Lucrarea nr.7

Sistem automat de demagnetizare cu ferosonde montate pe catarg

Descrierea funcţionării

Aspecte privind funcţionarea ferosondei ca traductor de câmp magneticFerosonda reprezintă un traductor sensibil la câmpul magnetic exterior constant sau lent

variabil. Forma cea mai utilizată este ferosonda diferenţială, reprezentată în fig. 3.27.

7

Fig. 3.27 Ferosonda diferenţială

1 - miezuri de permalloy; 2 - înfăşurarea de excitaţie;3 - înfăşurarea secundară; 4 - carcasa interioară;5 - crestături pentru miezuri; 6 - carcasa exterioară;7 - contacte de ieşire

Ferosonda diferenţială se compune din două miezuri de permalloy, executate sub forma a douăbare subţiri de secţiune dreptunghiulară, de dimensiuni egale. Deasupra barelor se execută înfăşurărilede excitaţie, cu acelaşi număr de spire şi conectate în opoziţie la o sursă de curent alternativ, de frecvenţăf.Înfăşurarea secundară, din care se culege un semnal proporţional cu câmpul exterior măsurat, estecomună celor două miezuri.

Curentul care parcurge înfăşurările de excitaţie creează câmpul H1, egal şi de sens contrar încele două miezuri. Considerând câmpul exterior de măsură H0, inducţiile în cele două miezuri vor fi:

1010 HHBHHB (3.7)

Ca urmare, în secundar se induce tensiunea electromotoare:

BBdtdswe 2 (3.8)

unde:s = secţiunea transversală a miezurilor

w2 = numărul de spire al înfăşurării secundare

Apariţia tensiunii electromotoare în înfăşurarea secundară a ferosondei diferenţiale cu miezuriidentice este posibilă, în principiu, numai în cazul nelianiarităţii caracteristicii B = f(H). Într-adevărdacă am presupune că aceste caracteristici sunt lineare a obţinem:

0aH2BB (3.9)

şi

0dtdHsw2e 0a2 (3.10)

Pentru obţinerea nelinearităţii caracteristicilor B=f(H), intensitatea câmpului magnetic deexcitaţie H1 depăşeşte de circa 2 ori valoarea intensităţii câmpului magnetic de saturaţie al materialului.

Pentru descrierea fenomenelor, caracteristica B=f(H) se aproximează cu un polinom de gradul3 (aproximarea care se face este suficient de bună pentru calcule practice).

3bHaHB (3.11)

unde a şi b sunt coeficienţii de aproximaţie, care depind de material şi de forma miezurilor.Introducând această substituire în relaţia 5.34 se obţine:

31

2101

20

301o

31

2101

20

301o

bHHbH3HbH3bHaHaHB

bHHbH3HbH3bHaHaHB

(3.12)

Ţinând seama că tsinHH m1 şi H0= constant şi efectuând suma relaţiilor 5.39 rezultă:

t2cosHbH3HbH3bH2aH2BB 2m0

2mo

30o (3.13)

şi

t2sinHHbsw6e 2m02 (3.14)

unde f2 este pulsaţia intensităţii câmpului de excitaţie şi Hm amplitudinea acestuia.Din expresia (3.14) se observă că tensiunea indusă în secundar are frecvenţa dublă şi este direct

proporţională cu intensitatea câmpului magnetic exterior H0.În fig. 3.28 este dată schema bloc de magnetometru cu ferosondă cu ieşire pe armonica a 2-a.

Fig. 3.28 Magnetometru cu ferosondă cu ieşire pe armonica a 2-a

1 - ferosonda; 2 - amplificator selectiv; 3 - detector sincron;4 - aparat înregistrator; 5 - generator de frecvenţă; 6 - dublor de frecvenţă

Indicaţiile aparatului de înregistrare sunt proporţionale cu intensitatea câmpului exterior carese măsoară, H0.

Posibilitatea de utilizare a magnetometrelor cu ferosondă la rezolvarea diferitelor problemetehnice, poate fi apreciată după proprietăţile lor, care se pot rezuma astfel:

1. Domeniul intensităţilor de câmp magnetic, care poate fi măsurat, este foarte larg, de la circa10-6 până la 10 Oe.

2. Viteza de răspuns este, în general, 10 ns la 50 ns.3. Dimensiunile pot fi făcute foarte mici, pentru a permite “măsurări punctiforme”.4. Robusteţe şi simplitate, sunt rezistente la şocuri şi vibraţii puternice.

