Цифровой измеритель магнитной индукции Советский патент 1992 года по МПК G01R33/00 

сл

с

Изобретение относится к технике магнитных измерений и может быть использовано для прецизионных измерений вшироком диапазоне постоянных магнитных полей. Целью изобретения является повышение точности измерения. Устройство содержит датчик 1 Холла, переключатель 2. источник 3 питания, синхронный детектор.4, преобразователь 5 направление - число импульсов, блок 6 управления линеаризацией, логический блок 7 добавления и вычитания импульсов, накопительный счетчик 8, генератор 9 импульсов, счетчик 10, дешифратор 11, блок 12 управления операцией, состоящий из элементов И 13-15 и триггеров 16 и 17, усилитель-ограничитель 18, реверсивный счетчик 19, двоично-десятичный дешифратор 20 и цифровой индикатор 21.3 ил.

VJ о ю го сл

44

Изобретение относится к технике магнитных измерений, и может быть использовано для прецизионного измерения в широком диапазоне постоянных магнитных полей.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На фиг.1 приведена блок-схема цифрового измерителя магнитной индукции; на фиг.2 - временные диаграммы переменного выходного сигнала датчика Холла после переключателя и после его преобразования в постоянный сигнал синхронным детектором; на фиг.З - характеристика датчика Холла и характеристика функции коррекции датчика Холла.

Цифровой измеритель магнитной индукции состоит из датчика Холла 1, токовые и потенциальные электроды которого соединены с входами переключателя 2, подключенного к выходам источника 3 питания, синхронного детектора 4, преобразователя 5 напряжение - число импульсов, блока 6 управления линеаризацией, логического блока 7 добавления и вычитания импульсов, накопительного счетчика 8, генератора 9 импульсов, счетчика 10, дешифратора 11 и блока 12 управления операцией, включающей в себя элементы И 13-15 и триггеры 16 и 17, усилителя-ограничителя 18, реверсивного счетчика 19, двоично-десятичного дешифратора 20 и цифров-Ого индикатора 21. Выход синхронного детектора 4 соединен с входом преобразователя 5 напряжение - Число импульсов и первым входом усилителя-ограничителя 18, управляющий вход - с управляющим выходом источника 3 питания, а сигнальный вход - с выходом переключателя 2.

Выход счетных импульсов преобразователя 5 напряжение - число импульсов соединен с входами счетных импульсов блока 6 управления линеаризацией и логического блока 7 добавления и вычитания импульсов. Управляющий вход блока 6 управления линеаризацией соединен с выходом накопительного счетчика 8. Выход добавления импульсов блока 6 управления линеаризацией соединен с входом добавления импульсов логического блока 7 добавления и вычитания импульсов. Выход вычитания импульсов блока 6 управления линеаризацией соединен с входом вычитания импульсов логического блока 7 добавления и вычитания импульсов. Выход логического блока 7 добавления и вычитания импульсов соединен со счетными входами накопительного счетчика 8 и реверсивного счетчика 19. Выход реверсивного счетчика 19 соединен с сигнальным входом двоично-десятичного дешифратора 20, выход которого подключен к цифровому индикатору 21.

Первый выход дешифратора 11 соединен с управляющим входом переключателя

0 счетчика 8. Третий выход дешифратора 11 соединен с установочным входом реверсивного счетчика 19. Четвертый выход дешифратора 11 соединен с управляющим входом двоично-десятичного дешифратора 20. Выход триггера 17 соединен с входом реверса реверсивного счетчика 19.

Первый вход злемента И 15 соединен с выходом реверсивного счетчика 19. Вход усилителя-ограничителя 18 соединен с выходом синхронного детектора 4. Генератор 9 импульсов .арез счетчик 10 соединен с входом дешифратора 11. Третий выход дешифратора 11 соединен с первым входом триггера 17 и нулевым входом триггера 16.

5 Пятый выход дешифратора 11 соединен с первым входом элемента И 14 и первым входом элемента И 15. Шестой выход дешифратора 11 соединен с первым входом элемента И 13.

