Устройство для измерения магнитных полей

Устройство для измерения магнитных полей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к магнитным измерениям, в частности к приборам, предназначенным для измерений компонент и полного вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ).

Известны феррозондовые трехкомпонентные магнитометры (Семенов Н.М., Яковлев Н.И. Цифровые феррозондовые магнитометры. Л.: Энергия, 1978, с.130-136), содержащие магниточувствительный датчик с тремя ортогонально ориентированными феррозондами, подключенными соответственно ко входам устройств выделения и преобразования полезного четно-гармонического сигнала в аналоговые или в кодовые эквиваленты, индицируемые регистрирующим устройством.

Известны также феррозондовые трехкомпонентные магнитометры (Скородумов С.А., Обоишев Ю.П. Помехоустойчивая магнитоизмерительная аппаратура. Л.: Энергоиздат, 1981, с.22, рис.2-1) с тремя ортогонально ориентированными феррозондами, подключенными соответственно ко входам усилительно-преобразовательных устройств и мультиплексным каналом аналого-цифрового преобразования, обеспечивающим более экономичные аппаратные затраты.

Общим недостатком известных указанных устройств является отсутствие средств обеспечения непрерывного автономного автоматического контроля их исправности и достоверности информации, что является существенной необходимостью для автономных и дистанционных магнитометров, устанавливаемых на подвижных объектах и, в частности, на малогабаритных летательных аппаратах для решения задач навигации, ориентации и стабилизации положения. Невозможность отключения входных измеряемых сигналов (компонент вектора индукции МПЗ), требующего прерывания процесса измерения, ограничивает возможность применения широко известных и эффективных способов тестового контроля исправности.

Исключение указанного недостатка осуществлено в известном трехкомпонентном феррозондовом магнитометре (а.с. №930176, 1982, G01R 33/02 по заявке №2999939 от 3.11.80), содержащем цифровой вычислитель, управляемый преобразователь кода в ток (управляемый формирователь тестовых сигналов) и три канала преобразования, содержащих в свою очередь последовательно соединенные феррозонд, усилительно-преобразовательный блок и аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к соответствующему входу цифрового вычислителя, выход которого подключен ко входу управляемого преобразователя кода в ток, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к контрольным обмоткам феррозондов первого, второго и третьего каналов преобразования.

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 каналов преобразования и цифрового вычислителя.

В режиме контроля осуществляется тестовый контроль исправности феррозондового магнитометра. Контроль осуществляется последовательной подачей знакопеременных тестовых сигналов в контрольную обмотку феррозондов с соответствующих выходов управляемого преобразователя кода в ток. Кодовый эквивалент тестовых сигналов, подаваемый на вход управляемого преобразователя кода в ток, формируется в цифровом вычислителе. По результатам измерения выходных сигналов измерительных каналов после подачи соответствующих тестовых сигналов определяется исправность каналов преобразования путем сравнения результатов измерения тестовых сигналов с их эталонным значением, хранимым в памяти цифрового вычислителя.

Недостатком известного устройства является его сложность, обусловленная наличием формирователя тестового сигнала в виде управляемого цифровым вычислителем преобразователя кода в ток.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбранное в качестве прототипа является данное устройство (а.с. №930176, 1982, G01R 33/02 по заявке №2999939 от 3.11.80) с реализацией формирователя тестового сигнала по патенту Российской Федерации №2124737, 1999, 6 G01R 33/02 по заявке №97108654 от 28.05.97 «Устройство для измерения магнитных полей». Указанный недостаток в данном устройстве исключен путем упрощенной реализации управляемого формирователя тестового сигнала (в каждом канале преобразования), содержащего коммутатор, триггер, элемент задержки и стабилизатор тока, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму аналоговым входам коммутатора, выход которого соединен с контрольной обмоткой феррозонда, а первый и второй выходы управления коммутатора соединены соответственно с выходом триггера и выходом элемента задержки, вход которого соединен с выходом цифрового вычислителя и входом синхронизации триггера, информационный вход которого соединен с выходом знакового разряда аналого-цифрового преобразователя.

Контроль исправности данного устройства заключается в периодической проверке значения коэффициента преобразования каждого канала преобразования, так как отказ любого входящего узла канала преобразования вызывает изменение значения коэффициента преобразования.

