Medidor e calibrador de intensidade de campo magnético

Os campos magnéticos estão presentes em quase todos os lugares. No entanto, meios convenientes de avaliar a intensidade do campo magnético em amplas faixas de intensidade e frequência (20 Hz a 150 kHz) não estão amplamente disponíveis. Apesar das limitações, ainda existem muitas razões pelas quais você pode precisar dessas medições. Um exemplo é rastrear a interferência de um cabo não blindado ou mal blindado.

Neste projeto, desenvolveremos um método para avaliar as emissões de campos magnéticos em frequências de até 150 kHz de cabos de alta corrente sem cortar ou perturbar o cabo.

Para começar, precisaremos de dois instrumentos analógicos simples:

Geralmente, é improvável que medições de alta precisão sejam praticáveis ​​ou úteis. Isso ocorre porque muitas intensidades de campo magnético, particularmente em altas frequências, podem variar consideravelmente mesmo em curtos períodos e distâncias. Além disso, é importante observar que o verificador supera um requisito para o instrumento ter alta precisão intrínseca, mas sua estabilidade é normalmente mais do que adequada.

Vamos mergulhar no desenvolvimento e nos componentes da unidade portátil de intensidade de campo magnético. Para começar, vamos ver um diagrama de blocos do medidor e do verificador mostrado na Figura 1.

Observe que o medidor é alimentado por uma única bateria de 9 V. A partir daqui, detalharemos os diferentes componentes necessários.

A sonda consiste em um indutor de 1,6 μH com 8 mm de comprimento e 7,5 mm de diâmetro. É enrolado em um molde isolante e tem cerca de 22 voltas. Uma blindagem eletrostática (uma única volta isolada e sobreposta de folha de cobre) é fornecida. Com relação à resposta em frequência, o valor da indutância não é crítico, mas as dimensões físicas afetam a sensibilidade. A sonda é conectada a um cabo coaxial com a blindagem eletrostática conectada à blindagem do cabo.

A sonda é direcional e normalmente é colocada com seu eixo vertical (assumindo um cabo horizontal) e detecta a componente vertical do campo magnético. Ainda assim, o usuário pode configurá-lo horizontalmente para medir o componente horizontal.

No geral, a força total do campo em um ponto é a raiz quadrada da soma dos quadrados do campo vertical, Hv, e os dois componentes do campo horizontal, Hx e Hy.

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

O esquema da sonda e do pré-amplificador é mostrado na Figura 2.

O pré-amplificador é fisicamente integrado ao amplificador principal e compartilha um terreno comum. A saída, X, do pré-amplificador se conecta à entrada, X, do esquema do amplificador principal mostrado abaixo na Figura 3.

O pré-amplificador consiste em um amplificador de transcondutância com uma impedância de entrada muito baixa. Essa técnica produz uma resposta de frequência plana de uma fonte de indutância mútua. No entanto, pode ser impraticável obter uma impedância de entrada baixa o suficiente em comparação com a reatância de 1,6 μH a 20 Hz. Uma maneira de superar isso é aumentar a indutância por um indutor toroidal série 1 mH insensível a campos magnéticos externos. A resistência da bobina e o resistor de 15 Ω adicionado são compensados ​​pela inclusão de um capacitor em série com o resistor de realimentação de 1 kΩ.

Este indutor consiste em cerca de 20 voltas em um toróide de ferrite, 9,6 mm de diâmetro externo, 4,7 mm de diâmetro interno e 3,2 mm de espessura. O número de peça Digi-Key do toróide é 240-2522-ND. Os indutores de 1 mH disponíveis comercialmente são peças fisicamente grandes projetadas para transportar grandes correntes e não são adequadas aqui.

O amplificador tem apenas um pequeno ganho e inclui dois filtros. Ao conduzir uma carga de alta impedância, a ponta de prova, o pré-amplificador e o amplificador principal fornecem uma sensibilidade de 1 mV para força de campo de 1 A/m na ponta de prova. A unidade SI A/m (ampères por metro) é uma unidade 'pequena', em oposição ao farad, por exemplo, que é uma unidade 'grande', então normalmente usamos peças cuja capacitância é uma fração muito pequena de um farad . Quão pequeno? Bem, 1 A/m produz uma densidade de fluxo de 1,26 μT (microtesla) no ar ou no vácuo, enquanto o ímã em um fone de ouvido produz cerca de 1 T.