Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
7.2. Датчики для регистрации кинетики внешних магнитных полей
В настоящее время имеется достаточно большое число методов и средств регистрации магнитного поля [7.8–7.10]. Для решения задач функциональной диагностики электротехнических устройств по кинетике ВМП необходима линейность датчика магнитного поля высокая чувствительность. Требование к высокой чувствительности является существенным, так как предполагается регистрация кинетики магнитного поля в пространстве на достаточном удалении от источника.
Для решения сформулированных задач функциональной диагностики, датчики магнитного поля должны удовлетворять следующим требованиям:
– высокая чувствительность, обеспечивающая регистрацию магнитного поля с разрешением менее 10–7...10–8 Тл;
– динамический диапазон не хуже 10–2 Тл;
– линейность входной характеристики;
– равномерная частотная характеристика, обеспечивающая точное воспроизведение кинетики магнитного поля богатой высшими гармониками (обычно равномерность достаточна в диапазоне 0–10 кГц);
– датчик должен иметь ярко выраженную ось чувствительности;
Вопросы, связанные с помехозащищенностью и избирательностью, являются методическими, поскольку из двух идентичных датчиков всегда можно изготовить градиентометр, позволяющий компенсировать сигнал от магнитных полей посторонних источников.
Практически все выпускаемые промышленностью сертифицированные магнитометры (например, широко распространенный прибор Ш1 – 8) не рассчитаны на наблюдение кинетики магнитного поля. Обычно, кроме объемного усреднения они осуществляют и временное усреднение. Этим может быть объяснено отсутствие систематических исследований кинетики магнитного поля электрических машин. Все это вызвало необходимость специального изготовления измерительных преобразователей магнитного поля для наблюдения кинетики и их первичного поверочного обеспечения. Используемые для регистрации внешнего магнитного поля датчики реализуют задачу измерения магнитного поля в пространстве, поэтому к их размерам жесткие требования не предъявляются, достаточным оказывается оценочный анализ.
Геометрически любой датчик магнитного поля может характеризоваться величиной объема чувствительной области Vчув и общим размером Vд. Измеряемая индукция, приписываемая некоторой точке пространства, фактически отражает результат усреднения для объема Vчув, осуществляемый самим датчиком. Чем меньше объем, тем ближе измеренное значение к значению индукции в данной точке. Вполне очевидно, что результат усреднения зависит от степени неоднородности магнитного поля. Неоднородность убывает по мере удаления от электрической машины. Поэтому для приближения зарегистрированной кинетики индукции к кинетике в данной точке, при наличии конечного объема чувствительной области, необходимо стремиться производить измерения в дальней области внешнего поля электрической машины. Как отмечалось выше, вполне приемлемым условием такой области может считаться удаление датчика от машины на расстояние порядка размера самой машины. Количественный критерий этого можно ввести следующим образом. Пусть объем контролируемой машины равен Vмаш, а ее форма примерно соответствует кубической, тогда расстояние r, соответствующее дальней области поля будем оценивать по формуле
(7.1)
Естественно, этот критерий нельзя считать строгим.
Если исследования производятся в ближней области поля, то необходимо производить анализ возможного влияния конечного значения Vчув на регистрируемую кинетику. Здесь можно выделить два крайних случая.
Измерения в дальней области и магнитное поле можно считать однородным B = B(t). В соответствии с определением среднего значения имеем
(6.2)
В связи с тем, что для проведения диагностики требуется информация об относительном изменении магнитного поля (кинетика), даваемого датчиком, жестко укрепленным в данной точке пространства, то абсолютное значение индукции магнитного поля в данном случае роли не играет. Поэтому жесткого метрологического обеспечения датчиков магнитного поля при решении поставленной задачи не требуется. Практической значимостью является только линейность и правильность воспроизведения формы зависимости B = B(t).
Решить поставленные задачи можно с помощью датчиков, работающих на трех физических принципах:
– индукционные датчики (ИД) [6.8] – самый простой тип, основанный на явлении электромагнитной индукции. Выходной сигнал индукционного датчика пропорционален скорости изменения магнитного потока, сцепленного с обмоткой датчика. Для получения информации о кинетике магнитного поля требуется дополнительное интегрирование сигнала, что снижает его чувствительность. Кроме этого, индукционный датчик имеет неравномерную частотную характеристику, что накладывает отпечаток на проводимые с его помощью спектральные исследования. Однако, индукционный датчик наиболее удобен для практического использования благодаря высокой надежности, низкой стоимости, простоте конструкции и отсутствии питания;
– гальваномагнитные датчики (ГМД) [6.9]. ГМД – полупроводниковый датчики, основанные на действии силы Лоренца на носители тока в полупроводниках. К числу ГМД относятся широко известные датчики Холла [6.9, 6.10]. В принципе датчики Холла вполне подходят для решения задач функциональной диагностики.
– магнетронные датчики магнитного поля (МДМП) – специально разработаны для функциональной диагностики [6.11]. Это уникальные измерительные преобразователи, основанные на влиянии магнитного поля на траекторию движения электронов в вакууме. Магнетронные датчики обладают высокой чувствительностью. Его разрешающая способность имеет порядок 10–7 Тл. Уровень собственных шумов примерно 5·10–8 Тл. Кроме того, МДМП обладает ровной частотной характеристикой вплоть до 10–15 кГц. Геометрические размеры датчика удобны для исследования магнитных полей в пространстве, что актуально для реализации функциональной диагностики.
Далее кратко рассмотрим некоторые особенности конструкции использованных в работе измерительных преобразователей кинетики магнитного поля.
В соответствии с принципом действия магнетронный датчик (внешний вид представлен на рис. 7.3) может применяться как для регистрации постоянного магнитного поля, так и для наблюдения кинетики переменного поля. Со стороны высоких частот ограничение частотной характеристики происходит из-за вихревых токов в электростатических экранах, защищающих магнитометр от сигнала наводки по электрической стороне. В модели К04 верхняя частота составляет примерно 15 кГц (на уровне 0,7). Частотная характеристика вплоть до частоты 10 кГц практически ровная, а ее дальнейший спад – пологий.
Рис. 7.3. Внешний вид магнетронного датчика магнитного поля (модель К04)
При достаточно большом размере самого датчика (20×15×40 мм3) объем Vчув сравнительно мал и ограничивается частью пространства внутри анодной области. Оценка Vчув для наиболее часто использованных датчиков составила величину порядка 0,5 см3. Поэтому для измерений внешнего поля в дальней области магнетронный датчик можно считать точечным.
Как показал анализ, наиболее удобными для проведения широкомасштабных исследований оказались два типа датчиков – магнетронный и индукционный. Первый датчик обеспечивает очень точное воспроизведение формы кинетики магнитного поля и высокую чувствительность. Благодаря этому изучение внешнего магнитного поля в дальней области электрических машин с помощью магнетронного датчика могло производиться без каких-либо ограничений. Второй датчик позволяет сразу получать информацию о скорости изменения магнитного поля, без дополнительного преобразования сигнала. Кроме того, выбранные типы датчиков работают на различных физических принципах. Поэтому их совместное использование позволит повысить точность экспериментов.