Цифровой феррозондовый магнитометр Советский патент 1988 года по МПК G01R33/02 

О5

Ч

00

Изобретение относится к измерительной технике 5 предн азиачено для измерения параметров магнитных полей, например, Земли, и может быть использовано в системах автоматического контроля и регулирования.

Пель изобретения - повышение точности измерейия.

На фиг.1 представлена схема устройства} аа фиг,2 - диaгpaм iЫ; поясняющие его работу.

Цифровой феррозондовый магнитометр содержит генератор 1 возбужазния, феррозонд 2з снабженный обмоткой 3 возбуждения и двумя измерительными обмотками 4 и 5, электронный переключатель 6j блок 7 суммирования сигналов j избирательньш усилитель 8 амплитудный детектор 9,, формирователь 10, генератор 11 тактпзых импульсов, триггер 12. элемент И1Ш 13, элемент 14 задержкиJ п-разрядньй реверсивный счетчик 15, (n-i)-канальный коммутатор 16,- цифроаналоговый преобразователь (IIAII) 17 и цифровой регистр 18 индикации..

Магнитометр работает следующим образом,

С первого выхода генератора 1 возбуждения сигнал с частотой fg поступает на обмотку возбуждения 3 феррозонда 2 и .периодически насыщает его магнитопровод, С второго выхода генератора 1 возбуждения сигнал с частотой 2fg поступает на вход опорного сигнала 17,

Феррозонд 2 снабжен двумя идентичными измерительными обмотками 4 и 5, намотанными на сердечник бифлярно и имеющими между собой тесную индуктивную связь. Начало обмотки 4 и конец обмотки 5 подключены к общей шине магнитометраэ а другие их концы подключены к входам электронного переключателя 6. С измерительной обмотки 4 или 5 (в зависимости от положения переключателя 6) сигнал U переменного тока с частотой 2fg и амплитудой, пропорциональной величине магнитного поля, воздействующего на феррозонд 2 поступает на первый вход блока 7 суммирования сигналов, на второй вход которого с выхода ЦАП 17 поступает компенсирующий сигнал U i-, с частотой 2fJ, Амплитуда компенсирующего сигна ла зависит от значения кода на цифровых входах, постз пающего с соответствующих выходов реверсивного

0

5

0 5

0

5

0

5

счетчика 15 через коммутатор 16. Р блохе 7 су1-1мирования сигналы U и поступающие на его входы, вычитаются и с выхода этого блока сигнал разбаланса через избирательный усилитель 8, настроенный на частоту 21 поступает ка вход амплитудного детектора 9. На выходе детектора 9 напряженке Ug соответствует модулю напряжения разбаланса на выходе избирательного усилителя 8 - Шд I причем модуль (Ug(зависит от напряжения компенсации U,.,no кривой fU у( f (.)l -const, показанной на фиг,2. Кривая (U)U2 const имеет минимум (экстремум) в точке О, соответствующей полной компенсапии измеряемого сигнала U сигналом U в блоке 7 сум- мироегзнияр В момент компенсации измеряемого сигнала код N на цифровых входах ПАИ 17 соответствует (с погрешностью квантования dL%i компенсирующего сигнала U ,-, амплитуде измеряемого сигнала. По значению этого кода N в момент равновесия сигналов U . и UIT судят о значении измеряемой величины. Код с цифровых входов ДАЛ 17 поступает в цифровой регистр 18 индикации. Состояние (единичное или нулевое) триггера 12 задает режим работы реверсивного счетчика 15 - суммирование или вычитание импульсов, поступающих на его счетный вход с выхода элеманта ИЛИ 13 через элемент 14 задержки.

Управление работой магнитометра осуществляется импульсами, последовательно подаваемыми с первого, второго и третьего выходов генератора t1 тактовых импульсов на вторые входы элемента ИЛИ 13 и формирователя 10, а также на вход синхронизации цифрового регистра 18 индикации.

