СРЕДСТВО ИЗМЕРЕНИЙ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ Российский патент 1999 года по МПК G01R33/00 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для измерений магнитных полей судов на стационарных и временных (маневренных) стендах.

В настоящее время в средствах измерений (СИ) относительно слабых магнитных полей, в том числе, полей судов используются ферромодуляционные преобразователи (ФМП) второй гармоники частоты возбуждения, позволяющие достигнуть высокого соотношения сигнал-помеха и имеющие предельно низкий порог чувствительности [Ю. В. Афанасьев. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986, стр.17: С.А. Скородумов, Ю.П. Обоишев. Помехоустойчивая магнитоизмерительная аппаратура. Л.: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981, стр. 24]. Средства измерений состоят из нескольких датчиков с тремя взаимно-ортогональными ФМП, соответствующего количества измерительных цепей и устройств представления информации, генератора возбуждения и блока компенсации постоянных частей составляющих вектора магнитного поля Земли (МПЗ) [С.А. Скородумов, Ю.П. Обоишев. Помехоустойчивая магнитоизмерительная аппаратура, Л.: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981, стр. 108, рис. 2.2, рис. 5.6; Причем один датчик с тремя ФМП (компенсационный датчик) с соответствующими измерительными цепями используется для компенсации вариаций МПЗ [С.А. Скородумов, Ю.П. Обоишев. Помехоустойчивая магнитоизмерительная аппаратура, Л.: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981. стр. 108, рис. 2.2, рис. 5.6;
Известны средства измерений, в которых для уменьшения влияния неравномерности МПЗ и промышленных помех используется несколько компенсационных датчиков и устройства усреднения [а.с. N 304723]. Количество компенсационных датчиков не влияет на существо предлагаемого СИ, поэтому, в дальнейшем, для простоты изложения, будем считать, что в составе СИ имеется только один компенсационный датчик.

Компенсационный датчик располагается от остальных (измерительных) датчиков на таком расстоянии, чтобы измеряемое магнитное поле объекта (судна) практически не оказывало влияния на выходные сигналы трех ФМП компенсационного датчика, но, в то же время, на таком расстоянии, чтобы МПЗ и другие внешние поля, действующие на измерительные и компенсационный датчики, были практически одинаковыми [С. А. Скородумов, Ю.П. Обоишев. Помехоустойчивая магнитоизмерительная аппаратура, Л.: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981, стр. 22-24;
Наиболее близким средством измерений, выбранным в качестве прототипа, является С.А. Скородумов, В.П. Обоишев Помехоустойчивая магнитоизмерительная аппаратура, Л. : Энергоатомиздат, Ленингр. отд., 1986, с. 22-24, 108 рис. 2.2, 5.61 Количество измерительных датчиков - 24. Средство измерений работает следующим образом. Датчики располагаются на дне акватории. Перед измерениями, когда судна над датчиками нет, осуществляется компенсация постоянного магнитного поля, действующего на каждый ФМП всех датчиков (в т.ч. компенсационного). Затем судно проходит над измерительными датчиками. Действующее на сердечники ФМП постоянное магнитное поле приводит к нессимметричности характеристики их перемагничивания. В спектре выходного сигнала ФМП появляется напряжение второй гармоники, которое измерительной цепью преобразуется в постоянный ток, пропорциональный действующему на ФМП магнитному полю.

