RU2298802C2 - Transformer - Google Patents
Transformer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2298802C2 RU2298802C2 RU2005111925/28A RU2005111925A RU2298802C2 RU 2298802 C2 RU2298802 C2 RU 2298802C2 RU 2005111925/28 A RU2005111925/28 A RU 2005111925/28A RU 2005111925 A RU2005111925 A RU 2005111925A RU 2298802 C2 RU2298802 C2 RU 2298802C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- induction
- converter according
- magnetic core
- rods
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к средствам электромагнитного обнаружения и может быть использовано для обнаружения объектов в земле, отличающихся по электропроводности и магнитной проницаемости от вмещающих горных пород. Изобретение применяется в геофизике для поисков залежей углеводородов, месторождений металлических руд, источников пресных и термальных вод, алмазных трубок и других полезных ископаемых. Оно относится к устройствам, предназначенным для импульсных и частотных зондирований с естественным и искусственным магнитным и электрическим возбуждениями электромагнитного поля.The invention relates to electromagnetic detection and can be used to detect objects in the earth that differ in electrical conductivity and magnetic permeability from the host rocks. The invention is used in geophysics to search for hydrocarbon deposits, deposits of metal ores, sources of fresh and thermal waters, diamond tubes and other minerals. It relates to devices designed for pulsed and frequency soundings with natural and artificial magnetic and electrical excitations of the electromagnetic field.
Известно изобретение "Способ измерения характеристик магнитного поля и устройство для его осуществления", патент RU №2074402 от 1995.03.07 г., опубл. 1997.02.27, МПК G01V 3/08, G01R 33/24, содержащий три обособленных постоянных стержневых магнита, положение магнитов на своих осях фиксируют при помощи вертикально и горизонтально-расположенных элементов. С помощью изобретения могут измерять вертикальные и горизонтальные составляющие постоянного магнитного поля. Положение магнитов на своих осях фиксируют при помощи вертикально и горизонтально расположенных элементов. Однако устройство не предназначено для измерения электромагнитной индукции.The invention is known "A method of measuring the characteristics of a magnetic field and a device for its implementation", patent RU No. 2074402 from 1995.03.07, publ. 1997.02.27, IPC G01V 3/08, G01R 33/24, containing three separate permanent core magnets, the position of the magnets on their axes is fixed using vertically and horizontally arranged elements. Using the invention, vertical and horizontal components of a constant magnetic field can be measured. The position of the magnets on their axes is fixed using vertically and horizontally arranged elements. However, the device is not intended to measure electromagnetic induction.
Известно изобретение "Индукционный преобразователь для устройства обнаружения скрытых объектов", патент RU №2085971 от 1995.03.17 г., опубл. 1997.01.10, МПК G01V 3/08, в котором в кольцевой рамке используют набор изолированных друг от друга трубчатых элементов. Изобретение работает по принципу параметрического способа измерения, т.е. измеряются параметры контура, которые изменяются вблизи токопроводящих объектов. Изобретение позволяет повысить собственную резонансную частоту одновиткового индукционного преобразователя без уменьшения его размеров, что позволяет повысить начальную частоту генерирования перестраиваемого измерительного генератора. Однако предложенное техническое решение работает по другому принципу измерения. Размеры рамки в аналоге слишком велики. Измеряется только вертикальная составляющая.The invention is known "Induction Converter for a device for detecting hidden objects", patent RU No. 2085971 from 1995.03.17, publ. 1997.01.10, IPC G01V 3/08, in which a set of tubular elements isolated from each other is used in an annular frame. The invention works on the principle of a parametric measurement method, i.e. contour parameters are measured that change near conductive objects. The invention allows to increase the natural resonant frequency of a single-turn induction converter without reducing its size, which allows to increase the initial generation frequency of a tunable measuring generator. However, the proposed technical solution works on a different measurement principle. The dimensions of the frame in the analog are too large. Only the vertical component is measured.
Известно изобретение "Намотанный сердечник трансформатора, способ и устройство для его изготовления". Патент RU №2241271 от 2000.04.27 г., опубл. 2004.11.27, МПК Н01F 3/04, Н01F 27/25, Н01F 41/02, Н01F 30/12, содержащий сердечник из магнитных лент, который имеет форму цилиндрическую в виде многослойной структуры, каждый слой образован из определенного числа магнитных лент с естественными воздушными зазорами. Изобретение решает задачу оптимального перераспределения потока магнитной индукции в слоях цилиндрического тороидального сердечника, высота которого больше ширины ленты. Однако устройство не предназначено для измерения электромагнитной индукции.The invention is known "Wound core of a transformer, method and device for its manufacture." Patent RU No. 2241271 from 2000.04.27, publ. 2004.11.27, IPC
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение "Малогабаритный индукционный преобразователь", Патент RU №2073257 от 1993.08.23 г. опубл. 1997.02.10, МПК6 G01R 33/02, содержащий воздушную многовитковую приемную петлю с индуктивным фильтром и предусилителем и сопротивление для высокочастотных и импульсных токов, что уменьшает общий уровень помех на выходе измерителя, выполненного в виде кольцевого ферромагнитного сердечника с параллельными обмотками. Такие преобразователи обладают высокой чувствительностью, но ограничиваются относительно узкой полосой частот пропускания и могут измерять только одну, вертикальную, составляющую магнитного поля. Кроме того, они имеют большую массу.Closest to the proposed technical solution is the invention "Small-sized induction converter", Patent RU No. 2073257 from 1993.08.23, publ. 1997.02.10, MPK6 G01R 33/02, containing an air multi-turn receiving loop with an inductive filter and preamplifier and resistance for high-frequency and pulsed currents, which reduces the overall level of interference at the output of the meter, made in the form of a ring ferromagnetic core with parallel windings. Such converters have high sensitivity, but are limited to a relatively narrow band of transmission frequencies and can measure only one vertical component of the magnetic field. In addition, they have a large mass.
