4.1 Феррозонды

Феррозонды – это устройства, применяющиеся для НК уже более 50 лет [16]. Они относятся к магнитным преобразователям активного типа. Происходящие в них процессы всегда связаны с существованием двух полей – внешнего измеряемого поля и некоторого вспомогательного, 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, то есть основной функцией феррозонда является преобразование напряженности измеряемого магнитного поля в пропорциональный электрический сигнал.

Существует довольно много типов и модификаций феррозондов, которые 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 простых модификаций феррозонда-полемера: одноэлементном (односердечниковом – рис. 4.1, а), и дифференциальном (рис. 4.1, б, в).

а) б) в)

W_и

Рис. 4.1 Типы феррозондов: одноэлементный стержневой (а),

дифференциальный с разомкнутым сердечником (б),

дифференциальный с замкнутым сердечником (в)

Одноэлементный феррозонд имеет измерительную обмотку W_и и обмотку возбуждения W_в, по которой протекает переменный ток, симметрично перемагничивающий сердечник до насыщения. Иногда обе функции выполняет одна обмотка. Измерительная обмотка также может выполнять роль компенсационной обмотки. Процессы перемагничивания сердечника феррозонда переменным полем возбуждения синусоидальной формы приведены на рис. 4.2.

При симметричной кривой перемагничивания и синусоидальном поле возбуждения Н_~ ЭДС в измерительной обмотке одноэлементного феррозонда имеет вид симметричных разнополярных импульсов, временные интервалы между которыми одинаковы при отсутствии измеряемого поля Н_изм = 0. При Н_изм ≠ 0 кривые перемагничивания смещаются таким образом, что перемагничивание сердечника в одном полупериоде ускоряется, а в другом задерживается на время Δt = α/ω, где ω = 2πf. Можно показать, что амплитуда четных гармоник и временной сдвиг импульсов Δt выходного сигнала ЭДС е₂(t) пропорциональны в определенных пределах измеряемому полю. На примере дифференциального феррозонда с разомкнутым сердечником (см. рис. 4.1, б) оценим количественно ЭДС е₂(t) во вторичной обмотке.

e₂

Рис. 4.2 Временные диаграммы перемагничивания

сердечника феррозонда; Т – период колебаний

В дифференциальном феррозонде первичные (возбуждающие) обмотки соединены таким образом, что протекающий в них ток i создает в объеме сердечников поля Н_~, равные по величине, но противоположные по направлению. При наличии внешнего измеряемого поля Н_изм, направленного вдоль сердечников, в объеме одного из них действует разность напряженностей (Н_изм – Н_~), в объеме другого – сумма (Н_изм + Н_~).

ЭДС в измерительной обмотке, охватывающей оба сердечника, будет:

е₂(t) = –SW_и (B′ + B″),

где S – площадь поперечного сечения сердечников;

B′ и B″ – магнитные индукции в сердечниках;

t – время.

Появление ЭДС во вторичной обмотке дифференциального феррозонда с идентичными сердечниками принципиально возможно лишь при нелинейной зависимости В = f(Н). Опустим доказательство, что если B линейно зависит от Н, то е₂(t) = 0 при наличии измеряемого поля Н_изм.

Аппроксимируем теперь характеристики В = f(Н) укороченным полиномом третьей степени

B = аН + bН³,

где а и b – коэффициенты аппроксимации, зависящие от материала и формы сердечников; данная аппроксимация весьма приближенна, однако, отличаясь простотой, она оказывается полезной для качественного описания процессов и явлений в ферромагнитных цепях.

Тогда:

B′ = а(Н_изм – Н_~) + b(Н_изм – Н_~)³;

В = а(Н_изм + Н_~) + b(Н_изм + Н_~)³.

Положив Н_~ = Н_msinωt и Н_изм = const, имеем:

B′ + B″ = 2аН_изм + 2b + 3bН_изм – 3bН_m cos2ωt

и

е₂(t) = 6S bωН_изм sin2ωt,

где Н_m – амплитуда поля возбуждения.

Таким образом, величина ЭДС на выходе измерительной обмотки появляется при наличии измеряемого поля, оказывается пропорциональной этому полю и имеет удвоенную частоту.

Работа на удвоенной частоте типична для феррозондов. Однако можно показать, что принципиально феррозонд может работать и на других частотах.

Возможность выделения той или иной гармоники позволяет говорить о соответствующих коэффициентах преобразования или чувствительностях феррозонда. В общем случае имеем:

G_n = dЕ_ns/dН_изм,

где G_n – чувствительность феррозонда по n-й гармонике и Е_ns – амплитуда n-й гармоники полезной ЭДС. На начальных участках кривой перемагничивания зависимость Е_ns = f(Н_изм), как правило, линейна, поэтому для слабых полей можно записать:

G_n = Е_ns/Н_изм.

