Цифровой измеритель магнитной индукции Советский патент 1991 года по МПК G01R33/07 

о -ч

ел

Изобретение относится к „ иласти магнитных измерений и может быть использовано для прецизионного измерения в широком диапазоне индукции постоянных магнитных полей.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет автоматиче- ской коррекции остаточного сигнала датчика Холла,

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого цифрового измерителя магнитной индукции; на фиг. 2 - временные диаграммы работы Ьлока управления; на фиг. 3 - временные сигналы переменного выходного сигнала датчика Холла после переключателя (б, г, е, з) и после его преобразования в постоянный синхронным детектором (в, д, ж, и).

Предлагаемый цифровой измеритель магнитной индукции {фиг. 1) состоит из датчика Холла 1, переключателя 2, источника 3 питания, синхронного детектора 4, преобразователя 5 напряжение-число импульсов, элемента 6 задержки, реверсивного счетчика 7, двоично-десятичного дешифратора 8, цифрового индикатора 9 и блока 10 управления.

Блок 10 управления состоит из генератора 11 импульсов, счетчика 12, дешифратора 13, схем И 14-17 и триггеров 18-20.

Токовые и потенциальные электроды датчика Холла 1 соединены с входами переключателя 2. Входы последнего соединены с сигнальными выходами источника 3 питания. Выходы переключателя 2 соединены с сигнальными входами синхронного детектора 4. Управляющий вход переключателя 2 соединен с первым выходом блока 10 управления.

Выход синхронного детектора 4 соединен с сигнальным входом перобразователя 5 напряжение-число импульсов и первым входом блока 10 управления. Выход счетных 5 импульсов преобразователя напряжение-число импульсов соединен со счетным входом реверсивного счетчика 7, входом элемента 6 задержки и вторым входом блока 10 управления. Запускающий вход преобразователя 5 напряжение- число импульсов соединен с вторым выходом блока 10 управления.

Выход элемента 6 задержки соединен с третьим входом блока 10 управления. Нулевой вход реверсивного счетчика 7 соединен с третьим выходом блока 10 управления. Вход реверса реверсивного счетчика 7 соединен с четвертым выходом блока 10 управления. Выход (параллельный код) реверсивного счетчика 7 соединен с сигнальным входом

двоично-десятичного дешифратора 8 и четвертым входом блока управления 10.

Управляющий вход двоично-десятичного дешифратора 8 соединен с пятым выходом блока 10 управления. Выход (параллельный код) двоично-десятичного дешифратора 8 соединен с входом цифрового индикатора 9.

Генератор 11 импульсов через счетчик

0 12 соединен с входом дешифратора 13. Первый выход последнего соединен с первым выходом блока Юуправления, второй выход которого соединен с вторым выходом дешифратора 13. Третий выход дешифратора

5 13 соединен с третьим выходом блока 10 управления, первым нулевым входом триггера 18, нулевыми входами триггера 19 и 20. Четвертый выход дешифратора 1 соединен с пятым выходом блока 10 управления. Пя0, тый выход дешифратора 13 соединен с первыми входами элементов И 14 и 15. Шестой выход дешифратора 13 соединен с первыми входами элементов И 16 и 17. Выход триггера 18 соединен с четвертым выходом блока

5 Юуправления. Единичный вход триггера 18 соединен с выходом элемента И 16, второй вход которого соединен с выходом тригге- рат 10. Третий вход элемента И 16 соединен с выходом триггера 20, единичный вход

0 которого соединен с выходом элемента И 14. Второй вход элемента И 14 соединен с первым входом блока 10 управления и четвертым входом элемента И 16.

Второй вход элемента И 15 соединен с

5 вторым входом блока 10 управления, третий вход которого соединен с вторым входом элемента И. 17. Четвертый вход блока управления соединен с третьим входом элемента И 17, выход которого соединен с вторым

0 нулевым входом триггера 18.

Блок 10 управления формирует неизменяющиеся управляющие сигналы, синхронизирующие работу всего устройства, и

5 изменяющиеся управляющиеся сигналы, зависящие от изменяющихся условий работы,

К неизменяющимся управляющим сигналам относятся следующие.Сигнал, посту0 лающий на управляющий 21 вход переключателя 2. По этому сигналу в первый такт измерения первая пара противоположных электродов датчика Холла 1 через переключатель 2 подключения к асинхрон5 ному детектору 4, вторая пара противоположных электродов датчика Холла 1 через переключатель 2 подключается к источнику 3 питания. Во втором такте первая пара противоположных электродов датчика Холла 1 через переключатель 2 подключается к источнику 3 питания, а вторая пара противоположных электродов датчика - к синх ронному детектору 4. При таком подключе

НИИ

Ui ± ех + инэ; U2 - ± е х - UH3. где ех - ЭДС датчика Холла;

UHS напряжение неэквипотенциально- сти.