Если в момент включения питания магнитометра значения измеряемого U и компенсирующего U сигналов, например, таковы, что амплитуда напрялсе- ния разбаланса блока суммирования сигналов 7 соответствует точке б на кривой (U JUj const (фиг,2), а триггер 12 находится в нулевом состоянии, при котором реверсивный счетчик 15 работает в режиме вычитания, то с первого выхода генератора 11 тактовых импульсов импульс U через элемент И.ПИ 13 поступает на счет- ньй вход счетчика 15 и уме гьшает его выходной код на 1. В результате

этого компенсирующее напряжение U скачкообразно уменьшается на один- квант на выходе детектора 9 возрастает амплитуда напряжения Uj (точка а на кривой IU 0 (U)U2 const. Блок 10 служит для формирования единичного сигнала только при положительном приращении амплитуды выходного сигнала детектора 9 (при пололдательном приращении lUgl). Затем с второго выхода генератора 11 тактовых импульсов иьшульс U ,, поступает на второй вход формирователя 10 и разрешает подачу единичного сигна- ла на вход триггера- 12 и на счетный вход реверсивного счетчика 15 через элемент ИЛИ 13 и элемент 14 задержки. При этом триггер 12 меняет свое состояние, а единичный сигнал Uj, поступающий через элемент ИЛИ 13 в реверсивный счетчик 15, увеличивает его код на единицу и возвращает значение сигнала разбаланса в предыдущее состояниеS соответствующее точ- ке б. После этого импульс U „.,с третьего выхода генератора 11 тактовых импульсов поступает на вход синхронизации регистра 18 индикации, где отсчитываются показания входного кода.

Б следующем такте работы генератора 11 тактовых импульсов импульс uJ, с первого его выхода через элемент ИЛИ 13 и элемент 14 задержки поступает на счетный вход реверсиниого счет- чика 5 и увеличивает его код на едкииду, напряжение разбаланса мает зпачение, соответствующее точке в. Это вызывает отрицательный перепад аъгплитуды напряжения U на выходе детектора 9, вслед ствие чего в формирователе Ш не происходит фclp иpoвa- ние единичного сигнала. Таким образом, последую;дие тактовые импульсы и, с первого выхода генератора 1 1 тактовых импульспв через элемент ИЛ1-1 IB и элемент 14 задержки поступают на вход реверсивного счетчиь;г 15, увеличинают его выходной код и уменьшают амплитуду напряясе.ния разбаланса на выходе блока 7 суммирования до значения, соответствующего г, которое является самым близким к состоянию равновесия (к точке 0)„

При удалении амплитуды сиг-нала разбаланса на выходе блока 7 сумь нро- вапия от точки г в любом направлении происходит увеличение амплитуды

g 5

0

5

0

0

сигнала разбаланса, а значит, увеличение амплитуды напряжения Ug-на выходе детектора 9, что вызывает формирование единичного сигнала Ц в формирователе 10. Этот единичный сигнал поступает на вход триггера 12 и изменяет его состояние, через элемент IVM 13 и элемент 14 задержки он поступает на вход реверсивного счетчика 15 и изменяет его код, что влечет за собой изменения компенсирующего напряжения U, в таком направлении, чтобы амплитуда сигнала разбаланса на выходе блока 7 суммирования снова соответствовала точке г.

Таким образом, работа устройства основана на принципе экстремального регулирования с поиском экстремума (с уравновешиванием измеряемого сигнала) по направлению изменения огибающей амплитуды сигнала разбаланса блока 7 суммирования.

