ЦИФРОВОЙ ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР Российский патент 2011 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. В устройство введены 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 2316781 С1, 10.02.2008, МПК G01R 33/02, включающий в себя задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока, первый выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех устройств выборки-хранения, выходы которых соединены с входами трех аналого-цифровых преобразователей. Этот феррозондовый магнитометр выбран в качестве прототипа.

Недостатком этого устройства является наличие погрешности, обусловленной искажениями измеряемого сигнала.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности цифрового феррозондового магнитометра за счет осреднения выходного кода, пропорционального компоненте вектора индукции магнитного поля без снижения быстродействия.

Для достижения поставленной задачи в цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока, выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех избирательных усилителей соответственно, выходы которых соединены с входами трех устройств выборки-хранения соответственно, первые выходы которых соединены со вторыми входами трех феррозондов соответственно, а вторые выходы соединены с входами трех аналого-цифровых преобразователей соответственно, введены шесть регистров, где входы первого и второго регистров соединены с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, а выходы соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с входом первого регистра данных, входы третьего и четвертого регистров соединены с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, а выходы соединены с входами второго сумматора, выход которого соединен со входом второго регистра данных, входы пятого и шестого регистров соединены с выходом третьего аналого-цифрового преобразователя, а выходы соединены с входами третьего сумматора, выход которого соединен со входом первого регистра данных.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.2 - 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, задающего генератора 15, регистров 16, 17, 18, 19, 20, 21, сумматоров 22, 23, 24 и регистров данных 25, 26, 27. 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 X. 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. В логическом блоке 14 также формируется сигнал для управления аналого-цифрового преобразователя 11, регистров 16 и 17, сумматора 22 и регистра данных 25. 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 э.д.с. переменного тока, содержащую четные гармоники частоты сигнала возбуждения. Амплитуда этой э.д.с. пропорциональна значению индукции магнитного поля, а фаза изменяется на π радиан при изменении направления вектора индукции поля на 180°. В выходной э.д.с. феррозонда присутствует также помеха, имеющая в спектре нечетные гармоники.

Избирательный усилитель 5 предназначен для выделения из общего спектра сигнала, поступающего с измерительной обмотки феррозонда 2, 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 2 не более 30 и 10 соответственно.

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

С помощью логического блока 14 в устройстве выборки-хранения 8 два раза за период, в моменты времени t₁ и t₂, происходит запоминание двух значений Uф, пропорциональных соответствующей проекции вектора индукции магнитного поля. На фиг.2 показано, что измерение происходит два раза в течение одного периода измеряемого напряжения Uф. Первый раз в момент t₁ и второй раз в момент t₂. Измеренные напряжения U₁ и U₂ в моменты времени t₁ и t₂ поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где преобразуется в цифровые коды N1 и N2, пропорциональные соответствующей компоненте вектора индукции магнитного поля. Оба раза момент запуска преобразования Uф в цифровой код задерживается на время Δt для исключения влияния переходных процессов.

Цифровые коды N1 и N2 должны быть равны, но вследствие воздействия различных факторов на измеряемый сигнал они будут отличаться друг от друга и от истинного значения кода. Для уменьшения этого отличия необходимо произвести осреднение, т.е. сложить значения N1 и N2 и разделить на два.

Для этого цифровые коды N1 и N2 поочередно записываются в регистры 16 и 17 соответственно. С выходов регистров 16 и 17 коды N1 и N2 поступают на входы сумматора 22, где суммируются и подаются на вход регистра 25 данных. С помощью отбрасывания младшего разряда выходное число делится на два. Происходит их осреднение в течение одного периода измеряемого напряжения Uф. Все процессы преобразования синхронизированы с помощью логического блока 14.

Принцип работы канала Y, состоящего из феррозонда 3, избирательного усилителя 6, устройства выборки-хранения 9, аналого-цифрового преобразователя 12, регистров 18, 19, сумматора 23, регистра данных 26 и канала Z, состоящего из феррозонда 4, избирательного усилителя 7, устройства выборки-хранения 10, аналого-цифрового преобразователя 13, регистров 20, 21, сумматора 24, регистра данных 27, аналогичен принципу работы канала X.

Осреднение двух значений кода N1 и N2 в течение одного периода Uф позволяет повысить точность измерения компоненты вектора индукции магнитного поля без снижения быстродействия.

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. ОАО ИСС предполагает использовать это техническое решение на штатных изделиях.

Изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам. Цифровой феррозондовый магнитометр содержит задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока, выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех избирательных усилителей соответственно, выходы которых соединены с входами трех устройств выборки-хранения соответственно, первые выходы которых соединены со вторыми входами трех феррозондов соответственно, а вторые выходы соединены с входами трех аналого-цифровых преобразователей соответственно. Введение в магнитометр дополнительно шести регистров, трех сумматоров и трех выходных регистров позволило существенно повысить точность измерения напряжений, пропорциональных компонентам вектора индукции магнитного поля. Технический результат - повышение точности устройства. 2 ил.

Цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока, выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех избирательных усилителей соответственно, выходы которых соединены с входами трех устройств выборки-хранения соответственно, первые выходы которых соединены со вторыми входами трех феррозондов соответственно, а вторые выходы соединены с входами трех аналого-цифровых преобразователей соответственно, отличающийся тем, что в него введены шесть регистров, где входы первого и второго регистров соединены с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, а выходы соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с входом первого регистра данных, входы третьего и четвертого регистров соединены с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, а выходы соединены с входами второго сумматора, выход которого соединен со входом второго регистра данных, входы пятого и шестого регистров соединены с выходом третьего аналого-цифрового преобразователя, а выходы соединены с входами третьего сумматора, выход которого соединен со входом третьего регистра данных.