Цифровой измеритель магнитной индукции Советский патент 1992 года по МПК G01R33/06 

Ј

сл

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано для прецизионного измерения постоянной магнитной индукции. Устройство содержит датчик Холла 1, стабилизатор 2, индукционную катушку 3, источник питания, преобразователь 5 напряжение - код, группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 8 и 9, реверсивный счетчик 6, триггер 7 реверса, делительный блок 10, регистр 11, инверторы 18 и 19, элементы И , цифровое отсчетное устройство 12, дешифраторы 13 и 28, генератор 20 импульсов, элемент И 21, счетчик 22, элементы ИЛИ 23 и 25, триггер , выключатели 26 и 27. 2 ил.

1

оо ю

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано для прецизионного измерения в широком динамическом диапазоне индукции постоянных магнитных полей.

Цель изобретения - повышение точности измерения индукции постоянных магнитных полей.

На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого цифрового измерителя магнитной индукции; на фиг.2 - временные диаграммы сигналов управления.

Цифровой измеритель магнитной индукции (фиг.1) состоит из датчика Холла 1, стабилизатора 2 тока, индукционной (дополнительной) катуыки 3, источника h питания, преобразователя 5 напряжение - код, реверсивного счетчика 6, триггера 7 реверса, группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 8 и 9, делительного блока 10, регистра 11, цифрового отсчетного устройства 12, двоично-десятичного дешиф - ратора 13, элементов И Й-17 и инверторов 18 и 19, генератора 20 импульсов, элемента И 21, счетчика 22, элемента ИЛИ 23, триггера , элемента ИЛИ 25, выключателей 26 и 27 и дешифратора 28.

Токовые электроды датчика Холла с 1 соединены со стабилизатором 2 тока Потенциальные электроды датчика Холла 1 соединены с сигнальным входом преобразователя 5 напряжение - код.

Обмотка индукционной (дополнительно) катушки 3 соединена с источником питания,

Выход кодовый преобразователя 5 напряжение - код соединен с первым входом группы элемента 2-2-2И-ЗИЛИ 8 Выход счетных импульсов преобразователя 5 напряжение - код соединен со счетным входом реверсивного счетчика 6. Выход полярности преобразователя

5напряжение - код соединен с первым входами элементов И 15 и 16 и входами инверторов 19 и 20.

Вход реверса реверсивного счетчик

6соединен с выходом триггера реверса 7. Первый единичный вход триггера

fреверса 7 соединен с выходом элемента И 16, второй единичный вход триггера реверса 7 соединен с выходом элемента И 15. Первый нулевой вход триггера реверса 7 через элементы И 17 соединен с выходом инвертора 19 Второй нулевой вход триггера реверса 7 через элемент И 16 соединен с

5

выходом инвертора 18. Выход реверсивного счетчика 6 соединен с вторым v входом группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 8, с первым и вторым входами группы

элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 9.

Третий вход группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 8 соединен с первым выходом регистра 11. Выход группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 8 соединен с первым входом делительного блока 10, второй вход которого соединен с выходом группы элементов 2-2-2М-ЗИЛИ 9. Третий вход группы элементов 2-2-2И- ЗИЛИ 9 соединен с выходом делительного блока 10, входом регистра 11 и входом двоично-десятичного дешифратора 13. Выход двоично-десятичного дешифратора 13 соединен с входом цифрового отсчетного устройства 12. Первый выход блока И управления соединен с управляющим входом источника Ц питания. Второй выход блока 1 управления соединен с управляющим

5 входом двоично-десятичного дешифратора 13. Третий выход блока управления соединен с запускающим входом преобразователя 5 напряжение - код. Четвертый выход блока управления соединен с первым управляющим входом группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 8, Пятый выход блока управления соединен с вторым управляющим входом группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 8. Шестой выход блока управления соединен

5 с третьим управляющим входом группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 8. Седьмой выход блока управления соединен с управляющим входом регистра 11. Восьмой выход блока управления соединен

8 с нулевым (установочным) входом регистра, Девятый выход блока управле- ния соединен с нулевым (установочным) входом делительного блока 10. Десятый выход блока управления соединен с

