Широкополосный термостабильный измеритель индукции магнитного поля

Описание полезной модели
Устройство относится к измерительной технике, в частности к магнитометрии, и предназначено для высокоточного измерения индукции переменного магнитного поля в широкой полосе частот в условиях значительных изменений температуры окружающей среды и может быть использовано в любой измерительной аппаратуре, где требуется точная широкополосная регистрация переменного магнитного поля.
Для измерения индукции магнитного поля используют различные типы магнитных преобразователей. При регистрации слабых магнитных полей, например вариаций естественного поля Земли или сигналов становления поля в активных электроразведочных методах зондирования земной коры (методы ЗСД и ЗСБ), необходимы преобразователи высокой чувствительности, работающие в широком диапазоне частот. Среди существующего многообразия измерительных преобразователей магнитного поля наилучшими характеристиками по чувствительности и широкополосности обладают индукционные преобразователи, выполненные в виде длинных многовитковых катушек индуктивности с ферромагнитным сердечником. Известны различные схемотехнические и конструкционные способы, обеспечивающие широкополосность индукционных преобразователей, но при этом задаче обеспечения температурной стабильности их параметров не уделялось должного внимания.
Известно устройство для измерения индукции переменного магнитного поля [RU 2178570, опубл. 20.01.2002 г.], содержащее дополнительную катушку обратной связи, располагаемую поверх измерительной катушки. В этом устройстве разность потенциалов, появляющаяся на зажимах измерительной катушки за счет индуцированной в ней электродвижущей силы (э.д.с.) подается на неинвертирующий вход усилителя, выход которого нагружен на последовательно соединенные катушку обратной связи с резистором, а напряжение, снимаемое с этого резистора и являющееся выходным сигналом измерителя магнитного поля, через апериодическое звено, состоящее из двух других резисторов и конденсатора, подается на инвертирующий вход усилителя. Существенным недостатком известного устройства является наличие в его схеме частотно-зависимой цепи обратной связи, определяемой не только элементами инерционного звена, но и неидеальностью трансформаторной связи между измерительной катушкой и катушкой обратной связи. Реальные измерительная катушка и катушка обратной связи измерителя обладают паразитными параметрами, такими как межвитковая емкость отдельных катушек, емкость между катушками, емкость между катушками и сердечником, индуктивность рассеивания, наличие которых приводит к немонотонному характеру частотной характеристики измерителя в полосе преобразования и ограничению спектральной полосы частот преобразуемых сигналов как в области низких, так и высоких частот.
Другим более близким аналогом к заявляемому объекту является измеритель индукции переменного магнитного поля [SU 1624372, опубл. 30.01.1991 г.], взятый в качестве прототипа для предлагаемой полезной модели. Устройство-прототип состоит из приемной катушки, подключенной к инвертирующему входу усилителя, резистора отрицательной обратной связи, включенного между выходом и инвертирующим входом усилителя, резистивного делителя напряжения, подключенного в цепь положительной обратной связи между выходом и неинвертирующим входом усилителя. Данное устройство обеспечивает расширение частотного диапазона регистрируемых сигналов магнитного поля в области низких частот за счет применения в схеме положительной обратной связи. Однако это устройство также имеет два существенных недостатка: 1) сильная зависимость параметров преобразования от температуры окружающей среды, 2) пониженная устойчивость работы измерителя, обусловленная наличием в измерительной схеме цепи положительной обратной связи.
Цель предлагаемого технического решения - повышение температурной стабильности и устойчивости в работе измерителя магнитного поля в широкой полосе частот регистрируемых сигналов.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства с источником входного сигнала, показанным в виде источника э.д.с. e(t), индуцированной в приемной катушке измерителя под действием внешнего переменного магнитного поля. Устройство содержит измерительную катушку (1) с ферромагнитным сердечником (2), подключенную к инвертирующему входу операционного усилителя (3), охваченного через резистивный делитель (7, 8) положительной обратной связью. В качестве резистора, обеспечивающего отрицательную обратную связь для операционного усилителя (3) в устройстве применены две встречно-параллельно включенные катушки (4, 5), выполненные так же, как и измерительная катушка из медного провода на отдельном каркасе, размещенном на том же сердечнике, что и измерительная катушка.
Параллельно катушкам (4, 5) подключен конденсатор (6), ограничивающий коэффициент усиления схемы за полосой пропускания в области высоких частот и обеспечивающий устойчивую работу схемы.
