Устройство для регистрации статических петель гистерезиса Советский патент 1986 года по МПК G01R33/14 

Изобретение относится к средствам магнитных измерений и может быть использовано для определения магнитных характеристик ферромагнетиков в условиях внешних случайных шумов.

Цель изобретения - повьппение точности регистрагдаи статических петель гистерезиса.

На фиг.1 и 2 показано предлагаемое устройство.

Устройство (фиг.1) содержит генератор 1 линейно изменяющегося напряжения, блок 2 квантования по времени, блок 3 вычитания, блок 4 намагничивания, намагничивающую обмотку 5 эталонный резистор 6, измерительную обмотку 7, интегратор 8, блок 9 коррекции, регистрирующий прибор 10, причем генератор 1 , блок 2 квантова-- ния, блок 3 вычитания, блок 4 намагничивания, намагничивающая обмотка 5 и зталонньй резистор 6 соединены последовательно, вход интегратора 8 соединен с измерительной обмоткой 7, а его выход - с первым входом блока 9 коррекции, второй вход которого подключен к эталонному резистору 6, а третий вход - к выходу блока 2 квантования, первый и второй выходы блока 9 коррекции соединены с первым и вторым входами регистрирующего прибора 10, а третий выход подключен к второму входу блока 3 вычитания.

Блок 9 коррекции (фиг.2) содержит два аналого-цифровых преобразователя 11 и 12, запоминающий блок 13 блок 14-предварительного оценивания, блок 15 вычисления отношения приращений магнитного потока и напряженности поля, блок 16 оптимальной калма- новской фильтрации, коммутирующий блок 17j блок 18 экстраполяции приращения напряженности намагничивающего поля, блок 19 вычитания, буферный регистр 20, причем входы аналого-цифровых преобразователей 11 и 12, выполненные в виде АЦП двойного интегрирования, являются первым и вторым входами блока 9 коррекции, а выходы соединены с первым и вторым входами запоминающего блока 13, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами блока 14 Предварительного оценивания и с первым и третьим входами блока 16 оптимальной калмановской фильтрации,первый и второй выходы блока 14 предварительного оценивания соединены с

742

первым и вторым входами блока 15 вычисления отношения,а его,выход соединен с вторым входом блока 16 оптимальной калмановской фильтрахщи,

четвертый вход которого является третьим входом блока 9 коррекции, а первый и второй выходы соединены с первым.и вторым входами коммутирзто- щего блока 17 и являются также первым и вторым выходами блока 9 коррекции, первый выход коммутирующего устройства 17 соединен с первым входом блока 19 вычитания, а второй выход соединен с входом блока 18

экстраполяции, выход которого соединен с вторым входом блока 19 вычита- ния, соединенного последовательно с буфернымf регистром 20, выход которого является третьим выходом

блока 9 коррекции.

Блок 14 предварительного оЦенива ния двухканальный. По одному каналу блока 14 предварительного оценивания реализуется следующая зависимость

между сигналами на входе и вьЬсоде:

I п

Y, -Их., п f; 1.

(1)

где X. - отсчеты входного сигнала; у - выходной сигнал; h - количество отсчетов входного сигнала х ,. По другому каналу 14 пред- верительного оценивания реализуется следующая зависимость между сигналами на входе и вьЧходе:

j

П

1-1

(2)

где Xj - отсчеты входного сигнала; у - выходной сигнал; ип - постоянное смещение ре- 45зультатов измерений.

Блок 15 вычисления отношения приращений магнитного потока и напряженности поля реализует следующую зависимость между входньм и выходным v gQ сигналами:

-5i

X,

(3)

х сигнал на втором входе блока 15 вычисления отношения;

X, - сигнал на первом входе; X - сигнад на выходе.

Блок 4 предварительного оценивания и блок 15 вычисления отношения приращений магнитного потока и напри женности поля реализуется в виде арифмет1гч еского блока tl.

Блок 16 оптимальной калмановской фильтрации выполнен двухканальным C2J, Второй канал блока 16 оптимальной калмановской фильтрации имеет дополнительный вход, на который подается сигнал, соответствующий статической ошибке измерительного устройства. Усилитель с переменным коэффициентом К во втором кан.але имеет отличие от представленного в 2 в том ,что коэффициент усилителя К зависит не только от номера отсчета k фильтруемого сигнала i-ro приращения магнитного потока, но и от номера i приращения магнитного потока.