Режим контроля начинается с момента появления сигнала «Режим» в виде логической единицы на одном из выходов цифрового вычислителя для управления формирователем теста контролируемого канала преобразования. При этом в триггер записывается содержимое знакового разряда аналого-цифрового преобразователя. С помощью элемента задержки задерживается появление управляющего сигнала на втором входе управления коммутатора, благодаря чему исключается возможность изменения содержимого знакового разряда аналого-цифрового преобразователя от бросков тока на выходе коммутатора в момент переключения триггера. Появление логической единицы на втором входе управления коммутатора обеспечивает подачу тока в контрольную обмотку феррозонда с одного из выходов стабилизатора тока с направлением, противоположным знаку, хранимому в триггере. То есть при любом значении содержимого триггера в контрольную обмотку феррозонда контролируемого канала преобразования подается ток, создающий магнитное поле в феррозонде, противоположное по знаку измеряемому полю, что полностью исключает возможность перегрузки канала преобразования. Кодовый эквивалент, записываемый в данном случае в цифровой вычислитель, является алгебраической суммой измеряемого и тестового сигналов. Вычислением алгебраической разности кодовых эквивалентов результатов измерения в режиме контроля и в рабочем режиме выделяется кодовый эквивалент тестового сигнала, который сравнивается с его теоретическим значением. По результату сравнения определяется признак исправности канала преобразования.

Недостатком данного устройства является усложнение схемы, обусловленное необходимостью наличия трех формирователей теста и цифрового вычислителя. Этот недостаток, например, заметно усложняет возможность построения моноблочной или модульной конструкции трехкомпонентного магнитометра или его реализацию в виде интегральной схемы. Кроме того, при необходимости использования для контроля исправности устройства центрального вычислителя информационно-измерительной системы в данном случае снижается функциональная автономность трехкомпонентного магнитометра, что усложняет возможность его использования в качестве периферийного средства измерения информационно-измерительной системы.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого технического решения, является упрощение устройства и снижение аппаратных затрат на его реализацию, а также повышение функциональной автономности трехкомпонентного магнитометра.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве для измерения магнитных полей, содержащем три ортогонально ориентированных феррозонда, три усилительно-преобразовательных блока, вход каждого из которых подключен к выходу соответствующего феррозонда, аналого-цифровой преобразователь, первый коммутатор, стабилизатор тока и блок управления и регистрации, сигнальный выход которого через элемент задержки подключен к первому сигнальному входу управления первого коммутатора, первый и второй аналоговые входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами стабилизатора тока, в устройство дополнительно введены регистр, устройство сравнения, устройство инвертирования и второй коммутатор, с первого по третий аналоговые входы которого подключены соответственно к выходам с первого по третий усилительно-преобразовательных блоков, а выход - ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к кодовому информационному входу регистра и первому входу устройства сравнения, второй вход которого подключен к выходу устройства инвертирования, а выход подключен к сигнальному входу блока управления и регистрации, кодовый информационный вход которого подключен к выходу регистра и входу устройства инвертирования, сигнальный выход подключен к его входу управления записи и входу управления записи регистра, а кодовый выход подключен к кодовым входам управления второго коммутатора и первого коммутатора, второй сигнальный вход управления которого подключен к знаковому разряду выходного кода регистра, а его с первого по третий выходы подключены соответственно к контрольным обмоткам с первого по третий феррозондов.

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 с первого по третий феррозонды 1-3 и соответственно подключенные к их выходам с первого по третий усилительно преобразовательные блоки 4-6; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, первый коммутатор 8, стабилизатор тока 9, блок управления и регистрации 10, сигнальный выход которого через элемент задержки 11 подключен к первому сигнальному входу управления первого коммутатора 8, первый и второй аналоговые входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами стабилизатора тока 9, регистр 12, устройство сравнения 13, устройство инвертирования 14 и второй коммутатор 15, с первого по третий аналоговые входы которого подключены соответственно к выходам с первого по третий усилительно-преобразовательных блоков 4-5, а выход - ко входу аналого-цифрового преобразователя 7, выход которого подключен к кодовому информационному входу регистра 12 и первому входу устройства сравнения 13, второй вход которого подключен к выходу устройства инвертирования 14, а выход подключен к сигнальному входу блока управления и регистрации 10, кодовый информационный вход которого подключен к выходу регистра 12 и входу устройства инвертирования, сигнальный выход подключен к его входу управления записи (зп) и входу управления записи (зп) регистра 12, а кодовый выход подключен к кодовым входам управления второго коммутатора 15 и первого коммутатора 8, второй сигнальный вход управления которого подключен к знаковому разряду выходного кода регистра 12, а его с первого по третий выходы подключены соответственно к контрольным обмоткам первого по третий феррозондов 1-3.

На фиг.2 выходные коды блока управления и регистрации 10 и регистра 12 представлены соответственно обозначениями N_a (код адреса), N_в (код измеряемой компоненты В), а сигнальные выходы блока управления и регистрации 10 и устройства сравнения 13 - обозначениями «Режим», РК (результат контроля).

