + + dt
= — 2srw2po X
du7
X HmQ sin Q.I + paQ/7,„QC0S Й/ . (160)
Сравнивая выражение (55) с полученным, видим, что последнее отличается наличием дополнительного члена, величина которого тем больше, чем выше частота й. При й = 0 выражение (160) переходит в (55).
С учетом выражения (61) имеем: d * °°
—= —2шо 2 Изп sin 2/моС (161)
at п=Л
Подставляя (61) и (161) в (160) и пренебрегая всеми составляющими э. д. с., кроме второй гармоники, получаем:
е2 = 2say2p0p2/7mQ [2® sin Qt sin — Й cos Qt cos 2co/]. (162)
Очевидно, что при выполнении условия и й вторым членом выражения (162) можно пренебречь. Выполнение этого условия имеет место при измерении квазипостоянных и медленно изменяющихся магнитных полей. При измерении быстро изменяющихся магнитных полей второй член выражения (162) должен приниматься во внимание.
После несложных тригонометрических преобразований выражение (162) может быть приведено к виду:
е2 = say2poP2 HmQ Ц2со — й)cos(2® — 2) t — (163)
— (2® + 2) cos (2® + 2) t].
Из этого выражения следует, что амплитуды боковых частот 2® — й и 2® + й выходной э. д. с. феррозонда не равны одна 136
е
2ш
2(i)~Q
6)
2й)+S2
Л
(2u)42)t 02h)t (2(i)-Q)t
Рис. 49. К выявлению особенностей измерения переменных полей _ с [[помощью феррозондовая — спектр выходной э. д. с.; б — векторная диаграмма, поясняющая возникновение квадратурной составляющей выходной
э. Д. с.
другой (рис. 49, а), что, однако, присуще не только феррозондам, но и другим индукционным преобразователям [22, 162, 192]. В работе [162] справедливо отмечено, что информацию о переменном поле несут именно эти боковые частоты. Следовательно, при выделении полезной э. д. с. с помощью избирательного усилителя полоса пропускания последнего должна захватывать боковые частоты. Следствием неравенства амплитуд боковых частот э. д. с. следует считать и появление квадратурной составляющей 1 в суммарном колебании. Появление квадратурной составляющей э. д. с. может быть иллюстрировано векторной диаграммой, изображенной на рис. 49, б. На этой диаграмме векторы 2 и 5 суть векторы боковых частот, вращающиеся с одинаковой угловой скоростью Q в противоположные стороны относительно некоторого направления ON, называемого синфазным. Так как модули векторов 2 и 5 не одинаковы, результирующий вектор 3 не совпадает с направлением ON. Проекция вектора 3 на ON дает вектор 4, называемый синфазной составляющей выходной э. д. с.; проекция же вектора 3 на направление, перпендикулярное ON, дает вектор 1 называемый квадратурной составляющей выходной э. д. с.
При измерении напряженности переменных полей следует пользоваться синфазной составляющей выходной э-. д. с., поскольку квадратурная со
ставляющая, как это следует из выражений^(160) и (162),/несет информацию о первой производной от напряженности [измеряемого поля по времени [18, 20]—см. § 17. Поскольку первый’член выражения (160) по существу совпадает с выражением (55), а первый член (162) — с выражением (62), [то при выделении синфазной составляющей (осуществляемом, например, с помощью синхронного детектора), чувствительность феррозонда будет одинакова как для постоянного, так и переменных магнитных полей, что и подтверждается на практике2.
1 В отличие от рассмотренных в § 6 и 7 квадратурных составляющих, обусловленных статическими причинами, данная квадратурная составляющая э. д. с. носит динамический характер.
2 Неизменность чувствительности феррозонда в диапазоне частот 0—400 гц проверена А. П. Лысенко и др. [192].При работе с высокочастотными феррозондами (2/ = 500 кгц, см. § 9) автором совместно с А. Ф. Яковлевым установлена неизменность чувствительности феррозондового магнитометра с полосой F— 15 кгц
149 137
В работе [192], исходя из реально достижимых порогов чувствительности различного типа датчиков магнитного поля, ориентировочно очерчены границы применимости феррозондов для измерения переменных полей. В этой работе, как и в более ранних работах [193—195], справедливо отмечается, что по сравнению с пассивными индукционными датчиками применение феррозондов наиболее эффективно в области низких частот (10’2— 102 гц). Однако, учитывая неизменность чувствительности феррозонда к переменным полям различных частот, по нашему мнению, верхний частотный предел может быть увеличен до нескольких килогерц, причем магнитометры с таким частотным диапазоном будут продолжать конкурировать с пассивными индукционными магнитометрами.
Можно указать на следующие положительные особенности феррозондовых магнитометров, предназначенных для измерения переменных полей:
1. Измеряется напряженность поля, а не первая производная от напряженности по времени (пассивные индукционные датчики измеряют производную от напряженности по времени, вследствие чего их чувствительность является функцией от частоты измеряемого поля).
2. За счет модуляции, осуществляемой в феррозонде, усиление сигнала производится на значительно более высокой частоте, чем частота измеряемого поля. Это приводит к упрощению схем и конструкций избирательных усилителей (фильтров), а также способствует минимизации фазовых искажений при усилении полезного сигнала.
3. Минимальные фазовые искажения повышают устойчивость магнитометров и позволяют, во всяком случае на низких частотах, вводить отрицательную обратную связь по измеряемому полю и, тем самым, стабилизировать чувствительность магнитометра (в пассивных индукционных магнитометрах ввести отрицательную обратную связь по полю, как правило, не удается).
4. Имеется реальная возможность одновременного измерения переменных полей на нескольких частотах, в том числе и на нулевой частоте.
Впервые схемы магнитометров переменных полей были предложены для устройств, измеряющих магнитную восприимчивость веществ [196—198]. Чувствительной системой этих устройств служит феррозонд, находящийся в непосредственной близости и жестко связанный с катушкой — источником переменного поля низкой частоты Q. Между катушкой, питаемой от генератора низкой частоты, и феррозондом, возбуждаемым переменным полем более высокой частоты со, устанавливалась определенная
в диапазоне 0—4,5 кгц. Очевидно, что диапазон частот измеряемого поля может быть расширен за счет повышения частоты f поля возбуждения, а также за счет разработки избирательных усилителей или фильтров с относительно более широкой полосой пропускания.
1 38
электромагнитная связь, которая изменялась под воздействием ферромагнитной или проводящей среды, окружающей катушку. По изменению этой электромагнитной связи и предлагалось судить о свойствах вещества.
На рис. 50, а изображена некоторая обобщенная схема подобных устройств. Характерными особенностями схемы являются: наличие цепи обратной связи по постоянной составляющей напряженности измеряемого поля (элементы 7, 3, 1), что исключает загрузку канала немодулированным сигналом второй гармоники, и наличие дополнительного низкочастотного синхронного детек-
Рис. 50. Феррозондовые измерители переменных полей с синхронным (а) и асинхронным (б) детектированием полезного сигнала.
j — феррозонд; 2 — катушка (источник переменного поля); 3 — фильтр нижних частот-4 — избирательный усилитель (с полосой пропускания F > 2Й); 5 — генератор частоты со;
6 — генератор низкой частоты Q; 7 — микроамперметр; <8 — синхронный детектор; 9 — фильтр верхних частот; 10 — низкочастотный синхронный детектор; 11 — вольтметр (регистрирующий прибор); 12 — перестраиваемый генератор низкой частоты (гетеродин);
13 — асинхронный детектор.
тора, обеспечивающего оптимальную фильтрацию по полезному сигналу низкой частоты (элемент 10).
С различными дополнениями эта схема может быть использована для частотного зондирования при геофизической разведке, для исследования магнитной восприимчивости и электропроводности пород в скважинах и шурфах, для обнаружения металлических предметов негеологического происхождения, для контроля углового положения некоторых тел относительно векторов постоянного и переменного поля (см. § 18), для измерения остаточной намагниченности горных пород в устройствах типа рок-генераторов, где переменное магнитное возмущение обуславливается вращением образца [199], для измерения быстрых механических колебаний, например, в сейсморазведке, когда важно определить не только скорость или ускорение, но и амплитуду колебаний [200, 201], для счета, контроля и разбраковки промышленных деталей и т. д.
Поскольку в описанной схеме (рис. 50, а) используются два синхронных (когерентных) детектора, она обладает высокой помехоустойчивостью. В то же время в соответствии с изложенным в § 6 (см. табл. 3) для переменных полей схема имеет порог 139
чувствительности на 2—3 порядка ниже, чем для постоянных или медленно изменяющихся полей. Одновременное измерение последних при необходимости может быть осуществлено за счет микроамперметра (элемент 7), включенного в цепь обратной связи.
На рис. 50, б изображена схема магнитометра, предназначенного для измерения переменных полей, создаваемых внешними источниками электромагнитного возмущения. Эта схема отличается от рассмотренной выше наличием асинхронного детектора 13 и перестраиваемого по частоте низкочастотного генератора-гетеродина 12. При совпадении частоты измеряемого поля с частотой гетеродина асинхронный детектор выдает максимальное выходное напряжение, которое и подлежит регистрации. Несмотря на отсутствие когерентности между источником внешнего электромагнитного возмущения и гетеродином, при большой постоянной времени интегрирующего звена асинхронного детектора в подобных схемах также достигается высокая избирательность [16, 202]. Если частоты измеряемых полей заранее известны (такой случай имеет место, например, при проведении электро-разведочных работ), то гетеродин может переключаться на фиксированные частоты. Если же составляющие спектра измеряемого поля носят случайный характер, выделение их производится путем плавной перестройки гетеродина (процесс может быть автоматизирован). Очевидно, что магнитометр в этом случае выполняет функцию анализатора спектра измеряемого поля. Магнитометры подобного типа могут быть использованы для изучения электромагнитных возмущений самой разнообразной природы, например, обусловленных ионосферными явлениями.
