книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

зываемого спинового (ядерного) генератора будет определяться из­ бирательным элементом цепи обратной связи — системой ядерных магнитных моментов вещества преобразователя ЯМР.

Практическое осуществление ядерных генераторов наталкивается на ряд трудностей, вызванных очень слабой обратной связью через

преобразователь ЯМР. Для поддержания устойчивых колебаний ко­ эффициент усиления усилителя должен быть очень большим (К > 105).

Создание усилителя с таким высоким коэффициентом усиления в ши­ рокой полосе частот представляет существенные трудности. Очень

сложно также полностью исключить все вредные связи между выхо­

дом и входом усилителя помимо ядерного сигнала, которые приводят к возбуждению генератора на частоте, отличной от частоты ЯМР.

Рис. 7-1. Структурная схема частотного датчика ЯМР с вы­ нужденными колебаниями

Известно несколько модификаций ядерных генераторов, отличаю­ щихся друг от друга мерами, с помощью которых устраняются эти

затруднения. Большинство из этих генераторов способно работать

только при небольших изменениях индукции (усилитель выполняется

резонансным, настроенным на среднюю частоту ЯМР). Наиболее пер­ спективными для использования в генераторах являются преобразо­ ватели ЯМР со скрещенными катушками, в которых прямая связь ме­ жду выходом и входом усилителя сводится к минимуму благодаря

очень тщательно выполненной ортогональности возбуждающей и при­

емной катушек [158, 165].

Сложность настройки ядерных генераторов, малый диапазон пе­ рестроек и увеличение габаритов двухкатушечного преобразователя ЯМР делают их в настоящее время малопригодными для использова­ ния в автоматически действующих частотных датчиках. Однако точ­ ность определения частоты резонанса и малая инерционность пред­

ставляют несомненный интерес и оправдывают попытки разработки

таких генераторов.

Режим вынужденных колебаний с ручной настройкой на частоту

резонанса наиболее широко применяется при лабораторных исследо­ ваниях ЯМР в сильных магнитных полях. Типовая структурная схема устройства с ручной настройкой показана сплошными линиями на

рис. 7-1. Эта схема по существу является разновидностью общей струк­

турной схемы устройства следящей настройки, показанной на рис. 1-6, а (см. также временную диаграмму на рис. 1-5, б), и отличается глав­ ным образом тем, что связь между фазочувствительным устройством,

в данном случае электронным осциллографом, и управляемым генера­

тором замыкается через человека-экспериментатора.

Как показано на рис. 7-1, преобразователь ЯМР (Пр) включается в контур генератора высокой частоты ГВЧ (порядка нескольких мега­

герц в зависимости от диапазона измеряемых индукций). При совпа­

дении частоты генератора с частотой ЯМР уменьшается добротность

контура и соответственно уменьшается уровень колебаний генератора. Для повышения чувствительности генератор обычно ставится в ре­

жим слабых колебаний (фактор регенерации близок к единице), при

котором изменение добротности особенно сильно влияет на амплитуду

колебаний. Но даже в этом случае изменение амплитуды весьма мало—

не превосходит ЦП3.— 10-4 самой амплитуды, например 10 мкв при

уровне генерации 100 мв.

Для получения периодического изменения добротности контура

постоянное магнитное поле модулируется в небольших пределах с по­ мощью вспомогательного генератора низкой частоты ГНЧ (можно

использовать и частоту 50 гц от сети). Высокочастотное напряжение,

модулированное по амплитуде ЯМР-поглощением, усиливается уси­

лителем УВЧ и детектируется детектором Д для выделения огибаю­ щей. Полученный сигнал ЯМР-поглощения через усилитель низкой частоты УНЧ подается на указатель резонанса (осциллограф). После

настройки частоты генератора в резонанс с частотой ЯМР по симмет­ ричной кривой на экране производится отсчет по частотомеру [1591.

Для согласования фаз служит фазовращатель ФВ.