Все индукционные преобразователи основаны на измерении производной по времени потока магнитной индукции, проходящего через измерительный контур, образованный одним или многими витками электропровода. Наиболее значимыми параметрами первичного преобразователя магнитного поля в геоэлектроразведке являются уровень собственного шума, отнесенный к эффективной площади Uш/Sэф [В/м2], который характеризует реальную чувствительность индукционного преобразователя. Кроме того, важными характеристиками индукционного преобразователя являются полоса частот пропускания, погрешность преобразования, а также простота и оперативность установки преобразователя, его масса. Чем больше эффективная площадь измерительного контура (произведение площади контура на число витков), тем больше чувствительность приемного контура. А чем больше число витков приемного контура, тем уже полоса частот пропускания. Идеальным преобразователем является петлевой индукционный преобразователь. Но в таких преобразователях очень велика масса. Так, петля 200×200 м из провода с сечением меди 6 мм2 характеризуется шумом около 10-16 В/м2 при частоте собственного резонанса 80 кГц. Вместе с тем масса провода превышает 60 кг. Раскладка петли слишком трудоемка, и с ее помощью можно измерять только вертикальную составляющую магнитного поля. На практике для измерения импульсных магнитных полей используют многовитковую петлю 6×6 м. В такой петле резко снижаются эффективная площадь и полоса частот пропускания. А также в таких преобразователях очень велика масса (25 кг). В них также существуют возможность измерения только одной (вертикальной) составляющей магнитного поля.All induction converters are based on measuring the time derivative of the flux of magnetic induction passing through a measuring circuit formed by one or many turns of an electric wire. The most significant parameters of the primary magnetic field transducer in geoelectrical exploration are the level of intrinsic noise, referred to the effective area U w / S eff [V / m 2 ], which characterizes the real sensitivity of the induction transducer. In addition, important characteristics of the induction converter are the passband, conversion error, as well as the simplicity and speed of installation of the converter, its mass. The larger the effective area of the measuring circuit (the product of the area of the circuit by the number of turns), the greater the sensitivity of the receiving circuit. And the larger the number of turns of the receiving circuit, the narrower the bandwidth of transmission. An ideal converter is a loop induction converter. But in such converters, the mass is very large. So, a loop of 200 × 200 m from a wire with a copper cross section of 6 mm 2 is characterized by a noise of about 10 -16 V / m 2 at a natural resonance frequency of 80 kHz. However, the mass of the wire exceeds 60 kg. The layout of the loop is too laborious, and with it you can measure only the vertical component of the magnetic field. In practice, a 6 × 6 m multi-turn loop is used to measure pulsed magnetic fields. In such a loop, the effective area and bandwidth of the frequencies are sharply reduced. And also in such converters, the mass is very large (25 kg). They also have the ability to measure only one (vertical) component of the magnetic field.
Качество первичных преобразователей может быть существенно улучшено за счет применения магнитных сердечников. Параметры этих преобразователей зависят от материала и конструкции магнитных сердечников.The quality of the primary converters can be significantly improved through the use of magnetic cores. The parameters of these transducers depend on the material and construction of the magnetic cores.
Предложенное техническое решение обеспечивает измерение как вертикальной составляющей, так и двух горизонтальных составляющих магнитного поля при малых значениях шума, нормированного на эффективную площадь при высокой частоте собственного резонанса, что обеспечивает более широкую полосу частот пропускания, увеличение стабильности и точности измерения.The proposed technical solution provides the measurement of both the vertical component and the two horizontal components of the magnetic field at low values of noise normalized to the effective area at a high frequency of intrinsic resonance, which provides a wider bandwidth of transmission frequencies, increasing stability and accuracy of measurement.
Технический результат предложенного изобретения состоит в существенном уменьшении порога чувствительности и увеличении точности измерений индукционного преобразователя.The technical result of the proposed invention is to significantly reduce the sensitivity threshold and increase the measurement accuracy of the induction converter.
В предлагаемом изобретении реализуют максимальную эффективную площадь и широкую рабочую полосу частот пропускания при минимальном отношении шума к эффективной площади, минимальном уровне собственных процессов и минимальной массе преобразователя. Кроме того, здесь возможно использование магнитопроводов с относительной магнитной проницаемостью до 1,5·106 при отсутствии искажений в постоянном магнитном поле Земли.In the present invention realize the maximum effective area and wide working bandwidth of the transmission frequencies with a minimum ratio of noise to effective area, the minimum level of own processes and the minimum mass of the Converter. In addition, it is possible to use magnetic cores with a relative magnetic permeability of up to 1.5 · 10 6 in the absence of distortion in the constant magnetic field of the Earth.
