УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 1995 года по МПК G01R33/06 

Изобретение относится к измерениям магнитных полей с помощью гальваномагнитных преобразователей и может быть использовано при создании магнитометров, применяемых в радиоспектроскопии и радиотехнике.

Известны устройства для измерения магнитного поля, основанные на том, что через гальваномагнитный преобразователь (датчик Холла) пропускают постоянный или переменный управляющий ток и измеряют величину преобразованного сигнала (ЭДС Холла).

Недостатком этих устройств является невысокая скорость измерения. Это объясняется малым уровнем преобразованного сигнала, что вынуждает применять для его усиления узкополосные избирательные усилители постоянного тока.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения магнитного поля, позволяющее подавать на гальваномагнитный преобразователь управляющее воздействие в виде короткого, но мощного прямоугольного импульса и измерять амплитуды преобразованного сигнала. Данное устройство может быть взято в качестве прототипа изобретения. Устройство-прототип позволяет получить в 10-20 раз большую амплитуду преобразованного сигнала, чем другие устройства за счет большей амплитуды управляющего воздействия. Это позволяет применить усилители с меньшим усилием и большей рабочей полосой. Время измерения здесь практически ограничено только длительностью управляющего воздействия.

Основным недостатком прототипа является недостаточно высокая точность измерений, ограниченная нестабильностью амплитуды импульсного управляющего воздействия, величину которой получить менее 0,1% затруднительно.

Цель изобретения повышение точности измерений.

Цель достигается за счет того, что устройство, содержащее последовательно соединенные источник опорного напряжения, коммутатор и гальваномагнитный преобразователь, второй управляющий вход которого соединен с вторым выводом источника опорного напряжения, а также блок регистрации и синхронизатор, первый выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, а второй с вторым входом блока регистрации, введены интегратор, а в качестве блока регистрации используется блок выборки и хранения, первый вход которого соединен с выходом интегратора, а выход является выходом устройства, а также электрический конденсатор, включенный между третьим сигнальным электродом коммутатора и вторым управляющим входом гальваномагнитного преобразователя, причем сигнальный вход интегратора соединен с Холловскими электродами гальваномагнитного преобразователя, а вход сброса интегратора соединен с первым выходом синхронизатора.

Сущность изобретения можно пояснить следующим образом. Величина измеряемого сигнала U_и определяется так:
U_и= KB i_у(t)dt= KBQ (1) где К коэффициент пропорциональности (коэффициент Холла); В магнитная индукция измеряемого поля; i_у(t) управляющий ток; t_o и τ_y момент начала и длительность управляющего импульса соответственно; Q электрический заряд, прошедший через гальваномагнитный преобразователь в течение управляющего воздействия.

Таким образом, точность измерений здесь определяется стабильностью величины электрического заряда, проходящего через преобразователь, а эта величина может быть стабилизирована с той же точностью, что и величины постоянных токов и напряжений (0,01-0,001%).

На фиг. 1 в качестве примера приведена структурная схема устройства для измерения магнитного поля; на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие его работу.

На фиг. 1 показаны последовательно соединенные источник 1 постоянного опорного напряжения (ИОН), коммутатор 2, датчик 3 Холла (ДХ), помещенный в измеряемое магнитное поле, интегратор 4, а также устройство 5 выборки и хранения (УВХ), выход 6 которого является выходом измерителя магнитной индукции, а также синхронизатор 7, первый выход которого соединен с управляющим входом коммутатора 2 и входом сброса интегратора 4, а второй вход с управляющим входом УВХ 5. Кроме того, устройство содержит конденсатор С, соединенный с коммутатором 2.

Устройство работает следующим образом.

Цикл измерения начинается с того, что на вход сброса интегратора 4 и на управляющий вход коммутатора 2 с первого выхода синхронизатора 7 поступает инвертированный импульс (фиг. 2а) длительностью τ_y. Под действием этого импульса интегратор 4 из режима сброса переходит в рабочий режим, а коммутатор 2 подключает емкость С к управляющим электродам ДХ 3. При этом нормально подключенный к выходу ИОН 1 и заряженный до напряжения U_оп, равного выходному напряжению ИОН, конденсатор С разряжается через управляющие электроды ДХ 3, создавая управляющий ток экспоненциальной формы (фиг. 2б). Постоянная времени разряда должна быть меньше τ_y, чтобы емкость могла полностью разрядиться. Форма преобразованного сигнала на Холловских электродах ДХ 3 совпадает с формой управляющего тока (фиг. 2б).

Заряд Q, проходящий через управляющие электроды ДХ 3 в течение одного цикла измерения, равен первоначальному заряду конденсатора С:
Q CU_оп. (2)
Нестабильность этого заряда, а следовательно, и точность измерения магнитного поля описываемым устройством определяются, таким образом, нестабильностью постоянного напряжения U_оп на выходе ИОН 1, которая может быть получена порядка 0,01-0,001% тогда как в прототипе эта величина не превышает 0,1% Величина U_оп должна выбираться из условия U_оп < , где Т период следования циклов измерения; Р предельно допустимая мощность, рассеиваемая ДХ 3.

Сигнал на выходе интегратора 4 имеет вид, показанный на фиг. 2в, и к моменту окончания действия управляющего импульса (фиг. 2а) на коммутатор 2 он достигает величины U_и, определяемой из выражений (1) и (2): U_и U_оп СКВ, которая и запоминается в УВХ 5 под действием поступающего на его управляющий вход короткого импульса (фиг. 2г), формирующегося на третьем выходе синхронизатора 7 по истечении времени. С выхода 6 УВХ 5 сигнал может быть подан на регистрирующее устройство для оценки величины измеряемой магнитной индукции.

Как видно из приведенного описания, в предлагаемом устройстве погрешность измерений определяется нестабильностью электрического заряда, прошедшего через ДХ, и может быть на один-два порядка (0,01-0,001%) меньше, чем в прототипе, где точность определяется нестабильностью амплитуды управляющего импульса (0,1%).

Применение: в магнитометрии, радиоспектроскопии. Суть изобретения: устройство содержит источник 1 постоянного опорного напряжения, коммутатор 2, датчик 3 Холла, интегратор 4, блок 5 выборки и хранения, синхронизатор 7. Точность измерений предложенным устройством определяется стабильностью величины электрического заряда, проходящего через датчик Холла, что составляет 0,01 - 0,001%. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, содержащее последовательно соединенные источник опорного напряжения, коммутатор и гальваномагнитный преобразователь, второй управляющий вход которого соединен с вторым выводом источника опорного напряжения, а также блок регистрации и синхронизатор, первый выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введен интегратор, а в качестве блока регистрации используется блок выборки и хранения, первый вход которого соединен с входом интегратора, а выход которого является выходом устройства, а также электрический конденсатор, включенный между третьим сигнальным электродом коммутатора и вторым управляющим входом гальваномагнитного преобразователя, сигнальный вход интегратора соединен с Холловскими электродами гальваномагнитного преобразователя, а вход сброса с первым выходом синхронизатора.