5. Au diagramă de directivitate şi deci pot fi folosite la măsurarea componentelor câmpului saua unghiurilor.

6. Aparatele indicatoare sunt voltmetre sau miliampermetre.7. Din punct de vedere al sensibilităţii, în raport cu alte tipuri de magnetometre, sunt depăşite

numai de cele bazate pe fenomenul de rezonanţă nucleară.Datorită proprietăţilor lor, magnetometrele cu ferosondă au un câmp larg de aplicaţii în marina

militară. Dintre acestea se enumără:- descoperirea obiectelor feromagnetice, cum ar fi: mine, torpile neexplodate, epave;- aeromagnetometre cu ferosonde utilizate pentru descoperirea submarinelor în imersiune

(aparatul ASQ-1 de producţie SUA);- măsurarea câmpului magnetic al navei;- sisteme de măsurarea unghiului faţă de meridianul magnetic al locului, folosite la

hidrolocatoarele imersate (de tipul compaselor de inducţie folosite la aviaţie);- realizarea unor instalaţii de compensare a efectului drăgii electromagnetice asupra navei

dragoare;- realizarea unor canale de aprindere pentru minele magnetice;- sisteme automate pentru reglarea curenţilor în înfăşurările de demagnetizare;- staţie de măsură şi control pentru măsurarea stării magnetice a navei.

Sistem automat de demagnetizare cu ferosonde

Sistemul automat de demagnetizare cu ferosonde, a fost realizat pentru reglarea automată acurenţilor în înfăşurările de demagnetizare PL, OD, VD, funcţie de latitudinea şi drumul magnetic alnavei. Schema de principiu a acestui sistem este prezentată în fig. 3.29

Fig. 3.29 Schema de principiu a sistemului automat de demagnetizare

Sistemul se compune din trei canale de măsurare a componentelor câmpului magnetic terestru,descompus după axele navei: XT, YT şi ZT.

Canalele de măsură sunt identice şi fiecare din ele reprezintă un magnetometru, având catraductor de câmp ferosonda diferenţială. Pe fiecare canal semnalul de tensiune proporţional cu câmpulmăsurat este amplificat şi aplicat pe înfăşurarea de comandă a unei amplidine. De la bornele amplidineise alimentează înfăşurarea de demagnetizare, corespunzătoare acestui canal.

Schema bloc a unui canal de reglare este reprezentată înfig.3.30.

Fig. 3.30 Schema bloc a unui canal de reglare automată

Faţă de ferosonda analizată, cea prezentată în fig. 3.30, are suplimentar trei înfăşurări, folositepentru: reacţie negativă, compensare şi calibrare. Înfăşurarea de reacţie negativă produce un câmp desens contrar câmpului exterior de măsură, compensând permanent acţiunea asupra ferosondei. Prinfolosirea reacţiei negative, câmpul exterior aplicat asupra miezurilor de permalloy rămâne aproximativconstant şi de valoare foarte mică, în comparaţie cu câmpul exterior de măsură, îmbunătăţindu-seesenţial calităţile ferosondei.

Informaţia asupra valorii câmpului exterior se obţine în acest caz prin măsurarea curentului sautensiunii pe circuitul de reacţie negativă, valorile acestora fiind direct proporţionale cu câmpul exteriorde măsură.

Înfăşurările de compensare şi calibrare servesc pentru testarea periodică a funcţionării corectea canalului magnetometric.Ferosonda, generatorul de semnal 2f, divizorul 1/2, amplificatorul selectiv, detectorul sincron şiamplificatorul de curent continuu, formează împreună un magnetometru. Conectând un instrument detip voltmetru la bornele B1-B2 se obţin indicaţii proporţionale cu câmpul exterior de măsură.

De pe potenţiometrul “Magnetizare inductivă” se culege o tensiune proporţională cuintensitatea câmpului magnetic măsurat de ferosondă. Această tensiune amplificată în curent continuu,se aplică la bornele înfăşurării de comanda a amplidinei. Amplidina amplifică în putere semnalul de laintrare şi alimentează înfăşurarea de demagnetizare de pe canalul respectiv.

A doua parte a schemei bloc este de asemenea, prevăzută cu reacţie negativă, constituind un aldoilea sistem de reglare automată. Tensiunea de reacţie negativă este culeasă de la bornele unui şuntînseriat cu înfăşurarea de demagnetizare şi aplicată la intrarea amplificatorului de curent continuu.Prezenţa reacţiei negative face ca valoarea curentului din înfăşurarea de demagnetizare să urmăreascăfidel variaţiile câmpului magnetic măsurat de traductor. Se elimină în acest fel influenţe perturbatoareca: variaţia frecvenţei şi a tensiunii de alimentare, variaţia rezistenţei înfăşurării ca urmare a schimbăriitemperaturii mediului ambiant, fenomenul de histerezis al amplitudinii.

Ca urmare a celor prezentate, pe un canal de reglare curentul în înfăşurarea de demagnetizarese menţine automat direct proporţional cu valoarea componentei câmpului magnetic terestru a căreiacţiune este compensată de înfăşurare. Factorul de proporţionalitate şi deci, amplitudinea curentului înînfăşurare se fixează manual cu ajutorul potenţiometrului “Magnetizare inductivă” în urmamăsurătorilor experimentale făcute în poligonul de demagnetizare.

Schema din fig. 3.30 este prevăzută de asemenea, cu posibilitatea compensării magnetismuluipermanent rămas în urma prelucrării magnetice a navei prin metoda impulsurilor.

Pentru aceasta se introduce un semnal de valoare constantă la intrarea amplificatorului de curentcontinuu. Acest semnal este fixat cu ajutorul potenţiometrului “Magnetizare permanentă”. Curentul înînfăşurare, în acest caz, va fi proporţional cu suma celor două semnale.

Pentru verificarea funcţionării corecte a părţii magnetometrice se folosesc înfăşurările decompensare şi calibrare ale ferosondei, procedându-se astfel: se conectează un instrument de măsură labornele B1-B2, se conectează alimentarea înfăşurării de compensare şi se reglează curentul cu ajutorulpotenţiometrului “Compensare” până la anularea câmpului exterior şi deci obţinerea indicaţiei zero laaparatul de măsură. Se apasă pe butonul “Calibrare” şi prin aceasta se aplică înfăşurării de calibrare unsemnal care creează un câmp magnetic etalon. Acest câmp este indicat de instrumentul de măsură. Încazul în care indicaţia aparatului de măsură nu corespunde valorii etalonate în laborator, se modificăreacţia negativă a magnetometrului cu potenţiometrul “Calibrare” până se obţine valoarea dorită. Cuocazia acestor verificări se corectează şi influenţa pe care o are variaţia temperaturii asupra sensibilităţiiferosondei.

Canalul de reglare automată este prevăzut şi cu posibilitatea reglării manuale a curentului. Înaceastă situaţie, înfăşurarea de comandă a amplitudinii se conectează la un potenţiometru de reglaremanuală. Fixarea curenţilor se face manual urmărindu-se indicaţiile unui compas magnetic şi un tabelîn care sunt scrise valorile acestora, funcţie de drumul navei.

Având în vedere importanţa instalaţiei de demagnetizare pentru securitatea navei, s-a introdus oschemă logică pe fiecare canal, care avertizează personalul navei, optic şi acustic, atunci când pe unul saumai multe canale de reglare apar erori de funcţionare sau întreruperi. Această schemă nu este reprezentatăîn schema bloc din fig. 3.30.

Schema logică semnalizează optic şi acustic la apariţia următoarelor defecţiuni: absenţa tensiunilor stabilizate +20V, +18V, +5V; întreruperea circuitului de semnal, cuprinzând: înfăşurarea de semnal, conductele de legături,

primele etaje ale amplificatorului selectiv; întreruperea circuitului de excitaţie cuprinzând înfăşurarea de excitaţie, conductele de

legături, generatorul de semnal, divizorul de frecvenţă, amplificatorul de frecvenţă f; întreruperea circuitului de reacţie negativă al părţii magnetometrice, cuprinzând: detectorul

sincron, amplificatorul de curent continuu, înfăşurarea de reacţie negativă, conductele de legături; întreruperea circuitul de comandă al amplitudinii, circuitul de sarcină, conducte de legături.Conceperea schemei logice este relativ simplă. Se realizează operaţii de însumare a unor

semnale provenite din principalele puncte ale schemei canalului de reglare.Absenţa unuia sau a mai multor semnale se concretizează prin alimentarea unui releu care pune

în funcţiune avertizarea optică şi acustică. Schema lucrează în logică pozitivă, folosind circuiteleintegrate CDB400E ca inversor şi CDB440HE ca element final.

