книги / Справочное пособие по магнитным явлениям
..pdfРис. 12.12. Датчик, основанный на отражен ном импедансе. Импеданс измерительной ка тушки зависит как от расстояния между этой катушкой и мишенью, так и от удельного сопротивления последней. Если один из этих двух факторов остается постоянным, то импе данс измерительной катушки можно прока либровать в значениях, характеризующих другой фактор
катушкой, вызывает отставание по фазе тока в измерительной катушке; во-вторых, увеличение емкости мишени также вызывает отставание по фазе тока в измерительной катушке; в-третьих, увеличение сопротивления мишени вызывает опережение по фазе тока в измерительной катушке, и, в-четвертых, увеличение индук тивности мишени также вызывает опережение по фазе тока в измерительной катушке.
Как показано на рис. 12.5, траектория конца вектора сигналь ного тока при различных значениях сигнала, воспринимаемого измерительной катушкой, характеризует параметр любого типа, влияющий на ток в измерительной катушке, будь то магнитное сопротивление, емкость, электрическое сопротивление или индук тивность. В схеме датчика, приведенной на рис. 12.12, при заданном стандартном расстоянии между измерительной катуш кой и поверхностью проводника различие удельных сопротивле ний разных проводников, помещаемых в магнитном поле измери тельной катушки, обусловливает различия фаз и амплитуд на водимых в них вихревых токов. Эти различия можно использо вать для того, чтобы распознавать проводящие материалы разных типов.
На рис. 12.11 показано, каким образом можно использовать векторную диаграмму для калибровки датчика относительно од ного из параметров, в данном случае температуры. По этому же принципу можно прокалибровать его относительно других пара метров, например собственных характеристик проводника. Ана логично, если проводник имеет слой поверхностного покрытия, причем удельная электрическая проводимость покрытия отлича ется от удельной электрической проводимости основного провод ника, который достаточно однороден по магнитным и электри ческим характеристикам, а измерительная катушка приближена вплотную к поверхности покрытия, то амплитуда наведенного вихревого тока будет в значительной степени зависеть от тол щины слоя покрытия. При этих условиях изменение фазового
угла тока в измерительной катушке можно прокалибровать в значениях толщины покрытия.
12.13. ДЕФЕКТОСКОП, ОСНОВАННЫЙ НА ОТРАЖЕННОМ ИМПЕДАНСЕ
Если цилиндрический проводник помещен в центральной части измерительной катушки, то под влиянием ее магнитного поля в проводнике могут наводиться вихревые токи, циркули рующие вдоль боковой поверхности цилиндра вокруг его оси. Если же при этом цилиндрический проводник движется вдоль оси измерительной катушки с постоянной скоростью, то измене ния импеданса по отношению к наведенным вихревым токам можно контролировать, наблюдая отраженные изменения тока в измерительной катушке.
Благодаря возможности измерения двух переменных — фазы и амплитуды тока в измерительной катушке — такое устройство позволяет измерять одновременно больше одного параметра. По добные многоцелевые измерения базируются на раздельном опре делении изменений сопротивления или индуктивности цепи и изменений скорости изменения каждой из этих характеристик во времени.
Например, если через проволочную катушку продвигать с большой скоростью металлическую трубу, то можно разделять медленные и быстрые изменения параметров. Проявление локаль ных дефектов стенки трубы удается отделить от проявления не равномерности толщины стенки при помощи схем, на которые по дается выходной сигнал одной и той же измерительной катушки. Одна из схем определяет отклонения амплитуды и фазы отражен ных вихревых токов, обусловленные изменениями толщины стен ки трубы, а другая схема — внезапные изменения этих отклоне ний, вызванные локальным дефектом стенки трубы (рис. 12.13).
^й х /М Рис12.13. Дефектоскоп, основанный
'1 1+ХнаПТПОМ/А1111ЛМотраженном импедансе1ШПДП<1ипа.РЕслилпи ПНVвих
ревые токи в проводящей мишени имеют разрывы, обусловленные де фектами материала, то такое явле ние обнаруживается по изменению импеданса измерительной катушки
12.14. МОДУЛЯЦИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ
При использовании явления электромагнитной индукции энер гия передающей катушки падает на некоторую мишень, часть падающей на мишень энергии отражается и часть этой отражен ной энергии воспринимается приемной катушкой. Как указано
202
выше, в качестве передатчика и приемника энергии можно при менять либо одну и ту же катушку, либо две отдельные катушки. При любых условиях качество и характер отраженной энергии, воспринимаемой приемной катушкой, зависят от значения и ха рактера изменения тока, наведенного в мишени. Этот ток, ко нечно, зависит от импеданса мишени.
