ИНДУКЦИОННЫЙ МАГНИТОПРИЕМНИК С ПОМЕХОПОДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2000 года по МПК G01R33/02 

Предлагаемое изобретение относится к технике регистрации и измерения переменных магнитных полей и может быть использовано для широкого круга магнитных исследований, в частности в геофизике, а также при проведении испытаний технических средств по требованиям электромагнитной совместимости, например, для измерения эмиссии магнитного поля от стационарных объектов на фоне помех.

При проведении магнитных исследований во многих случаях возникает задача ослабления или подавления составляющих принимаемого сигнала, связанных с внешними помехонесущими источниками магнитного поля. Особенно остро такая проблема стоит при выявлении геомагнитных возмущений, предшествующих или сопровождающих аномальные явления, происходящие в земной коре (например, землетрясения), или в задачах магнитного мониторинга объектов, потенциально способных генерировать несанкционированные магнитные поля в широком диапазоне частот. Источники помеховых магнитных полей имеют разное происхождение, но чаще всего они носят техногенный характер. Наиболее распространенными из них и относящимися к категории наиболее трудноподавляемых являются помеховые магнитные поля, создаваемые элементами электроэнергетических систем, такими как электростанции, электроподстанции, линии электропередач, потребители электроэнергии, т.е. магнитные поля промышленной частоты и ее гармоник.

Уровень полезных сигналов магнитного поля в такого рода исследованиях обычно лежит в пределах (10^-12 - 10^-11) Тл, в то время как помеховые магнитные поля от электрических сетей и крупных производителей и потребителей электроэнергии даже на расстояниях в несколько километров от них достигают значений (10^-9 - 10^-8) Тл. Причем уровень фона магнитных полей промышленной частоты на обжитой территории практически не снижается из-за наличия большого числа разбросанных мелких потребителей электроэнергии. Спектр полезных сигналов в магнитных исследованиях очень широк. Например, в геофизических исследованиях интересующий диапазон частот лежит в пределах (0,1 - 1000) Гц, перекрывает 80 дБ по частоте и включает в себя практически весь спектр промышленной частоты и ее гармоник. Возможности используемых в магнитоприемниках режекторных фильтров на этих частотах ограничены значениями (30 - 40) дБ при требуемом подавлении (80 - 100) дБ, как элементы электронных схем они громоздки и предопределяют габариты электронного блока магнитоприемника.

Известны индукционные магнитоприемники [1] и ферритовые антенны [2], используемые в качестве приемных магнитных антенн. Известны также приемные индукционные ферритовые антенны [3] и рамочные магнитоприемники [4], параметры которых оптимизированы с точки зрения добротности и достижения максимального отношения сигнал/шум.

Наиболее близким к предлагаемому магнитоприемнику является индукционный магнитоприемник, описанный в [5]. Это устройство относится к средствам регистрации и измерения переменных магнитных полей и может использоваться для приема сигналов с широким спектром частот. Оно содержит проводящий виток, проходящий сквозь центральное отверстие замкнутого магнитопровода с выходной обмоткой. В этом устройстве наряду с высокой стабильностью импеданса выходной обмотки достигается расширение принимаемого диапазона частот снизу, поскольку относительная магнитная проницаемость замкнутого магнитопровода значительно (на порядок и более) выше относительной эффективной магнитной проницаемости разомкнутого сердечника, используемого в приемных индукционных ферритовых антеннах [3]. Удовлетворительная чувствительность магнитоприемника [5] при сохранении его преимуществ может быть получена применением, например, заменой проводящего витка на многовитковую короткозамкнутую обмотку, выполняющую, как и проводящий виток, функцию связи замкнутого магнитопровода с внешним магнитным полем, а также применением разомкнутого ферритового сердечника, который охватывается многовитковой короткозамкнутой обмоткой. При этом очевидно, что проводящий виток является частным случаем исполнения короткозамкнутой обмотки.

Недостатком этого и всех других известных индукционных магнитоприемников является отсутствие у них возможности эффективного подавления помеховых гармонических сигналов, в особенности низкочастотного диапазона, лежащих в полосе частот принимаемых полезных сигналов.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым индукционным магнитоприемником с помехоподавлением, является эффективное подавление помеховых гармонических сигналов, частоты которых лежат в полосе частот принимаемых полезных сигналов.