Переменная часть внешнего поля (вариации МПЗ) измеряется всеми ФМП. Выходной сигнал измерительных цепей компенсационного датчика поступает на входы ФМП, измеряющих соответствующий составляющий измерительных датчиков, и создает магнитное поле равное и встречно направленное действующей на ФМП измерительных датчиков переменной части МПЗ. [С.А. Скородумов, Ю.П. Обоишев. Помехоустойчивая магнитоизмерительная аппаратура. Л.: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981, рис. 5.6;
Таким образом исключается влияние вариаций МПЗ на результаты измерений магнитного поля судна в известных СИ. Т.е., в известных СИ обмотки компенсации вариаций всех ФМП, измеряющих одну компоненту (X, Y или Z) магнитного поля, соединены последовательно и длина кабельной линии по цепи компенсации вариаций равна сумме длин линий связи всех датчиков где l_i - длина линий связи от i-того датчика до i-той измерительной цепи: n - количество измерительных датчиков), включая компенсационный. Так, при расстоянии от измерительного датчика до измерительной цепи 2000 м и n = 24, общая длина цепи компенсации вариаций составляет 50000 м. т.е., практически длина линий связи по цепи компенсации вариаций в n раз больше, чем по другим выходным цепям ФМП (индикаторной; обратной связи, если она имеется: компенсации постоянной части МПЗ). Естественно, такое увеличение длины кабельной линии связи приводит к увеличению порога чувствительности за счет промышленных помех на эту линию связи. Это связано с тем, что хотя измерительные и компенсационный датчики располагаются на достаточном удалении от берега и от источников помех, тем не менее часть кабельной линии (вблизи измерительной цепи) в большинстве случаев находится вблизи источников напряжения помех. Так, на практике, подключение цепи компенсации вариаций приводит к увеличению помехи промышленной частоты в десятки раз. Но исключение компенсации вариаций в аппаратуре, предназначенной для измерений остаточных полей маломагнитных судов невозможно, ибо значения вариаций зачастую находятся на уровне измеряемых полей. Таким образом, в существующих СИ имеется определенное противоречие: необходимость компенсации вариаций несомненна, а использование компенсации вариаций по существующей схеме (в известных устройствах) приводит к увеличению влияния промышленных помех на линии связи, и, как правило, к увеличению порога чувствительности.

Целью предлагаемого изобретения является снижение порога чувствительности путем уменьшения влияния промышленных помех, обусловленных наводками на длинную линию, и уменьшение общей длины соединительных проводов.

Указанная цель достигается тем, что в средство измерений постоянных магнитных полей судов, состоящее из n измерительных датчиков, компенсационного датчика, каждый из датчиков состоит из трех взаимно-ортогональных ферромодуляционных преобразователей (X, Y, Z), выход каждого из которых подключен к своей измерительной цепи, генератора возбуждения, один выход которого одновременно подключен к первым входам всех ФМП, второй - к вторым входам всех измерительных цепей, второй вход каждого ФМП подключен к выходу блока компенсации постоянных частей составляющих вектора МПЗ, и 3•n устройств представления информации дополнительно введены 3•n вычитающих устройств и 3•n нормирующих устройств. Причем, выход измерительной цепи соответствующей составляющей магнитного поля компенсационного датчика одновременно подключен к входам n нормирующих устройств, выход каждого из которых подключен к первому входу соответствующего вычитающего устройства, второй вход которого подключен к выходу измерительной цепи этой же составляющей поля судна измерительного датчика, а выход - к своему устройству представления информации.

Отличительными признаками в предлагаемом СИ являются как введение новых узлов, так и связи между узлами устройства. Взятые в совокупности с известными, новые узлы и связи между узлами заявляемого устройства (средства измерений) проявляют новое свойство - позволяют снизить порог чувствительности путем уменьшения влияния промышленных помех, обусловленных наводками на длинную линию и уменьшить общую длин соединительных проводов.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит генератор возбуждения 1; n измерительных датчиков 2₁,..., 2_n: компенсационный датчик 3; каждый датчик состоит из трех взаимно-ортогональных ФМП (X, Y, Z): 4₁,..., 4_3n, (3•n+3) измерительных цепей 5₁,..., 5_3n, 3•n вычитающих устройств 6₁,..., 6_3n; 3•n нормирующих устройств 7₁,..., 7_3n: 3•n устройств представления информации 8₁,..., 8_3n; блок компенсации постоянной части МПЗ 9.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Работа узлов 1, 2, 3, 4, 5, 8, 9 не отличается от работы соответствующих устройств прототипа. С выхода измерительной цепи сигнал, пропорциональный X составляющей вариаций МПЗ, одновременно поступает через соответствующее нормирующее устройство 7₁, 7₄,..., 7_3n-2 на первый вход соответствующего вычитающего устройства 6₁, 6₄,..., 6_3n-2.

