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.

Индикатор низкочастотных электрических полей

Для индикации низкочастотных электрических полей используют индикаторы с входным каскадом на полевом транзисторе (рис. 2 — 7). Первый из них (рис. 20.2) выполнен на основе мультивибратора [ВРЛ 80-28, Р 8/91-76].

Рис. 2. Схема индикатора низкочастотных электрических полей на основе мультивибратора.

Канал полевого транзистора является управляемым элементом, сопротивление которого зависит от величины контролируемого электрического поля.

К затвору транзистора подключена антенна. При внесении индикатора в электрическое поле, сопротивление исток — сток полевого транзистора возрастает, и мультивибратор включается.

В телефонном капсюле раздается звуковой сигнал, частота которого зависит от напряженности электрического поля.

Что такое детектор ЭДС?

Детектор ЭДС — это измерительное устройство, которое используется в различных промышленных приложениях для обнаружения проблем во внутридомовой электропроводке и линиях электропередач. Измеритель ЭДС дает информацию о рабочем процессе в электромагнитном поле путем измерения плотности потока электромагнитного излучения (DC).

Кроме того, этот прибор может отслеживать изменения электромагнитного поля, которые происходят в проводниковой продукции при эксплуатации в течение определенного периода времени.

Измерители ЭДС обнаруживают проблемы в электромагнитном поле в комплекте с высокочувствительными компонентами, которые являются частью данного контрольно-измерительного устройства. С его применением, возможно, предотвратить аварийные ситуации в сети, тем самым обеспечить безопасные условия проживания людей.

Индикаторы для поиска неисправностей в новогодних электрических гирляндах

Следующие две конструкции по схемам Д. Болотника и Д. Приймака (рис. 3 и 4) предназначены для поиска неисправностей в новогодних электрических гирляндах [Р 11/88-56].

Рис. 3. Схема индикатора для поиска неисправностей в новогодних электрических гирляндах.

Индикатор (рис. 3) в целом представляет собой резистор с управляемым сопротивлением. Роль такого сопротивления опять же играет канал сток — исток полевого транзистора, дополненного двухкаскадным усилителем постоянного тока.

Индикатор (рис. 4) выполнен по схеме управляемого низкочастотного генератора. Он содержит пороговое устройство, усилитель и детектор сигнала, наведенного в антенне переменным электрическим полем.

Рис. 4. Индикатор НЧ электрических полей по схеме управляемого низкочастотного генератора.

Все эти функции выполняет один транзистор — VT1. На транзисторах VT2 и VT3 собран генератор низкой частоты, работающий в ждущем режиме. Как только антенну устройства приближают к источнику электрического поля, транзистор VT1 включает звуковой генератор.

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.

Индикатор для поиска скрытой проводки

Индикатор электрического поля (рис. 5) предназначен для поиска скрытой проводки, электрических цепей, находящихся под напряжением, индикации приближения к зоне высоковольтных проводов, наличия переменных или постоянных электрических полей [РаЭ 8/00-15].

Рис. 5. Схема простого индикатора для поиска скрытой проводки.

В устройстве использован заторможенный генератор светозвуковых импульсов, выполненный на аналоге инжекционно-по-левого транзистора (VT2, VT3).

При отсутствии электрического поля высокой напряженности сопротивление сток — исток полевого транзистора VT1 невелико, транзистор VT3 закрыт, генерация отсутствует.

Ток, потребляемый устройством, составляет единицы, десятки мкА. При наличии постоянного или переменного электрического поля высокой напряженности сопротивление сток — исток полевого транзистора VT1 возрастает, и устройство начинает вырабатывать светозвуковые сигналы.

Так, если в качестве антенны использован вывод затвора транзистора VT1, индикатор реагирует на приближение сетевого провода на расстояние около 25 мм.

Потенциометром R3 регулируется чувствительность, резистор R1 задает длительность светозвуковой посылки, конденсатор С1 — частоту их следования, а С2 определяет тембр звукового сигнала.

Для повышения чувствительности в качестве антенны может быть использован отрезок изолированного провода или телескопическая антенна. Для защиты транзистора VT1 от пробоя параллельно переходу затвор — исток стоит подключить стабилитрон или высокоомный резистор.

