Схемы простых индикаторов электрических и магнитных полей

Индикаторы электрических полей могут быть использованы для индивидуальной защиты электромонтеров, при поиске мест повреждений электрических сетей.

С их помощью определяется наличие электростатических зарядов в полупроводниковом, текстильном производствах, хранилищах легковоспламеняющихся жидкостей.

При поиске источников магнитных полей, определении их конфигурации и исследовании полей рассеяния трансформаторов, дросселей и электродвигателей не обойтись без индикаторов магнитных полей.

Схема индикатора магнитного поля

Собранный из нескольких деталей индикатор оказывается совершенно неинерционным и сравнительно чувствительным, чтобы, к примеру, определить намагниченность лезвия бритвы или часовой отвертки. Кроме того, подобный прибор пригодится в школе для демонстрации явления индукции и самоиндукции.

Каков принцип работы схемы индикатора магнитного поля? Если вблизи катушки, лучше всего со стальным сердечником, пронести постоянный магнит, его силовые линии пересекут витки катушки. На выводах катушки появится ЭДС, величина которой зависит от напряженности магнитного поля и числа витков катушки. Остается усилить снимаемый с выводов катушки сигнал и подать его, например, на лампу накаливания от карманного фонаря.

Датчиком является катушка индуктивности L1, намотанная на железном сердечнике. Она подключена через конденсатор С1 к усилительному каскаду, выполненному на транзисторе VT1. Режим работы каскада задается резисторами R1 и R2. В зависимости от параметров транзистора (статический коэффициент передачи и обратный ток коллектора) оптимальный режим работы устанавливают переменным резистором R1.

В эмиттерную цепь транзистора первого каскада включен составной транзистор VT2-VT3 из транзисторов разной структуры.

Нагрузкой этого транзистора является сигнальная лампа HL1. Для ограничения максимального коллекторного тока транзистора VT3 в цепи базы транзистора VT2 стоит резистор R3.

Как только вблизи сердечника датчика окажется намагниченный предмет, появившийся на выводах катушки сигнал усилится, и сигнальная лампа на мгновение вспыхнет. Чем больше предмет и сильнее его намагниченность, тем ярче вспышка лампы.

Схема индикатора магнитного поля, вроли датчика лучше всего использовать катушку с сердечником от электромагнитных реле РСМ, РЭС6, РЗС9 или других, сопротивлением обмотки не менее 200 Ом. Учтите, чем больше сопротивление обмотки, тем более чувствительным будет индикатор.

Неплохие результаты получаются с самодельным датчиком. Для него берут отрезок стержня диаметром 8 и длиной 25 мм из феррита 600НН (от магнитной антенны карманных приемников). На длине примерно 16 мм на стержень наматывают внавал 300 витков провода ПЭВ-1 0,25. 0,3, размещая их равномерно по всей поверхности. Сопротивление обмотки такого датчика примерно 5 Ом. Чувствительность датчика, необходимая для работы прибора, обеспечивается благодаря высокой магнитной проницаемости сердечника. Чувствительность зависит также от статического коэффициента передачи тока транзисторов, поэтому желательно использовать транзисторы с возможно большим значением этого параметра. Кроме того, транзистор VT1 должен быть с небольшим обратным током коллектора. Вместо МП103А можно применить КТ315 с любым буквенным индексом, а вместо МП25Б — другие транзисторы серий МП25, МП26, обладающие коэффициентом передачи не менее 40.

Схема индикатора магнитного поля расположение радиокомпонентов. Часть деталей индикатора смонтируйте на плате из любого изоляционного материала (гетинакс, текстолит, оргалит) . Монтаж навесной, для подпайки выводов деталей установите на плате шпильки длиной 8. 10 мм из толстого (1. 1.5 мм) облуженного медного провода. Вместо шпилек можно расклепать на плате пустотелые заклепки либо установить небольшие скобки из жести от консервной банки. Так же поступайте в дальнейшем при изготовлении плат для навесного монтажа. Соединения между шпильками ведите голым луженым монтажным проводом, а в случае пересечения проводников надевайте на один из них отрезок поливинилхлоридной трубки либо кембрика.

Монтажная плата индикатора магнитного поля
После монтажа деталей к плате подпаивают проводниками в изоляции датчик, переменный резистор, сигнальную лампу, выключатель и источник питания. Включив питание, устанавливают движок переменного резистора в такое положение, чтобы нить накала лампы едва светилась. Если же нить сильно раскалена даже при верхнем по схеме положении движка, следует заменить резистор R2 другим, с большим сопротивлением.