0Выход элемента И 13 соединен с единичным входом триггера 16. выход которого соединен с вторым входом элемента И 14. Выход элемента И 14 соединен со счетным входом триггера 17. Третий вход элемента И

5 14 через усилитель-ограничитель 18 соединен с выходом синхронного детектора 4.

Выход элемента И 15 соединен с вторым входом триггера 17. Второй вход элемента И 15 соединен с выходом

0 реверсивного счетчика 19.

К неизменяющимся управляющим сигналам относятся:

а) сигнал, поступающий на управляющий вход переключателя 2. По этоМу сигналу в первый такт измерения первая пара противоположных электродов датчика Холла 1 нерез переключатель 2 подключается к синхронному детектору 4, вторая пара противоположных электродов датчика Холла 1

0 4epje3 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

5 противоположных электродов датчика Холла 1 - к синхронному детектору 4. При таком подключении Ui ±ех + UHS; Ua ±ех - UHS. где Ui - напряжение, поступающее с датчика Холла; ех - ЭДС датчика Холла; UHS напряжение неэквипотенциальности;

б)сигнал, поступающий на запускающий вход преобразователя 5 напряжение число импульсов, нулевой вход накопительного счетчика 8 и установочный вход блока 6 управления линеаризацией. По этому сигналу Начинается преобразование аналогоВ.ОГО входного сигнала в пропорциональное число импульсов. Кроме того, в нулевое состояние устанавливается накопительный счетчик 8 и в исходное состояние устанавливается блок 6 управления линеаризацией;

в)сигнал, поступающий на нулевой вход реверсивного счетчика 19;

г)сигнал, поступающий на управляющий вход двоично-десятичного дешифратора 20. По этому сигналу производится считывание результата измерения цифровым индикатором 21 после второго такта измерения;

д)для выделения сигналов первого и второго тактов, необходимых для работы блока 12 управления операцией, дешифратор 11 формирует на своих выходах соответствующие управляющие сигналы.

К изменяющимся управляющим сигналам относится сигнал, поступающий на вход реверса реверсивного счетчика 19 во втором такте измерения и формируемый блоком 12 управления операцией 1 по сигналам, поступающим на его входы.

В первом такте реверсивный счетчик 19 всегда работает на сложение. Направление счета, в реверсивном счетчике 19 во втором такте зависит от следующих условий работы..

При I ех Шнэ и + В или - В на вход реверса реверсивного счетчика 19 поступает управляющий сигнал, который не изменяет направления счета в реверсивном счетчике 19 во втором такте, т.е. реверсивный счетчик 19 в обоих тактах работает на сложение.

При I е I I УНЗ I и + В на вход реверса реверсивного счетчика 19 поступает управляющий сигнал, который изменяет направление счета в реверсивном счетчике 19 во втором такте, т.е. реверсивный счетчик 19 в первом такте работает на сложение, а во втором - на вычитание.

При I ех 1 I UHS I и - В на вход реверса реверсивного счетчика 19 поступает управляющий сигнал, который дважды изменяет направление счета в реверсивном счетчике 19, т.е. реверсивный счетчик 19 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 код в реверсивном счетчике 19 становится равным нулю.

Условия I ех1 1 Уиз и I ех 1инэ1 определяют блоком 12 управления операцией по сигналу на выходе синхронного детектора 4 в обоих тактах измерения. 5При |ех1 I Унз полярность выходного

сигнала синхронного детектора 4 в обоих тактах измерения одинакова (-, -) при + В и (+, +) при - В. При одинаковых полярностях выходного сигнала синхронного детектора 4 в обоих тактах блок 12 управления операцией во втором такте не вырабатывает управляющий сигнал, изменяющий направление счета в реверсивном счетчике 19.

15 При I ех1 Юнэ полярность выходных сигналов синхронного детектора 4 независимо от направления магнитной индукции + В или - В в обоих тактах будет (-,. При изменении полярности выходного сигнала синхронного детектора 4 с - в первом такте на + во втором такте блок 12 управления операцией изменяет направление счета в реверсивном счетчике 19 во втором такте измерения.