Устройство работает в трех последовательных тактах (интервалах) преобразования компонент В_x, B_y, B_z, вектора индукции МПЗ, определяемых процессом мультиплексирования каналов преобразования. Причем в каждом интервале преобразования осуществляется работа в двух режимах. В первом рабочем, или основном, режиме осуществляется измерение компоненты (В) вектора индукции МПЗ, а во втором, контрольном, режиме осуществляется контроль исправности канала преобразования компоненты вектора индукции МПЗ. Переключение интервалов преобразования осуществляется выходным кодом адреса N_a, блока управления и регистрации 10, осуществляющего выбор канала преобразования соответствующей компоненты B_i (i=x, y, z). Переключение режимов на выбранном интервале преобразования осуществляется выходным сигналом «Режим» блока управления и регистрации 10.

Появление кода адреса каналов преобразования компонент B_x, B_y, B_z обеспечивает последовательное подключение соответственно выходов с первого по третий усилительно-преобразовательных блоков 4-6 ко входу АЦП 7 с помощью второго кодоуправляемого коммутатора 15. При этом с помощью АЦП 7 осуществляется последовательное преобразование выходных напряжений усилительно-преобразовательных блоков 4-6 в коды N_Bx, N_By и N_Bz, пропорциональные соответственно компонентам B_x, B_y, B_z, то есть

N_Bx=K'_xK₇B_x=K_xB_x, N_By=K'_yK₇B_y=K_yB_y, N_Bz=K'_zK₇B_z=K_zB_z,

где K_х=K'_хK₇, K_y=K'_yK₇, K_z=K'_zK₇ - коэффициенты преобразования каналов преобразования компонент В_х, B_y, В_z соответственно в коды N_Bx, N_By, N_Bz, a K'_x, K'_y, K'_z - коэффициенты преобразования соответственно цепей последовательного соединения первых (1, 4), вторых (2, 5) и третьих (3, 6) феррозондов и усилительно-преобразовательных блоков, а K₇ - коэффициент преобразования АЦП 7. Возможными и широко известными вариантами реализации цепей последовательного соединения являются разомкнутая и замкнутая структура с наличием общей отрицательной обратной связи.

С моментов t₁, t₂, t₃ появления сигнала «Режим» в виде логической единицы на сигнальном выходе блока управления и регистрации 10 начинается режим контроля соответствующих каналов преобразования компонент В_х, B_y, B_z, характеризуемых соответственно коэффициентами преобразования K_х, K_y, K_z. Предварительно в моменты t₁, t₂, t₃ появления переднего фронта этого сигнала на входе управления записи (зп) регистра 12 в последний по кодовому информационному входу записываются соответственно выходные коды N_Bx, N_By, N_Bz АЦП 7, измеренные в рабочем режиме. Во время записи очередного кода в регистр 12 элементом задержки 11 задерживается появление логической единицы на первом сигнальном входе управления первого коммутатора 8. Благодаря этому полностью исключается возможность изменения содержимого регистра 12 от бросков тока на соответствующем выходе первого коммутатора 8, а соответственно, и от искажений кода на выходе АЦП 7.

Все разряды прямого кода, хранимого в регистре 12, инвертируются устройством инвертирования 14, в результате на его выходе формируется код N_иi, в котором содержимое знакового разряда является инверсным знаку исходного числа, а содержимое инвертированных результатов кода модуля исходного числа является дополнением модуля исходного числа до наибольшего предельного значения числа N_п=signN_пmodN_п без знака (mod N_п), помещающегося в разрядную сетку, то есть

где mod N_Bi - модуль кода исходного числа, определяемого выражением N_Bi=signN_BimodN_Bi.

Появление логической единицы на первом сигнальном входе управления первого коммутатора 8 и наличие кода N_ai адреса канала преобразования компоненты В_i обеспечивают подачу с соответствующего подключенному одному из феррозондов 1-3 выхода первого коммутатора 8 тока в контрольную обмотку выбранного феррозонда с одного из выходов стабилизатора 9 тока. Подключаемые выходы стабилизатора 9 соответствуют положительному (+) или отрицательному (-) направлению выходного тока I₀ стабилизатора 9 в зависимости от содержимого signN_Bi знакового разряда кода N_Bi регистра 12. Если, например, содержимое signN_Bi соответствует положительному знаку выходного кода N_Bi регистра 12, то на выход первого коммутатора 8 подается ток отрицательного направления и, наоборот, при отрицательном знаке signN_Bi, хранимом в регистре 12, подается ток положительного направления. То есть при любом значении знака, записанного и хранимого в регистре 12 в режиме контроля, в контрольную обмотку выбранного феррозонда подается ток, создающий магнитное поле В_oi в феррозонде, противоположное по знаку измеряемой компоненте В_i. В феррозонде происходит алгебраическое суммирование измеряемой компоненты В_i и поля В_oi, наводимого эталонным тестовым сигналом I_oi. Заданием максимального абсолютного значения (модуля) тестового сигнала I_oi в феррозонде обеспечивается предельное (В_пi) максимальное по модулю эталонное поле В_oi, равное предельным значениям В_пi компонент, то есть В_о=В_пi=K_обм.iI_o, где К_обм.i - коэффициент преобразования тока в индукцию магнитного поля контрольной обмотки феррозонда.

