Лекция: Індукційні та фероіндукційні перетворювачі
Типовим представником індукційних перетворювачів І вимірювальна котушка (В/С). Якщо BK з площею контура витка S і числом витків w розміщена в магнітному полі (рис. 157), то повний магнітний потік, що зчіплюється з котушкою (потокозчеплення)
де Н — напруженість магнітного поля, πµ0= 4π • 10-7 Гн/м — магнітна стала, µ— відносна магнітна проникність середовища; а —кут між напрямом вектора Н і нормаллю до площини витків.
При зміні потоку в контурі ВК. наводиться е. р. с.
Якщо магнітне поле рівномірне, то
а коли, крім цього, магнітна проникність середовища в усіх точках, охоплених контуром витків котушки, є однаковою і сталою в часі, то
Отже, наведена у ВК е. р. с. при певних умовах може бути мірою магнітного потоку, індукції або напруженості магнітного поля.
Значення е. р. с., що наводиться у ВК, при інших рівних умовах залежить від добутку wS. У загальному випадку котушка може бути багатошаровою з різним значенням S окремих витків. Тому усереднене значення wS, що носить назву сталої вимірювальної котушки Kws, визначається експериментальне у відомому магнітному полі.
Вимірювальні котушки можна застосовувати для магнітних вимірювань у постійному чи в змінному магнітних полях. У першому випадку потокозчеплення можна змінювати швидким винесенням ВК за межі досліджуваного поля. Тоді за проміжок часу tz—tгбуде
де і—струм; Q—кількість електрики; R — опір усього кола ВК, включаючи опір вимірювального приладу.
Отже, вимірявши імпульс е. р. с. або імпульс струму (кількість електрики) і знаючи R, можна визначити зміну потоку, а при вище згаданих умовах також зміну індукції або зміну напруженості магнітного поля.
При використанні нерухомих ВК для вимірювань у змінному періодичному магнітному полі матимемо
ДЄ Фмах І γмах — амплітуди потоку і повного потокозчеплення відповідно; Е і Еср—діюче і середнє значення е. р. с.; / — частота; Кф — коефіцієнт форми кривої.
Залежно від призначення вимірювальні котушки можуть мати різні конструкції. Для вимірювань потоків змінного, а також постійного магнітних полів, коли зміна потокозчеплення з котушкою може здійснюватись зміною самого потоку, застосовують нерухомі котушки. В інших випадках застосовують рухомі (виносні, поворотні, обертові, вібруючі) котушки. Стаціонарні вимірювальні котушки виконують звичайно плоскими, прямокутного перерізу з парним числом шарів обмотки так, щоб початок і кінець її були в одному місці посередині котушки.
Окремим різновидом індукційного перетворювача є магнітний потенціалометр, що призначений для вимірювання різниці магнітних потенціалів у двох точках простору.
Потенціалометр являє собою плоску котушку на гнучкому або жорсткому каркасі однакового перерізу з рівномірно намотаною обмоткою. Число шарів витків є парне, щоб можна було вивести кінці обмотки з середини потен-ціалометра (рис. 158). Потенціалометри з гнучким каркасом (рис. 158, а) можна застосовувати для вимірювання різниці магнітних потенціалів між будь-якими двома точками магнітного поля, а з жорстким (рис. 158,6) —між двома точками на відстані / між торцями потенціалометра.
Якщо на одиницю довжини dl потенціалометра по його осі припадає w витків, то потокозчеплення з витками wdl буде
де Ht— тангенціальна складова напруженості магнітного поля до осі потенціалометра; S — площа перерізу потенціалометра.
Якщо S і w незмінні по всій довжині потенціалометра, то повне потокозчеплення його витків
де fl—різниця магнітних потенціалів між точками простору А і В; /Сп = wS\i0— стала потенціалометра.
Принцип дії фероіндукційних перетворювачів (ферозондів) полягає у використанні зміни магнітного стану феромагнетику, намагнічуваного змінним магнітним полем збудження, при накладанні сталого магнітного поля, індукція якого вимірюється. Існує кілька видів ферозондів, які відрізняються між собою способом збудження й просторовою орієнтацією магнітних полів (ферозонди з поздовжнім і поперечним збудженням), формою феромагнітного осердя (стержневі, кільцеві, трубчасті), використанням основної чи другої гармоніки е. р. с. і т. д.
Найбільш поширеними є двостержневі ферозонди з поздовжнім збудженням. Такі ферозонди мають два ідентичні пермалоєві стержні з нанесеними на них намагнічуючими обмотками w1, увімкненими зустрічно-послідовно (рис. 159). Вимірювальна обмотка w2 охоплює обидва стержні. Амплітуда напруженості намагнічуючого поля ферозонда має бути достатньою для намагнічування стержнів практично до насичення і значно більшою за напруженість досліджуваного поля Нх.
При повній ідентичності обох половин перетворювача і відсутності досліджуваного поля, е. р. с., наведена у вимірювальній обмотці, внаслідок симетрії потоків дорівнює нулю. При наявності підмагнічуючого (вимірюваного) поля, в напрямку якого розміщені стержні ферозонда, симетрія потоків порушується (в одному стержні вимірюване поле додається до намагнічуючого, в другому —віднімається), тому у вимірювальних обмотках появляється е. р. с. вищих парних гармонік (непарні гармоніки віднімаються). Наведена е. р. с. є мірою досліджуваного поля Нх. При зміні напрямку підмагнічуючого поля на протилежний фаза вихідної е. р. с. змінюється на 180°.
Оскільки у вихідному сигналі такого перетворювача переважає амплітуда другої гармоніки, то вони звичайно носять назву ферозондів другої гармоніки.
Ферозонди є винятково чутливими перетворювачами. З їх допомогою можна вимірювати напруженість магнітного поля від 10 ~6 А/см з похибкою 1—2%. У зв'язку з цим ферозонди широко застосовуються в магнітній дефектоскопії, при структурному магнітному аналізі, геофізичних дослідженнях і дослідженні магнітних матеріалів тощо.
З допомогою ферозондів можна також вимірювати напруженість змінного магнітного поля, але за умови, що частота збудження хоча б на порядок перевищуватиме частоту вимірюваного поля.