Феррозондовый магнитометр.
Незавершенный проект феррозондового магнитометра..
Наиболее подходящая часть магнитоизмерительной аппаратуры для поисковых операций, с возможностью реализации в любительских условиях. Несмотря на страшные заклинания по поводу идентичности феррозондов, тчательному их подбору и т.д. смею утверждать что феррозонд может сделать каждый. Ничего там сложного нет. Конечно аккуратность не исключается. Но работать должен при любом раскладе, вопрос лишь в том насколько хорошо. Феррозонды для различных компасов достаточно описаны в сети, в основном правда на импортных сайтах. Гуглятся на Fluxgate. Но для поискового прибора надо почуствительнее.
Оптимальный вариант это градиометр. Два одинаковых датчика с одинаковым усилением расположены на одной оси на некотором расстоянии друг от друга. Прибор дифференциальный. Если на обоих датчиках одинаково изменилось магнитное поле, например датчики развернули с востока на север, то в идеале сигнал не должен появиться на выходе схемы, т.к. один датчик скомпенсирован другим. Если же вблизи одного датчика появилась анамалия, а вблизи другого эта анамалия слабее, то появляется сигнал ошибки. Именно так надо строить схему. На практике сигнал будет присутствовать из-за неидентичности датчиков и из-за несоосности полу-зондов. По этому после сборки прибора желательно датчики отъюстировать. Произвести механическую настройку, что бы сердечники датчиков располагались максимально на одной оси. Будет работать и без юстировки, но будет сильнее реакция на изменения пространственного положения прибора.
Так же имеет место миф о тонкости сердечника из пермалоя и даже напылении тонкого слоя специального пермаллоя на фарфоровую либо стеклянную трубку. Об отжиге пермаллоевой проволоки в среде водорода с медленным снижением температуры. С запеканием сердечника в стеклянную трубку и т.д. Это всё конечно здорово и полезно, но в любительских условиях малоприемлемо. Доложу, что работает и на обычном пермаллое и на феррите, вопрос лишь в параметрах - шумы сердечника, потребление энергии на перемагничивание, чуствительности. Но для поисковых работ очень уж крутая чуствительность, о которой пишет в своих книгах Афанасьев совсем не обязательна.
Кстати в сети в данный момент есть 3 книги Афанасьева по феррозондам. Легко гуглится, не грех почитать.
Стоит отметить главный недостаток феррозондов и вообще магнитометров это невозможность определения немагнитных объектов. Т.е. объектов из цв.металла и различной нержавейки. Конечно металлы имеют какие то магнитные свойства, например алюминий. Но они настолько слабы, что феррозонд их чуствует только в притык, ни о каких метрах говорить не приходится. Ещё один миф о существовании каких то хитро-секретных приставок для магнитометров, например ОГФ, позволяющих якобы видеть цветные мишени. Чушь полная! Не видит магнитометр цветные цели в принципе. Если только эта приставка не является ещё одним отдельным дополнительным металлоискателем.
И так, феррозонд.
С чего начинается любой прибор? ...с принципа работы системы. Далее идут датчики. Вот с них и начнём.
Вариант на пермаллое хорош, но возни с ним много. Где взять пермаллой? Рискну доложить, что пермаллой образно говоря радиолюб топчет ногами. Это малогабаритные трансформаторы от старых батарейных приёмников, таких как Селга, Свирель и прочии. Так же трансформаторы различных малосигнальных цепей. Микрофонные усилители, старые динамические микрофоны от ламповых бытовых магнитофонов зачастую имели внутри малогабаритный транс на пермаллое. Контакты герконов тоже из пермаллоя. Оболочки герконовых реле типа РЭС-55А то же из пермаллоя. Так же различные экраны в слабых полях всё это пермаллой. В военных делах много моточных изделий из пермаллоя. Здесь проблема что бы раскатать этот пермаллой если он толстый и вырезать нужные сердечники достаточно ровно и точно. (может сейчас уже лазером можно резать?)
Раньше везде предлагалась к продаже пермаллоевая проволока различных сечений, диаметром от 0,1 до 2 мм и более, но сейчас куда то всё это из продаж пропало. Продавали конечно бухтами и килограммами, по сантиметрам никто не продавал. Но всё равно при желании можно было разжиться.