Поставленная задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.
Индукционный преобразователь, например, импульсного магнитного поля содержит магнитный сердечник (1) с обмоткой из электропроводного материала (2) и согласующий усилитель (3). Предложенное техническое решение отличается тем, что индукционный преобразователь снабжен хотя бы одним магнитным сердечником (1) с обмоткой из электропроводного материала (2), причем магнитный сердечник выполнен в виде трубы ("d"), которая образована параллельными друг другу магнитными стержнями (4), изолированными между собой, при этом поперечные размеры ("а", "в") стержней, по крайней мере, в несколько раз меньше поперечных размеров трубы "d". Магнитные стержни могут быть выполнены, например, из пленки магнитопровода. В индукционном преобразователе магнитный сердечник с обмоткой может быть снабжен защитным кожухом (5). В качестве варианта индукционного преобразователя, например, импульсного магнитного поля предложен преобразователь, содержащий магнитный сердечник с обмоткой из электропроводного материала и согласующий усилитель, который снабжен тремя магнитными сердечниками (см. Фиг.3), каждый из которых снабжен обмоткой из электропроводного материала и согласующим усилителем. Причем каждый магнитный сердечник выполнен в виде трубы, которая образована параллельными друг другу магнитными стержнями, изолированными между собой, при этом поперечные размеры стержней, по крайней мере, в несколько раз меньше поперечных размеров трубы (см. Фиг.1б), магнитные стержни выполнены, например, из пленки магнитопровода толщиной от 2 до 50 микрометров, каждая труба снабжена защитным кожухом (5), кожухи соединены таким образом, чтобы их оси были взаимно ортогональны, при этом кожухи жестко скреплены или скреплены с возможностью поворота вокруг оси с помощью каркаса (6) для образования из них треноги, обеспечивающей устойчивое положение индукционного преобразователя на поверхности земли или на дне водоема. Магнитные стержни выполнены, например, из параллельных в поперечном и продольном направлениях слоев из пленки магнитопровода. Сердечники могут быть соединены между собой непосредственно (см. Фиг.1б), а могут быть соединены посредством токоизолирующего каркаса (7) в виде трубы (см. Фиг.1в). Для увеличения поперечных размеров магнитного сердечника концы трубы, образованной из стержней (4), могут быть снабжены магнитными наконечниками (8), поперечные размеры которых в несколько раз больше поперечных размеров сердечников (1). Каждый стержень (4) может быть снабжен акселерометром (9) и/или феррозондом (10) для определения силы тяжести и магнитного поля вдоль оси каждого магнитного сердечника. Магнитные сердечники снабжены, например, в центральной части обмотками в виде секционированных многовитковых приемных катушек (2). Радиальную толщину "в" магнитных стержней (4) выбирают обычно в диапазоне от 0,001 диаметра магнитного сердечника до 0,5 диаметра "d" магнитного сердечника (1). Толщина пленки магнитопровода составляет обычно от 2 до 50 микрометров. В качестве изолятора между магнитными стержнями используют как воздушную прослойку, которая меньше или равна десяти кратной ширины магнитного стержня, так и изолятор. Ширина "а" магнитного стержня обычно равна или меньше 0,2 диаметра "d" магнитного сердечника (1). Магнитные сердечники могут быть снабжены примыкающими к ним с двух сторон калибровочными обмотками (11). Калибровочные обмотки (11) подключают к обмотке (2) каждого магнитного сердечника на время калибровки. К обмотке (2) магнитного сердечника одновременно и/или поочередно подключают генератор прямоугольных и экспоненциальных импульсов тока. Индукционный преобразователь может быть снабжен коммутационным устройством (12) и/или устройством управления (13).An induction converter, for example, of a pulsed magnetic field, contains a magnetic core (1) with a winding of electrically conductive material (2) and a matching amplifier (3). The proposed solution is characterized in that the induction transducer is equipped with at least one magnetic core (1) with a winding of electrically conductive material (2), the magnetic core being made in the form of a tube ("d"), which is formed by parallel magnetic rods (4) isolated from each other, while the transverse dimensions ("a", "b") of the rods are at least several times smaller than the transverse dimensions of the pipe "d". Magnetic rods can be made, for example, from a film of a magnetic circuit. In the induction converter, the magnetic core with a winding can be equipped with a protective casing (5). As an embodiment of an induction converter, for example, a pulsed magnetic field, a converter is proposed comprising a magnetic core with a winding of electrically conductive material and a matching amplifier, which is equipped with three magnetic cores (see Figure 3), each of which is equipped with a winding of electrically conductive material and a matching amplifier . Moreover, each magnetic core is made in the form of a pipe, which is formed by parallel to each other magnetic rods isolated between each other, while the transverse dimensions of the rods are at least several times smaller than the transverse dimensions of the pipe (see Fig. 1b), the magnetic rods are made, for example, from a film of a magnetic circuit with a thickness of 2 to 50 micrometers, each tube is equipped with a protective casing (5), the casings are connected so that their axes are mutually orthogonal, while the casings are rigidly fastened or secured with company around the axis with the help of the frame (6) to form a tripod