При заданной конфигурации системы, состоящей из катушек (передающей и приемной) и мишени, отраженная энергия изме няется в зависимости от изменений импеданса мишени. Следо вательно, изменение импеданса мишени можно определять при помощи приемной катушки по изменению амплитуды и фазы отраженной энергии. В § 12.11 импеданс рассматривался как функция температуры, а в § 12.13 — как функция размеров по перечного сечения мишени.
Если наведенный ток в мишени промодулировать изменения ми импеданса мишени в соответствии с некоторой изменяющейся во времени зависимостью, то ток в приемной катушке будет отслеживать эту зависимость, изменяя свою амплитуду и фазу. В частности, можно использовать выключатель, который пре рывает или восстанавливает ток в катушке-мишени, размыкая или замыкая ее цепь согласно заданной программе импульсно кодовой модуляции. При такой форме «модуляции отражатель ной способности», сводящейся к модуляции тока в мишени, отра женный сигнал может регистрироваться в некоторой приемной катушке.
На рис. 12.14 иллюстрируются основные элементы цепи, предназначенной для модуляции по импедансу мишени в соответ ствии с заданным импульсным кодом, а на рис. 12.15 показано
|
Катушка- |
у/ |
|
мишень |
|
Излучающая |
Тт |
|
кат уш ка |
|
|
Постоянное запоминаю щ ее уст ройст во
Рис. 12.14. Модуляция отражательной способности. Если импеданс мишени изме няется во времени, то эти изменения можно определить по аналогичным изме
нениям импеданса измерительной катушки
Запускающ ий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Запускаю щ ий |
|||
импульс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
импульс |
||
/ |
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
О |
|
\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
1 |
1 |
8 |
1 |
1 |
4 |
8 |
1 |
2 |
4 |
8 |
1 |
2 |
4 |
8 |
|
Временная последовательность импульсов |
|
ГГ |
|||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Время------- |
|
|
|
|
|
|||
Рис. 12.15. Импульсно-кодовая |
модуляция. Импеданс |
мишени можно изменять |
в соответствии с последовательностью импульсов, при помощи которой закоди ровано сообщение
изменение тока, наведенного в приемной катушке в результате такой модуляции.
12.15. МОСТОВАЯ СХЕМА
Один из способов существенного улучшения передаточных функций преобразования состоит в применении мостовой схемы. Используя устройства преобразования в качестве элементов мос товой схемы, можно выпрямлять нелинейные характеристики, повышать устойчивость выходных сигналов и чувствительность системы, а также устанавливать нулевой уровень отсчета.
Как показано на рис. 12.16, мостовая схема состоит из че тырех элементов, соединенных в форме контура с четырьмя уз лами. Напряжение возбуждения контура подается на два узла, расположенных диагонально. Характеристики каждого из четы рех элементов выбраны таким образом, чтобы два выходных узла имели одинаковые потенциалы, когда все элементы находят ся в исходном, невозмущенном состоянии. Иначе говоря, мосто вую схему можно рассматривать как совокупность двух пар элементов, соединенных с общим источником электропитания. Один из элементов каждой пары подключен к одному полюсу источника питания, другой элемент каждой пары — к другому полюсу. Пусть элементы обозначены буквами Л, В, С и причем элементы А и В образуют одну из указанных пар, а элементы С и й — другую (рис. 12.16). Тогда питание подается
|
Рис. 12.16. Мостовая схема Ь / К . |
||
|
Такая |
мостовая |
схема может |
|
быть выведена из состояния рав |
||
|
новесия путем заполнения прово |
||
|
дящей |
жидкостью |
пространства |
Проводящая жидкость |
внутри |
измерительной катушки, |
|
образующей одно из плеч моста |
204
на узлы А —С и В—Б, а выходной сигнал мостовой схемы снимается с узлов А— В и С—О.