В заключение отметим, что в рассмотренных схемах могут быть применены феррозонды, работающие не только во втором, но и в первом режиме. Причем недостатки последних, отмеченные в § 1, 3, 6, в случае измерения переменных полей оказываются несущественными, поскольку напряжение помехи легко отфильтровывается (с помощью элементов 3 и 9) от полезного сигнала. Подставив Нп (t) — HmQ sin в выражение (51), получим:
d *
В (Z) 4- В (0 = ио Нта>Нтп [cos (W — И) t - cos (со + й)ф (164)
Отсюда полезная выходная э. д. с. феррозонда, работающего в первом режиме, в соответствии с (2) будет
е = w,u0 [со — Q] sin (и — Q) t —
— (со Q) sin (со + О)/], (165) т. е. амплитуды боковых частот не равны одна другой, сравним с выражением (163). В ряде случаев ввиду экономичности феррозондов этого типа применение их для целей измерения переменных полей может оказаться весьма целесообразным.
140
При измерении переменных полей с помощью магнитометров с частотным выходом (рис. 19, а) последние должны быть снабжены частотными дискриминаторами [203—205) и дополнительными низкочастотными синхронными или асинхронными детекторами.
17. Измерители первой производной от напряженности поля по времени
На первый взгляд постановка задачи об измерении первой производной от напряженности магнитного поля по времени с помощью феррозондов может показаться излишней, поскольку для этой цели могут быть использованы обычные пассивные индукционные датчики.
Действительно, в работе [206] описана установка для измерения двух ортогональных компонент вариаций геомагнитного поля, в которой использованы пассивные индукционные датчики. Однако трудность в этом случае заключается не только в достижении необходимой чувствительности датчиков, но и в дальнейшем усилении вырабатываемых ими сигналов. Очевидно, что усилители с гальванической связью (усилители постоянного тока) для этой цели непригодны, так как собственный дрейф и флуктуации нуля таких усилителей могут значительно превысить уровень полезного сигнала, вырабатываемого датчиком. Поэтому пассивные датчики целесообразно сопрягать с усилительными устройствами, собранными по схеме: модулятор — усилитель переменного тока — демодулятор [207 ].
Если учесть, что феррозонды любого типа являются модуляторами (см. § 16), то целесообразность их использования для измерения первой производной от напряженности магнитного поля по времени, во всяком случае в инфранизкочастотном диапазоне, становится очевидной.
Тахогенераторная приставка к феррозондовому магнитометру, позволяющая получить информацию о первой производной по времени, описана в работе [208].
Возможно также построение специальных операционных 1 феррозондовых магнитометров, пригодных для измерения первой производной по времени. Функциональная схема подобного магнитометра изображена на рис. 51, а. Ее отличие от ранее описанных схем состоит в том, что в цепь отрицательной обратной связи введено инерционное звено 2. В качестве инерционного звена в ряде случаев может быть использована интегрирующая Т^С-цепь. При этом в определенном частотном диапазоне благодаря конечности коэффициента прямого преобразования в цепи обратного
1 Термин «операционный магнитометр» введен по аналогии с «операционными усилителями», реализующими тот или иной оператор преобразования сигнала [209].
141
преобразования вместо оператора интегрирования практически реализуется оператор инерционного звена [209]. Эпюры, изображенные на рис. 51, б, поясняют принцип работы подобного измерительного устройства. В момент включения импульса поля прямоугольной формы цепь обратной связи закорочена конденсатором С, поэтому выходное напряжение полностью поступает на регистрирующий прибор. По мере заряда конденсатора ток обратной связи попадает в обмотку феррозонда, и выходное напряжение падает до нуля (этому способствует также фильтр верхних частот, задерживающий постоянную составляющую, которая благодаря статизму системы присутствует на выходе синхронного
Рис. 51. Феррозондовый измеритель первой производной (а) и эпюры, поясняю-щие его принцип действия (б).
/ — феррозонд; 2 — инерционное звено, включенное в цепь обратной связи; 3 — избирательный усилитель; 4 — генератор частоты со; 5 — синхронный детектор; 6 — вольтметр (регистрирующий прибор); 7 — фильтр верхних частот.
детектора, и наличие достаточно глубокой обратной связи). В момент выключения поля на выходе измерителя появляется импульс напряжения противоположной полярности. Он обусловлен зарядом конденсатора С. По мере разряда конденсатора ток в цепи обмотки обратной связи убывает и выходное напряжение вновь падает до нуля. Очевидно, что реализуемая на выходе измерителя функция Овых (t) в первом приближении соответствует функции (/).
Другая схема измерителя первой производной от напряженности поля по времени может быть построена на базе выделения квадратурной составляющей выходной э. д. с. феррозонда, о возникновении которой говорилось в § 16, см. выражения (160), (162) и рис. 49, б.
Действительно, выражение (162) можно представить в виде [192]:
е2 = Еса„ sin Qi sin 2<о/ — £кв cos £lt cos 2®/,
где
^син — 4сВ5йУ2р0Р2#тй, £кв =
(166)
142
— амплитуды синфазной и квадратурной составляющих э. д. с.
соответственно.
Из (166) следует, что амплитуда синфазной составляющей пропорциональна частоте ® поля возбуждения, тогда как амплитуда квадратурной— частоте Q измеряемого поля. Если то
и £син > Екв, что приводит к известным трудностям выделения слабого сигнала (несущего информацию о первой производной по времени) на фоне значительно большей по величине помехи (в данном случае несущей информацию о величине самого поля). Однако, поскольку амплитуда
Екв не зависит от частоты со поля возбуждения, последняя может быть выбрана достаточно низкой. Например, при измерении первой производной по времени в диапазоне частот Fa = 0,01.-е 0,5 гц частоту / = со/2л поля возбуждения можно взять равной 5 гц (создание избирательного /?С-усилителя на частоту 2f = 10 гц не представляет особых технических трудностей). Одновременно в связи
Рис. 52, Измеритель первой производной по времени, основанный на выделении квадратурной составляющей второй гармоники выходного напряжения феррозонда.
1 — феррозонд, 2 — избирательный усилитель, 3 — генератор частоты; 4 — синфазный детектор; 5 —квадратурный фазочувствитель-пый усилитель, нли квадратурный детектор; 6 — фазовращательная цепь, 7 — вольтметр (регистрирующий прибор).
с понижением рабочей частоты можно резко увеличить количество витков вторичной обмотки феррозонда. В измерителе целесообразно использовать фазочувствительное усиление, а также ввести отрицательную обратную связь по напряженности поля, см. функциональную схему, изображенную на рис. 52.
В работе [210] предложено использовать обе описанные схемы (рис. 51 и 52) одновременно и, с целью повышения точности измерения, перемножить выходные сигналы между собой.
18. Измерители угловых величин
Как отмечалось в § 1 и 7, свойство направленности феррозондов позволяет использовать их для измерения угловых величин.
Почти сразу же после изобретения феррозондов имели место попытки использования феррозондов для построения дистанционных магнитных компасов.
При построении дистанционных феррозондовых компасов возникают две основные задачи: стабилизация горизонтальной площадки, на которой устанавливаются один или несколько феррозондов (иначе при кренах платформы, на которой устанавливается компас, появляется ошибка, обусловленная действием вертикальной составляющей геомагнитного поля), и обеспечение дистанционной передачи информации об измеряемых угловых величинах.
143
Первая задача обычно решается путем использования демпфированных маятников и гиросистем [32, 72, 74, 82, 211], т. е. с помощью тех же средств, которые применяются при измерении компонент геомагнитного поля в движении [130, 190].
Вторая задача может быть решена различными способами. В работе [72] предложено на горизонтальной площадке, стабилизированной маятником, размещать два феррозонда так, чтобы их магнитные оси оказались взаимно перпендикулярными. При этом непосредственно измеряются компоненты Нх и Ну, жестко связанные с платформой. С феррозондов информация передается по кабелю на измерительный пульт. В результате измерений могут быть вычислены направляющие косинусы:
(167)
где аир — углы между соответствующими магнитными осями феррозондов и горизонтальной составляющей НЛ геомагнитного поля. Зная направляющие косинусы, можно определить угловое положение платформы относительно направления вектора Н/у. В работах [74, 154, 211] описана система, состоящая из трех феррозондов, магнитные оси которых расположены треугольником с внутренними углами в 60°. Такое расположение феррозондов также позволяет передавать информацию по кабелю. Недостаток системы заключается в применении трех феррозондов, требующих весьма точной взаимной ориентировки и строгой идентичности их параметров. В подобного рода системах может оказаться целесообразнее применение кольцевых феррозондов (см. § 9, рис. 33, б). Наиболее точной системой дистанционного компаса, по-видимому, следует считать следящую, в которой в качестве датчика угла рассогласования используется один феррозонд. Подобные системы описаны в работах [211, 212]. Заметим, что в работе [211] приведена схема феррозонда, диаграмма направленности которого имеет сложный характер и в свете изложенного в § 7 не может быть рекомендована для высокоточных измерений. В этом отношении применение дифференциальных стержневых феррозондов [212] более перспективно. В следящих системах передача информации об угловых величинах обычно обеспечивается с помощью сельсинной или потенциометрической связи.
Преимущество следящих феррозондовых систем для измерения угловых величин заключается в том, что к феррозондам и усилительно-преобразовательным схемам в этом случае не предъявляется жестких требований в части постоянства чувствительности и коэффициента передачи. Как отмечалось, следящие системы были использованы в аэромагнитометрах. Однако в магнитоме-144
трическои аппаратуре, установленной на третьем советском искусственном спутнике Земли, феррозондовые следящие системы были использованы не только для ориентации измерительного феррозонда по вектору геомагнитного поля (с целью измерения скалярной величины), но и для контроля углового положения самого спутника относительно этого вектора. Для снятия информации об угловом положении спутника в аппаратуре были использованы потенциометры, подвижные контакты которых через редуктор связывались с системой следящего привода [131]. Проведенным экспериментом было положено начало определению углового положения космических аппаратов относительно вектора геомагнитного поля, величина и направление которого в каждой точке орбиты могут быть заранее рассчитаны [28, 132, 133, 135, 213].