Отсюда следует, что чувствительность феррозонда пропорциональна коэффициенту аппроксимации b, характеризующему магнитные свойства сердечников, поперечному сечению сердечников, числу витков вторичной обмотки, частоте и амплитуде возбуждающего поля. Видно также, что чувствительность по первой и второй гармоникам различна, в частности, чувствительность по первой гармонике зависит от величины постоянной составляющей в возбуждающем поле.

Амплитуды выходной ЭДС в зависимости от ориентации феррозонда изменяются, что свидетельствует о его направленных свойствах. Диаграмма направленности феррозонда в геомагнитном поле в двух различных плоскостях изображена на рис. 4.3.

Диаграммы направленности представляют собой две правильные «восьмерки». Максимумы диаграммы соответствуют направлению продольной оси феррозонда, минимумы – направлению, перпендикулярному этой оси. Подобные диаграммы могут иметь место лишь при косинусоидальной зависимости амплитуды выходной ЭДС от угла между продольной осью феррозонда и вектором измеряемого поля.

Сердечник феррозонда изготавливается из магнитомягкого материала. Форма сердечника в принципе может быть любой: пластина, кольцо, рамка и т. д. В дефектоскопии применяются преимущественно феррозонды с сердечниками в виде отрезков прямого цилиндрического провода из пермаллоя, причем используются два одинаковых феррозонда, обмотки (возбуждающая и измерительная) которых электрически связаны [14]. В зависимости от способа соединения обмоток между собой различают феррозонд-полемер и феррозонд-градиентомер.

Рис. 4.3 Диаграмма направленности феррозонда:

н_х – горизонтальная составляющая геомагнитного поля;

н_у – вертикальная составляющая геомагнитного поля;

У двухэлементного феррозонда-полемера возбуждающие обмотки включают последовательно-встречно, а индикаторные – последовательно-согласно (рис. 4.4); у феррозонда-градиентомера обмотки включены противоположным образом (рис. 4.5). В дефектоскопии применяется в основном градиентометрическая схема включения при параллельном расположении сердечников, что позволяет обнаружить резко неоднородные поля дефектов на фоне однородного намагничивающего поля и отстроиться от помех, создаваемых источниками тока и земным полем.

Рис. 4.4 Схема соединения обмоток феррозонда-полемера	Рис. 4.5 Схема соединения обмоток феррозонда-градиентометра

Несомненными достоинствами феррозондов являются их высокая чувствительность и сравнительно малые размеры. Обычно в дефектоскопии используются элементы с длиной сердечника 0,5–3 мм при диаметре 0,02–0,1 мм [10–12], позволяющие обнаружить поля напряженностью 10^–2–10^–3 А/см, хотя в принципе чувствительность феррозондов может быть на четыре порядка выше [11]. Двухмиллиметровые зонды имеют чувствительность 104–105 мВ/(А/см)^–1, что при номинальном токе возбуждения соответствует реальному сигналу 200–500 мВ. Малые размеры повышают точность измерения величины неоднородного поля, во-первых, за счет малого усреднения по объему, а во-вторых, за счет незначительного искажения исследуемого поля ферромагнитным сердечником. В частности, для цилиндрических сердечников показано, что при измерении неоднородных полей сигнал зонда с высокой степенью точности пропорционален напряженности поля в геометрическом центре цилиндра [16]. Существенным фактором является гибкость конструкции, позволяющая в каждом конкретном случае подобрать параметры зонда: можно менять число элементов, их ориентацию, взаимное расположение, форму сердечников, их размер и т. д. Наконец, феррозонды имеют неплохие эксплуатационные характеристики: дешевы, надежны, термостабильны, устойчивы к вибрации и радиации; будучи потокочувствительными датчиками, применимы при любой скорости контроля.

К недостаткам данного индикатора можно отнести сравнительную сложность изготовления и настройки двух идентичных элементов, необходимость использования генератора питания, а также довольно узкий диапазон величины поля, где характеристика зонда линейна.

Достоинствами феррозондовой дефектоскопии являются максимальная по сравнению с другими методами этой группы чувствительность к дефектам, достаточно большое вследствие малого удаления индикатора от поверхности отношение полезного сигнала к помехам от неоднородностей, надежность в производственных условиях, возможность выбрать любую скорость контроля. К недостаткам можно отнести необходимость тщательной юстировки при работе в приложенном поле (это не относится к импедансным зондам), а в случае многозондовой системы и трудность изготовления элементов с одинаковыми характеристиками.

В заключение сформулируем основные свойства феррозондов.

1. Феррозонд является датчиком активного типа, преобразующим действующую на него напряженность внешнего постоянного поля в ЭДС, 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 ЭДС. Использование второй гармоники выходной ЭДС 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 измеряемого 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.