Misuratore e calibratore dell'intensità del campo magnetico

I campi magnetici sono presenti quasi ovunque. Tuttavia, non sono ampiamente disponibili mezzi convenienti per valutare l’intensità del campo magnetico su ampi intervalli di intensità e frequenza (da 20 Hz a 150 kHz). Nonostante le limitazioni, ci sono ancora molte ragioni per cui potresti aver bisogno di queste misurazioni. Un esempio è rintracciare l'interferenza da un cavo non schermato o scarsamente schermato.

In questo progetto svilupperemo un metodo per valutare le emissioni di campo magnetico a frequenze fino a 150 kHz da cavi di alimentazione ad alta corrente senza tagliare o disturbare il cavo.

Per iniziare avremo bisogno di due semplici strumenti analogici:

In generale, è improbabile che misurazioni ad alta precisione siano praticabili o utili. Questo perché molte intensità di campo magnetico, soprattutto alle alte frequenze, possono variare considerevolmente anche su brevi periodi e distanze. Inoltre, è importante notare che il verificatore supera il requisito per lo strumento di avere un'elevata precisione intrinseca, ma la sua stabilità è normalmente più che adeguata.

Immergiamoci nello sviluppo e nei componenti dell'unità portatile per l'intensità del campo magnetico. Per cominciare, diamo un'occhiata allo schema a blocchi del misuratore e del verificatore mostrato nella Figura 1.

Si noti che lo strumento è alimentato da una singola batteria da 9 V. Da qui, analizzeremo i diversi componenti necessari.

La sonda è costituita da un induttore da 1,6 μH lungo 8 mm e con un diametro di 7,5 mm. È avvolto su un supporto isolante e ha circa 22 spire. Viene fornito uno schermo elettrostatico (un singolo giro isolato e sovrapposto di lamina di rame). Per quanto riguarda la risposta in frequenza, il valore dell'induttanza non è critico, ma le dimensioni fisiche influiscono sulla sensibilità. La sonda è collegata ad un cavo coassiale con lo schermo elettrostatico collegato allo schermo del cavo.

La sonda è direzionale e normalmente è posizionata con l'asse verticale (assumendo un cavo orizzontale) e rileva la componente verticale del campo magnetico. Tuttavia, l'utente può impostarlo orizzontalmente per misurare la componente orizzontale.

Nel complesso, l’intensità del campo totale in un punto è la radice quadrata della somma dei quadrati del campo verticale, Hv, e delle due componenti del campo orizzontale, Hx e Hy.

$$H_{totale} = \sqrt{H^2_v + H^2_x + H^2_y}$$

Lo schema della sonda e del preamplificatore è mostrato nella Figura 2.

Il preamplificatore è fisicamente integrato con l'amplificatore principale e condivide una massa comune. L'uscita, X, del preamplificatore si collega all'ingresso, X, dello schema dell'amplificatore principale mostrato di seguito nella Figura 3.

Il preamplificatore è costituito da un amplificatore a transconduttanza con un'impedenza di ingresso molto bassa. Questa tecnica produce una risposta in frequenza piatta da una sorgente a mutua induttanza. Tuttavia, può essere poco pratico ottenere un'impedenza di ingresso sufficientemente bassa rispetto alla reattanza di 1,6 μH a 20 Hz. Un modo per superare questo problema è aumentare l'induttanza mediante un induttore toroidale serie 1 mH insensibile ai campi magnetici esterni. La resistenza della bobina e il resistore aggiunto da 15 Ω vengono compensati includendo un condensatore in serie con il resistore di feedback da 1 kΩ.

Questo induttore è costituito da circa 20 spire su un toroide di ferrite, con diametro esterno di 9,6 mm, diametro interno di 4,7 mm e spessore di 3,2 mm. Il numero di parte Digi-Key del toroide è 240-2522-ND. Gli induttori da 1 mH disponibili in commercio sono parti fisicamente grandi progettate per trasportare correnti elevate e non sono adatti in questo caso.

L'amplificatore ha solo un piccolo guadagno e include due filtri. Quando si pilota un carico ad alta impedenza, la sonda, il preamplificatore e l'amplificatore principale forniscono una sensibilità di 1 mV per un'intensità di campo di 1 A/m sulla sonda. L'unità SI A/m (ampere per metro) è un'unità "piccola", al contrario del farad, ad esempio, che è un'unità "grande", quindi normalmente utilizziamo parti la cui capacità è una frazione molto piccola di un farad . Quanto piccolo? Bene, 1 A/m produce una densità di flusso di 1,26 μT (microtesla) nell'aria o nel vuoto, mentre il magnete in un auricolare produce circa 1 T.