жание железа, свинца, ртути и других металлов в монометаллических рудах.

Для оценки содержания рудного элемента в пробах прибор предварительно градуируют по образцовым препаратам, имеющим ту или иную концентрацию данного элемента. Для каждого элемента и каждой серии проб одного месторождения строят градуировочный график в координатах: содержание определяемого элемента (в процентах)- показание прибора (в делениях его шкалы).

ГЛАВА ВТОРАЯ

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Существует много методов измерения магнитных полей и много приборов, сконструированных применительно к особенностям тех или иных измерений. Так, специальные приборы созданы для измерения поля в зазорах магнитоэлектрических приборов и в воздушных зазорах электрических машин, для измерения остаточного магнетизма деталей машин, для обнаружения ферромагнитных включений в немагнитных материалах и т. д. Немало специальных приборов разработано также для различных областей науки и техники, связанных с измерением магнитных полей и магнитных свойств всевозможных веществ.

Конструкцию прибора определяют: а) условия доступа к месту измерения; б) требования к точности измерения и в) экономичность. Например, воздушный зазор в железном магнитопроводе доступен только в направлении, расположенном под прямым углом к силовым линиям, а отверстие магнитной электронной линзы доступно только в направлении, параллельном силовым линиям. Для измерения поля земли нужен высокоточный, чувствительный, малогабаритный прибор. Измерение неоднородных полей также имеет свои особенности, поскольку измерительный элемент определяет только среднее значение магнитной индукции в пространстве, занятом самим измерительным прибором.

Обычно измерительному элементу стараются придать наименьшие размеры, не ухудшая при этом качества измерений.

Метод измерения магнитного поля, основанный на ядерном резонансе, справедливо считается абсолютным и наиболее точным из существующих в настоящее время, однако он не рассматривается здесь из-за его сложности. Изложение ограничивается рассмотрением двух методов измерения магнитного поля с помощью: а) феррозондов и б) датчиков Холла. Если феррозондовые датчики магнитного поля предназначены в основном для измерения магнитных полей меньше одного эрстеда, то датчиками Холла измеряют поля от одного до нескольких тысяч эрстед.

Рассмотрение только этих двух типов датчиков магнитного поля оправдано тем, что среди всех датчиков данного назначения они наиболее современны, обладают наименьшими габаритами и наибольшей чувствительностью и к тому же не требуют сложных измерительных схем. Феррозон-довый датчик можно изготовить и не в специальных условиях, а датчики Холла можно заказать.

Простейший феррозондовый датчик магнитного поля состоит из пермаллоевого стержня, по всей длине которого размещена катушка. Физическая сущность измерения магнитного поля с помощью феррозонда заключается в том, что сердечник доводится до состояния магнитного насыщения током генератора определенной частоты (рис. 11, а). Если на сердечник наложено слабое постоянное магнитное поле, то на катушке появляется напряжение четных гармоник, величина которого служит мерой напряженности постоянного магнитного поля. Это напряжение отфильтровывается и измеряется. Иначе говоря, действие феррозонда основано на том, что магнитный поток в сердечнике датчика, обусловленный измеряемым магнитным полем, модулируется вспомогательным переменным полем возбуждения сердечника [Л. 3].

Рассмотренная схема плоха тем, что в ней затруднено избавление от напряжения основной частоты и нечетных гармоник; поэтому на практике шире применяют схему с двумя сердечниками (рис. 11, б). Наличие двух сердечников уменьшает амплитуду напряжения нечетных гармоник на выходе феррозондового датчика. Первичные обмотки, образующие цепь возбуждения феррозонда, соединены последовательно и встречно. Поверх обмоток возбуждения расположена общая (вторичная) измерительная обмотка. В обмотки возбуждения подается от генератора переменный ток такой величины, чтобы материал сердеч-

ников периодически доводился до состояния магнитного насыщения. При наличии внешнего магнитного поля в измерительной обмотке появляется напряжение четных гармоник, пропорциональное величине поля. Фаза выходного напряжения четных гармоник меняется с изменением знака внешнего магнитного поля на 180°. Чувствительность

ai f 6} г

Рис. 11. Феррозонды с одним сердечником (а), с двумя сердечниками (б), тороидального типа (в) и способы измерения: прямой (г) и компенсационный (д).

1 - генератор частоты; 2- феррозонд; 3 - избирательный вольтметр 4 - микроамперметр; 5-усилитель четных гармоник.

феррозонда пропорциональна сечению сердечника, числу витков измерительной обмотки и частоте тока возбуждения.

И этот феррозонд не лишен недостатка: очень трудно подобрать два одинаковых сердечника, между тем сколько-нибудь значительное различие в их свойствах приводит к появлению напряжения основной частоты и нечетных гармоник.

Этот недостаток устранен в схеме, показанной на рис. 11, в. Здесь феррозондом служит тороидальный (кольцевой) сердечник из пермаллоевой ленты, на котором расположены две обмотки возбуждения Lt и L2, включенные

последовательно, и две измерительные обмотки Ls и L4, включенные последовательно, но встречно. Феррозонд тороидального типа отличается от обычных тороидальных трансформаторов способом расположения обмоток. В феррозонде тороидального типа обмотки распределены равномерно по обеим половинам сердечника, катушки равны по длине, расстояния между ними одинаковы [Л. 41.