Под воздействием измеряемого магнитного поля фаза выходного сигнала феррозонда 2 (фаза сигнала в обмотках 4 и 5) может меняться на 180 . Введенные в феррозонд 2 вторая измерительная обмотка, идентичная первой (которые включены встречно), и переключатель 6, подключающий эти об-- мотки к входу блока 7 суммирования, дают возможность изменять фазу выходного сигнала сЬеррозонда в блоке 7 суммирования на 180. Причем- положение переключателя 6 в процессе урав- новеЕшвания изменяется сигналаш, снимаемыми с п-го (старшего) разряда реверсивного счетчика 15, остальные разряды которого подключаются к цифровым входам IIAII 17 через (п-1)-канальный коммутатор 16. Коммутатор 16 может быть выполнен, например, на логических элементах 2И-ИЛИ и преду- . смотрен для того, чтобы в момент замещения единиц младших разрядов единицей п-го (старшего) разряда, и наоборот (01.... 1 10.,..0), сохранялась плавность изменения напряжения компенсации U,. Входы коммутатора 16 соединены с входами счетчика 15 согласно логической функции ,,-а. +а.а;, где Ь,- - логическ Й сигнал на выходе i-ro канала (на выходе i-ro элемента 2И-ИЛИ); а; и выходные сигналы соответствующих разрядов реверсивного счетчика 15. :

В этом случае при единичном значении п-го (старшего) разряда на цифровые входы ПАП 17 подается прямой код а при ттулевом значении pa зpядa инверсный код, в результате чего при изменении положения переключателг: б (при изменении фазы измеряемого сигнала) амплгт З уда компенсируюп его сиг-нала происходит через нулевое значение, что обеспечивает устойчивость процесса следящего уразковешивания.

По окончания процесса уравь овешь - ванг-:я логическое зн ачаниа п-го (старшего) разряда реверсивного счетчика 15 указывает положение переключателя б, а следовательно указывает фазу (знак фазы) выходного сигнала фер розовда 2, код на цифровых входах соответствует амплитуде этого смг-- нала.

Форму л а и 3 о 6 р е т е н и я

Цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий феррозонд,, снабжегн- НБй измерительной обмоткой, а также обмоткой возбуящения,, соединенной с первым выходом генератора всзбуяэде- ния, избирательный усилитель, цифро- аналоговый преобразователь и цифровой регистр индикации, цифровые входы которых соответственно соединены собой, реверсивный п-разркд ный счетчт 5 элемент задержки., триггер, элемент ШШ перньп гзход KOi o- рого соединен с входом тр -гггера, ь выход чррез элемент задерлжи с первым пхгщоМ п-разрядпого ре вер сив-- него счетчика, о т л и ч а ю ш и и - с я тем, что. d целью повышекня

точности измерения, он дополнительно снабжен блоком суммирования сигналов, формирователем, генератором тактовых

импульсов,, (п 1)-KBiiajibHiiiM коммутатоpoi-jj амплитудны:- детектором5 второй

измер)-1 гельной обмоткой, эле строиным

переключателем, причем к первому и

второму входам электронного пераключателя присоединен соответстпеглГ о первая и вторая параллельио-зстречио Бключенглзе измеглгтельньге обмотки, выход электронного переключателя через су1- матор, узкопс лог.мый усилитч.ль

V. aMnji -jTynnbP-i дате.-; гор присоединен к зхо, у формлрователл3 ь ьгход которого через три-ггер соедз-шен с вторым рходом п-разрядного реверсив.юго счетчика, прямо -; выход п-го разряда

icoToporo соединен с управляющим нхо- до; злектроппого перетслючгл еля, а (.п-1) разрядь - с сос-гветствуюшими (п-1) -канального ког гмутатора - два входа ка) канала г-готорого

соединвны соотзетствемно с npKNrbiM и кпЕерсньш иыходами (п-1) разрядов рСБерС ЛБНОго счетчика, а два других Ехода зсех каналов с прлмьгм и кн- ве.рсным Б.-.пХодом каг/алов с п-го разряда реверсивного ечет ;чка, BTOpoii выход генератора возбуткдения соединен с входом опорного напряжения дифроаналогового преобразователя, ль гход которого соединен с вторьгм входом сумматора 5 выходы генератора тактовых импульсов соединень с / Topsir-i -/ходом форг- нпователя., вторы;- входом элемен ; а Ю1И и синхронизирующим входом цифрового регистра индикации.

.

(pus.2

Составитель В.Шульгин Редактор Л.Пчелинская Техред Л.Сердюкова

Заказ 5890/А6

Тираж 772

ВПИИПИ Государственного комитета СССР

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

Корректор А.Обручар

Подписное