from them, providing a stable position of the induction converter on the surface of the earth or at the bottom of the reservoir. Magnetic rods are made, for example, of layers parallel to the transverse and longitudinal directions of the magnetic core film. The cores can be directly connected to each other (see Fig. 1b), and can be connected by means of a current-insulating frame (7) in the form of a pipe (see Fig. 1c). To increase the transverse dimensions of the magnetic core, the ends of the pipe formed from the rods (4) can be equipped with magnetic tips (8), the transverse dimensions of which are several times larger than the transverse dimensions of the cores (1). Each rod (4) can be equipped with an accelerometer (9) and / or a flux gate (10) to determine gravity and magnetic field along the axis of each magnetic core. Magnetic cores are provided, for example, in the central part with windings in the form of sectioned multi-turn receiving coils (2). The radial thickness "c" of the magnetic rods (4) is usually selected in the range from 0.001 diameter of the magnetic core to 0.5 diameter "d" of the magnetic core (1). The film thickness of the magnetic circuit is usually from 2 to 50 micrometers. As an insulator between the magnetic rods, both an air gap, which is less than or equal to ten times the width of the magnetic rod, and an insulator are used. The width "a" of the magnetic rod is usually equal to or less than 0.2 diameter "d" of the magnetic core (1). Magnetic cores can be equipped with calibration windings adjacent to them on both sides (11). Calibration windings (11) are connected to the winding (2) of each magnetic core during calibration. A generator of rectangular and exponential current pulses is simultaneously and / or alternately connected to the winding (2) of the magnetic core. The induction converter may be provided with a switching device (12) and / or a control device (13).
В предложенном индукционном преобразователе полый, например, цилиндр из магнитопровода с высокой магнитной проницаемостью, тонкая оболочка которого разделена на множество параллельных полос, образующих цилиндр, является оптимальным сердечником (1). Эффективная магнитная проницаемость (магнитная проницаемость формы) зависит от отношения длины цилиндра к его диаметру. Она ограничивается линейной областью гистерезисной характеристики. Т.е. эффективная магнитная проницаемость выбирается максимальной, при которой еще соблюдается строгая линейность процесса преобразования магнитного поля. Поскольку толщина оболочки, собранной из стержней (4), мала, масса сердечника (1) минимальна. Вихревые токи внутри оболочки малы из-за того, что она рассечена на множество тонких полос, выполненных из слоев тончайшей пленки магнитопровода. Поэтому уровень собственных процессов здесь самый низкий для преобразователей с магнитными сердечниками.In the proposed induction converter, for example, a hollow cylinder made of a magnetic core with high magnetic permeability, the thin shell of which is divided into many parallel strips forming a cylinder, is the optimal core (1). The effective magnetic permeability (magnetic permeability of the mold) depends on the ratio of the length of the cylinder to its diameter. It is limited to the linear region of the hysteresis characteristic. Those. effective magnetic permeability is selected maximum, at which the strict linearity of the process of magnetic field conversion is still observed. Since the thickness of the shell assembled from the rods (4) is small, the mass of the core (1) is minimal. The eddy currents inside the shell are small due to the fact that it is dissected into many thin strips made of layers of the thinnest film of the magnetic circuit. Therefore, the level of intrinsic processes here is the lowest for magnetic core transducers.
Эффективная площадь пропорциональна произведению числа витков на площадь сечения цилиндра и эффективную магнитную проницаемость. Отношение шума преобразователя к эффективной площади преобразователя зависит от массы обмотки и не зависит от числа витков. Число витков, при прочих равных условиях, к которым относится полоса частот пропускания, выбирается таким образом, чтобы уровень шума обмотки (2) был сопоставим с уровнем шума усилителя (3).The effective area is proportional to the product of the number of turns by the cylinder cross-sectional area and effective magnetic permeability. The ratio of the noise of the converter to the effective area of the converter depends on the mass of the winding and does not depend on the number of turns. The number of turns, ceteris paribus, to which the bandwidth passes, is selected so that the noise level of the winding (2) is comparable with the noise level of the amplifier (3).
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.
На Фиг.1а, б, в изображен магнитный сердечник с катушками приемной рамки блока преобразователей магнитного поля. На Фиг.1а - вид сбоку; на Фиг.1б - поперечное сечение сердечника; на Фиг.1в - поперечное сечение сердечника при закрепленных стержнях на каркасе.On figa, b, c shows a magnetic core with coils of the receiving frame of the block of magnetic field converters. On figa - side view; on figb is a cross section of the core; on figv is a cross section of the core with the fixed rods on the frame.
На Фиг.2 изображен магнитный сердечник с катушками приемной рамки блока преобразователей магнитного поля с магнитными наконечниками.Figure 2 shows a magnetic core with coils of the receiving frame of a block of magnetic field converters with magnetic tips.