Перед сердечником датчика помещают ненадолго небольшой магнит. Лампа должна ярко вспыхнуть. Если же вспышка слабая, это свидетельствует о малом коэффициенте передачи транзистора VT1. Его желательно заменить.

Затем к сердечнику датчика нужно приблизить конец намагниченной отвертки. Намагнитить ее нетрудно несколькими касаниями сравнительно сильного постоянного магнита, например магнита динамической головки мощностью 1 Вт. С намагниченной отверткой яркость вспышки сигнальной лампы будет меньше, чем с постоянным магнитом. Совсем слабой будет вспышка, если вместо отвертки использовать намагниченное лезвие безопасной бритвы.

Феррозондовые (векторные) магнитометры

Одним из видов магнитометров являются феррозонды. Феррозонд был изобретен Фридрихом Фёрстером (Friedrich Förster) в 1937 году и служит для определения вектора индукции магнитного поля.

Прочитать о моем прототипе феррозондового магнитометра можно здесь.

Конструкция феррозонда

одностержневой феррозонд

Простейший феррозонд состоит из пермаллоевого стержня, на котором размещена катушка возбуждения ((drive coil), питаемая переменным током, и измерительная катушка (detector coil).

Пермаллой — сплав с магнитно-мягкими свойствами, состоящий из железа и 45-82 % никеля. Пермаллой обладает высокой магнитной проницаемостью (максимальная относительная магнитная проницаемость ~100 000) и малой коэрцитивной силой. Популярной маркой пермаллоя для изготовления феррозондов является 80НХС – 80 % никеля + хром и кремний с индукцией насыщения 0,65-0,75 Тл, применяется для сердечников малогабаритных трансформаторов, дросселей и реле, работающих в слабых полях магнитных экранов, для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле, для сердечников магнитных головок. Зависимость относительной магнитной проницаемости от напряженности поля для некоторых сортов пермаллоя имеет вид –

Если на сердечник накладывается постоянное магнитное поле, то в измерительной катушке появляется напряжение четных гармоник, величина которого служит мерой напряженности постоянного магнитного поля. Это напряжение отфильтровывается и измеряется.

двухстержневой феррозонд В качестве примера можно привести устройство, описанное в книге Каралиса В.Н. “Электронные схемы в промышленности” –


Прибор предназначен для измерения постоянных магнитных полей в диапазоне 0,001 … 0,5 эрстед. Обмотки возбуждения датчика L1 и L3 включены встречно. Измерительная обмотка L2 намотана поверх обмоток возбуждения. Обмотки возбуждения питаются током частоты 2 кГц от двухтактного генератора с индуктивной обратной связью. Режим генератора стабилизируется по постоянному току делителем на резисторах R8 и R9.

феррозонд с тороидальным сердечником Одним из популярных вариантов конструкции феррозондового магнитометра является феррозонд с тороидальным сердечником (ring core fluxgate) –

По сравнению со стержневыми феррозондами такая конструкция имеет меньшие шумы и требует создания намного меньшей магнитодвижущей силы.

Этот датчик представляет собой обмотку возбуждения, намотанную на тороидальном сердечнике, по которой протекает переменный ток с амплитудой, достаточной для ввода сердечника в насыщение, и измерительную обмотку, с которой снимается переменное напряжение, которое и анализируется для измерения внешнего магнитного поля. Измерительная обмотка наматывается поверх тороидального сердечника, охватывая его целиком (например, на специальном каркасе) –


Эта конструкция аналогична первоначальной конструкции феррозондов (конденсатор добавлен для достижения резонанса на второй гармонике) –

В https://motivationtolearn.org/wordpress/?p=1347 описан феррозонд с сердечником из мотка омедненных стальных проводов для телефонии HC-734A диаметром 0,5 мм – Обмотка возбуждения содержит около 200 витков. Параллельно обмотке включены два конденсатора 0,47 мкФ и 0,22 нФ, которые служат для выделения cинусоиды первой гармоникиcиз прямоугольного сигнала частотой 2,5 кГц, поступающего с выхода (ножка 3) таймера NE555 через потенциометр 10 кОм и конденсатор 10 мкФ. Измерительная обмотка содержит 500 витков с параллельно включенным конденсатором 3,3 нФ, который настраивает контур в резонанс на частоте второй гармоники 5 кГц. Автор этого проекта – Graeme Keon:

ортогональный феррозонд Также применяются ортогональные (orthogonal) феррозонды –

В случае ортогонального феррозонда его сердечник соответствует цилиндрам (“бочонкам”) (ferrite beads), используемым в ферритовых фильтрах, одетых на различные кабели. Размеры таких цилиндров отличаются друг от друга –

Принцип работы феррозонда

Феррозонд является разновидностью ферроиндукционного преобразователя. Главной особенностью таких преобразователей является изменение магнитной проницаемости $mu$ сердечника под внешним воздействием (механическим, тепловым или магнитным).