5 входом деления делительного блока 10. Одиннадцатый выход блока управления соединен и с управляющими входами элемента И 16 и 17. Двенадцатый выход блока управления соединен с уп0 равляющими входами элементов И 15 и 18, Тринадцатый выход блока управления соединен со счетным входомстриг- гера 7 реверса. Четырнадцатый выход блока управления соединен с первым

5 Управляющим входом группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 9. Пятнадцатый выход блока управления соединен с вторым управляющим входом группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 9, Шестнадцатый выход -

0

51

блока управления соединен с третьим управляющим входом группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 9. Семнадцатый выход блока управления соединен с нулевым (установочным) входом реверсивного счетчика 6,

Выходы дешифратора 28 с первого по семнадцатый соответственно соединены с выходами блока управления с первого по семнадцатый. Восемнадцатый выход дешифратора 28 соединен с первым входом элемента ИЛИ 23, вто рой вход которого соединен с девятнадцатым выходом дешифратора 28.

Выход генератора 20 импульсов соединен с первым входом элемента И 21. Второй вход элемента И 21 соединен с выходом триггера 2k, Выход элемента И 21 соединен со счетным входом счетчика 22. Нулевой вход счетчика 22 соединен с первым входом элемента ИЛИ 25 и первым входом выключателя 26. Выход счетчика 22 соеди-1- нем с выходом дешифратора 28.

Выход элемента ИЛИ 23 соединен со счетным входом триггера 2k, нулевой вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ 25, Второй вход элемента ИЛИ 25 соединен с первым входом выключателя 27, входы выключателей 26 и 27 соединены с общей точкой (корпусом) прибора.

Работа цифрового измерителя магнитной индукции происходит в несколько тактов коммутации. При нажатии кнопки выключателя 27 устройство устанавливается в исходное состояние. При этом счетчик 22 обнуляется, а триггера 2k выдает разрешающий потенциал на элемент И 21. Через элемент И 21 на вход счетчика 22 начинают поступать сигналы с генератора 20 импульсов, Дешифратор 28 анализирует состояние счетчика 22 и выдает управляющие сигналы на все блоки устройства,

Сигнал, поступающий с выхода блока -управления, устанавливает в нулевое состояние реверсивный счетчик 6. С выхода блока управления выдается сигнал, подготавливающий к работе делительный блок 10, Сигнал, поступающий с выхода блока управления, устанавливает в нулевое состояние регистр 11,

В первом такте датчик Холла 1 находится в зазоре магнитопровода нег которое время, достаточное для того, чтобы во всем объеме измерительного

5

10

323056

зонда с датчиком Холла 1 установи- лась температура исследуемого объекта, т.е. зазоре магнитопровода. В это время на датчик Холла 1 действуют два постоянных магнитных поля: измеряемое с индукцией В и допол- 1нительное поле с индукцией , создаваемое индукционной катушкой 3, намотанной на датчик Холла 1, по которой протекает ток от источника k питания. Выходной сигнал датчика Холла 1, пропорциональный алгебраической сумме магнитных индукций (+В 15 BUM ) поступает на преобразователь 5 напряжение - код. Аналого-цифровое преобразование в преобразователе 5 происходит по сигналам, поступающим на вход преобразователя 5 с выхода

20 блока управления.

С выхода полярности преобразователя 5 напряжение - код на входы элементов И 15 и 16 и входы инверторов 19 и 20 поступает сигнал, соответст25 вующий направлению магнитной индукции, т.е. при положительном направ- лении магнитной индукции сигнал будет положительной полярности, а при другом, отрицательном направлении

,д магнитной индукции, сигнал будет отрицательной полярности. В первом случае при поступлении управляющего сигнала с выхода блока управления срабатывает элемент И 16 и устанавливает триггер реверса 7 в единич35 ное состояние. На вход реверса реверсивного счетчика 6 выдается такой сигнал, что он работает на сложение.

Аналоговый сигнал датчика Холла 1

4 преобразуется в число импульсов, которые поступают с преобразователя на счетный вход реверсивного счетчика 6, считывающего в прямом направлении

45 N KSIh(B+B3/w),

где N - число импульсов;

S - чувствительность к индукции

датчика Холла)

К - коэффициент преобразования преобразователя напряжение код;

I - ток питания датчика Холла; В - измерительная магнитная индукция;Вдм - дополнительная магнитная

индукция.