На Фиг.3 изображен индукционный преобразователь магнитного поля, содержащий три магнитных сердечника, каждый из которых снабжен обмотками из электропроводного материала и согласующий усилитель. Кожухи сердечников жестко скреплены.Figure 3 shows an induction magnetic field transducer containing three magnetic cores, each of which is equipped with windings of electrically conductive material and a matching amplifier. Core casings are rigidly fastened.
На Фиг.4 изображена блок-схема индукционного преобразователя магнитного поля, где: 2 - катушки с обмоткой из электропроводного материала (приемная рамка), 9 - акселерометр, 10 - феррозод, 11 - калибровочные катушки, 3 - согласующий усилитель, 12 - коммутационное устройство, 13 - устройство управления.Figure 4 shows a block diagram of an induction magnetic field converter, where: 2 - coils with a winding of electrically conductive material (receiving frame), 9 - accelerometer, 10 - ferrozod, 11 - calibration coils, 3 - matching amplifier, 12 - switching device , 13 - control device.
На Фиг.5 изображена аксонометрическая проекция индукционного преобразователя магнитного поля, содержащего три магнитных сердечника, каждый из которых снабжен обмотками из электропроводного материала и согласующий усилитель. Индукционный преобразователь имеет три взаимно ортогональные оси сердечников, которые произвольно ориентированы относительно выбранной прямоугольной системы координат - х, у, z.Figure 5 shows a perspective view of an induction magnetic field transducer containing three magnetic cores, each of which is equipped with windings of electrically conductive material and a matching amplifier. The induction converter has three mutually orthogonal axis of the cores, which are randomly oriented relative to the selected rectangular coordinate system - x, y, z.
Предложенный индукционный преобразователь импульсного магнитного поля реализован следующим образом.The proposed induction converter of a pulsed magnetic field is implemented as follows.
Индукционный преобразователь включает магнитный сердечник (1) с шестью секционированными 700-витковыми приемными катушками (2), по 50 витков в каждой секции в центральной части, и примыкающие к ним с двух сторон две 50-витковые калибровочные катушки (8), а также предварительный усилитель (3), коммутационное устройство (12) и устройство управления (13).The induction converter includes a magnetic core (1) with six sectioned 700-turn receiving coils (2), 50 turns in each section in the central part, and two 50-turn calibration coils (8) adjacent to them on both sides, as well as a preliminary an amplifier (3), a switching device (12) and a control device (13).
Магнитный сердечник (1) с приемными катушками (2) состоит из стержней (4) (см.Фиг.1б, в), которые представляет собой трубу с диаметром "d", образованную 14 примыкающими друг другу стержнями (4), размером 5×5×1000 мм, склеенными из 140 слоев (5×1000 мм) пленки (25 микрометров) магнитопровода ГМ503А. Внутренний диаметр пластиковой трубы (7), к которой приклеены стержни, - 20 мм. Наружный диаметр сердечника (4) - 35 мм. Магнитопровод из кобальтового сплава обладает максимальной магнитной проницаемостью 1500000. Слои магнитопровода из кобальтового сплава имеют на своей поверхности изолирующую пленку, которая образуется в результате отжига.A magnetic core (1) with receiving coils (2) consists of rods (4) (see Fig. 1b, c), which is a pipe with a diameter of "d", formed by 14 adjacent rods (4), 5 × 5 × 1000 mm, glued from 140 layers (5 × 1000 mm) of a film (25 micrometers) of the GM503A magnetic circuit. The inner diameter of the plastic pipe (7) to which the rods are glued is 20 mm. The outer diameter of the core (4) is 35 mm. A cobalt alloy magnetic core has a maximum magnetic permeability of 1,500,000. Cobalt alloy magnetic core layers have an insulating film on their surface that is formed as a result of annealing.
Индукционный преобразователь обладает наибольшей чувствительностью (эффективной площадью) при минимальных собственных процессах. Эффективная площадь индукционного приемника с цилиндрическим сердечником определяется магнитной проницаемостью формы, которая зависит от отношения длины сердечника (1) к его диаметру. При увеличении этого отношения (при постоянном диаметре сердечника) возрастает чувствительность приемника и вместе с тем зависимость от магнитной проницаемости магнитопровода. Обычно выбирают такое отношение длины к диаметру сердечника, чтобы чувствительность приемника не зависела от магнитной проницаемости магнитопровода, поскольку последняя подвержена влиянию внешних температурных и механических воздействий. Чем меньше отношение длины сердечника (1) к его диаметру, тем больше стабилизирующий эффект размагничивания, вызванный относительным сближением полюсов сердечника, и тем меньше эффективная площадь. Кроме того, прямоугольная форма гистерезисной характеристики магнитопровода приводит к необходимости уменьшить отношение длины сердечника к его диаметру для получения линейной зависимости магнитной индукции "В" от поля "Н" в широком диапазоне изменения интенсивности проекции постоянного магнитного поля Земли на ось преобразователя "с". Иными словами, достигается независимость результатов измерения от ориентации преобразователя в постоянном магнитном поле Земли.The induction converter has the highest sensitivity (effective area) with minimal inherent processes. The effective area of the induction receiver with a cylindrical core is determined by the magnetic permeability of the form, which depends on the ratio of the length of the core (1) to its diameter. With an increase in this ratio (with a constant core diameter), the sensitivity of the receiver increases and, at the same time, the dependence on the magnetic permeability of the magnetic circuit. Usually, such a ratio of the length to the diameter of the core is chosen so that the sensitivity of the receiver does not depend on the magnetic permeability of the magnetic circuit, since the latter is subject to the influence of external temperature and mechanical influences. The smaller the ratio of the length of the core (1) to its diameter, the greater the stabilizing effect of demagnetization caused by the relative proximity of the poles of the core, and the smaller the effective area. In addition, the rectangular shape of the hysteresis characteristic of the magnetic circuit leads to the need to reduce the ratio of the length of the core to its diameter in order to obtain a linear dependence of the magnetic induction "B" on the field "N" in a wide range of changes in the intensity of the projection of the constant magnetic field of the Earth onto the axis of the transducer "c". In other words, independence of the measurement results from the orientation of the transducer in a constant magnetic field of the Earth is achieved.
