ДАТЧИК ИНДУЦИРОВАННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G01R33/00 

Изобретение относится к датчикам, предназначенным для измерения квазипостоянных и переменных магнитных полей низких уровней произвольной формы в различных областях техники, в частности возникающих при определенных технологических процессах очистки и разделения отработанных, стабилизированных механическими примесями водонефтяной и водомасляной эмульсий в системах защиты окружающей среды.

Известны датчики различных типов для измерений квазипостоянных и переменных магнитных полей низких уровней в диапазоне от единиц миллитесла и ниже. При использовании для этих целей датчиков полупроводникового типа на основе эффектов Холла, магниторезистивного и других возникает необходимость в высокостабилизированных источниках питания, устройствах коррекции для компенсации несовершенств в технологии изготовления и влияния температурного и других факторов окружающей среды, имеет место значительная зависимость коэффициента преобразования от размеров чувствительного элемента. Проведение таких измерений с помощью датчиков индукционного типа, кроме ограничений, связанных с измерениями постоянных магнитных полей прямым методом и ограничений по габаритно-массовым характеристикам, имеет ряд преимуществ. Таковыми являются: отсутствие внешних источников питания, линейная зависимость напряжения выходного сигнала в широких диапазонах уровней и частот измерений, возможность достижения конструктивно-технологическими способами значительных уровней коэффициента преобразования при сравнительно небольших размерах чувствительного элемента, простота конструктивного исполнения.

Известен датчик индуктивности типа [1] под названием "Ферритовый магнитомодуляционный параметрический датчик", предназначенный для измерений низкочастотных, а также постоянных магнитных полей низких уровней. Измерения сигналов осуществляют модуляцией магнитной проницаемости (магнитного сопротивления) составного магнитопровода полем контура перемагничивания. В результате возникает амплитудная модуляция на частоте перемагничивания и амплитудно-частотная модуляция и усиление на частоте параметрического резонанса. Перестройкой частоты контура, состоящего из индуктивности измерительной обмотки и выходной емкости, выделяют напряжение сигналов на частотах параметрического резонанса, которые соответствуют четным гармоникам тока перемагничивания. Однако использование известного технического решения для измерений переменных магнитных полей низких уровней ограничено дискретным характером спектра усиливаемых сигналов и узкими полосами перестройки частот параметрического резонанса, значительными уровнями нелинейных искажений, а также значительными, порядка десятков сантиметров, габаритными размерами магнитопровода датчика.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является датчик [2] Датчик содержит индуктор, корпус и размещенные в корпусе постоянный магнит и магнитопровод. Ось максимальной чувствительности датчика, совпадающую с осью намагничивания магнита прямоугольной формы, ориентируют в направлении измерений по радиусу индуктора из ферромагнитного материала. Магнитный поток от ближайшего к индуктору полюса магнита замыкается через последовательные участки магнитной цепи датчика: магнитный полюс элементы конструкции магнитопровода в виде двух крайних продольных с перемычкой и третьего среднего продольного от середины перемычки; свободный конец третьего элемента рабочий воздушный зазор индуктор; индуктор окружающая датчик среда противоположный полюс магнита. На перемычке между двумя крайними и средним продольными элементами размещены измерительные обмотки. Посредством индуктора осуществляют модуляцию магнитного сопротивления рабочего зазора. В результате возникает переменная составляющая потока индукции постоянного магнита, сопровождаемая напряжением сигнала ЭДС индукции на выходе измерительной обмотки. Величина чувствительности датчика определяется величиной и скоростью изменения градиента потока поля в рабочем зазоре.

При отсутствии или малой частоте модуляции выходной сигнал, определяемый вкладом за счет индуктивной составляющей сопротивления обмотки, будет равен или близок к нулю. Для малых рабочих зазоров, начиная с некоторого порогового значения частоты, величина напряжения выходного сигнала будет изменяться пропорционально частоте модуляции. Модулируя внешним источником поток поля через измерительную обмотку, кроме частоты, можно измерять переменные значения магнитных полей с величиной уровней и в частотном диапазоне, определяемых порогом чувствительности и погрешностями калибровки АЧХ датчика по амплитуде и частоте измеряемых сигналов. Ограничениями при использовании известного технического решения являются: частотная зависимость коэффициента преобразования, низкий порог чувствительности в диапазоне частот сигналов до 40-50 Гц, значительное уменьшение чувствительности с увеличением более чем на 1 мм рабочего воздушного зазора, а также влияние внешних помех за счет отсутствия экранировки магнитной цепи датчика.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение области применения путем увеличения чувствительности и расширения частотного диапазона измерений.