Блок 16 оптимальной калмановской фильтрации по одному каналу реализует следующую зависимость между сигналами на- входе и выходе:

Y Y

kt X Y ),

V - сигнал на втором выходе

блока 16 оптимальной кап- зо мановской фильтрации 16; У - сигнал на втором выходе блока оптимальной калмановской фильтрации, полученный на предьщущем шаге вычислений ;

35

1.

- сигнал на третьем входе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации.

40 Блок 16 оптимальной калмановской

фильтрации по другому каналу реализует следующую зависимость между входным и выходным сигналами: y -Ny - N -Xg+K Xji-X -M(Ny + N x J1 45

---, . )

где V - сигнал на первом выходе блока 1 6 оптимальной калмановской фильтрации;

Xj,х - сигналы соответственно на 50 первом и четвертом входах блока 16 оптимальной калмановской фильтрации; Хд - сигнал с внутреннего источника блока 16 оптимальной 55 калмановской фильтрации; N,N ,М - постоянные заданшле величины;

4

сигнал на первом выходе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации, полученный на предьщущем шаге вычисле- НИИ;

К - переменный коэффициент усиления, определяемый в соответствии с равенством

KLt .

к 1

n K-4-ii.

- -

.,i,-,V

Хб)

t,tj,l - априорная дисперсия

оцен1шаемого пара- метра;

A,R- постоянные заданные

величины.

Коммутирующий блок 17 реализует следующую зависимость между входным и выходным сигналами:

25

зо 35

40

45

5055

I п 3, . .,., . J

n-l rt- i

У

- )

У, О у X

ч h-7 п-I

где У i У - сигналы ha первом и втором выходах коммутирующего блока;

- сигналы на входе коммутирующего блока на -м, ГЛ-1-М, п-2-м этапах пе- ремагничивания.

Коммутирующий блок 17 представляет собой управляемьй от дешифратора ключ и объединенный с ним по входу регистр сдвига, имеющие раздельные выходы и тактируемые от генератора тактовых импульсов, причем дешифра- . тор управляется счетчиком импульсов Выход ключа является первым выходом коммутирующего блока 17, а выход регистра сдвига - вторым выходом.

Блок 18 экстраполяции представ- ляет собой последовательно, соединенные арифметическое устройство из трех секций интегральных схем, описанное в 1 и устройство вычисления экстраполируемого параметра, аналогичное описанному в 31.

Блок 18 экстраполяции реализует следующую зависимость между сигналами на выходе и входе:

У X Ч А, X -е А„ ,

(8)

где V - выходной сигнал блока 18 экстраполяции, причем коэффициенты А, А , А , х

вычисляются в арифметичес-, ком устройстве блока 18 экстраполяции по заданному алгоритму, исходя из значений сигналов, снимаемых со второго выхода коммутирующего блока 17. итм работы блока 18 экстразадается следующими выраже10

(а-ЪУ (а-с) (а-Ь) (Ь-с) (а-с) (ь X (с-Ь) 2(с-Ь) ,

а,Ь,сДо,У ,Y - сигналы на входе блока 18 экстраполяции, снимаемые со второго выхода коммутирующего блока.

Блок 19 вычитания реализует следующую зависимость между сигналами на входе и выходе:

Y « Xj- Xj при 3; Y X - х° при п 3,

(10)

где V - сигнал на выходе блока I9

вычитания,

X - сигнал на втором входе блока 19 вычитания на данном

этапе перемагничивания (i-e приращение напряженности намагничивающего по ля) ;

X - сигнал на втором входе бло- ,ка 19 вычитания на предьщу- щем этапе перемагничивания (i-1 - приращение напряжен- ности намагничивакщего поляД Блок 19 вычитания выполнен аналогично описанным в П .

Буферный регистр 20 выполняет функцию хранения информации, сигнал на выходе его появится лишь в тот момент, когда на выходе блока 2 квантования по времени будет форми10

)

30

35

40

. 45

- - - 0 яД 55роваться следующая ступень напряжения.

Устройство для регистрации петель гистерезиса работает следующим образом.