Благодаря высокой магнитной проницаемости сердечника (1) появилась возможность замены сплошного цилиндра из магнитопровода трубой из отдельных стержней (4) толщиной 5 мм без уменьшения эффективной площади приемника. Таким образом, достигнута высокая чувствительность и стабильность приемника при сравнительно небольшой массе магнитопровода (около 2500 г). Чтобы не развивались интенсивные вихревые токи в поперечных сечениях трубы, она построена из отдельных стержней, между которыми отсутствуют гальванические контакты. Тонкие слои пленки, сориентированные перпендикулярно поверхности трубы, также препятствуют вихревым токам в трубчатом сердечнике (1). Тонкопленочная структура и малые поперечные размеры стержней (5×5 мм) значительно уменьшают интенсивность собственных процессов непосредственно в стержнях (4).Due to the high magnetic permeability of the core (1), it became possible to replace a continuous cylinder from a magnetic circuit with a pipe of individual rods (4) with a thickness of 5 mm without reducing the effective area of the receiver. Thus, high sensitivity and stability of the receiver are achieved with a relatively small mass of the magnetic circuit (about 2500 g). In order not to develop intense eddy currents in the cross sections of the pipe, it is built of separate rods, between which there are no galvanic contacts. Thin film layers oriented perpendicular to the pipe surface also impede eddy currents in the tubular core (1). The thin-film structure and small transverse dimensions of the rods (5 × 5 mm) significantly reduce the intensity of intrinsic processes directly in the rods (4).
Соединенные последовательно приемные катушки (2) подключены к неинвертирующим входам измерительного операционного усилителя (3). На входе усилителя стоит коммутируемый симметричный делитель напряжения и параллельно ему резистор Rкр сопротивлением около 180 кОм, который вводит приемную обмотку (2) в критический режим.The receiving coils (2) connected in series are connected to the non-inverting inputs of the measuring operational amplifier (3). At the input of the amplifier there is a switched symmetrical voltage divider and parallel to it a resistor Rcr with a resistance of about 180 kOhm, which introduces the receiving winding (2) into critical mode.
Чувствительность индукционного преобразователя зависит от его эффективной площади и собственных шумов приемной обмотки (2) и усилителя (3). Она характеризуется отношением мощности шума в ваттах (или В2), в полосе частот 1 Гц, отнесенных к эффективной площади в квадратных метрах. При заданной массе меди в обмотке отношение сигнал/шум индукционных приемников не зависит от числа витков обмотки (2). В самом деле, при увеличении числа витков, например, в 2 либо в 4 раза увеличится сопротивление обмотки (2). Напряжение полезного сигнала увеличится в 2 раза и во столько же раз возрастет напряжение собственных шумов приемной обмотки (2). Вместе с тем, при увеличении числа витков сужается рабочая полоса частот преобразователя.The sensitivity of the induction converter depends on its effective area and the intrinsic noise of the receiving winding (2) and amplifier (3). It is characterized by the ratio of noise power in watts (or V 2 ), in the frequency band of 1 Hz, referred to the effective area in square meters. For a given mass of copper in the winding, the signal-to-noise ratio of induction receivers does not depend on the number of turns of the winding (2). In fact, with an increase in the number of turns, for example, 2 or 4 times, the resistance of the winding (2) will increase. The voltage of the useful signal will increase by 2 times and the voltage of the inherent noise of the receiving winding will increase by the same amount (2). However, with an increase in the number of turns, the working frequency band of the converter narrows.
Суммарный шум усилителя (3) зависит от сопротивления приемной обмотки (2), собственных шумов согласующего усилителя (3) по напряжению и по току. Они минимальны при низком сопротивлении обмотки (2).The total noise of the amplifier (3) depends on the resistance of the receiving winding (2), the intrinsic noise of the matching amplifier (3) in voltage and current. They are minimal at low winding resistance (2).