Сигнал, поступающий на запускающий вход 22 преобразователя 5 напряжение - число импульсов. По этому сигналу начинается преобразование аналогового сигнала в пропорциональное число импульсов.

Сигнал, поступающий на нулевой вход

23реверсивного счетчика 7.

Сигнал, поступающий на управляющий

24вход двоично-десятичного дешифратора 8. По этому сигналу производится считывание результата измерения цифровым индикатором 9 после второго такта измерения.

Для выделения сигналов первого и второго тактов дешифратор 13 формирует на выходах 25 и 25 соответствующие управляющие сигналы.

К изменяющимся управляющим сигналам относится сигнал, поступающий на вход 26 реверса реверсивного счетчика 7 и изменяющий направление счета в реверсивном счетчике 7 во второй такт измерения по сигналам, поступающим на входы 27-30.

В первом такте реверсивный счетчик 7 всегда работает на сложение. Направление счета в реверсивном счетчике 7 во втором такте зависит от следующих условий работы.

При I х I инэ1,,+ В или - В (В магнитная индукция) на вход 26 реверса реверсивного счетчика 7 поступает управляющий сигнал, который не изменяет направление счета в реверсивном счетчике 7 во втором такте, т.е. реверсивный счетчик 7 в оба такта рабатает на сложение.

При I ех 1иНэ1 и + В на вход 26 реверса реверсивного счетчика 7 поступает управляющий сигнал, который изменяет направление счета в реверсивном счетчике 7 во втором такте, т.е. реверсивный счетчик 7 в первом такте работает на сложение, а во втором на вычитание.

При I exl UH3i и - В на вход 26 реверса реверсивного счетчика 7 поступав vn- равляющий сигнал который дважды изменяет направление счета в реверсивном счете 7 во втором такте, т.е. реверсивный счетчик 7 в первом такте работает на сложение, а во втором - сначала работает на вычитание, а потом - на сложение. На сложение он начинает работать в тот момент, когда в реверсивном счетчике 7 код станет равным нулю (на входе 29 блока 10 управления).

Услорие iex l I инэ t и I ех Шиэ определяется блоком управления по сигналам на выходе синхронного детектора 4 в оба такта измерения.

5При I exl IUH3 полярность выходного

сигнала на выходе 27 синхронного детектора 4 в оба такта измерения одинакова (-, -) при В и (+, при - В. При одинаковых полярностях выходного сигна10 ла синхронного детектора 4 блок 10 управления во втором такте не вырабатывает управляющий сигнал, изменяющий направление счета в реверсивном счетчике 7.

При lex I Юнэ полярности выходных

15 сигналов синхронного детектора 4 независимо от направления магнитной индукции + В и - В в оба такта будет (-, +). При изменении полярности выходного сигнала синхронного детектора 4 с - в первом так0 те на + во втором такте блок 10 управления изменяет направление счета в реверсивном счетчике 7 во втором такте измерения.

При условии lex I Юнэ и - В блок 10 управления дважды изменяет направление

5 счета в реверсивном счетчике 7 во втором такте измерения. Сначала блок 10 управления по полярностям выходных сигналов синхронного детектора 4 в оба такта измерения изменяет направление счета в ревер0 сивном счетчике 7. Во втором такте реверсивный счетчик работает на вычитание. Когда число в реверсивном счетчике 7 станет равным нулю, блок 10 управления снова изменяет направление счета в ревер5 сивном счетчике 7. Он не может работать на сложение.

При I ех I Шнэ , - В, Ui hex + UH3 I 0 по сигналу, поступающему на вход блока 10 управления, во втором такте не изменя0 ется направление счета в реверсивном счете 7 во втором такте измерения, т.е. реверсивный счетчик 7 в оба такта измерения работает на сложение.