На первом этапе - сигнал с генератора I линейно изменяющегося напряжения поступает на вход блока 2 квантования по времени. На выходе блока 2 квантования формируется первая ступень напряжения: Т где т - длительность цикла перемагничивания; Т - период квантования.

Ступень напряжения поступает на первый вход блока 3 вычитания. Сигнал, поступающий на второй вход блока 3 вычитания, с выхода блока 9 коррекции в этот момент равен нулю. Поэтому сигнал на выходе блока 3 вычитания равен U 1 Т дU . При помощи блока 4 намагничивания и намагничивающей обмотки 5 происходит перемагничивание испытуемого образца. При этом в измерительной обмотке 7 наводится импульс ЭДС, поступающий на вход интегратора 8, на выходе которого сигнал соответствует первому приращению магнитного потока:

Zcp, (t) А Т, (t) + Y - V(t),(ll) где А - коэффициент, характеризующий измерительную систему; у - постоянное смещение результатов измерений; V(t) - шум измерений; S- Ct) - величина первого приращения магнитного потока. Сигнал (t) поступает на первый вход блока 9 коррекции, который является входом аналого-цифрового преобразователя 11, на выходе которого реализуется последовательность сигнала

Zcp, tj А tj Ф Y + V , поступающая на первый вход запоминающего блока 13.

Одновременно с сигналом Z, (t) на второй вход блока 9 коррекции, являющийся входом аналого-цифрового преобразователя 12, поступает сигнал с эталонного резистора 6, соответствующий первому приращению напряженности намагничивающего поля: Z (t) Н (t) , (12)

где H(t) - первое приращение напряженности намагничивающего поля;

cj(t) - шум измерений.

71

С выхода аналого-цифрового преобразователя 12 последовательность сиг нала ZJtJ Н tj + oJ t J поступает на второй вход запоминающего блока 13.

На первом выходе блока 14 предварительного оценивания реализуется сигнал

J

m

i P..b m 1

где b - постоянное смещение результатов измерения; m - количество отсчетов сигнала Z(p хранящихся в запоминающем блоке 13. На втором выходе блока 14 предва- Iрительного оценивания реализуется сигнал

ДН.

z:

m h

где т( - количество отсчетов сигнала Z К- хранящихся в запоминакн ем блоке 1 3. Сигналы дФ и с первого и второго выходов блока 14 предварительного оценивания одновременно потупают соответственно на первый и второй входы блока 15 вычисления отношения, на выходе которого появляется сигнал

К,

.iTL

дн:

поступающий на второй вход блока I6.оптимальной калмановской фильтрации.

На третий и первый входы блока 16 оптимальной калмановской фильтрации поступают соответственно сигналы Z tt, и Zjp с второго и первого выходов Запоминающего блока 13. Одновременно с ними на четвертый вход блока 16 оптимальной калмановской фильтрации поступает сигнал и с выхода блока 2 квантования.

На втором выходе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации получают сигнал, представляющий собой оптимальную оценку первого приращения напряженности намагничивающего поля:

AH,,t.. .{Z t,-AH,Ct,.vl} .

(16

1

бг

-

)

с2559748

где лН t K-t- оценка первого приращения напряженности намагничивающего поля , полученная на 5предыдущем шаге;

К t,1 - переменный коэффициК.

ент усиления; Z t - сигнал на третьем

входе блока 16 опти- 10мальной калмановской

фильтрации I6, соответствующий К-му измерению первого приращения напряженности на- t5магничивающего поля.

На первом выходе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации получают сигнал, представляющий собой оптимальную оценку первого прираще- 20 ния магнитного потока:

A ,tJ-4 Cl,t,..,bA,i

U,t,,t j z t n-Act :«

4 a,.t.,-A9,t,,,t,-u,ttjJ,

(16)

гдeйФ |;t., - оценка первого приращения магнитного пото30ка, полученная на пре-:

дыдущем шаге;

и, - сигнал на четвертом входе блока 16 оптип мальной калмановской

35фильтрации, соответствующий первому приращению входного напря- . жения, поступающий с выхода блока 2 кванто40вания;

Z,t - сигнал на первом входе блока оптимальной калмановской фильтрации, соответствующий К-му

45измерению первого приращения магнитного потока;

Y - сигнал, снимаемый с внут- реннего источника блока I6 оптимальной калмановской фильтрации;

,t|j..jj - переходный коэффициент

состояния, определяемый . параметрами системы и

интервалом at съема данных измерений: 4t t - t.,;

9.