Первый вариант. Поставленная задача решается за счет того, что в известном датчике индуцированных магнитных полей, содержащем индуктор, корпус и размещенные в корпусе постоянный магнит и магнитопровод, магнитопровод снабжен магнитным экраном, внутри которого размещены магнит, выполненный C-образным, и измерительная обмотка, установленные таким образом, что участок поверхности датчика со стороны полюсов магнита и торцевой поверхности магнитопровода, ориентированных к индуктору, неэкранирован, противоположная торцевая поверхность магнитопровода совмещена с внутренней поверхностью магнита в точке ее пересечения общей осью симметрии магнита и магнитопровода, а измерительная обмотка выполнена равномерной с электрическими параметрами, выбранными в соответствии с рабочим диапазоном частот измерений согласно соотношениям:

где Ω_в и Ω_н частоты верхнего и нижнего рабочих диапазонов измерений соответственно;
L, R и C_o индуктивность, сопротивление и межвитковая емкость измерительной обмотки соответственно;
r и c сопротивление и емкость выходного импеданса датчика.

Кроме того, в качестве магнитопровода использован ферритовый стержень,а корпус выполнен из капролона.

Второй вариант. Поставленная задача решается за счет того, что в известном датчике индуцированных магнитных полей, содержащем индуктор, корпус и размещенные в корпусе постоянный магнит и магнитопровод, магнитопровод снабжен магнитным экраном, внутри которого размещена измерительная обмотка, установленная таким образом, что участок поверхности датчика со стороны полюсов магнита, выполненного С-образным, и торцевой поверхностью магнитопровода, ориентированных к индуктору, неэкранирован, противоположная торцевая поверхность магнитопровода совмещена с внутренней поверхностью магнита в точке ее пересечения общей осью симметрии магнита и магнитопровода, а измерительная обмотка выполнена равномерной с электрическими параметрами, выбранными в соответствии с рабочим диапазоном частот измерений согласно соотношениям:

где Ω_в и Ω_н частоты верхнего и нижнего рабочих диапазонов измерений соответственно;
L, R и C_o индуктивность, сопротивление и межвитковая емкость измерительной обмотки соответственно;
r и c сопротивление и емкость выходного импеданса датчика.

Кроме того, в качестве магнитопровода использован ферритовый стержень, корпус выполнен из капролона, измерительная обмотка выполнена по длине менее длины магнитопровода.

Кроме того, магнитный экран вблизи полюсов магнита выполнен составным по образующим различного диаметра из n-секций, где n≥2, электрически изолированных относительно друг друга и смещенных по диаметру на величину зазора между собой.

На фиг. 1 представлены первый и второй варианты конструктивного исполнения датчика в разрезе.

Обозначения: А, Б первый вариант датчика, В, Г второй вариант датчика, 1 измерительная обмотка, 2 постоянный магнит С-образной формы, 3 магнитопровод, 4 магнитный экран, 5 индуктор. На фиг. 1 дополнительно показаны: 6 каркас измерительной обмотки, 7 корпус датчика из немагнитного материала типа капролона, 8 экстракционная колонна со стенками из немагнитного материала в разрезе (фрагмент), 9 направление пульсаций среди экстракции; 10 зазор, 11 электрическая изоляция между секциями экрана.

На фиг. 2 показана обобщенная схема магнитной цепи датчиков.

