RC-интегратор с двухполупериодным выпрямителем с удвоением напряжения для оценки амплитуды индукции импульсного магнитного поля посредством измерительной катушки

RC-интегратор с двухполупериодным выпрямителем с удвоением напряжения для оценки
амплитуды индукции импульсного магнитного поля посредством измерительной катушки

1. Введение

Несмотря на существование широкого спектра разнообразных типов датчиков магнитного поля [2, 3], измерительные катушки [2 - 4, 8] по прежнему во многих случаях остаются вне конкуренции по простоте и технологичности изготовления, удобству применения и точности измерений. Для совместной работы с измерительными катушками применяются разнообразные электронные схемы, среди которых существенное место принадлежит различным типам интеграторов. Измерение магнитного потока или магнитной индукции постоянного магнитного поля можно производить посредством механического линейного перемещения или вращения катушки. Измерения в переменных и импульсных магнитных полях [13, 14] можно выполнять с помощью неподвижной катушки.

2. Теория

В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея [7, 15] электродвижущая сила (ЭДС) E катушки индуктивности, помещенной в изменяющееся во времени t магнитное поле:

где Y – потокосцепление катушки с полем. Потокосцепление катушки Y с однородным магнитным полем, индукция которого равна B (ось катушки ориентирована параллельно полю):

где S – площадь, охватываемая контуром с числом витков dN, а интегрирование числа витков dN ведется по всему объему катушки. Таким образом:

где <SN> – коэффициент преобразования измерительной катушки (фактически, ее полная площадь потокосцепления с однородным магнитным полем, имеющим плотность потока B):

Например, для цилиндрического соленоида с учетом того, что в радиальном слое толщиной dx высотой H (высота катушки) при равномерной намотке проводом диаметром D с фактором упаковки (коэффициентом заполнения) l [12] число витков dN определяется формулой:

можно записать:

где R1 – радиус отверстия в цилиндрическом соленоиде, а R2 – его внешний радиус. Таким образом, для катушки в виде цилиндрического соленоида:

С учетом вышеизложенного:

Производя интегрирование по времени t ЭДС катушки E, получаем:

Если необходимо получить амплитудное значение B₀ однократного магнитного импульса, форма которого примерно соответствует рис. 2.3, то интегрирование необходимо проводить от начала импульса (t = 0) до момента времени t₀, когда магнитная индукция достигает максимального значения (B(t) = B₀):

Для интегрирования ЭДС можно использовать простую RC-цепь, показанную на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема электрическая принципиальная RC-интегратора: E(t) - входное напряжение, U - напряжение на выходе интегратора.

На вход RC-цепи из последовательно включенных резистора R и конденсатора C подается импульсное напряжение E(t). Напряжение на резисторе U_R при токе в цепи i определяется законом Ома [15]:

Для напряжения на конденсаторе C, равному выходному напряжению интегратора U, можно записать:

В соответствии со вторым правилом Кирхгофа [15]:

Это выражение можно переписать в виде:

Тогда:

Выполняя интегрирование по временному интервалу 0 … t₀, получаем:

где U₀ – начальное напряжение на выходе интегратора в момент времени t = 0, обычно U₀ = 0. При выполнении условий:

что по сути соответствует условию t₀ << RC, и U₀ = 0 имеем:

Так как:

то можно вывести соотношения между амплитудой магнитной индукции B₀ и выходным напряжением интегратора U:

Например, для R = 1 кОм, C = 10 мкФ (RC = 0.01 с) и <SN> = 0.01 м² (100 витков площадью 1 см² каждый) B(t) = U ∙ (-1 Тл/В).

Если магнитная индукция B(t) представляет из себя одиночный импульс с амплитудой B₀ (рис. 2.3), то для измерения амплитудного значения необходимо производить интегрирование ЭДС катушки до момента времени, когда индукция достигает максимума, а ЭДС, соответственно, меняет знак. В случае RC-цепи для этой цели можно использовать выпрямитель на входе. Чтобы не испытывать трудностей с ориентацией измерительной катушки, можно применить двухполупериодный выпрямитель с двумя идентичными интегрирующими RC-цепями по схеме удвоения напряжения. Наибольший вклад в выходное напряжение будет вносить плечо, интегрирующее сигнал катушки, соответствующий фронту магнитного импульса. Вклад другого плеча будет существенно меньше, так как спад импульса, как правило, намного длиннее и более пологий по сравнению с фронтом. Вряд ли подобная схема способна обеспечить высокую точность измерений, но она вполне может быть использована для приблизительной оценки амплитуды магнитной индукции в различных источниках импульсных магнитных полей и их сравнения между собой.