С выхода измерительной цепи сигнал, пропорциональный Y составляющей вариаций МПЗ, одновременно поступает через соответствующее нормирующее устройство 7₂, 7₅,..., 7_3n-1 на первый вход соответствующего вычитающего устройства 6₂, 6₅,..., 6_3n-1. Аналогично, с выхода измерительной цепи сигнал, пропорциональный Z составляющей вариаций МПЗ, одновременно поступает через соответствующее нормирующее устройство 7₃, 7₆,..., 7_3n на первый вход соответствующего вычитающего устройства 6₃, 6₆,..., 6_3n. С помощью нормирующих устройств устанавливается необходимый коэффициент передачи так, чтобы сигнал, поступающий на устройства представления информации - выходной сигнал вычитающих устройств, на второй вход которых поступает сигнал с соответствующих измерительных цепей измерительных датчиков - был бы пропорционален только измеряемому магнитному полю судна.

В предлагаемом устройстве обеспечивается полная компенсация вариаций МПЗ и, в тоже время, уменьшен порог чувствительности благодаря уменьшению влияния промышленных помех, что обусловлено существенно меньшей длиной линий связи по цепи компенсации вариаций МПЗ.

Реализация вновь введенных узлов не представляет трудностей. Вычитающие устройства могут быть реализованы каждое на операционном усилителе с двумя входами (прямым и инверсным). Нормирующие устройства могут быть реализованы как усилители с регулируемым коэффициентом передачи [Алексенко И.Г., Коломбет E.A., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Радио и связь, 1981, стр.52-70, 75-77; Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Л.; Энергия, 1974, стр.62-64; Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, стр.29, 43-44].

Таким образом, предлагаемое СИ может быть реализовано с использованием для вновь введенных узлов известных схемотехнических решений и позволяет снизить порог чувствительности путем уменьшения влияния промышленных помех, обусловленных наводками на длинную линию, и уменьшить общую длину соединительных проводов, т.е. обеспечивает достижение поставленной цели.

Изобретение предназначено для измерений магнитных полей судов. Техническим результатом изобретения является снижение порога чувствительности путем уменьшения влияния промышленных помех, обусловленных наводками на длинную линию, и уменьшение общей длины соединительных проводов. В средство измерений, состоящее из n измерительных датчиков, компенсационного датчика, каждый из датчиков состоит из трех взаимно ортогональных ферромодуляционных преобразователей, выход каждого из которых подключен к своей измерительной цепи, генератора возбуждения, один выход которого подключен к первым входам всех ферромодуляционных преобразователей, второй - к вторым входам всех измерительных цепей, второй вход каждого ферромодуляционного преобразователя подключен к выходу блока компенсации постоянных частей составляющих вектора магнитного поля Земли, и 3 n устройств представления информации введены 3 n вычитающих устройств и 3 n нормирующих устройств, выход измерительной цепи соответствующей составляющей магнитного поля компенсационного датчика одновременно подключен к входам n нормирующих устройств, выход каждого из которых подключен к первому входу соответствующего вычитающего устройства, второй вход которого подключен к выходу измерительной цепи этой же составляющей поля судна измерительного датчика, а выход - к своему устройству представления информации. 1 ил.

Средство измерений постоянных магнитных полей судов состоит из n измерительных датчиков, компенсационного датчика, каждый из датчиков состоит из трех взаимно ортогональных ферромодуляционных преобразователей (X, Y, Z), выход каждого из которых подключен к своей измерительной цепи, генератора возбуждения, один выход которого одновременно подключен к первым входам всех ферромодуляционных преобразователей, второй - к вторым входам всех измерительных цепей, второй вход каждого ферромодуляционного преобразователя подключен к выходу блока компенсации постоянных частей составляющих вектора магнитного поля Земли, и 3n устройств представления информации, отличающееся тем, что в средство измерений дополнительно введены 3n вычитающих устройств и 3n нормирующих устройств, причем выход измерительной цепи соответствующей составляющей магнитного поля компенсационного датчика одновременно подключен к входам n нормирующих устройств, выход каждого из которых подключен к первому входу соответствующего вычитающего устройства, второй вход которого подключен к выходу измерительной цепи этой же составляющей поля судна измерительного датчика, а выход - к своему устройству представления информации.