Были предложены также феррозондовые системы ориентации платформ по направлению вектора магнитного поля. Отличие их от систем ориентации, используемых в аэромагнитометрах (см. § 15), заключается в том, что исполнительные двигатели устанавливаются на той же платформе, что и феррозонды, так, что взаимное расположение феррозондов и двигателей остается неизменным [214, 215]. В системе ориентации, описанной в работе [215], используются одностержневые феррозонды и способ временного выделения полезного сигнала (см. § 13) [177, 216]. В качестве исполнительных двигателей в системе применены контуры с током, взаимодействующие с геомагнитным полем. Во избежание влияния магнитного поля контуров на феррозонды последние включаются в измерительную цепь в моменты, когда ток в упомянутых контурах отсутствует (способ временного разделения процесса измерения и отработки).
Как известно, магнитные системы контроля углового положения платформ не дают полных сведений об их ориентации в какой-либо заданной точке пространства1. Для получения таких сведений необходимо опираться не на один, а на два физических вектора, пространственное расположение которых в заданной системе координат заранее известно. Ниже описывается одна из возможных систем контроля подобного типа — феррозондовый инклинометр.
Прибор предназначен для измерения зенитного и азимутального углов, характеризующих искривление пробуриваемых скважин (геологоразведочного или иного назначения), куда он опускается на специальном кабеле-тросе.
Конструкция чувствительной системы прибора 2 3 схематически изображена на рис. 53, а, а его функциональная схема — на рис. 53, б.
1 При получении непрерывной информации с датчиков магнитной системы контроля, установленной на движущейся платформе, можно получить полные
или близкие к полным сведения об изменениях ориентации платформы [132].
3 Прибор разработан автором совместно с Л. И. Чебаном.
10 Ю. в. Афа насьев 145
Чувствительная система состоит из двух феррозондов, установленных на площадке взаимно перпендикулярно друг к другу. Площадка расположена в центре колец Гельмгольца на карда-новом подвесе. Стабилизация площадки в горизонтальном положении осуществляется с помощью маятника (с площадкой жестко связан вертикальный штырь с грузом). Кольца Гельмгольца жестко связаны с корпусом чувствительной системы прибора. Когда продольная ось ММ корпуса совпадает с вертикалью,
Рис. 53. Чувствительная система (а) и функциональная схема (б) феррозондо. вого инклинометра.
1 — кольца Гельмгольца; 2, 3 — феррозонды; 4, 16, 18 — вольтметры; 5 — генератор низкой частоты Q; 6, 9 — фильтры нижних частот; 7, 10 — избирательные усилители, настроенные на частоту 2ю, 8, 11 — генератор частоты w; 12, 13 — микроамперметры; 14, 15 — синхронные детекторы; 17. 19 — низкочастотные синхронные детекторы.
ось колец Гельмгольца оказывается перпендикулярной магнитным осям феррозондов, установленных на площадке.
К кольцам Гельмгольца (клеммы cd) подводится переменный ток низкой частоты Q, создающий переменное поле, вектор которого Н~ направлен вдоль оси колец. Если ось ММ корпуса отклонена от вертикали, то на феррозонды действует не только постоянное геомагнитное поле Нт, но и упомянутое переменное поле Н~. Функциональная схема (рис. 53, б) предусматривает раздельное измерение постоянных и переменных составляющих этих полей (см. § 16), а именно: НТ, НТ и Н~Т, Н~у, где индексы х и у относятся к соответствующим феррозондам, а также измерение модуля | Н~ | переменного поля (например, путем контроля выходного напряжения генератора, питающего кольца Гельмгольца). По измеренным значениям вычисляются зенитный 9 и азимутальный а углы, характеризующие искривление скважины в месте нахождения чувствительной системы приборов, 146
На рис. 54 приведена векторная диаграмма, поясняющая вывод расчетных формул. На этой диаграмме оси х и у совпадают с магнитными осями феррозондов, ось z направлена по вертикали.
Вектор НЬ — горизонтальная составляющая геомагнитного поля,
составляющие Нх и Ну — проекции этого вектора на соответ-
ствующие оси. Вектор H/у — горизонтальная составляющая поля, создаваемого кольцами Гельмгольца; составляющие Нх и Н у — проекции вектора на те же оси. Угол 0 есть угол между векто-
ром Н~ и осью 2. Угол а есть угол
Из векторной диаграммы следует:
между векторами Ня и Ня-
9 = arcsin
Г(^)г + ("7)2
(168)
а = arctg
н н — н н
Л Ц л у
(169)
Угол а является магнитным азимутом. Это означает, что инклинометрическим работам в скважине должны предшествовать наземные наблюдения, связанные с определением направления вектора Н/7 (магнитного меридиана).
Рис. 54. Векторная диа-
грамма.
Эти наблюдения могут быть выполнены, например, с помощью буссоли или самой чувствительной системы прибора, если на
внешней поверхности корпуса нанесены риски, соответствующие направлению магнитной оси хотя бы одного из феррозондов.
Получение полных сведений об ориентации чувствительной системы прибора достигнуто в данном случае за счет привязки к двум физическим векторам — вектору геомагнитного поля Нт й вектору гравитационного поля g. Угловые перемещения корпуса прибора относительно вектора g (вертикали) преобразовы-
ваются в нем в сигналы переменного поля, которые и улавливаются феррозондами одновременно с сигналами, вызываемыми вращательными перемещениями в постоянном геомагнитном поле.
Очевидно, что способ преобразования угловых перемещений в дополнительное переменное поле может быть использован и в тех случаях, когда вторым опорным направлением служит не вектор g, а какой-либо иной физический вектор или орт, например, направление на Солнце.
Необходимым общим условием работоспособности и обеспечения заданной точности подобных систем контроля углового положения платформ является отсутствие коллинеарности опорных векторов, т. е. направления опорных векторов не должны быть параллельными. Наиболее высокая точность контроля углового положения платформ достигается, когда опорные векторы ортогональны.
10*
147
Рис, 55. Копре-делению элементов земного магнетизма.
Феррозондовые измерители угловых величин могут с успехом использоваться и при наземной геомагнитной съемке.
Оригинальный прибор для измерения двух углов — магнитного склонения D и наклонения I, а также для измерения модуля вектора Нт геомагнитного поля описан в работе [18].
Напомним определения. Элементы земного магнетизма принято выражать в прямоугольной системе координат х, у, z, где ось х горизонтальна и направлена в сторону северного географического полюса, ось у также горизонтальна и направлена на восток и, наконец, ось z вертикальна и направлена вниз (рис. 55).
Если составляющие Нх, Ну и Hz определены, то тем самым однозначно определен и вектор Нт. Очевидно также, что вектор Нт может быть однозначно определен, если известны углы D и I, а также измерен модуль этого вектора. Измерение углов D и I, а также модуля геомагнитного поля можно произвести с помощью одного феррозонда путем последовательных операций, предусматривающих повороты его магнитной оси в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Прибор состоит из теодолитного стола с укрепленным на нем телескопом, способным изменять направление своей продольной оси на 360° в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Стол и телескоп изготовлены из немагнитных материалов. Непосредственно на телескопе установлен феррозонд стержневого типа. Магнитная ось фер
розонда параллельна оптической оси телескопа. С феррозондом посредством кабеля связан пульт управления (в момент наблюдений пульт относится на расстояние около 9 м от теодолитного стола), содержащий усилительно-преобразовательную схему (выделение полезного сигнала производится по способу второй гармоники), микроамперметр, выполняющий роль нуль-индика-тора, и портативный потенциометр с нормальным элементом, используемый для измерения силы тока, протекающего в катушке (обмотке) компенсации феррозонда, при определении величины геомагнитного поля [18].
Для измерения угла D стол выравнивают по уровням и телескоп вращают в горизонтальной плоскости до тех пор, пока стрелка микроамперметра не установится на нуле. В момент установки стрелки на нуль производят отсчет по измерительному кругу. Затем телескоп вращают в обратном направлении, и в момент установки стрелки микроамперметра на нуль вновь производят отсчет по горизонтальному кругу. Затем телескоп поворачивают на 180° вокруг горизонтальной оси и повторяют те же операции. Среднее из четырех отсчетов по горизонтальному кругу позволяет определить направление магнитного меридиана (вектора Нн). Очевидно, что при такой методике измерения устра-148
няются погрешности на неточную установку феррозонда относительно осей теодолита, а также на смещенный нуль феррозонда или усилительно-преобразовательной схемы. Направление на географический север получают при помощи астрономических наблюдений с тем же теодолитом и телескопом. Угол между магнитным и географическим меридианом и есть угол D.
Для измерения угла I телескоп устанавливается в направлении магнитного меридиана и затем поворачивают вокруг горизонтальной оси до тех пор, пока стрелка микроамперметра не установится на нуле.
Среднее из четырех отсчетов [по вертикальному кругу получают, вращая телескоп в обратном направлении, а также поворачивая теодолит на 180° в азимуте.
После того как углы D и / определены, т. е. известно направление вектора Нт, телескоп устанавливают вдоль этого направления. При этом, как было показано в § 15, не требуется высокой точности установки. С помощью потенциометра измеряется ток, протекающий в катушке (обмотке) компенсации феррозонда. Момент компенсации поля в объеме феррозонда устанавливается также по микроамперметру.
Погрешность за смещенный нуль устраняется повторением наблюдений с перевернутым (на 180° вокруг горизонтальной оси) телескопом [18, 183].
Для наземной магнитной съемки приборы подобного типа, по-видимому, являются наиболее перспективными. По сравнению с приборами, измеряющими приращения вертикальной составляющей геомагнитного поля (см. § 15), они обеспечивают получение большей информации о характере магнитного рельефа, усложненного локальными аномалиями геологического или иного происхождения. С метрологической точки зрения подобные приборы также выгодно отличаются от компонентных. Феррозондовые 'измерители угловых величин являются абсолютными приборами [28], вследствие чего они не нуждаются в градуировке и их Показания не отягощены мультипликативными погрешностями. Что касается измерения модуля вектора Нг, то в этом случае прибор становится относительным. Однако при наличии ядерно-прецессионных магнитометров [136, 137], которые являются абсолютными измерителями модуля ) Н, |, феррозондовые магнитометры указанного типа могут ежедневно поверяться на контрольной точке, вследствие чего систематические погрешности за длительный период времени, указанные в [18], могут быть устранены.