Технический результат достигается тем, что индукционный магнитоприемник с помехоподавлением, состоящий из основной короткозамкнутой обмотки, охватывающей основной сердечник и проходящей сквозь центральное отверстие замкнутого магнитопровода с выходной обмоткой, дополнительно содержит по крайней мере одну компенсирующую обмотку, идентичную основной короткозамкнутой обмотке, и компенсирующий сердечник, идентичный основному сердечнику, причем компенсирующая обмотка охватывает компенсирующий сердечник, проходит сквозь центральное отверстие замкнутого магнитопровода и нагружена на соединенные последовательно катушку индуктивности и конденсатор.

Сущность изобретения заключается в использовании в предлагаемом индукционном магнитоприемнике принципа компенсации помеховой составляющей принимаемого сигнала на стадии его формирования в выходной обмотке. Для его реализации в противовес основному звену чувствительного элемента магнитоприемника, состоящему из основной короткозамкнутой обмотки и основного сердечника, образуется компенсирующее звено, состоящее из компенсирующей обмотки и компенсирующего сердечника, которое по своим электромагнитным параметрам (числу витков компенсирующей обмотки, марки обмоточного провода и способу ее намотки, материалу и геометрии компенсирующего сердечника) идентично основному звену. При этом оба сердечника (основной и компенсирующий) располагаются зеркально симметрично относительно оси, разделяющей замкнутый магнитопровод на две равные части. Внешнее переменное магнитное поле в виде магнитных потоков, концентрируемых в каждом из указанных сердечников, возбуждает в короткозамкнутой и компенсирующей обмотках в силу идентичности основного и компенсирующего звеньев равные ЭДС. Знак ЭДС в соответствии с правилом Ленца всегда будет таким, чтобы магнитное поле тока, протекающего в обмотке, вне зависимости от направления ее намотки было направлено навстречу возбуждающему магнитному полю. Это означает, что при замыкании накоротко (аналогично основной обмотке, располагающейся на основном сердечнике) компенсирующей обмотки, располагающейся на компенсирующем сердечнике, никакого магнитного потока в замкнутом магнитопроводе из-за встречного действия основного и компенсирующего звеньев не обнаружится и сигнала в выходной обмотке не возникнет, т.е. будет иметь место полное взаимное подавление сигналов от основного и компенсирующего звеньев. Однако если компенсирующую обмотку нагрузить на соединенные последовательно катушку индуктивности и конденсатор, то из спектра сигнала, индуцируемого в выходной обмотке, будет исключена только одна частота (или узкая полоса частот), являющаяся резонансной для образованного компенсирующей обмоткой, катушкой индуктивности и конденсатором контура. При необходимости исключить из спектра сигнала в выходной обмотке несколько помеховых частот, например промышленную частоту и ее гармоники, количество компенсирующих обмоток увеличивается таким образом, чтобы каждому подавляемому гармоническому сигналу соответствовала своя компенсирующая обмотка, нагруженная на свои соединенные последовательно катушку индуктивности и конденсатор, которые настроены на требуемый резонанс. Эффективность подавления помеховых гармонических сигналов зависит от степени идентичности основного и компенсирующего звеньев.

Схематическое изображение предлагаемого индукционного магнитоприемника с помехоподавлением приведена на фиг. 1. Он содержит: основной сердечник 1, основную короткозамкнутую обмотку 2, компенсирующий сердечник 3, например, одну компенсирующую обмотку 4, нагруженную на соединенные последовательно катушку индуктивности 5 и конденсатор 6, замкнутый магнитопровод 7 с выходной обмоткой 8.