Обозначения: ΔZ_o(t) и Z_i переменная и постоянная составляющие магнитного сопротивления, Δφ(t) и φoj

переменная и постоянная составляющие магнитных потоков рассеяния, U_k магнитодвижущая сила магнита, U(t) напряжение ЭДС индукции измерительной обмотки, i, j, k индексы обозначений: i 0, 1, 2, 3, 4, 5; j 0, 1, 2 и K 1, 2. Обозначения с соответствующими индексами относятся: 0 к параметрам взаимодействия с индуктором, 3 к магнитному сопротивлению магнитопровода, 4 к магнитному сопротивлению полей рассеяния магнита первого варианта датчика, 5 к магнитному сопротивлению полей рассеяния магнита второго варианта датчика; 1, 2 к параметрам взаимосвязанных участков магнитной цепи; a, b и c точки магнитной цепи в плоскости полюсов магнита.

На фиг. 3 представлена блок-схема измерений с использованием первого и второго вариантов датчика. Обозначения: 12 чувствительный элемент, включающий измерительную обмотку и магнитопровод датчика, 13 - усилитель-преобразователь, 14 регистратор.

На фиг. 3 дополнительно показаны: напряжение эквивалентного генератора (индуктора) сигналов, Ζ_g(jω) импеданс чувствительного элемента, Z_вых(jω) выходной импеданс датчика, Z_вх(jω) выходной импеданс усилителя-преобразователя, ω круговая частота измерений.

На фиг. 4 показаны типичные зависимости от частоты измерений коэффициентов преобразования датчиков типа МПФ. Обозначения: I датчик МПФ-01, II датчик МПФ-07, III датчик МПФ-06. Каждый из вариантов датчика используют следующим образом. Датчик размещают в контролируемой точке вблизи индуктора 5, осуществляя его "захват" магнитным полем "зондирующего" потока поля рассеяния. Для этого ось максимальной чувствительности датчика, совпадающую с общей осью симметрии магнита 2 и магнитопровода 3, выбирают в направлении нормали к плоскости измерений. Подбором расстояния между индуктором 5 и датчиком достигают пороговой величины потокосцепления между ними, при которой происходит модуляция зондирующего потока на сопротивлении рассеяния пространства взаимодействия. В соответствии с фиг. 2 за счет возникновения переменной составляющей магнитного сопротивления DZ_o(t) происходит перераспределение составляющих потока φoo

в точках a, b и c плоскости полюсов магнита и прохождение сигнала потока Δφ(t) через участок магнитной цепи с магнитопроводом 3. Сигнал Δφ(t) индуцирует на выходных клеммах измерительной обмотки 1 напряжение U(t).

Определим коэффициент преобразования датчика в виде произведения множителей:

где K₁ коэффициент преобразования магнитной схемы,
K₂ коэффициент преобразования чувствительного элемента,
Δφ(0),ΔZ_o(0), U(0) амплитудные значения соответствующих переменных составляющих Δφ(t),ΔZ_o(t) и U(t);
μ_o и S_g магнитная проницаемость вакуума и площадь поверхности неэкранированного участка поверхности датчика соответственно.

Как видно из фиг. 2, магнитная цепь датчика может быть представлена состоящей из трех взаимосвязанных контуров потоков рассеяния: контура sNSn, формирующего зондирующий поток, и двух контуров csb и bna, связанных через магнитопровод 3 с измерительной обмоткой 1 и образующих дифференциальную схему преобразований. Внешний контур включает обе последовательно соединенные магнитодвижущие силы U_k, каждый из внутренних одну из них. Циркуляция вектора магнитного поля He по каждому из контуров L_Σ магнитной цепи датчика будет равна:

Пусть в момент времени t = 0 φ02

> φ01. Тогда для переменной и постоянной составляющих магнитных потоков имеем:

В линейном приближении теории возмущений при , используя соотношения (2) и (3), а также полагая, что U₁ U₂, Δφ = 0, φ01Z₁≪ φ00Z₀~2U₁, Z₄>Z₅≫ Z₃= Z_u, получаем следующее выражение для коэффициента K₁ соотношения (1):

где: l_g,μ,Z_u,Ω длина в пределах размеров измерительной обмотки, относительная магнитная проницаемость, магнитное сопротивление магнитопровода и частота измеряемого сигнала соответственно.