Параметры высокочувствительного магнитометра, описанного в § 14, вполне позволяют использовать его для измерения углов D и / с погрешностью, не превышающей 20—30 угловых секунд. Специально сконструированный феррозонд, в свете изложенного в § 7 и 9, позволит уменьшить эту погрешность до нескольких угловых секунд.
149
19. Измерители неоднородности поля
Почти сразу же после изобретения феррозондов они были использованы и для измерения неоднородностей магнитного поля [4, 10, 48].
Обычный дифференциальный феррозонд (см. рис. 1) может быть использован для измерения неоднородности поля, если
в измерительную обмотку подать переменный ток возбуждения,
Рис. 56. Феррозонды для измерения неоднородности магнитного поля.
а обмотку возбуждения использовать как выходную. Очевидно, что когда поле однородно, на два параллельно расположенных сердечника действуют одинаковые значения напряженности поля и выходная э. д. с., снимаемая с двух последовательно и встречно включенных обмоток, равна нулю. Геомагнитное поле на протяжении определенного расстояния, в частности на расстоянии L между двумя сердечниками феррозонда, практически однородно. Однако, если в непосредственной близости от феррозонда с указанным включением обмоток расположить какое-либо ферромагнитное тело, то однородность суммарного поля нарушается. В этом случае на два параллельно расположенных сердечника будут действовать неодинаковые значения напряженности поля, вследствие чего в выходной обмотке появится э. д. с., пропорциональная разности указанных значений (рис. 56, а).
Для измерения (обнаружения) локальных неоднородностей поля, вызы-
ваемых трещинами и другими изъянами в изделиях из ферромагнитных материалов, наравне с обычной конструкцией (рис. 56,а) могут быть использованы феррозонды специального типа (рис. 56,6) [15, 154, 217, 218]. Феррозонды типа изображенного на рис. 56, б
могут быть использованы также в качестве воспроизводящих головок магнитной записи. Отличие таких головок от широко
применяемых индукционных головок заключается в том, что чувствительность первых не зависит от скорости движения магнитной ленты и позволяет воспроизводить сигналы инфранизкочас-тотного диапазона [219, 220].
В работах [201, 221] неоднородность поля в заданном направлении предложено измерять с помощью одностержневых феррозондов (рис. 56, в).
150
Феррозонды, измеряющие неоднородность поля, называют градиентометрическими феррозондами, а приборы с подобными чувствительными системами — феррозондовыми градиентометрами.
Поскольку э. д. с. на выходе чувствительной системы градиентометра пропорциональна разности полей Е-2 = G<z (Но — Но) в двух точках пространства, находящегося на расстоянии L друг от друга (база градиентометра), то при значительном удалении искомого источника магнитного возмущения выгодно выбирать базу L возможно большей. Подобный случай имеет место
Рис. 57. К оценке влияния однородного геомагнитного поля на чувствительную систему феррозондового градиентометра.
1,2 — сердечники (магнитные оси) феррозондов.
при проведении наземных и скважинных магниторазведочных работ, а также при поиске объектов негеологического происхождения. Наиболее простой чувствительной системой при этом является изображенная на рис. 57, а.
Система содержит два одностержневых феррозонда, разнесенных друг от друга на расстояние L, причем так, чтобы их магнитные оси оказались по возможности параллельными друг другу. Обмотки возбуждения при этом включаются так, что переменные магнитные потоки в сердечниках в каждый момент времени совпадают по направлению. Измерительные (вторичные) обмотки включаются встречно.1 Если магнитное поле, действу
1 Встречное включение измерительных обмоток не является обязательным условием. В работе [222] показано, что при наличии сдвига фаз между токами возбуждения, протекающими в каждом феррозонде, можно использовать и согласное включение измерительных обмоток. При этом благодаря фазовой рас-фильтровке выходной э. д. с. появляется возможность одновременного измерения средней напряженности поля и его неоднородности в направлении L.
151
ющее в направлении базы L, неоднородно, то в выходной цепи системы появляется э. д. с , пропорциональная разности полей, измеряемых каждым феррозондом в отдельности. Изменяя положение самих феррозондов и всей системы в пространстве, можно найти направление наибольшей неоднородности поля и в ряде случаев по результатам наблюдений в нескольких точках пространства определить пеленг на источник магнитного возмущения [223].
Основной проблемой, с которой приходится сталкиваться при проектировании градиентометров подобного типа, является проблема соосности магнитных осей феррозондов.
Дело в том, что при проведении измерений в геомагнитном поле несоосность (непараллельность) магнитных осей феррозонда градиентометра приводит к возникновению ложного выходного сигнала, имитирующего наличие неоднородности поля, когда в действительности поле однородно.
Обычно феррозонды располагают на концах штанги. При этом несоосность магнитных осей феррозондов может быть обусловлена как неточностью их установки, так и прогибом самой штанги.
Рассмотрим влияние однородного поля на чувствительную систему градиентометра при наличии несоосности магнитных осей феррозондов Для этого мысленно перенесем феррозонды параллельно самим себе так, чтобы их магнитные оси пересеклись и расположились в одной плоскости (рис. 57, б). В однородном поле такой перенос правомерен. Будем называть указанную плоскость магнитной плоскостью градиентометра, а биссектрису угла несоосности Р — магнитной осью градиентометра. Выберем систему координат х и у, жестко связанную с магнитными осями феррозондов, так, чтобы магнитная плоскость градиентометра совпала с плоскостью yoz, а магнитная ось градиентометра — с осью z.
Поскольку вектор внешнего однородного поля, например вектор Нт геомагнитного поля при любой ориентации трехгранника xyz (чувствительной системы градиентометра) может быть разложен на соответствующие составляющие Нх, Ну и Нг, рассмотрим влияние каждой из этих составляющих в отдельности.
Составляющая Нх ортогональна магнитной плоскости градиентометра, а следовательно, и магнитным осям феррозондов. По этой причине она не может оказать и не оказывает какого-либо влияния на чувствительную систему градиентометра.
Составляющая Hz также не оказывает влияния на чувствительную систему градиентометра, поскольку проекции этой составляющей на магнитные оси феррозондов равны по величине и одинаковы по знаку. А так как измерительные обмотки включены встречно (рис. 57/а), то э. д. с., наводимые [в них 152
под действием указанных проекций, взаимно уравновешиваются.1
Составляющая Ну (поперечная составляющая, действующая в плоскости угла Р) оказывает влияние на чувствительную систему градиентометра. Проекции этой составляющей на магнитные оси ферпозондов будут также равны по величине, но иметь разные знаки. Принимая во внимание, что в данном случае
Но = Я(1) = Ну cos (90° + 4) = - Ну sin 4,
н'о = Я(2) = Ну cos (90°-= Ну sin 4
и что угол р, как правило, не превышает 1—2°, получаем:
M#o-tfo)=-2G2^sin4~-<W, (170)
т. е величина ложного сигнала имитирующего неоднородность поля, пропорциональна напряженности составляющей Ну и величине угла р.
Устранение или существенное уменьшение погрешности градиентометра, вызываемой влиянием поперечной составляющей Н± = Ну, может быть обеспечено как методическими, так и техническими средствами.
Методическое средство заключается в том, что во время измерений магнитную ось градиентометра постоянно ориентируют по направлению вектора геомагнитного поля. В этом случае Hz = = Н,, а Нх и Ну равны нулю, вследствие чего погрешность, описываемая выражением (170) также равна нулю. Подобный 'прием, однако, не только усложняет методику измерений, но во многих случаях, например при проведении скважинных исследований, просто не может быть реализован.
В работах [224, 225] погрешность, описываемую выражением (170), предложено устранять с помощью автоматически вводимых поправок, вырабатываемых дополнительным магнитометром. Функциональная схема устройства показана на рис. 58, а. Автоматический ввод поправок осуществляется за счет сигнала, вырабатываемого поперечным феррозондом, магнитная ось которого совпадает с направлением составляющей Н± = Ну геомагнитного поля. Автоматический ввод поправок позволяет располагать магнитную ось ММ градиентометра в любом направле
1 Предполагается, что чувствительности феррозондов, равно как и начальные фазы выходных э д с , при этом строго одинаковы Поскольку на практике это не выполняется (см §1,6, 7), погрешности, обусловленные неодинаковой чувствительностью и разностью фаз э д с , обычно устраняют с помощью дополнительных балансировок и компенсации составляющей Hz в объеме каждого феррозонда.
153
нии, независимо от направления вектора Нг геомагнитного поля.
В устройстве (рис. 58, а) могут быть использованы как одностержневые, так и дифференциальные феррозонды. Введение поправок может производиться как по постоянному, так и переменному (с частотой второй гармоники) току [225]. Как показали эксперименты, проведенные Ю. В. Алексеевым и В. П. Люликом, более точная компенсация погрешностей достигается при работе на постоянном токе (т. е. путем использования тока обратной связи дополнительного магнитометра).
Рис. 58. Феррозондовые градиентометры.
/, 3 — феррозонды чувствительно» системы градиентометра, 2 — феррозонд дополнительного магнитометра, 4 — усилительно преобразовательная схема магнитометра, 5 — усилительно преобразовательная схема градиентометра, 6 — регистрирующий прибор; 7 — двигатель, 8 — полосовой фильтр, настроенный на частоту вращения чувствительной системы градиентометра, 9 — избирательный усилитель, настроенный на частоту 2со; 10 — генератор переменного тока частоты со, 11 — блок питания, 12 — синхронный детектор, 13 — фильтр нижних частот
Другая возможность компенсации погрешности, описываемой выражением (170), заключается в модуляции ложного сигнала. Модуляция достигается за счет вращения чувствительной системы градиентометра вокруг его магнитной оси. Благодаря модуляции удается не только отделить полезный сигнал от ложного, но и за счет введения отрицательной обратной связи на частоте модуляции устранить загрузку измерительного канала помехой. Функциональная схема устройства 1 показана на рис. 58, б.
В работе [226] показано, что в случае измерения неоднородности переменного поля ложный сигнал, обусловленный поперечной составляющей геомагнитного поля, может быть устранен за счет введения отрицательной обратной связи по инфранизким частотам. Такой градиентометр можно использовать для измерений в движении, если частотный спектр угловых перемещений
1 Устройство предложено автором совместно с Ю. В. Алексеевым. Авт. свид. № 232533, «Бюллетень изобретений», 1969, № 1.