Мостовая схема может иметь один, два или четыре активных элемента. В схеме с одним активным элементом таким элементом может служить, например, элемент В. Если характеристики, оп ределяющие падение напряжения на элементах, обозначить теми же символами, что и соответствующие элементы, то можно показать, что при равенстве отношений А /В и С /Б напряже ние между узлами А— В и С—Б будет равно нулю, т. е. устанавлйвается нулевой опорный уровень выходного сигнала.
Возможны два варианта мостовой схемы с двумя активными элементами. Так, схема с активными элементами А и В позволяет линеаризовать выходной сигнал. В этом случае активный элемент А должен увеличивать значение соответствующей характери стики, когда активный элемент В его уменьшает. Если эти эле менты в других отношениях эквивалентны, то нелинейное изме нение характеристики одного из них компенсирует нелинейное изменение характеристики другого и выходной сигнал между узлами А —В и С— Б приобретает требуемую степень линейности. В случае, когда активными являются элементы В и Б, можно обеспечить различные виды стабилизации сигналов. Например, если активный элемент В имеет значительный температурный коэффициент, то для компенсации влияния температуры можно использовать элемент Б, чувствительный к температуре.
В мостовой схеме с четырьмя активными элементами любое воздействие, изменяющее в равной степени все четыре элемента, не влияет на выходной сигнал схемы. Наиболее эффективное использование такого варианта мостовой схемы достигается при условии, что все элементы имеют одинаковые характеристики, и при увеличении значений характеристик элементов В и С значения соответствующих характеристик элементов А и Б уменьшаются.
На рис. 12.16 иллюстрируется мостовая схема с одним актив ным элементом, применяемая для определения уровня проводя щей жидкости, помещенной внутри измерительной катушки. За полнение внутренней области катушки проводником • приводит к нарушению равновесия мостовой схемы, причем выходное на пряжение указывает степень этого заполнения.
12.16. ДИАГРАММЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
Проволочные катушки с током, создающие магнитное поле в окружающем пространстве, аналогичны антеннам, излучающим электромагнитную энергию. Хотя это рассмотрение касается глав ным образом напряженности магнитного поля при низких часто тах, основные изложенные принципы применимы к любым усло виям и во всем частотном диапазоне. Поэтому такие изображе
ния силовых линий магнитного поля катушки, как представлен ные, например, на рис. 11.4, 12.4 и 14.3, соответствуют действи тельности только при условии, что в катушке течет постоянный ток. Если же катушка используется в цепи с переменным током, то эти рисунки отражают форму распределения силовых линий лишь в первом приближении.
Если на катушку подается изменяющийся во времени элек трический ток, то в окружающем трехмерном пространстве созда ется магнитное поле, напряженность которого распределена на много более сложным образом. Форма этого распределения зави сит как от структуры катушки, так и от частоты тока возбужде ния. Графическое изображение распределения напряженности поля в пространстве называется диаграммой излучения, <или диаграммой направленности. Такая диаграмма состоит из не скольких элементов, соответствующих максимумам напряжен ности поля и называемых лепестками.
Любая диаграмма излучения имеет несколько лепестков. Хотя катушку или антенну можно сконструировать таким образом, чтобы большая часть энергии излучалась в пределах одного главного лепестка, всегда какая-то часть энергии принадлежит к боковым или задним лепесткам, которые уменьшены до прием лемых минимальных размеров. Лепестки диаграммы излучения характеризуются максимальной величиной, шириной на уровне половинной мощности, направлением и фазой. Следует учиты вать, что соседние лепестки могут иметь противоположные фазы.
Один |
из видов диаграммы излучения иллюстрируется |
на |
||
рис. |
12.17. |
|
|
|
|
Рис. 12.17. Диаграмма |
излучения. |
||
|
Изменяющееся |
магнитное |
поле |
|
|
вокруг катушки (а также электро |
|||
|
магнитное поле |
вокруг |
антенны) |
|
|
изображается совокупностью |
лепе |
||
|
стков, число и форма которых зави |
сят от частоты энергии возбужде ния и от структуры катушки
13. ИЗМЕНЕНИЯ МАГНИТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
При любых изменениях магнитного сопротивления, которым характеризуется путь магнитных силовых линий, связанных с катушкой, происходит также изменение индуктивности этой катушки. Изменение индуктивности катушки определяется по из менениям фазы и (или) амплитуды тока, создаваемого в катушке приложенным к ней напряжением возбуждения с постоянной амплитудой.