В данном случае модуль результата алгебраического суммирования измеряемого и тестового разнополярных полей в феррозонде равен дополнению модуля измеряемой компоненты В_i до его предельного значения. Причем знак результата суммирования равен знаку тестового сигнала и всегда противоположен знаку измеряемой компоненты.

Таким образом, на выходе АЦП 7 формируется прямой код N_i, определяемый в виде

где N_пi=K_iB_пi=signN_BimodN_пi, signN_пi=-signN_Bi. Признаком исправности контролируемого канала преобразования является выполнение равенства входных кодов устройства сравнения 13

определяемых выражениями (1), (2). Как видно из (1), (2), условием выполнения равенства (3) является N_пi=N_п, или, что тоже самое, K_iB_пi=K₀В_п, где K₀ - идеальное теоретическое значение коэффициента преобразования компонент в код. При выполнении равенства В_пi=В_п, обеспечиваемого заданием тестового сигнала, признаком исправности является сохранение равенства коэффициентов преобразования компонент в код их теоретическому значению K_i=K₀.

При выполнении равенства (3) на выходе устройства сравнения 13 формируется сигнал «результат контроля» (РК) в виде логической единицы, характеризующий состояние исправности канала преобразования устройства. При нарушении равенства (3) при отказе опрашиваемого канала преобразования выход устройства сравнения 13 характеризуется состоянием логического нуля, то есть присутствием на выходе устройства сравнения 13 сигнала РК в виде логического нуля. Пример такой ситуации на фиг.2 показан на интервале опроса канала измерения компоненты B_z. В моменты времени t₁', t₂', t₃' появления заднего фронта сигналов «Режим» на входе управления записи (зп) блока управления и регистрации 10 в последний осуществляется запись соответственно кодов N_Bx, N_By, N_Bz и результата контроля РК. Задержка окончания импульсов РК, обеспечиваемая задержкой выключения тестов (элементом задержки 11) по окончании сигналов «Режим», в свою очередь обеспечивает надежность записи результатов контроля по заднему фронту сигналов «Режим». Пример иллюстрации состояния исправности устройства, контролируемого в моменты времени t₁', t₂', t₃', показанный на фиг.2, свидетельствует в данном случае об исправности каналов преобразования компонент В_x, B_y и отказе канала преобразования компоненты B_z. Следовательно, код B_z является искаженным результатом измерения компоненты B_z.

Таким образом, при условии медленного изменения измеряемого поля производится измерение величин В_i и осуществляется контроль каналов преобразования сравнением реальных значений коэффициентов преобразования с их теоретическим значением.

Выбор величины тестового сигнала в устройстве определяется выражением

Структура блока управления и регистрации 10 определяется известными способами регистрации данных, а при необходимости обмена данными с внешними устройствами определяется способами реализации интерфейса.

Совмещенное мультиплексирование средств обеспечения режимов работы и контроля, а также простота формирования признака контроля, исключающая необходимость использования цифрового вычислителя, заметно упрощают устройство в целом, повышая надежность работы и обеспечивая при этом полностью автономный контроль с формированием тестового сигнала, адаптивного к измеряемому полю, исключающего тем самым перегрузку каналов преобразования.

Таким образом, данное устройство обладает повышенными простотой, надежностью и автономностью контроля исправности.

Устройство для измерения магнитных полей, содержащее три ортогонально ориентированных феррозонда, три усилительно-преобразовательных блока, вход каждого из которых подключен к выходу соответствующего феррозонда, аналого-цифровой преобразователь, первый коммутатор, стабилизатор тока и блок управления и регистрации, сигнальный выход которого через элемент задержки подключен к первому сигнальному входу управления первого коммутатора, первый и второй аналоговые входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами стабилизатора тока, отличающееся тем, что в него дополнительно введены регистр, устройство сравнения, устройство инвертирования и второй коммутатор, с первого по третий аналоговые входы которого подключены соответственно к выходам первого по третий усилительно-преобразовательных блоков, а выход - ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к кодовому информационному входу регистра и первому входу устройства сравнения, второй вход которого подключен к выходу устройства инвертирования, а выход подключен к сигнальному входу блока управления и регистрации, кодовый информационный вход которого подключен к выходу регистра и входу устройства инвертирования, сигнальный выход подключен к его входу управления записи и входу управления записи регистра, а кодовый выход подключен к кодовым входам управления второго коммутатора и первого коммутатора, второй сигнальный вход управления которого подключен к знаковому разряду выходного кода регистра, а его с первого по третий выходы подключены соответственно к контрольным обмоткам с первого по третий феррозондов.