154
платформы расположен значительно ниже частотного спектра измеряемого переменного поля.
Описанные феррозондовые градиентометры с компенсацией погрешности от поперечной составляющей геомагнитного поля могут найти применение при проведении наземных магнидоразве-дочных работ, скважинных исследований, поиска объектов негеологического происхождения, в том числе в морских условиях при тралении фарватеров от мин, а также для глубоководного поиска затонувших судов и других объектов. При проведении наземных наблюдений с помощью подобных устройств можно в ряде случаев определить пеленг на источник магнитного возмущения.
Более грубые градиентометры, не содержащие систем компенсации погрешностей, обусловленных влиянием однородного геомагнитного поля, могут быть использованы для отыскания месторасположения трубопроводов, стволов аварийных скважин, обсаженных стальными трубами [154, 227, 228], а также для счета и определения скорости движения транспортных единиц [2291. Очевидно также, что простейшие градиентометры найдут применение при автоматизации производственных процессов, в устройствах техники безопасности, а также в качестве спасательного поискового оборудования.
В стационарных условиях феррозондовые градиентометры могут быть использованы для определения магнитных свойств горных пород [230, 81]. В 1961 г. Институтом машиноведения и автоматики АН УССР по предложению Министерства геологии СССР разработан прибор ИМА-ИН, предназначенный для определения намагниченности образцов горных пород в полевых условиях. Наиболее чувствительная шкала прибора, отградуированная в единицах поля, соответствует ±5у. Средняя квадратичная погрешность измерений не превышает ±0,2у. Прибор позволяет проводить раздельное определение остаточной и индуктивной намагниченности образцов [120].
При работе с феррозондовыми градиентометрами в стационарных’ условиях нет необходимости усложнять их системы автоматической компенсации погрешностей, обусловленных влиянием однородного геомагнитного поля, поскольку необходимая балансировка с помощью постоянных токов и других средств может быть произведена вручную. Именно такая балансировка, как правило, и используется при измерении намагниченности образцов горных пород.
Весьма миниатюрные градиентометрические феррозонды одностержневого типа (рис. 56, в), заключенные в специальную оболочку, снабженные гибким тонким кабелем, могут быть использованы в медицине для обнаружения в теле человека инородных металлических предметов. Подобные зонды могут либо заглатываться пострадавшим, либо вводиться в разрез для уточнения местонахождения инородного предмета во время операции. Проведенные операции (извлекались пули, швейные и инъекционные
155
иглы и т. п. предметы) свидетельствуют о перспективности способа [140].
Нет сомнений в том, что феррозондовые градиентометры будут использованы и при изучении лунной поверхности. Напряженность однородного магнитного поля на поверхности Луны в тысячи раз меньше напряженности геомагнитного поля [189]. При такой напряженности поля влиянием поперечной составляющей можно просто пренебречь. В то же время магнитные возмущения, создаваемые, например, упавшими метеоритами, содержащими железо, могут оказаться весьма значительными. Поэтому достаточно простые феррозондовые градиентометры с чувствительной системой, выполняемой в виде тонкой трости — щупа, могут быть с успехом использованы космонавтами, впервые вступающими на поверхность Луны.
Литература
1. Аркадьев В. К-, Магнитные коэффициенты, формы, вещества и тела. Избран, тр., Изд. АН СССР, 1961.
2. Аркадьев В. К., Электромагнитные процессы в металлах, ч. 1, ОНТИ, 1934.
3. N е и м а n Н., Warmoth К., Wiss. Veroff d. Siem. Konz. 11, 25, № 2, 1932.
4. Feldtkeller R., Stuttgarter Arbeitsgemeinchaft, H2, 1943.
5. О s b о r n L. A., Phys. Rev. LXVII, № 11, 12, 1945.
6. Son d h e i m er E. H., Pros. Cambridge Phill 43, pt. 11, 254, 1947.
7. Янус P- И., О коэффициенте размагничивания ферромагнитных стержней. Сб., посвященный 70-летию академика А. Ф. Иоффе, изд. АН СССР, 1950.
8. Розенблат М. А., Баллистический коэффициент размагничивания стержней прямоугольного сечения, ЖТФ, т. 20, вып. 9, 1950.
9. Розенблат М. А., Коэффициенты размагничивания стержней высокой проницаемости, ЖТФ, т. 24, вып. 4, 1954.
10. Янус Р. И., Фридман Л. X., Дрожжина В. И., К теории дифференциальных феррозондов с продольным возбуждением. Сб. производственно-технической информации по геофизическому приборостроению, вып. 3, Л., ОБК МГ и ОН СССР, 1959.
11. Ми зю к Л. Я-, О расчете коэффициентов размагничивания стержневых сердечников, Сб. «Геофизическое приборостроение», вып. 7, Л., ОКБ МГ и ОН СССР, 1963.
12. Н и ч о г а В. А., К расчету коэффициентов размагничивания призматических стержневых сердечников, Сб. «Геофизическое приборостроение», вып. 24, Л., ОКБ МГ и ОН СССР, 1965.
13. Р о з е н б л а т М. А., К расчету магнитомодуляционных датчиков напряженности магнитного поля, «Электричество», 1957, № 7.
14. Розенблат М. А., Магнитные усилители и модуляторы, Госэнерго-издат, 1963.
15. Р о з е н б л а т М. А., Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники, «Наука», 1966.
16. X а р к е в и ч А. А., Нелинейные и параметрические явления в радиотехнике, Гостехиздат, 1956.
17. А г е е в М. Д., Приближенная теория магнитомодуляционных датчиков, «Автоматика и телемеханика», т. 17, № 8, 1956.
18. S е г s о п Р. Н., Hannaford L. W., Canadian Journal of Technology, 1956, July, 34, № 4.
19. Афанасьев Ю. В., Гольдреер И. Г., Долгинов С.Ш., Вопросы проектирования феррозондовых магнитометров, Сб. «Геофизическое приборостроение», вып. 5, Л., ОКБ МГ и ОН СССР, 1960.
20. Лысенко А. П., О высших четных гармониках э. д. с. феррозондов и магнитных модуляторов, Сб. «Геофизическое приборостроение», вып- 9, Гос-топтехиздат, 1961.
21. М и з ю к Л. Я., Входные преобразователи для измерения напряженности низкочастотных магнитных полей, «Наукова думка», 1964.
157
22. 3 а е з д н ы й А. М., Кушнир В. Ф., Параметрические системы, Изд. ЛЭИС, 1962.
23. Бессонов Л. А., Нелинейные электрические цепи. «Высшая школа», 1964.
24. 3 е р н о в Н. В., Карпов В. Г., Теория радиотехнических цепей, «Энергия», 1965.
25. Пономарев Ю. Ф., К теории магнитных модуляторов типа четных гармоник. Модуляторы с поперечным возбуждением, «Физика металлов и металловедение», т. 12, вып. 5, Металлургиздат, 1961.
26. Пономарев Ю. Ф., К теории магнитных модуляторов типа четных гармоник. Модуляторы с продольным возбуждением, «Физика металлов и металловедение», т. 13, вып. 6, Металлургиздат, 1962.
27. А ф а н а с ь е в Ю. В., Магнитные делители частоты и их применение в современной магнитометрической аппаратуре, Бюллетень технической информации по геофизическому приборостроению, июль, Л., ОКБ МГ и ОН СССР, 1958.
28. Яновский Б. М., Земной магнетизм, т. 1 и 2, изд. ЛГУ, 1963.
29. Г а у с с е К- Ф-, Избранные труды по земному магнетизму. Перевод акад. А. Н. Крылова, Изд. АН СССР, 1952.
30. S с h m i d t Ad., Ein Lokalvariometer fur die Vertikalintensitat, Be-richte liber die Tat. Preuss. Met. Inst., Potsdam, 1914.
31. La Cour, Le Quartz—Magnetometre QHM, Det Danshe Meteorologiske Institut Copenhagen, Communications magnetigues, 15, 1936,
32. П о ч т a p e в В. И., Земля — большой магнит, Гидрометеоиздат, Л., 1958.
33. Д е К о л о н г, Новый прибор Колонга и Брауэра для уничтожения и измерения девиации, «Морской сборник», № 11, 1880.
34. Павлинов В. Я., Дефлекторный магнитометр. Гос. науч.-техн, геол.-разв. изд., 1932.
35. Bidlingmeier F г., Der Doppelkompass, seine Theorie und Praxis. Deutche Sudpolar —- Expedition, 1901—1903, Berlin, 1907.
36. F a n s e 1 a u G., Zt. f. Geophis, 13, 1937.
37. Ramsauer K-, Die Anderung magnetischen Storgebiete mit der Hoche und ihr Einlluss auf die Flugzugnawigation, Beitrage zur angewandten Geophisik, IX, 1941.
38. У л ь я н и н В. А., Определение угла наклонения на индукционном инклинометре, Изв. физ.-мат. общ. при Казанском унив., 1923.
39. Ульянин В. А., Индукционный магнитометр для определения силы земного магнитного поля, Тр. Русского физ.-хим. общ., 1926.
40. D а у A., Magnetometer Lornte Measurements о! the Earthic Vertical Magnetic, Proceedings of the Royal Society of London, VCXVII, 1928.
41. Lising, Magnetic measurements on the kompass in Baltic Sea, 1940.
42. Jonson E. A., Application of Alternation-Current Methods of Detection to Earth-jnductors for Marine and Grlundo abservations, Terr. Magnetism, XLI, 1936.
43. Логачев А. А., Воздушная магнитная съемка и опыт ее применения в геолого-поисковых работах, Госгеолиздат, 1947.
44. Л о г а ч е в А. А., Курс магниторазведки, Госгеолиздат, 1951.
45. Л о г а ч е в А. А., Курс магниторазведки, Гостоптехиздат, 1962.
46. Aschenbrenner Н., Goubeau G., Arrangement for Recording of Fast Magnetic Dicturbances (in German) Hochfreguenztechnik Telegraphic (Jahrbuch der drahtlasen Telegraphic und Telephonic), Leipzig, Germany, XVVII, № 6, 1936.