Рассмотрим принцип работы феррозонда с тороидальным сердечником.При отсутствии внешнего магнитного поля в измерительной катушке не наводится ЭДС, так как магнитные потоки, создаваемые током обмотки возбуждения в двух половинках сердечника одинаковы по величине и противоположны по направлению и взаимно компенсируются. Если же на сердечник накладывается внешнее магнитное поле, то возникает дисбаланс, так как в одной половинке сердечника это поле складывается с полем возбуждения, а во второй – вычитается. Из-за этого в измерительной обмотке наводится ЭДС, которая имеет вид коротких импульсов.


Для оценки силы внешнего магнитного поля анализируется величина второй гармоники этой ЭДС, так как несимметрия датчика проявляется сильнее в возникновении нечетных гармоник.

блок-схема феррозонда

Профессиональные феррозондовые магнитометры

Ebinger Magnex

Foerster Ferex

Schiebel Dimads (трехосевой)

Применение феррозондовых магнитометров Феррозонды используются для поиска полезных ископаемых (например, нефти), контроля багажа, исследования материалов, проверки эффективности магнитного экранирования, поиска подводных трубопроводов…

Инцидент с водородной бомбой (Tybee Bomb) Наиболее экзотичен случай использования феррозонда для поиска утерянной вблизи калифорнийского берега американской атомной бомбы. Этот инцидент получил название Tybee Bomb. 5 февраля 1958 года пилот бомбардировщика B-47 “Stratojet” был вынужден после столкновения в воздухе с истребителем F-86 “Saberjet” сбросить водородную бомбу Mark 15 с высоты 7200 футов в океан вблизи южного берега необитаемого острова Little Tybee для обеспечения безопасной посадки – бомба MK15

экипаж B-47 (слева направо – Howard Richardson, Robert Lagerstrom, Leland Woolard)

Бомба так и не была найдена! Подробнее об этом Вы можете прочитать в интересной книге “Chasing Loose Nukes” полковника Derek L. Duke:

Поиск подводных лодок На сайте Natural Resources Canada в виртуальном музее (https://geomag.nrcan.gc.ca/lab/vm/fluxgate-eng.php) представлен феррозондовый магнитометр, использовавшийся во время Второй Мировой войны для поиска подводных лодок с воздуха –


На сайте John H. Lienhard (https://uh.edu/engines/epi2381.htm) представлена фотография самолета в воздухе с подвешенным феррозондом –

Модуль датчика Холла KY-003

Данный модуль предназначен для обнаружения магнитного поля при помощи эффекта Холла. Этот эффект состоит в том, что в проводнике с постоянным током, помещенном в магнитное поле возникает поперечная разность потенциалов 3.

Габариты 28 х 15 мм, масса модуля 1,2 г. На плате имеется два крепежных отверстия диаметром 2 мм на расстоянии 10 мм друг от друга. Для подключения служит трехконтактный разъем. Центральный контакт – питание +5В, контакт «-» – общий, контакт «S» – информационный. Когда индукция магнитного поля превышает заданное значение на информационном выходе модуля высокий логический уровень сменяется на низкий. На модуле имеется светодиод, который загорается при срабатывании датчика. В качестве иллюстрации можно загрузить на плату Arduino UNO программу LED_with_button [4], и подключить вместо кнопки данный модуль.

Модуль срабатывает только на северный полюс магнита, порог срабатывания достаточно высокий, магнит нужно подносить вплотную. Потребляемый ток 6,3 мА в ждущем режиме и составляет 11 мА при срабатывании.

Из недостатков следует отметить, что довольно сложно найти взаимную конфигурацию магнита и датчика для надежного срабатывания.

Поскольку модуль реагирует на определенное пороговое значение магнитного поля, то самым очевидным применением такого датчика может быть использование этого датчика вместо геркона. Хотя геркон это весьма надежный прибор, все же в его конструкции имеются подвижные механические контакты, в отличие от него датчик Холла никаких подвижных деталей не имеет. К примеру, можно установить данный модуль на дверном косяке, на полотне двери напротив него установить магнит, получится датчик открывания двери для сигнализации или умного дома, аналогично можно организовать подсчет оборотов колеса, закрепив на нем магнит и поместив в непосредственной близости от него этот датчик.