Предлагаемый магнитоприемник работает следующим образом. Переменное магнитное поле принимаемого сигнала в одинаковой степени концентрируется в основном 1 и компенсирующем 3 сердечниках, благодаря тому, что их геометрия и магнитный материал идентичны. Сформированный в основном сердечнике 1 переменный магнитный поток Ф_о индуцирует в основной обмотке 2 ЭДС E_о, которой с учетом короткого замыкания выводов обмотки 2 соответствует протекающий по этой обмотке ток i_о. Ток i_о определяет индуцированное потокосцепление J_о, направленное навстречу исходному потоку Ф_о и распределяющееся между основным сердечником 1 и замкнутым магнитопроводом 7. Для эффективной передачи мощности принимаемого сигнала в выходную обмотку 8 сечение замкнутого магнитопровода 7 выбирается примерно равным сечению сердечника 1. При этом потокосцепление J_о, концентрируясь главным образом в замкнутом магнитопроводе 7 вследствие значительно большей его эффективной магнитной проницаемости в сравнении с разомкнутым сердечником 1, обуславливает в замкнутом магнитопроводе 7 магнитный поток Ф_зо. Переменный магнитный поток Ф_зо возбуждает в выходной обмотке 8 ЭДС E_вых, которая является откликом магнитоприемника на воздействие внешнего сигнала. В свою очередь сформированный под действием внешнего сигнала в компенсирующем сердечнике 3 переменный магнитный поток Ф_к, по условию идентичности основного и компенсирующего звеньев равный потоку Ф_о, индуцирует в компенсирующей обмотке 4 ЭДС E_к, равную ЭДС E_о. Замкнутая на соединенные последовательно катушку индуктивности 5 и конденсатор 6, компенсирующая обмотка 4 образует резонансный контур, ток в котором i_к на резонансной частоте f_рез при выполнении условия L_к < L_нк (где L_к - индуктивность компенсирующей обмотки 4, L_нк - индуктивность нагрузочной катушки индуктивности 5) равен по величине и совпадает по фазе с током короткого замыкания этой обмотки, а следовательно, равен по величине и совпадает по фазе с током i_о в основной короткозамкнутой обмотке 2 по условию их идентичности. В силу конструктивной симметрии основного и компенсирующего звеньев относительно оси, делящей замкнутый магнитопровод 7 пополам, в замкнутом магнитопроводе 7 магнитный поток Ф_зк, обусловленный потокосцеплением J_к компенсирующей обмотки 4, направлен навстречу потоку Ф_зо, обусловленному потокосцеплением J_о основной обмотки 2. Это означает, что из спектра ЭДС E_вых в выходной обмотке 8 в зависимости от добротности резонансного контура, образованного компенсирующей обмоткой 4, катушкой индуктивности 5 и конденсатором 6, будет исключена резонансная частота f_рез или узкая полоса частот в окрестности резонансной частоты f_рез. Таким образом, ставя в соответствие числу помеховых частот равное им число компенсирующих обмоток, нагруженных на соответствующие требуемым резонансам цепочки из соединенных последовательно катушки индуктивности и конденсатора, можно осуществлять их подавление в результирующем сигнале на выходе магнитоприемника.

Электрический режим выходной обмотки 8 в зависимости от величины ее нагрузки может быть различным и иметь характер холостого хода или короткого замыкания (режим интегрирования ЭДС E_вых), что, однако, не влияет на эффективность помехоподавления в предлагаемом индукционном магнитоприемнике. Как уже отмечалось, абсолютное значение помехоподавления зависит от степени идентичности основного и компенсирующего звеньев. Выбор одинаковых по магнитным характеристикам основного и компенсирующего сердечников и обеспечение идентичности параметров соответствующих им обмоток в предлагаемом магнитоприемнике позволяет получать подавление помеховых гармонических сигналов 30 - 40 дБ. Чтобы достичь лучших показателей подавления, требуется длительная работа по идентификации и селекции исходных магнитных материалов основного и компенсирующего сердечников и повышению степени их геометрического подобия, что ведет к значительному удорожанию магнитоприемника.

Повысить величину помехоподавления, не прибегая к длительной и дорогостоящей процедуре подгонки параметров основного и компенсирующего сердечников, можно, используя предлагаемое техническое решение.

Технический результат достигается тем, что индукционный магнитоприемник с помехоподавлением, состоящий из основной короткозамкнутой обмотки, охватывающей основной сердечник и проходящей сквозь центральное отверстие основного замкнутого магнитопровода с выходной обмоткой, по крайней мере одной компенсирующей обмотки, идентичной основной и охватывающей идентичный основному компенсирующий сердечник, проходящей сквозь центральное отверстие основного замкнутого магнитопровода и нагруженной на соединенные последовательно катушку индуктивности и конденсатор, дополнительно содержит по крайней мере один симметрирующий замкнутый магнитопровод с двумя идентичными друг другу симметрирующими короткозамкнутыми обмотками, причем одна из них охватывает основной сердечник и проходит сквозь центральное отверстие симметрирующего замкнутого магнитопровода, а другая охватывает компенсирующий сердечник и проходит сквозь центральное отверстие симметрирующего замкнутого магнитопровода.

Сущность изобретения заключается в организации дополнительной автомагнитной связи между основным и компенсирующим сердечниками. Функция автомагнитной связи состоит в симметрировании (выравнивании) переменных магнитных потоков в указанных сердечниках.