5 Работа устройства происходит в два такта измерения. Перед началом измерения по сигналу с выхода блока 10 управления реверсивный счетчик 7 устанавливается в нулевое состояние. Кроме того, по этому же

0 сигналу в нулевое состояние устанавливаются триггеры 18-20. С выхода 26 блока 10 управления на шину реверса реверсивного счетчика 7 поступает такой управляющий сигнал, по которому реверсивный счетчик 7

5 работает на сложение. Триггер 19 выдает запрещающий потенциал на элемент И 16. Триггер 20 выдает разрешающий потенциал на элемент И 16. По сигналу с выхода 21 блока 10 управления переключатель устана- ливается в такое состояние, что при попожмтельном направлении магнитно . индукции + В выходное направление датчика Холла в первый такт измерения равно Ui (± ех +

Унэ).

Такое значение выходного сигнала датчика Холла 1 обусловлено тем, что управля- ющий сигнал на выходе 21 блока 10 управления подключает первую пару противоположных электродов датчика Холла 1 к выходу синхронного детектора 4, а через порую пару противоположных электродов датчика Холла 1 протекает ток на источник 3 питания,

Выходной сигнал датчика Холла 1 Ui ( ±ех + инэ) поступает через переключатель 2 м синхронный детектор 4 на преобразователь 5 напряжение-число импульсов. Результат преобразования в виде импульсов поступает на реверсивный счетчик 7, считающий в прямом направлении

Nl KiK2(ex±UH3),

i це Кч - коэффициент преобразования синхронного детектора;

Кз - коэффициент преобразования преобразователя напряжение-число импульсов.

В конце первого такта измерения блок 10 управления сигналом, поступающим с выхода 21, коммутирует переключатель 2.

Во втором такте измерения выходной сигнал датчика Холла U2 ( ±ех - 1)Нэ). Это напряжение через синхронный детектор 4 поступает на преобразователь 5 напряжение-число импульсов, откуда в виде последовательности импульсов поступает на реверсивный счетчик 7.

В зависимости от условия I ex 1 I UHal илм I ех1 I UHS в реверсивном счетчике 7 производится суммирование или вычитание результатов кодирования двух тактов. .Информация о виде операции во втором такте выделяется с помощью синхронного детектора 4, преобразователя 5 напряжение-числ ло импульсов и блока 10 управления.

Последний в зависимости от полярностей сигналов на выходе 27 синхронного детектора 4 в оба такта измерения и наличия импульсов на выходе 30 преобразователя 5 напряжение-число импульсов в первый такт измерения выдает определенный командный сигнал на вход 26 реверса реверсивного счетчика 7.

Когда ех I Унэ или ех UHg (Ui -ex -ь Уна 0), в реверсивном счетчике 7 производится суммирование результатов кодирования двух тактов, при lexl I UHsl - их вычитание.

При I exl I Унэ и + В выходные сигналы датчика Холла Ui (ex + UH3) U 2(e x-U нэ) (фиг. Зв).

В первый такт измерения сигнал на выходе синхронного детектора 4 отрицательной полярности является запрещающим для элементов схем И 14 и 16. Поэтому управляющие сигналы блока 10 управления не проходят через элементы I/I 14 и 16 в течение

0 первого такта. Во втором такте сигнала на выходе 27 синхронного детектора 4 отрицательной полярности является запрещающим для элеменотов И 14 и 16.

Поэтому при поступлении управляюще5 го сигнала с дешифратора 13 элемент И 14 не срабатывает м, следовательно, не изменяется состояние триггера 20.

Хотя на второй вход схемы И 16 поступает разрешающий потенциал с триггера

0 20, а на третий вход разрешающий потенци- ал с триггера 19, во втором такте при поступлении управляющего сигнала с дешифратора 13 элемент И 16 не срабатывает из-за наличия запрещающего потенциала на ее первом вхо5 де с выхода синхронного детектора 4, (Триггер 19 в первом такте выдает разрешающий потенциал на третий вход элемента 1/116, поскольку сигнал с выхода 30 преобразователя 5 напряжение-число имгтульсов, поступаю0 щий на единичный вход триггера 19 в первый такт приводит его в единичное состояние).

Поэтому блок 10 управления не изменяет свой выходной сигнал на выходе 26 и

5 реверсивный счетчик 7 во втором такте работает на сложение. В результате во втором такте реверсивный счетчик 7 зафиксирует число импульсов, пропорциональное ЭДС Холла ех.

0NЈ N1 + N2 KiK2 lex + UH3 + KiK2 lex

-UH3l 2KiK2lexl 2KiK2ex.

