Способ измерения магнитного поля и устрой-ctbo для его реализации

Способ измерения магнитного поля и устрой-ctbo для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (51)М. Кл.з

G 01 R 33/02 (22) Заявлено 2506.79 (21) 2783981/18-21 с присоединением заявки М

Государственный комитет

СССР по делам изобретений, и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 23.05.81. Бюллетень Йо 1 (53) УДК 621. 317.

° 44 (088.8) Дата опубликования описания 230581

A Ã. Сметанин, Ю.В. Ковш, В.B. Голованов и В.С. Власов (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

И .УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано при построении высокочувствительных навигационных и геофизических

5 ферроэондовых магнитометров.

Известен способ измерения магнитного поля с помощью ферроэондов, при котором сердечник феррозонда перемагничивают вспомогательным гармоническим полем, а в выходной цепи ферроэонда выделяют (с помощью частотно-избирательных узлов), детектируют .и регистрируют сигнал одной из четных, как правило второй, гармоник частоты перемагничивания, пропорциональный измеряемому полю f1).

Устройство для реализации известного способа содержит последовательно соединенные генератор синусоидального тока, дифференциальный ферроэонд, избирательный усилитель, синхронный детектор и регистрирующий прибор, причем синхронный детектор соединен также через удвоитель частоты с генератором синусоидального тока (1 .

Однако повышение точности измере- . ния известными устройствами по этому способу ограничивается частотной нестабильностью генератора синусоидаль- ЗО ного тока и избирательных узлов (фильтрата), а.также шумами перемагничнвания сердечника.

Известен способ измерения параметров магнитного поля с помощью ферроэондов, гри котором сердечник (его центральную. часть) ферроэонда перемагничивают по повторяющейся программе, включающей намагничивание до состояния насыщения, размагничивание (посредством дополнительного экспоненциально затухающего высокочастотного поля) до установившегося магии .ного состояния, повторное, но в противоположном направлении, намагничиванче и повторное размагничивание до установившегося магнитного состояния. Величину измеряемого поля определяют по амплитуде гармонической ЭДС удвоенной частоты на выводах настроенной в резонанс приемной (выходной) обмотки феррозонда (2 1.

Известное устройство для измерения параметров магнитного поля по этому способу содержит ферроэонд и связанный с ним источник знакопеременных импульсов тока насыщения, разделенных промежуточными интервалами нулевого тока. В устройстве приме832502

d0 нен дифференциальный феррозонд, выполненный на сердечнике с центральным отверстием, причем обмотка перемагничивания размещена в данном отверсии, а приемная обмотка — на участках сердечника вне центральной зоны перемагничивания сердечника. На сердечнике по всей его длине размещена размагничивающая обмотка, соединенная г, генератором экспоненциально затухающего высокочастотного тока размагничивания сердечника. Этот генератор синхронизирован от источника знакопеременных импульсов тока (включается в моменты окончания импульсов тока) (2, Однако известные способ и устройство не обеспечивают необходимой точности измерения и сложны в реализации.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, $0 что в способе, включающем намагничивание сердечника до состояния. насыщения, размагничивание его до установившегося магнитного состояния, повторное, чо в противоположном направлении, намагничивание сердечника до состояния насыщения и повторное размагничивание его до установившегося магнитного состояния, выходной сигнал феррозонда интегрируют, фиксируют установившиеся уровни полученного сигнала для каждого из четырех установившихся магнитных состояний сердечника, суммируют два зафиксированные уровня сигнала, соответствующие состоянием намагниченного сердечника, два зафиксированные уровня сигнала, соответствующие состояниям размагниченного сердечника, находят разность полученных суммарных значений сигнала и по величине и полярности разностного сиг-40 нала судят о величине и направлении измеряемого поля.

Причем устройство для осуществления способа, содержащее феррозонд и связанный с ним источник знакопере- 45 менных импульсов тока, снабжено также интегрирующим усилителем, подключенным K выходу феррозонда.дифференциальным усилителем и двумя управляесумматорами. соединенными сиг- 5О нальными входами с выходом интегрирующего усилителя, управляющими входами — с упомянутым источником, а выходами — -co входами дифференциального усилителя, при, этом выход одного из управляемых сумматоров соединен со входом интегрирующего усилителя а выход дифференциального усилителя — . с дополнительным входом феррозонда.

При этом каждый из управляемых сумматоров выполнен в виде четырех управляемых ключевых элементов, соединенных в мостовую схему, два противоположных выхода которой соединены через конденсатор, а два других со входом и выходом сумматора относитель45 но шины нулевого потенциала, причем параллельно выходу сумматора включен второй конденсатор, а управляющие входы накрест лежащих ключевых элементов попарно объединены.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения магнитного поля ; на фиг. 2 — принципиальная электрическая .схема управляемого сумматора; на фиг. 3 — схема подключения дифференциального феррозонда," на фиг. 4 — временная диаграмма тока перемагничивания; на фиг. 5 — временг. ные диаграммы работы устройства.