Potenţialele pozitive ale surselor sunt reduse prin circuite potenţiometrice la nivele 2,4-3 V,corespunzătoare stării logice 1. Potenţialele negative sunt aduse la nivel logic 0 prin compensare cuajutorul unor potenţiale pozitive corespunzător alese şi inversate în logic 1 cu circuitul CDB400E.Semnalele alternative sunt aduse la nivele logice pozitive prin grupuri de detecţie. În acest fel toatesemnalele aplicate la intrările circuitului integrat CDB440HE sunt de nivel logic 1. La ieşirea acestuiase obţine starea zero şi schema de avertizare nu funcţionează.

Absenţa unuia sau mai multor semnale de intrare modifică starea de ieşire din zero în unu şischema de avertizare este pusă în funcţiune.

Constructiv ferosondele sunt montate într-un bloc triaxial, formând blocul traductoarelor. Acestbloc se montează pe catargul navei în punctul cel mai înalt, astfel încât influenţa câmpului navei să fieminimă.

În fig. 3.31 este prezentată o vedere a aparatului“Sistem automat de demagnetizare”.

Caracteristicile tehnice ale aparatului sunt:- Limita maximă a câmpului exterior de măsură: 500+7,5 mOe;- Tensiunea de alimentare: 220V+5% 50Hz;- Puterea consumată: circa 20 VA;- Precizia în reglarea curenţilor 1,5%;

- Condiţiile de mediu în care funcţionează: temperatură- 0 - +30oC, umiditate 80%;- Dimensiuni de gabarit:630 x 510 x 260;- Greutate: 40 kg.Precizia în reglarea curentului din înfăşurarea de demagnetizare, funcţie de intensitatea

câmpului exterior, a fost determinată pentru o amplitudine tip MY - 5 cu parametrii de intrareUC=10V, IC=2-3 mA şi parametrii de ieşire Ue=115V, Ie=6,8A.

În fig. 3.32 şi 3.33 sunt reprezentate caracteristicile de transfer obţinute. Pentru a reducehisterezisul amplidinei s-a mărit reacţia negativă până la 500 mV. Eroarea de explorare a elipsei din fig.3.32 generată de histerezisul amplidinei este mai mică de 1,5% pentru curentul maxim corespunzătorunui câmp exterior de 500+7,5 mOe.

În fig.3.33 se dă caracteristica I=f (Dm) care reprezintă variaţia curentului în înfăşurare, funcţiede unghiul dintre axa sondei şi meridianul magnetic.

Fig. 3.31 Sistem automat de demagnetizare-vedere generală

Fig. 3.32 Variaţia curentului de sarcină în funcţie de câmpul magneticexterior

Fig. 3.33 Variaţia curentului de sarcină în funcţie de unghiul dintre axa ferosondei şi axa câmpuluiH=const.

Curbele reprezintă sinusoide corespunzând la trei situaţii distincte:Absenţa magnetizării permanente Hperm = 0, magnetizare permanentă pozitivă Hperm>0 şi

magnetizare permanentă negativă Hperm<0. Abaterea calculată de la sinusoidă este de aproximativ 1,5%.Din datele experimentale rezultă că eroarea maximă în reglarea curentului este de 1,5%.Montarea sistemului automat de demagnetizare pe navele cu corp de masă plastică sau lemn,

nu ridică nici un fel de probleme.La navele cu corp feromagnetic problema care se ridică este găsirea unui loc pentru montarea

blocului traductoarelor, astfel încât influenţa câmpului navei asupra acestora să fie minimă. Acest loceste de regulă ales pe catargul principal, în punctul cel mai înalt, în afara fasciculului antenei deradiolocaţie şi la o distanţă de minim1,5 m de orice alt obiect feromagnetic. Din măsurătorile experimentale rezultă că în asemenea zonecâmpul navei este de ordinul unităţilor de mOe. Având în vedere că ferosondele măsoară componentelecâmpului geomagnetic care sunt de ordinul sutelor de mOe, eroarea introdusă de prezenţa câmpuluinavei este relativ mică.