При I ex I 1)нэ1 и + В выходные сигналы датчика Холла lh (ех + инэ) и Ua (ех - UH8).

5 Во втором такте сигнал на выходе 27 синхронного детектора 4 положительной полярности является разрешающим для элемента И 16. На второй вход последнего поступает разрешающий потенциал с триг0 гера 20, который в первом такте не изменяет свое состояние. На третий вход элемента 16 поступает разрешающий потенциал с триггера 20, который в первом такте не изменяет свое состояние. На третий вход элемента 16

5 поступает разрешающий потенциал с триггера 19, который в первом такте устанавливается в единичное состояние.

При поступлении во втором такте управляющего сигнала на четвертый вход с дешифратора 13 элемент И 16 срабатывает и

выдает сигнал на счетный вход триггера 18 реверса. Последний срабатывает и переходит в единичное состояние.

Таким образом, блок 10 управления изменяет свой выходной потенциал на выходе 26, Поэтому во втором такте реверсивный счетчик 7 работает на вычитание:

N4 NI - N2 KiK2 lex + UH3I - KiK2 UH3 - exl 2KiK2lexl 2KiK2ex.

При lex I I инэ и - В выходные сигналы датчика Холла 1 Ui (-ех + инэ) и U2 (-ех

-инэ).

В первом такте сигнал на выходе 27 синхронного детектора 4 положительной полярности является разрешающим для элементов И 14 и 16. При поступлении управляющего сигнала с дешифратора 13 в первом такте элемент И 14 срабатывает и выдает сигналы на единичный вход триггера 20. Последний срабатывает, переходит в единичное состояние и выдает запрещающий потенциал на второй вход элемента И 16, Поэтому во втором такте при поступлении управляющего сигнала на четвертый вход элемента И 16 с дешифратора 13 элемент И 16 не срабатывает, хотя на ее первый вход поступает разрешающий потенциал положительной полярности с выхода синхронного детектора 4, а на ее третий вход поступает разрешающий потенциал с триггера 19.

Таким образом, во втором такте 10 управления не изменяет потенциал на выходе 26 и реверсивный счетчик 7 во втором такте работает на сложение:

NJ. N1 + N2 KiK2 lex + Унэ I + KiK2 lex - UH3I 2KiK2lexl 2KiK2ex.

При I ex I Шнэ и - В выходные сигналы датчика Холла U1 (-ех + Унз) и U2 (-ех

-УНЭ).

Во втором такте сигнал на выходе 27 синхронного детектора 4 положительной полярности является разрешающим для элементов И 14 и 16. На второй вход схемы И 16 поступает разрешающий потенциал с триггера 20, который в первом такте не изменяет свое состояние, (Сигнал с выхода 27 синхронного детектора 4 отрицательной полярности является запрещающим для элемента И 14).

На третий вход элемента И 16 поступает разрешающий потенциал с триггера 19, который устанавливается в единичное состояние в первом такте сигналом, поступающим с выхода 30 преобразователя 5 напряжение-число импульсов.

При поступлении управляющего сигнала во втором такте с дешифратора 13 на четвертый вход элемента И 16 последний

срабатывает и выдает сигнал на счетный вход триггера 18 реверса. Последний срабатывает и переходит в единичное состояние. Таким образом, блок 10 управления из- 5 меняет свой выходной сигнал на выходе 26. Поэтому во втором такте реверсивный счетчик 7 работает на вычитание.

Когда число в реверсивном счетчике 7 во втором такте станет равным нулю и через

10 время т 1, определяемое элементом 6 задержки (для исключения ложного срабатывания элемента И 17), срабатывает элемент И 17. Элемент И 17 выдает сигнал на второй нулевой вход триггера 18 реверса, который пере15 ходит в единичное состояние и изменяет свой выходной сигнал на выходе 26.

Таким образом, блок 10 управления во втором такте второй раз изменяет направление счета в реверсивном счетчике 7, т.е.

0 реверсивный счетчик 7 изменяет направление счета в реверсивном счетчике 7. В результате после второго такта реверсивный счетчик 7 зафиксирует число импульсов, пропорциональное ЭДС Холла ех.

51)2 KiK2 lex + 11нэ I Kite 1ех + UH3- ex +

ех1 KiK2l UH3 - ех l+ 2KiK2|ex I м 2 + Na NI - + KiK2 IUH3 - е; I - KiK2 IUH3 - ex I + 2KiK2l exl 2KiK2l ex I.