Чтобы проиллюстрировать соответствие формы импульсов магнитной индукции и выходного напряжения (или ЭДС) измерительной катушки, была собрана установка по схеме рис. 2.2. Установка состоит из импульсного соленоида (3), соединенного с генератором мощных одиночных импульсов тока - емкостным накопителем энергии [5]. Примерно в центре импульсного соленоида расположен датчик Холла (1), подключенный к импульсному тесламетру [11]. Сигнал с выхода тесламетра с коэффициентом преобразования 1 В/Тл подается на первый канал осциллографа (UTD2102CEL-R). Ко второму каналу подключена измерительная катушка (2) с площадью потокосцепления 10000 мм². Измерительная катушка находится в непосредственной близости от датчика Холла [6].

Рис. 2.2. Установка для контроля формы импульсов магнитной индукции и ЭДС измерительной катушки.

Типичные формы магнитного импульса и выходного напряжения измерительной катушки показаны на рис. 2.3. Видно, что при амплитуде магнитной индукции порядка 1 Тл и длительности фронта импульса в диапазоне миллисекунд ЭДС измерительной катушки с площадью потокосцепления 10000 мм² составляет порядка десятка вольт. При подобных условиях в качестве выпрямителя интегратора можно использовать обычные диоды с достаточно высоким обратным напряжением, так как при амплитуде магнитной индукции в 10 ... 20 Тл напряжение на катушке может достигать сотен вольт. Нелинейность простого диодного выпрямителя при уровнях входного сигнала в единицы - десятки - сотни вольт при прямом напряжении на диодах в доли вольта не будет играть существенной роли. В случае применения катушек с меньшей площадью потокосцепления, а также при небольших амплитудах индукции магнитных импульсов можно использовать диоды с низким прямым напряжением (диоды Шоттки) опять же с учетом обратного напряжения. Некоторый сдвиг вершины импульса магнитной индукции относительно нулевого значения ЭДС объясняется довольно узкой полосой пропускания использованного тесламетра (примерно 150 ... 200 Гц).

Рис. 2.3. Соответствие формы импульсов магнитной индукции (первый канал, цвет синий, выход аналогового тесламетра с датчиком Холла, коэффициент преобразования 1 В/Тл) и ЭДС измерительной катушки с площадью потокосцепления 10000 мм² (второй канал, цвет желтый). Амплитуда магнитной индукции 0.9 Тл, длительность фронта импульса магнитной индукции примерно 2 мс.

3. Конструкция устройства

Электрическая принципиальная схема RC-интегратора с двухполупериодным выпрямлением входного сигнала показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема электрическая принципиальная RC-интегратора для измерения амплитуды магнитной индукции с помощью измерительной катушки.

Напряжение с выводов измерительной катушки L1 с приблизительно известной площадью потокосцепления <SN> (площадь потокосцепления предпочтительнее, хотя и не обязательно, задавать кратной десяти) подается на вход IN+ устройства и через резисторы R1 и R2 поступает на двухполупериодный выпрямитель на диодах VD1VD2. Вход IN- используется в качестве общей точки. Диоды желательно подобрать с обратным током менее 1 мкА при обратном напряжении порядка сотни вольт. Выпрямитель включен по схеме удвоения напряжения на конденсаторах C1 и C2. Емкости конденсаторов должны быть близки друг к другу, чтобы при изменении полярности входного сигнала измерительной катушки выходное напряжение получалось тем же по абсолютной величине. Постоянная времени цепей R1R2C1 и R1R2C2, соответственно, должна быть примерно равна 0.01 с (что соответствует частоте среза фильтра нижних частот первого порядка примерно 16 Гц). Для точной установки постоянной времени необходимо измерить емкости конденсаторов (они должны быть близки друг к другу) и вычислить требуемое сопротивление цепочки резисторов R1R2. С помощью резистора R2 можно осуществить точный подгон сопротивления. Это требуется для того, чтобы данные, получаемые при помощи разных устройств, соответствовали друг другу. Суммарное напряжение с конденсаторов поступает на делитель напряжения R3R4 с коэффициентом деления близким к 10. К выходу делителя OUT+ и OUT- с выходным сопротивлением около 1 МОм может быть подключен вольтметр или другой измерительный прибор, входное сопротивление которого должно быть существенно больше 1 МОм, чтобы не оказывать шунтирующего действия на выходной делитель напряжения (или необходимо учитывать входное сопротивление измерительного прибора при снятии показаний). Скорость разряда конденсаторов довольно большая, поэтому считывается самое первое максимальное показание измерительного прибора. Оно соответствуют абсолютному максимальному значению магнитной индукции, т. е. ее амплитуде (без учета знака магнитной индукции). Если необходимо дополнительно определять и направление магнитного поля, то, в принципе, можно производить измерения выходного напряжения на конденсаторах C1 и C2 по отдельности и сравнивать их между собой. Коэффициент преобразования для расчета амплитуды магнитной индукции для вышеприведенных параметров элементов с учетом наличия выходного делителя напряжения 1 : 10 составляет порядка 100 мВ/Тл для катушек с потокосцеплением <SN> = 10000 мм².