Воспользуемся блок-схемой фиг. 3. Можно показать, что при Z_вх(ω) ≫ Z_вых(ω) коэффициент преобразования K₂(Ω) соотношения (1) будет характеризоваться значениями:

где Ω_o резонансная частота датчика,
a и b коэффициенты.

При значениях электрических параметров измерительной обмотки 1, удовлетворяющих условиям:
,
выполненной равномерной, рабочий диапазон частот измерений может быть определен из соотношения:

Из соотношений (1), (4) и (5) следует, что увеличение чувствительности датчика может быть достигнуто использованием дифференциальной схемы преобразования, уменьшением магнитного сопротивления магнитопровода, увеличением отношения . Частотный диапазон измерений на низких частотах приближается к 0 Гц. Расширение диапазона измерений на высоких частотах может быть достигнуто за счет уменьшения параметров L, C, C_o и выбора материала магнитопровода обмотки, обеспечивающего μ(Ω) = const при Ω _→ Ω_в. Влияние значений параметров C, C_o и r зависит от уровня технологии изготовления датчика и величины импеданса усилителя-преобразователя.

В первом и втором вариантах датчика в качестве материала магнитопровода используют ферритовый стержень.

Использование магнитного экрана позволяет проводить измерения магнитных полей низких уровней в условиях возникновения помех. Во втором варианте датчика уменьшение шунтирующего воздействия магнитного экрана на величину порога чувствительности дифференциальной схемы преобразования достигают тем, что измерительная обмотка выполнена по длине менее длины магнитопровода. Уменьшение шунтирующего воздействия достигают также тем, что магнитный экран вблизи полюсов магнита выполнен составным по образующим различного диаметра из n секций, где n≥2, электрически изолированных относительно друг друга и смещенных по диаметру на величину зазора между собой.

Из представленных выше алгоритмов функционирования датчиков видно, что в отличие от известного область использования заявленного технического решения может быть расширена. За счет высокой чувствительности и равномерности характеристики в широком диапазоне частот возникает возможность измерять, кроме частоты модуляции (магнитного сопротивления) твердотельных индукторов, частоту и амплитуду модуляции жидкостных индукторов, а также частоту, величину и направление различных других источников излучения квазипостоянных и переменных магнитных полей низких уровней на расстояниях, превышающих более, чем на порядок расстояние известного технического решения.

Полученные выводы подтверждаются экспериментальными результатами. Из фиг. 4 видно, что при использовании заявленного технического решения увеличение чувствительности и расширение частотного диапазона измерений может быть достигнуто как в сторону низких частот до 0 Гц, так и частот свыше 10 кГц. Дальнейшее (кривая 3 на фиг. 4) расширение частотного диапазона обеспечено использованием в качестве магнитопровода 3 ферритового стержня.

В пределах рабочего диапазона частот измерений неравномерность АЧХ не превышает ±0,5 дБ. Габаритно-массовые параметры датчика с рабочим диапазоном частот 0-80 кГц: внешний диаметр 8 мм, длина 1,5 мм, масса 10 г, масса магнита 30 г. Точность расчета электрических параметров датчиков ограничена технологической неоднозначностью в выборе значений параметров C_o, C и r. С помощью соотношения (6) для заданных частотного диапазона ΔΩ и относительных значений в пределах, соответствующих экспериментальным зависимостям фиг. 4, могут быть получены оценочные расчетные значения электрических параметров датчиков.

С учетом вышеизложенного, заявленное техническое решение по сравнению с известным позволяет: увеличить чувствительность; расширить частотный диапазон измерений; обеспечить высокую равномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот; измерять частоту модуляции, частоту, величину и направление квазипостоянных и переменных магнитных полей низких уровней; проводить измерения с твердотельными и жидкостными индукторами; значительно увеличить расстояние измерений; проводить измерения в условиях внешних помех и воздействующих факторов окружающей среды; проводить оценочные расчеты электрических и других параметров датчиков.

