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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Differentialmagnetometer. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Metalldetektoren Das Ihnen vorgestellte Differentialmagnetometer kann bei der Suche nach großen Eisenobjekten sehr nützlich sein. Die Suche nach Schätzen ist mit einem solchen Gerät praktisch unmöglich, bei der Suche nach flach versunkenen Panzern, Schiffen und anderen militärischen Geräten ist es jedoch unverzichtbar. Das Funktionsprinzip eines Differenzmagnetometers ist sehr einfach. Jedes ferromagnetische Objekt verzerrt das natürliche Magnetfeld der Erde. Zu diesen Artikeln gehört alles aus Eisen, Gusseisen und Stahl. Die Verzerrung des Magnetfeldes kann zu einem großen Teil auch durch die häufig auftretende Eigenmagnetisierung von Objekten beeinflusst werden. Nachdem wir die Abweichung der magnetischen Feldstärke vom Hintergrundwert festgestellt haben, können wir daraus schließen, dass sich in der Nähe des Messgeräts ein Objekt aus ferromagnetischem Material befindet. Die Verzerrung des Erdmagnetfelds weit vom Ziel entfernt ist gering und wird aus der Differenz der Signale zweier Sensoren abgeschätzt, die in einiger Entfernung voneinander liegen. Daher wird das Gerät Differential genannt. Jeder Sensor misst ein Signal proportional zur Stärke des Magnetfelds. Am weitesten verbreitet sind ferromagnetische Sensoren und Sensoren, die auf der magnetonischen Präzession von Protonen basieren. Das betrachtete Gerät verwendet Sensoren des ersten Typs. Die Basis eines ferromagnetischen Sensors (auch Fluxgate genannt) ist eine Spule mit einem Kern aus ferromagnetischem Material. Eine typische Magnetisierungskurve für ein solches Material ist aus dem Schulphysikunterricht gut bekannt und hat unter Berücksichtigung des Einflusses des Erdmagnetfelds die folgende Form, dargestellt in Abb. 29.
Die Spule wird durch ein sinusförmiges Wechselsignal der Trägerfrequenz erregt. Wie aus Abb. ersichtlich ist. 29 führt die Verschiebung der Magnetisierungskurve des ferromagnetischen Kerns der Spule durch das äußere Magnetfeld der Erde dazu, dass sich die Feldinduktion und die damit verbundene Spannung an der Spule asymmetrisch zu verzerren beginnen. Mit anderen Worten: Die Spannung des Sensors mit einem sinusförmigen Strom der Trägerfrequenz unterscheidet sich von der Sinuskurve durch „abgeflachtere“ Spitzen der Halbwellen. Und diese Verzerrungen werden asymmetrisch sein. In der Sprache der Spektralanalyse bedeutet dies das Auftreten gerader Harmonischer im Spektrum der Ausgangsspannung der Spule, deren Amplitude proportional zur Stärke des Vormagnetisierungsfelds (Erdfeld) ist. Es sind diese geraden Harmonischen, die „eingefangen“ werden müssen.
Bevor wir den Synchrondetektor erwähnen, der sich für diesen Zweck natürlich anbietet und mit einem Referenzsignal doppelter Trägerfrequenz arbeitet, betrachten wir den Aufbau einer komplizierten Version eines ferromagnetischen Sensors. Es besteht aus zwei Kernen und drei Spulen (Abb. 30). Im Kern handelt es sich um einen Differenzialsensor. Der Einfachheit halber werden wir es im Text jedoch nicht weiter als Differenzial bezeichnen, da das Magnetometer selbst bereits Differenzial ist :). Das Design besteht aus zwei identischen ferromagnetischen Kernen mit identischen Spulen, die parallel nebeneinander angeordnet sind. Bezogen auf das anregende elektrische Signal der Referenzfrequenz sind sie in entgegengesetzter Richtung eingeschaltet. Die dritte Spule ist eine Wicklung, die auf die ersten beiden übereinander gestapelten Kernspulen gewickelt ist. Ohne ein externes Vormagnetisierungsfeld sind die elektrischen Signale der ersten und zweiten Wicklung symmetrisch und wirken im Idealfall so, dass in der dritten Wicklung kein Ausgangssignal vorhanden ist, da die magnetischen Flüsse durch sie vollständig aufgehoben werden. Bei Vorhandensein eines externen Vormagnetisierungsfeldes ändert sich das Bild. Entweder der eine oder andere Kern „fliegt“ am Höhepunkt der entsprechenden Halbwelle aufgrund des zusätzlichen