При I exl Шич , - В выходные сигна0 лы датчика Холла 1Н (-ех + инэ) и U2 (-ех инэ).

Во втором такте сигнал на выходе 27 синхронного детектора 4 положительной полярности является разрешающим для

5 элемента И 16. На второй вход элемента И 16 поступает разрешающий потенциал с триггера 20, который в первом такте не изменяет свое состояние. (Сигнал с выхода 27 синхронного детектора 4 является запреща0 ющим для элемента И 14). На третий вход элемента И 16 поступает запрещающий потенциал с триггера 19, который находится в нулевом состоянии, Это обусловлено тем, что в первом такте с выхода 30 преобразо5 вателя 5 напряжение-число импульсов не поступают счетные сигналы.

При поступлении управляющего сигнала во втором такте с дешифратора 13 на четвертый вход элемнта И 16 последний не

0 срабатывает и не изменяет состояние триггера 28. Таким образом, блок 10 управления не изменяет свой выходной сигнал на выходе 26. Поэтому во втором такте реверсивный счетчик 7 работает на сложение. В результате

5 после второго такта реверсивный счетчик зафиксирует число импульсов, пропорцио- . нальное ЭДС Холла е.

Результат измерения после преобразования выходного кода реверсивного счетчика 7 в двоично-десятичном дешифраторе 8 считывается цифровым индикатором 9 Формула изобретения Цифровой измеритель магнитной индукции, содержащий последовательно сое- диненные датчик Холла, переключатель, синхронный детектор, преобразователь нз- прлхение-чмсло импульсов, реверсивный счетчик, двоично-десятичный дешифратор и | ПРОВОЙ индикатор, источник питания, подключенный к переключателю и к управляющему входу синхронного детектора, элемент задержки, подключенный к выходу преобразователя напряжение-число им- п Фьсов, и блок управления, отличающи и с я тем, что, с целью повышения точности /ьмеренкя, блок управления выполнен в виде последовательно соединенных генератора импульсов, счетчика и дешифратора, трех триггеров и четырех элементов И, входы Ьло-са управления с первого по четвертый соответственно соединены с выходом синхронного детектора, с выходом преобразователя напряжение-число импульсов, с выходом реверсивного счетчика, с выходом элемента задержки, выходы блока управления с первого по пятый соответственно со- единены с управляющим входом переключателя, с запускающим входом преобразователя напряжение-число импуль- сов, с нулевым входом реверсивного счетчика, с входом реверса реверсивного счетчика с управляющим входом двоично- десятичного дешифратора, первый выход

дешифратора соединен с первым выходом блока управления, второй выход дешифратора соединен с вторым выходом блока управления, третий выход дешифратора соединен с третьим выходом блока управления, первым нулевым входом первого триггера и нулевыми входами второго и третьего триггеров, четвертый выход дешифратора соединен с пятым выходом блока управления, пятый выход дешифратора соединен с первыми входами первого и второго элемента И шестой выход дешифратора соединен с первыми входами третьего и четвертого элементов И, второй вход первого элемента И соединен с четвертым входом блока управления, третий вход которого соединен с третьим входом первого элемента И, выход которого соединен с вторым нулевым входом первого триггера, выход которого соединен с четвертым выходом блока управления, первый вход которого соединен с вторыми входами второго и третьего элементов И, выход третьего элемента И соединен с единичным входом третьего триггера, выход которого соединен с третьим входом второго элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого триггера, второй вход блока управления соединен с вторым входом четвертого элемента И, выход которого соединен с единичным входом второго триггера, выход которого соединен с четвертым входом второго элемента И.

lmcosut

a Ф

,

№W

rwwwvwww ex l/нзUz--erlJH9 fr э

fpftfl/nll

Фиг.З

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано для прецизионного измерения в широком диапазоне индукции постоянных магнитных полей. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет автоматической коррекции остаточного сигнала датчика Холла - достигается путем введения в блок 10 управления генератора 11 импульсов, счетчика 12, дешифратора 13, схем И 14-17, триггеров 18-20 и образования новых функциональных связей. Кроме того, устройство содержит датчик Холла 1, переключатель 2, синхронный детектор 4, преобразователь 5 напряжение- число импульсов, реверсивный счетчик 7, двоично-десятичный дешифратор 8, цифровой индикатор 9, источник 3 питания, элемент 6 задержки. 3 ил.