УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ Российский патент 1999 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к области магнитных измерений, в частности к феррозондовым магнитометрам, предназначенным для измерения компонент и полного вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ).

Известны устройства для измерения магнитных полей (см. заявку N 94009099/28, опубл. 20.11.95, G 01 R 33/02), содержащие последовательно соединенные феррозонд, аналоговый усилительно-преобразовательный блок и цифровой вычислитель, выполняющий коррекцию температурной погрешности результатов измерения компоненты вектора индукции магнитного поля, мостовое устройство, в одном из плеч которого включена измерительная обмотка из медного провода другое плечо мостового устройства подключено к выходу аналогового усилительно-преобразовательного блока, а выход мостового устройство через дифференциальный усилитель подключен к второму входу цифрового вычислителя.

С помощью феррозонда и аналогового усилительно-преобразовательного блока осуществляется измерение компоненты вектора индукции МПЗ, а с помощью мостового устройства и цифрового вычислителя осуществляется измерение температуры окружающей среды в месте расположения феррозонда, определение температурной погрешности и коррекции результата измерения компоненты вектора индукции МПЗ.

Недостатком данного устройства является отсутствие автоматического контроля неисправности канала преобразования магнитометра, что является особенно важным в автономных навигационных дистанционных магнитометрах.

Кроме того, в данном устройстве точность измерения температуры изменяется в диапазоне измерения выходного напряжения усилительно-преобразовательного блока, заметно снижаясь при малых значениях выходного напряжения, а следовательно, снижается точность коррекции погрешности измерения магнитного поля.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и выбранное в качестве прототипа, является устройство для измерения магнитных полей (а.с.N 930176, 1982, G 01 R 33/02, 23.05.82, Феррозондовый магнитометр), содержащее измерительный канал для измерения компоненты вектора индукции МПЗ, цифровой вычислитель и подключенный к его выходу управляемый преобразователь кода в ток, выход которого соединен с контрольной обмоткой феррозонда измерительного канала, выход которого соединен с входом цифрового вычислителя.

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 измерительного канала и цифрового вычислителя.

В режиме контроля осуществляется тестовый контроль исправности феррозондового магнитометра. Контроль осуществляется подачей тестовых сигналов в контрольную обмотку феррозонда с выхода управляемого преобразователя кода в ток. Кодовый эквивалент тестового сигнала, подаваемый на вход управляемого преобразователя кода в ток формируется в цифровом вычислителе. По результатам измерения выходного сигнала измерительного канала после подачи тестового сигнала определяется исправность измерительного канала путем сравнения результата измерения с тестовым (эталонным) значением, хранимом в цифровом вычислителе.

Недостатком данного устройства является низкая точность преобразования компоненты вектора индукции МПЗ в цифровой код, обусловленная воздействием внешней температуры на феррозондовый датчик измерительного канала и отсутствие возможности измерения и контроля температуры в месте установки феррозондового датчика.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого технического решения, является повышение точности и расширение функциональной возможности устройства.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве для измерения магнитных полей, содержащем последовательно соединенные феррозондовый сравнивающий блок с феррозондовым датчиком, контрольная обмотка которого выполнена из медного провода, цифровой интегратор и цифровой вычислитель, причем выходы цифрового интегратора соединены со входами преобразователя кода в постоянный ток, выход которого соединен с компенсационной обмоткой феррозондового датчика феррозондового сравнивающего блока, цифровой вычислитель осуществляет сравнение результатов измерения компонент вектора магнитного поля с его эталонным значением, а также их коррекцию по результатам измерения температурной погрешности, выход соединен с входом синхронизации триггера и входом элемента задержки, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами управления коммутатора, первый и второй аналоговые входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами опорного источника, знаковый разряд цифрового интегратора соединен с информационным входом триггера, в устройство дополнительно введены последовательно соединенные фильтр, дифференциальный усилитель и аналого-цифровой преобразователь, выходы модуля кода которого вместе с выходом логического устройства соединены с вторыми входами цифрового вычислителя, а выход знакового разряда соединен с первым входом логического устройства, второй и третий входы которого соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера, второй вход дифференциального усилителя через первый резистор соединен с общим проводом, а через второй резистор - с выходом коммутатора, который через третий резистор соединен с контрольной обмоткой феррозондового сравнивающего блока и с входом фильтра, а третий аналоговый вход коммутатора соединен с общим проводом, причем опорный источник выполнен по схеме стабилизатора напряжения, величина сопротивления первого резистора равна величине сопротивления медного провода упомянутой контрольной обмотки при номинальной температуре, а величина сопротивления второго резистора равна величине сопротивления третьего резистора.