В используемом усилителе (3) расчетный суммарный шум при сопротивлении приемной обмотки 50 Ом близок к 1 нВ/Гц1/2. Эффективная площадь приемника для принятых параметров приемных катушек (без усилителя) составляет 1170 м2. Нормированный по эффективной площади расчетный шум преобразователя (с усилителем) не превышает 10-12В/Гц1/2 м2. Частота собственного резонанса: 5300 Гц. При столь высокой частоте собственного резонанса обеспечивается идеальная линейная амплитудно-частотная характеристика и нулевая фазово-частотная характеристика в полосе частот от 100 Гц и ниже.In the used amplifier (3), the calculated total noise at the resistance of the receiving winding of 50 Ohms is close to 1 nV / Hz 1/2 . The effective area of the receiver for the adopted parameters of the receiving coils (without an amplifier) is 1170 m 2 . The rated noise of the converter (with an amplifier) normalized by the effective area does not exceed 10 -12 V / Hz 1/2 m 2 . Natural Resonance Frequency: 5300 Hz. With such a high frequency of natural resonance, an ideal linear amplitude-frequency characteristic and zero phase-frequency characteristic in the frequency band from 100 Hz and below are ensured.
Подобная чувствительность индукционных преобразователей с линейной частотной характеристикой реализуется лишь при использовании многовитковых петель диаметром до 5 м. Такие петли обладают в несколько раз большей массой и позволяют измерять только вертикальную составляющую магнитного поля.Such a sensitivity of induction converters with a linear frequency response is realized only when multi-turn loops with a diameter of up to 5 m are used. Such loops have several times more mass and allow measuring only the vertical component of the magnetic field.
Магнитные наконечники (8) уменьшают "магнитное сопротивление заземления" разомкнутой магнитной цепи и тем самым дополнительно увеличивают магнитный поток в сердечнике (1).Magnetic tips (8) reduce the "magnetic grounding resistance" of the open magnetic circuit and thereby further increase the magnetic flux in the core (1).
Калибровка прямоугольными импульсами обеспечивает контроль за собственными процессами в преобразователе, калибровка экспоненциальным сигналом позволяет контролировать преобразование магнитного поля, спадающего по экспоненциальному закону.Calibration with rectangular pulses provides control over the own processes in the transducer, calibration with an exponential signal allows you to control the transformation of a magnetic field that decays exponentially.
Обычно преобразование магнитного поля производят вдоль выбранных прямоугольных осей координат: вертикальной - z и двух горизонтальных - xy. Как правило, одна из составляющих магнитного поля является аномальной и малой по величине, а две другие - нормальные, по величине значительно превышающие аномальную составляющую. Поскольку при измерении аномальной составляющей возникает дополнительная погрешность преобразования магнитного поля за счет ошибок ориентирования осей преобразователей, в результате этого к аномальной составляющей прибавляются проекции на эту ось больших по величине нормальных составляющих.Typically, the magnetic field is transformed along the selected rectangular coordinate axes: vertical - z and two horizontal - xy. As a rule, one of the components of the magnetic field is anomalous and small in magnitude, and the other two are normal, much larger than the anomalous component. Since when measuring the anomalous component, an additional error in the transformation of the magnetic field arises due to orientation errors of the transducer axes, as a result of this, projections of large normal components to this axis are added to the anomalous component.
В предложенном устройстве преобразуют три ортогональных компоненты магнитного поля под одинаковыми углами к изучаемой (плоской) площадке земли (см. Фиг.4). При этом измеряют три близких по величине и по отношению сигнал/шум составляющих магнитного поля. По этим трем составляющим вычисляют вектор магнитного поля, а искомые составляющие находят как проекции магнитного поля на оси xyz. В результате существенно уменьшаются ошибки определения аномальной составляющей поля, и улучшается отношение сигнал/шум для каждой из измеряемых составляющих магнитного поля.In the proposed device, three orthogonal components of the magnetic field are converted at the same angles to the studied (flat) area of the earth (see Figure 4). In this case, three components of a magnetic field that are close in magnitude and in signal / noise ratio are measured. The magnetic field vector is calculated from these three components, and the desired components are found as the projections of the magnetic field on the xyz axis. As a result, the errors in determining the anomalous component of the field are substantially reduced, and the signal-to-noise ratio for each of the measured components of the magnetic field is improved.
Обычно измерение проводят вдоль выбранных прямоугольных координат xyz. Для этого при операции установки трех жестко закрепленных индукционных преобразователей приходится одновременно достигать устойчивого положения системы индукционных преобразователей и точного ориентирования этой системы по сторонам света. Это трудноисполнимая операция, которая требует много времени. В предлагаемом устройстве задача установки заключается лишь в достижении устойчивого положения индукционного преобразователя. Никакого ориентирования не требуется. Это достигается тем, что вдоль оси каждого из трех сердечников с обмотками, согласующими усилителями и защитными кожухами с помощью акселерометров (9) регистрируют проекции силы тяжести на каждую ось. По показаниям акселерометров определяют отклонение индукционного преобразователя от горизонтального положения. Кроме того, вдоль оси каждого сердечника с помощью феррозонда (10) регистрируют проекции постоянного магнитного поля Земли на оси xyz индукционного преобразователя. По показаниям феррозонда и акселерометров определяют азимут системы преобразователей. Эти простые измерения заменяют трудоемкую операцию ориентирования системы преобразователей на местности. Таким образом, обеспечивается измерение как вертикальной составляющей, так и двух горизонтальных составляющих магнитного поля.Usually the measurement is carried out along the selected rectangular coordinates xyz. For this, during the installation operation of three rigidly fixed induction converters, it is necessary to simultaneously achieve a stable position of the system of induction converters and accurate orientation of this system to the cardinal points. This is a difficult operation that takes a lot of time. In the proposed device, the installation task is only to achieve a stable position of the induction converter. No orientation required. This is achieved by the fact that along the axis of each of the three cores with windings, matching amplifiers and protective covers using accelerometers (9), projections of gravity on each axis are recorded. According to the readings of the accelerometers, the deviation of the induction converter from a horizontal position is determined. In addition, along the axis of each core with the help of a flux gate (10), projections of the Earth's constant magnetic field on the xyz axis of the induction transducer are recorded. According to the readings of the fluxgate and accelerometers, the azimuth of the transducer system is determined. These simple measurements replace the time-consuming operation of orienting the transducer system on the ground. Thus, the measurement of both the vertical component and the two horizontal components of the magnetic field is provided.
