Магнитного сердечника

Измерение индукции и напряженности постоянного магнитного поля с использованием явления ядерного магнитного резонанса. Если на ядра какого-либо вещества одновременно воздействовать постоянным и переменным высокочастотным магнитными полями, то при определенном соотношении между индукцией постоянного поля В и частотой переменного поля ш наступает режим резонансного поглощения энергии ядрами этого вещества. Известно, что ядро атома может иметь определенное число ориентации во внешнем магнитном поле; для ядра атома водорода — протона таких возможных ориентации две: по полю и против поля. Этим двум состояниям соответствует определенная разность энергий, которая равна 2црб, где fip — магнитный момент протона. Кроме того, для переориентации протона из направления по полю в противоположное необходим квант энергии hf, где h — универсальная постоянная Планка; f — частота.

15.4. Структурная схема установки для измерения индукции постоянного магнитного поля с использованием явления ядерного магнитного резонанса.

Промышленностью выпущен ряд измерительных приборов, действие которых основано на явлении ядерного магнитного резонанса: это тесламетры типов Ш1-1, Ш1-2 и измеритель напряженности магнитного поля типа Е11-2.

Измерение напряженности магнитного поля. В данной работе производится измерение напряженности магнитного поля внутри стержневого постоянного магнита вблизи его полюсов индукцион-но-импульсным методом. Для этого сначала определяют цену деления баллистического гальванометра Сф с включенной в его цепь катушкой для измерения напряженности поля, как это описано в § 15.2 [см. 15.2 и (15.7)]. Затем находят постоянную измерительной катушки. Для этого предварительно измеряют напряженность поля Но внутри катушки СК, с помощью измерителя напряженности магнитного поля, действие которого основано на явлении ядерного магнитного резонанса. Его устройство и принцип работы описаны в § J5.3. Погрешность измерений этим методом очень мала и не превышает 0,01% при условии, что поле достаточно однородное и стабильное. Для достижения приемлемой для измерений однородности поля отношение среднего диаметра катушки СК к ее длине выбрано равным 0,7. Область однородного поля находится вблизи центра катушки СК. Намагничивающий ток катушки стабилизирован.

Развитие измерительной техники и, в частности, измерительных преобразователей в значительной степени определяется достижениями в области физики, химии и других наук. В свою очередь, достижения упомянутых наук зависят от совершенства средств технического эксперимента, т. е. совершенства средств измерительной техники, основу которой составляют измерительные преобразователи. Развитию последних способствовали такие достижения в области физики, как открытие явлений термоэлектричества, сверхпроводимости, эффектов Гаусса и Холла, а также эффектов Джозефсона и Мессбауэра, ядерного магнитного резонанса, достижения в области полупроводниковой электроники, электрохимии и других наук.

12. Квантовые преобразователи. Принцип действия квантовых преобразователей основан на избирательном поглсщении или излучении электромагнитных волн веществом, помещенным в магнитное поле. В зависимости от природы элементарных частиц, участвующих в процессе резонансного поглощения или излучения энергии, различают преобразователи электронного парамагнитного и ядерного магнитного резонанса. К квантовым относятся также преобразователи, принцип действия которых основан на использовании эффекта Джозеф-сона.

Работа квантовых преобразователей магнитных величин основывается на использовании явления магнитного резонанса. Магнитный резонанс обусловлен взаимодействием микрочастиц (ядер, электронов, атомов, молекул), обладающих магнитным моментом и моментом количества движения (спином), с внешним магнитным полем. В результате этого взаимодействия наблюдается избирательное поглощение или излучение веществом электромагнитных волн определенной длины. Энергетическое состояние микрочастиц, находящихся в магнитном поле, в соответствии с законами квантовой механики, носит дискретный характер и зависит от ориентации их магнитных моментов относительно внешнего поля. Изменение ориентации магнитного момента и, в результате этого, изменение энергетического состояния микрочастицы может происходить скачкообразно.

Радиоспектрометрические — это методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и микроволновая спектроскопия. Порог чувствительности — 0,0001...0,1 % объема. Минимальное количество твердого тела не превышает 10~13 г, погрешность измерения — 2...3 %.

На выбор структуры прибора влияет объект измерения. Это можно показать на примере выбора типа преобразователя для измерения толщины стального листа по его магнитному сопротивлению. Фактором, ограничивающим точность, здесь является непостоянство магнитной проницаемости материала от образца к образцу. Поэтому, например, метод ядерного магнитного резонанса, сам по себе чрезвычайно точный, здесь не будет иметь заметных преимуществ перед простейшим индуктивным преобразователем, резко проигрывая последнему в простоте и надежности.

Физическая природа меток может быть самой разнообразной. В качестве метки может быть использован пузырек воздуха или капля ртути, порция радиоактивного вещества или солевого раствора, впрыснутая в жидкость; ионное облако в газе, полученное искровым разрядом, или объем, ионизированный кратковременным радиоактивным излучением. Встречаются приборы с тепловыми метками и даже с метками, полученными на основе явления ядерного магнитного резонанса (см. § 25-7).

неизменной неограниченно долгое время. Частотные датчики ЯМ.Р для измерения магнитных и электрических величин. Как это вытекает из самого принципа ядерного магнитного резонанса,

Программа обеспечивает расчет в диалоговом режиме цилиндрической катушки, имеющей однослойную с шагом, сплошную или многослойную обмотку. При вычислении конструктивных параметров учитывается наличие немагнитного или магнитного сердечника и экрана. В результате определяют габаритные размеры обмотки катушки, сердечника и экрана; оптимальный диаметр провода и число витков обмотки; подстройку индуктивности катушки и ее емкость, обусловленную твердым диэлектриком; добротность катушки без учета влияния сердечника и экрана.

жаются магнитопроводами 1, концентрирующими поле на поверхности изделия. При больших размерах нагреваемой зоны используют зигзагообразные индукторы ( 11-4,6). Для нагрева дисков и фланцев применяют спиральные индукторы ( 11-4, в). Под центром спирального индуктора нагрев отсутствует. Незакаленный участок можно уменьшить с помощью магнитного сердечника 1. Иногда диск размещают эксцентрично по отношению к индуктору и вращают, чтобы получить сплошной нагретый слой.

По мере развития техники в системах автоматики все большее значение приобретают устройства хранения и преобразования дискретной информации. Для хранения дискретной информации основным средством остаются и по имеющимся прогнозам будут оставаться в ближайшее десятилетие МОЗУ — магнитные оперативные запоминающие устройства, в которых для хранения информации используются матрицы тороидальных магнитных сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса. В устройствах преобразования информации все большее применение получают полупроводниковые элементы, и особенно интегральные микросхемы. Однако наряду с развитием полупроводниковой микроэлектроники происходят существенные сдвиги и в технике устройств преобразования информации, выполненных на магнитных элементах. Прежде всего это связано с прогрессом в области создания ферромагнитных материалов, развитием и совершенствованием технологии производства ферритовых и микронных ленточных сердечников. Характеристики и параметры выпускаемых в настоящее время магнитных сердечников, а также существующая технология производства элементов позволяют уменьшать число витков во входных обмотках магнитных сердечников до одного и оставлять в элементах после заливки компаундом отверстия для нанесения входных обмоток в процессе сборки узла методом прошивок. Это создает предпосылки для уменьшения числа паек, унификации проектируемых устройств и узлов (основное разнообразие переносится в схемы прошивок), автоматизации процессов сборки. Соответственно снижается стоимость и повышается надежность устройств. Известны особенности магнитных элементов, которые в ряде случаев применения позволяют отдать им предпочтение: способность хранить информацию при отключенных источниках питания, высокая радиационная стойкость, высокая помехозащищенность. Для переключения магнитного сердечника требуется энергия, в 100—1000 раз большая, чем энергия переключения элемента в полупроводниковой микросхеме. Это позволяет, с одной стороны, упростить проектирование соединений внутри узлов, накладывая менее жесткие ограничения на длину и характер прокладки соединительных проводников, с другой стороны, позволяет применять устройства в условиях сравнительно высокого уровня внешних помех (цех, станок,

Правда, затруднение состоит в том, что возникающая в кольце деформация весьма мала. Ожидаемое ее значение — 0,0185 мк. Такие деформации с помощью обычных механических индикаторов невозможно измерить. Однако можно предложить способы радикального увеличения деформаций магнитного сердечника под действием магнитного поля. Вместо кольцевого сердечника нужно применить замкнутый сердечник, обладающий существенно меньшей жесткостью. Одно из возможных исполнений такого магнитного сердечника, в котором под действием ЭМС возникают в десятки тысяч раз большие деформации, будет рассмотрено в следующем параграфе. Результаты исследований экспериментальной установки, в которой использовано предложенное исполнение магнитного сердечника, приведены вгл. 7. Как и следовало ожидать, они полностью подтверждают правильность формулы Максвелла для натяжения.

магнитного сердечника (а) и его схемы

Для катушки без магнитного сердечника, имеющей число витков w, длину средней линии магнитного поля 1ср .(в метрах) и площадь поперечного сечения s (в квадратных метрах) ( П1-11), средняя напряженность магнитного поля (в амперах на метр) Я,.р = F/iq, = /w/fq,, и тогда индуктивность (в генри) при ц0 = 0,4п-10~6 Гн/м определится как

Второй — магнитомодулящионный преобразователь с перемещением магнитного сердечника ,в пределах от 0 до 0,5 мм. В нем происходит сравнение магнитных потоков, создающихся при перемещении сердечника и при изменении тока запрашивающего воздействия, протекающего через специальную обмотку. Устройством сравне-( ния служит магнитный усилитель с подмаг-ничиванием. Погрешность сигнализации изготовленных датчиков составляет ±0,6% (±3 мкм) и погрешность измерения ±11% (±5 мкм). Преобразователь имеет малые габариты.

При небольшом зазоре можно считать, что магнитный поток намагниченности остается неизменным в любой точке сечения магнитного сердечника и вдоль воздушного зазора.

Индукционные датчики состоят из магнитного сердечника и одной или двух катушек индуктивности. Принцип работы индукционных датчиков состоит в том, что неэлектрические величины тем или иным путем приводят к взаимному перемещению магнитного сердечника и катушки индуктивности. При этом в катушке возбуждается ЭДС индукции. Индукционные датчики применяются.в основном для измерения скорости линейного и углового перемещения. Для измерения скорости вращения или 'возвратно-поступательного движения применяются импульсные датчики. Выходной величиной таких датчиков является частота импульсов.

а) Однофазные трансформаторы. Из рассмотрения принципа действия трансформатора нетрудно усмотреть, что сочетание первичной и вторичных обмоток ) и 2 и сердечника 3 трансформатора, являющихся его активной частью, образуют как бы два сцепленных звена некоторой электромагнитной системы, где тело обмоток / и 2 составляет одно звено, а тело сердечника 3 —другое. На 12-2, а—д в разрезах тело магнитного сердечника обозначено штриховкой, как состоящее из листов стали, а тело обмоток в их разрезах обозначено направлением циркулирующих в них токов со взаимно обратным направлением.

Условия работы трансформатора принципиально не изменяются, если, например, разделить плоскостью А—А ( 12-2, а) тело обмоток / и 2 на две равные части и, оставляя их по-прежнему в сцеплении с сердечником 3, передвинуть одну из частей по кольцу сердечника в положение, показанное на 12-2, б; в результате получается симметричная трехзвенная цепь с одним магнитным звеном и двумя электрическими. Подобным же образом, если тело сердечника 3 разделить плоскостью В—В на две равные части ( 12-2, а) и, оставляя их в сцеплении с обмотками, передвинуть одну из частей по обмотке в положение, представленное на 12-2, в, то получится также трехзвенная цепь, но теперь с одним электрическим звеном и двумя магнитными. Путем дальнейшего разделения каждого получившегося магнитного сердечника 12-2, в еще на две части можно превратить этот тип в пятизвенный, представленный на 12-2, г с более равномерно распределенными четырьмя магнитными звеньями вокруг одного центрального электрического звена. С другой стороны можно, оставив расположение двух звеньев обмоток, как на 12-2, б, разделить тело магнитного сердечника на три части, собрав трансформатор в пятизвенную цепь с двумя электрическими звеньями и тремя магнитными по 12-2, д. Возможны также и другие формы выполнения однофазных трансформаторов с иным взаимным расположением звеньев обмоток и магнитных сердечников.