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 последовательно соединенные феррозондовый сравнивающий блок 1 с феррозондовым датчиком, контрольная обмотка 2 которого выполнена из медного провода, цифровой интегратор 3 и цифровой вычислитель 4, выход которого соединен с входом синхронизации (C) триггера 5 и входом элемента задержки 6, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами управления коммутатора 7, первый и второй аналоговые входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами опорного источника 8, выполненного по схеме стабилизатора напряжения, преобразователь кода в постоянный ток 9, выход которого соединен с компенсационной обмоткой феррозондового датчика феррозондового сравнивающего блока 1, а входы соединены с выходами цифрового интегратора 3, знаковый разряд (sign N_B) которого соединен с информационным (D) входом триггера 5, последовательно соединенные фильтр 10, дифференциальный усилитель 11 и аналого-цифровой преобразователь 12, выход модуля кода (mod N_t) которого вместе с выходом (sign N_tn) логического устройства 13 соединены с вторыми входами цифрового вычислителя 4, а выход знакового разряда (sign N_t) АЦП 12 соединен с первым входом логического устройства 13, второй и третий входы которого соединены соответственно с прямым (Q) и инверсным выходами триггера 5, второй вход (-) дифференциального усилителя 11 через первый резистор 14 соединен с общим проводом, а через второй резистор 15 - с выходом коммутатора 7, который через третий резистор 16 соединен с контрольной обмоткой 2 феррозондового блока сравнения 1 и с входом фильтра 10, а третий аналоговый вход коммутатора соединен с общим проводом, величина сопротивления первого резистора 14 равна величине сопротивления медного провода контрольной обмотки 2 при номинальной температуре, а величина сопротивления второго резистора 15 равна величине сопротивления третьего резистора 16.

На фиг. 2 выходные напряжения на прямом выходе (Q) триггера 5, элемента задержки 6 и коммутатора 7 представлены соответственно обозначениями U₅, U₆, U₇, выходные коды цифрового интегратора 3 и АЦП 12 - обозначениями N_B, N_t, а истинный код, подаваемый на вторые входы цифрового вычислителя 4 - обозначением N_tn.

Устройство работает в двух режимах. В первом рабочем или основном режиме осуществляется измерение компоненты (B) вектора индукции МПЗ, а во втором, контрольном режиме осуществляется контроль исправности основного канала измерения компоненты вектора МПЗ и измерение температуры окружающей среды в месте установки феррозондового датчика. Переключение режимов осуществляется выходным сигналом "Режим" цифрового вычислителя 4. Так, например, согласно фиг. 2, переключение в рабочий режим осуществляется логическим нулем, а в режиме контроля - логической единицей.

В рабочем режиме сигнал "Режим", подаваемый через элемент задержки 6 на второй вход управления коммутатора 7, отключает подачу напряжения с выхода опорного источника напряжения 8 и осуществляет подачу нулевого потенциала с третьего аналогового входа коммутатора 7 на его выход, тем самым исключается подача тока в контрольную обмотку 2 феррозондового сравнивающего блока 1. В этом случае осуществляется измерение компоненты вектора индукции в следующем контуре, содержащем феррозондовый сравнивающий блок 1, цифровой интегратор 3 и преобразователь кода в ток 9 в соответствии с выражением
N_B = KB, (1)
где
K - коэффициент преобразования компоненты B вектора индукции МПЗ.