47. R о t t s i e p e r, ATM, 26, 1933.
48. Wurm M., ZS. f. angew. Phys. 11, № 5, 210, 1950.
49. Jensen H., The Airborne Magnetometer, «Scientific American», June, 1961.
50. Горелик Г. С., О некоторых нелинейных явлениях, происходящих при суперпозиции взаимно перпендикулярных магнитных полей, Изв. АН СССР, сер. физ., 8, № 4, 1944.
51. Harrison Е. Р. and others, Proc. Roy. Soc, 157, 1936.
158
52. Н а г г i s о n Е. Р. and Rowe Н., An impedance magnetometer, Proc. Phys. Soc of London, L., 176, 1938.
53. Harr ison E. P. and Smith H. A., A new method of measurin the inclination of the earth’s magnetic field, Proc. Phys. Soc, 1944.
54. Б огомол OB В. H. Устройство с датчиками Холла и датчиками магнитосопротивления, Госэнергоиздат, 1961.
'55 . Бер штейн И. Л. Об одном новом типе магнитометра, Изв. АН СССР, серия физ., 8, № 4.
56. Б е р ш т е й н И. Л. Об одном индукционном явлении, вызванном взаимодействием перпендикулярных магнитных полей, ДАН СССР, 43, № 9, 1944.
57. Берштейн И. Л. и др., Экспериментальное исследование импеданса ферромагнитных проволок, ЖТФ, т. 15, № 8, 1945.
58. Ж У к о в а И. С. О спектре э. д. с. поперечной индукции, ДАН СССР, 65, № 2, 1949.
59. Palmer Т. М., A small sensitive magneiometer, PJEE, C (part 11), 545, 1953.
60. P a 1 m e r T. M., A. battery-operated magmetometer, «London National Laboratory Precision Electrical Measurements», 1955.
61. M u f f 1 у G., The airborne magnetometer, Geophys, 11, 321, 1946.
62. V a c q u i e r and others, Magnetic airborne detector employing magnetically controlled gyroscope stabilisation, RSI, XVIII, № 7, 483, 1947.
63. F'elch E. P. a ol., Air-Borne Magnetometers for Search and Survey, Tr. AIAA, LXVI, 641, 1947.
64. E c k h a r d t E. A., Airborne marborne magnetometer, Oil and Gas Journal, XLV, № 5, 1946.
65. К n о e r r A. W., The Airborne magnetometer, a new aid to geophysics, — Engineering and Mining Journal, 1946, № 6.
66. N i c h о 1 s о n G. B., Airborne magnetometer expedites, Geophysical surueys, Oil weekly, 122, № I, 1946.
г 67. Д ю к о в А. Н., Аэромагнитометрия в США,—«Разведка недр», 1947, № 2.
• 68. Долгинов С. Ш., Об американском аэромагнитометре, — «Разведка недр», 1947, № 3.
69. Р о з е н б л а т М. А., Железонасыщенные магнитные зонды, «Автоматика и телемеханика», № 10, 1949.
70. Williams F. С., Noble S. W., The fundamental limitations of the second-harmonic type of magnetic modulator as applied of small d. c. signals, PI EE, № 58, 1950.
, 71. Шумяловский H. H., Блажкевич Б. И.,К теории слабонасыщенных магнитомодуляционных датчиков напряженности магнитного поля. «Автоматика и телемеханика», 11, № 6, 1950.
72. Ш у м я л о в с к и й Н. Н., Блажкевич Б. И., Пути использования магнитомодуляционных датчиков при контроле направления пробуриваемых скважин, «Автоматика и телемеханика», И, № 6, 1950.
73. Шумяловский Н. Н., Блажкевич Б. И., Теоретические основы настройки магнитомодуляционных датчиков. «Автоматика и телемеханика», 11, № 6, 1950.
74. Чистяков Н. И., Электрические авиационные приборы, Оборонгиз, 1950.
75. В u t t е г w о г t h A., Development and Use of Magnetic Apparatus for Mine Locotion, Journ. IEE, XCV, pt. 2, 1948.
76. К u h n e R., ATM, 1952.
77. Янус P. И. К теории индуктивных воспринимающих элементов с фер-ронасыщенными сердечниками для коэрцитиметров, Тр. института физики металлов АН СССР, вып. 15, 1954.
78. Ш л я н д и н В. М., Элементы автоматики и телемеханики. Оборонгиз, 1954.
79. F о г s t е г F., Z. S. f. Metallkunde, XLV, № 4, 1954.
159
80. F о r s t e r F., Ein Verfahren zur Messung von Magnetischen Gleichfel-dern und Gleichfelddifferenzen und seine Anwendung in Metallforschung und Technik, Z. Metallkunde, H. 5, 1955.
81, Спектор Ю. И., Способ раздельного измерения остаточной и индуктивной намагниченности образцов горных пород с помощью двух одинаковых магнитомодуляционных датчиков, Авт. св. № 123637, Бюлл. изобр., 1959, № 21.
82. Беркман Р. Я-, Михайловский В. Н., Спектор Ю. И., Методика инженерного расчета магнитомодуляционных датчиков типа второй гармоники, Сб. «Электрические цепи для преобразования измерительной информации», Изд. АН УССР, Киев, 1965.
83. Barnett S. D., Terr. Atagnetism elect, 51, № 2, 1946.
84. Брауде Г. В., Устройство для косвенного измерения магнитной индукции, Авт. свид. № 97606, Бюлл. изобр., № 5 1954.
85. П о н о м а р е в В. Н., Авт. свид. № 11762, 1950.
86. Пономарев В. Н., Портативный магнитометр насыщения, Тр. горно-Геологического института УФАН СССР, вып. 30, 1957.
87. Л а т и к а й и е н В. И., Обзор зарубежной магниторазведочной аппаратуры. Сб. «Геофизическая аппаратура», вып. 32, «Недра», 1967.
88. Аронов Р. Л., Аппроксимация кривой намагничивания. —«Электричество», 1948, № 4.
89. Л и т к е н с Е. С., Аппроксимация кривых намагничивания стержней высокой проницаемости, Сб. «Геофизическое приборостроение», № 14, Гостоп-техиздат, 1962.
90. Р о з е н б л а т М. А. Магнитные усилители, ч. I и II. «Советское радио», 1960.
91. Нейман Л. Р., Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. Госэнергоиздат, 1949.
92. Г о л ь д р е е р И. Г., Стабилизаторы напряжения, Госэнергоиздат, 1957.
93. Г о н о р о в с к и й И, С., Радиотехнические цепи и сигналы. «Советское радио», 1963.
94. Асеев Б. П. Фазовые соотношения в радиотехнике. Связьиздат, 1959.
95. Вострокнутов Н. Г., Техника измерения электрических и магнитных величин, Госэнергоиздат, 1958.
96. Т у р и ч и и А. М. Электрические измерения пеэлектрических величин, Госэнергоиздат, 1959.
97. 3 а е з д н ы й А. М., Линейные системы под воздействием периодических колебаний сложной формы. Изд. ЛЭИС, 1962.
98. Толстов Г. П., Ряды Фурье, Физматгиз, 1960.
99. Р о з е н б л а т М. А., Магнитные модуляторы с синусоидальным выходным напряжением удвоенной частоты. «Автоматика и телемеханика», 22, 1961.
100. Беркман Р. Я., С и н и ц к и й Л. А., О максимально возможном коэффициенте усиления магнитного модулятора с выходом на удвоенной частоте и способах его реализации, «Автоматика и телемеханика», 23, № 10, 1962.
101. Голдман С., Теория информации, Изд. иностр, литер., 1957.
102. Харкевич А. А., Борьба с помехами, «Наука», 1965.
103. Коневский 3. М., Финкельштейн М. И., Флуктуационная помеха и обнаружение импульсных радиосигналов, Госэнергоиздат, 1963.
104. Харкевич А. А., Спектры и анализ, Гостехиздат, 1957.
105. Вонсовский С. В., Шур Я- С., Ферромагнетизм, Гостехиздат, 1948.
106. Д р о ж ж и н а В. И., Янус Р. И., Фридман Л. X., О нестабильности нуль-сигнала дифференциальных феррозондов с продольным возбуждением, Сб. «Геофизическое приборостроение», вып. 4, ОКБ МГ и ОН СССР, 1959.
107. S m i d t H., Die Nullpunktsstabilitat von Forstersonden, Freiberger Forsehunghefte, Geophysikalische Abteilung, 1956.
108. Сторм Г. Ф., Магнитные усилители, Изд. иностр, литер., 1957.
109. Кифер II. И., Испытания ферромагнитных материалов, Госэнергоиздат, 1962.
160
110. Felch Е. Р., Potter G. L., Preliminary Development of Mag-nettor Current, Trans. AIEE, pt. I, LXXII, Nov, 1953.
111. Михайловский В. H., Спектор Ю. И., Некоторые вопросы теории магнитных усилителей и магнитомодуляционных датчиков типа второй гармоники, «Автоматика и телемеханика», т. 18, № 6, 1957.
112. Михайловский В. Н., Спектор Ю. И., Экспериментальное изучение особенностей работы магнитомодуляционных датчиков, находящихся под воздействием встречно направленных магнитных полей, одно из которых резко неоднородно. «Автоматический контроль и измерительная техника», вып. 3, ИМА АН УССР, 1959.
113. Михайловский В. Н. Спектор Ю. И., Способ компенсации начальной и остаточной э. д. с. сигнала в магнитомодуляционном датчике для измерения неоднородных магнитных полей, Авт. свид. № 123250, Бюлл. изобр., 1959, № 20.
114. Чеблоков И. В., Остаточные напряжения в двухстержневом феррозонде и методы их уменьшения, Сб. «Геофизическое приборостроение», вып. 7, Л., ОКБ МГ и ОН СССР, 1960.
115. Виноградова Л. Д., Чеблоков И. В. К вопросу о нестабильности нуля феррозондов, Сб. «Геофизическое приборостроение», вып. 18, «Недра», 1964.
116. Gey ger W. A., Flux-gate magnetometer uses toroidal core, Electronics, № 22, 1962.
117. Barkhausen H., Phys. Z. S. 02. 401, 1919.
118. Грачев А. А., О дискретно-сплошном спектре индукции ферромагнетика при цикличном намагничивании, ДАН СССР, 71, 269, 1950.
