ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР Российский патент 1998 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения параметров магнитного поля на основе феррозондов.

Известен феррозондовый магнитометр, содержащий синхронный детектор, связанный одним из выходов генератора и входом избирательного усилителя, причем синхронный детектор через цепь отрицательной обратной связи соединен с измерительным прибором, другой выход генератора соединен с обмоткой возбуждения феррозонда, измерительная обмотка феррозонда соединена с избирательным усилителем, причем феррозонд вместе с измерительной обмоткой и обмоткой возбуждения помещают в компенсационную катушку, через которую пропускают постоянный ток такой величины и полярности, чтобы создаваемое поде компенсировало измеряемое. По величине тока компенсации и его направлению судят о величине и знаке измеряемого поля.

Недостатком известного феррозондового магнитометра является нестабильность нуля, вызванная наличием четных гармоник в источнике возбуждения, неоднородностью поля компенсации, что ограничивает порог чувствительности.

Наиболее близким к предлагаемому является феррозондовый магнитометр, содержащий три феррозонда, магнитные оси которых взаимно ортогональны и каждый из которых состоит из сердечникам обмотки возбуждения и выходной обмотки, усилителя переменного тока, фазового детектора, блока обратной связи, а также регистрирующий прибор, генератор и три канала возбуждения отдельных феррозондов, коммутатор и блок управления.

Недостатком этого феррозондового магнитометра является то, что он не обеспечивает стабильность выходного сигнала, и как следствие - большая погрешность и невысокая точность измерения.

Предлагаемый феррозондовый магнитометр позволяет повысить точность измерения за счет того, что дополнительно введенные фазовращатель и устройство формирования импульсов, соединенные последовательно и включенные между генератором и фазочувствительным выпрямителем, обеспечивают открывание ключа в устройстве фазочувствительного выпрямителя в момент максимальной амплитуды сигнала второй гармоники, и как следствие этого повышается стабильность выходного сигнала.

На фиг. 1 изображена структурная схема феррозондового магнитометра; на фиг.2, 3 - эпюры напряжений в основных точках схемы; на фиг.4 - схема устройства формирования импульсов 17; на фиг.5 - схема фазочувствительного выпрямителя 14.

Феррозондовый магнитометр (фиг.1) содержит три феррозонда 1, 2, 3, каждый из которых состоит из сердечника 4, 5, 6, обмотки возбуждения 7, 8, 9 и выходной обмотки 10, 11, 12, усилитель переменного тока 13, фазочувствительный выпрямитель 14, блок обратной связи 15, регистрирующий прибор 16, устройство формирования импульсов 17, фазовращатель 18, генератор 19, коммутатор 20, три блока возбуждения 21, 22, 23, блок управления 24.

Выходные обмотки 10, 11, 12 феррозондов 1, 2, 3 соединены последовательно, выходной зажим обмотки 12 подключен к общему проводу, а входной зажим обмотки 10 связан с входом усилителя переменного тока 13. Выход усилителя переменного тока 13 соединен с входом фазочувствительного выпрямителя 14. Выход последнего связан с входом регистрирующего прибора 16 и блоком обратной связи 15. Выход последнего подключен к входному зажиму обмотки 10. Один выход генератора 19 соединен с входом коммутатора 20. Выходы коммутатора 20 соединены с входами блоков возбуждения 21, 22, 23, выходы которых подключены к обмоткам возбуждения 7, 8, 9 феррозондов 1, 2, 3. Выход блока управления 24 соединен с управляющими входами коммутатора 20 и регистрирующим прибором 16, выход другого генератора 19 соединен с входом фазовращателя 18, выход которого соединен с входом устройства формирования импульсов 17, выход которого соединен с входом коммутации фазочувствительного выпрямителя 14.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 19 вырабатывает напряжение частотой f₂ (фиг.2а). Это напряжение через коммутатор 20 поступает поочередно на входы блоков возбуждения 21, 22, 23, при этом на отрезке времени (t₂-t₁) оно воздействует на блок возбуждения 21 феррозонда 1 по X (фиг.2 б); (t₃-t₂) - на блок возбуждения 22 феррозонда 2 по Y (фиг.2 в); (t₄-t₃) - на блок возбуждения 23 феррозонда 3 по Z (фиг.2 г) и т. д.

Указанные временные интервалы формируются блоком управления 24, который управляет работой коммутатора 20. Напряжение частотой f₂, пройдя через соответствующий блок возбуждения и обмотку возбуждения, возбуждает поочередно феррозонды. В каждый момент времени в возбужденном состоянии находится всегда один из феррозондов 1, 2, 3.

Измеряемое магнитное поле напряженностью H₀ воздействует одновременно на три феррозонда и вызывает перемагничивание сердечника каждого феррозонда, и появление амплитуды второй гармоники магнитной индукции, практически линейно связанной с величиной напряженности постоянного магнитного поля H₀, следовательно, выходной сигнал с выходной обмотки того феррозонда, на обмотку возбуждения которого в данное время подано напряжение с генератора 19, будет содержать вторую гармонику с амплитудой, пропорциональной измеряемому магнитному полю.

Поскольку выходные обмотки феррозондов включены последовательно, на вход усилителя переменного тока 13 на интервале (t₂-t₁) поступает сигнал, содержащий модулирующую функцию частоты f₂ генератора 19, с амплитудной модуляцией второй гармоники, амплитуда которой определяется составляющей (H₁) магнитного поля H₀ (фиг.3 а).

На интервале (t₃-t₂) амплитуда определяется составляющей H_Y магнитного поля H₀ на интервале (t₄-t₃) - H_Z и так далее.