Измеренное значение кода N_B, задаваемого модулем (mod N_B) и знаком (sign N_B) записывается в цифровом вычислителе 4.

В данном режиме работы отсутствием напряжения на выходе коммутатора 7 обеспечивается равенство нулю значения кода N_t на выходе АЦП 12, т.е. N_t = 0.

Контроль исправности устройства подобно прототипу заключается в периодической проверке величины коэффициента K, так как отказ любого входящего узла измерительного канала вызывает изменение величины коэффициента преобразования.

Значения коэффициента преобразования K при изменении температуры t внутри феррозондового датчика могут заметно изменяться, что вызывает погрешность измерения поля B.

Температурную погрешность коэффициента преобразования можно представить в следующем виде:
ΔK(t) = βK_нt (2)
где
β - температурный коэффициент коэффициента преобразования K, определяемый заранее при испытаниях данного устройства;
K_н - номинальное значение коэффициента преобразования, например при t = 0.

В цифровом вычислителе 4 осуществляется определение погрешности ΔK(t) с помощью выражения (2) по результатам измерения текущих значений температуры t и по известным значениям β и K_н, а затем коррекция коэффициента преобразования K.

Второй режим начинается с момента появления логической единицы сигнала "Режим" на выходе цифрового вычислителя 4 (см. фиг.2). В момент появления переднего фронта этого сигнала на входе синхронизации (C) триггера 5, в последний по информационному входу (D) записывается содержимое знакового разряда sign N_B цифрового интегратора 3. Во время переключения триггера 5 элементом задержки 6 задерживается появление логической единицы на втором входе управления коммутатора 7, благодаря чему полностью исключается возможность изменения содержимого знакового разряда цифрового интегратора 3 (а следовательно, искаженной информации, записываемой в триггер 5) от бросков напряжения на выходе коммутатора 7 во время переключения триггера 5. Появление логической единицы на втором входе управления коммутатора 7 обеспечивает подачу тока I₀ в контрольную обмотку 2 блока сравнения 1, формируемого с помощью резистора 16 (R₁₆) подачей разнополярного напряжения U₀ на выход коммутатора 7 с одного из выходов опорного источника напряжения 8, соответствующих положительному (+) или отрицательному (-) направлению тока I₀ контрольной обмотки 2.

Если, например, содержимое триггера 5 соответствует положительному знаку кода N_B, записанному в начале режима "Контроль", то на выход коммутатора 7 подается напряжение отрицательной полярности, и, наоборот, при отрицательном знаке, хранимом в триггере 5, - подается напряжение положительной полярности, то есть при любом значении знака, записанного и хранимого в триггере 5, в режиме контроля в контрольную обмотку 2 подается ток, создающий магнитное поле в феррозондовом датчике феррозондового сравнивающего блока 1, противоположное по знаку изменяемому полю. В результате алгебраического суммирования полей, то есть в момент полной компенсации измеряемого в тестового магнитных полей полем компенсационной обмотки происходит запись в цифровой вычислитель 4 кода , равного

где N_B=signN_BmodN_B; N_BO=signN_BOmodN_BO;
Так как в данном устройстве знак тестового приращения N_B0 противоположен знаку кода N_B, следовательно полностью исключается возможность перегрузки измерительного канала, таким образом в данном устройстве осуществляется полностью автономное формирование тестового сигнала, адаптивного к измеряемоve полю.

Пренебрегая величиной сопротивления контрольной обмотки 2, код приращения в достаточном приближении можно представить в следующем виде:


следовательно

где
K_обм - коэффициент преобразования тока в индукцию магнитного поля контрольной обмотки 2.