Во втором такте коммутации на датчик Холла 1 действует только из- меряемое магнитное поле с индукцией

В, поскольку сигнал, поступающий с .выхода блока И управления, отключа- ет источник b питания. При этом че- рез индукционную катушку 3 не протекает ток, который возбуждает дополнительное магнитное поле с индукцией ВаМ« Выходной сигнал датчика Холла 1, пропорциональный магнитной индукции ,В, поступает на преобразователь 5, {откуда в виде последовательности импульсов поступает на реверсивный счетчик 6, считающий в обратном направлении, Направление счета -в реверсивном счетчике 6 во второй такт коммутации изменяется по сигналу, по ступающему с выхода блока 14 управления на счетный вход триггера 7 реверса. В этом случае триггер 7 реверса переходит в нулевое состояние и выдает на вход реверса реверсивного счетчика 6 такой сигнал, при котором он работает на вычитание.

В реверсивном счетчике 6 устанавливается код

N

2 N,-KSInB KSIn()-KSInB

-KSInBgM.

Одновременно в выходном регистре преобразователя 5 устанавливается код N-J, соответствующий магнитной индукции В

N., KSlhB.

При отрицательном направлении магнитной индукции В выходной сигнал с выхода полярности преобразователя 5 напряжение - код будет отрицательной полярности. Этот сигнал инвертируемый инвертором 19 в сигнал положительной полярности, поступает, на элемент И 17. При поступлении управляющего сигнала с выхода блока управления срабатывает элемент И 17 и устанавливает триггер 7 реверса в нулевое состояние. На вход реверса реверсивного счетчика 6 выдается такой сигнал, что он работает на вычитание,

Аналоговый сигнал датчика Холла 1 преобразуется в число импульсов в преобразователе 5, которые поступают на счетный вход реверсивного счетчика 6, считающего в обратном направлении

N

-KSIn(B-BgM),

ц - I.,JM;

в реверсивном счетчике 6 будет

8

находиться дополнительный код, поскольку реверси&ный счетчик 6 начинает считать от нуля.

Во втором такте коммутации на датчик Холла 1 действует только изменяемое магнитное поле с индукцией В. Выходной сигнал датчика Холла 1, пропорциональный магнитной индукции В, поступает на преобразователь 5, откуда в виде последовательности импульсов поступает на реверсивный счетчик 6, считающий в прямом направлении. Направление счета в ревер5 сивном счетчике 6 во второй такт коммутации изменяется по сигналу, поступающему с выхода блока И управления на счетный вход триггера 7 реверса, В этом случае триггер реверса 7

0 переходит в единичное состояние и выдает на вход реверса реверсивного счетчика 6 такой сигнал, при котором он будет работать на сложение.

В реверсивном счетчике 6 устанав5 ливается код

NЈ N +KSInB -KSln(B-B$M)+ +KSInB -KSInB+KSInBeyi+KSInB KSInBgM.

0 Одновременно в выходном регистре преобразователя 5 устанавливается код N, соответствующий магнитной индукции В

N

KSIhB.

На первый вход делительного блока 10 через группу элементов 2-2-2И- ЗИЛИ 8 поступает код N с выходного регистра преобразователя 5 напряжение - код, Разрешение на прохождение кода NJ через группу элементов 2-2- -2И-ЗИЛИ 8 выдает сигнал, поступающий с выхода блока управления. По сигналу, поступающему с выхода блока управления, срабатывает группа элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 9 и код с реверсивного счетчика 6 поступает на второй вход делительного блока 10,

По сигналу, поступающему с выхода блока управления, в блоке 10 производится деление кода М на код N2. Результат деления, равный с

N

N3

N4

5

KSIEB

KSInBg«

к в

К1 т

9м

поступает на регистр 11. Разрешение на поступление кода N4 в регистр 1 выдает сигнал, поступающий с выхода блока управления.