Усилителем переменного тока 13 выделяется вторая гармоника (фиг.3 б) из сигнала, поступающего при возбуждении (например, обмотки возбуждения 7 феррозонда 1), которая затем поступает на вход канала ключа фазочувствительного выпрямителя 14. Одновременно на вход фазовращателя 18 с генератора 19 поступает сигнал частотой f₂.

В фазовращателе 18 устанавливаются необходимой регулировкой величины фазового сдвига так, чтобы переход сигнала через 0^o, π^°, 2π^° и т. д. соответствовал максимальной амплитуде второй гармоники с выхода усилителя переменного тока 13 (фиг.3 в).

Поступивший с выхода фазовращателя 18 сигнал на вход устройства формирования импульсов 17 формируется на выходе этого устройства в периодическую последовательность коротких прямоугольных импульсов (фиг.3), которые поступают на адресный вход аналогового ключа фазочувствительного выпрямителя 14 и открывают канал ключа в момент прохождения импульса, и сигнал максимальной амплитуды второй гармоники запоминается на конденсаторе 1 (фиг.5), затем повторяется буфером 2.

На выходе фазочувствительного выпрямителя 14 формируется напряжение, пропорциональное составляющей магнитного поля H₀, которое поступает в регистрирующий прибор 16 и с помощью блока обратной связи 15 создает ток обратной связи в выходных обмотках феррозондов 1, 2, 3. При этом в возбужденном в данный момент феррозонде создается магнитное поле, компенсирующее соответствующую составляющую измеряемого магнитного поля H₀. После окончания переходного процесса , вызванного переключением обмоток возбуждения и воздействием магнитного поля H₀ на феррозонды 1, 2, 3. Регистрирующий прибор 16 по сигналам блока управления 24 фиксирует установившееся значение напряжения на выходе фазочувствительного выпрямителя 14, пропорциональное соответствующей составляющей магнитного поля H₀ (H_X, H_Y, H_Z) (фиг.2 д).

Одним из конкретных примеров выполнения усилителя переменного тока 13 может быть выполнение его как последовательно соединенные буфер и активный полосовой фильтр. Буфер выполнен на операционном усилителе ОУ, например м.с. 744УД2, с большим входным сопротивлением.

Активный полосовой фильтр может быть выполнен на ОУ, например, м.с. 744УД2 по распространенной типовой схеме.

Одним из конкретных примеров выполнения фазовращателя может быть выполнение его на ОУ, например м.с. 744УД2, как фазовый фильтр первого порядка.

Одним из конкретных примеров выполнения устройства формирования импульсов (фиг. 4) может быть выполнение из последовательно соединенных диодного формирователя уровня, например, на диодах 2Д522Б и компараторе 521СА3.

Диодным формирователем выпрямляется сигнал и устанавливаются входы компаратора 3 на шину "Земля", когда нет входного сигнала. Резисторами 1, 2 обеспечивается ширина импульса с выхода устройства формирования импульсов 17.

Из известных на дату подачи заявки источников научно-технической и патентной информации феррозондовый магнитометр предложенной конструкции не известен, поэтому можно сделать вывод, что феррозондовый магнитометр обладает новизной, высокой точностью измерения магнитного поля и низкой погрешностью измерения этого поля.

Применение предлагаемого феррозондового магнитометра в сравнении с известным устройством позволяет повысить точность измерения за счет того, что дополнительно введенные фазовращатель 18 и устройство формирования импульсов 17, соединенные последовательно и включенные между генератором 19 и фазочувствительным выпрямителем 14, обеспечивают открывание ключа в момент максимальной амплитуды сигнала второй гармоники, и как следствие этого, высокая стабильность выходного сигнала по сравнению с известным устройством магнитного феррозонда.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения параметров магнитного поля на основе феррозондов. Феррозондовый магнитометр (фиг.1) содержит три феррозонда 1, 2, 3 с взаимно ортогональными магнитными осями, каждый из которых состоит соответственно: из сердечников 4, 5, 6, обмотки возбуждения 7, 8, 9 и входной обмотки 10, 11, 12, усилитель переменного тока 13, фазочувствительный выпрямитель 14, блок обратной связи 15, регистрирующий прибор 16, устройство формирования импульсов 17, фазовращатель 18, генератор 19, коммутатор 20, три блока возбуждения 21, 22, 23, блок управления 24. Выходные обмотки 10, 11, 12 феррозондов 1, 2, 3 соединены последовательно, выходной зажим обмотки 12 подключен к общему проводу, а входной зажим обмотки 10 связан с входом усилителя переменного тока 13; устройство формирования импульсов 17 может быть выполнено из последовательно соединенных диодного формирователя уровня и компаратора. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Феррозондовый магнитометр, содержащий три феррозонда с взаимно ортогональными магнитными осями, состоящие каждый из сердечника, обмотки возбуждения, соединенной с соответствующим блоком возбуждения, входной зажим выходной обмотки первого феррозонда подключен к входу усилителя переменного тока и выходу блока обратной связи, выходной зажим выходной обмотки первого феррозонда соединен с входным зажимом выходной обмотки второго феррозонда, выходной зажим которого соединен с входным зажимом выходной обмотки третьего феррозонда, выходной зажим которого подключен к общему проводу, последовательно соединенные усилитель переменного тока, фазочувствительный выпрямитель, регистрирующий прибор, своим входом соединенный с входом блока обратной связи, и генератор, один выход которого соединен с входом коммутатора, выходы коммутатора соединены с входом соответствующего блока возбуждения, выход блока управления подключен к коммутатору и второму входу регистрирующего прибора, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные фазовращатель и устройство формирования импульсов, другой выход генератора соединен с входом фазовращателя, а выход устройства формирования импульса подключен к входу коммутации фазочувствительного выпрямителя. 2. Магнитометр по п.1, отличающийся тем, что устройство формирования импульсов содержит последовательно соединенные диодный формирователь уровня и компаратор.