Устройство содержит феррозонд 1 с обмотками перемагничивания 2, компенсации 3 и сигнальной 4, соединенный с источником 5 знакопеременных импульсов тока, а выход феррозонда

1 подключен к интегрирующему усилителю б, Выход интегрирующего усилителя

6 соединен с сигнальными входами управляемых сумматоров 7,7-1, дополнительные управляющие входы которых связаны с источником 5. Выходы управляемых сумматоров 7 соединены с разнополярными входами дифференциального усилителя 8. Выход 9 является выходом устройства и может быть непосредственно подключен к регистрирующему прибору, или ко входу системы дистанционной передачи данных.

Выход управляемого сумматора 7 соединен со входом интегрирующего усилителя б. Соединение осуществлено через согласующий элемент 10.

Кроме этого, показано также целесообразное соединение выхода дифференциального усилителя 8 обмоткой компенсации 3 феррозонда 1.

Управляемый сумматор 7 содержит четыре управляемых ключевых элемента 11 (в данном случае полевые транзисторы>, соединенные в мостовую схему.

В диагональ моста включен коммутируемый конденсатор 12 . Два свободных вывода моста образуют сигнальный вход. 13 и выход 14 сумматора, причем на выходе сумматора включен накопительный конденсатор 15. Входы управления (затворы полевых транзисторов) накрест лежащих ключевых элементов пбпарно объединены и образуют управляющие входы 16 и 17 управляемого сумматора.

Дифференциальный феррозонд (фиг. 3) выполнен на двух стержневых сердечниках с дифференциальной обмоткой перемагничивания 2, обмоткой компенсации. 3, сигнальной обмоткой 4.

Устройство работает следующим образом.

На сердечник феррозонда 1 (фиг. 1) воздействует знакопеременное поле тока на входе обмотки перемагничивания 2 и измеряемое поле. Временная диаграмма 18 тока показана на фиг. 4.

В каждый из интервалов времени „и

832502 сердечник намагничивается до состояния насыщения вспомогательным полем, в силу чего магнитный поток в сердечнике для данных интервалов.(исключая переходной процесс) определяется индукцией насыщения материала сердечника и не зависит от величины измеряемого поля

В интервалы времени t+ и 4 ток на обмотке перемагничивайия 2 феррозонда (и вспомогательное поле) равен нулю, и сердечник саморазмагничивает- .ся до устойчивых магнитных состояний, определяемых величиной остаточной индукции материала сердечника и индукцией измеряемого поля в сердечнике. установившиеся в интервалы t<...с4 15 времени значения ф ... ф4магнитйого потока ф(с)в сердечнике могут быть записаны в виде

Р =к(е,+e>-е -e4) Ф4 = н ) я.=фаст Фо

@ъ= фн 4 Ост+фо

«й фЩ .(Ю =-

35 где. U u U — простоянные напряжения .у Я соответственно на выходах сумматоров 7

К вЂ” коэффициент передачи кажС дого иэ сумматоров, К вЂ” коэффициент передачи диф9 ференциального усилителя, причем К К9=К.

Для фиксации (измерения и запоминания) необходимых, чередующихся во времени уРовней е. ...е4 ЭДС e4(t) сум маторы 7 синхронизированы от источника 5 и имеют в своем составе накопи» тельные (запоминающие) элементы. На конденсаторе 12 (иг. 2) фиксируется выбранный с помощью ключевых элементов 11 необходимый уровень сигнала е4(й), а на конденсаторе 15 результат сложения в виде постоянного напряжения.

Как видно из последнего выражения, выходной сигнал Р устройства пропорционален измеряемому магнитному потоку в сердечнике и свободен от составляющих обрабатываемого сигнала, не несущих информации об измеряемом параметре, в том числе от ЭДС ео дрейфа нуля интегрирующего усилителя.

Однако наличие постоянной составляющей дрейфа нуля, усиленной на выему ФКифЮ оео

45 где Фн фас и фо — соответственно магнитные потоки насы- 25 щения остаточной индукции и измеряемый.

На выходе феррозонда 1 под дейст- . вием данного потока наводится по закону электромагнитной индукции, ЭДС е(t) Ф где W — число витков выходной (сиг- . нальной) обмотки 4 феррозонда 1.

В результате интегрирования ЭДС 40

e(t) на выходе интегрирующего усили-. теля б образуется ЭДС ец(t) где К вЂ” постоянная интегрирования, K — статический коэффициент пео редачи по напряжению интегрирующего усилителя, 50 е — ЭДС смещения (дрейфа7 нуля о на входе интегрирующего усилителя 6.

В соответствии с значениями ф ...

ô4 магнитного потока Ф (t), ЭДС e4(t) 55 в интервалы времени tg ... t4 также досдостигает установившихся уровней

4- 1 4 Н "О О е =ччК, (Ф„+ ф,)+Коео1

34ноо

Щ К (фоат + ф )1КуР

4 4

Окисанные преобразования поясняются фиг. 5, где показана замкнутая кри- 5 зая 19 предельной петли перемагничивания сердечника, временная диаграмма

20 вспомогательного поля перемагничивания сердечника при нулевом измеряемом поле и та же диаграмма 20-1, =мещенная на величину измеряемого поля с напряженностью Н, диаграммы

21 и 21-1 изменения в сердечнике магнитного потока ф(t). Аналогичный вид — 21 и 21-1 имеет ЭДС е4(й) без учета постоянного смешения йа величину дрейфа нуля.

