ЦИФРОВОЙ ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР Российский патент 2008 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам и может быть использовано для измерения трех ортогональных компонент вектора индукции магнитного поля Земли и выдачи сигналов, пропорциональных измеренным компонентам в виде цифрового кода.

Известно устройство для измерения напряженности магнитного поля по RU 2155968 C2 от 10.09.2000 г., МКИ: G01R 33/02, содержащее генератор прямоугольных импульсов, феррозонд с сердечником, выполненным из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, к выходной обмотке которого подключен интегратор. Выход интегратора соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом порогового блока. Первый логический элемент И последовательно соединен с первым реверсивным счетчиком импульсов, цифроаналоговым преобразователем, управляемым источником тока, ключом и обмоткой возбуждения феррозонда. Второй вход первого реверсивного счетчика импульсов и первый вход первого логического элемента И соединены с выходом порогового блока, второй логический элемент И и второй реверсивный счетчик импульсов. Выход генератора подключен к первым входам второго логического элемента И и второго реверсивного счетчика импульсов, выход второго логического элемента И подключен к вторым входам первого логического элемента И, второго реверсивного счетчика импульсов и ключа, третий вход второго реверсивного счетчика импульсов присоединен к выходу первого реверсивного счетчика импульсов, а выход - ко второму входу второго логического элемента.

Недостатком данного устройства является, несмотря на дополнительные элемент И и реверсивный счетчик, сложная схема преобразования и отсутствие возможности настройки нуля для измерения абсолютного значения компонент вектора индукции магнитного поля.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является феррозондовый магнитометр по RU 2153682 от 27.07.2000 г., МКИ: G01R 33/02, включающий в себя три феррозонда с взаимно ортогональными магнитными осями и последовательно соединенными выходными обмотками и обмотками возбуждения, соединенными с соответствующими выходами коммутируемого блока возбуждения, последовательно соединенные усилительно-преобразовательный блок, подключенный к выходной обмотке первого феррозонда, первое пороговое устройство и элемент ИЛИ, последовательно соединенные интегратор, вход управления которого соединен с выходом элемента ИЛИ, а третий - с выходом инвертора, и второе пороговое устройство, регистрирующий блок, блок управления, генератор, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с входом управления усилительно-преобразовательного блока, частотным входом коммутируемого блока возбуждения и входом управления (синхронизации) блока управления, с первого по четвертый выходы которого соединены соответственно с первым по четвертый входами управления коммутируемого блока возбуждения, интегрирующий блок с линейными и квадратичным выходами, частотный вход которого соединен с четвертым выходом генератора, первый линейный выход - с вторым входом первого порогового устройства и с входом интегратора, второй - с информационным входом регистрирующего блока, квадратичный выход соединен с вторым входом второго порогового устройства, а первый и второй входы управления - соответственно с пятым и четвертым выходами блока управления, первый и пятый - через инвертор, выходы которого соединены соответственно с входами элемента И, выход которого соединен с входом обнуления интегратора, блок задания режима и логическое устройство, первый вход которого соединен с выходом второго порогового устройства, одиннадцатый, восьмой, пятый и второй входы соединены соответственно с первым по четвертый выходами блока управления, двенадцатый, девятый, шестой и третий входы соединены соответственно с первым по четвертый выходами блока задания режима, четвертый, седьмой и десятый входы - с выходом первого порогового устройства, а выход - с входом управления регистрирующего блока. Этот феррозондовый магнитометр выбран в качестве прототипа.

Недостатком данного магнитометра является его низкие надежность, точность и стабильность измерения компонент вектора индукции магнитного поля. При обрыве цепи последовательно соединенных обмоток феррозондов теряется информация по всем трем компонентам.

Целью изобретения являются повышение точности и стабильности измерения за счет введения глубокой отрицательной обратной связи по полю и увеличение надежности устройства за счет упрощения алгоритма преобразования и разделения обмоток феррозондов.

Для достижения поставленной цели в цифровой феррозондовый магнитометр введены логический блок и устройства выборки-хранения 8, 9, 10, первые входы которых соединены с выходами избирательных усилителей 5, 6, 7 соответственно, первые выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13 соответственно, вторые выходы соединены со вторыми входами феррозондов 2, 3, 4 соответственно, логический блок 14 управления, первый выход которого соединен с входом источника 1 питания, второй выход соединен со вторыми входами устройств выборки-хранения 8, 9, 10, третий выход соединен со вторыми входами аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13, а вход логического блока 14 управления соединен с выходом задающего генератора 15.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.2 - принципиальная схема одного канала цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.3 - эпюры напряжений схемы одного канала цифрового феррозондового магнитометра.

Цифровой феррозондовый магнитометр состоит из формирователя 1 синусоиды, феррозондов 2, 3, 4, избирательных усилителей 5, 6, 7, устройств выборки-хранения 8, 9, 10, аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13, логического блока 14 и задающего генератора 15. Формирователь 1 синусоиды, логический блок 14 и задающий генератор 15 являются общими для всех трех измерительных каналов.