Устройство собрано на печатной плате, эскиз которой показан на рис. 3.2, размещенной в экранирующем корпусе с крышкой (рис. 3.3, 3.4). На одном торце устройства расположен разъем (тип аудио-стерео) с дифференциальным входом для подключения измерительной катушки, с другого торца выходит двужильный кабель для подключения к мультиметру, используемому в режиме вольтметра. В качестве мультиметра желательно использовать прибор с достаточно высоким входным сопротивлением, например, DT9205A (входное сопротивление 10 МОм в режиме вольтметра на всех диапазонах). При использовании мультиметров, например, типа DT830B, DT832 с входным сопротивлением 1 МОм показания будут примерно вдвое меньше, поэтому их необходимо корректировать, умножая на поправочный коэффициент 2.

Рис. 3.2. Эскиз печатной платы RC-интегратора для измерения амплитуды магнитной индукции (справа - для SMD-элементов): односторонний фольгированный стеклотекстолит, размер 35 х 15 мм².

Рис. 3.3. Вид на внутренний монтаж RC-интегратора для измерения амплитуды магнитной индукции (справа - печатная плата с SMD-элементами).

Рис. 3.4. Внешний вид RC-интегратора для измерения амплитуды магнитной индукции в сборе.

Внешний вид устройства с различными измерительными катушками и мультиметром DT9205A показан на рис. 3.5 - 3.7. Катушки М-типа предназначены для измерения поперечного магнитного поля внутри узких зазоров и, соответственно, имеют небольшую высоту и расположены в плоскости щупа, который обеспечивает боковой доступ катушки в зону измерений. Катушки С-типа предназначены для измерения продольного магнитного поля в узких каналах, имеют по возможности небольшой диаметр и располагаются на торце щупа соосно с ним.

Рис. 3.5. Внешний вид RC-интегратора для измерения амплитуды магнитной индукции с мультиметром DT9205A и измерительной катушкой М-типа с площадью потокосцепления <SN> ≈ 1000 мм².

Рис. 3.6. Внешний вид RC-интегратора для измерения амплитуды магнитной индукции с мультиметром DT9205A и измерительной катушкой М-типа с площадью потокосцепления <SN> ≈ 10000 мм².

Рис. 3.7. Внешний вид RC-интегратора для измерения амплитуды магнитной индукции с мультиметром DT9205A и измерительной катушкой С-типа с площадью потокосцепления <SN> ≈ 10000 мм².

4. Конструкция измерительной катушки

В соответствии с формулой (для цилиндрической катушки)

площадь потокосцепления и, соответственно, чувствительность, а также соотношение сигнал-шум растут с увеличением размеров измерительной катушки (особенно диаметра) [8], тем не менее ее размеры должны быть по возможности малыми по следующим причинам. Во-первых, весьма часто измерения амплитудных значений магнитной индукции проводятся либо в узких зазорах с поперечным магнитным полем, либо в узких каналах с продольным полем. Во-вторых, магнитное поле убывает пропорционально кубу расстояния от источника, поэтому для катушек больших размеров оно может иметь существенную неоднородность в пределах зоны потокосцепления. В-третьих, для калибровки большой катушки требуются источники однородного поля соответствующих размеров, которые не всегда бывают доступными. В-четвертых, катушки малых размеров дешевле и проще в изготовлении.

Для расчета измерительной катушки по параметру площади потокосцепления может использоваться программа Coil [1]. Ниже на рис. 4.1 - 4.3 приведены результаты расчетов измерительных катушек различных типов с площадью потокосцепления 1000 и 10000 мм².