По принципу работы такой феррозонд ничем не отличается от феррозонда стержневого типа. Напряжение от генератора поступает в обмотки возбуждения и сердечник периодически доводится до состояния магнитного насыщения. При наличии внешнего магнитного поля по оси О-О' в измерительных обмотках Ls и Z.4 появляется напряжение четных гармоник, и микроамперметр с помощью фазочувствительного выпрямителя на диодах показывает знак и величину поля. С помощью сопротивлений Rx и R2 можно уменьшать напряжение нечетных гармоник на выходе.

Тороидальный феррозонд обладает двумя достоинствами: во-первых, малостью намагничивающего тока, обусловленной тем, что магнитная цепь замкнута, и, во-вторых, малостью напряжения нечетных гармоник на выходе схемы, обусловленной тем, что магнитные свойства кольцевого сердечника одинаково влияют на весь феррозонд, а не на отдельные его половины, как в феррозонде на двух сердечниках.

Измерять магнитные поля с помощью феррозондов* можно двумя способами: прямым и компенсационным.

При прямом способе феррозонд, усилитель и от-счетный прибор работают как указатель интенсивности поля (рис. 11, г). Этот способ прост, но требует высокой стабильности источников питания. Его применяют для решения простых измерительных задач.

При компенсационном способе феррозонд и усилитель действуют только в качестве индикаторов нуля, величину же поля отсчитывают по прибору, измеряющему ток компенсации (рис. 11, д). Этот способ, при котором стабильность показаний зависит только от постоянства источника тока компенсации, удовлетворяет более высоким метрическим требованиям. Ток компенсации обычно подается в компенсационную катушку, намотанную по всей длине феррозонда поверх измерительной. Можно подавать ток компенсации и в измерительную

катушку, но для этого необходим развязывающий фильтр. Ток компенсации создает магнитное поле, противоположное по знаку внешнему полю. Измеряя ток компенсации, определяют внешнее магнитное поле.

Рассмотренные феррозондопые датчики магнитного поля применяют в металлоискателях, магнитометрах, магнитных дефектоскопах, дистанционных компасах, аппаратах магнитной записи и во многих других приборах.

Чувствительный магнитометр на полупроводниках

На рис. 12 приведена схема простого чувствительного прибора для измерения постоянных магнитных полей в диапазоне от 0,001 до 0,5 э. Прибор выполнен на полу-

проводниках и питается от батарей. Магниточувствитель-ным элементом служит феррозондовый датчик магнитного поля. Обмотки возбуждения датчика Lx и Ls включены последовательно и встречно. Измерительная обмотка L2 намотана поверх обмоток возбуждения [Л. 5].

Для питания обмоток возбуждения током частоты 2 кгц служит двухтактный генератор с индуктивной обратной связью. Режим генератора стабилизирован по постоянному току прн помощи делителя Ra, R9. Для выравнивания

амплитуды напряжения возбуждения служит потенциометр R2. Напряжение возбуждения - порядка 1,5-1,8 в.

Напряжение четных гармоник, пропорциональное внешнему полю, с измерительной обмотки L2 поступает на входной трансформатор Трг. С помощью конденсатора С2 входную цепь настраивают в резонанс для улучшения избирательности. Усилитель на транзисторах Tlt Г2, Ts, Тв является избирательным фазочувствительным микровольтметром. Связь между двухтактными каскадами - трансформаторная, причем первичные обмотки трансформаторов Тр2 и Гр3 настроены в резонанс конденсаторами С4 и С-. Резонансный усилитель позволяет четко выделить вторую гармонику частоты 4000 гц и подавить нечетные гармоники на 30-40 дб.

Для температурной стабилизации усилителя служат сопротивления обратной связи Re, R7, Rl2, Ri3. Режим транзисторов по постоянному току подбирают с помощью делителей Rt, R5 и Rw, Rn. Выход усилителя нагружен на фазочувствительный синхронный детектор, выполненный на двух германиевых диодах Дг и Д2, включенных дифференциально по схеме однополупериодного выпрямления. Особенностью детектора является зависимость полярг ности выпрямленного напряжения на выходе детектора от фазы второй гармоники, поступающей с усилителя и зависящей, в свою очередь, от знака измеряемого магнитного поля.

Это достигается подачей опорного коммутирующего напряжения от генератора на диоды, что вызывает синхронное с сигналом изменение проводимости диодов и обеспечивает фазочувствительное выпрямление. Упрощенно работу синхронного детектора можно представить следу; ющим образом.

При прохождении положительного опорного напряжения оба диода одновременно отпираются. Ток, проходящий через сопротивления и конденсаторы, создает падение напряжения, необходимое для отсечки диодов. Угол отсечки диодов, определяемый величинами этих элементов, выбирают равным я/3, что обеспечивает подавление третьей гармоники сигнала. При отрицательном полупериоде напряжения генератора сигнал второй гармоники не детектируется, так как диоды заперты. Для получения максимального выпрямленного тока необходимо, чтобы напряжение сигнала было сдвинуто по фазе относительно опорного