УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Российский патент 1998 года по МПК G01R33/20 

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для автоматического измерения изменяющейся в широких пределах магнитной индукции однородных и неоднородных магнитных полей, создаваемых источниками (магнитными системами), предназначенными для эксплуатации в широком диапазоне рабочих температур.

Известны устройства температурной стабилизации преобразователя Холла [1, 2] , в которых в качестве источника информации о температуре преобразователя используются значения его собственных параметров (сопротивления, напряжения неэквипотенциальности), зависящих от его температуры, которая регулируется путем изменения тока питания преобразователя. Однако эти устройства имеют значительную погрешность в широком диапазоне температур и становятся неработоспособными при значительных изменениях магнитной индукции из-за магниторезестивного эффекта, проявляющегося во влиянии магнитного поля на информативный параметр преобразователя (сопротивление, напряжение неэквипотенциальности).

Известно устройство [3] (прототип), содержащее преобразователь Холла, питаемый от источника постоянного тока, и электромагнит, в зазоре которого находится преобразователь тесламетра ядерного магнитного резонанса, помещенные в термокриостат, координатно-перемещающий блок, а также цепь воспроизведения магнитной индукции, состоящую из блока памяти напряжения и управляемого источника тока электромагнита. В этом устройстве значение выходного напряжения преобразователя Холла, измеренное в зазоре исследуемого магнита, также помещенного в термокриостат, запоминается в блоке памяти, после этого преобразователь Холла перемещается в зазор электромагнита, где с помощью управляемого источника тока создается магнитное поле с таким значением индукции, что значение выходного напряжения преобразователя Холла равно хранящемуся в блоке памяти. Эта индукция измеряется высокочастотным тесламетром ядерного магнитного резонанса. Таким образом удается исключить систематические погрешности и погрешность нелинейности преобразователя Холла, а также существенно снизить температурную погрешность. Для обеспечения высокой точности измерения необходимо создать в термокриостате стабильные температурные условия для преобразователя Холла в исследуемом зазоре, так и в зазоре электромагнита. Недостатком известного устройства является то, что за счет неравенства температур в исследуемом и образцовом магнитах изменяются характеристики преобразователя Холла, играющего роль компарирующего преобразователя. Это приводит к появлению погрешности в воспроизведении магнитной индукции. Уменьшение этой погрешности за счет точной регулировки температуры электромагнита требует использования термокриостата большого объема и больших затрат времени из-за тепловой инерционности значительной массы электромагнита. Кроме этого, недостатком является необходимость создания специальных преобразователей для тесламетра ядерного магнитного резонанса, работоспособных в широком температурном диапазоне.

Цель изобретения - повышение точности и производительности компаратора с помощью осуществления двухкомпонентного компарирования, т.е. воспроизведения не только значения индукции магнитного поля, но и значения температуры самого компарирующего преобразователя, причем для измерения температуры преобразователя Холла предлагается использовать значение его входного сопротивления, а для регулирования температуры - изменение тока питания преобразователя, что позволяет не увеличивать габариты измерительного зонда. Подобное устройство не требует применения термокриостата большого объема, поскольку позволяет использовать электромагнит при комнатной температуре и включает температурную погрешность из-за магниторезестивного эффекта, поскольку значения индукции при измерении и при воспроизведении равны.

Для осуществления двухкомпонентного компарирования в автоматический компаратор, содержащий последовательно включенные блок управления, устройство перемещения преобразователя, преобразователь Холла, подключенный к источнику тока преобразователя Холла, электромагнит, тесламетр ядерного магнитного резонанса и регистрирующее устройство, а также цепь воспроизведения магнитной индукции, состоящую из аналого-цифрового преобразователя напряжения Холла, блока памяти напряжения Холла, вычитателя, накопителя, кодоуправляемого источника постоянного тока, введены дополнительно цепь воспроизведения температуры компарирующего преобразователя и тактовый генератор, а источник тока преобразователя Холла выполнен в виде источника импульсного тока.