5 При условии I 1x1 1инэ1 и - В блок 12 управления операцией дважды изменяет направление счета в реверсивном счетчике 19 во втором такте измерения. Сначала блок 12 управления операцией по полярности

0 выходных сигналов синхронного детектора 4 в обоих тактах измерения изменяет направление счета в реверсивном счетчике 19. Во втором такте он работает на вычитание. Когда число в реверсивном счетчике 19 становится равным нулю, блок 12 управления операцией при срабатывании элемента И 15 снова изменяет направление счета в реверсивном счетчике 19. Он работает на сложение.

0 Работа устрюйства происходит в два такта измерения.

В первом такте происходит измерение выходного сигнала датчика Холла 1 с первой пары противоположных электродов, а во

5 втором такте измерения - с второй пары противоположных электродов датчика Холла 1.

Сигналом начальной установки, поступающим с третьего выхода дешифратора 11,

0 в нулевое состояние устанавливается реверсивный счетчик 19 и триггеры 16 и 17. Сигналом, поступающим с второго выхода дешифратора 11, в нулевое состояние устанавливается накопительный счетчик 8, в исходное состояние устанавливается блок б управления линеаризацией. С выхода триггера 17 на шину реверса реверсивного счетчика 19 поступает такой управляющий сигнал, по которому реверсивный счетчик

19 работает на сложение. По сигналу, поступающему на запускающий вход преобразователя 5с второго выхода дешифратора 11, начинается преобразование входного сигнала в пропорциональное число импульсов.

В первом такте измерения выходной сигнал датчика Холла Ui 1 ± ex - Dual. Такое значение выходного сигнала датчика Холла 1 обусловлено тем, что управляющий сигнал на первом выходе дешифратора 11 всегда в первом такте подключает первую пару противоположных электродов датчика Холла 1 к входу синхронного детектора 4, а через вторую пару противоположных электродов датчика Холла 1 протекает ток от источника 3 питания.

Выходной сигнал датчика Холла 1 U2 1 ± ех - UHS I через переключатель 2 и синхронный детектор 4 поступает на преобразователь 5 напряжение - число импульсов. Результат преобразования в виде импульсов через логический блок 7 добавления и вычитания импульсов поступает на реверсивный счетчмк 19, считающий в прямом направлении. Ni KiK2 lex ± Унз , где Ki коэффициент преобразования синхронного детектора 4; К2 - коэффициент преобразования преобразователя 5 напряжение - число импульсов.

В конце первого такта измерения дешифратор 11 коммутирует переключатель 2. Во втором такте измерения выходной сигнал датчика Холла 1 02 I ±ех + Унз. Это напряжение поступает через синхронный детектор 4 на преобразователь 5 напряжение - число импульсов. С преобразователя 5 напряжение U2, преобразованное в число импульсов, через блок добавления и вычитания импульсов 7 поступает на реверсивный счетчик 19, считающий в прямом направлении. N2 KlK2 I вх ±инэ .

В реверсивном счетчике 19 в зависимости от соотношения I ех1 и UHS происходит суммирование или вычитание результатов кодирования двух тактов. Информация о виде операции во втором такте выделяется с помощью синхронного детектора 4. Блок 12 управления операцией в зависимости от состояния синхронного детектора 4 в обоих тактах измерения выдает определенный командный сигнал на реверсивный счетчик 12. Когда lex 1 1инэ1, происходит суммирование результатов кодирования, а при I ех I I Унз - их вычитание.

Пусть условия следующие: + В. Ui -ex - UHS, U2 -ex + UHS, I ex I l UHS .