Einflusses des Erdmagnetfelds tiefer als üblich in die Sättigung. Infolgedessen erscheint am Ausgang der dritten Wicklung ein Signal mit doppelter Frequenzfehlanpassung. Die Grundschwingungssignale werden dort im Idealfall vollständig kompensiert. Der Vorteil des betrachteten Sensors liegt darin, dass seine Spulen zur Erhöhung der Empfindlichkeit in Schwingkreise einbezogen werden können. Der erste und zweite - in den Schwingkreis (oder Kreis), abgestimmt auf die Trägerfrequenz. Der dritte - in einen Schwingkreis, der auf die zweite Harmonische abgestimmt ist. Der beschriebene Sensor weist ein ausgeprägtes Strahlungsmuster auf. Sein Ausgangssignal ist maximal, wenn die Längsachse des Sensors entlang der Kraftlinien des externen konstanten Magnetfelds liegt. Wenn die Längsachse senkrecht zu den Kraftlinien steht, ist das Ausgangssignal Null. Der Sensor des betrachteten Typs kann insbesondere in Kombination mit einem Synchrondetektor erfolgreich als elektronischer Kompass arbeiten. Sein Ausgangssignal ist nach der Gleichrichtung proportional zur Projektion des Erdmagnetfeldstärkevektors auf die Achse des Sensors. Durch die synchrone Erkennung ist es auch möglich, das Vorzeichen dieser Projektion herauszufinden. Aber auch ohne Vorzeichen – wenn wir den Sensor auf das Signalminimum ausrichten, erhalten wir die Richtung nach Westen oder Osten. Wenn wir uns am Maximum orientieren, erhalten wir die Richtung der magnetischen Feldlinie des Erdfeldes. In mittleren Breiten (zum Beispiel in Moskau) verläuft es schräg und „steckt“ in Richtung Norden im Boden. Anhand des magnetischen Deklinationswinkels kann man ungefähr die geografische Breite des Gebiets abschätzen. Differenzielle ferromagnetische Magnetometer haben ihre Vor- und Nachteile. Zu den Vorteilen gehört die Einfachheit des Geräts, es ist nicht komplizierter als ein Funkempfänger mit Direktverstärkung. Zu den Nachteilen gehört der Aufwand bei der Herstellung von Sensoren – neben der Genauigkeit ist auch eine absolut exakte Übereinstimmung der Windungszahlen der entsprechenden Wicklungen erforderlich. Ein Fehler von ein oder zwei Umdrehungen kann die mögliche Empfindlichkeit stark reduzieren. Ein weiterer Nachteil ist der „Kompass“ des Geräts, d. h. die Unmöglichkeit einer vollständigen Kompensation des Erdfeldes durch Subtraktion der Signale von zwei beabstandeten Sensoren. Dies führt in der Praxis zu Fehlsignalen, wenn der Sensor um eine Achse senkrecht zur Längsachse gedreht wird. Praktisches Design Der praktische Aufbau eines differentiellen ferromagnetischen Magnetometers wurde in einer Prototypenversion ohne spezielles elektronisches Teil zur Schallanzeige umgesetzt und getestet, wobei nur ein Mikroamperemeter mit Null in der Mitte der Skala verwendet wurde. Das Tonanzeigeschema kann der Beschreibung des Metalldetektors nach dem „Sende-Empfangs“-Prinzip entnommen werden. Das Gerät verfügt über die folgenden Parameter. Wichtigste technische Merkmale
Detektionstiefe:
Strukturschema Das Blockdiagramm ist in Abb. dargestellt. 31. Ein quarzstabilisierter Hauptoszillator liefert eine Taktfrequenz für den Signalaufbereiter.
An einem seiner Ausgänge gibt es eine Rechteckwelle der ersten Harmonischen, die in den Leistungsverstärker gelangt, der die Strahlungsspulen der Sensoren 1 und 2 anregt. Der andere Ausgang bildet eine Rechteckwelle der Referenz-Doppeltaktfrequenz mit einer Verschiebung von 90° für den Synchrondetektor. Das Differenzsignal der Ausgangswicklungen (dritten) der Sensoren wird im Empfangsverstärker verstärkt und von einem Synchrondetektor gleichgerichtet. Ein gleichgerichtetes Konstantsignal kann mit einem Mikroamperemeter oder akustischen Anzeigegeräten registriert werden, die in den vorherigen Kapiteln beschrieben wurden. Schematische Darstellung Das schematische Diagramm eines differentiellen ferromagnetischen Magnetometers ist in Abb. 32 dargestellt. 1 - Teil 33: Hauptoszillator, Signalaufbereiter, Leistungsverstärker und Strahlungsspulen, Abb. 2 - Teil XNUMX: Empfangsspulen, Empfangsverstärker, Synchrondetektor, Anzeige und Stromversorgung.