Добавляя к схеме рис. 7-1 элементы, показанные прерывистыми

линиями, получаем полуавтоматический вариант устройства [164], в котором частота регулируется вручную (конденсатором С) только до появления сигнала ЯМР-поглощения на экране осциллографа. Пос­ ле этого выходное напряжение фазочувствительного выпрямителя ФЧВ воздействует на управляемую емкость контура генератора (см. § 3-2) и производит точную настройку на частоту ЯМР. Полностью автоматический датчик с вынужденными колебаниями описан в § 7-2. Погрешность настройки на резонанс в. подобных устройствах можно довести до 0,001% относительно В 0,

Режим свободных колебаний используется преимущественно для измерения слабых магнитных полей (В0 0,005 тл), в которых ин­ тенсивность сигнала ЯМР-поглощения, пропорциональная произве­

лой, что сигнал теряется в шумах, создаваемых измерительной цепью.

Принцип работы частотных датчиков со свободными колебаниями

заключается в том, что предварительно сфазированные магнитные мо­

менты ядер после быстрого выключения фазирующего поля некоторое

время синфазно прецессируют вокруг направления постоянного поля

тока в индукцию магнитного поля (ПТИ) должен создавать в объеме, занимаемом преобразователем ЯМР, достаточно сильное (В0 = = 0,15 -s- 0,35 тл) и однородное (е <. 0,02%) поле, чтобы его индук­ цию можно было точно преобразовать в частоту наиболее простым и надежным методом ядерного поглощения.

Частотные датчики для измерения больших токов впервые созданы в ЛПИ имени М. И. Калинина С. А. Спектором [178, 180, 181 ]. В ка­

честве ПТИ использовался участок шинопровода, выполненный в виде

круглой шины, в которой высверлено цилиндрическое отверстие, рас­

положенное параллельно оси шины (рис. 7-3, а). В таком воздушном зазоре создается однородное и поддающееся точному расчету магнит­

ное поле, индукция которого (рис. 7-3, б) равна

и преобразуется в частоту с помощью преобразователя ЯМР. Благодаря тому, что при одношинном ПТИ коэффициент преобра­

зования тока в индукцию = В//, как и коэффициент преобразова­

ния индукции в частоту f/B — уя/2я, точно предсказывается теорети­

чески, такой частотный датчик позволяет осуществить абсолютные

измерения тока. Габариты ПТИ и потребляемая им мощность оказы­ ваются хотя и большими, но незначительными по сравнению со всем шинопроводом. Датчики такого типа обеспечивали измерение постоян­ ного тока от 2 до 100 ка с относительной погрешностью не более 0,05% [179].

Частотные датчики для измерения малых токов представляют ин­

терес как средство точного преобразования в частоту унифицирован­ ных сигналов постоянного тока 0 — 5, 0 — 20 и 0 — 100 ма

(ГОСТ 9895—61). Для получения сильного и однородного магнитного поля при малых токах приходится использовать ПТИ с ферромагнит­ ными сердечниками, которым присуща погрешность от нелинейности и гистерезиса, зависящая от свойств ферромагнитных материалов и от соотношения сопротивлений магнитопровода и воздушного зазора. Уменьшение погрешности ПТИ путем увеличения зазора влечет за собой увеличение числа витков обмотки, по которой протекает изме­ ряемый ток, а следовательно, и входного сопротивления преобразо­

вателя.

Одним из способов создания сильного поля при достаточно малом потреблении энергии от источника измеряемого тока и малых погреш­ ностях является применение дифференциальных ПТИ [161, 1631. В этих преобразователях (рис. 7-4) поток Ф0 начального подмагничи-

вания замыкается через постоянный магнит, а поток Ф*, создаваемый

измеряемым током, проходит только по материалу магнитопровода. Это позволяет уменьшить погрешности ПТИ, выбрав для магнитопро­ вода ферромагнитный материал группы пермаллоя, имеющий высо­ кую магнитную проницаемость и малую коэрцитивную силу, а по­ стоянный магнит сделать из материала, обладающего большой маг­ нитной энергией, например из сплава ЮНДК 35Т5. Постоянный маг-

нит создает начальное поле В0, одинаковое в обоих зазорах, а изме­

стот двумя преобразователями ЯМР и двумя отдельными измеритель­ ными цепями.