Как отличить пермаллой от транс.стали? Очень просто. Отрезаете небольшой кусочик, прилепляете его к магниту и нагреваете зажигалкой. Когда кусочик достаточно покраснеет, он отвалится от магнита, когда остынет снова притянется. Датчики на пермаллое работают отлично, но есть проблемы. Если при намотке или ещё как сердечник немного подеформировать, он начинает терять свои замечательные свойства. Например начинает намагничиваться при кратковременном воздействии магнита. Приходится поднимать ток возбуждения или периодически размагничивать принудительно. Отжиг в таких случаях очень не помешает. Я брал проволочку, подвешивал на неё сердечник и нагревал на газу до красного цвета. Грел так минуту, потом потихоньку газ убавлял и так в течении 5 минут с выносом из зоны нагрева до полного остывания. Может будет лучше при других режимах. Но среды водорода у меня точно не было, да и сутки охлаждать вместе с печью, которой у меня тоже кстати нет, я никак не собирался.
После такого отжига сердечник работает значительно лучше, если только его опять случайно не погнуть во время намотки. Здесь следующие зависимости: чем тоньше сердечник и чем лучше его свойства, тем меньший ток возбуждения требуется, но уменьшается чуствительность с уменьшением площади сечения сердечника, судя по книгам Афанасьева. По этому серьёзные фирмы применяют напыление на различные твёрдые трубки. Сечение сердечника увеличивается до сечения трубки, а сам пермаллой тоненький и ток на его возбуждения требуется маленький.
Далее мотаются обмотки. Для сердечника длиной 30 мм я мотал один иногда два слоя провода 0,1мм а сверху витков 200-500 провода 0,06мм. Стоит сразу продумать обойму для этого датчика, что бы сразу его вложить, припаять выводы и залить клеем или лаком. Потому что в дальнейшем возиться с концами толщиной 0,06 мм занятие не для слабонервных. Потом обмотки ТХ соединяются последовательно, а обмотки RX встречно последовательно и датчик градиометра готов. Имеет смысл изготовить несколько датчиков, потом подобрать пару по более-менее одинаковым выходным сигналам, как делают например на фирме Forester, да и на других видимо тоже. Излишне говорить что количества витков должны быть одинаковыми и провода из одной бобины на всех датчиках (В одной из 3-х книг Афанасьева описан промышленный способ изготовления феррозонда).
С пермаллоем мне возиться скоро надоело и я начал экспериментировать с ферритовыми сердечниками. Думаю здесь такие же зависимости на счёт диаметров и сечений. Хотелось конечно раздобыть стержневые ферриты диаметром хотя бы 1 мм и длиной 40-50мм, но что то не повезло с поиском и я решил заняться кольцами, благо что их есть у меня. Кольца брал диаметром 11 мм, причём кольца из феррита 400НН работали лучше чем 1000НН и тем более 2000НМ. Но датчики на кольцах были все различны, по выходным сигналам. При детальном рассмотрении колец обнаружились серьёзные недостатки, видимые невооруженным глазом. Например несоосность внутренного и внешнего диаметров. Разность по высоте (это заметил микрометр), как будто пекли их где то на коленке, а не в ссср. Вобщем кольцам отечественным был объявлен игнор. Больше всего понравились кольца от материнок желтые с белым торцем, конкретно от материнок под Р2 фирмы Аккорп. Эти кольца сделаны из распылённого железа, если отмыть эмаль, то под ней кольцо с металлическим блеском. На изломе порошковая структура. Ток проводят слабо. Предназначены для работы с подмагничиванием. Но именно на них была самая высокая чуствительность.
С удовольствием попробовал бы современные тоненькие кольца из Мо-пермаллоя, но магазинов у нас нет, а с заказом как то не заладилось. Никто не хочет высыласть 5-10 мелких колец, всем сотнями штук бери.
Проблемы всех ферритовых датчиков, которые я изготавливал следующие: при кратковременном поднесении магнита все датчики намагничивались и имели приличный остаточный сигнал, который восстанавливался с очень медленной скоростью, которая в свою очередь зависила от тока возбуждения и от частоты сигнала возбуждения. Чем больше ток и больше частота, тем быстрее восстанавливался нулевой уровень. По этому для таких датчиков периодическое принудительное развагничивание становится обязательным. Размагничивание должно быть по принципу петли для кинескопов - затухающие по экспоненте синусоидальные колебания с достаточной начальной амплитудой. Я не стал особо мудрить, приделал обычный конденсатор, емкостью 10 мкф, заряженный до максимального напряжения питания, подключаемый паралельно обмоткам возбуждения обычной кнопкой. Только кнопку надо было держать хотя бы 1 сек, не так что торнул и всё.
