Магнитометрические преобразователи, приборы, установки, страница 15

Феррозонды, работающие в первом режиме, относятся к преобра­зователям с выходом на основной частоте. Феррозонды, работа­ющие во втором режиме, являются четногармоническими преобразо­вателями. Ввиду явных преимуществ четногармонических преобра­зователей, в дальнейшем мы будем говорить главным образом о вто­ром режиме работы феррозондов.

Независимо от выбранного режима работы феррозонды могут быть разделены по способу наложения вспомогательного переменного поля.

4-10. Феррозонды с продольным возбуждением

Изобретение феррозондов связывают с именами немецких уче­ных – Ашенбреннера и Губо [4-41], хотя в отдельных источниках упоминаются и другие имена. Ашенбреннером и Губо был предложен и опробован   феррозонд   кольцевого  типа (рис. 4-20). В качестве сердечника они исполь­зовали железную («цветочную») проволоку, покрытую шеллаком. Обмотка возбуждения наматывалась непосредственно на сердечник, измерительная обмотка размещалась на спе­циальном каркасе. Использовался второй режим работы, при этом измерительная обмот­ка настраивалась в резонанс на частоту второй гармоники. Э. д. с. второй гармоники была пропорциональна компоненте поля Bi, действующей в направ­лении ММ' т. е. по нормали к плоскости витков вторичной обмотки.

 

Рис. 4-20. Феррозонд Ашенбреннера и Губо

Феррозонды Ашенбреннера и Губо были усовершенствованы Ферстером [4-6, 4-42], который взамен кольцевого сердечника использовал два раздельных стержневых сердечника. Феррозонд с двумя сердечниками получил наибольшее распространение и при­меняется до настоящего времени.

Независимо от Ферстера и примерно в то же время стержневые феррозонды были предложены и опробованы П. А. Халилеевым в Советском Союзе [4-19, 4-40].

Несмотря на сравнительную давность изобретения феррозондов, сколько-нибудь цельная и последовательная теория их, положен­ная в основу анализа и расчетов, появилась значительно позднее. Разработке теории немало способствовали советские ученые. Осно­вополагающим явилось учение о намагничивании ферромагнитных тел конечных размеров, развитое крупным советским физиком В. К. Аркадьевым [4-1 ]. Это учение использовано во всех отечествен­ных и зарубежных работах по феррозондам. Большой вклад в теорию феррозондов внесли М. А. Розенблат [4-7] и Р. И. Янус [4-43]. Более подробный список авторов и работ дан в [4-40].

Рис. 4-21. Дифферен­циальный феррозонд

Найдем выражение для чувствительности наиболее распространенного двухстержневого (дифференциального) феррозонда, схема кото­рого приведена на рис. 4-21. Феррозонд выпол­нен в виде двух ферромагнитных (пермаллое-вых) сердечников с распределенными по их длине первичными, включенными последова­тельно — встречно, и общей вторичной обмот­ками. Встречное включение первичных обмоток приводит к тому, что в отсутствие измеряемого поля Bi э. д. с, наводимая во вторичной (изме­рительной) обмотке, близка к нулю. При наличии же измеряемого поля баланс между потоками в первом и втором сердечниках нару­шается и во вторичной обмотке появляется э. д. с, пропорциональ­ная продольной компоненте внешнего поля.

Воспользуемся однозначной кривой перемагничивания, показан­ной на рис. 4-4 штриховой линией. Поскольку векторы постоянного и переменного полей в каждом сердечнике параллельны или анти-параллельны, однозначную нелинейную зависимость В(Н1 H0), где Н1 и Н0 — напряженности вспомогательного (переменного) и измеряемого (постоянного, Н0 = Bi0) магнитных полей соот­ветственно, можно разложить в ряд Тейлора. Для второго режима работы (Н1  Н0), ограничиваясь тремя членами ряда, полу­чаем:

B' = B(Н1,+ Н0) = µ0[µ*Н1+Н0 - ]                             (4-37)

B" = B(Н1,- Н0) = µ0[-µ*Н1+Н0+ ]

где В' и В" - значения суммарной индукции в первом и втором сердечниках; µ* = B/µ0H и µ* = dB/µ0dH – нормальная и диф­ференциальная относительные магнитные проницаемости сердечни­ков соответственно. Связь между µ* и  дается соотношением:

                                                                                        (4-38)

Отсюда нетрудно заключить, что  = µ* только тогда, когда Н = 0 или dµ*/dH = 0. Во всех других случаях µ*.

Очевидно, что зависимость (Н) характеризуется гораздо боль­шей нелинейностью, чем зависимость µ*(H). Совпадая с нормальной проницаемостью в области слабых полей, дифференциальная про­ницаемость резко падает при насыщении сердечника, оказываясь в сотни раз меньше нормальной.

 

Рис. 4-22. Эпюры, поясняющие работу феррозонда с про­дольным возбуждением

Э. д. с, наводимая в измерительной обмотке феррозонда, оче­видно, будет: е=. Отсюда с учетом (4-37) по­лучаем:

е = ,                (4-39)

где Bi = µ 0H0,  – число витков измерительной обмотки и s – площадь поперечного сечения одного сердечника.

Из (4-39) следует, что э. д. с. двухстержневого феррозонда с про­дольным возбуждением пропорциональна скорости изменения отно­сительной дифференциальной проницаемости сердечников.

Если сердечники возбуждаются синусоидальным переменным током, достаточным для их насыщения, то характер изменения  (ωt) будет иметь вид, показанный на рис. 4-22. Там же показана и за­висимость е t)  d/dt. Видно, что на участке ωt = /2. Эта зависимость не остается постоянной. При ωt  0 и ωt  /2 значение d /dt стремится к нулю, при ωt  θ, где θ — так назы­ваемый угол насыщения сердечников, значение dµ*/dtдостигает максимального значения. По этой причине форма выходной э. д. с. е(В ) даже при наличии близкого к нулю значения Bi, как правило, отлична от синусоидальной и имеет вид острых пиков (рис. 4-22).

Ввиду несинусоидального характера выходной э. д. с, чувстви­тельность феррозонда может быть оценена по среднему значению выходной э. д. с, пиковому значению или по амплитуде одной из четных гармоник [4-43, 4-44]. Поскольку наибольшее распростране­ние получили схемы магнитометров, в которых полезный сигнал несет одна из четных гармоник, найдем чувствительность феррозонда по амплитуде четных гармоник.

Очевидно, что функция  (H) – четная. Если H1t) = Н1 sin ωt, где Н1 — амплитуда поля возбуждения, то при Н0 0, в соответствии с изложенным в §4-4, имеем [4-45—4-47]: