Измеритель напряженности магнитного поля и калибратор

Магнитные поля присутствуют практически повсюду. Однако удобные средства оценки напряженности магнитного поля в широком диапазоне напряженности и частоты (от 20 Гц до 150 кГц) не получили широкого распространения. Несмотря на ограничения, существует множество причин, по которым вам могут понадобиться эти измерения. Одним из примеров является отслеживание помех от неэкранированного или плохо экранированного кабеля.

В этом проекте мы разработаем метод оценки выбросов магнитного поля на частотах до 150 кГц от сильноточных силовых кабелей без разрезания или нарушения целостности кабеля.

Для начала нам понадобятся два простых аналоговых инструмента:

Как правило, измерения с высокой точностью вряд ли будут практически осуществимы или полезны. Это связано с тем, что напряженность многих магнитных полей, особенно на высоких частотах, может значительно меняться даже на коротких периодах и расстояниях. Кроме того, важно отметить, что верификатор преодолевает требование к прибору иметь высокую внутреннюю точность, но его стабильность обычно более чем достаточна.

Давайте углубимся в разработку и компоненты ручного прибора измерения силы магнитного поля. Для начала рассмотрим структурную схему измерителя и верификатора, представленную на рисунке 1.

Обратите внимание, что счетчик питается от одной батареи напряжением 9 В. Отсюда мы разберем различные необходимые компоненты.

Зонд состоит из индуктора с сопротивлением 1,6 мкГн, длиной 8 мм и диаметром 7,5 мм. Он намотан на изолирующем каркасе и имеет около 22 витков. Предусмотрен электростатический экран (одиночный изолированный виток медной фольги, перекрывающийся друг с другом). Что касается АЧХ, то величина индуктивности не имеет решающего значения, но физические размеры влияют на чувствительность. Зонд подсоединяется к коаксиальному кабелю, к которому подключен электростатический экран.

Зонд является направленным, обычно он размещается вертикально (при условии, что кабель горизонтальный) и измеряет вертикальную составляющую магнитного поля. Тем не менее, пользователь может установить его горизонтально для измерения горизонтальной составляющей.

В целом, общая напряженность поля в точке равна квадратному корню из суммы квадратов вертикального поля Hv и двух компонентов горизонтального поля Hx и Hy.

$$H_{total} = \sqrt{H^2_v + H^2_x + H^2_y}$$

Схема пробника и предусилителя показана на рисунке 2.

Предусилитель физически интегрирован с основным усилителем и имеет общую землю. Выход X предусилителя подключается к входу X схемы основного усилителя, показанной ниже на рисунке 3.

Предусилитель состоит из крутильного усилителя с очень низким входным сопротивлением. Этот метод обеспечивает плоскую частотную характеристику от источника взаимной индуктивности. Однако может быть непрактично получить достаточно низкое входное сопротивление по сравнению с реактивным сопротивлением 1,6 мкГн при 20 Гц. Один из способов преодолеть это - увеличить индуктивность с помощью тороидального индуктора емкостью 1 мГн, нечувствительного к внешним магнитным полям. Сопротивление катушки и добавленного резистора сопротивлением 15 Ом компенсируется включением конденсатора последовательно с резистором обратной связи сопротивлением 1 кОм.

Этот дроссель состоит примерно из 20 витков на ферритовом тороиде, внешним диаметром 9,6 мм, внутренним диаметром 4,7 мм и толщиной 3,2 мм. Номер тороида Digi-Key — 240-2522-ND. Имеющиеся в продаже индукторы с сопротивлением 1 мГн представляют собой физически большие детали, предназначенные для пропускания больших токов, и здесь они непригодны.

Усилитель имеет небольшой коэффициент усиления и включает в себя два фильтра. При подключении нагрузки с высоким импедансом пробник, предусилитель и основной усилитель обеспечивают чувствительность 1 мВ при напряженности поля на пробнике 1 А/м. Единица СИ А/м (ампер на метр) — это «маленькая» единица, в отличие, например, от фарада, который является «большой» единицей, поэтому мы обычно используем детали, емкость которых составляет очень небольшую долю фарада. . Насколько маленький? Ну, 1 А/м создает плотность потока 1,26 мкТл (микротесла) в воздухе или вакууме, тогда как магнит в наушнике производит около 1 Тл.