Таким образом, при условии медленного изменения измеряемого поля проводится измерение величины B и осуществляется контроль канала измерения путем сравнения кода N_ВО с его теоретическим (эталонным) значением N_ВОЭ, хранимым в вычислителе 4 или, что то же самое, путем сравнения измеренного значения коэффициента преобразования K с его теоретическим (эталонным) значением K_э.

Измерение температуры t осуществляется во втором режиме следующим образом.

C помощью фильтра 10 осуществляется выделение постоянной составляющей напряжения на выходе делителя, составленного последовательно соединенными третьим резистором 16 с сопротивлением R₁₆ и сопротивлением R₂ медленного провода контрольной обмотки 2. Выделение постоянного напряжения осуществляется подавлением спектральных составляющих переменного напряжения, то есть четно и нечетно гармонических составляющих частоты возбуждения феррозонда, наводимых в контрольной обмотке в процессе ферромодуляционного преобразования. Выходное напряжение фильтра 10 подается на первый вход дифференциального усилителя 11, а на его второй вход подается выходное напряжение делителя, образованного первым 14 и вторым 15 резисторами с сопротивлениями соответственно R₁₄ и R₁₅. При коэффициентах передачи фильтра 10 по постоянной составляющей и дифференциального усилителя (вычитателя) 11, равных соответственно единице и α, напряжение на выходе последнего определяется выражением

Учитывая равенства R_2H = R₁₄, R₁₅ = R₁₆, R₂= R_2н+ΔR₂(t)
и ΔR₂(t) ≪ R₁₆+R_2H,
где
R_2H и ΔR₂(t) - соответственно номинальное и пропорционально изменяемое от температуры значение сопротивления контрольной обмотки 2, выходное напряжение дифференциального усилителя 11 имеет следующий вид:

учитывая, что ΔR₂(t) = νR_2Ht,
где
ν - температурный коэффициент сопротивления медного провода, получим

где
постоянный по абсолютной величине масштабный коэффициент.

Абсолютная величина этого коэффициента по сравнению с аналогом (Заявка N 94009099/28/009133 от 16.03.94, 6 G 01 R 33/02. Устройство для измерения магнитных полей) не зависит от величины выходного сигнала устройства для измерения магнитных полей, то есть постоянная во всем диапазоне измерения магнитного поля. С помощью АЦП12 осуществляется преобразование выходного напряжения U₁₁ дифференциального усилителя 11 в код N_t. Знак sign N_t выходного кода АЦП12 согласно выражению (6) зависит от полярности выходного напряжения U₀ коммутатора 7, которая в свою очередь зависит от знака signB измеряемого поля B. Следовательно, в данном случае необходимо определить истинный знак цифрового температурного эквивалента sign N_tn = signt.

Представив положительные знаки рассматриваемых величин логической единицей, а отрицательные - логическим нулем, определим соотношение знаков в данном устройстве в виде логической таблицы истинности.

Из представленной таблицы можно определить истинный знак температуры sign N_tи как функцию двух аргументов sign U₀ и sign N_t следующим образом

учитывая равенство получим

Истинный знак температуры во втором режиме определяется логическим устройством 13, в котором в качестве входных аргументов используются прямой (Q) и инверсный выходы триггера 5 и выход знакового разряда АЦП12. Таким образом, на вторые входы цифрового вычислителя 4 подаются модуль и истинный знак измеряемой температуры, используемые для коррекции температурной погрешности ΔK(t).
Возможен и другой вариант определения истинного знака температуры, основанный на использовании цифрового вычислителя 4 и исключающий необходимость использования логического устройства 13. В данном случае выход знакового разряда АЦП2 непосредственно подается на вход знакового разряда температуры цифрового вычислителя 4. В последнем в соответствии с выражением (9) определяется истинный знак температуры.

