УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ


RU (11) 2124737 (13) C1

(51) 6 G01R33/02 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 1999.01.10 
(21) Регистрационный номер заявки: 97108654/09 
(22) Дата подачи заявки: 1997.05.28 
(45) Опубликовано: 1999.01.10 
(56) Аналоги изобретения: SU 930176 A, 23.05.82. RU 94009099 A, 20.11.95. SU 721783 A, 18.03.80. Семенов Н.М., Яковлев Н.И. Цифровые феррозондовые магнетометры. - Л.: Энергия, 1978, с.30, 137, 140. EP 0045509 A2, 10.02.82. 
(71) Имя заявителя: Акционерное общество Раменское приборостроительное конструкторское бюро 
(72) Имя изобретателя: Соборов Г.И. 
(73) Имя патентообладателя: Акционерное общество Раменское приборостроительное конструкторское бюро 
(98) Адрес для переписки: 140103 Московская обл. Раменское, ул.Гурьева 2, АО РПКБ 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ 

Устройство предназначено дли измерения магнитных полей. Оно содержит последовательно соединенные феррозондовый блок сравнения 1, цифровой интегратор 3 и цифровой вычислитель 4, а также цепь, содержащую последовательно соединенные фильтр 10, дифференциальный усилитель 11, выход знакового разряда через логическое устройство 13 кода модуля аналого-цифрового преобразователя 12 подключен к вторым входам цифрового вычислителя 4. Его выход соединен с входом синхронизации триггера 5 и входом элемента задержки 6. Их выходы соединены соответственно c первым и вторым входами управления коммутатора 7. Первый и второй аналоговые входы коммутатора 7 соединены соответственно с первым и вторым выходами опорного источника напряжения 8, а третий - с общим проводом. Прямой и инверсный выходы триггера подключены соответственно к второму и третьему входам логического устройства 13, а информационный вход - к знаковому разряду цифрового интегратора 3. Интегратор подключен к входам преобразователя кода в ток 9, выход которого соединен c компенсационной обмоткой феррозондового сравнивающего блока. Его контрольная обмотка из медного провода соединена с входом фильтра 10, через резистор - с выходом коммутатора 7, и с входом делителя напряжения, выход которого соединен с вторым входом дифференциального усилителя-11. В данном устройстве осуществляется измерение компоненты вектора индукции магнитного поля, тестовый контроль измерительного канала, измерение температуры в месте установки феррозондового датчика и автоматическая коррекция температурных погрешностей, что обеспечивает высокую точность измерения компонент вектора индукции магнитного поля Земли. 2 ил., 1 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к области магнитных измерений, в частности к феррозондовым магнитометрам, предназначенным для измерения компонент и полного вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ).

Известны устройства для измерения магнитных полей (см. заявку N 94009099/28, опубл. 20.11.95, G 01 R 33/02), содержащие последовательно соединенные феррозонд, аналоговый усилительно-преобразовательный блок и цифровой вычислитель, выполняющий коррекцию температурной погрешности результатов измерения компоненты вектора индукции магнитного поля, мостовое устройство, в одном из плеч которого включена измерительная обмотка из медного провода другое плечо мостового устройства подключено к выходу аналогового усилительно-преобразовательного блока, а выход мостового устройство через дифференциальный усилитель подключен к второму входу цифрового вычислителя.

С помощью феррозонда и аналогового усилительно-преобразовательного блока осуществляется измерение компоненты вектора индукции МПЗ, а с помощью мостового устройства и цифрового вычислителя осуществляется измерение температуры окружающей среды в месте расположения феррозонда, определение температурной погрешности и коррекции результата измерения компоненты вектора индукции МПЗ.

Недостатком данного устройства является отсутствие автоматического контроля неисправности канала преобразования магнитометра, что является особенно важным в автономных навигационных дистанционных магнитометрах.