Индуктивность катушки пропорциональна отношению числа силовых линий поля, проходящих через катушку, к току, теку
щему в витках катушки и поддерживающему данный магнитный поток. Вследствие того что присутствие магнитного материала на пути магнитного потока влияет на плотность этого потока, помещение магнитных материалов на пути потока всегда приво дит к изменению индуктивности катушки. В частности, индуктив ность измерительной катушки возрастает при ее приближении к магнитно-проницаемой мишени.
Магнитное сопротивление — это характеристика, используе мая для описания тех свойств пути магнитных силовых линий, которые определяют трудность прохождения по нему магнит ного потока. Чем меньше магнитное сопротивление, тем боль ший поток может пройти по данному пути. Индуктивность ка тушки обратно пропорциональна магнитному сопротивлению пути магнитных силовых линий по отношению к потоку, связан ному с катушкой.
Как показывает уравнение (2.5), если магнитодвижущая сила, приложенная к магнитной цепи, поддерживается постоян ной, а магнитное сопротивление этой цепи изменено любым спо собом, то поток в цепи также изменится в зависимости от изме нения магнитного сопротивления.
Согласно уравнению (2.6) магнитное сопротивление является функцией длины и площади поперечного сечения магнитной цепи, а также магнитной проницаемости материала, из которого со стоит магнитная цепь. При любом изменении любой из этих трех величин соответствующим образом изменяется магнитный поток в цепи.
Изменения магнитного сопротивления, обусловленные измене ниями магнитной проницаемости, обсуждены в других главах в зависимости от того, какие конкретные факторы влияют на магнитную проницаемость — химические (см. гл. 3), гистерезис ные (см. гл. 4), магниторезонансные (см. гл. 8), магнитострикционные (см. гл. 16) или связанные с квантованием магнитного пото ка (см. гл. 25). В этой главе рассматриваются иные способы внесения изменений, а также обнаружения изменений магнитного сопротивления, не имеющие отношения к изменениям магнитной проницаемости.
В литературе по данному вопросу заметна некоторая пута ница в связи с отсутствием общепринятых определений для по нятий «преобразование с изменением магнитного сопротивления», «преобразование с изменением индуктивности», «преобразование с изменением магнитной проницаемости» и «преобразование с изменением ц». Два последних понятия здесь рассматриваются как эквивалентные, в дальнейшем будут обсуждены дополни тельные подробности о них. Два первых понятия имеют сле дующий смысл.
При преобразовании с изменением магнитного сопротивле ния магнитные характеристики пути магнитных силовых линий
изменяются за счет иных факторов, чем изменение магнитной проницаемости. При преобразовании с изменением индуктивности
остаются неизменными физические характеристики некоторого магнитного тела, но изменяется расположение этого тела по отношению к магнитному полю катушки.
13.1. ФЕРРОМАГНИТНЫЕ СЕРДЕЧНИКИ
Минимально возможное магнитное сопротивление магнитной цепи достигается при условии, что поток находится полностью в ферромагнитном веществе. Следовательно, если в конструкцию катушки включить ферромагнитный элемент, создающий непре рывный путь магнитных силовых линий, который сцепляет все витки катушки, то индуктивность такой катушки будет больше, чем индуктивность аналогичной катушки с воздушным сердеч ником (без ферромагнитного сердечника). Конструкция катушки с ферромагнитным сердечником иллюстрируется на рис. 13.1. При указанных условиях индуктивность катушки определяется числом витков и магнитным сопротивлением, которое испыты вается потоком.
Индуктивность катушки с ферромагнитным сердечником
выражается математически как |
|
1.= к№ра/1, |
(13.1) |
где N — число витков; а — площадь поперечного сечения сер дечника; / — длина сердечника; р — магнитная проницаемость материала сердечника и к — константа.
