Феррозондовый магнитометр

Полезная модель относится к измерительной технике и, прежде всего, к магнитометрии.
Известен феррозондовый магнитометр содержащий генератор, подключенный к возбуждающей обмотке феррозонда, нанесенной на сердечник в форме замкнутой рамки, синхронный детектор, управляемый сигналом удвоенной частоты генератора и включенный между измерительной обмоткой феррозонда и блоком фильтрации, выход блока фильтрации подключен к измерительной обмотке через сопротивление обратной связи (П.Ф.Баранов, С.В.Муравьев. Феррозондовый магнитометр для измерения магнитной индукции до 0.1 нТл. Известия Томского политехнического университета, 2012г. Т.320, №4 с.90 рис.3, с.91 рис.4).
Известный магнитометр обладает недостаточной точностью, т.к. определение измеряемого магнитного поля осуществляется только по сигналу второй гармоники, в то время как измеряемое магнитное поле дает существенный вклад в сигнал ЭДС датчика еще и на 4-ой и 6-ой гармониках, особенно для сигнала возбуждения прямоугольной формы (Баранова В.Е. Измерение слабого магнитного поля на основе феррозондового датчика. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Томск 2015г. С. 53-54). Кроме того, известный магнитометр не реализует режим компенсации измеряемого поля, при котором сигнал с датчика все время автоматически поддерживается равным нулю, а измеряемое поле определяется по току компенсации, а значит сигнал с датчика зависит от материала, из которого он изготовлен, температуры и других факторов.
,
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности  является феррозондовый магнитометр, включающий катушку возбуждения, содержащую насыщаемый сердечник, генератор возбуждения, работающий с частотой выходного напряжения, нагруженный на катушку возбуждения, конденсатор, ко второму выходу которого подключены соединенные последовательно детектор сигнала,  выполненный на основе нелинейных элементов, фильтр низкой частоты, усилитель постоянного тока и сопротивление обратной связивторой фильтр низкой  частоты, выход которого связан с измерительным прибором, а вход подключен к токосъемному резистору (Патент на изобретение РФ № 2330303, феррозондовый магнитометр, G01R 33/02, 2006).
3
3
2
Недостатком известного устройства является большое энергопотребление, что создает проблемы при реализации прибора в портативном варианте. Связано это с разомкнутой формой сердечника и, соответственно, с большим размагничивающим фактором его. Так, например, в книге Ю.В.Афанасьев Феррозонды. Л., Энергия, 1969, с.97 показано, что для сердечника размерами 70×1,5×0,1мм из сплава 80НХС магнитная проницаемость сердечника, определяемая размагничивающим фактором, составляет 6⋅10 , в то время как  проницаемость материала (проницаемость замкнутого сердечника) 120⋅10. Это значит, что по сравнению с замкнутым сердечником, на стержне  для достижения одинаковой индукции необходимо приложить в 20 раз большее магнитное поле в обмотке возбуждения. Даже если увеличить в 20 раз число витков обмотки стержня, то при том же токе, что в обмотке замкнутого сердечника,  индуктивность, пропорциональная µ⋅ω (µ - магнитная проницаемость, ω - число витков) вырастет в 20 раз, а значит потребует в 20 раз большего напряжения на генераторе и, соответственно в 20 раз большей мощности потребления. Для более коротких, по сравнению с рассматриваемым разомкнутым сердечником, потребляемая мощность вырастет еще больше.
Целью предполагаемой полезной модели является снижение энергопотребления.
Поставленная цель достигается тем, что в феррозондовом магнитометре, включающем катушку возбуждения, содержащую насыщаемый сердечник, генератор возбуждения, работающий с частотой выходного напряжения, нагруженный на катушку возбуждения, конденсатор, ко второму выходу которого подключены соединенные последовательно детектор сигнала, выполненный на основе нелинейных элементов, фильтр низкой частоты, усилитель постоянного тока и сопротивление обратной связи,второй фильтр низкой частоты, выход которого выполнен с возможностью подключения к измерительному прибору, вход к токосъемному резистору, дополнительно введена схема сравнения уровней, включенная между детектором сигнала и первым фильтром низкой частоты, сердечник выполнен в виде замкнутой рамки, на которую кроме обмотки возбуждения нанесена измерительно-компенсационная обмотка, детектор сигнала выполнен в виде двух пиковых детекторов, входы которых являются входом детектора, выходы пиковых детекторов соединены с входами вычитающего блока, выход которого является выходом детектора сигнала, высокопотенциальный выход измерительно-компенсационной обмотки подключен ко вторым выводам конденсатора и сопротивления обратной связи, а низкопотенциальный выход подключен к токосъемному резистору.