Полезные ссылки

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Холла
2. https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-datchika-holla
3. https://www.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://www.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://www.zi-zi.ru/module/module-ky024
12. https://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-magnitnyiy-datchik-s-gerkonom
13. https://www.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.

Индикатор электрических и магнитных полей

Индикатор электрических и магнитных полей (рис. 6) содержит релаксационный генератор импульсов. Он выполнен на биполярном лавинном транзисторе (транзистор микросхемы К101КТ1А, управляемый электронным ключом на полевом транзисторе типа КП103Г), к затвору которого подключена антенна.

Рис. 6. Схема индикатора электрических и магнитных полей.

Для задания рабочей точки генератора (срыв генерации в отсутствии индицируемых электрических полей) используют резисторы R1 и R2. Генератор импульсов через конденсатор С1 нагружен на высокоомные головные телефоны.

При наличии переменного электрического поля (или перемещении предметов, несущих электростатические заряды) на антенне и, соответственно, затворе полевого транзистора появляется сигнал переменного тока, что приводит к изменению электрического сопротивления перехода сток — исток с частотой модуляции.

В соответствии с этим релаксационный генератор начинает генерировать пачки модулированных импульсов, а в головных телефонах будет прослушиваться звуковой сигнал.

Чувствительность прибора (дальность обнаружения токонесущего провода сети 220 В 50 Гц) составляет 15…20 см. В качестве антенны использован стальной штырь 300×3 мм. При напряжении питания 9 В ток, потребляемый индикатором в режиме молчания, составляет 100 мкА, в рабочем режиме — 20 мкА.

Индикатор магнитных полей (рис. 6) выполнен на втором транзисторе микросхемы. Нагрузкой второго генератора является высокоомный головной телефон.

Сигнал переменного тока, снимаемый с индуктивного датчика магнитного поля L1, через переходной конденсатор С1 подается на базу лавинного транзистора, не связанную по постоянному току с другими элементами схемы («плавающая» рабочая точка).

В режиме индикации переменного магнитного поля напряжение на управляющем электроде (базе) лавинного транзистора периодически изменяется, изменяется также и напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода и, в связи с этим, частота и продолжительность генерации.

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” –

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) –

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.

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 –

Индикатор на основе делителя напряжения

Индикатор (рис. 7) изготовлен на основе делителя напряжения, одним из элементов которого является полевой транзистор VT1, сопротивление перехода сток — исток которого определяется потенциалом управляющего электрода (затвора) с подключенной к нему антенной [Рк 6/00-19].

Рис. 7. Индикатор электрополей на основе делителя напряжения.

К резистивному делителю напряжения подключен релаксационный генератор импульсов на лавинном транзисторе VT2, работающий в ждущем режиме. Уровень начального напряжения (порог срабатывания), подаваемого на релаксационный генератор импульсов, устанавливается потенциометром R1.

Для предотвращения пробоя управляющего перехода полевого транзистора в схему введена защита (при отключении источника питания цепь затвор — исток закорочена).

Повышение уровня громкости звукового сигнала достигается введением усилителя на биполярном транзисторе VT3. В качестве нагрузки выходного транзистора VT3 можно использовать низкоомный телефонный капсюль.

Для упрощения схемы высокоомный телефонный капсюль, например, ТОН-1, ТОН-2 (либо «среднеомный» — ТК-67, ТМ-2) может быть включен вместо резистора R3.

В этом случае надобность в использовании элементов VT3, R4, С2 отпадает. Разъем, в который включается телефон, для снижения габаритов устройства, может одновременно служить выключателем питания.

При отсутствии входного сигнала сопротивление перехода сток — исток полевого транзистора составляет несколько сотен Ом, и напряжение, снимаемое с движка потенциометра на питание релаксационного генератора импульсов, мало.

При появлении сигнала на управляющем электроде полевого транзистора сопротивление перехода сток — исток последнего возрастает пропорционально уровню входного сигнала до единиц, сотен кОм.

Это приводит к увеличению напряжения, подаваемого на релаксационный генератор импульсов до величины, достаточной для возникновения колебаний, частота которых определяется произведением R4C1.

