книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

Рис. 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-