При симметричной конструкции ПТИ погрешности практически не зависят от свойств материала постоянного магнита, а входное со­

противление ПТИ можно сделать небольшим благодаря высокой чувст­ вительности (большой магнитной проницаемости) преобразователя.

Кроме того, большая магнитная проницаемость делает магнитное со­

противление магнитопровода малым по сравнению с сопротивлением

воздушных зазоров, а небольшой гистерезис и нелинейность характе­ ристик материала лишь незначительно сказываются на погрешностях преобразования. Рассмотрим последовательность расчета и особен­ ности конструирования дифференциальных ПТИ.

Определение основных размеров магнитной цепи преобразователя ЯМ Р. Анализ используемых в технике ЯМР магнитных цепей пока­ зывает, что если обозначить (см. рис. 7-4) диаметр полюсных наконеч­

ников, образующих зазоры, через DHaK, длину воздушного зазора

через Ô. диаметр области, в которой магнитное поле однородно с тре­ буемой точностью, через т , то средние значения отношений обычно

в них миниатюрные преобразователи ЯМР. Размеры преобразователя зависят от индукции в зазоре и требуемого отношения h сигнала к шуму на входе указателя резонанса. Эти зависимости для различных

пустим, что коэффициент заполнения преобразователя веществом со­

ставляет 0,75; тогда объем преобразователя ЯМР в целом и =

= 8 мм3. Длину преобразователя /п целесообразно выбирать равной диаметру области однородного поля /л, а диаметр преобразователя dn — в 1,5 — 3 раза меньше длины воздушного зазора 6, чтобы умень­

шить влияние полюсных наконечников на индуктивность обмотки и сгладить неоднородности поля, вызванные неровностью поверхностей

тогда длина каждого из воздушных зазоров и диаметр наконечников

ницаемости, а следовательно, и погрешность линейности преобразо­

щие чувствительность и нелинейность преобразования, получаем по­ грешность линейности при аппроксимации хордой (см. гл. 2) в виде

Учитывая, что благодаря воздушным зазорам погрешность умень­

шается в RmJ R mù раз, где RmQ— магнитное сопротивление воздуш­

ных зазоров, а $ тф — магнитное сопротивление ферромагнитной ча­ сти магнитопровода, и заменяя Нх на Вх, получаем

- ^ В Х = АВХ.

Ятв 4P?

С другой стороны, погрешность в измерении тока, вызванная не­ точностью фиксации резонанса, определяемая отношением сигнала к шуму, типом указателя резонанса, а также неоднородностью маг­ нитного поля в объеме преобразователя,

где а — коэффициент, зависящий от типа указателя резонанса и от­

тем, что при дальнейшем увеличении В 0 получаются слишком высокие частоты резонанса.

Выбор глубины модуляции поля зависит от двух факторов. Чем меньше глубина модуляции, тем, с одной стороны, точнее определяется

момент резонанса и тем, с другой стороны, меньше получается сигнал

ЯМР. Результаты экспериментального исследования показывают,

что оптимальное значение Вм равно 0,001 В0.

Конструктивное выполнение ПТИ должно быть таким, чтобы обес­ печить однородность магнитного поля и стабильность воздушных

зазоров. Для выполнения этих требований необходимо особенно тща­

тельно изготовить и собрать магнитопровод преобразователя. Поверх­ ности полюсных наконечников должны быть притерты так, чтобы от­

клонение от плоскостности не превосходило ± (5 — 10) мкм. В соб­

ранном преобразователе непараллельность плоскостей, образующих воздушные зазоры, не должна быть больше + 20 мкм. К соосности

полюсных наконечников предъявляются меньшие требования. Так,

по данным [162 J, смещение осей даже на 2% от диаметра наконечни­ ков изменяет магнитную индукцию вблизи центра лишь на 0,001%.

Для получения в зазорах однородного поля нужно также ослабить внутренние механические напряжения в ферромагнитном материале, подвергнув его специальной термообработке в атмосфере водорода при жестко заданном для каждого материала температурно-времен­ ном режиме. Для уменьшения паразитных зазоров в магнитопроводе ПТИ, нестабильность которых увеличивает погрешности преобразо­ вания, поверхности, по которым происходит соединение отдельных участков магнитопровода, следует тщательно отшлифовать и прите­ реть.