Рис. 4.1. Расчет измерительной катушки М-типа с площадью потокосцепления <SN> ≈ 1000 мм² с помощью программы Coil.

Рис. 4.2. Расчет измерительной катушки М-типа с площадью потокосцепления <SN> ≈ 10000 мм² с помощью программы Coil.

Рис. 4.3. Расчет измерительной катушки С-типа с площадью потокосцепления <SN> ≈ 10000 мм² с помощью программы Coil.

Обе катушки М-типа являются плоскими и намотаны в прорези цилиндрического каркаса шириной 1.7 мм. Каркас вклеен в отверстие плоского щупа из двухстороннего фольгированного текстолита, к токоведущим дорожкам которого подключены выводы катушки. Далее следует подключение к двужильному экранированному кабелю по дифференциальной схеме. Внешний вид катушек М-типа, подключенных к RC-интегратору, представлен на рис. 3.5, 3.6, 4.4 и 4.5.

Рис. 4.4. Внешний вид измерительной катушки М-типа с площадью потокосцепления <SN> ≈ 1000 мм² с RC-интегратором.

Рис. 4.5. Внешний вид измерительной катушки М-типа с площадью потокосцепления <SN> ≈ 10000 мм² с RC-интегратором.

Катушка С-типа намотана на цилиндрическом каркасе диаметром 6 мм в прорези шириной 5 мм (т. е. высота катушки 5 мм). Внешний диаметр щечек каркаса и катушки не превышает 8 мм. В отверстие каркаса вклеен штырь плоского щупа из двухстороннего фольгированного текстолита. Выводы катушки припаяны к его к токоведущим дорожкам. Внутри рукоятки выполнено подключение щупа к двужильному экранированному кабелю по дифференциальной схеме. Внешний вид катушки С-типа показан на рис. 3.7 и 4.6.

Рис. 4.6. Внешний вид измерительной катушки С-типа с площадью потокосцепления <SN> ≈ 10000 мм² с RC-интегратором.

5. Измерения

В таблице 5.1 приведены параметры представленных выше измерительных катушек. Активное сопротивление катушек (в сборе) измерялось мультиметром APPA-107N, а индуктивность - LC-метром Ф4320 на частоте 1000 Гц.

Таблица 5.1. Параметры различных измерительных катушек.

Тип катушки	Примерная площадь потокосцепления, мм²	Активное сопротивление (расчет), Ом	Активное сопротивление (измерение), Ом	Индуктивность (расчет), мГн	Индуктивность (измерение), мГн
М-тип	≈1000	1.666	1.95	0.01382	-
М-тип	≈10000	7.798	8.25	0.1824	0.16
С-тип	≈10000	12.63	13.16	0.3921	0.34

Для проверки RC-интегратора с измерительными катушками разных типов использовался импульсный электромагнит - двухкатушечный импульсный индуктор [9], имеющий как осевой так и радиальный доступ в рабочую зону, в комплекте с различными емкостными накопителями энергии [5]. Измерительные схемы показаны на рис. 5.1 и 5.2. Установка для работы с катушкой С-типа (рис. 5.1) состоит из импульсного электромагнита (3), соединенного с генератором мощных одиночных импульсов тока - емкостным накопителем энергии [5]. Примерно в центре импульсного электромагнита в его рабочей зоне расположен датчик Холла (1), подключенный к импульсному тесламетру [11], служащему для измерения амплитуды магнитной индукции. Выход тесламетра с коэффициентом преобразования 1 В/Тл подается на вход осциллографа (DSO2D15) для контроля формы импульса магнитной индукции. Сигнал с измерительной катушки (2), расположенной в непосредственной близости от датчика Холла, подается на RC-интегратор, а с него - на мультиметр (DT9205A с диапазоном измерений 200 мВ или 2 В). Установка для работы с катушкой М-типа (рис. 5.2) построена по аналогичной схеме, за исключением того, что вместо осевого используется радиальный (боковой) доступ в рабочую зону импульсного электромагнита.

Рис. 5.1. Установка для измерения амплитуды магнитной индукции с помощью катушки С-типа.

Рис. 5.2. Установка для измерения амплитуды магнитной индукции с помощью катушки М-типа.