Хотя это выражение является точным с математической точ ки зрения, при рассмотрении конструкции сердечника необхо димо учитывать целый ряд дополнительных факторов. В част ности, ферромагнитный сердечник под действием переменного магнитного потока будет проявлять все гистерезисные свойства, описанные в гл. 4. Дифференциальная магнитная проницаемость магнитного вещества любого типа уменьшается при увеличении
Рис. 13.1. Катушка индуктивно сти с ферромагнитным сердечни ком. При введении в магнитное поле катушки тела из ферромаг нитного вещества импеданс ка тушки значительно увеличива ется
потока через это вещество. В состоянии насыщения дифферен циальная магнитная проницаемость вещества фактически сов падает с аналогичной характеристикой для вакуума. Кроме того, в случае переменного магнитного потока циклические изменения поля в соответствии с петлей гистерезиса приводят к потерям, которые определяются площадью, ограниченной петлей гисте резиса. Для минимизации этих потерь нужно использовать ве щества с минимально возможной коэрцитивной силой.
Другие потери обусловлены вихревыми токами, которые на водятся в материале сердечника. Они возрастают при увеличении частоты переменного потока. Такие потери можно свести к ми нимуму при низких частотах, использовав ферромагнитные материалы с большим удельным сопротивлением и слоистые конструкции сердечника (рис. 13.1), при средних частотах — ис пользовав порошковые сердечники, при высоких частотах — использовав сердечники из непроводящих ферритов и при самых высоких частотах — полностью исключив применение ферромаг нитных материалов для сердечников.
Магнитострикционные потери минимизируются за счет приме нения материалов с минимальным коэффициентом магнитострикции.
13.2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ С ИЗМЕНЕНИЕМ ИНДУКТИВНОСТИ
На рис. 13.2 изображена система со стержнем из ферромаг нитного материала, который вдвигается в катушку, генерирую щую магнитное поле, или выдвигается из этой катушки. Здесь индуктивность катушки будет максимальна, когда стержень на ходится в центре катушки, и минимальна, когда стержень удален от катушки на значительное расстояние. Следовательно, о поло жении стержня можно судить по измеренным значениям индук тивности катушки, тока в катушке или фазового угла между приложенным напряжением возбуждения и током в катушке.
На рис. 13.3 приведена векторная диаграмма, иллюстрирую щая электрические явления, которые происходят в резистивно индуктивной цепи, если изменять индуктивность, поддерживая постоянство всех остальных параметров цепи. На диаграмме от ражены схематически условия функционирования физической системы, представленной на рис. 13.2. Здесь векторы напряжения на резистивном и индуктивном элементах всегда направлены перпендикулярно один другому и в сумме дают вектор прило женного напряжения. Кроме того, ток в этой цепи всегда сов падает по фазе с напряжением на резистивном элементе.
На диаграмме видно, что при увеличении индуктивности воз растает индуктивное сопротивление, а также произведение тока на индуктивное сопротивление, однако произведение тока на резистивное сопротивление уменьшается. Если резистивное со-
Рис. 13.2. Катушка с переменной индуктивностью. Индуктивность проволочной катушки зависит от положения ферромагнитного тела в магнитном поле катушки
Рис. 13.3. Векторная диаграмма для резистивно-индуктивной цепи. За измене нием положения ферромагнитного тела в магнитном поле катушки можно сле дить по изменениям амплитуды и фазового угла тока, текущего в катушке
противление остается постоянным, то уменьшение его произве дения на ток означает уменьшение тока. Кроме того, ток в опи сываемой цепи всегда совпадает по фазе с напряжением на резистивном элементе. Следовательно, положение стержня в си стеме, изображенной на рис. 13.2, можно определять по над лежащим образом прокалиброванной траектории конца вектора тока, изменяющего свою фазу и амплитуду, как показано на рис. 13.3.
13.3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ С ИЗМЕНЕНИЕМ МАГНИТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Если ограничить рассмотрение в основном электрическими яв лениями, то преобразования с переменной индуктивностью и с переменным магнитным сопротивлением можно считать совер шенно равнозначными. В обоих случаях индуктивность катушки изменяется вследствие изменения магнитного сопротивления пути магнитных силовых линий поля данной катушки. Поэтому век торная диаграмма на рис. 13.3 вполне применима для обоих рас сматриваемых явлений.
Однако, если сосредоточить внимание на магнитных явлениях, то следует учесть, что в этих двух случаях используются два разных способа изменения магнитного сопротивления пути маг-