2.4.Магнитомодуляционные первичные преобразователи (феррозонды).
Основной недостаток пассивных индукционных преобразователей (измерение только переменного магнитного поля, начиная с первых десятков герц) можно преодолеть, используя активные индукционные преобразователи – феррозонды. Феррозондовые датчики широко применяются для регистрации постоянных и низкочастотных магнитных полей. Конструкция феррозонда содержит, как минимум обмотку возбуждения, измерительную обмотку и ферромагнитный сердечник.
Феррозонды относятся к активным индукционным преобразователям, так как появление полезного сигнала в измерительной обмотке связано, по крайней мере, с взаимодействием двух полей – измеряемого поля (постоянного и/или переменного) и переменного поля, генерируемого от внешнего источника в обмотке возбуждения. Феррозонды являются компонентно-ориентированными датчиками.
По конструкции сердечника феррозондовые датчики подразделяются на стержневые (рис.2.16а-г), трубчатые (рис.2.17а-в) и кольцевые (рис.2.18а-в); по числу измеряемых компонент поля - на одно ; по взаимной ориентации измеряемого и возбуждающего поля – на феррозонды с взаимно параллельными (Рис.2.16.а-г) и с взаимно ортогональными полями (Рис.2.17 а-в).
Однокомпонентные стержневые феррозонды выполняются на одном или двух сердечниках с удлинением >>1, что позволяет им измерять компоненту поля, совпадающую по направлению с наибольшей осью сердечника. В двух стержневых сердечниках обмотка возбуждения наматывается на каждый сердечник в отдельности, и включаются «встречно» (рис.2.16.б,г) или «согласно» (рис.2.16.в). Измерительная обмотка может охватывать как каждый сердечник в отдельности (рис.2.16.б,в), так и оба одновременно (рис.2.16.г).
Рис.2.16. Конструкции стержневых феррозондов
Отличие в феррозондах, показанных на рис.2.16.б и рис.2.16.в в том, что в первом ЭДС с каждой секции суммируются, в во втором вычитаются. Последние конструкции феррозондов были изобретены немецким инженером Фёрстером и их модификации до сих пор выпускаются фирмой «Институт доктора Фёрстера» (ФРГ), причем переход от одного типа к другому осуществляется поворотом одного из сердечников с обмотками на 1800.
Наибольшее распространение получил феррозонд, показанный на рис.2.16.г, который называется дифференциальным. Сердечники выполняются наборными из тонких, изолированных друг от друга пермаллоевых спиц.
Многокомпонентные датчики на основе стержневых феррозондов выполняются, как правило, простым дублированием, приведенных на рис.2.16.а-г конструкций, во взаимно-ортогональных направлениях.
Отметим, что в феррозонде,
показанном на рис.2.17.в, обмотка возбуждения
выполнена таким образом, что возбуждающее
поле
создается только током, протекающим по
центральному проводнику, а ток по
наружной немагнитной цилиндрической
сетке внутри поля не создает. Феррозонд,
показанный на рис.2.17.в, является
дифференциальным.
Рис.2.17 Основные виды стержневых преобразователей
Феррозонды на основе трубчатых сердечников, также выполняются на основе одного (рис.2.18.а,б) или двух (рис.2.18.в) сердечников. Феррозонды с кольцевым сердечником исторически появились первыми (1936г.), однако из-за несовершенства магнитных материалов того времени широкого распространения не получили. В последние годы феррозонды с замкнутыми сердечниками используются значительно больше. чем с разомкнутыми (стержневыми или трубчатыми) и их преимущества по сравнению с другими признаны повсеместно.
Рис.2.18 Конструкции кольцевых феррозондов
К достоинствам феррозондов с замкнутыми сердечниками относятся:
- низкий уровень
собственных шумов (порядка
)
и высокая стабильность нуля;
- низкий уровень ЭДС небаланса за счет малого уровня полей рассеяния;
- возможность одновременного измерения двух компонент поля на одном сердечнике (рис.18б); ввиду изотропности сердечника при одинаковом количестве витков в измерительных обмотках, достигается идентичность коэффициентов преобразования при измерении компонент поля) и трех компонент поля с использованием только двух сердечников (рис.2.18в).
Сердечники выполняются путём навивки тонкой пермаллоевой ленты на керамический каркас.