CC BY
19
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1969
Том 156
ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТОНА СЫЩЕННЫХ ПЕРМАЛЛОЕВЫХ ДАТЧИКОВ
Б. Н. КАЛИНИН, В. Н. КУЗЬМИН, Ю. К. ПЕТРОВ 1
Пермаллоевые датчики с продольным насыщением находят широкое применение при измерениях постоянных, переменных и импульсных магнитных полей в ускорителях заряженных частиц и других устройствах.
Пермаллоевый датчик представляет собой полоску или проволочку из пермаллоя с сигнальной обмоткой, состоящей из 100 — 500 витков тонкого провода. В момент прохождения составляющей магнитного поля, направленной вдоль оси сердечника, через нулевое значение сердечник перемагничивается, и в сигнальной обмотке возникает импульс напряжения. Параметры импульса зависят от многих факторов: размеров и материала сердечника, способов механической и термической обработок, а также от скорости изменения магнитного поля в момент возникновения импульса. Величина измеряемого магнитного гшля в момент возникновения импульса определяется по току в измерительной обмотке, которая создает поле, равное и противоположное измеряемому.
В НИИЯФ при ТПИ была разработана конструкция и технология изготовления пермаллоевых датчиков для измерения магнитных полей, которые позволяют получать импульсы длительностью до 2 мксек и амплитудой 0,05 -г- 0,1 в при скорости изменения магнитного поля 10 тл/сек. Для сердечников пермаллоевых датчиков применялся проволочный пермаллой марки 80НХС диаметром 0,025 -:- 0,075 мм и длиной 2-7-5 см. Пермаллой подвергался отпуску в атмосфере водорода при температуре 500 ч- 700°К и помещался в тонкую кварцевую трубку диаметром 0,5 ч- 1 мм. На кварцевую трубку наматывалась сигнальная обмотка проводом ПЭЛ 0,02-^0,03 мм с числом витков 100н-500. Изготовленный таким образом датчик вставлялся в стеклянную трубку диаметром З-т-4 мм, а последняя в специальное устройство для вытяжки пермаллоя (рис. 1) [1]. Данное устройство помещалось в соленоид, питаемый током промышленной частоты. Вытягивая пермал-лоевую проволочку с напряженностью (4 -г- 5) *\08н/м2 и одновременно скручивая ее, добиваются, чтобы импульс напряжения имел треугольную форму и минимальную длительность. Затем это напряженное состояние фиксируют с помощью зажимного винта, и стеклянную трубку заливают эпоксидной смолой. После выдержки в течение 24 часов датчик готов.
Недостатком такого метода изготовления является то, что форма и амплитуда импульса, а также величина коэрцитивной силы у напряженного датчика в значительной степени зависит от температуры датчика. Это обусловлено тем, что температурные коэффициенты расширения пермаллоя и эпоксидной смолы различны. Поэтому изменение температуры датчика приводит к изменению напряжения в пермаллоевой проволочке, что вызывает изменение параметров импульса. В ненапряженных датчиках зависимости параметров импульсов от температуры не наблюдалось.
Отжиг пермаллоевого сердечника в кварцевой трубке при температуре 1300°К без последующего создания 'напряжений позволяет получить импульс колоколообразной формы длительностью около 4 ™ мксек.
Известно, что с изменением скорости роста магнитного поля вследствие наличия вихревых токов в сердечнике изменяется коэрцитивная сила (ширина петли гистерезиса), а, следовательно, изменяется момент возникновения импульса относительно прохождения магнитного поля через нулевое значение. Это явление в некоторых случаях может привести к ошибке в измерениях.
Измерение ширины петли пермаллоевого сердечника проводилось авторами двумя методами.
Сущность первого метода [2] заключается в том, что на вертикальную развертку осциллографа подаются импульсы с сигнальной обмотки датчика, а горизонтальная развертка осуществляется с помощью напряжения, снимаемого с сопротивления включенного последовательно с дросселем, в котором создается магнитное поле промышленной частоты (рис. 2). В результату на экране получаем осциллограмму двух импульсов разной полярности, расстояние между которыми пропорционально ширине петли гистерезиса. По величине постоянного тока через измерительную обмотку датчика, которая перемещает эти импульсы по оси X на расстояние, равное расстоянию между импульсами, можно определить ширину петли гистерезиса пермаллоевого сердечника.