Схематехническое изображение индукционного магнитоприемника с помехоподавлением, включающего в себя, например, одно симметрирующее звено, состоящее из симметрирующего замкнутого магнитопровода и двух идентичных друг другу симметрирующих короткозамкнутых обмоток, представлено на фиг. 2. Он содержит: основной сердечник 1, основную короткозамкнутую обмотку 2, компенсирующий сердечник 3, компенсирующую обмотку 4, нагруженную на соединенные последовательно катушку индуктивности 5 и конденсатор 6, основной замкнутый магнитопровод 7 с выходной обмоткой 8, симметрирующий замкнутый магнитопровод 9 и симметрирующие короткозамкнутые обмотки 10 и 11.

Предлагаемый индукционный магнитоприемник с помехоподавлением, дополненный симметрирующим звеном, работает следующим образом. В том, что касается основного звена, состоящего из основного сердечника 1 и основной короткозамкнутой обмотки 2, а также компенсирующего звена, состоящего из компенсирующего сердечника 3 и компенсирующей обмотки 4, нагруженной на соединенные последовательно катушку индуктивности 5 и конденсатор 6, и их взаимодействия с основным замкнутым сердечником 7, имеющим выходную обмотку 8, работа этого магнитоприемника ничем не отличается от работы магнитоприемника, изображенного на фиг. 1 и описанного выше. Поэтому здесь подробно рассматривается только работа симметрирующего звена, состоящего из симметрирующего замкнутого магнитопровода 9 и двух идентичных друг другу симметрирующих короткозамкнутых обмоток 10 и 11.

Вне зависимости от соотношения величин магнитных потоков Ф_о и Ф_к в основном 1 и компенсирующем 3 сердечниках реакция симметрирующего звена всегда направлена на устранение разницы между ними и будет выражаться в следующем. Если магнитные потоки Ф_о и Ф_к равны, то индуцированные ими в симметрирующих короткозамкнутых обмотках 10 и 11 потокосцепления J_о и J_к в силу идентичности этих обмоток также равны. Следовательно, равны и магнитные потоки Ф_зо и Ф_зк в симметрирующем замкнутом магнитопроводе 9, обусловленные потокосцеплениями J_о и J_к, соответственно. Противоположная направленность потоков Ф_зо и Ф_зк приводит в этом случае к тому, что результирующий магнитный поток в симметрирующем замкнутом магнитопроводе 9 равен нулю, т.е. симметрирующее звено при равенстве магнитных потоков в основном 1 и симметрирующем 3 сердечниках никакого влияния на работу индукционного магнитоприемника с помехоподавлением не оказывает. Напротив, при резбалансе магнитных потоков Ф_о и Ф_к в этих сердечниках результирующий магнитный поток в симметрирующем замкнутом магнитопроводе 9 уже не равен нулю и определяется большим из потоков Ф_о и Ф_к. Если при этом в исходном состоянии Ф_о > Ф_к, то нескомпенсированный магнитный поток в симметрирующем замкнутом магнитопроводе 9 в месте расположения симметрирующей короткозамкнутой обмотки 10 направлен согласно правилу Ленца против потока Ф_о, его обусловившего. Однако с диаметрально противоположной стороны симметрирующего замкнутого магнитопровода 9 в месте расположения симметрирующей короткозамкнутой обмотки 11 этот резбалансный магнитный поток уже направлен в одну сторону с потоком Ф_к. Добавка к исходному потоку Ф_к резбалансного магнитного потока вызовет пропорциональное увеличение тока в симметрирующей короткозамкнутой обмотке 11 и, как следствие, возрастание потока в компенсирующем сердечнике 3. И, наоборот, если Ф_о < Ф_к, то происходит увеличение исходного магнитного потока в основном сердечнике 1. Этот процесс продолжается до тех пор, пока в месте расположения симметрирующего звена магнитные потоки в основном 1 и компенсирующем 3 сердечниках не станут равными. Симметрирующее звено, таким образом, реализует автомагнитную связь между этими сердечниками, выравнивая их магнитные потоки. Баланс магнитных потоков в основном и компенсирующем сердечниках, которого позволяет достичь использование одного симметрирующего звена, дает прибавку в подавлении помеховых гармонических сигналов, примерно, 10 дБ. Для достижения лучшего баланса необходимо использование большего числа располагаемых вдоль сердечников магнитоприемника симметрирующих звеньев. Однако из-за неравномерного распределения магнитного потока вдоль разомкнутого магнитопровода, каковыми являются указанные сердечники, процесс выравнивания магнитных потоков имеет свой естественный предел, когда дальнейшее увеличение количества симметрирующих звеньев не приводит к желаемому результату. Этот предел на практике оценивается величиной прибавки в подавлении помеховых гармонических сигналов в 20 дБ. При этом суммарное подавление помеховых гармонических сигналов, лежащих в полосе частот принимаемого полезного сигнала, в предлагаемом индукционном магнитоприемнике с помехоподавлением, использующем симметрирующие звенья, достигает значений 40 - 50 дБ. С учетом возможностей режекторных фильтров общее подавление составляет 70 - 90 дБ, и этого уже достаточно, чтобы с помощью предлагаемого магнитоприемника вести тонкие исследования магнитных полей на фоне помех.

Таким образом, техническим результатом от использования заявляемого индукционного магнитоприемника с помехоподавлением является эффективное подавление помеховых гармонических сигналов, частоты которых лежат в полосе частот принимаемых полезных сигналов.

Источники информации
1. Мизюк Л.Я., Ничога В.А. Электрические параметры индукционных низкочастотных магнитоприемников с ферромагнитными сердечниками. Сб. "Геофизическое приборостроение", 1964, N 20, стр. 37-61.

2. Хомич В.И. Ферритовые антенны. "Энергия", 1969, стр. 6-55.

3. Мельников Э.А., Мельникова Л.Н. Приемные индукционные ферритовые антенны. Изв. вузов СССР, Радиоэлектроника, 1974, 17, N 10, стр. 3-8.

4. Гонтарь И.М., Мизюк Л.Я., Ничога В.А. Одновитковые рамочные магнитоприемники. Л., "Энергия". Сб. "Геофизическая аппаратура", 1975, вып. 57, стр. 65-71.

5. Акулин В.И., Головин В.М., Литвинов Ю.В., Мельников Э.А., Охрименко С. П. Индукционный магнитоприемник. А. С. N 643815, МПК G 01 R 33/02, 21.09.77.

Использование: в регистрации и измерении переменных магнитных полей, геофизике и при проведении испытаний технических средств по требованиям электромагнитной совместимости. Технический результат заключается в эффективном подавлении помеховых гармонических сигналов, частоты которых лежат в полосе частот принимаемых полезных сигналов. Индукционный магнитоприемник с помехоподавлением состоит из основной короткозамкнутой обмотки, основного сердечника и по крайней мере одной компенсирующей обмотки, идентичной основной короткозамкнутой обмотке, и компенсирующего сердечника, идентичного основному сердечнику. Компенсирующая обмотка охватывает компенсирующий сердечник, проходит сквозь центральное отверстие замкнутого магнитопровода и нагружена на соединенные последовательно катушку индуктивности и конденсатор. Симметрирующий замкнутый магнитопровод с двумя идентичными друг другу симметрирующими короткозамкнутыми обмотками, одна из которых охватывает основной сердечник и проходит сквозь центральное отверстие симметрирующего замкнутого магнитопровода, а другая охватывает компенсирующий сердечник и проходит сквозь центральное отверстие симметрирующего замкнутого магнитопровода. 1 з. п. ф-лы. 2 ил.

1. Индукционный магнитоприемник с помехоподавлением, состоящий из основной короткозамкнутой обмотки, охватывающей основной сердечник и проходящей сквозь центральное отверстие замкнутого магнитопровода с выходной обмоткой, отличающийся тем, что дополнительно содержит по крайней мере одну компенсирующую обмотку, идентичную основной короткозамкнутой обмотке, и компенсирующий сердечник, идентичный основному сердечнику, причем компенсирующая обмотка охватывает компенсирующий сердечник, проходит сквозь центральное отверстие замкнутого магнитопровода и нагружена на соединенные последовательно катушку индуктивности и конденсатор. 2. Индукционный магнитоприемник с помехоподавлением по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит по крайней мере один симметрирующий замкнутый магнитопровод с двумя идентичными друг другу симметрирующими короткозамкнутыми обмотками, причем одна из них охватывает основной сердечник и проходит сквозь центральное отверстие симметрирующего замкнутого магнитопровода, а другая охватывает компенсирующий сердечник и проходит сквозь центральное отверстие симметрирующего замкнутого магнитопровода.