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Strumenti

  Magnetometri a induzione

di Paolo Palangio

STRUMENTI
  1. Elettrometro vettoriale
  2. Magnetometri triassiali a induzione
  3. Sistema di calibrazione

Magnetometro triassiale nella banda 0.001 Hz – 20 Hz

Il sensore per le basse frequenze (figura 1) è costituito da un avvolgimento di circa 500.000 spire frazionato in 8 settori per ridurre la capacità distribuita e quindi per massimizzare la frequenza di risonanza.
Un secondo avvolgimento, coassiale al primo, viene utilizzato per la controreazione del segnale.

FIGURA 1 Magnetometro per le basse frequenze: assemblaggio meccanico Magnetometro per le basse frequenze: assemblaggio meccanico

In regime sinusoidale il segnale ai capi dell’avvolgimento primario è rappresentabile mediante la relazione:

in cui K è la funzione di trasferimento dell’avvolgimento.
Questo segnale viene introdotto nell’avvolgimento di controreazione mediante la rete Z e produce la corrente i.

Il segnale di uscita del sistema così controreazionato è:

FIGURA 2 Schema di controreazione impiegato nel magnetometro Schema di controreazione impiegato nel magnetometro

Se è soddisfatta la relazione

Su tutta la banda di interesse:

10-3 < f < 20

il segnale di uscita non dipende più esplicitamente dalla frequenza ma soltanto dalle funzioni di trasferimento K, Z e M:

In realtà questa condizione non è concretamente raggiungibile su tutta la banda ma soltanto per una parte di essa. Per ottenere una risposta uniforme su tutta la banda è stata adottata una soluzione diversa. Questa consiste nel simulare una induttanza negativa e una resistenza negativa mediante una configurazione circuitale GIC in parallelo al sensore. Questi componenti negativi simulati sono tali che rendono le componenti reali del sensore estremamente piccole. Posizionando opportunamente i poli e gli zeri della funzione di controreazione K e del GIC la funzione di trasferimento complessiva del magnetometro nella banda 0.001 Hz - 20 Hz diventa costante ed effettivamente indipendente dalla frequenza.

FIGURA 3 Schema di principio del filtraggio del segnale del magnetometro 0.001 Hz  20 Hz Schema di principio del filtraggio del segnale del magnetometro 0.001 Hz 20 Hz

Nella regione inferiore della banda (1 mHz-100 mHz) si presenta il problema della deriva legato a diversi fattori tra questi quello che domina è la deriva termica degli operazionali. Per abbattere il contributo del rumore 1/f è stato adottato un rivelatore sincrono che esegue la cross-correlazione tra il segnale associato alle variazioni del campo magnetico Vsig e un segnale di riferimento Vrif.
Questo processo non elimina il segnale 1/f bensì lo trasla nella banda del segnale di riferimento Vrif, poiché si pone questa frequenza al di fuori della banda utile (>>20 Hz) il rumore viene filtrato agevolmente con un filtro ellittico a otto poli che lo sopprime di un fattore maggiore di 100 dB (figura 3). Il rumore del sensore è di circa RMS. La dinamica di questo sensore è di 400 nT.

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Magnetometro triassiale nella banda 1 Hz – 100 kHz

FIGURA 4 Spaccato del sensore a induzione Spaccato del sensore a induzione

Il secondo magnetometro che opera nella banda 1 Hz - 100 kHz è strutturato allo stesso modo ad eccezione del cross-correlatore che non è presente in quanto il rumore 1/f è trascurabile. Il rumore complessivo associato a questo sensore è dell’ordine di RMS e una dinamica di 200 nT.

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Magnetometro triassiale nella banda DC – 20 Hz

FIGURA 5 Magnetometro triassiale nella banda DC  20 Hz Magnetometro triassiale nella banda DC 20 Hz

Il terzo magnetometro è rappresentato nella figura 5 in cui il sensore (figura 6) si trova all’interno di un sistema di bobine di Helmholtz realizzato ad hoc per la calibrazione. Il sensore è costituito da un cubo di fibra di quarzo sulle cui facce giacciono 6 sensori magnetici costituiti da 6 toroidi e 3 bobine di Helmholtz par la captazione dei segnali.
Lo strumento è caratterizzato da un rumore intrinseco dell’ordine di RMS nella banda 0 Hz - 20 Hz con una dinamica di 50.000 nT e una deriva termica di 0.1 nT/°C.

FIGURA 6 Sensore magnetico triassiale a simmetria cubica Sensore magnetico triassiale a simmetria cubica
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