Изобретение относится к датчикам, предназначенным для измерения квазипостоянных и переменных магнитных полей низких уровней произвольной формы. Целью изобретения является расширение области применения путем увеличения чувствительности и расширения частотного диапазона измерений. Датчик индуцированных магнитных полей, содержащий индуктор, корпус и размещенные в корпусе постоянный магнит и магнитопровод, снабжают магнитным экраном, внутри которого размещены магнит, выполненный C-образным, и измерительная обмотка, установленные таким образом, что участок поверхности датчика со стороны полюсов магнита и торцевой поверхности магнитопровода, ориентированных к индуктору, неэкранирован, противоположная торцевая поверхность магнитопровода совмещена с внутренней поверхностью магнита в точке ее пересечения общей осью симметрии магнита и магнитопровода, а измерительная обмотка выполнена равномерной с электрическими параметрами, выбранными в соответствии с рабочим диапазоном частот измерений согласно выведенным соотношениям. В другом варианте внутри магнитного экрана размещена измерительная обмотка, установленная таким образом, что участок поверхности датчика со стороны полюсов магнита, выполненного C-образным, и торцевой поверхностью магнитопровода, ориентированных к индуктору, неэкранирован, противоположная торцевая поверхность магнитопровода совмещена с внутренней поверхностью магнита в точке ее пересечения общей осью симметрии магнита и магнитопровода, а измерительная обмотка выполнена равномерной с электрическими параметрами, выбранными в соответствии с рабочим диапазоном частот измерений согласно тем же соотношениям. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Датчик индуцированных магнитных полей, содержащий индуктор, корпус и размещенные в корпусе постоянный магнит и магнитопровод, отличающийся тем, что он снабжен магнитным экраном, внутри которого размещены магнит, выполненный С-образным, и измерительная обмотка, установленные таким образом, что участок поверхности датчика со стороны полюсов магнита и торцовой поверхности магнитопровода, ориентированных к индуктору, неэкранирован, противоположная торцовая поверхность магнитопровода совмещена с внутренней поверхностью магнита в точке ее пересечения общей осью симметрии магнита и магнитопровода, а измерительная обмотка выполнена равномерной с электрическими параметрами, выбранными в соответствии с рабочим диапазоном частот измерений согласно соотношениям


ΔΩ = Ω_в-Ω_н,
где Ω_в и Ω_н- частоты верхнего и нижнего рабочего диапазона измерений соответственно;
L, R и C_о индуктивность, сопротивление и межвитковая емкость измерительной обмотки соответственно;
r и C сопротивление и емкость выходного импеданса датчика. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что в качестве магнитопровода использован ферритовый стержень. 3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен из капролона. 4. Датчик индуцированных магнитных полей, содержащий индуктор, корпус и размещенные в корпусе постоянный магнит и магнитопровод, отличающийся тем, что он снабжен магнитным экраном, внутри которого размещена измерительная обмотка, установленная таким образом, что участок поверхности датчика со стороны полюсов магнита, выполненного С-образным, и торцовой поверхностью магнитопровода, ориентированных к индуктору, неэкранирован, противоположная торцовая поверхность магнитопровода совмещена с внутренней поверхностью магнита в точке ее пересечения общей осью симметрии магнита и магнитопровода, а измерительная обмотка выполнена равномерной с электрическими параметрами, выбранными в соответствии с рабочим диапазоном частот измерений согласно соотношениям


ΔΩ = Ω_в-Ω_н,
где Ω_в и Ω_н- частоты верхнего и нижнего рабочего диапазона измерений соответственно;
L, R и C_о индуктивность, сопротивление и межвитковая емкость измерительной обмотки соответственно;
r и C сопротивление и емкость выходного импеданса датчика. 5. Датчик по п. 4, отличающийся тем, что в качестве магнитопровода использован ферритовый стержень. 6. Датчик по п. 4, отличающийся тем, что корпус выполнен из капролона. 7. Датчик по п. 4, отличающийся тем, что измерительная обмотка выполнена по длине менее длины магнитопровода. 8. Датчик по п. 4, отличающийся тем, что магнитный экран вблизи полюсов магнита выполнен составным по образующим различного диаметра из n секций, где n ≥ 2, электрически изолированных друг относительно друга и смещенных по диаметру на величину зазора между собой.