Но это свойство медленного восстановления можно использовать с пользой для дела. Можно без каких либо схемных затрат использовать динамический режим поиска, скорость которого зависит от тока возбуждения. И при соответствующем токе, скорость динамики будет как раз подходить для поиска. Но размагничивание всё равно нужно, хотя бы при включении прибора. Происходит так из-за того, что кольца не работают в насыщении. Они предназначены для работы в сильных магнитных полях с постоянным подмагничиванием. И что бы загнать их в насыщение нужно очень сильно постараться и вогнать приличный ток. Однако нелинейность сердечника, требующаяся для работы феррозонда проявляется и в слабых полях, потому выгоднее периодически размагничивать и работать на малых токах, чем качать огромные токи для правильной работы. Судя по обрывочным данным из сети, начальная магнитная проницаемость этих сердечников в районе от 100 до 200.
Кстати феррозонд из 3-й книги Андрея Щедрина тоже грешил намагничиванием сердечников. Но тогда я к каждому сердечнику подносил постоянный магнит разными полюсами и на разное расстояние и так экспериментально постепенно добивался нулевого уровня на выходах датччиков и усилителя. Но естественно
такой способ не подходит для надёжного использования прибора. Если он намагнитися, то что тогда делать в лесу? Магнит с собой таскать?
Если у кого есть знакомые, работающие в авиапромышленности или есть доступ к кладбищам старых самолётов, то можно попытаться раздобыть феррозонд готовый. Комплект называется ГИК-1 (гироскопический индукционный компас). Сам феррозонд находится в индукционном датчике ИД, который расположен в левой консоли крыла (на самолёте Ан-24) и состоит из трёх феррозондов, расположенных под углами 120гр. Каждый зонд состоит из двух пермаллоевых сердечников с обмотками возбуждения и сигнальной. Питаются обмотки синусоидальным напряжением 1,7 вольта, частотой 400 гц.
По схеме(обновлена 2016г): запутался я уже давно в этих схемах. Где какая, где рабочая, где с изменениями, сам черт уже не разберёт. По этому кто будет делать, делайте в виде конструктора, поблочно. Больше толка будет. Старое тогда описание убирать не буду, пусть останется.
Можно ведь разными способами делать. В новой схеме на входе поставил TL064, LM324 выкинул, вместе с подтягивающими резисторами, дифф.услитель в синхродетекторе сделал на КР140УД14, теперь попробую на AD8541, далее детектор на TL062 и ГУН на CD4046 с усилителем пьезика на К561ЛЕ5.
...Для эксперимента решил построить схему А.Щедрина из 3-й книги, где описан экспериментальный феррозонд на ферритовых сердечниках. Генератор немного переделал. Задающий генератор сделал на 3-х элементах 561ЛЕ5, с часовым кварцем на 32 кгц, счетчик построил на 2-х К561ТМ2. Сигнал возбуждения 4 кгц берётся с выхода К561ТМ2. Сигнал на сх-детектор подается с одного из дилителей ТМ2, с частотой 8 кгц и сдвинутый на 90 гр.
Сигнал балансировки берётся с выходов 8кгц К561ТМ2 и заводится через высокоомный резистор в цепь усиления до синхродетектора или
без усиления сразу в синхродетектор, смешиваясь через резистор с усиленным сигналом с датчиков. Сигнал ТХ через резистор регулировки тока
поступает на контур, образованный конденсаторами и обмотками возбуждения
феррозондов. Здесь следует немного остановиться. Во-первых, если датчики будут стержневые с малым количеством витков в ТХ, или небольшие кольца с однослойной обмоткой ТХ, то придётся применять трансформатор для согласования. Я брал первое попавшееся ферритовое кольцо, диаметром 20 мм и мотал витков 300-500 провода 0,15 первичку и витков 10-30 провода 0,5 - 0,8 (в зависимости от датчиков) вторички. Если мотать кольцо в два слоя и немаленького диаметра, то транс может не потребоваться. Если будет достаточно сигнала для резонанса с приемлимой емкостью, если контур ТХ не будет грузить усилитель и на выходе будет достаточный выходной сигнал с датчиков, то транс не нужен. Так же может не потребоваться полумостовое включение выходного каскада. Если хватает и половинной мощности, то один конец контура ТХ можно посадить на землю. Так даже предпочтительней, т.к. проще получается цепь размагничивания. Которая будет кнопкой подключать конденсатор, предварительно заряженный до максимального из питающих напряжений паралельно контуру ТХ. Если использован трансформатор, то нужно конденсатор подключать к ТХ, отключая при этом от трансформатора. Т.е. один контакт нормально-замкнутый подключен к трансу, а нормально разомкнутый к заряженному конденсатору. Незабывая, что использование контактов в цепи ТХ маложелательно.