Таким образом, индукционный преобразователь имеет большую реальную чувствительность по сравнению с многовитковыми петлями с воздушным сердечником (более низкий порог шума преобразователя), обеспечивает более широкую рабочую полосу частот (от 0,0001 Гц до 10 кГц) и обеспечивает более высокую точность измерения (уменьшение интенсивности собственных процессов). При этом уменьшается масса прибора, обеспечивается его компактность, прибор не требует точной привязки к местности за счет ортогонально установленных сердечников, в которых имеется индикатор с грубыми характеристиками для измерения силы тяжести и магнитного поля Земли.Thus, the induction converter has a greater real sensitivity compared to multi-turn loops with an air core (lower noise threshold of the converter), provides a wider operating frequency band (from 0.0001 Hz to 10 kHz) and provides higher measurement accuracy (reduction in intensity own processes). At the same time, the mass of the device is reduced, its compactness is ensured, the device does not require precise reference to terrain due to orthogonally installed cores, in which there is an indicator with rough characteristics for measuring gravity and the Earth's magnetic field.
Claims (17)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005111925/28A RU2298802C2 (en) | 2005-04-22 | 2005-04-22 | Transformer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005111925/28A RU2298802C2 (en) | 2005-04-22 | 2005-04-22 | Transformer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005111925A RU2005111925A (en) | 2006-10-27 |
| RU2298802C2 true RU2298802C2 (en) | 2007-05-10 |
Family
ID=37438414
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005111925/28A RU2298802C2 (en) | 2005-04-22 | 2005-04-22 | Transformer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2298802C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7692429B2 (en) | 2007-06-15 | 2010-04-06 | Ohm Limited | Electromagnetic detector for marine surveying |
-
2005
- 2005-04-22 RU RU2005111925/28A patent/RU2298802C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7692429B2 (en) | 2007-06-15 | 2010-04-06 | Ohm Limited | Electromagnetic detector for marine surveying |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005111925A (en) | 2006-10-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4629986A (en) | Nuclear magnetic loggins | |
| US7489134B2 (en) | Magnetic sensing assembly for measuring time varying magnetic fields of geological formations | |
| CA2137577C (en) | Microdevice for measuring the electromagnetic characteristics of a medium and use of said microdevice | |
| US7375529B2 (en) | Induction magnetometer | |
| JPH0584846B2 (en) | ||
| WO2010020648A1 (en) | A fluxgate sensor | |
| US3546580A (en) | Magnetic field variometer using a low noise amplifier and a coil-core arrangement of minimum weight and maximum sensitivity | |
| RU2298802C2 (en) | Transformer | |
| JP2000337809A (en) | Differential type eddy current range finder | |
| US5467019A (en) | Method and apparatus for balancing the electrical output of the receiver coils of an induction logging tool by use of a slidable magnetic rod for eliminating direct coupling | |
| JP6612877B2 (en) | Apparatus and method for measuring weak electromagnetic signals from samples at low frequencies | |
| US5541503A (en) | Alternating current sensor based on concentric-pipe geometry and having a transformer for providing separate self-powering | |
| US3249869A (en) | Apparatus for measuring the electrical properties of a conductive moving fluid | |
| Ripka et al. | Multiwire parallel fluxgate sensors | |
| Pulz | A calibration facility for search coil magnetometers | |
| JP5495227B2 (en) | Method and apparatus for measuring conductivity by equilibrium induction | |
| RU2483332C1 (en) | Device to measure components of current density vector in conducting media | |
| JPH08160082A (en) | Method and device for detecting insulation deterioration | |
| CN110456419A (en) | A kind of electromagnetic excitation response signal mutual-inductance apparatus and detection device and detection method | |
| Lu et al. | Study of measuring error of rogowski coil | |
| SU303608A1 (en) | DEVICE FOR MODELING THE DIRECT TASKS OF ELECTRIC SCUDENTS | |
| CN220626494U (en) | Closed loop fluxgate current sensor coil structure | |
| SU937992A1 (en) | Functional inductive displacement converter | |
| RU2239182C1 (en) | Device for determination of content of ferrite in material | |
| RU72788U1 (en) | MAGNETIC FIELD MEASUREMENT DEVICE |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090423 |