В первом такте выходной сигнал синхронного детектора 4 (фиг.2в) отрицательный, он является запрещающим для

лементов И 13 и 14. При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора 11 на элемент И 13 он не срабатывает, поскольку на его второй вход поступает запрещающий потенциал с выхода синхронного етектора 4. Таким образом, состояние триггера 16 не изменяется и он выдает разрешающий потенциал на элемент И 14. При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора 11 во втором такте измерения элемент И 14 не срабатывает, поскольку на него с выхода синхронного детектора 4 поступает запрещающий потенциал. Поэтому во втором такте измерения состояние

триггера 17 не изменяется и реверсивный счетчик 19 во втором такте работает на сложение.

В результате в реверсивном счетчике 19 после второго такта находится суммарный

результат, пропорциональный ЭДС Холла:

N. Ni + N2 KiK2 I ex + UHS I + + KiK2 lex-инэ I 2KiK2ex.

Пусть условия следующие: + В, Ui -ех - инэ, U2 -ex + инэ, 1ех1 1инэ1 .

В первом такте .выходной сигнал синхронного детектора 4 (фиг.2д) отрицательный, он является запрещающим для

элементов И 13 и 14. При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора 11 на элемент И 13 он не срабатывает, поскольку на его второй вход поступает запрещающий потенциал с выхода синхронного

детектора 4. Таким образом, состояние триггера 16 не изменяется и он выдает разрешающий потенциал на элемент И 14. При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора 11 во втором такте измере

ния элемент И 14 срабатывает, поскольку во втором Такте измерения на него поступает разрешающий потенциал с выхода синхрон ного детектора 4. Выходной сигнал элемента И 14 поступает на счетный вход триггера

17 и изменяет его состояние. Поэтому во втором такте измерения реверсивный счетчик 19 работает на вычитание.

В результате в реверсивном счетчике 19 после второго такта находится суммарный

результат, пропорциональный ЭДС Холла:

N Ni-r4j2 -KiK2 lexl + iUHsi-KiK2 I Una-ex l 2KiK2lx.

Пусть условия следующие: - В. Ui -t-ex - UHS, U2 +ex + UHS, lex I I UHS i .

В первом такте выходной сигнал син: ронного детектора 4 (фиг.2ж) положительный, он является разрешающим для

элементов И 13 и 14. При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора 11 на элемент И 13 он срабатывает и выдает сигнал на единичный вход триггера 16. Триггер 16 приходит в единичное состояние и выдает запрещающий потенциал на элемент И 14. При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора 11 во втором такте измерения элемент И 14 срабатывает, поскольку на него поступает запрещающий потенциал с триггера 16. Поэтому во втором такте измерения состояние триггера 17 не изменяется и реверсивный счетчик 19 во втором такте работает на сложение.

В результате в реверсивном счетчике 19 после второго такта находится суммарный результат, пропорциональный ЭДС Холла:

+ N2 KiK2 1ех-инэ1 + + KiK2 1ех + инэ .K2ex.

Пусть условия следующие: - В, Ui ех - Унз, U2 ех + UHS, I ех I I инэ I .

В первом такте выходной сигнал синхронного детектора 4 {фиг.2к) отрицатель-, ный, он является запрещающим для элементов И 13 и 14. При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора 11 на элемент И 13 он не срабатывает, поскольку на его второй вход поступает запрещающий потенциал с выхода синхронного детектора 4. Таким образом, состояние триггера 16 не изменяется и он выдает разрешающий потенциал на элемент И 14. При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора во втором такте измерения элемент И 14 срабатывает, поскольку во втором такте измерения на него поступает разрешающий потенциал с выхода синхронного детектора 4. Выходной сигнал элемента И 14 поступает на счетный вход триггера 17 и изменяет его состояние. Поэтому во втором такте измерения реверсивный счетчик 19 сначала работает на вычитание. Когда число в реверсивном счетчике 19 становится равным нулю, срабатывает элемент И 15, на вход которого поступает код реверсивного счетчика 19. Выходной сигнал элемента И 15 во втором гакте измерения поступает на нулевой вход триггера 17 и переводит его в нулевое состояние. Поэтому реверсивный счетчик 19 начинает работать на сложение.