Цепь воспроизведения температуры содержит аналого-цифровой преобразователь сопротивления, блок памяти, вычитатель, накопитель и подключается своим входом к входной цепи преобразователя Холла, а выходом - к его источнику питания. Источник питания преобразователя Холла представляет собой источник импульсного тока фиксированной частоты и амплитуды с регулируемой скважностью. Изменение скважности импульсов тока приводит к изменению среднего за период тока через преобразователь Холла, что вызывает изменение его температуры, а поддержание стабильной амплитуды импульсов тока обеспечивает постоянство чувствительности преобразователя к магнитной индукции. Работа аналого-цифровых преобразователей должна быть синхронизирована с импульсами тока питания преобразователя, что требует использования тактового генератора.

Данное устройство отличается от известных тем, что в его состав введена дополнительно цепь воспроизведения температуры компарирующего преобразователя, включающая в себя аналого-цифровой преобразователь, вычитатель и накопитель, а также источник импульсного тока питания преобразователя, что позволяет осуществить разновременное косвенное сравнение (компарирование) двух физических величин - магнитной индукции и температуры, причем в качестве компарирующего используется один и тот же преобразователь Холла. Воспроизведение температуры исключает температурные погрешности преобразователя, что в сочетании с исключением систематических погрешностей преобразователя Холла при воспроизведении магнитной индукции обеспечивает высокую точность измерения последней в широком диапазоне температур. Воспроизведение температуры не требует значительных затрат времени, поскольку определяется постоянной времени нагрева преобразователя Холла. Значение зависящего от температуры параметра (входного сопротивления) преобразователя Холла не искажается под влиянием магниторезестивного эффекта, так как значения магнитной индукции в момент измерения температуры и в момент воспроизведения равны. Независимость от магниторезистивного эффекта позволяет использовать устройство при изменении магнитной индукции в широком диапазоне.

На чертеже приведена структурная схема устройства (компаратора) двухкомпонентного компарирования.

Компаратор состоит из блока управления 1, устройства перемещения преобразователя 2, преобразователя Холла 3, блока установки исследуемых магнитов 4, электромагнита 5, тесламетра ядерного магнитного резонанса 6, регистрирующего устройства 7, аналого-цифрового преобразователя напряжения Холла 8, блока памяти напряжения Холла 9, вычитателя напряжения 10, накопителя разности напряжений 11, кодоуправляемого источника постоянного тока 12, аналого-цифрового преобразователя сопротивления 13, блока памяти сопротивления 14, вычитателя сопротивления 15, накопителя разности сопротивлений 16, блока задания начальной длительности импульса тока 17, тактового генератора 18, источника тока преобразователя Холла 19, инвертора цепи воспроизведения индукции 20, инвертора цепи воспроизведения температуры 21, блока конъюнкции 22, ключей измерения магнитной индукции К1, напряжения Холла К2, сопротивления К3 и переключателей напряжения П1, сопротивления П2, длительности импульсов тока П3.

Устройство работает следующим образом.

Преобразователь Холла 3 совместно с исследуемыми магнитами 4 помещен в термокриостат (не показан) и подключен к источнику импульсного тока 19, ключи К1, К2, К3 - разомкнуты. По сигналу от блока управления 1 переключатели П1, П2, П3 переводятся в положение 1, включается устройство перемещения преобразователя 2. При этом длительность импульсов тока питания преобразователя Холла 3, формируемых источником тока преобразователя Холла 19, определяется блоком задания начальной длительности импульсов 17. Поскольку частота следования этих импульсов неизменна и определяется частотой тактового генератора 18, а температура преобразователя Холла 3 зависит от среднего за период значения тока питания, изменение длительности импульса питающего тока изменяет температуру преобразователя. Начальная длительность импульса выбирается в зависимости от температуры в термокриостате. Если эта температура выше комнатной, при которой находится электромагнит 5, длительность выбирается минимальной. В случае, если температура в термокриостате ниже комнатной, начальная длительность импульсов тока выбирается так, чтобы температура собственно преобразователя 3 была несколько выше комнатной.

Под действием устройства перемещения 2 преобразователь 3 перемещается в зазоры исследуемых магнитов 4 и в заданных точках происходит измерение напряжения Холла с помощью аналого-цифрового преобразователя 8 и падения напряжения на входном сопротивлении преобразователя 3 с помощью аналого-цифрового преобразователя 13. Эти измерения производятся в момент действия импульса тока питания преобразователя, для чего работа обоих аналого-цифровых преобразователей синхронизирована тактовым генератором 18. Кодовая комбинация с выхода аналого-цифрового преобразователя напряжения 8 передается через переключатель напряжения П1 и запоминается в блоке памяти напряжения Холла 9, а кодовая комбинация с выхода аналого-цифрового преобразователя сопротивления 13 передается через переключатель сопротивления П2 и запоминается в блоке памяти сопротивления 14.