Принцип работы измерителя индукции магнитного поля можно понять, анализируя выражение для передаточной функции измерительной схемы, показанной на фиг. 1. Выражение для передаточной функции измерительной схемы в операторной форме записывается следующим образом:
,
где W(p) - изображение передаточной функции схемы по Лапласу;
p - оператор Лапласа;
0
U(p) - операторное выражение для выходного напряжения сигнала измерителя;
e(p) - операторное выражение для э.д.с., индуцированной в измерительной катушке под действием изменяющегося внешнего магнитного поля;
- максимальный коэффициент передачи измерительной схемы в полосе пропускания;
- постоянная времени измерительной схемы;
И
L - индуктивность измерительной катушки;
И
r - активное сопротивление измерительной катушки (сопротивление медных проводов);
- отрицательное входное сопротивление измерительной схемы по инвертирующему входу операционного усилителя (3);
- активное сопротивление проволочного резистора, выполненного в виде двух встречно-параллельно соединенных катушек индуктивности (4) и (5), включенных в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя (3).
К
Передаточная функция измерительной схемы, представляющей собой инерционное интегрирующее звено первого порядка, получена без учета реактивного сопротивления конденсатора (6), включенного в цепь отрицательной обратной связи, так как величина емкости этого конденсатора выбирается такой, чтобы в полосе пропускания схемы конденсатор не шунтировал сопротивление проволочного резистора r, т.е. должно выполняться условие:
,
В
где ƒ - верхняя граница полосы частот регистрируемых сигналов;
С - электрическая емкость конденсатора (6).
K1
K2
Реактивное сопротивление катушек (4) и (5) также не учитывается и принимается равным нулю, так как эти катушки имеют строго одинаковое число витков, равные индуктивности (L равна L), практически полностью компенсируемые за счет встречно-параллельного включения катушек, и очень малые паразитные емкости за счет применения специального типа намотки. На фиг. 2 схематично показан способ намотки катушек (4) и (5). При изготовлении катушек проволочного резистора их витки наматываются на отдельном каркасе одновременно двумя проводами, но в противоположных направлениях. Каркас с намотанными таким образом катушками располагается на сердечнике соосно с измерительной катушкой.
Согласно полученным выше выражениям отрицательное входное сопротивление измерительной схемы по инвертирующему входу операционного усилителя, получаемое за счет введения в схему положительной обратной связи, компенсирует активное сопротивление измерительной катушки, обеспечивая увеличение (умножение) постоянной времени схемы. При этом на частотах в десять раз выше частоты среза измерительной схемы, определяемой по уровню минус 3 дБ, схема обеспечивает интегрирование э.д.с. индуцированной в измерительной катушке c точность не хуже 5%. Чем выше частоты спектральных составляющих измеряемого сигнала, тем точнее осуществляется интегрирование. Величина индуцированной э.д.с. e(t) пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего витки измерительной катушки, а сигнал на выходе схемы будет пропорционален этому потоку и соответственно индукции магнитного поля. Для устойчивой работы схемы должно выполняться условие:
.
Задавая отношение сопротивлений резистивного делителя в цепи положительной обратной связи как можно ближе к отношению активного сопротивления измерительной катушки к сопротивлению проволочного резистора в цепи отрицательной обратной связи, но не превышая его, можно увеличивать постоянную времени измерительной схемы τ без изменения индуктивности и активного сопротивления измерительной катушки. Этим обеспечивается значительное расширение частотного диапазона измерителя в области низких частот и более точное интегрирование индуцированной в измерительной катушке э.д.с. на этих частотах.
Для расчета параметров элементов схемы измерителя удобно ввести обозначения:
; ;  - собственная постоянная времени измерительной катушки;
- коэффициент увеличения (умножения) собственной постоянной времени измерительной катушки.
0
В этом случае выражения для K и τ запишутся как:
; .
τ
0
Задавая значения К и К, определяют α и β по формулам:
; .
Далее вычисляют сопротивления резисторов измерительной схемы:
, (значение R1 задается); .
Верхняя граница полосы пропускания измерительной схемы в значительной степени зависит от частотных свойств измерительной катушки с сердечником. Все реальные катушки индуктивности обладают паразитными параметрами, такими как распределенные межвитковые емкости и емкости между витками катушки и сердечником, которые ограничивают возможности измерительной схемы по регистрации сигналов в области высоких частот. Для расширения полосы регистрируемых измерителем сигналов в области высоких частот за счет уменьшения распределенных паразитных межвитковых емкостей и емкостей между измерительной катушкой и сердечником катушка выполняется многослойной на секционированном каркасе таким образом, что каждый отдельный слой намотки проходит через все секции каркаса. На фиг. 3 схематично показана конструкция измерительной катушки, отражающая способ ее намотки.
0
τ
И
К
И
К
Повышенная температурная стабильность предлагаемого измерителя магнитного поля обеспечивается за счет эффекта компенсации температурных изменений активного сопротивления измерительной катушки синхронными и пропорциональными изменениями сопротивления проволочного резистора, включенного в цепь отрицательной обратной связи измерительной схемы. Эффективность предлагаемого способа термостабилизации параметров измерителя магнитного поля можно оценить, получив выражения для его основных параметров К, K и τ с учетом влияния температуры окружающей среды на активное электрическое сопротивление медного провода измерительной катушки r и катушек проволочного резистора r, включенного в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя. Зависимость r и r от температуры окружающей среды может быть представлена в виде:
,
,
И0
К0
где r и r - электрические сопротивления медного провода измерительной катушки и проволочного резистора, установленного в цепи обратной связи при нормальной температуре окружающей среды;
t° - действующая температура окружающей среды;
- нормальная температура окружающей среды;
- температурный коэффициент сопротивления меди, из которой изготовлены провода проволочного резистора и измерительной катушки.