Кроме того, в данном устройстве точность измерения температуры изменяется в диапазоне измерения выходного напряжения усилительно-преобразовательного блока, заметно снижаясь при малых значениях выходного напряжения, а следовательно, снижается точность коррекции погрешности измерения магнитного поля.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и выбранное в качестве прототипа, является устройство для измерения магнитных полей (а.с.N 930176, 1982, G 01 R 33/02, 23.05.82, Феррозондовый магнитометр), содержащее измерительный канал для измерения компоненты вектора индукции МПЗ, цифровой вычислитель и подключенный к его выходу управляемый преобразователь кода в ток, выход которого соединен с контрольной обмоткой феррозонда измерительного канала, выход которого соединен с входом цифрового вычислителя.

Устройство работает в двух режимах: в основном или рабочем и в режиме контроля.

В рабочем режиме осуществляется измерение компонент и модуля вектора индукции МПЗ с помощью измерительного канала и цифрового вычислителя.

В режиме контроля осуществляется тестовый контроль исправности феррозондового магнитометра. Контроль осуществляется подачей тестовых сигналов в контрольную обмотку феррозонда с выхода управляемого преобразователя кода в ток. Кодовый эквивалент тестового сигнала, подаваемый на вход управляемого преобразователя кода в ток формируется в цифровом вычислителе. По результатам измерения выходного сигнала измерительного канала после подачи тестового сигнала определяется исправность измерительного канала путем сравнения результата измерения с тестовым (эталонным) значением, хранимом в цифровом вычислителе.

Недостатком данного устройства является низкая точность преобразования компоненты вектора индукции МПЗ в цифровой код, обусловленная воздействием внешней температуры на феррозондовый датчик измерительного канала и отсутствие возможности измерения и контроля температуры в месте установки феррозондового датчика.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого технического решения, является повышение точности и расширение функциональной возможности устройства.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве для измерения магнитных полей, содержащем последовательно соединенные феррозондовый сравнивающий блок с феррозондовым датчиком, контрольная обмотка которого выполнена из медного провода, цифровой интегратор и цифровой вычислитель, причем выходы цифрового интегратора соединены со входами преобразователя кода в постоянный ток, выход которого соединен с компенсационной обмоткой феррозондового датчика феррозондового сравнивающего блока, цифровой вычислитель осуществляет сравнение результатов измерения компонент вектора магнитного поля с его эталонным значением, а также их коррекцию по результатам измерения температурной погрешности, выход соединен с входом синхронизации триггера и входом элемента задержки, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами управления коммутатора, первый и второй аналоговые входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами опорного источника, знаковый разряд цифрового интегратора соединен с информационным входом триггера, в устройство дополнительно введены последовательно соединенные фильтр, дифференциальный усилитель и аналого-цифровой преобразователь, выходы модуля кода которого вместе с выходом логического устройства соединены с вторыми входами цифрового вычислителя, а выход знакового разряда соединен с первым входом логического устройства, второй и третий входы которого соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера, второй вход дифференциального усилителя через первый резистор соединен с общим проводом, а через второй резистор - с выходом коммутатора, который через третий резистор соединен с контрольной обмоткой феррозондового сравнивающего блока и с входом фильтра, а третий аналоговый вход коммутатора соединен с общим проводом, причем опорный источник выполнен по схеме стабилизатора напряжения, величина сопротивления первого резистора равна величине сопротивления медного провода упомянутой контрольной обмотки при номинальной температуре, а величина сопротивления второго резистора равна величине сопротивления третьего резистора.

На фиг. 1 показана структурная схема, а на фиг.2 - временные диаграммы работы предлагаемого устройства для измерения магнитных полей.