Затем преобразователь Холла 3 перемещается в зазор электромагнита 5, переключатели П1, П2, П3 переводятся в положение 2 и включаются ключи К2 и К3. При этом выход аналого-цифрового преобразователя напряжения 8 подключается к входу вычитателя напряжения 10, на второй вход которого поступает кодовая комбинация, хранящаяся в блоке памяти напряжения Холла 9. Вычитатель 10 синхронизирован через ключ К2 сигналом "Конец преобразования" аналого-цифрового преобразователя напряжения 8 и формирует на выходе кодовую комбинацию, соответствующую разности между хранящимся в блоке памяти напряжением Холла 9 и измеренным аналого-цифровым преобразователем напряжения 8 значениями напряжения Холла. Кодовая комбинация с выхода вычитателя напряжения 10 поступает на вход накопителя разности напряжений 11, который также синхронизирован через ключ К2 сигналом "Конец преобразования" аналого-цифрового преобразователя 8, и суммируется с содержимым накопителя разности напряжений 11. Результат суммирования поступает на вход кодоуправляемого источника постоянного тока 12 и определяет значение тока питания электромагнита 5, а следовательно, магнитную индукцию в его зазоре и значение напряжения Холла на выходе преобразователя 3. Содержимое накопителя разности напряжений 11 будет изменяться до тех пор, пока на его вход с выхода вычитателя 10 не будет поступать нулевая кодовая комбинация, а это будет означать, что значения напряжения Холла, запомненное в блоке памяти 9 и измеренное в зазоре электромагнита 5, равны.

Аналогичным образом производится воспроизведение температуры. Аналого-цифровой преобразователь 13 через ключ К3 подключается к входу вычитателя 15, к второму входу которого подключен блок памяти сопротивления 14. Кодовая комбинация, соответствующая разности измеренного и хранящегося в блоке памяти сопротивления 14 значений падения напряжения на входном сопротивлении преобразователя 3, с выхода вычитателя 15 поступает на вход накопителя 16, выход которого через переключатель длительности импульсов тока П3 подключен к входу источника токовых импульсов с регулируемой скважностью 19. Длительность импульса тока питания преобразователя 3 будет изменяться до тех пор, пока не перестанет изменятся содержимое накопителя разности сопротивлений 16, т.е. на выходе вычитателя 15 не появится нулевая кодовая комбинация, что будет свидетельствовать о равенстве измеренного и хранящегося в блоке памяти значений падения напряжения на входном сопротивлении преобразователя 3. Это будет означать, что значения входного сопротивления преобразователя 3 в момент измерения в зазоре исследуемого магнита в момент воспроизведения равны. Вычитатель сопротивления 15 и накопитель разности сопротивлений 16 синхронизированы через ключ К3 сигналом "Конец преобразования" аналого-цифрового преобразователя 13.

Выходы вычитателя напряжения 10 и вычитателя сопротивления 15 подключены соответственно к инвертору цепи воспроизведения индукции 20 и инвертору цепи воспроизведения температуры 21, на выходах которых одновременно появятся напряжения логической единицы лишь при одновременном поступлении на их входы нулевых кодовых комбинаций. Выходы инверторов 20, 21 соединены с входами блока конъюнкции 22, на выходе которого только в этом случае появится напряжение логической единицы, что будет свидетельствовать о полном уравновешивании (одновременном воспроизведении) магнитной индукции и температуры преобразователя 3. Этот сигнал включает ключ К1, через который кодовая комбинация с выхода цифрового тесламетра ядерного магнитного резонанса 6, соответствующая значению магнитной индукции в зазоре электромагнита 5, поступает на регистрирующее устройство 7. Синхронизация аналого-цифровых преобразователей 8, 13 от тактового генератора 18, синхронизирующего также работу источника тока преобразователя Холла 19, необходима для того, чтобы измерения производились в тот момент, когда на преобразователь Холла 3 поступают импульсы тока.

