Феррозондовый магнитометр Советский патент 1985 года по МПК G01R33/02 

1 Изобретение относится к измерительной технике,, предназначено для измерения постоянных и переменных магнитных полей в геологии, дефект скопии и как приемник магнитной составляющей электромагнитного поля при решении ряда задач, где тре буется преобразование магнитного поля в электрический сигнал. Цель изобретения - повышение то ности измерения за счет отделения магнитных шумов от полезного сигнал На фиг. 1 изображена принципиал ная электрическая схема магнитометра; на фиг, 2 - графическое поя нение принципа работы устройства. Устройство содержит генератор 1 возбуждения, представляющий источн напряжения, первую обмотку возбужд ния с первым ферромагнитным сердечником 2, первую линейную индуктивность 3, вторую обмотку возбужд ния со вторым ферромагнитным серде ником 4, вторую линейную индуктивность 5, первьй 6 и второй 7 интегр торы, первый 8 и второй 9 двусторо ние ограничители, дифференциальный усилитель 10, резонансный усилитель 11, детектор 12, измерительный прибор 13, при этом обмотка возбуждения первого ферромагнитного сердечника 2 подключена к выходу генератора 1 возбуждения посл довательно с первой линейной индук тивностью 3, обмотка возбуждения второго ферромагнитного сердечника 4 подключена к выходу генератора 1 возбуждения последовательно со второй линейной индуктивностью 5, выход второго интегратора 7 соединен с входом второго двустороннего ограничителя 9, выходом соединенного с вторым входом дифференциаль ного усилителя 10. Устройство работает следующим образом. , Генератор 1 возбуждения перемагничивает с помощью первой обмотки возбуждения первый ферромагнитный сердечник 2. В результате на первой линейной индуктивности 3 образуется падение напряжения. Это напряжение поступает на первьй интегратор 6 (например интегрирующую RC -цепочку), на выходе которого оно изменяется по форме - импульсы несущие информацию об измеряемом магнитном поле, располагаются в 02 верхней его части. Это .позволяет легко отделить часть напряжения с информационным сигналом от части напряжения, содержащей магнитные шумь1, путем двустороннего ограничения снизу. Напряжение с первого интегратора 6 подается на первьй двусторонний ограничитель 8, через который проходит только та часть импульса, напряжения, в которую входит информация об измеряемом поле. С первого двустороннего ограничителя (снизу) 8 сигнал поступает на первьй вход дифференциального усилителя 10. Аналогично проходит сигнал со второй линейной индуктивности 5 на второй вход дифференгщального усилителя 10. Обмотки возбуждения.с ферромагнитными сердечниками 2 и 4 соединены так, что протекающий в них ток создает в объеме сердечников равные по величине, но противоположные по направлению поля. При наличии внещнего поля, направленного вдоль сердечников, в объеме одного из них действует разность напряженностей полей возбуждения и измеряемого (внешнего) поля, в объеме другого сердечника - их сумма. Таким образом, сигналы, приходя, щие на дифференциальньй усилитель 10, равны при отсутствии измеря#мого поля и разные при его наличии. В результате вычитания сигналов на дифференциальном усилителе 10 вьщеляются лищь четные гармоники частоты возбуждения. С выхода дифференциального усилителя 10 сигнал поступает на резонансный усилитель 11, где вьщеляется вторая гармоника, которая поступает на детектор 12 и измерительный прибор 13. Работу устройства можно пояснить диаграммами на фиг. 2 и путем сравнения с прототипом. Рассмотрим работу одного сердечника с обмоткой возбуждения и соответствующего его канала до.дифференциального усилиНа фиг. 2а изображена аппроксимированная кривая намагничивания 8(Н) ферромагнитного сердечника феррозонда. В результате действия гармонического напряжения генератора возбуждения е i, и постоянного измеряемого поля HO индукция сердеч3

ника становится функцией времени ВН) сердечник периодически перемагничивается (фиг. 26, сплошная линия) .

На фиг. 2в изображена форма напряжения на -обмотке возбуждения сердечника И git , это напр яжение со-, держит вторую гармонику частоты возбуждения, несущую информацию об измеряемом магнитном поле. Так как процесс перемагничивания сердечника до насыщения сопровождается гистерезисом и магнитными шумами, обусловленными дискретной природой перемагничивания отдельных доменов 1и микрообластей сердечника - скачками Баркгаузена, то напряжение U(,(i} содержит шумовыр компоненты.