119. Г о р е л и к Г. С., О некоторых магнитных спектрах преобразования, Изв. АН СССР, сер. физ., 14, 1950.
120. Спектор Ю. И., Применение магнитомодуляционных датчиков для определения намагниченности образцов горных пород. Автореферат кандидатской диссертации, 1961.
121. Б е р к м а н Р. Я-, Собственные шумы феррозондов и методика их исследования. Сб. «Геофизическое приборостроение», Л., ОКБ МГ и ОН СССР, 1960.
122. Грачев А. А., Шумы при периодическом перемагничивании ферромагнетиков, реферат кандидатской диссертации, НИРФИ, Горький, I960.
123. Б у н к и н Ф. В., Шумы циклического перемагничивания ферромагнетиков, ЖТФ, 26, 1956.
124. Грачев А. А., О сплошном спектре э. д. с. циклического перемагничивания, Изв. ВУЗов, радиофизика, 1, № 2, 1958.
125. Колачевский Н. Н., Ферромагнитный сердечник с большими скачками Боркгаузена в переменном магнитном поле, Тр. МФТИ. М., Оборонгиз, вып-. 4, 1959.
126. Кг umhansl J.A., Beyer R. Т., Barkhausen, Noise and Magnetic Amplifiers, 11, Analysis of the Noise, J., Appl. Phys, 20, 1949.
127. Колачевский H. H., Экспериментальное исследование влияния упругих напряжений, термообработки, кристаллической структуры ферромагнитного образца на интенсивность магнитных шумов, ФММ, XI, № 2, 1961.
128. Becker, Zs. Phys., XIIIC, 547, 1933.
129. К о r n e t z k i, Zs. f. Lhys, XIIIC, 560, 1933.
130. S e r s о n P. H., Mack S. Z., Whi t h am K. A. Three component Airborne Magnetometer, Publications of the Dominion Observatory, XIX, N 2, Canada, 1957.
131. Долгинов С. Ш., Жузгов Л.Н., Селютин В. А., Магнитометрическая аппаратура третьего советского искусственного спутника Земли Сб. «Искусственные спутники Земли», вып. 4, Изд. АН СССР, 1960.
132. Israel G. et Vassy A., Resultats concernant 1’altitude d’une fusee veronique obtenus au mayen de capteurs magnetiques, Proceedings of the Third, Jnternational Space Symposium, Washington, 1962.
11 Ю. В. Афанасьев 161
133. Р е 1 e n J., Un nouveque magnetometre de restitution d’altitude, XVI, International Astronautical Congress. Athens, 1965.
134. Ж У з г о в Л. Н., Долгинов С. Ш., Ерошен ко Е. Г., Исследование магнитного поля со спутника «Луна-10», «Космические исследования», IV, вып. 6, 1966.
135. Белецкий В. В. и др., Определение ориентации и вращения искусственных спутников по данным измерений, «Космические исследования», V, вып. 5, 1967.
136. Packard М., V а г i a n R., Free nuclear induction in the Earth’s magnetic field, Bull Amer. Phys. Coe., 28, № 7, 1953; Phys. Rev. VIIC, № 4, 1954.
137. P о т ш т e й н А. Я., Цирель В. С., Протонные геомагнитометры, Госгеолтехиздат, 1963.
138. Bell W., Bloom A., Optical detection of magnetic resonanse in alkali metal vapor, Phys. Rev., 107, 1957.
139. Keuser A. K-, Rice J. A., S c h e a r e r L. D., A metastable ]
helium magnetometer small geomagnetic fluctuations, J. geophys. res., LXVI, '
№ 12, 1961.
140. Янус P. И. и др., О применении феррозондовой аппаратуры в медицине. В сб., посвященном памяти Р, И. Януса, ИФМ АН СССР, вып. 26, Свердловск, 1967.
141. Афанасьев Ю. В., О квадратурной составляющей выходной э. д. с. феррозонда, Сб. «Геофизическое приборостроение», Л., ОКБ МГ и ОН СССР, вып. 7, 1960.
142. Афанасьев Ю. В., Беркман Р. Я-, Спектор Ю. И., О понижении порога чувствительности феррозондовых магнитометрических устройств, Сб. «Геофизическое приборостроение, Гостоптехиздат, вып. 11, 1962.
143. Шидлович Л. X., Дифференциальные трансформаторы и их применение, «Энергия», 1966.
144. Беркман Р. Я-, Афанасьев Ю. В., Спектор Ю. И., j
Способ установки нуль-пункта в магнитометрических установках с магнитомодуляционными датчиками, Авт. св. № 139090, Бюлл. изобр., 1961, № 12.
145. Васильева Н. П., Седых О. А., Боярченков М. А., Проектирование магнитных усилителей, Госэнергоиздат, 1959.
146. Тищенко Н. М., Стабильность магнитных усилителей, «Энергия», 1964.
147. Котельников В. А., Теория потенциальной помехоустойчивости, ГЭИ, 1956.
148. Андре В. и др., Тонкие ферромагнитные пленки, пер. с немецкого общ. ред. Телеснина Р. В., «Мир», 1964. I
149. Апокин И. А., Кипаренко Г. Ф., Тонкие магнитные пленки |
в вычислительной технике, «Энергия», 1964. |
150. Апокин И. А., Технология изготовления ферромагнитных пленок, I
«Энергия», 1966. |
151. М е i е г D. A., A Five Megacycle DRO Thin-Film Rod Memory, Proc. 1
Intermag. Conference, 1963.
152. Резник Э. E., Астатический магнитометр МА-21, Сб. «Геофизическое приборостроение», вып. 29, «Недра», 1966.
153. Карал ис В. Н., Электронные схемы в промышленности, «Энергия», ]
1966. ;
154. Розенблат М. А., Магнетоника, «Наука», 1967. !
155. Schonstedt Е. О., Adjustable magnetic core, патент США, j
№ 3076930, кл. 324-43, 1962. |
• 156. Канунников В. Н., Воронин В. С., Быстродействующий i
магнитометр на транзисторах, — «Приборы и техника эксперимента», 1965, № 2. ।
157. Афанасьев Ю. В. и др., Феррозонд с поперечным возбуждением, 1
Авт. св. № 206710, Бюлл. изобр., 1968, № 1. i
158. Дмитриев Ф. С., Тр. ВНИИЭП, № 2, Л., ОНТИ, 1960. I
159. Веденев М. А., Дрожжина В. И., Фридман Л. X., ’
К вопросу о расчете феррозондов, Тр. ИФМ АН СССР, вып. 24, Свердловск, ;
1965.
162
160. Пономарев Ю. Ф., Фридман Л. X., К расчету чувствительности двухэлементных феррозондов, В сб., посвященном памяти Р. И. Януса, Тр. ИФМ АН СССР, вып. 26, Свердловск, 1967.
161. М а р т и н Т. Л., Электронные цепи, Воениздат (пер. с англ.), 1958.
162. Пономарев Ю. Ф., Исследование электромагнитных явлений в магнитных модуляторах, кандидатская диссертация, Свердловск, 1966.
163. Гольдреер И. Г., Афанасьев Ю. В., Четногармонические магнитные усилители, Бюллетень технической информации по геофизическому приборостроению, июнь, Л., ОКБ МГ и ОН СССР, 1958.
164. Розенблат М. А., Основы теории и расчета селективных выпрямителей на нелинейных симметричных сопротивлениях. «Автоматика и телемеханика», 15, № 4, 1954.
165. Б а л ь со н М. Р., Применение теории фильтров для согласования выхода магниточувствительного элемента со входом измерительной аппаратуры, Бюллетень технической информации по геофизическому приборостроению, июль, Л., ОКБ МГ и ОН СССР, 1958.
166. Михайловский В. Н., Спектор Ю. И. К вопросу согласования магнитных усилителей типа «второй гармоники» с нагрузкой, «Автоматика и телемеханика», 18, № 6, 1957.
167. Лысенко А. П., Работа четно гармонических феррозондов и магнитных усилителей под нагрузкой, «Электричество», 1963, № 12.
168. Гото и др., Параметроны, Сб. статей, Изд-во иностр, лит., 1962.
169. П-а сынков В. В., Савельев Г. А., Чиркин Л. К-, Нелинейные полупроводниковые сопротивления, Судпромгиз, 1962.
170. Афанасьев Ю. В., Синхронные детекторы, применяемые в феррозондовых магнитометрах, Сб. «Геофизическое приборостроение», вып. 18, «Недра», 1964.
171. Хартли Р. и др., Теория информации и ее приложения, Сб. переводов под ред. А. А. Харкевича, Физматгиз, 1959.
172. Афанасьев Ю. В., О возможности построения феррозондового магнитометра, работающего на сумме четных гармоник. Сб. Геофизическое приборостроение, вып. 3, ОКБ МГ и ОН СССР, 1959.
173. Афанасьев Ю. В., Селютин В. А., Ефремов В. Ф., Устройство для измерения магнитных полей, Авт. св. № 124986, Бюлл. изобр., № 24, 1959.
174. Артамонов В. Е., Фазочувствительный усилитель, Авт. св. № 199 198, Бюлл. изобр. № 15, 1964.
175. Беркман О. Я-, Фазовый детектор на кратные частоты, «Автоматика и'телемеханика», 19, № 4, 1958.
« 176. Зацепин Н. Н., Способ измерения магнитных полей, Авт. св. № Г40230, Бюлл. изобр., 1961, № 16.
177. Stricker S., Wulkan A., A pulse-position modulator-type magnetometer, «Communication and Electronics», July, № 55, 1961.
178. Лузин В. H., Радкевич И. А., Соколовский В. В., Прибор для непрерывного измерения и записи медленно меняющихся магнитных полей, ПТЭ, № 4, 1962.
F 179. Яковлев Н.И., Цифровой феррозондовый магнитометр с широтной модуляцией, Сб. «Геофизическая аппаратура», вып. 33, «Недра», 1967.
180. Афанасьев Ю. В., и др., Феррозондовый магнитометр, авт. св. № 135535, Бюлл. изобр., 1961, № 3.