Д (t - коэффициент при нированном входном воздействии, д

Сигналы и дФ t с выхода блока 16 оптимальной калмановс кой фильтрации подаются на соответствующие входы регистрирующего прибора 10. .Одновременно эти сигналы аН

идф t., с выхода блока 6 посту1

пают на вход коммутирующего блока

17, ключ которого, управляемый дешифратором, открывается и передает эту последовательность на первый вход блока 19 вычитания. Одновременно производится запись сигнала в регистр сдвига коммутирующего блока 17, работающий в режиме записи и имеющий поэтому на выходе нулевой сигнал. На выходе блока 18 экстраполяции также нулевой сигнал. На выходе блока 19 вычитания., работающего в соответствии с формулой (10), сигнал коррекции при этом также равен нулю.

С выхода блока 19 вычитания сигнал йдН О подается на первый вход буферного регистра 20, где хранится до того момента времени, когда на выходе блока 2 квантования будет формироваться следующая ступень напряжения. В момент формирования следующей ступени напряжения на выходе блока 2 квантования сигна й&Н поступает на второй вход блока 3 вычитания.

Второй этап. Поступающий на первый вход блока 3 вычитания сигнал второй ступени напряжения U- 12-Т суммируется с сигналом ддН, поступающим на второй вход блока 3 вычитания, и на выходе блока 3 вычитания сигнал равен

и L2 Т + лйН о: + О

и 2 Т1.

Далее, процесс продолжается также, как на первом этапе перемагни- чивания. На выходе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации получают после 1овательность cvirna- ловл АгСг J; , которая поступает на вход коммутирующего блока 17. На первом выходе коммутирующего блока 7 получают последовател ность , , которая поступает на первый вход блока I9 вычитания. На втором выходе комму55974 10

тирующего блока 17 сигнал равен нулю. Поэтому, на выходе блока 19 вычитания согласно формуле (10), сигнал коррекции ЛДН равен нулю. Следова5 тельно, также как и на первом этапе перемагничивания, сигнал на выходе буферно Оч регистра 20 в момент формирования на выходе блока 2 кванто - вания третьей ступени напряжения

10 равен нулю.

Третий этап. Одновременно с поступлением сигнала блН на второй вход блока 3 вычитания, на его первый .вход поступает сигнал, представ15 ляющий собой третью ступень напряжения; и 3 т.Сигнал на выходе блока 3 вычитания равен

. Т +дд Н и 3 т -S- О 20 . и 3 ТЪ(17)

Происходит дальнейшее перемагни- чивание испытуемого образца. На выходе блока 16 оптимальной калмановс25 кой фильтрации получаю последовательность UH.J t| 5 , которая поступает на вход коммутирующего устройства 1 7 ., При этом ключ управляемый дешифратором, закрьшается, а

30 регистр сдвига переводится из режима записи информации в режим считывания и на вход блока 18 эксил шгляции проходит последовательность сигналов

дН,,Ц 1;лЯ-,1,

aH,tJ; д9,1,.

Эта последовательность сигналов используется сначала для вычисления

коэффициентов А

Ац, А , X согласt si

но формуле (91,

где .У„ Y, Н

- fijftj;

а ДЧ , tj J b , ; , .

а затем для формирования на выходе блока 18 экстраполяции сигнала

Н,

X

+ А

X

+ А, посту

пающего на второй вход блока 19 вычитания. На выходе блока 19 вычитания формируется сигнал ллН йН,-лН , который записьшает4 2. к

ся В буферньй регистр 20 и хранится там до формирования четвертой ступе- ни напряжения на выходе блока 2 квантования.

Четвертый этап. Одновременно с подачей на первый вход блока 3 вы11

читания сигнала четвертой ступени напряжения U 4 Т, на второй вход блока 3 вычитания подается сигнал ддН , и на выходе блока 3 вычитания формируется сигнал тТ+ддН . Происходит дальнейшее перемагничива- ние образца. На последующих этапах перемагничивания работа устройства аналогична работе на третьем этапе. Так, на пятом этапе на выходе блока 19 вычитания формируется сигнал коррекции йдН л Нг - лН , происходит корректировка пятого приращения напряжения и т.д.