На рис. 5.3 - 5.10 показаны формы импульсов магнитной индукции при подключении импульсного электромагнита к различным емкостным накопителям при разных уровнях заряда. В таблицах 5.2 и 5.3 приведены значения амплитуды магнитной индукции при разных уровнях заряда емкостных накопителей и соответствующие им показания мультиметра, подключенного к выходу RC-интегратора с измерительными катушками различных типов.

Рис. 5.3. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны импульсного электромагнита при подключении к емкостному накопителю энергии 2 кДж 900 В при уровне заряда 25 %: цена деления по вертикали 200 мТл/дел., цена деления по горизонтали 5 мс/дел. Амплитуда магнитной индукции 0.96 Тл.

Рис. 5.4. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны импульсного электромагнита при подключении к емкостному накопителю энергии 2 кДж 900 В при уровне заряда 50 %: цена деления по вертикали 500 мТл/дел., цена деления по горизонтали 5 мс/дел. Амплитуда магнитной индукции 1.85 Тл.

Рис. 5.5. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны импульсного электромагнита при подключении к емкостному накопителю энергии 2 кДж 900 В при уровне заряда 75 %: цена деления по вертикали 500 мТл/дел., цена деления по горизонтали 5 мс/дел. Амплитуда магнитной индукции 2.7 Тл.

Рис. 5.6. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны импульсного электромагнита при подключении к емкостному накопителю энергии 2 кДж 900 В при уровне заряда 100 %: цена деления по вертикали 500 мТл/дел., цена деления по горизонтали 5 мс/дел. Амплитуда магнитной индукции 3.4 Тл.

Рис. 5.7. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны импульсного электромагнита при подключении к емкостному накопителю энергии 16 кДж 1800 В при уровне заряда 25 %: цена деления по вертикали 500 мТл/дел., цена деления по горизонтали 5 мс/дел. Амплитуда магнитной индукции 2.2 Тл.

Рис. 5.8. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны импульсного электромагнита при подключении к емкостному накопителю энергии 16 кДж 1800 В при уровне заряда 50 %: цена деления по вертикали 1 Тл/дел., цена деления по горизонтали 5 мс/дел. Амплитуда магнитной индукции 3.9 Тл.

Рис. 5.9. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны импульсного электромагнита при подключении к емкостному накопителю энергии 16 кДж 1800 В при уровне заряда 75 %: цена деления по вертикали 1 Тл/дел., цена деления по горизонтали 5 мс/дел. Амплитуда магнитной индукции 5.3 Тл.

Рис. 5.10. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны импульсного электромагнита при подключении к емкостному накопителю энергии 16 кДж 1800 В при уровне заряда 90 %: цена деления по вертикали 1 Тл/дел., цена деления по горизонтали 5 мс/дел. Амплитуда магнитной индукции 6.4 Тл.

Таблица 5.2. Катушка С-типа с площадью потокосцепления 10000 мм².

Тип емкостного накопителя	Уровень заряда, %	Амплитуда магнитной индукции, Тл	Начальное напряжение на выходе RC-интегратора, мВ	Коэффициент преобразования, мВ/Тл
2 кДж 900 В	25	0.96	55	57
2 кДж 900 В	50	1.85	134	72
2 кДж 900 В	75	2.7	205	76
2 кДж 900 В	100	3.4	276	81
16 кДж 1800 В	25	2.2	144	65
16 кДж 1800 В	50	3.9	288	74
16 кДж 1800 В	75	5.3	423	80
16 кДж 1800 В	90	6.4	486	76

Коэффициент преобразования вначале несколько растет с увеличением амплитуды магнитной индукции, возможно, в связи с нелинейностью диодного выпрямителя (прямое падение напряжения на диодах), выходя на уровень 80 мВ/Тл. Можно считать коэффициент преобразования равным примерно 75 ... 80 мВ/Тл для магнитных импульсов с амплитудой индукции больше 2 Тл.

Таблица 5.3. Катушка М-типа с площадью потокосцепления 10000 мм².

Тип емкостного накопителя	Уровень заряда, %	Амплитуда магнитной индукции, Тл	Начальное напряжение на выходе RC-интегратора, мВ	Коэффициент преобразования, мВ/Тл
2 кДж 900 В	25	0.96	54	56
2 кДж 900 В	50	1.85	132	71
2 кДж 900 В	75	2.7	205	76
2 кДж 900 В	100	3.4	290	85
16 кДж 1800 В	25	2.2	148	67
16 кДж 1800 В	50	3.9	308	79
16 кДж 1800 В	75	5.3	450	85
16 кДж 1800 В	90	6.4	525	82

Коэффициент преобразования для катушки М-типа ведет себя аналогично, выходя на уровень примерно 80 ... 85 мВ/Тл. Можно считать коэффициент преобразования равным 75 ... 85 мВ/Тл для магнитных импульсов с амплитудой индукции больше 2 Тл.

