Калибратор напряженности магнитного поля
Проще всего создать магнитное поле большой напряженности с помощью соленоида. Напряженность поля и индуктивность могут быть точно рассчитаны на основе физических размеров и силы тока. Расчетное значение напряженности поля проверяется измерением индуктивности.
Соленоид калибратора имеет длину 50 мм, диаметр 16 мм и 200 витков. Он намотан на картонный каркас (который не расплавится при прикосновении к нему паяльника). Разумеется, внутренний диаметр каркаса должен быть достаточно большим, чтобы в него поместился датчик. Соленоид может быть оснащен вклеенным с одного конца разъемом RCA (отсюда необходимость пайки), чтобы его можно было подключить экранированным кабелем к усилителю калибратора.
Маломощный усилитель калибратора сделан на микросхеме LM386, работающий от источника питания 15 В. Он сконфигурирован как источник тока с практически постоянным значением на любой частоте от 20 Гц до 100 кГц и некоторым снижением до 150 кГц.
Схема устройства калибровки показана на Рисунке 6.
 |
|
| Рисунок 6. | Схема калибратора и соленоида. |
На Рисунке 7 показаны датчик и соленоид.
 |
|
| Рисунок 7. | Датчик и соленоид. |
Частотная характеристика токового выхода калибратора показана на Рисунке 8. Магнитное поле в соленоиде, разумеется, строго пропорционально току, поскольку магнитная проницаемость воздуха постоянна.
 |
|
| Рисунок 8. | Частотная характеристика токового выхода калибратора. |
Было бы слишком много ожидать, что аудиоусилитель LM386 сможет выдать 250 мА на частоте 150 кГц и 1000 А/м в соленоиде. Он будет отдавать 250 мА на частоте 15 кГц, 25 мА на 100 кГц и 12.5 мА на частотах до 150 кГц. Сильные высокочастотные магнитные поля встречаются редко.
Из-за большой индуктивной нагрузки при токе 250 мА устройство сильно нагревается. На него можно приклеить теплоотвод, если ток будет подаваться более минуты или двух, чего обычно достаточно для выполнения калибровки.
Использование калибратора
Для использования калибратора катушка датчика вводится в соленоид примерно до середины. Перемещение зонда внутрь и наружу показывает, насколько однородна напряженность магнитного поля внутри соленоида; она меняется только тогда, когда зонд приближается к концу соленоида.
На Рисунке 9 показана общая частотная характеристика от калибратора до выхода основного усилителя при широкополосном режиме работы основного усилителя (от 11 Гц до 150 кГц).
 |
|
| Рисунок 9. | Общая частотная характеристика от калибратора до выхода основного усилителя при широкополосном режиме работы. |
Примеры использования измерителя напряженности магнитного поля
Имея все это в виду, давайте рассмотрим несколько примеров использования этого измерителя напряженности магнитного поля.
Утечка магнитного поля из сетевого трансформатора
Хотя на смену сетевым трансформаторам пришли импульсные технологии, миллиарды все еще используются, и для некоторых целей они могут быть предпочтительнее. Однако они создают внешнее магнитное поле, а ток часто бывает не синусоидальным, поскольку трансформатор работает на выпрямитель с фильтрующим конденсатором. Из-за этого компоненты поля содержат гармоники сетевой частоты, по меньшей мере, до 10 кГц. Это может вызвать значительные помехи в виде характерного фона в соседних аудиоцепях. Фон – это не низкое рычание: содержание гармоник увеличено процессом магнитной связи, при котором наведенное напряжение пропорционально его частоте.
Магнитное поле одиночного прямого проводника
Направление магнитного поля круговое, с центром в проводнике, а его напряженность H точно выражается формулой
где:
I – ток в амперах,
r – радиус окружности, на которой измерялась напряженность поля.
Утечка магнитного поля из плоского кабеля
На расстоянии от кабеля, сравнимом с расстоянием между двумя токоведущими жилами, магнитные поля от противоположных токов почти компенсируются, но ближе к кабелю – нет. Напряженность поля может быть точно рассчитана. На Рисунке 10 показан результат упрощенного расчета вертикальной составляющей поля, создаваемого двумя проводниками, расположенными на расстоянии 1 см друг от друга, в предположении, что их толщина очень мала. Видно, что напряженность поля очень быстро спадает с расстоянием, но вблизи кабеля она может быть достаточно сильной.
 |
|
| Рисунок 10. | Напряженность вертикального магнитного поля, создаваемого двумя очень тонкими горизонтальными проводниками, расположенными на расстоянии 1 см друг от друга. |
Измеренные значения напряженности поля
В следующих разделах мы рассмотрим различные измерения напряженности поля в рамках этого проекта.
Утечка магнитного поля из сетевого трансформатора
На расстоянии 25 мм от корпуса трансформатора напряженность поля составляла 50 А/м. Форма сигнала представляла собой искаженную синусоиду частотой 50 Гц. Напряженность этого поля достаточно велика, чтобы навести в соседнюю цепь слышимый фоновый сигнал.
Одиночный прямой проводник
Результаты измерения для длинного (1 м) прямого горизонтального проводника с током 10 А при частоте 50 Гц приведены в Таблице 1.
| Таблица 1. | Магнитное поле, окружающее длинный прямой проводник | ||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||
Внешнее магнитное поле двужильного кабеля
Излучения, измеренные на различных дистанциях от горизонтального двужильного кабеля с расстоянием между проводниками 6 мм, показаны в Таблице 2.
| Таблица 2. | Внешнее вертикальное поле двужильного кабеля | ||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||
По кабелю протекал ток в резистивную нагрузку 400 Вт, уменьшенный вдвое. Численно сравнить полученный результат с Рисунком 9 нельзя, так как диаметр проводников (1.6 мм) не мал по сравнению с расстоянием между ними. Однако Таблица 2 показывает, как напряженность поля уменьшается с расстоянием.
На Рисунке 11 показан спектр поля в единицах напряжения с уровнем 50-герцовой компоненты 7 мВ, соответствующим напряженности 7 А/м.
 |
|
| Рисунок 11. | Вертикальное магнитное поле снаружи двужильного кабеля, линейная шкала. |
На Рисунке 12 показана та же характеристика в децибелах относительно 1 мВ, чтобы лучше выделить уровни высокочастотных компонентов. Здесь мы видим, что составляющая 150 Гц на 7 дБ ниже основной гармоники 50 Гц, т.е. отношение составляет 0.45. На самом деле гармоники простираются примерно до 10 МГц, но анализатор спектра не работает на таких частотах.
 |
|
| Рисунок 12. | Вертикальное магнитное поле снаружи двужильного кабеля, логарифмическая шкала. |
Итоги испытаний прототипа измерителя напряженности поля
Два готовых прототипа были собраны на беспаечной макетной плате, имеющей бóльшие паразитные параметры, чем печатные платы. Характеристики устройства, собранного на печатной плате, скорее всего, будут несколько лучше.
Схемы
Схемы создавались с использованием бесплатного и очень мощного симулятора LTspice. Результаты моделирования основаны на несколько идеализированных характеристиках компонентов с точными значениями. Отклонения номиналов компонентов могут немного влиять на коэффициент усиления на средних частотах и вызывать изменения коэффициента усиления на крайних участках частотной характеристики. Хотя ошибки можно было бы исправить, добавив несколько регулировочных компонентов, калибратор делает это ненужным.
Частотные характеристики и спектры
Частотные характеристики и спектры получены в результате реальных измерений и отображены в графической форме с помощью USB-осциллографа Instrustar ISD205C.
Купить LM386 на РадиоЛоцман.Цены