De asemenea, navele cu corp feromagnetic au de cele mai multe ori suprastructura din aluminiu,din motive de reducere a deplasamentului, ceea ce uşurează condiţiile de montarea ferosondelor.

3.4.2 Modul de desfăşurare a lucrării -L10

În figura 3.31 se prezintă vederea generală a sistemului automat de demagnetizare iar înfigura 3.34 se prezintă panoul standului de încercări.

Pregătirea pentru funcţionare

1. Mânerele tuturor întrerupătoarelor se pun în poziţia „Deconectat”.

Fig.

3.34 Stand de încercări pentru sistemul automat de demagnetizare

3. Comutatorul de conectare a înfăşurărilor se pune pe poziţia 1 - SAD.4. La tabloul de alimentare se pune comutatorul „Alimentare” pe una din poziţiile 1 sau 2.5. Pe canalele OD, VD şi PL se pornesc amplidinele prin fixarea întrerupătoarelor în poziţia 1.6. Se conectează înfăşurările de demagnetizare .7. Se conectează alimentarea sistemului automat de demagnetizare. Pe panoul SAD se aprinde

lampa „Alimentare 220V, 50Hz”.

Reglarea manuală a curenţilor în înfăşurări

8. Reglarea manuală a curentului în înfăşurarea OD se execută astfel:a) Se fixează comutatorul pe poziţia „Manual pozitiv”.b) Prin manevrarea potenţiometrului „Reglare manuală” se urmăreşte creşterea curentului în

înfăşurare de la zero spre valori pozitive.c) Se micşorează curentul până la anulare după care se comută pe poziţia „Manual negativ”.d) Prin manevrarea potenţiometrului „Reglare manuală” se constată creşterea curentului spre

valori negative.9. Se repetă verificările de la punctul 8 pentru canalele VD şi PL.

Verificarea funcţionării părţii magnetometrice

10. Pentru canalul OD verificarea se face astfel:a) Se montează un instrument de măsură la bornele de „Măsură” (voltmetru de cc 0 - 30V).b) Se fixează comutatorul pe poziţia „Control alimentare” şi se măsoară tensiunea. Dacă toate

sursele de alimentare funcţionează normal, semnalul de tensiune măsurată este 20V. Indicarea unorvalori mai mari sau mai mici indică absenţa unei tensiuni de alimentare.

c) Se fixează comutatorul pe poziţia „Calibrare” şi este alimentată înfăşurarea de compensare.d) Prin reglarea potenţiometrului „Compensare” se obţine anularea indicaţiei aparatului de

măsură (anularea câmpului magnetic exterior).e) Se apasă pe butonul „Calibrare” şi se aplică pe înfăşurarea de calibrare un semnal care

creează un câmp magnetic etalon.f) Aparatul de măsură indică o tensiune proporţională cu câmpul magnetic etalon.g) Dacă valoarea măsurată nu corespunde valorii etalon, se manevrează potenţiometrul

„Calibrare” până la obţinerea valorii etalon.11. Se repetă verificările de la punctul 10 pentru canalele VD şi PL.

Funcţionarea în regim automat

12. Pentru trecerea canalului OD în regim de lucru automat se procedează astfel:a) Se fixează comutatorul de regimuri în poziţia „Automat” şi comutatorul canalului OD pe

poziţia „Funcţionare”.

b) Se roteşte blocul ferosondelor astfel încât ferosonda corespunzătoare canalului OD să fie pedirecţia N-S. În această poziţie indicaţia aparatului conectat la bornele „Măsură” are valoarea maximă.

c) Se fixează comutatorul „Testare - funcţionare” pe poziţia „Test inductiv”.d) Prin reglarea potenţiometrului „Magnetizare inductivă” se fixează valoarea maximă a

curentului în înfăşurarea OD.13. Se repetă reglajele de la punctul 12 pentru fixarea curenţilor în înfăşurările VD şi PL.

14. Prin rotirea spre stânga şi spre dreapta a blocului ferosondelor se constată că pe direcţia N-Scurentul în înfăşurarea OD are valoarea maximă şi este nul în înfăşurarea VD iar pe direcţia E-V estenul în înfăşurarea OD şi maxim în înfăşura