И
К
Подставив выражения для r и r в формулу для максимального коэффициента передачи измерительной схемы в полосе пропускания, получаем:
,
,
0
где K(t°) - максимальный коэффициента передачи измерительной схемы без компенсации температурной зависимости параметров преобразования;
0K
K(t°) - максимальный коэффициента передачи измерительной схемы с компенсацией температурной зависимости параметров преобразования;
0
K0
R=r - сопротивление резистора, устанавливаемого в цепи отрицательной обратной связи для измерительной схемы без температурной компенсации, величина которого должна быть равной сопротивлению проволочного резистора при нормальной температуре окружающей среды, устанавливаемого в цепи отрицательной обратной связи для измерительной схемы с температурной компенсацией.
И
К
Аналогично, подставив выражения для r и r в формулу для коэффициента умножения постоянной времени измерительной катушки, получаем:
,
,
τ
где K(t°) - коэффициент умножения постоянной времени измерительной катушки для схемы без температурной компенсации;
τк
K(t°) - коэффициент умножения постоянной времени измерительной катушки для схемы с компенсацией температурной зависимости параметров преобразования.
Таким образом, установка в цепь отрицательной обратной связи измерительной схемы медного проволочного резистора, сопротивление которого линейно зависит от температуры окружающей среды, обеспечивает независимость максимального коэффициент передачи измерительной схемы в полосе пропускания и коэффициента умножения постоянной времени измерительной катушки от температуры окружающей среды.
И
К
Выражения для постоянных времени схем измерителей магнитного поля с температурной компенсацией и без температурной компенсации с учетом зависимости сопротивлений резисторов r и r от температуры запишутся как:
,
,
где τ(t°) - постоянная времени измерителя магнитного поля без температурной компенсации;
K
τ(t°) - постоянная времени измерителя магнитного поля с температурной компенсацией.
В результате получаем, что для схемы с температурной компенсацией зависимость постоянной времени от температуры окружающей среды не исчезает, но она значительно снижается по сравнению с аналогичной для схемы без температурной компенсации.
И
И0
τ
0
0
К0
0
1
2
0
τ
На фиг. 4 показаны графики полученных зависимостей, построенные в диапазоне изменения температуры от минус 10°С до плюс 50°С для схемы с параметрами: L=4,5 Гн; r=36 Ом; К=8; τ=1 сек; К= минус 50; r=R=194 Ома; R=360 Ом; R=58,6 Ом. Согласно фиг. 4 для термокомпенсированной схемы измерителя при изменении температуры от минус десяти до плюс пятидесяти градусов по Цельсию постоянная времени уменьшается от 1,19 сек до 0,89 сек, что по отношению к τ=1 сек при нормальной температуре (20°С), составляет 19% для пониженных и 11% для повышенных температур, тогда как для схемы без температурной компенсации в том же температурном диапазоне постоянная времени изменяется почти на порядок (пунктирная линия на фиг. 4). Значительное улучшение температурной стабильности постоянной времени измерителя происходит благодаря стабилизации коэффициента умножения постоянной времени измерительной катушки K.
Отдельно необходимо отметить, что при определенных температурах окружающей среды для схемы без температурной компенсации возникает ситуация, когда положительная обратная связь превышает отрицательную, при этом схема переходит в неустойчивое состояние и перестает выполнять свои функции. Для указанных выше параметров схемы такая ситуация возникает при температурах выше плюс 55 градусов по Цельсию. Для схемы с температурной компенсацией такая ситуация практически никогда не возникнет, так как температуры, при которых она может проявить себя, находятся далеко за пределами рабочего диапазона.
На основании вышеизложенного и благодаря достигнутым повышенной температурной стабильности и устойчивости в работе предлагаемое техническое решение может быть эффективно использовано в качестве широкополосного датчика индукции магнитного поля в составе точных высокочувствительных измерительных систем, например в системах активного электромагнитного мониторинга напряженно-деформированного состояния земной коры или в электроразведочной геофизической аппаратуре, предназначенной для поиска и разведки электрически контрастных залежей полезных ископаемых.
Литература
1. Устройство для измерения индукции переменного магнитного поля: пат. 2178570 Рос. Федерация. №2000123821/09, заявл. 18.09.2000; опубл. 20.01.2002.
2. Измеритель индукции переменного магнитного поля: а.с. 1624372 СССР. №4253758/21, заявл. 04.05.1987, опубл. 30.01.1991, Бюл. №4.