Комбинированный составной сердечник индукционного преобразователя магнитного поля
COMBINED COMPOSITE CORE OF MAGNETIC FIELD INDUCTION TRANSDUCER

Устройство относится к измерительной технике, в частности к магнитометрии, и предназначено для использование в индукционных преобразователях магнитного поля для электромагнитных методов геофизической электроразведки в широком частотном диапазоне. Предлагается сердечник для преобразователей магнитного поля на основе катушки индуктивности с сердечником, который для улучшения частотных характеристик преобразователей является комбинированным: составным из ферритовых колец, которые нанизываются и склеиваются на сердечнике из пермаллоевого прутка как своеобразной арматуре.
-4
+4
Одним из преобразователей магнитного поля в электрический сигнал является катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником, являющегося концентратором магнитного поля для увеличения чувствительности преобразователя. В некоторых методах геофизических электромагнитных зондирований - МТЗ, АМТ, 43 для регистрации магнитных компонент электромагнитного поля диапазона 10Гц-10Гц и выше применяются аналогичные преобразователи - индукционные датчики. В работе (Ничога В.О., 2008) представлены данные по существующим геофизическим индукционным датчикам. Представленные датчики имеют длину от 0.7 м до 1.5 м, чем обеспечивается необходимая чувствительность и частотная диапазонность преобразователя.
+5
+4
Из опубликованной информации известно, что при измерениях слабых низкочастотных магнитных полей сердечники катушек делаются из ферромагнитного материала пермаллоя, для высокочастотной области - из феррита (Панин В.В., 1987; Митрофанов A.M., 2003). Представленный в работе (Ничога В.О., 2008) индукционый датчик имеет сердечник из аморфного пермаллоя. Выбор этих материалов обусловлен тем, что для слабых магнитных полей из магнитомягких материалов они обладают наибольшими значениями начальной магнитной проницаемости -соответственно до 10 и до 10 и выше, от чего зависит эффективность сердечника как концентратора магнитного поля. Каждый из описанных материалов-прототипов имеет как свои преимущества, так и свои недостатки.
+6
+3
+4
Пермаллой, являясь сплавом металлов железа и никеля, обладает низким удельным электрическим сопротивлением, феррит обладает высоким удельным электрическим сопротивлением, в 10 раз больше чем у пермаллоя (Корицкий Ю.В., 1988). Литой пермаллой, из-за низкого удельного электрического сопротивления обладает существенным недостатком -наличием потерь на вихревые токи, возрастающих с увеличением частоты квадратично (Богородицкий Н.П., 1985), что ограничивает его применение в индукционных датчиках частотами до первых сотен герц. Потери в феррите связаны с потерями на гистерезис, их значение для низкочастотных марок ферритов несущественно до частот 5×10 - 10 Гц и более (Корицкий Ю.В., 1976), зависимость этих потерь от частоты линейная. Кроме того, потери в любом сердечнике пропорционально связаны с массой сердечника (Богородицкий Н.П., 1985).
Из-за хрупкости феррита серийно выпускаемые ферритовые стержни (Номенклатурные справочники по ферритовым изделиям) имеют ограничение стандартных типоразмеров по длине, до 200-250 мм, недостаточной для изготовления высокочувствительных низкочастотных индукционных датчиков. Литой пермаллой, в отличие от ферритов, является технологичным материалом, однако не допускает деформаций при эксплуатации, из прутков пермаллоя возможна сборка сердечников любых линейных размеров. Диаметр сердечников выбирается из соображений, преимущественно, их механической прочности для исключения деформаций и излома, и соответственно, пропорционально зависит от его длины.
Заявляемое техническое решение направлено на улучшение частотных характеристик индукционного преобразователя за счет применения комбинированного сердечника - составного ферритового, собранного из ферритовых колец, нанизываемых на пермалоевый сердечник, и основывается на следующих факторах.
c
Для катушки индуктивности с сердечником, по закону Фарадея, уровень сигнала с нее U определяется величиной индукции магнитного поля В и параметрами самой катушки и сердечника:
ЭФ
где: μ - эффективная магнитная проницаемость сердечника; S - площадь сердечника; f-частота сигнала; N - количество витков.
c
ЭФ
Очевидно, для обеспечения необходимого уровня сигнала U чем ниже частота сигнала f и меньше его величина индукции В, тем большие значения должны иметь другие множители произведения - μ, S и N.
ЭФ
ЭФ
Известно, что эффективная магнитная проницаемость сердечника μ зависит от начальной магнитной проницаемости материала сердечника и его геометрических размеров. В работе (Бабин И.А., 2003) оценка эффективной магнитной проницаемости сердечника μ определяется из выражения:
э
c
где:μ - эффективная магнитная проницаемость сердечника, s - площадь поперечного сечения сердечника,μ - магнитная проницаемость материала сердечника,  - длина сердечника, d - диаметр сердечника.