Коэффициенты преобразования получаются достаточно близкими друг к другу для катушек обоих типов с одинаковой площадью потокосцепления. Меньшая величина коэффициента преобразования по сравнению с предварительно данной в п. 3 оценкой в 100 мВ/Тл может объясняться достаточно длительными фронтами магнитных импульсов (порядка 5 ... 7 мс), сравнимыми по времени с постоянной RC-цепи (10 мс). Для повышения точности измерений можно использовать RC-интегратор с большей постоянной времени (например, RC = 0.1 с) и, желательно, измерительные катушки с пропорционально большей площадью потокосцепления (например, 0.1 м²), иначе выходной сигнал будет слишком низкий (примерно 10 мВ/Тл для катушек с площадью потокосцепления 0.01 м²).

Таблица 5.4. Катушка М-типа с площадью потокосцепления 1000 мм².

Тип емкостного накопителя	Уровень заряда, %	Амплитуда магнитной индукции, Тл	Начальное напряжение на выходе RC-интегратора, мВ	Коэффициент преобразования, мВ/Тл
16 кДж 1800 В	90	6.4	26	4.1

Выходной сигнал катушки М-типа с площадью потокосцепления 1000 мм² при уровне амплитуды магнитной индукции 6.4 Тл мал, соответственно, коэффициент преобразования получается невысоким и далек от уровня насыщения, который оценивается примерно в 8 мВ/Тл, что соответствует импульсным магнитным полям с амплитудой индукции примерно 20 Тл.

RC-интегратор с измерительной катушкой С-типа с площадью потокосцепления 10000 мм² был также опробован для оценки амплитудного значения магнитной индукции в рабочей зоне индуктора малогабаритной установки намагничивания [10, 13], в которой длительность фронтов магнитных импульсов существенно меньше 10 мс. Для контроля параметров импульса магнитной индукции в зоне намагничивания индуктора использовался импульсный тесламетр [11] и осциллограф UTD2102CEL-R. Так как полоса пропускания тесламетра ограничена (примерно от 0 до 150 ... 200 Гц), то, чтобы исключить погрешность измерения сигнал на осциллограф подавался непосредственно с датчика Холла [6]. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны показана на рис. 5.11. Измеренная амплитуда магнитной индукции в центре рабочей зоны составляет примерно 3.33 Тл с одним полюсным наконечником, длительность фронта импульса примерно 1 мс, что существенно меньше постоянной времени RC-интегратора (10 мс).

Рис. 5.11. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны импульсного индуктора без одного полюсного наконечника при подключении к емкостному накопителю энергии 150 Дж 550 В при уровне заряда 100 %: цена деления по вертикали 50 мВ/дел., цена деления по горизонтали 1 мс/дел. Чувствительность датчика Холла 45 мВ/Т, амплитуда магнитной индукции 3.33 Тл.

При проведении измерений амплитуды индукции данного магнитного импульса с помощью измерительной катушки начальное напряжение на выходе интегратора составляет 400 мВ. Коэффициент преобразования при этом равен 120 мВ/Тл и вполне соответствует рассчитанному в п 3 с учетом некоторого дополнительного вклада за счет двухполупериодного выпрямления.

6. Заключение

Простой RC-интегратор с двухполупериодным выпрямлением позволяет достаточно точно оценивать амплитуду индукции импульсного магнитного поля посредством измерительных катушек. Параметры интегратора (постоянная времени) и измерительных катушек (площадь потокосцепления) должны быть согласованы с длительностями магнитных импульсов (особенно, фронтов), а именно, постоянная времени должна существенно превышать длительность фронта импульса. Линейность и, соответственно, точность оценки возрастает с ростом амплитуды магнитной индукции больше 2 Тл. У измерительных катушек разных типов (С- и М-) с одинаковой площадью потокосцепления коэффициенты преобразования получаются близкими. Выходной сигнал устройства инвариантен по отношению к полярности магнитного импульса, соответственно, не требуется соблюдение ориентации измерительной катушки по отношению к направлению магнитного поля. Предполагается использование данного устройства для контроля и оценки сильных импульсных магнитных полей [14] с амплитудой индукции, превышающей 5 Тл в ситуациях, когда применение приборов на основе датчиков Холла может оказаться по каким-либо причинам затруднительным или невозможным.