На рис. 7-6 показан вариант конструктивного выполнения диффе­ ренциального ПТИ. Начальное подмагничивание создается постоян­

ным магнитом 1 из сплава ЮДНК-24, магнитопровод собран из брускового пермаллоя 79НМ, предварительно отожженного в водо­

роде. Поперечина 2 магнитопровода выполнена такого сечения, чтобы

ее материал не насыщался при магнитной индукции в воздушных

зазорах порядка 0,25 тл . Для поддержания необходимой однородно­

сти поля в объеме, занимаемом преобразователем ЯМР, и сведения к минимуму дополнительных воздушных зазоров полюсные наконеч­

ники 3 отшлифованы и тщательно притерты с обеих торцовых сторон. Для обеспечения равенства длин воздушных зазоров и параллельно­ сти плоскостей полюсных наконечников между последними помещены

точно выполненные секторные вставки 6, изготовленные из тщательно

притертого и имеющего одинаковую во всех точках толщину немаг­

нитного кольца. Для создания плотного контакта и стабильности геометрических размеров поперечины магнитопровода на концах стя­

нуты болтами 4. Соосность полюсных наконечников задается центри­

рующими кольцами 5 из немагнит­

контура составляет 2500. Преобразование магнитной индукции в частоту осуществляется

обычно с использованием метода вынужденных колебаний (см.

рис. 7-1), причем предварительный поиск резонанса можно исключить,

если осуществить приблизительную настройку генератора на частоту ЯМР подачей на управляемую емкость его контура напряжения, про­

порционального измеряемому току. Точность такой начальной на­

стройки на частоту ЯМР должна быть достаточно высокой для того, чтобы ввести следящую систему экстремального регулирования в по­ лосу захвата. Ориентировочно можно считать, что допустимая по­ грешность настройки в герцах определяется наибольшей из двух ве­

личин, одной из которых является ширина полосы ЯМР, а другой—

полоса частот, соответствующая модуляции поля. Например, если

глубина модуляции поля выбрана B J B 0 = 0,001 и Вх/В0 = 0,1, то

погрешность преобразователя тока в частоту, осуществляющего пред­

варительную настройку на резонанс, должна быть не хуже 1%.

Погрешность настройки на частоту ЯМР самой следящей системы

Рис. 7-7. Принципиальные схемы узлов дифференциального частотного датчика для измерения тока с автоматической настройкой на резонанс: а — ПТИ и кон­ туры; б — генератор и УВЧ одного из двух каналов; в — УНЧ и ФЧВ одногоканала; г —смеситель и выходной усилитель

Схема измерительной цепи, осуществляющей автоматическую на­

стройку генераторов на частоту ЯМР, разработанной в ЛПИ имени М. И. Калинина инженером Г. А. Пушкаревым и доцентом С. А. Спек-

тором, приведена на рис. 7-7. Вносимая этим устройством погрешность

из-за неточности настройки не превосходит 0,02%, инерционность устройства составляет 0,5 сек.

Рис. 7-8. Структурная схема компенсационного частот­ ного датчика для измерения постоянного тока

Перспективным следует считать использование для преобразова­

ния индукции в частоту ядерных генераторов (см. § 7-1), которые, по-видимому, могут обеспечить в несколько раз меньшую погрешность

и значительно меньшую инерционность (доли миллисекунды).

Рис. 7-9. Структурная схема компенсационного частот­ ного датчика для измерения постоянного напряжения

Компенсационные методы преобразования тока и напряжения

в частоту с использованием ЯМР позволяют существенно уменьшить

входное сопротивление датчика при измерении тока или повысить его при измерении напряжения. (Входное сопротивление самого ПТИ

имеет порядок 300 ом.) Структурная схема датчика, воплощающего

компенсационный метод измерения тока, показана на рис. 7-8. Диф­

ференциальный ПТИ с начальным подмагничиванием и автоматиче­