Устройство работает следующим образом.

Измерение трех компонент вектора индукции магнитного поля производится тремя независимыми каналами X, Y и Z. Все каналы выполнены по идентичным схемам. Рассмотрим работу одного канала. Частота с задающего генератора 15 поступает на логический блок 14, в котором формируются сетки частот, поступающие на формирователь синусоиды 1 и на управление устройством выборки хранения 8. В логическом блоке 14 также формируется сигнал для управления аналого-цифрового преобразователя 11. В формирователе 1 цифровым способом формируется синусоидальное напряжение Uв с частотой fв=10 кГц, которое подается на обмотку возбуждения феррозонда 2. Феррозонд преобразовывает воздействующий на него внешний сигнал (проекцию вектора индукции магнитного поля на его продольную ось) в эдс переменного тока, содержащую четные гармоники частоты сигнала возбуждения. Амплитуда этой эдс пропорциональна значению индукции магнитного поля, а фаза изменяется на π радиан при изменении направления вектора индукции поля на 180°. В выходной эдс феррозонда присутствует также помеха, имеющая в спектре нечетные гармоники.

На фиг.2 показана принципиальная схема избирательного усилителя, логического блока, устройства выборки-хранения и аналого-цифрового преобразователя. Избирательный усилитель предназначен для выделения из общего спектра сигнала, поступающего с измерительной обмотки феррозонда, напряжения второй гармоники и усиления его до требуемого значения. Коэффициент усиления на резонансной частоте (fp=20 кГц)-Кр=5000. Полоса пропускания - 2Δf=1800 Гц. Коэффициент передачи на частотах первой и третьей гармоник частоты возбуждения феррозонда не более 30 и 10 соответственно.

Таким образом, избирательным усилителем 5 из выходной эдс феррозонда выделяется вторая гармоника 2fв=20 кГц, которая усиливается до значения Uф и затем подается на устройство выборки-хранения 8.

На фиг.3 показаны четыре синусоиды:

+Umax - максимальное положительное значение Uф;

-Umax - максимальное отрицательное значение Uф;

+Ui - одно из промежуточных положительных значений Uф;

-Ui - одно из промежуточных отрицательных значений Uф.

С помощью логического блока 14 в устройстве выборки-хранения 8 один раз за период происходит запоминание определенного значения Uф. Постоянное напряжение Uувх с выхода устройства выборки-хранения 8 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где преобразуется в цифровой код N=f(Bx), пропорциональный проекции вектора индукции магнитного поля. Момент запуска преобразования Uф в цифровой код задерживается на время Δt для исключения влияния переходных процессов. Процессы формирования синусоиды, выборки-хранения и аналого-цифрового преобразования синхронизированы частотой генератора 15. Положение выборки на синусоиде Uф определяется логическим блоком 14 исходя из условия необходимой крутизны выходной характеристики магнитометра. Для стабилизации коэффициента передачи каждый канал охвачен цепью отрицательной обратной связи по полю. Сигнал отрицательной обратной связи берется с выходов устройств выборки-хранения 8, 9, 10 и подается на обмотки обратной связи феррозондов.

Разделение обмоток феррозонда и использование трех независимых каналов измерения позволило повысить надежность магнитометра.

Введение устройства выборки-хранения, логического блока и цепи отрицательной обратной связи по полю позволило значительно повысить точность и стабильность измерений.

Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.

Данное устройство испытано на макетном образце. Результаты испытаний свидетельствуют о достижении поставленной задачи. ФГУП НПОПМ предполагает использовать это техническое решение на штатных изделиях.

Изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам. Цифровой феррозондовый магнитометр содержит задающий генератор, формирователь синусоиды, выход которого соединен с первыми входами феррозондов, выходы которых соединены с входами избирательных усилителей, и цифроаналоговые преобразователи. В феррозондовый магнитометр введены логический блок, устройство выборки-хранения, а каждый канал магнитометра охвачен глубокой отрицательной обратной связью по магнитному полю, что позволило существенно повысить точность и стабильность измерения компонентов вектора индукции магнитного поля. Разделение обмоток феррозонда и использование трех независимых каналов измерения позволило повысить надежность магнитометра. 3 ил.

Цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий задающий генератор, формирователь синусоиды, выход которого соединен с первыми входами феррозондов, выходы которых соединены с входами избирательных усилителей, и цифроаналоговые преобразователи, отличающийся тем, что в магнитометр введены логический блок и устройства выборки-хранения, первые входы которых соединены с выходами избирательных усилителей, первые выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей, вторые выходы соединены со вторыми входами феррозондов, логический блок управления, первый выход которого соединен с входом источника питания, второй выход соединен со вторыми входами устройств выборки-хранения, третий выход соединен со вторыми входами аналого-цифровых преобразователей, а вход логического блока управления соединен с выходом задающего генератора, каждый канал магнитометра охвачен глубокой отрицательной обратной связью по магнитному полю.