В результате после второго такта в реверсивном счетчике 19 находится суммарный результат, пропорциональный ЭДС Холла:

N2 KlK2 IUH3 + Шнэ-ех +2lxi KiK2 UH3-exl+2KiK2ex:

N Ni-KiK2 1инэ-ех + +2KiK2,ex 2KiK2ex.

Блок линеаризации осуществляет коррекцию нелинейности характеристики датчика Холла. Пусть функция коррекции датчика Холла 1 (фиг.36) имеет три участка линеаризации, которые обеспечивают заданную точность измерения. Границы участка линеаризации Ni, N2, Ммакс (Ni, N2, NMSKC - количества импульсов, пропорциональные измеряемой магнитной индукции). Для Сданной функции коррекции датчика Холла 1 (фиг.Зб) на первом участке линеаризации производится добавление импульсов в числоимпульсный код преобразователя 5. На третьем участке линеаризации производится вычитание импульсов из числоимпульсного кода преобразователя 5. На

0 первом участке линеаризации (О Ni Ni), где NI - текущее значение кода преобразователя 5) производится добавление импульсов в числоимпульсный код преобразователя 5 напряжение - число импульсов,

5 при этом к каждой группе из последовательных импульсов добавляется один импульс. На втором участке линеаризации (Ni Ni N2) выходной числоимпульсный код преобразователя 5 напряжение - число импульсов не изменяется. На третьем участке линеаризации (N2 Ni NMSKC). где производится вычитание импульсов из числоимпульсного кода преобразователя 5 напряжение - число импульсов, в каждой

5 группе из I последовательных импульсов вычитается один импульс.

Скорректированные результаты измерения первого и второго тактов с выхода логического блока 7 добавления и вычитания импульсов поступают на реверсивный счетчик 19. Результат измерения считывается цифровым индикатором 21.

Формулаизобретения 5 Цифровой измеритель магнитной индукции, содержащий последовательно соединенные датчик Холла, переключатель, синхронный детектор, преобразователь напряжение - число импульсов, блок управления линеаризацией, логический блок добавления и вычитания импульсов, реверсивный счетчик, двоично-десятичный дешифратор и цифровой индикатор, а также источник питания, в котором вторые входы 5 переключателя соединены с первыми выходами источника питания, второй выход которого подключен к управляющему входу синхронного детектора, выход преобразователя напряжение - число импульсов соединен со счетным входом блока добавления и вычитания импульсов, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены накопительный счетчик, усилитель-ограничитель, последовательно соединенные геHepa top импульсов, счетчик, дешифратор и блок управления операцией, включающий триггер реверса, триггер и три элемента И, первый выход дешифратора соединен с управляющим входом переключателя, второй выход - с запускающим входом преобразователя напряжение - число импульсов,, третий выход - с нулевым входом реверсивного счетчика, четвертый выход-с управляющим входом двоично-десятичного дешифратора, выход триггера реверса- с входом реверса реверсивного счетчика, вход усилителя-ограничителя соединен с выходом синхронного детектора, первый вход первого элемента И - с выходом реверсивного счетчика, пятый выход дешифратора соединен с первым входом второго элемента, И и вторым входом

HCOSlJ t

%VVVVV VV AA7Vb

F

-иу чгхщ/s

ииз

© и

UZ IX-UHS з

I ®

J U2

Фиг. 2 первого элемента И, шестой выход дешифратора соединен с первым входом третьего элемента И, второй вход которого подключен к выходу усилителя-ограничителя и второму входу второго элемента И, выход которого соединен со счетными входами триггера реверса, нулевые входы которого соединены соответственно с третьим выходом дешифратора, вторым входом триггера и выходом первого элемента И, первый вход триггера соединен с выходом третьего элемента И, нулевой вход накопительного счетчика и установочный вход блока управления линеаризацией соединены с запускающим входом преобразователя напряжение - число импульсов, выход накопительного счетчика соединен с управляющим входом блока управления линеаризацией, а второй вход накопительного счетчика подключен к выходу логического блока добавления и вычитания импульсов и к входу реверсивного счетчика.

/HfШ2