Во всяком случае они должны быть качественные, например золото/платина. Конденсатор можно заряжать с помощью высокоомного резистора, например 1 мом. Его даже можно не отключать от батареи, что бы не ждать пока зарядится после включения. Сокращать время заряда уменьшая сопротивление резистора нежелательно, что бы не возникало подмагничивающего эффекта зондов постоянным током.
В книге Андрея Щедрина сигналы с датчиков сразу идут на балансирующий подстроечник на 100ком, я же до подстроечника поставил усилители, с усилением 100. Это позволило применить качественный подстроечник на 22 ком (проволочный СП-5) и уменьшить на него влияние помех. Со среднего вывода подстроечника сигнал поступает на ещё один усилитель с усиленимем до 100, далее идёт регулятор чуствительности и синхродетектор с дифф_каскадом по обычной схеме. После детектора уже можно смотреть выходной сигнал. Феррозонды должны располагаться на одной прямой, на расстоянии около 60 см друг от друга, временно расстояние можно уменьшить до 20-40 см.
Стоит напомнить, что в реальном градиометре обмотки должны быть включены таким образом, что бы при поднесении магнита одним полюсом поочерёдно к каждому датчику с одной стороны сигналы должны быть возможно более идинаковыми, но противоположными по знаку. Что бы при одном и том же уровне магнитного поля, сигнал с одного датчика был скомпенсирован сигналом с другого. Т.е. если изменилось однородное магнитное поле одновременно на двух датчиках, то сигнала не возникает, так как система дифференциальная. Сигнал возникает лишь в том случае, если магнитное поле не одинаковое в зоне датчиков. На практике сигнал будет даже при однородном изменении магнитного поля, по причине неодинаковости и несоосности осей датчиков, но этот сигнал будет значительно меньше чем нескомпенсированный сигнал с отдельного датчика. После детектора идёт усилитель с усилением до 100 и диодный детектор на ОУ. Дело в том что феррозонд является векторным прибором. Магнитное поле может искажаться как в положительную так и в отрицательную сторону. Следовательно сигнал на выходе будет как положительный так и отрицательный.
Для поискового прибора нас интересует любое отклонение сигнала. По этому после детектора на ОУ сигнал всегда будет положительный, при любых
отклонениях входного. ПОдстроечным резистором, выведенным на переднюю панель, на выходе детектора образуется некоторый начальный уровень,
который является регулятором "Порог". В принципе его можно заменить подстроечником, установив один раз номинальный порог в виде редких щелчков,
примерно два-три в секунду. Далее следует микросхема 4046, в которой использован только ГУН. Далее мостовой усилитель мощности, выполненный на
логических элементах и питающийся непосредственно от батареи. Усилитель стоит для поднятия выходного напряжения, необходимого для питания
пьезокерамического звукового излучателя. Динамики в таких вещах нежелательны из-за наличия постоянного магнита. Ну и при использовании пьезика
потребление соответственно уменьшается.
В промышленном феррозонде ФТ-100 применены прецизионники AD704, AD822 и OPA490. Я всё построил на LM324 ибо платить по 500р за корпус,
да ещё и
уговаривать что бы магазины заказали для меня по одному корпусу этих чудных микросхем как то не захотел. По этому может потребоваться отдельная
балансировка каждого усилителя, особенно после сх-детектора. Выполнить можно традиционно, подав на неиспользуемый вход напряжение через резисторный
делитель с подстроечника, подключенного к плюсу и минусу питания. Конечно можно подать и на любой вход. Вполне можно применить прецизионники хоть
отечественные, такие как КР140УД14, УД17 или импортные одиночные ОР07, ОР17, ОР177 и пр., они хоть стоят немного. Но естественно габариты увеличиваются.
Если питание схемы 5 вольт, вполне думаю можно попробовать Р-Т-Р усилители AD8541..44. 8541 это одиночный ОУ, ..42 - сдвойка ..44 счетверёнка.