. Таким образом, наряду с регистрацией зависимости ф f(Н) для испытуемого образца, обеспечивается стабилизация УСЛОВИЙ перемагничивания йФ const.

Использование в устройстве для регистрации статических петель гистерезиса блока коррекдаи, выполняющего оптимальную фильтрацию по алгоритму Калмана, преобразованного в цифровую форму зашуменного полезного сигнала, а также формирующего сигнал коррекции для стабилизации режима измерения позволяет, повысить точность измерений по сравнению с известным устройством 4 от « 1 до --0,015%.

Ф о р м ула изобр е Т е н и я

1. Устройство для регистрации статических петель гистерезиса, содержащее последовательно соединенные генератор линейно изменяющегося напр женин, блок квантования по времени, блок вычитания, блок намагничивания, намагничивающую обмотку и эталонный резистор, а также измерительную обмотку и регистрирукиций прибор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности регистрации статических петель гистерезиса, в него введены, интегратор и блок коррекции, причем вход интегратора подключен к измерительной обмотке, а выход - к первому входу блока коррекции, второй вход которого подклк)чен

5597412

к эталонному резистору, третий вход - к выходу блока квантования по времени, первый и второй выходы подключены к первому и второму входам ре- 5 гистрирукяцего прибора, третий выход подключен к второму входу блока вычитания.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а- ю щ е е с я тем, что блок коррек10 ции выполнен fe виде двух аналого- цифровых преобразователей, запоминающего блока, блока предварительного оценивания, блока вычисления отношения приращений магнитного потока и

)5 напряженности поля, блока оптимальной калмановской фильтрации, коммутирующего блока, блока экстраполяции приращения напряженности намагничивающего поля, блока вычитания

0 и буферного регистра, причем входы аналого-цифровых преобразователей соединены с первым и вторым входами блока коррекции, а выходы соединены с первым и вторым входами запоминаю5 щего блока, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами блока предварительного оценивания и с первым и вторым входами блока оптимальной калмановской 4ильт рации, первый и второй выходы блока предварительного оценивания соединены с первым и вторым входами блока вычисления отношения приращения магнитного потока и напряженности поля, а его выход соединен с третьим входом :

блока оптимальной калмановской фильтрации, четвертый вход которого соединен с третьим входом блока коррек- ции, а первый и второй выходы соединены с первым и вторым входами коммутирующего блока и соединены также с первым и вторым выходами блока коррекции, первый выход коммутирующего блока соединен с первым входом блока вычитания, а второй выход соединен с входом блока экстраполяции приращения напряженности намагничивающего поля, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания, соединенного последовательно с буферным

0 регистром, выход которого соединен с третьим выходом блока коррекции.

0

5

Щ1 //jr-

Изобретение относится к средствам магнитных измерений и может быть использовано для определения магнитных характеристик ферромагнетиков в условиях внешних случайных шумов. Целью изобретения является повышение точности регистрации статических петель гестерезиса. Для этого в устройство, содержащее генератор I, линейно изменяющегося напряжения, блок квантования 2 по времени, блок вычитания 3, блок намагничивания 4, намагничивающую обмотку 5, эталонный резистор 6, измерительную обмотку 7, регистрирующий прибор 10, введены интегратор 8 и блок коррекции 9. Блок коррекции содержит два аналого- цифровых преобразователя, запоминающий блок, блок предварительного оценивания , блок вычисления отношения прираР1ений магнитного потока и напряженности поля, блок оптимальной калмановской фильтрации, коммутирующий блок, блок экстраполяции приращения напряженности намагничивающего поля, блок вычитания, буферный регистр. Использование в устройстве блока коррекции, выполнякяцего оптимальную фильтрацию по алгоритму Калмана, а также формирующего сигнал коррекции для стабилизации режима измерения позволяет повысить точность измерений. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. (Л

вб/х.

В;(Л

//ф /4//4

/

(У,} вь/х.1

4/Ж ч/ / У

6i1,

Составитель В.Зюбин Редактор Н Ланкулкч Техред И.ПоповичКорректор А.Зимокосов

Заказ 4820/46 Тираж 728Подписное

ВНИИПИ Г.осударственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул. Проектная,4

/

//и / У Ф

/7

t

79

IE

(