Der Master-Oszillator ist auf den Wechselrichtern D1.1-D1.3 aufgebaut. Die Oszillatorfrequenz wird durch einen Quarz- oder Piezokeramik-Resonator Q mit einer Resonanzfrequenz von 215 Hz = 32 kHz („Uhrquarz“) stabilisiert. Die R1C1-Schaltung verhindert die Erregung des Generators bei höheren Harmonischen. Durch den Widerstand R2 wird der OOS-Kreis geschlossen, durch den Resonator Q wird der POS-Kreis geschlossen. Der Generator zeichnet sich durch Einfachheit, geringen Stromverbrauch, zuverlässigen Betrieb bei einer Versorgungsspannung von 3 ... 15 V aus, enthält keine abgestimmten Elemente und zu hochohmige Widerstände. Die Ausgangsfrequenz des Generators beträgt etwa 32 kHz. Signalaufbereiter (Fig. 32) Der Signalaufbereiter ist aus einem Binärzähler D2 und einem D-Trigger D3.1 aufgebaut. Die Art des Binärzählers ist nicht grundlegend, seine Hauptaufgabe besteht darin, die Taktfrequenz durch 2, 4 und 8 zu teilen und so Mäander mit Frequenzen von 16, 8 bzw. 4 kHz zu erhalten. Die Trägerfrequenz zur Anregung der Strahlerspulen beträgt 4 kHz. Signale mit Frequenzen von 16 und 8 kHz, die auf das D-Flip-Flop D3.1 einwirken, bilden an seinem Ausgang einen gegenüber der Trägerfrequenz von 8 kHz verdoppelten Mäander, der gegenüber dem Ausgangssignal der 90 um 8° verschoben ist kHz-Binärzähler. Eine solche Verschiebung ist für den normalen Betrieb eines Synchrondetektors erforderlich, da dieselbe Verschiebung ein nützliches Signal mit doppelter Frequenzfehlanpassung am Sensorausgang zur Folge hat. Die zweite Hälfte der Mikroschaltung aus zwei D-Flip-Flops – D3.2 – wird in der Schaltung nicht verwendet, aber ihre nicht verwendeten Eingänge müssen für den Normalbetrieb entweder mit logisch 1 oder logisch 0 verbunden werden, was im Diagramm dargestellt ist. Verstärker (Fig. 32) Der Leistungsverstärker sieht nicht so aus und besteht lediglich aus leistungsstarken Wechselrichtern D1.4 und D1.5, die gegenphasig einen Schwingkreis aus seriell parallel geschalteten Strahlungsspulen des Sensors und dem Kondensator C2 schwingen. Ein Sternchen neben dem Wert des Kondensators bedeutet, dass sein Wert ungefähr angegeben ist und dass er bei der Inbetriebnahme ausgewählt werden muss. Ein unbenutzter Inverter D1.6 invertiert, um seinen Eingang nicht unbeschaltet zu lassen, das Signal D1.5, läuft aber praktisch „im Leerlauf“. Die Widerstände R3 und R4 begrenzen den Ausgangsstrom der Wechselrichter auf ein akzeptables Maß und bilden zusammen mit dem Schwingkreis einen hochwertigen Bandpassfilter, der die Form von Spannung und Strom in den Strahlungsspulen des Sensors bestimmt stimmt fast mit einer Sinuskurve überein. Empfangsverstärker (Fig. 33) Der Empfangsverstärker verstärkt das Differenzsignal der Empfangsspulen des Sensors, die zusammen mit dem Kondensator C3 einen auf die doppelte Frequenz von 8 kHz abgestimmten Schwingkreis bilden. Dank des Abstimmwiderstands R5 werden die Signale der Empfangsspulen mit einigen Gewichtungskoeffizienten subtrahiert, die durch Bewegen des Schiebereglers des Widerstands R5 geändert werden können. Dadurch wird eine Kompensation nicht identischer Parameter der Empfangswicklungen des Sensors und eine Minimierung seines „Kompasses“ erreicht. Der Empfangsverstärker ist zweistufig. Es wird auf den Operationsverstärkern D4.2 und D6.1 mit einem Parallelspannungs-Betriebssystem montiert. Der Kondensator C4 reduziert die Verstärkung bei höheren Frequenzen und verhindert so eine Überlastung des Verstärkerpfads durch Hochfrequenzaufnahmen aus Stromnetzen und anderen Quellen. Korrekturschaltungen für Operationsverstärker sind Standard. Synchroner Detektor (Fig. 33) Der Synchrondetektor wird auf dem OS D6.2 nach einem typischen Schema hergestellt. Als analoge Tasten wird der D5 CMOS 8 x 1 Multiplexer-Demultiplexer-Chip verwendet (Abb. 32). Sein digitales Adresssignal wird nur im niedrigstwertigen Bit verschoben, wodurch die Punkte K1 und K2 abwechselnd auf einen gemeinsamen Bus geschaltet werden. Das gleichgerichtete Signal wird durch den Kondensator C8 gefiltert und durch den Operationsverstärker D6.2 verstärkt, wobei gleichzeitig die ungefilterten HF-Komponenten durch die Schaltkreise R14C11 und R13C9 zusätzlich gedämpft werden. Die Operationsverstärker-Korrekturschaltung ist für den verwendeten Typ Standard.