Устройство для измерения магнитных полей содержит последовательно соединенные феррозондовый сравнивающий блок 1 с феррозондовым датчиком, контрольная обмотка 2 которого выполнена из медного провода, цифровой интегратор 3 и цифровой вычислитель 4, выход которого соединен с входом синхронизации (C) триггера 5 и входом элемента задержки 6, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами управления коммутатора 7, первый и второй аналоговые входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами опорного источника 8, выполненного по схеме стабилизатора напряжения, преобразователь кода в постоянный ток 9, выход которого соединен с компенсационной обмоткой феррозондового датчика феррозондового сравнивающего блока 1, а входы соединены с выходами цифрового интегратора 3, знаковый разряд (sign NB) которого соединен с информационным (D) входом триггера 5, последовательно соединенные фильтр 10, дифференциальный усилитель 11 и аналого-цифровой преобразователь 12, выход модуля кода (mod Nt) которого вместе с выходом (sign Ntn) логического устройства 13 соединены с вторыми входами цифрового вычислителя 4, а выход знакового разряда (sign Nt) АЦП 12 соединен с первым входом логического устройства 13, второй и третий входы которого соединены соответственно с прямым (Q) и инверсным выходами триггера 5, второй вход (-) дифференциального усилителя 11 через первый резистор 14 соединен с общим проводом, а через второй резистор 15 - с выходом коммутатора 7, который через третий резистор 16 соединен с контрольной обмоткой 2 феррозондового блока сравнения 1 и с входом фильтра 10, а третий аналоговый вход коммутатора соединен с общим проводом, величина сопротивления первого резистора 14 равна величине сопротивления медного провода контрольной обмотки 2 при номинальной температуре, а величина сопротивления второго резистора 15 равна величине сопротивления третьего резистора 16.

На фиг. 2 выходные напряжения на прямом выходе (Q) триггера 5, элемента задержки 6 и коммутатора 7 представлены соответственно обозначениями U5, U6, U7, выходные коды цифрового интегратора 3 и АЦП 12 - обозначениями NB, Nt, а истинный код, подаваемый на вторые входы цифрового вычислителя 4 - обозначением Ntn.

Устройство работает в двух режимах. В первом рабочем или основном режиме осуществляется измерение компоненты (B) вектора индукции МПЗ, а во втором, контрольном режиме осуществляется контроль исправности основного канала измерения компоненты вектора МПЗ и измерение температуры окружающей среды в месте установки феррозондового датчика. Переключение режимов осуществляется выходным сигналом "Режим" цифрового вычислителя 4. Так, например, согласно фиг. 2, переключение в рабочий режим осуществляется логическим нулем, а в режиме контроля - логической единицей.

В рабочем режиме сигнал "Режим", подаваемый через элемент задержки 6 на второй вход управления коммутатора 7, отключает подачу напряжения с выхода опорного источника напряжения 8 и осуществляет подачу нулевого потенциала с третьего аналогового входа коммутатора 7 на его выход, тем самым исключается подача тока в контрольную обмотку 2 феррозондового сравнивающего блока 1. В этом случае осуществляется измерение компоненты вектора индукции в следующем контуре, содержащем феррозондовый сравнивающий блок 1, цифровой интегратор 3 и преобразователь кода в ток 9 в соответствии с выражением

NB = KB, (1)

где

K - коэффициент преобразования компоненты B вектора индукции МПЗ.

Измеренное значение кода NB, задаваемого модулем (mod NB) и знаком (sign NB) записывается в цифровом вычислителе 4.

В данном режиме работы отсутствием напряжения на выходе коммутатора 7 обеспечивается равенство нулю значения кода Nt на выходе АЦП 12, т.е. Nt = 0.

Контроль исправности устройства подобно прототипу заключается в периодической проверке величины коэффициента K, так как отказ любого входящего узла измерительного канала вызывает изменение величины коэффициента преобразования.

Значения коэффициента преобразования K при изменении температуры t внутри феррозондового датчика могут заметно изменяться, что вызывает погрешность измерения поля B.

Температурную погрешность коэффициента преобразования можно представить в следующем виде:

K(t) = Kнt (2)

где

- температурный коэффициент коэффициента преобразования K, определяемый заранее при испытаниях данного устройства;

Kн - номинальное значение коэффициента преобразования, например при t = 0.

В цифровом вычислителе 4 осуществляется определение погрешности K(t) с помощью выражения (2) по результатам измерения текущих значений температуры t и по известным значениям и Kн, а затем коррекция коэффициента преобразования K.