Связь вновь введенных признаков с достижение цели заключается в следующем. Выполнение сердечника в формезамкнутой рамки позволяет свести к нулю размагничивающий фактор и, соответственно, во много раз снизить энергопотребление. Нанесение измерительно компенсационной обмотки необходимо для создания поля компенсации в одинаковом - противоположном измеряемому полю направлении в обоих плечах рамки. Выполнение детектора в виде двух пиковых детекторов, входы которых являются входом детектора сигнала, выходы пиковых детекторов соединены с входами вычитающего блока, выход которого является выходом детектора сигналасвязано с использованием в качестве источника сигнала измерительно-компенсационной обмотки, которую необходимо подключать к входу высокоомного устройства, являющегося в заявляемом магнитометре объединенным входом пиковых детекторов. Кроме того, форма сигнала, представленная на фиг. 2, предполагает использование сравнения амплитуд сигнала в соседних полупериодах как более информативный параметр, чем среднее значение. Подключение высокопотенциального выхода измерительно-компенсационной обмотки ко вторым выходам конденсатора и сопротивления обратной связи, а низкопотенциального выхода к токосъемному резистору связано с использованием измерительно компенсационной обмотки в качестве источника сигнала, а значит также обусловливает достижение цели.
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого феррозондового магнитометра.
Феррозондовый магнитометр содержит генератор 1, рамочный сердечник 2 с нанесенными на него  измерительно компенсационной обмоткой 3 и обмоткой 4 возбуждения, подключенной к выходам генератора 1, последовательно соединенные конденсатор 5, детектор 6 сигнала, схема 7 сравнения уровней, фильтр 8 низкой частоты, усилитель 9 постоянного тока и сопротивление 10 обратной связи, токосъемный резистор 11, к которому подключены низкопотенциальный выход измерительно-компенсационной обмотки 3 и второй фильтр 12 низкой частоты, выход которого выполнен с возможностью подключения к измерительному прибору 13, при этом детектор 6 сигнала выполнен в виде первого 14 и второго 15 пиковых детекторов, общие входы которых являются входом детектора 6 сигнала, а выходы пиковых детекторов подключены к входам блока 16 вычитания, выход которого является выходом детектора 6 сигнала, высокопотенциальный выход измерительно-компенсационной обмотки 3 соединен с сопротивлением 10 обратной связи и конденсатором 5.
Устройство работает следующим образом.
Переменный ток с генератора 1, протекая по обмотке 4 возбуждения, создает в параллельных плечах сердечника переменные магнитные поля противоположного направления относительно измеряемого магнитного поля. При наличии внешнего измеряемого магнитного поля в измерительно компенсационной обмотке 3 появляется сигнал четных гармоник, имеющий вид, изображенный на фиг. 2 для разных направлений поля и нулевого (либо скомпенсированного) значения его. Детектор сигнала 6 формирует на выходах пиковых детекторов 14 и 15 разной  полярности уровни напряжения соответствующие амплитудным значениям положительного и отрицательного сигналов и с помощью вычитающего блока16 разность этих уровней. Полученный на выходе детектора 6 сигнал имеет реверсивную (знакочувствительную) зависимость от измеряемого поля и используется для автоматического регулирования  тока компенсации в измерительно-компенсационной обмотке 3, обеспечивающего нулевой сигнал на ее выходе, а значит равенство компенсирующего поля измеряемому полю. Система автоматического регулирования содержит стандартные элементы, а именно: схему сравнения уровней 7, где в качестве задающего уровня используется нулевой уровень, интегратор, в качестве которого выступает фильтр низкой частоты 8, стабилизирующий работу, и усилитель 9 постоянного тока. Сигнал пропорциональный току компенсации, а значит измеряемому полю, снимается с токосъемного резистора 11, сглаживается вторым фильтром 12 низкой частоты и измеряется измерительным прибором 13. При этом конденсатор 5 препятствует проникновению постоянного напряжения на вход детектора 6.
Пример конкретного осуществления.
Изготовление сердечника в виде замкнутой рамки производилось по давно известной технологии изготовления магнитных головок, а именно на пластинах из сплава 81НМА толщиной 50 мкм методом фотолитографии и последующего травления вытравливались рамки с остающимися перемычками, удерживающими рамки в пластине. Пластины склеивались с базировкой на штифтах в базовых отверстиях, после чего перемычки обрезались электроискровым методом и получались шихтованные рамки. Обмотка возбуждения наносилась с плотность 25 витков на см. Узлы схемы изготавливались на операционных усилителях по стандартным схемам. Ток в обмотке возбуждения не превышал 10 мА при амплитуде напряжения на генераторе не более 1 В, т.е. потребляемая мощность не превышала 10 мВт. При использовании аккумуляторной батареи 9В Крона Plus-SR с емкостью 200 мАч прибор работал около 20 часов без перезарядки. На фиг.2 приведены сигналы с датчика при разных направлениях измеряемого поля при отключенной компенсации и при включенной компенсации, подтверждающие положения, изложенные в описании заявки. Проверка магнитометра производилась с использованием катушек Гельмгольца и показала высокую линейность характеристики. Чувствительность магнитометра на уровне нескольких нТл.