Anzeige (Fig. 33) Der Indikator ist ein Mikroamperemeter mit Null in der Mitte der Skala. Im Indikatorteil kann die Schaltung anderer zuvor beschriebener Metalldetektortypen erfolgreich eingesetzt werden. Als Indikator können Sie insbesondere das Design eines Metalldetektors verwenden, der auf dem Prinzip eines elektronischen Frequenzmessers basiert. In diesem Fall wird sein LC-Oszillator durch einen RC-Oszillator ersetzt und die gemessene Ausgangsspannung wird über einen Widerstandsteiler der Frequenzeinstellschaltung des Timers zugeführt. Mehr dazu können Sie auf der Website von Yuri Kolokolov lesen. Chip D7 stabilisiert die unipolare Versorgungsspannung. Der D4.1-Operationsverstärker erzeugt einen künstlichen mittleren Einspeisepunkt und ermöglicht die Verwendung herkömmlicher bipolarer Operationsverstärkerschaltungen. Keramische Sperrkondensatoren C18-C21 sind in unmittelbarer Nähe der Gehäuse der digitalen Schaltkreise D1, D2, D3, D5 montiert. Teiletypen und Design Die verwendeten Arten von Mikroschaltungen sind in der Tabelle angegeben. 6. Tabelle 6. Arten von verwendeten Mikroschaltungen
Anstelle der Mikroschaltungen der Serie K561 können auch Mikroschaltungen der Serie K1561 verwendet werden. Sie können versuchen, einige Chips der K176-Serie oder ausländische Analoga der Serien 40XX und 40XXX zu verwenden. Doppelte Operationsverstärker (Operationsverstärker) der K157-Serie können durch beliebige Allzweck-Operationsverstärker mit ähnlichen Parametern ersetzt werden (mit entsprechenden Änderungen in der Pinbelegung und den Korrekturschaltungen). Für die in der Differenzmagnetometerschaltung verwendeten Widerstände gelten keine besonderen Anforderungen. Sie müssen lediglich robust und miniaturisiert sowie einfach zu installieren sein. Die Verlustleistung beträgt 0,125 ... 0,25 W. Potentiometer R5, R16 sind vorzugsweise Multiturn-Potentiometer, um die Feinabstimmung des Geräts zu erleichtern. Der Griff des Potentiometers R5 muss aus Kunststoff bestehen und ausreichend lang sein, damit die Berührung der Hand des Bedieners beim Einstellen nicht zu Veränderungen der Anzeigewerte durch Impulsgeber führt. Kondensator C16 - elektrolytisch jeder kleinen Art. Die Kondensatoren der Schwingkreise C2* und C3* bestehen aus mehreren (5-10 Stk.) parallel geschalteten Kondensatoren. Die Abstimmung der Schaltung auf Resonanz erfolgt durch Auswahl der Anzahl der Kondensatoren und ihrer Nennleistung. Der empfohlene Kondensatortyp ist K10-43, K71-7 oder ausländische thermostabile Analoga. Sie können versuchen, herkömmliche Keramik- oder Metallfolienkondensatoren zu verwenden. Bei Temperaturschwankungen müssen Sie das Gerät jedoch häufiger anpassen. Mikroamperemeter – jeder Typ für einen Strom von 100 μA mit Null in der Mitte der Skala. Praktisch sind kleine Mikroamperemeter, zum Beispiel Typ M4247. Sie können fast jedes Mikroamperemeter und sogar ein Milliamperemeter verwenden – mit jeder Skalenbegrenzung. Dazu müssen Sie die Werte der Widerstände R15-R17 entsprechend anpassen. Quarzresonator Q – jeder kleine Uhrenquarz (ähnliche werden auch in tragbaren elektronischen Spielen verwendet). Schalter S1 - beliebiger Typ, kompakt. Die