Рис. 1. Устройство для вытяжки пермаллоевого сердечника в магнитном поле: 1—обойма, 2— пермаллоевый сердечник, 3 — кварцевая трубочка, 4 — сигнальная обмотка,. 5 — стеклянная трубка, 6 — зажимные винты
Измерение ширины петли гистерезиса проводилось также по схеме, приведенной на рис. 3. Исследуемый пермаллоевый сердечник «Д» с сигнальной обмоткой т2 помещается внутрь катушки возбуждения гач, которая питается синусоидальным током с частотой 500-^800 гц. Величина поля возбуждения определяется по известным геометрическим параметрам катушки и току через нее. Напряжение, пропорциональное току возбуждения,
А
ЭО-7
Е
с.о
<г>
Ар
ПЛЛх
поступает на вертикальный вход осциллографа, создавая на экране непрерывную синусоиду. В тот момент, когда поле в сердечнике равно его коэрцитивной силе,, в сигнальной обмотке возникает импульс напряжения, который поступает на модулятор яркости осциллографа. В результате на синусоиде возникают чередующиеся светлые и темные точки, расстояние м.ежду которыми по вертикали пропорционально ширине петли гистерезиса. Зная величину поля возбуждения, по осциллограмме можно определить ширину петли гистерезиса.
Для автоматической коррекции изменения ширины петли гистерезиса с изменением скорости роста поля авторами предложена цепь коррекции [2], которая представлена на рис. 2. Цепь коррекции состоит из 2-х обмоток: внутренней и наружной. Эти обмотки соединяются между собой так, чтобы э.д.с., наводимые в них переменным полем,
Рис. 2. Схема для измерения и автоматической коррекции ширины петли гистерезиса пермаллоевого сердечника методом импульсов
ЭН0-1
ЗГ-Ю
о о о о
Рис. 3. Схема для измерения ширины петли гистерезиса пермаллоевого сердечника методом модуляции поля возбуж
дения
были направлены встречно, причем наружная обмотка должна создавать большую э.д.с., чем внутренняя. Концы корректирующей обмотки замыкаются на сопротивление Я. При этом в области пермаллоевого сердечника создается опережающее поле, линейно зависящее от скорости роста магнитного поля. Ширина петли гистерезиса зависит не линейно от скорости роста магнитного поля, поэтому коррекцию ширины 128
петли гистерезиса можно осуществить лишь в некотором интервале скоростей роста магнитного поля.
Для настройки цепи коррекции датчик помещается в поле с заданной скоростью роста поля, и подбирается величина сопротивления так, чтобы импульсы на осциллограмме совместились. Правильность настройки проверяется путем изменения скорости роста поля в диапазоне рабочих скоростей роста, при этом импульсы не должны расходиться.
В одном из изготовленных авторами датчиков без коррекции ширины петли гистерезиса при изменении скорости роста магнитного поля на+5% погрешность измерений составляет+1 • 10 ~5 тл, а при наличии коррекции эта погрешность уменьшается до+1-10^7 тл.
Пермаллоевые датчики применялись авторами в фазометрах — приборах, используемых в бетатронах для определения момента перехода переменного магнитного поля через нулевое значение. В фазометре имеется два датчика, из котррых один неподвижный, а другой передвигается и устанавливается в точке измерения. Оба импульса с сигнальных обмоток подаются на вертикальный вход осциллографа. Фазовый сдвиг между магнитными полями в точках, где установлены датчики, определяется по величие постоянного тока подпитки в измерительной обмотке одного из датчиков при совпадении импульса на осциллограмме. Если запитать током измерительную обмотку и второго датчика и поддерживать его постоянное значение в течение всех измерений, то можно измерять мгновенные значения поля, причем уровень измеряемого поля измерять величиной тока в измерительной обмотке второго датчика. Погрешность измерения поля этим методом состав-ляет+5 • 10^7 тл.
Кроме этого пермаллоевые датчики использовались нами в маг-питометре для измерения мгновенных значений импульсных магнитных полей [3], в приборе для измерения постоянных магнитных полей [4] и в устройстве для определения медианной поверхности магнитного поля синхротрона [5].
ЛИТЕРАТУРА
1. Ю. К. Петров. Применение упругих деформаций сердечников при изготовлении пермаллоевых зондов. Электронные ускорители. Труды IV межвузовской конференции по электронным ускорителям, 259, 1964.
2. Ю. К. Петров, Б. Н. Калинин. Учет гистерезиса в пермаллоевых датчиках нулевого магнитного поля. Электронные ускорители. Труды III межвузовской конференции по электронным ускорителям, 213, 1963.
3. Б. Н. Калинин. Измерение отношения токов в датчиках пермаллоевого магнитометра (настоящий том).
4. В. Н. Е п о н е ш н и к о в, В. Н. Кузьмин. Прибор для измерения слабых постоянных магнитных полей. Электронные ускорители. Труды III межвузовской конференции по электронным ускорителям, 218, 1963.
5. В. Н. Кузьмин, Ю. К. Петров. ПТЭ, 1, 177, 1962.
9. Заказ 4594