В случае использования магнитометра в качестве автономного дистанционного измерителя, управляемого центральным вычислителем, первый вариант реализации определителя знака температуры может оказаться более приемлемым, так как он независимо от вычислителя 4 может автономно обеспечивать измерение температуры как в штатном режиме, так и при проведении регулировочных и регламентных работ и обеспечивать также передачу результатов измерения температуры различным потребителям в составе информационно-измерительной системы независимо от цифрового вычислителя.

Предлагаемое устройство для измерения магнитных полей обладает простотой реализации, высокими точностями характеристиками и высокими функциональными возможностями.

Особое место находит данное устройство для магнитометров моноблочного типа, то есть магнитометров с совмещением феррозондовых датчиков с электронной частью, в которых удачно совмещаются функции измерений, контроля и температурной коррекции.

Устройство предназначено дли измерения магнитных полей. Оно содержит последовательно соединенные феррозондовый блок сравнения 1, цифровой интегратор 3 и цифровой вычислитель 4, а также цепь, содержащую последовательно соединенные фильтр 10, дифференциальный усилитель 11, выход знакового разряда через логическое устройство 13 кода модуля аналого-цифрового преобразователя 12 подключен к вторым входам цифрового вычислителя 4. Его выход соединен с входом синхронизации триггера 5 и входом элемента задержки 6. Их выходы соединены соответственно c первым и вторым входами управления коммутатора 7. Первый и второй аналоговые входы коммутатора 7 соединены соответственно с первым и вторым выходами опорного источника напряжения 8, а третий - с общим проводом. Прямой и инверсный выходы триггера подключены соответственно к второму и третьему входам логического устройства 13, а информационный вход - к знаковому разряду цифрового интегратора 3. Интегратор подключен к входам преобразователя кода в ток 9, выход которого соединен c компенсационной обмоткой феррозондового сравнивающего блока. Его контрольная обмотка из медного провода соединена с входом фильтра 10, через резистор - с выходом коммутатора 7, и с входом делителя напряжения, выход которого соединен с вторым входом дифференциального усилителя-11. В данном устройстве осуществляется измерение компоненты вектора индукции магнитного поля, тестовый контроль измерительного канала, измерение температуры в месте установки феррозондового датчика и автоматическая коррекция температурных погрешностей, что обеспечивает высокую точность измерения компонент вектора индукции магнитного поля Земли. 2 ил., 1 табл.

Устройство для измерения магнитных полей, содержащее последовательно соединенные феррозондовый сравнивающий блок с феррозондовым датчиком, контрольная обмотка которого выполнена из медного провода, цифровой интегратор и цифровой вычислитель, причем выходы цифрового интегратора соединены с входами преобразователя кода в постоянный ток, выход которого соединен с компенсационной обмоткой феррозондового датчика феррозондового сравнивающего блока, отличающееся тем, что цифровой вычислитель осуществляет сравнение результатов измерения компонент вектора магнитного поля с его эталонным значением, а также их коррекцию по результатам измерения температурной погрешности, выход его соединен с входом синхронизации триггера и входом элемента задержки, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами управления коммутатора, первый и второй аналоговые входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами опорного источника, знаковый разряд цифрового интегратора соединен с информационным входом триггера, в устройство дополнительно введены последовательно соединенные фильтр, дифференциальный усилитель и аналого-цифровой преобразователь, выходы модуля кода которого вместе с выходом логического устройства соединены с вторыми входами цифрового вычислителя, а выход знакового разряда соединен с первым входом логического устройства, второй и третий входы которого соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера, второй вход дифференциального усилителя через первый резистор соединен с общим проводом, а через второй резистор - с выходом коммутатора, который через третий резистор соединен с контрольной обмоткой феррозондового датчика феррозондового сравнивающего блока и с входом фильтра, а третий аналоговый вход коммутатора соединен с общим проводом, причем опорный источник выполнен по схеме стабилизатора напряжения, величина сопротивления первого резистора равна величине сопротивления медного провода упомянутой контрольной обмотки при номинальной температуре, а величина сопротивления второго резистора равна величине сопротивления третьего резистора.