В этом проекте рассказывается о разработке системы для измерения магнитного поля, излучаемого сильноточными силовыми кабелями на частотах до 150 кГц, без нарушения их целостности.
Магнитные поля присутствуют почти везде. Однако удобные средства оценки напряженности магнитного поля в широких диапазонах интенсивности и частоты (от 20 Гц до 150 кГц) не имеют широкого распространения. Тем не менее, существует множество причин, по которым такие измерения могут понадобиться. Одним из примеров является отслеживание помех от неэкранированного или плохо экранированного кабеля.
В этом проекте мы разработаем метод оценки магнитного поля, излучаемого сильноточными кабелями питания на частотах до 150 кГц, без их разрезания или нарушения целостности.
Для начала нам понадобятся два простых аналоговых прибора:
- Ручной измеритель магнитного поля с зондовым датчиком;
- Эталонное устройство калибровки, способное создавать магнитное поле напряженностью до 1000 А/м или 1.26 мТл.
Как правило, высокоточные измерения вряд ли осуществимы или полезны. Это связано с тем, что во многих случаях напряженность магнитных полей, особенно на высоких частотах, может значительно варьироваться даже на коротких промежутках времени и расстояний. Кроме того, важно отметить, что устройство калибровки превосходит предъявляемые к прибору требования по высокой внутренней точности, при этом его стабильность обычно более чем достаточна.
Ручной прибор для измерения напряженности магнитного поля
Давайте погрузимся в разработку ручного измерителя напряженности магнитного поля и подбор компонентов для него. Для начала рассмотрим блок-схему измерителя и калибратора, показанную на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Блок-схема измерителя магнитного поля и устройства калибровки. |
Обратите внимание, что измеритель питается от одной 9-вольтовой батареи. Далее мы разберемся с различными необходимыми компонентами.
Датчик магнитного поля и предусилитель
Датчик представляет собой соленоид с индуктивностью 1.6 мкГн, длиной 8 мм и диаметром 7.5 мм. Он намотан на изоляционном каркасе и содержит около 22 витков. Предусмотрен электростатический экран (один изолированный слой медной фольги, намотанный внахлест). Что касается частотной характеристики, то величина индуктивности не критична, но физические размеры влияют на чувствительность. Зонд подключен к коаксиальному кабелю, при этом электростатический экран соединен с экраном кабеля.
Зонд является направленным, и обычно он располагается так, чтобы его ось была вертикальной (при условии горизонтального расположения кабеля), и воспринимает вертикальную составляющую магнитного поля. Однако пользователь может установить его горизонтально для измерения горизонтальной составляющей.
В целом общая напряженность поля HTOTAL в точке равна квадратному корню из суммы квадратов вертикальной составляющей поля HV и двух горизонтальных составляющих HX и HY.
Схема датчика и предварительного усилителя показана на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Схема зондового датчика и предварительного усилителя. |
Предварительный усилитель физически объединен с основным усилителем и имеет общую землю. Выход X предусилителя подключается к входу X схемы основного усилителя, показанной на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Блок-схема измерителя магнитного поля и устройства калибровки. |
Предусилитель состоит из транскондуктивного усилителя с очень низким входным сопротивлением. Этот метод позволяет получить плоский частотный отклик от источника взаимной индуктивности. Однако получение входного сопротивления, достаточно низкого по сравнению с реактивным сопротивлением индуктивности 1.6 мкГн на частоте 20 Гц, может оказаться непрактичным. Одним из способов преодоления этой проблемы является увеличение индуктивности с помощью последовательного тороидального дросселя емкостью 1 мГн, нечувствительного к внешним магнитным полям. Сопротивление катушки и добавочного резистора 15 Ом компенсируется включением конденсатора последовательно с резистором обратной связи 1 кОм.
Этот дроссель состоит примерно из 20 витков, намотанных на ферритовый тороидальный сердечник с внешним диаметром 9.6 мм, внутренним диаметром 4.7 мм и толщиной 3.2 мм. В каталоге Digi-Key его номер 240-2522-ND. Имеющиеся в продаже готовые дроссели индуктивностью 1 мГн имеют большие размеры, рассчитаны на большие токи, и в данном случае не подходят.
Основной усилитель
Усилитель имеет лишь небольшой коэффициент усиления и включает в себя два фильтра. При работе на высокоомную нагрузку чувствительность датчика, предусилителя и основного усилителя составляет 1 мВ при напряженности поля в датчике 1 А/м. А/м (ампер на метр) в системе единиц СИ – это «маленькая» единица, в отличие, например, от фарада, которая является «большой» единицей, и обычно мы используем компоненты, емкость которых составляет очень малую долю фарада. Насколько маленькая? Судите сами: 1 А/м создает плотность магнитного потока 1.26 мкТл (микротесла) в воздухе или вакууме, в то время как магнит в наушнике создает индукцию около 1 Тл.
На Рисунке 3 мы показали схему основного усилителя. Его первый каскад представляет собой фильтр нижних частот 3-го порядка, предназначенный для устранения шумов выше примерно 200 кГц.
За фильтром нижних частот следует фильтр верхних частот 3-го порядка, частота среза которого по уровню –3 дБ может изменяться в диапазоне от 8 до 800 Гц с помощью переключателей S1a, S1b и S1c. Коммутация может быть реализована с помощью одного трехполюсного переключателя на два направления.
На Рисунке 3 переключатели второго каскада показаны в положении, при котором частота среза по уровню –3 дБ равна 8 Гц. Частота 8 Гц наилучшим образом подходит для подавления фликкер-шумов в этом широкополосном режиме работы. В такой конфигурации основной усилитель в целом имеет практически плоскую характеристику в диапазоне от менее 20 Гц до 100 кГц, ограниченную спадом на частоте 150 кГц, как показано на Рисунке 4. Из-за влияния других конденсаторов связи (C2, C7, C11, C18) частота среза по уровню –3 дБ всего основного усилителя составляет 11 Гц.
 |
|
| Рисунок 4. | Частотная характеристика основного усилителя с фильтром нижних частот 3-го порядка, настроенным на частоту 8 Гц. |
Для получения частоты среза 800 Гц параллельно R8, R9 и R11 подключаются резисторы 1.5 кОм, ослабляющие составляющие сетевой частоты и ее гармоник ниже 2 кГц. Частотная характеристика основного усилителя при частоте среза фильтра верхних частот 800 Гц показана на Рисунке 5.
 |
|
| Рисунок 5. | Частотная характеристика основного усилителя с фильтром верхних частот 3-го порядка, настроенным на частоту 800 Гц. |
Фильтры выглядят как фильтры Баттерворта 3-го порядка в реализации Саллена-Ки с одинаковыми номиналами компонентов, но не совсем. Для получения истинно баттервортовских характеристик за первыми пассивными секциями должны следовать буфера, чтобы источники сигналов для вторых секций были низкоомными. Но для наших целей в данном проекте это не обязательно.
Выходной сигнал фильтра верхних частот второго каскада подается на маломощный усилитель третьего каскада, выход которого способный работать на нагрузку 50 Ом (или выше).
Купить LM386 на РадиоЛоцман.Цены