181. Афанасьев Ю. В., Прищепо В. А., Устройство для измерения магнитных полей, Авт. св. № 150919, Бюлл. изобр., 1962, № 20.
182. Афанасьев Ю. В., Лю лик В. П., Трехкомпонентный феррозондовый магнитометр, Сб. «Геофизическая аппаратура», вып. 36, «Недра», 1968.
183. Пономарев В. Н., Способ измерения земного магнитного поля, Авт. св. № 108440, Бюлл. изобр., 1957, № 9.
° 184. Хвостов О. П., Компенсация постоянных и индуктивных помех вектор-магнитометра, Сб. научно-техн, работ, Л., ОКБ МГ и ОН СССР, № 1, 1957.
ц*
163
К 185. Лысенко А, П., Теория и методы компенсации магнитных полей, Со. «Геофизическое приборостроение», Л., ОКБ МГ и ОН СССР, вып. 7, 1960.
186. Хвостов О. П., Теоретические и экспериментальные исследования методов компенсации магнитных помех аэромагнитометра, Автореферат кандидатской диссертации, Л., 1964.
187. Долги нов С. Ш., Пушков Н. В., Результаты измерения магнитного поля Земли на космической ракете, ДАН СССР, т. CLXX, № 1, 1959.
188. Долгинов С. Ш. и др. Исследования магнитного поля Луны, «Геомагнетизм и аэрономия», 1, № 1, 1961.
189. Долгинов С. Ш. и др., Измерения магнитного поля в окрестности Луны на искусственном спутнике «Луна—10», ДАН СССР, т., № 3, 1966.
190. Jarman С. A., S. and Т. Memo. ТРАЗ, Technical Inf. Bureau, ATinistry of Supply, Nov., 1949.
191. Hood P., The ground fluxgate magnetometer-a new versatile prospecting. Canad. min., XVL, № 6, 1964.
192. Лысенко А. П., Соколов H. Ф., Михлин Б. 3., О методах измерений слабых магнитных полей в широком спектре частот, Сб. «Геофизическое приборостроение», вып. 9, Л., 1961.
193. Беркман Р. Я-, Михайловский В. Н., Измерение слабых переменных магнитных полей низкой частоты при геофизической разведке, Изв. АН СССР, сер. геофиз., № 6, 1959.
• 194. Беркман Р. Я-, Михайловский В. Н., Метод измерения слабых переменных магнитных полей низкой частоты и его применение в технике и прикладной физике, «Автоматический контроль и измерительная техника», вып. 3, 1959.
195. Беркман Р. Я-, Измерение напряженности переменных магнитных полей низкой частоты методом двойного преобразования сигнала, Автореферат диссертации, Львов, 1960.
196. Беркман Р. Я-, Устройство для измерения магнитной восприимчивости веществ, Авт. св. № 126548, Бюлл. изобр., 1960, № 5.
197. Афанасьев Ю. В., Устройство для измерения магнитной восприимчивости веществ, Авт. св. № 106425. Бюллетень изобретений, № 3, 1960.
198. Афанасьев Ю. В. Об аппаратуре для магнитного каротажа, Сб. научно-техн, работ ОКБ и ОН, № 1, 1957.
199. Беркман Р. Я-, Измерительный генератор для определения маг-' нитных свойств материалов, Авт. св. № 123606, Бюлл. изобр. 1959, № 21.
200. Афанасьев Ю. В., Гольдреер И. Г., Королев В. Д., Н е й м а р к Г. С., Сейсмоприемник индукционного типа, Авт. св. № 119620. Бюлл. изобр., 1959, № 6.
201. А ф а и а с ь е в Ю. В., Гольдреер И. Г., Неймарк Г. С., Феррозондовый сейсмоприемник, Сб. произв.-техн. информации по геофизическому приборостроению, вып. 5, Гостоптехиздат, 1960.
202. Абрамян А. А., Асинхронное детектирование и прием импульсных радиосигналов, «Советское радио», 1966.
203. Новикове кий С. В., Частотная модуляция, Связьиздат, 1946.
204. Джонс Д., Приемники частотномодулированных сигналов, пер. с англ., Госэнергоиздат, 1959.
205. Агеев Д. В., Родионов Я- Г., ЧМ — радиоприем со следящей настройкой, Госэнергоиздат, 1958.
206. Fournier Н., Description des installations d’une station d’enregi-strement des variations tres rapides du champ magnetique terrestre, C. R., t. 251, 1960.
207. Синицкий Л. А. (ред.), Измерительные преобразователи постоянного тока, «Наукова думка», 1965.
208. Wicker ham W. Е., The Luft Airborne Magnetic Gradiometer, Geophysics, vol. XIX, № 1, 1954.
209. Красовский А. А., Поспелов Г. С., Основы автоматики и технической кибернетики, Госэнергоиздат, 1962.
210. Афанасьев Ю. В. и др., Способ коррекции феррозондовых следящих систем, Авт. св. № 202276, Бюлл. изобр., 1967, № 19.
164
211. Фридлендер Г. О., Селезнев В. П., Пилотажные манометрические приборы, компасы и автоштурманы, Оборонгиз, 1953.
212. Браславский Д. А., Логунов С.С., Пельпор Д.С., Авиационные приборы, «Машиностроение», 1964.
213. Белецкий В. В., Движение искусственного спутника относительно центра масс, «Наука», 1965.
1 214. Михлин Б. 3., Ефимов П. А., Липин X. Ш., Магнитометр, Авт. св. № 118547. Бюлл. изобр., 1959, № 6.
215. Алексеев К- Б., Бебенин Г. Г., Управление космическим летательным аппаратом, «Машиностроение», 1964.
216. К a m m L. J., Magnetorquer a Satellite Orientation Device, AFS Journal, XXXI, № 6, 1961.
217. Лысенко И. M., Матвеев М. А., Опыт применения феррозондов для искательной системы магнитного рельсового дефектоскопа, Тр. ИФМ АН СССР, вып. 21,. 1959.
218. Цепляева М. С., Расчет и применение феррозондов для магнитной дефектоскопии, Автореферат кандидатской диссертации, МЭИ, 1963.
219. Schur.ch Е. С., S е h 1 i f F. R., A Magnetic Tape Oscillograph for Power System Apalysis, Trans. AIEE, LXX, 1951.
220. Розенбл ат M. А., Магнитомодуляционная головка для воспроизведения магнитной записи импульсов при замедленном движении носителя, Тр. ин-та звукозаписи, № 5, 1959.
221. Беркман Р. Я-, Градиентометрический магнитный зонд на одном сердечнике, -Автоматический контроль и измерительная техника, вып. 4, 1960.
222. Афанасьев Ю. В., Гольдреер И. Г., Феррозондовый магнитометр — градиентометр, Авт. св. № 135656, Бюлл. изобр. 1964, № 3.
223. Хвостов О. П., Магнитный пеленгатор, Сб. геофиз. приборостр., вып. 15, Л., Гостоптехиздат, 1963.
®224 . Афанасьев Ю. В., Алексеев Ю. В., Устройство для измерения градиента магнитного поля, Авт, св. № 160596, Бюлл. изобр., 1964, № 4.
225. Гриньков Э. Д. и др., Компенсация погрешностей феррозондового градиентометра, Сб. «Геофизическая аппаратура», вып. 26, «Недра», 1965. ® 226. Афанасьев Ю. В., Катков В. П., Устройство для измерения градиента магнитного поля, Авт. св. № 146970, Бюлл. изобр., 1962, № 9.
227. Шварц М. Э. и др., Устройство для обнаружения разделителей или скребков в нефтепроводах, Авт. св. № 174914, Бюлл. изобр., 1965, № 18.
228. Катков В. П. и др., Способ поиска ствола скважин, Авт. св. № 197202, Бюлл. изобр., 1967, № 12.
229. Афанасьев Ю. В., Л ю л и к В. П., Способ счета и определения скорости движения транспортных единиц, Авт. св. № 218708, Бюлл. изобр., 1968, К» 17.
230. Спектор Ю. И., Способ раздельного измерения остаточной и индуктивной намагниченности образцов горных пород, Авт. св. № 121875, Бюлл. изобр., 1959, № 16.
Оглавление
Предисловие........................................................... 3
Глава первая. Физические основы и принцип действия феррозондов ... 5
1. Феноменологические свойства ................................ —
2. Проницаемость сердечников.................................. 14
3. Два основных режима работы................................. 22
4. Историческая справка....................................... 34
Глава вторая. Параметры и характеристики феррозондов ................ 41
5. Чувствительность.......................................... —
6. Порог чувствительности.................................... 55
7. Диаграмма направленности .................................. 69
Глава третья. Конструктивное выполнение феррозондов ................ 78
8. Выбор материала и технология изготовления сердечников . , —
9. Особенности конструктивного выполнения феррозондов ... 85
10. Пример расчета феррозонда на заданные параметры .... 96
Глава четвертая. Сопряжение феррозондов с элементами измерительной схемы............................................................... 103
11. Согласование с генератором................................. —
12. Особенности работы феррозондов под нагрузкой ............ 108
13. Способы выделения полезного сигнала...................... 119
14. Пример построения схемы высокочувствительного феррозондового магнитометра ........................................... 121
Глава пятая. Феррозондовые измерительные устройства ................ 127
15. Измерители постоянных полей............................... —
16. Измерители переменных полей...............................136
17. Измерители первой производной от напряженности поля по времени...................................................... 141
18. Измерители угловых величин ............................. 143
19. Измерители неоднородности поля........................... 150
Литература . , . . ............................................... 157
АФАНАСЬЕВ ЮРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ
ФЕРРОЗОНДЫ
Редактор М. Н. Суровцева Художественный редактор Г. А. Гудков Технический редактор О. С. Житникова Корректор В. А. Ни п ру ш ев
Сдано в производство 9/IV 1969 г. Подписано к печати 5/IX 1969 г. М-13147. Печ. л. 10,5. Уч-изд. л. 11. Бум. л. 525. Бумага типографская № 2, 60ХЭО1/^. Тираж 7500. Цена 70 коп. Заказ 149-
Ленинградское отделение издательства „Энергия11, Марсово поле, 1.
Ленинградская типография № 6 Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР Ленинград, ул. Моисеенко, 10