Процесс сборки

Сборка предполагает использование макетной платы размером не менее 15 x 24 отверстия, и особое внимание обращается на расположение элементов на ней. На фотографиях показано рекомендуемое расположение каждого из радиоэлементов и какие связи между ними выполнить. Перемычки на печатной плате можно выполнить из фрагментов кабеля или отрезанных ножек от других элементов (резисторы, конденсаторы), которые остались после их монтажа.

Сначала надо впаять катушки L1 и L2. Хорошо отодвинуть их друг от друга, что даст нам пространство и увеличит эффект стерео. Эти катушки являются ключевым элементом схемы – они ведут себя как антенны, которые собирают электромагнитное излучение из окружающей среды.

После впайки катушек можно установить конденсаторы C1 и C2. Их емкость составляет 2,2 мкФ и определяет нижнюю частоту среза звуков, которые будут услышаны в наушниках. Чем выше значение ёмкости, тем ниже звуки воспроизводящиеся в системе. Большая часть мощного электромагнитного шума лежит на частоте 50 Гц, так что есть смысл его отфильтровать.

Далее припаиваем резисторы по 1 кОм – R1 и R2. Резисторы эти, вместе с R3 и R4 (390 кОм) определяют усиление операционного усилителя в схеме. Инвертирование напряжения не имеет в нашей системе особого значения.

Виртуальная масса – резисторы R5 и R5 с сопротивлением 100 кОм. Они являются простым делителем напряжения, который в данном случае будет делить напряжение 9 V на половину, так что с точки зрения схемы питается м/с напряжением -4,5 V и +4,5 V по отношению к виртуальной массе.

Можно поставить в панельку операционный усилитель любой со стандартными выводами, например OPA2134, NE5532, TL072 и другие.

Подключаем аккумулятор и наушники – теперь мы можем использовать этот акустический монитор для прослушки электромагнитных полей. Батарею можно приклеить к плате скотчем.

Модуль на основе геркона KY-021

Датчик представляет собой нормально разомкнутый геркон с добавочным сопротивлением 10 кОм 5.

Габариты модуля 24 х 17 мм, масса 1,2 г. Для подключения служит трехконтактный разъем. Центральный контакт – питание +5В, контакт «-» – общий, контакт «S» – информационный.

Модуль датчика Холла (линейный) KY-024

Модуль предназначен для измерения напряженности постоянного магнитного поля 10.

Габариты модуля 44 х 15 х 13 мм, масса 2,8 г., в плате модуля имеется крепежное отверстие диаметром 3 мм. Чувствительным элементом служит датчик Холла SS49E. Индикация подачи питания осуществляется светодиодом L1.

Датчик имеет четыре контакта. «A0» – аналоговый выход, напряжение на котором меняется в зависимости от индукции магнитного поля. Выводы питания «G» – общий провод, «+»– питание +5В. На цифровом входе «D0» присутствует низкий логический уровень, если напряженность магнитного поля не превышает заданного порога, при срабатывании датчика низкий уровень меняется на высокий. Порог срабатывания цифрового канала датчика можно менять многооборотным подстроечным резистором. При срабатывании датчика загорается светодиод L2.

Потребляемый ток 9 мА в ждущем режиме и 11 мА при срабатывании.

Модуль срабатывает только на северный полюс магнита. Максимальное расстояние срабатывания 6 мм.

Аналоговый канал позволяет организовать измерение количественных характеристик магнитного поля. Показания на аналоговом порте Arduino UNO меняются от 550 до 200 единиц в зависимости от расстояния до магнита (в память Arduino UNO была загружена программа AnalogInput2).

Настройка магнитометров

Для тестирования феррозонда можно использовать катушки Гельмгольца. Катушки Гельмгольца используются для получения практически однородного магнитного поля. В идеальном случае они представляют собой два одинаковых кольцевых витка, соединенных между собой последовательно и расположенных на расстоянии радиуса витка друг от друга. Обычно катушки Гельмгольца состоят из двух катушек, на которых намотано некоторое количество витков, причем толщина катушки должна быть много меньше их радиуса. В реальных системах толщина катушек может быть сравнима с их радиусом. Таким образом, можно считать системой колец Гельмгольца две соосно расположенных одинаковых катушки, расстояние между центрами которых приблизительно равно их среднему радиусу. Такую систему катушек называют также расщепленный соленоид (split solenoid).

В центре системы имеется зона однородного магнитного поля (магнитное поле в центре системы в объеме 1/3 радиуса колец однородно в пределах 1%), что может быть использовано для измерительных целей, для калибровки датчиков магнитной индукции и т. д.

Магнитная индукция в центре системы определяется как $B = mu _0,{left( {4over 5}right) }^{3/2} , {INover R}$, где $N$ – число витков в каждой катушке, $I$ – ток через катушки, $R$ – средний радиус катушки.