Желающие получить консультацию, помощь в проведении расчетов или приобрести продукцию могут обращаться к автору (см. раздел Контактная информация ).

Ссылки:

Coil: Программа для расчета параметров и магнитного поля цилиндрического соленоида
High sensitivity magnetometers. Smart Sensors, Measurement and Instrumentation, v. 19. Springer International Publishing Switzerland, 2017.
Magnetic sensors and magnetometers. Second edition. Artech House, 2021.
Tumanski S. Induction coil sensors - a review. Measurement Science and Technology, v. 18, N. 3, January 2007.
Генератор мощных импульсов тока (емкостной накопитель энергии)
Датчик Холла ПХЭ606118В для измерения величины магнитной индукции
Законы и уравнения магнитного поля
Измерение индукции переменного магнитного поля с помощью измерительной катушки
Импульсный двухкатушечный индуктор в конфигурации системы катушек Гельмгольца с двухкоординатным доступом в зону однородного магнитного поля
Малогабаритная установка импульсного одноосного (осевого) намагничивания и частичного размагничивания редкоземельных постоянных магнитов (диаметр до 15 мм, высота до 20 мм)
Приборы для измерения магнитных полей
Расчет фактора упаковки при намотке соленоидов
Установки импульсного намагничивания и размагничивания постоянных магнитов
Устройства и установки для генерации сильных импульсных магнитных полей

Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике / Для инженеров и студентов вузов. – 7 изд., испр. – М.: Издательство "Наука", Гл. ред. физ.-мат лит., 1978. – 944 с.; ил.

Словарь терминов:

Активное сопротивление - часть полного сопротивления, связанная с тепловыделением.
Амплитуда - максимальное абсолютное значение.
Второе правило Кирхгофа (правило контуров) - сумма электрических напряжений в замкнутом контуре равна нулю.
Генератор импульсов - прибор или устройство для создания последовательности импульсов.
Датчик Холла (преобразователь Холла) - устройство для получения зависящего от магнитной индукции электрического сигнала, принцип работы которого основан на эффекте Холла.
Емкость электрического конденсатора - отношение заряда конденсатора к напряжению между его обкладками.
Импульсный электромагнит - электромагнит, питание которого осуществляется импульсами тока.
Индуктивность - величина, численно равная потоку самоиндукции контура при токе единичной силы.
Интегратор - устройство, выходной сигнал которого пропорционален интегралу от входного сигнала.
Магнитная индукция - вектор, численно равный пределу отношения силы, действующей со стороны магнитного поля на элемент проводника с электрическим током, к произведению тока и длины элемента проводника, если длина этого элемента стремится к нулю, а элемент так расположен в поле, что этот предел имеет наибольшее значение, и направленный перпендикулярно к направлению элемента проводника и к направлению силы, действующей на этот элемент со стороны магнитного поля, причем из его конца вращение по кратчайшему расстоянию от направления силы к направлению тока в элементе проводника должно быть видно происходящим против часовой стрелки.
Магнитный поток - поток магнитной индукции сквозь заданную поверхность.
Однородное магнитное поле - магнитное поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции имеет одни и те же направление и величину.
Соленоид (от греч. solen - трубка и eidos - вид) – осесимметричная катушка индуктивности.
Тесламетр (гауссметр) - прибор для измерения магнитной индукции.
Фактор упаковки (коэффициент заполнения) - отношение объема проводника к объему обмотки; при равномерной намотке равен отношению суммарной площади проводников в поперечном сечении обмотки (без учета изоляции) к площади поперечного сечения обмотки.
Цилиндрический соленоид - соленоид в виде цилиндра с центральным цилиндрическим отверстием (если таковое имеется).
Электродвижущая сила (ЭДС) - работа создающих электрический ток сил по перемещению единичного положительного электрического заряда вдоль рассматриваемого участка электрической цепи.
Электромагнит - устройство, содержащее катушку индуктивности и магнитный контур (цепь).
Электромагнитная индукция - явление возникновения ЭДС в контуре при изменении пронизывающего его магнитного потока.

21.11.2024

Альтернативные источники энергии
Компьютеры и Интернет
Магнитные поля
Механотронные системы
Перспективные разработки
Электроника и технология

Главная страница