Для цепи , содержащей последовательно соединенные генератор напряжния е.(4) ,. обмотку возбуждения с ферромагнитным сердечником и линейную индуктивность L , выполняется

закон Кирхгофа . ,

er(t) ULltHU9(t) ,

где ll(-fc) - напряжение на линейной индуктивностиЧ. При известных

erW E co5utnUBtt) k,(где К - коэффициент пропорциональности) напряжение на линейной индуктивности имеет вид (фиг. 2г):

E cogut-W,-jp .

Напряжение U(i подается на вход интегратора, на выходе которого имеем сигнал (J (i) полностью совпадающий по форме с током, протекающим через индуктивность L , т.е. с током возбуждения феррозонда 1 g (t (фиг. 2а), так как

UH(ibeW LjU ld E 5;ncot-ilsttb4,

где Hg - поле возбуждения феррозонда (фиг. 2а).

Входящую в это выражение функцию 6()1 содержащую гармоники, используемые для измерения магнитного поля Нд можно представить в виде (фиг. 26)

Bit)--B 5 TiCoi B fBAt),

- постоянная величиВо ц; Ногдена;

90 ,

6,(t) последовательность

несимметричных относительнонулевого уровня импульсов.

Следовательно, полезный сигнал в виде четных гармоник может быть выделен из последовательности импульсов 8,(i), .

Для тока возбуждения (фиг. 2а) можно записать

8W-- - Us;ncot(8 5;nui48),(t ,

Как видно из фиг. 2а,б, во время

действия импульсов И, (t сердечник находится в насыщении, процесс перемагничивания закончился и сопутствующие ему магнитные шумы минимальны. Кроме того, в эти интервалы времени напряжение на выходе интегратора и к (t) - i в (Оимеет величину, превышающую зфовень, определяемый

полем насьпцения Hg (фиг. 2а), что позволяет путем двустороннего ограничения снизу отделить часть напряжения U(i(i) J содержащую магнитные шумы, от информационного сигнала,

пропорционального В (-t) ,

Таким образом, снимая напряжение с линейной индуктивности, затем проведя его интегрирование и двустороннее ограничение снизу на уровне.

определяемом полем насыщения Н , можно отделить магнитные щумы от сигнала, гармонические составляющие которого несут информацию об измеряемом поле.

Чтобы не применять резонансные

усилители с высокой избирательностью ко второй гармонике, что технически трудно выполнимо, использована мостовая схема (дифференциальный двухэлементый феррозонд - два ферромагнитных сердечника с обмотками). Канал преобразования сигнала ферромагнитного сердечника (второй канал) работает аналогично первому.

Обмотка второго ферромагнитного

элемента феррозонда включена так, что его поле возбуждения сдви.нуто на 180 относительно поля возбуждения первого элемента. Поэтому если под

воздействием внешнего поля g положительные импульсы на выходе первого канала возрастают по длительности и амплитуде, а отрицательные убывают, то на выходе второго канала наоборот - отрицательные возрастают, а положительные убывают (фиг, 2д,

и ) . Выходы

и,

и

соответственно

первого и второго канала подключены соответственно на прямой и инверсный входы днфферен.циального усилителя, на выходе которого получаем сигнал

&U(t)U,(t)-Uj(t)-B,{ibBj(t),

содержащий только четные гармоники частоты возбуждения (фиг. 2ж).

ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР, содержащий генератор возбуждения, два ферромагнитных сердечника с обмотками возбуждения и последовательно соединенные резонансный усилитель, детектор, измерительный прибор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительно введены две линейные индуктивности, два интегратора, два двусторонних ограничителя и дифференциальный усили-тель, причем обмотка возбуждения первого ферромагнитного сердечника подключена к выходу генератора возбуждения последовательно с первой линейной индуктивностью, обмотка возбуждения второго ферромагнитного сердечника подключена к выходу генератора возбуждения последовательно со второй линейной индуктивностью, точка соединения обмотки возбуждения первого сердечника и первой линейной индуктивно.сти соединена со входом первого интегратора, выход которого соединен со входом первого двустороннего ограничителя, выходом соединенного с первым входом дифференциальS ного усилителя, точка соединения обмотки возбуждения второго сердечсл ника и второй линейной индуктивности соединена со входом второго интегратора, выход которого соединен со входом второго двустороннего ограничителя, выходом соединенного со вторым входом дифференциального усилителя, к выходу которого подклю чен вход резонансного усилителя. о со со

/J