Для выделения полезного сигнала и эффективного подавления составляющих ЭДС е4(), не несущих информации об измеряемом поле, дальнейшее преобразование уровней е .. ° е4ЭДС ведется пл выражению где Р— напряжение на выходе 9 или ток в выходной цепи устройства, К вЂ” коэффициент пропорциональности.

Данное преобразование технически наиболее просто и целесообразно осуществить посредством раздельных операций сложения и вычитания с помощью решающего устройства, включающего два управляемых сумматора 7 и дифференциальный усилитель 8

U„=K (е +е ) = к К е; 1 =К (еа е4) =2К (ФК4ф + <о<о

<9(U,-U )=2КК4Щ@

832502

d0

Так как упомянутое соотношение сигнала и помехи всегда более выгодно в случае применения дифференциальных ферроэондов, применение последних предпочтительно, но должно соразмерять ходе интегрирующего усилителя, может нарушить режим его работы и, в общем случае, требует применения специаль- . ных мер балансировки усилителя, зачастую не обладающих необходимой эффективностью.

Для устранения данного недостатка достаточно произвести подачу напряжения Ы или U> на вход интегрирующего усилителя. Например, показанной на фиг. 1 связью выхода сумматора 7 через согласующее устройство 10 (инвертирующий усилитель) с положительным входом интегрирующего усилителя б обеспечивается точная привязка выходного сигнала интегрирующего усилителя к нулю измерительной схемы 15 по уровню 0 постоянного напряжения.

Из полученного выражения для выходного сигнала устройства видно, что нестабильность по усилению интегрирующего усилителя б и дифференциаль- 20 ного усилителя 8 непосредственно отражается на результатах измерений, особенно при точных измерениях широкого диапазона магнитных полей, для :его .весь измерительный тракт охватывают цепью дополнительной обратной связи. Выходной сигнал устройства в этом случае в виде пропорционального тока поступает в обмотку компенсации 3. С помощью данной обратной связи осуществляется приемлемый в предлагаемом устройстве. известный режим автокомпенсации измеряемого поля полем тока в обмотке компенсации, за счет чего исключается влияние нестабильности коэффи- 35 циентов передачи активных элементов устройства на результаты измерений в широком диапазоне измеряемого поля.

Работа устройства по фиг. 1 в случае применения дифференциального феррозонда по фиг. 3 аналогична вышеизложенной. Представив дифференциальный феррозонд как два одноэлементных феррозонда, встречно включенных по входу перемагничивания и согласно по остальным цепям (см. фиг. 3), нетрудно убедиться, что различия сводится к иному количественному соотношению между полезным сигналом и помехой. В качестве помехи и в данном случае рассматриваются уровни сигнала е и е3, пропорциональные потоку насыщения, и составляющие уровней е, и е4, пропорциональ-, ные остаточной индукции сердечника, 55 а в качестве полезного сигнала — составляющие уровней е и е, пропорциональные измеряемому магнитному потоку в сердечнике. ся с повышенной сложностью их реализации и задачами измерения.

ФоРмула изобретения

Способ измерения магнитного поля, включающий намагничивание сердечника до состояния насыщения, размагничивание его до установившегося магнитного, состояния, повторное, но в противоположном направлении, намагничивание сердечника до состояния насыщения и повторное размагничивание его до установившегося магнитного состояния, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, выходной сигнал феррозонда интегрируют, фиксируют установившиеся уровни полученного сигнала для каждого из четырех установившихся магнитных состояний сердечника, суммируют два зафиксированные уровня сигнала, соответствующие состояниям намагниченного сердечника, два зафиксированные уровня сигнала, соответствующие состояниям размагниченного сердечника, находят разность полученных суммарных значений сигнала и по величине и полярности разностного сигнала судят о величине и направлении измеряемого поля.

2. Устройство для реализации способа по и. 1, содержащее -феррозонд и связанный с ним источник знакопеременных импульсов тока, о т л и ч а ю щ е е с я тЕм, что оно снабжено интегрирующим усилителем, подключенным к выходу феррозонда, дифференциаль ным усилителем и двумя управляемыми сумматорами, соединенными сигнальными входами с выходом интегрирующего усилителя, управляющими входами — с упомянутым источником, а выходами — co входами дифференциального усилителя, при этом выход одного из управляемых сумматоров соединен со входом интегрирующего усилителя, а выход дифференциального усилителя †с дополнительным входом феррозонда. 3. Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что каждый из управляемых сумматоров выполнен в виде. четырех управляемых ключевых элементов, соединенных в мостовую схему, два противоположных вывода которой соединены через конденсатор, а два других со входом и выходом сумматора относительно шины нулевого потенциала, причем параллельно выходу сумматора включен второй конденсатор, а управляющие входы накрест лежащих ключевых элементов попарно объединены.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Афанасьев Ю.В. Феррозонды. Л., "Энергия", 1969, c. .10-34.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 629516, кл. G 01 R 33/00, 1975.