Предлагаемое устройство позволяет с высокой точностью измерять магнитную индукцию неоднородного магнитного поля, изменяющуюся в широком диапазоне, при этом размеры исследуемого зазора определяются габаритами измерительного зонда, содержащего миниатюрный преобразователь Холла.

Высокая точность измерения обеспечивается использованием методов компарирования магнитной индукции, что позволяет применить высокоточный тесламетр ядерного магнитного резонанса, и компарирования температуры преобразователя Холла, что исключает его температурную погрешность и повышает производительность устройства в широком диапазоне температур.

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для автоматического измерения магнитной индукции однородных и неоднородных магнитных полей. Цель изобретения - повышение точности. Устройство содержит блок управления, устройство перемещения преобразователя Холла, блок установки исследуемых магнитов, электромагнит, регистрирующее устройство, аналого-цифровые преобразователи напряжения и сопротивления, блоки памяти напряжения и сопротивления, вычитатели и накопители, инверторы, блок задания начальной длительности импульса тока, ключи и блок конъюнкции. 1 ил.

Устройство для измерения магнитной индукции, содержащее последовательно включенные блок управления, устройство перемещения преобразователя, преобразователь Холла, подключенный к источнику тока преобразователя Холла, блок установки исследуемых магнитов, помещенный в термокриостат, электромагнит, тесламетр ядерного магнитного резонанса, выход которого соединен через первый ключ с входом регистрирующего устройства, а также цепь воспроизведения магнитной индукции, отличающееся тем, что источник тока преобразователя Холла выполнен в виде источника импульсного тока фиксированной частоты и амплитуды с регулируемой скважностью, цепь воспроизведения магнитной индукции содержит аналого-цифровой преобразователь напряжения Холла, подключенный с первым входом к второму выходу преобразователя Холла, а первым выходом к первому входу переключателя напряжения, второй вход которого соединен с вторым выходом блока управления, а первый выход подключен к входу блока памяти напряжения Холла, выход которого присоединен к первому входу вычитателя напряжения, второй вход которого соединен с вторым выходом переключателя напряжения, а первый выход подключен к первому входу накопителя разности напряжений, выход которого через кодоуправляемый источник постоянного тока подключен к второму входу электромагнита, в устройство дополнительно введена цепь воспроизведения температуры, содержащая аналого-цифровой преобразователь сопротивления, подключенный первым входом к третьему выходу преобразователя Холла, а первым выходом к первому входу переключателя сопротивления, второй вход которого подключен к второму выходу блока управления, а первый выход соединен с входом блока памяти сопротивления, выход которого соединен с первым входом вычитателя сопротивления, второй вход которого соединен с вторым выходом переключателя сопротивления, а первый выход - с первым входом накопителя разности сопротивлений, выход которого соединен с первым входом переключателя длительности импульсов тока, второй вход которого соединен с выходом блока задания начальной длительности импульса тока, третий вход переключателя длительности импульсов тока соединен с вторым выходом блока управления, а выход соединен с первым входом источника тока преобразователя Холла, выход которого соединен с вторым входом преобразователя Холла, а второй вход присоединен к выходу тактового генератора, введен также блок конъюнкции, выходом соединенный с вторым входом первого ключа, а первым входом подключенный к выходу инвертора цепи воспроизведения индукции, вход которого соединен с вторым выходом вычитателя напряжения, третий вход которого соединен с выходом второго ключа, первый вход которого соединен с вторым выходом аналого-цифрового преобразователя напряжения Холла, а второй вход соединен с вторым выходом блока управления, к выходу второго ключа подключен также второй вход накопителя разности напряжений, а второй вход блока конъюнкции подключен к выходу инвертора цепи воспроизведения температуры, вход которого соединен с вторым выходом вычитателя сопротивления, третий вход которого соединен с выходом третьего ключа, первых вход которого соединен с вторым выходом аналого-цифрового преобразователя сопротивления, а второй вход соединен с вторым выходом блока управления, к выходу третьего ключа подключен также второй вход накопителя разности сопротивлений, а тактовый генератор своим выходом соединен также с вторым входом аналого-цифрового преобразователя напряжения Холла и вторым входом аналого-цифрового преобразователя сопротивления.