Потребляемый устройством ток при отсутствии сигнала — 0,6 мА, в режиме индикации — 0,2…0,3 мА. Дальность обнаружения токонесущего провода сети 220 В 50 Гц при длине штыревой антенны 10 см составляет 10…100 см.

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.

Индикатор сетевого напряжения на ждущем мультивибраторе

Ждущий мультивибратор (рис. 9) использован для индикации сетевого напряжения [МК 7/88-12]. Индикатор работает при приближении его антенны к сетевому проводу (220 В) на расстояние 2…3 см. Частота генерации для приведенных на схеме номиналов близка к 1 Гц.

Рис. 9. Схема индикатора сетевого напряжения на ждущем мультивибраторе.

Основные причины появления излучения

Для того чтобы избежать воздействия предельных показаний излучения, необходимо принимать соответствующие меры, обеспечивающие сохранность жизни и здоровья людей. Основными источниками ЭМИ являются следующие факторы:

• Мобильная связь и радиоволны.
• Линии электропередач.
• Источники электричества.
• Рентгеновские и схожие с ними аппараты.

Провести точные измерения самостоятельно довольно непросто. Наиболее точно понять силу и тип волн позволяют высокоточные приборы для измерения электромагнитных полей и излучений (типа ПЗ-31). В продаже имеются различные домашние дозиметры и детекторы. Однако они имеют высокую долю погрешности.

Меры предосторожности

Абсолютно обезопасить себя от негативного воздействия ЭМИ в современном мире невозможно. Тем не менее прибор для измерения электромагнитного излучения от ЛЭП и других источников электричества позволит выявить особо опасные зоны и предпринять соответствующие меры.

• Желательно не устанавливать бытовые устройства в зоне отдыха, что даст возможность минимизировать воздействие вредного излучения.
• Стараться чаще бывать на природе, вдали от любых источников электричества.
• Регулярно принимать душ или ванну, что позволяет уменьшить статический фон организма, который вырабатывает собственное электромагнитное поле.
• Своевременно менять технику, поскольку некоторые детали после истечения гарантированного срока начинают выделять больше радиоактивных волн.

Особенности

Прибор для измерения электромагнитного излучения ЛЭП и других источников марки ПЗ-31 обладает следующим частотным диапазоном:

• По отношению к электрическому полю – 0,03-300 МГц при разности измерения от 2 до 600 В/м.
• В части магнитного компонента – 0,01-30 МГц (0,5-16 А/м).
• В плане концентрирования потока энергии – 300-40000 МГц (0,265-100000 мкВт/кв. см).

Основными плюсами устройства является компактность, малый вес, простота в эксплуатации, длительность работы не менее 60 часов.

Этот прибор для измерения электромагнитного излучения в квартире также подходит в качестве тестера при аттестации рабочего места. У него выше точность по выявлению неионизирующих волн. Приспособление обладает широким охватом всевозможных частот, включая длинные сигналы и микроволны. Агрегат позволяет произвести высокоточные замеры радиоактивности любого электрического оборудования.

Детектор СВЧ-волн

Схема такого самодельного прибора состоит из нескольких блоков, включающих в себя измерительную головку, питающие источники, микроамперметр, рабочую плату.

Головка для измерения – это вибратор полуволнового типа, к которому присоединяются диоды типа Д-405, дающие возможность выпрямлять ток сверхвысокой частоты. Кроме того, на нем крепится конденсатор на 1000 пФ на текстолитовой пластине.

Полуволновой вибратор представляет собой пару отрезков трубок диаметром 10 мм и длиной 70 мм. Подойдут заготовки из алюминия или другого немагнитного материала. Минимальное расстояние между краями элементов составляет не более 10 мм, чтобы была возможность размещения диода. Предельная дистанция между торцами труб не должно превышать 150 мм, что соизмеримо с половиной длины волны частоты в 1ГГц.

Чем толще будут трубки, тем меньше вибратор подвергается искажению величины, в зависимости от частоты сигнала. Для точной градации шкалы необходимо использовать калиброванный генератор нужной частоты. Разметку желательно проводить нескольких частот. Такое приспособление позволит ориентировочно измерить ЭМИ, но не является сверхточным устройством. Как альтернатива, имеется возможность приобретения комплекта деталей для создания детектора, который можно собрать самостоятельно, однако погрешность будет и у него.