Sensorspulen bestehen aus runden Ferritkernen mit einem Durchmesser von 8 mm (verwendet in Magnetantennen von MW- und LW-Funkempfängern) und einer Länge von ca. 10 cm. Jede Wicklung besteht aus 200 Windungen Kupferwickeldraht mit einem Durchmesser von 0,31 mm, gleichmäßig und dicht in zwei Lagen in doppelter Lack-Seiden-Isolierung gewickelt. Über allen Wicklungen ist eine Schicht Schirmfolie angebracht. Die Ränder des Schirms sind voneinander isoliert, um die Bildung eines Spulenkurzschlusses zu verhindern. Der Schirmausgang erfolgt mit einem verzinnten Kupfer-Einzeldraht. Im Falle eines Aluminiumfolienschirms wird diese Leitung über die gesamte Länge auf den Schirm gelegt und mit Isolierband fest umwickelt. Bei einer Abschirmung aus Kupfer- oder Messingfolie wird die Zuleitung verlötet. Die Enden der Ferritkerne sind in Zentrierscheiben aus Fluorkunststoff fixiert, wodurch jede der beiden Hälften des Sensors in einem Kunststoffrohr aus Textolith gehalten wird, das als Gehäuse dient, wie in Abb. schematisch dargestellt. 34.
Die Länge des Rohres beträgt ca. 60 cm. Jede der Sensorhälften befindet sich am Ende des Rohres und wird zusätzlich mit Silikondichtmittel fixiert, das den Raum um die Wicklungen und deren Kerne ausfüllt. Die Befüllung erfolgt durch spezielle Löcher im Karosserierohr. Zusammen mit Unterlegscheiben aus Fluorkunststoff verleiht ein solches Dichtmittel der Befestigung zerbrechlicher Ferritstäbe die nötige Elastizität, die ein Reißen bei unbeabsichtigten Stößen verhindert. Einrichten des Geräts 1. Stellen Sie sicher, dass die Installation korrekt ist. 2. Überprüfen Sie die Stromaufnahme, die 100 mA nicht überschreiten sollte. 3. Überprüfen Sie den korrekten Betrieb des Hauptoszillators und anderer Elemente der Impulssignalbildung. 4. Passen Sie den Schwingkreis des Sensors an. Ausstrahlen – mit einer Frequenz von 4 kHz, Empfangen – mit 8 kHz. 5. Stellen Sie sicher, dass der Verstärkungspfad und der Synchrondetektor korrekt funktionieren. Arbeiten mit dem Gerät Die Vorgehensweise zum Einrichten und Arbeiten mit dem Gerät ist wie folgt. Wir gehen zum Suchort, schalten das Gerät ein und beginnen, den Antennensensor zu drehen. Am besten in einer vertikalen Ebene, die in Nord-Süd-Richtung verläuft. Befindet sich der Sensor des Geräts an der Stange, dann können Sie es nicht drehen, sondern so weit schwenken, wie es die Stange zulässt. Die Zeigernadel wird ausgelenkt (Kompasseffekt). Mit einem variablen Widerstand R5 versuchen wir, die Amplitude dieser Abweichungen zu minimieren. In diesem Fall „bewegt“ sich der Mittelpunkt der Mikroamperemeter-Messwerte und muss auch mit einem weiteren variablen Widerstand R16 angepasst werden, der auf Null setzen soll. Wenn der „Kompass“-Effekt minimal wird, gilt das Gerät als ausgeglichen. Bei kleinen Objekten unterscheidet sich die Suchmethode mit einem Differentialmagnetometer nicht von der Arbeitsweise mit einem herkömmlichen Metalldetektor. In der Nähe des Objekts kann der Pfeil in jede Richtung abweichen. Bei großen Objekten weicht der Anzeigepfeil über einen großen Bereich in verschiedene Richtungen ab. Autor: Shchedrin A.I.
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