В процессе экспериментов были изменения скорее по удобству и по компонентам. Например крен на 6 вольт был заменён на 78L05 с подставкой. Хотя и 5 в
работает. Лучше применить LDO для более полного использования батареи. Вместо К561ЛН2 поставлена 561ЛЕ5 (их есть у меня) .
К561ТМ2 оказалась достаточной, что бы к ней непосредственно подключить транс или датчики, без дополнительных усилителей. Если мало будет раскачки,
то можно контур подключить к обоим выходам ТМ2.
Узел балансировки переделан немного. Переменник
на 100ком подключен между управлением ключей, а средний вывод с него через высокоомный резистор заводился на вход U1B. Номиналы некоторые пришлось
другие поставить. Усиления везде убавить. В каскад после синхродетектора U2B была введена балансировка нуля, а то уровень на выходе был какой то
зверский в отсутствии сигнала. Номиналы вообще то всё равно получается условно проставлены, под другие датчики номиналы всё равно изменятся. Так что
подбирать придётся под себя и под свои датчики. Напомню - датчики на кольцах или на сдвоенных стержнях как у Щедрина в 3-й книге, дифференциальные.
Что бы выходной сигнал с них был сбалансированный.
Сейчас делаю экспериментальный прожект феррозонда с нескомпенсированными датчиками. Т.е. в книге А.Щедрина датчики скомпенсированы
и имеют на выходе ноль в отсутствии поля. Кольцевые датчики тоже являются скомпенсированными, сигнал с которых можно подавать сразу на усилитель и
усиливать хоть в 100 раз. Я же хочу сделать отдельные датчики, а компенсацию производить уже на входе схемы, на подстроечнике, и только потом
подавать в схему. Были изготовлены датчики из пермаллоя 79НМ, размер сердечников 30 х 1 х 0,08. Обмотка возбуждения состоит из 520 витков провода 0,1.
Приёмная 2000 витков провода 0,06.
Собираюсь включить датчики встречно, со средней точной на земле, а два других вывода на подстроечник балансировки
или через резисторы на подстроечник, для меньшего влияния подстроечника. А уже со среднего вывода подстроечника на усилитель, когда сигнал будет
скомпенсирован. После усиления традиционно синхродетектор, усилитель, выпрямитель, ГУН, усилитель мощности. Ручная балансировка вводом до детектора
противофазных сигналов 8 кгц. Не знаю что получится и когда, ибо занимаюсь экспериментами только когда творческое настроение. Алгоритм появления
которого совершенно непонятен, так что сори...
В заключении пару слов по общей постройке феррозонда: ошибка начинающих строителей в том, что они сразу хотят своим магнитометром луну
зацепить. Забывая, что магнитное поле луны в тысячи раз меньше земного и и увеличение чувствительности каскадов здесь не поможет.
Наоборот усиления изначально должны быть минимальными. Что бы не сбивались датчики помехами и окружающей обстановкой.
К тому же пока зонд не настроен и не отъюстирован, реакция датчиков на магнитное поле будет сильная. Лишь когда датчики уже грубо настроены, когда
коэффициенты преобразования за счёт разного усиления сбалансированы, лишь тогда усиление значительно упадёт. Ведь теперь датчики работают
с вычитанием, а не как отдельные элементы. И только теперь можно вкрутить усиление и производить более тонкую настройку.
Не следует сразу выставлять базу метр и более. Чем больше база, тем труднее свести датчики. Оптимально начинать с 40 см, даже с 20-и. Когда на 20 будет
нормально и прогнозируемо работать, когда будет понятно что и куда крутить, когда опять же усиления будут все подобраны и настроены, тогда только
можно начинать разносить. Больше метра считаю совершенно не нужно, даже метра много уже. Но это моё мнение, оно не важно.
Выводы:
Прожект откладывается в долгий ящик на неопределённый срок. С данными кольцами не удалось свести датчики.
При регулировке положений датчиков никакой реакции не наблюдалось. Оба датчика двигались на небольшой угол 2-3 градуса в двух плоскостях, что бы
добиться соосности и параллельности магнитных осей и оси штанги. Но однако никаких изменений в поведении градиометра не было.
Материалы:
Афанасьев. Феррозонды. на данный момент попадалось 3 книги. Гуглятся.
Flux Gate magnetometer гуглится в разных вариациях написания.
3-я книга Андрея Щедрина. "Металлоискатели для поиска кладов и реликвий." -- гуглится.
Директор фирмы АКА. Статья по феррозондам.
Назад.