Также катушки Гельмгольца могут быть использованы для экранирования магнитного поля Земли. Для этого лучше всего использовать три взаимно перпендикулярные пары колец, тогда не имеет значения их ориентация.

Модуль с герконом KY-025

Чувствительным элементом модуля является обычный геркон, работающий вместе с компаратором на микросхеме LM393YD, по заверениям продавцов 13 это позволяет уменьшить, ток, протекающий через контакты геркона, и тем самым увеличить его ресурс.

Габариты модуля 45 х 18 х 13 мм, масса 2,8 г., аналогично предыдущему случаю в плате модуля имеется крепежное отверстие диаметром 3 мм. Индикация питания осуществляется светодиодом L1.

При срабатывании геркона загорается светодиод L2. Потребляемый ток 3,7 мА в ждущем режиме и 5,8 мА при срабатывании.

Какой порог чувствительности должен регулироваться переменным резистором неясно, видимо данные модули с компаратором LM393YD являются стандартными и к ним припаивают различные датчики в зависимости от назначения конкретного модуля. Разумеется, модуль срабатывает дискретно как кнопка, в чем можно убедиться с помощью программы LED_with_button [4]. На выводе «A0» постоянно присутствует напряжение питания +5В. Выводы питания «G» – общий провод, «+»– питание +5В. На цифровом входе «D0» присутствует низкий логический уровень, при срабатывании геркона низкий уровень меняется на высокий. Целесообразность данного модуля, по мнению автора, спорна, учитывая, что и в простейшем случае включения геркона типа модуля KY-021 сила тока, протекающая через контакты геркона, существенно меньше одного миллиампера.

Модуль датчика Холла KY-035

Данный модуль представляет собой микросхему SS49E, без каких либо дополнительных устройств [14]. Установка микросхемы на плате в данном случае может быть объяснена, только требованиями унификации при создании данного набора датчиков.

Габариты модуля 29 х 15 мм, масса 1,2 г. Для подключения служит трехконтактный разъем. Центральный контакт – питание +5В, контакт «-» – общий, контакт «S» – информационный.

Потребляемый модулем ток составляет около 6 мА и не зависит от состояния датчика.

При отсутствии внешнего магнитного поля на информационном выходе присутствует напряжение равное половине напряжения питания. Внешнее постоянное магнитное поле приводит к тому, что напряжение на информационном выходе начнет увеличиваться или уменьшатся в зависимости от полярности магнита. В этом легко убедиться, используя программу AnalogInput2

С помощью данного модуля можно организовать контроль расстояния до источника магнитного поля, подсчет числа оборотов и т.п. Микросхема чувствительна к магнитному полю с индукцией в диапазоне 600-1000 Гс [15].

Дополнительные возможности

Что можно добавить, чтобы увеличить функциональность? Регулятор громкости — два потенциометра между выходом из схемы и гнездом для наушников. Выключатель питания — сейчас схема включена все время, пока не отсоединится батарейка.

При испытаниях оказалось, что устройство очень чувствительно на источника поля. Вы можете услышать, например, как обновляется экран в мобильном телефоне, или как красиво поет кабель USB во время передачи данных. Приложенный к включенному громкоговорителю работает как обычный и вполне точный микрофон, который собирает эл-магнитное поле катушки работающего динамика.

Хорошо ищет кабеля в стене, на манер трассоискателя. Только надо поднять НЧ, увеличив все 4 ёмкости до 10 мкФ. Недостатком является довольно большой шум и ещё сигнал слишком слабый — нужен какой-то дополнительный усилитель мощности, например на PAM-8403.

Полезные ссылки

  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Холла
  2. https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-datchika-holla
  3. https://14core.com/wiring-hall-effect-sensor-switch-magnet-detector-module/
  4. https://robocraft.ru/blog/arduino/57.html
  5. https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-na-osnove-gerkona
  6. https://zi-zi.ru/module/module-ky021
  7. https://2shemi.ru/mehanicheskie-datchiki-dlya-arduino/
  8. https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/gerkony/
  9. https://electrik.info/main/school/419-gerkony-sposoby-upravleniya.html
  10. https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-datchika-holla-_lineynyiy_
  11. https://zi-zi.ru/module/module-ky024
  12. https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-magnitnyiy-datchik-s-gerkonom
  13. https://zi-zi.ru/module/module-ky025
  14. https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-datchika-holla_
  15. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гаусс_(единица_измерения)

Все файлы документации и программ находятся в общем архиве. Обзор подготовил Denev.

Источник

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 4 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Для любых предложений по сайту: [email protected]