ЭФ
Анализ формулы показывает, что при длине сердечника много больше его диаметра, (μ практически пропорционально зависит от квадрата длины сердечника. Именно в силу такой зависимости индуктивные датчики для работы на частотах ниже 1 Гц имеют значительную длину, до 1.5 м и более. Изготовление механически прочного сердечника из пермаллоя таких размеров возможно, из феррита длина сердечника ограничивается типоразмером стержней.
ЭФ
ЭФ
Расчеты μ по формуле (2) для двух значений начальной магнитной проницаемости - 6000 (феррит) и 50000 (пермаллой), при различной длине сердечника - 0.5 м, 1.0 м и 1,5 м, представлены на (Фиг 1) зависимостями произведения μS (показатель эффективности сердечника) от диаметра сердечника.
ЭФ
Анализ кривых показывает, что при длине сердечников до 0.5 м эффективность материалов сердечников по произведению μS практически равноценна. При большей длине сердечников пермаллой превосходит феррит тем больше, чем больше длина сердечников. При длине 1 м по эффективности пермаллоевый сердечник диаметром 8 мм сопоставим с ферритовым диаметром 18-20 мм, при большей длине выигрыш по эффективности доходит до 150-200%.
В работе (Бабин И.А., 2003) на основании более точных расчетов параметра эффективности сердечника с использованием численных методов сделан вывод о том, что существует оптимальный диаметр сердечника, обеспечивающий максимум этого параметра. Для сердечника длиной 250 мм при диаметре сердечника 6-8 мм эффективность сердечника достигает своего максимума, далее незначительно уменьшаясь с увеличением диаметра.
Именно фактор уменьшения диаметра пермаллоевого сердечника и использования его как арматуры для сборки ферритового сердечника из ферритовых колец для их взаимного упрочнения заложен в основу предлагаемого технического решения. Улучшение частотных характеристик датчика осуществляется за счет возможности сборки сердечника любой длины (для низкочастотной области) и снижения потерь на вихревые токи в пермаллое (для высокочастотной области) за счет уменьшения его массы путем уменьшения диаметра.
ЭФ
Потери на вихревые токи в сердечнике из пермаллоя связаны с его массой квадратично, уменьшение диаметра в два раза приводит к уменьшению массы в 4 раза и, соответственно, к снижению потерь в области высоких частот в 16 раз, за счет чего расширяется диапазон рабочих частот. Уменьшение диаметра снижает эффективность сердечника по произведению μS, но, как следует из графиков, пермаллой по этому показателю превосходит феррит. Зазор между катушкой и пермаллоевым сердечником в виде ферритовых колец также понижает эффективность пермаллоя, однако, результирующая эффективность предлагаемого сердечника не может быть ниже эффективности ферритового сердечника.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, состоит в улучшении частотных характеристик датчика возможностью сборки сердечника из феррита любой длины и снижения потерь на вихревые токи в пермаллое.
Конструктивно устройство является комбинированным: составным из ферритовых колец, которые нанизываются и склеиваются на сердечнике из пермаллоевого прутка как своеобразной арматуре.
На основании вышеприведенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что предлагаемое устройство не следует явным образом из известного уровня техники, и, следовательно, соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Литература
1. Ничога В.О., Дуб П.Б., Проненко В.О., "Сучасни низкопорогови инфранизкочастотни индукционои давачи для вимирования надслабких магнитних полей", Национальний университет "Львивска политехника", 2008, УДК 621.317.42.
2. Панин В.В., Степанов Б.М., Измерение импульсных магнитных и электрических полей, Москва, Энергоатомиздат, 1987.
3. Корицкий Ю.В., Пасынков В.В., Тареев Б.М., Справочник по электротехническим материалам, изд. 3, том 3, Энергоатомиздат, Ленинград, 1988
4. Корицкий В.Ю., Электротехнические материалы, изд. 3, Энергия, Ленинград, 1976
5. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М., Электротехнические материалы, изд. 7, Энергоатомиздат, Ленинград, 1985
6. Бабин И.А., Федюковский Ю.И., Митрофанов A.M., Индукционный датчик магнитного поля диапазона 0…1 Гц, Известия высших учебных заведений России, Радиоэлектроника, 4, 2003
7. Ничога В.О., Измерение весьма слабых низкочастотных магнитных полей в геофизических и космических исследованиях, "Отбор и передача информации", 1993, Вып. 9, С. 70-77, УДК 621.317.42
8. Митрофанов А.М. Оптимизация геометрических параметров индукционного магнитометра с сердечником // Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвуз. сб. стат./ СЗТУ. СПб., 2003. С. 71 -77 (Вып. 30).