Второй режим начинается с момента появления логической единицы сигнала "Режим" на выходе цифрового вычислителя 4 (см. фиг.2). В момент появления переднего фронта этого сигнала на входе синхронизации (C) триггера 5, в последний по информационному входу (D) записывается содержимое знакового разряда sign NB цифрового интегратора 3. Во время переключения триггера 5 элементом задержки 6 задерживается появление логической единицы на втором входе управления коммутатора 7, благодаря чему полностью исключается возможность изменения содержимого знакового разряда цифрового интегратора 3 (а следовательно, искаженной информации, записываемой в триггер 5) от бросков напряжения на выходе коммутатора 7 во время переключения триггера 5. Появление логической единицы на втором входе управления коммутатора 7 обеспечивает подачу тока I0 в контрольную обмотку 2 блока сравнения 1, формируемого с помощью резистора 16 (R16) подачей разнополярного напряжения U0 на выход коммутатора 7 с одного из выходов опорного источника напряжения 8, соответствующих положительному (+) или отрицательному (-) направлению тока I0 контрольной обмотки 2.

Если, например, содержимое триггера 5 соответствует положительному знаку кода NB, записанному в начале режима "Контроль", то на выход коммутатора 7 подается напряжение отрицательной полярности, и, наоборот, при отрицательном знаке, хранимом в триггере 5, - подается напряжение положительной полярности, то есть при любом значении знака, записанного и хранимого в триггере 5, в режиме контроля в контрольную обмотку 2 подается ток, создающий магнитное поле в феррозондовом датчике феррозондового сравнивающего блока 1, противоположное по знаку изменяемому полю. В результате алгебраического суммирования полей, то есть в момент полной компенсации измеряемого в тестового магнитных полей полем компенсационной обмотки происходит запись в цифровой вычислитель 4 кода , равного



где NB=signNBmodNB; NBO=signNBOmodNBO; 

Так как в данном устройстве знак тестового приращения NB0 противоположен знаку кода NB, следовательно полностью исключается возможность перегрузки измерительного канала, таким образом в данном устройстве осуществляется полностью автономное формирование тестового сигнала, адаптивного к измеряемоve полю.

Пренебрегая величиной сопротивления контрольной обмотки 2, код приращения в достаточном приближении можно представить в следующем виде:





следовательно



где

Kобм - коэффициент преобразования тока в индукцию магнитного поля контрольной обмотки 2.

Таким образом, при условии медленного изменения измеряемого поля проводится измерение величины B и осуществляется контроль канала измерения путем сравнения кода NВО с его теоретическим (эталонным) значением NВОЭ, хранимым в вычислителе 4 или, что то же самое, путем сравнения измеренного значения коэффициента преобразования K с его теоретическим (эталонным) значением Kэ.

Измерение температуры t осуществляется во втором режиме следующим образом.

C помощью фильтра 10 осуществляется выделение постоянной составляющей напряжения на выходе делителя, составленного последовательно соединенными третьим резистором 16 с сопротивлением R16 и сопротивлением R2 медленного провода контрольной обмотки 2. Выделение постоянного напряжения осуществляется подавлением спектральных составляющих переменного напряжения, то есть четно и нечетно гармонических составляющих частоты возбуждения феррозонда, наводимых в контрольной обмотке в процессе ферромодуляционного преобразования. Выходное напряжение фильтра 10 подается на первый вход дифференциального усилителя 11, а на его второй вход подается выходное напряжение делителя, образованного первым 14 и вторым 15 резисторами с сопротивлениями соответственно R14 и R15. При коэффициентах передачи фильтра 10 по постоянной составляющей и дифференциального усилителя (вычитателя) 11, равных соответственно единице и , напряжение на выходе последнего определяется выражением



Учитывая равенства R2H = R14, R15 = R16, R2= R2н+R2(t)

и R2(t) R16+R2H,

где

R2H и R2(t) - соответственно номинальное и пропорционально изменяемое от температуры значение сопротивления контрольной обмотки 2, выходное напряжение дифференциального усилителя 11 имеет следующий вид:



учитывая, что R2(t) = R2Ht,

где

- температурный коэффициент сопротивления медного провода, получим



где

постоянный по абсолютной величине масштабный коэффициент.

Абсолютная величина этого коэффициента по сравнению с аналогом (Заявка N 94009099/28/009133 от 16.03.94, 6 G 01 R 33/02. Устройство для измерения магнитных полей) не зависит от величины выходного сигнала устройства для измерения магнитных полей, то есть постоянная во всем диапазоне измерения магнитного поля. С помощью АЦП12 осуществляется преобразование выходного напряжения U11 дифференциального усилителя 11 в код Nt. Знак sign Nt выходного кода АЦП12 согласно выражению (6) зависит от полярности выходного напряжения U0 коммутатора 7, которая в свою очередь зависит от знака signB измеряемого поля B. Следовательно, в данном случае необходимо определить истинный знак цифрового температурного эквивалента sign Ntn = signt.

Представив положительные знаки рассматриваемых величин логической единицей, а отрицательные - логическим нулем, определим соотношение знаков в данном устройстве в виде логической таблицы истинности.

Из представленной таблицы можно определить истинный знак температуры sign Ntи как функцию двух аргументов sign U0 и sign Nt следующим образом



учитывая равенство получим



Истинный знак температуры во втором режиме определяется логическим устройством 13, в котором в качестве входных аргументов используются прямой (Q) и инверсный выходы триггера 5 и выход знакового разряда АЦП12. Таким образом, на вторые входы цифрового вычислителя 4 подаются модуль и истинный знак измеряемой температуры, используемые для коррекции температурной погрешности K(t).

Возможен и другой вариант определения истинного знака температуры, основанный на использовании цифрового вычислителя 4 и исключающий необходимость использования логического устройства 13. В данном случае выход знакового разряда АЦП2 непосредственно подается на вход знакового разряда температуры цифрового вычислителя 4. В последнем в соответствии с выражением (9) определяется истинный знак температуры.

В случае использования магнитометра в качестве автономного дистанционного измерителя, управляемого центральным вычислителем, первый вариант реализации определителя знака температуры может оказаться более приемлемым, так как он независимо от вычислителя 4 может автономно обеспечивать измерение температуры как в штатном режиме, так и при проведении регулировочных и регламентных работ и обеспечивать также передачу результатов измерения температуры различным потребителям в составе информационно-измерительной системы независимо от цифрового вычислителя.

Предлагаемое устройство для измерения магнитных полей обладает простотой реализации, высокими точностями характеристиками и высокими функциональными возможностями.

Особое место находит данное устройство для магнитометров моноблочного типа, то есть магнитометров с совмещением феррозондовых датчиков с электронной частью, в которых удачно совмещаются функции измерений, контроля и температурной коррекции. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Устройство для измерения магнитных полей, содержащее последовательно соединенные феррозондовый сравнивающий блок с феррозондовым датчиком, контрольная обмотка которого выполнена из медного провода, цифровой интегратор и цифровой вычислитель, причем выходы цифрового интегратора соединены с входами преобразователя кода в постоянный ток, выход которого соединен с компенсационной обмоткой феррозондового датчика феррозондового сравнивающего блока, отличающееся тем, что цифровой вычислитель осуществляет сравнение результатов измерения компонент вектора магнитного поля с его эталонным значением, а также их коррекцию по результатам измерения температурной погрешности, выход его соединен с входом синхронизации триггера и входом элемента задержки, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами управления коммутатора, первый и второй аналоговые входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами опорного источника, знаковый разряд цифрового интегратора соединен с информационным входом триггера, в устройство дополнительно введены последовательно соединенные фильтр, дифференциальный усилитель и аналого-цифровой преобразователь, выходы модуля кода которого вместе с выходом логического устройства соединены с вторыми входами цифрового вычислителя, а выход знакового разряда соединен с первым входом логического устройства, второй и третий входы которого соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера, второй вход дифференциального усилителя через первый резистор соединен с общим проводом, а через второй резистор - с выходом коммутатора, который через третий резистор соединен с контрольной обмоткой феррозондового датчика феррозондового сравнивающего блока и с входом фильтра, а третий аналоговый вход коммутатора соединен с общим проводом, причем опорный источник выполнен по схеме стабилизатора напряжения, величина сопротивления первого резистора равна величине сопротивления медного провода упомянутой контрольной обмотки при номинальной температуре, а величина сопротивления второго резистора равна величине сопротивления третьего резистора. 


РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru