Студентам_датчики / Датчики / Лекция 6(1)

Лекция №6. ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.

6.1. Принципы построения приборов для измерения магнитных полей.

Как правило, прибор для измерения магнитных величин состоит из двух

магнитомеханические (выходная величина механическая) и магнитооптические (выходная величина оптическая).

В каждой из этих групп много разновидностей преобразователей, основой для создания которых служат те или иные физические явления. В качестве

основных, наиболее широко используемых явлений могут быть назван следующие:

·явление электромагнитной индукции;

·силовое взаимодействие измеряемого магнитного поля с полем постоянного магнита или контура с током;

·гальваномагнитные явления;

·явление изменения магнитных свойств материалов в магнитном поле;

·явления, возникающие при взаимодействии микрочастиц с магнитным полем.

Основная область применения магнитоизмерительных приборов геофизике – измерение направления и напряженности естественного поля Земли в разведочной и скважинной геофизике, искусственного магнитного поля в столе скважины, исследование магнитных свойств горных пород и металла колонны и др.

Наиболее широкое распространение в геофизике в качестве первичного преобразователя магнитного поля в электрический сигнал(датчика) получил феррозонд.

6.2. Приборы для измерения параметров магнитного поля.

Феррозонд, прибор для измерения напряжённости магнитных полей(в основном постоянных или медленно меняющихся) и их градиентов. Действие феррозонда основано на смещении петли перемагничивания магнитно-мягких материалов под влиянием внешнего магнитного поля. В простейшем варианте феррозонд состоит из стержневого ферромагнитного сердечника и находящихся на нём двух катушек: катушки возбуждения, питаемой переменным током и

перемагничивания). Как правило, феррозонд состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечётные гармонические составляющие

Рис.6.1.Феррозондовый магнитометр, предназначенный для измерения магнитного поля Земли и устанавливаемый на летательных аппаратах.

Рис. 6.2 Переносной феррозондовый магнитометр с выносным зондом и индикатором

Феррозонды обладают очень высокой чувствительностью к магнитному полю (до 10-4 —10-5 А/м), применяют для измерения магнитного поля Земли и его вариаций (в частности, при поисках полезных ископаемых, создающих локальные аномалии геомагнитные поля); для измерения магнитных полей Луны, планет и межпланетного пространства; для обнаружения ферромагнитных предметов и частиц в неферромагнитной среде(в частности, в хирургии при извлечении металлических осколков), в магнитной дефектоскопии и т. д.

В промысловой геофизике феррозондовый датчик магнитного пол используется для детектирования магнитных меток, нанесенных на каротажный кабель, с целью привязки положения скважинной аппаратуры к глубин скважины.

Конструкция такого феррозонда приведена на рисунке6.3 и состоит из трех обмоток на тонком ферромагнитном сердечнике торроидальной формы.

Кис. 6.3. Феррозонд и эпюры напряжений на обмотках.

Торроидальный сердечник с высоким значением коэффициента магнитной проницаемости m.

L ген=200 – 300 вит.

L1 = L2 »1000 вит.

Эпюры ЭДС на контрольных точках:

1.Напряженность внешнего магнитного поля.

2.Форма импульса на генераторной катушке.

3.ЭДС суммарная на приемных катушках.

4.Результат обработки.

напряженности поля путем измерения суммарной амплитуды выходного сигнала на приемных катушках. Причем, катушки L1 и L2 включены так, что при отсутствии внешнего магнитного поляэдс первой катушки компенсируетэдс

второй. Внешнее магнитное поле приводит к возникновению разбалланса выходных эдс и возникновению сигнала, амплитуда которого пропорциональна напряженности исследуемого магнитного поля.

Для выделения переменной составляющей компенсации постоянного внешнего магнитного поля в данной схеме феррозонда проводится путе

траектории электрических зарядов, движущихся в магнитном полеHизм, под действием силы Лоренца. К этой группе относятся: датчики на эффекте Холла (возникновении между гранями проводящей пластинки разности потенциалов, пропорциональной протекающему току иHизм); на эффекте Гаусса(изменении сопротивления проводника в поперечном магнитном полеHизм Dr/r0 » Aф(mb)m,

методами микроэлектроники и обладающие высокой чувствительностью при весьма малых размерах.

Принципиальная схема датчика магнитного поля на эффекте Холла (датчик Холла), приведена на рис. 6.4.

В датчиках холла выполняется соотношение

ЭДСх =f (I, B),

где ЭДСх – регистрируемое выходное значение эдс на постоянной нагрузке, I – величина тока, пропускаемая по датчику, B - измеряемая магнитная индукция.

Рис.6.4.Датчик магнитного поля на эффекте Холла

На эффекте Холла основано действие различного рода тесламетро (магнитометров) для измерения постоянных, переменных и импульсных магнитных полей (с В ~10-4—10-5 Тл,); градиентометров и приборов для исследования магнитных свойств материалов.

Чувствительность датчиков, работающих на основе эффекта Гаусса, достигает 10 мкВ/Тл; у электронно-вакуумных приборов минимально регистрируемая напряженность магнитного поля достигает ~ 30 нТл.

6.3. Приборы для исследования магнитных характеристик среды.

Следующая разновидность датчиков, распространенных в скважинной геофизике и использующих магнитное поле для изучения характерист

создаваемое постоянное магнитное поле, взаимодействующее с окружающим металлом.

Рис. 6.5. Принципиальная схема магнитного локатора сплошности колонны.

ориентированы друг к другу одноименными полюсами. При этом, линии магнитного поля из пространства между ними будут направлены далеко за пределы объема, занимаемого самими магнитами. Поместив между магнитами катушку с большим числом витков(1000 – 2000), получим электромагнитную систему, чутко реагирующую на изменение магнитных свойств окружающей среды в пределах распространения магнитных , линийпронизывающих измерительную катушку. Амплитуда сигнала на катушке, согласно закона

Фарадея Uэдс » (d Ф/ dT).

Поскольку данное устройство движется в составе скважинного прибора по стволу скважины, то любое изменение магнитных свойств металла колонны (отверстие, трещина, муфтовое соединение), приведет к искажению формы магнитных линий и вызовет возникновению эдс на измерительной катушке, рис. 6.6.

К сожалению, МЛ не обеспечивает безусловного детектирования перфорационных отверстий в связи с ограниченным диапазоном охвата по периметру (рис.6.7) ввиду замыкания магнитных линий на ближнюю зону. В связи с этим, низка эффективность локатора муфт и при выделении продольных трещин в металле эксплуатационной колонны. Кроме того, амплитуда

выходного сигнала ЛМ зависит и от скорости движения прибора по стволу скважины.

В большинстве случаев, выделение интервалов перфорации колонны в виде повышенного уровня шумов(рис.6.8), происходит в связи с изменением радиуса колонны за счет ее вздутия от фугасного воздействия кумулятивного перфоратора. Другая причина повышенного уровня шумов в зоне перфорации– колебания скважинного прибора относительно стенки скважины при зацепах на кромках перфорационных отверстий или колебания, вызванные турбулентным потоком жидкости.

хаотичными всплесками. Исходная информация прошла детектирование и представлена в однополярном виде встроенным преобразователем.