91

Затем по сигналу, поступающему с выхода блока управления, срабатывает группа элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 9 и код Ng с выхода реверсивного сметчика 6 поступает на второй вход делительного блока 10.

Во втором такте коммутации, когда появляется сигнал на выходе дешифратора 28, срабатывает элемент ИЛИ 23 и выдает сигнал на счетный вход триггера 2, триггер 2Ц переходит в единичное состояние и выдает запрещающий потенциал на элемент И 21, В результате на счетный вход счетчика 22 перестают поступать импульсы с генератора 20 импульсов. Затем датчик Холла 1 удаляется из зазора магнитопровода с магнитной проницаемостью помещается в среду с магнитной проницаемостью (воздух),

При этом магнитопрово/1 не оказывает практического влияния на индукцию дополнительного магнитного поля, создаваемого индукционной катушкой 3. Так как за время перемещения датчика Холла из зазора магнитопровода с мап нитной проницаемостью в среду с проницаемостью fU0 температура измерительного зонда, в котором находится датчик Холла 1, практически не изменяется, то чувствительность датчика Холла 1 не изменяется, т.е. остается равна S.

Затем нажимается выключатель 27 и начинается третий такт коммутации. При этом триггер 2k устанавливается в нулевое состояние и разрешает прохождение сигналов с генератора 20 импульсов через элемент И 21 на счетчик 22.

В третьем такте коммутации на датчик Холла 1 действуют два постоянных магнитных поля: внешнее магнитное поле с индукцией Bg и дополнительное магнитное поле с индукцией вчмо создаваемое индукционной катушкой 3.

Выходной сигнал датчика Холла 1 , пропорциональный сумме величин (+ВВ- Bqwo). поступает на преобразователь 5 напряжение - код, Аналого- цифровое преобразование в преобразователе 5 происходит по сигналам, поступающим на вход преобразователя с выхода блока управления.

С выхода полярности преобразователя 5 напряжение - код на входы эле1- ментов И 15 и 16 и входы инверторов

32305Ю

18 и 19 поступает сигнал, соответствующий направлению магнитной индук ции В6, т.е. при положительном направлении внешней магнитной индук- , ции сигнал будет положительной полярности, а при другом, отрицательном направлении магнитной индукции, сигнал будет отрицательной полярнос10 ти. В первом случае при поступлении управляющего сигнала с выхода блока 1 управления срабатывает элемент И 15 и устанавливает триггер 7 реверса в единичное состояние. На вход ре15 реверсивного счетчика 6 выдается такой сигнал, что он работает на сложение.

Аналоговый сигнал датчика Холла 1 преобразуется в число импульсов,

20 которые поступают с преобразователя 5 на счетный вход реверсивного счетчика 6, считающего в прямом направлении

25 N5 KSIn(Be+B9Mo).

В четвертый такт коммутации на датчик Холла 1 действует только внешнее магнитное поле В„, поскольку сигнал, поступающий с выхода блока

in И, отключает, источник питания. При этом через индукционную катушку 3 не протекает ток, который возбуждает дополнительное магнитное поле с индукцией Вдм. Выходной сигнал датчика Холла 1, пропорциональный

3$ магнитной индукции В&, поступает на преобразователь 5, откуда в виде последовательности импульсов поступает на реверсивный счетчик 6, считываю- щий в обратном направлении. Направление счета в реверсивном счетчике 6 в четвертом такте коммутации изменяется по сигналу, поступающему с выхода блока управления на счетный вход триггера 7 реверса. В этом случае триггер 7 реверса переходит в нулевое состояние и выдает на вход реверса реверсивного счетчика 6 такой сигнал, при котором он будет работать

на вычитание. 5О -,г

В реверсивном счетчике о устанавливается код Ng

N6 N5- KsinB6 KSih(B6+B3Mo -KSI Bg, KSInB Mo.

55 При отрицательном направлении .. внешнего поля с магнитной индукцией В 6 выходной сигнал с выхода полярности преобразователя 5 будет отри11

1732305

цателы-юй полярности. Этот сигнал, инвертируемый инвертором 19 в сигнал положительной полярности, поступает на элемент И 17. При поступлении уп- {чтвляющего сигнала с выхода блока управления срабатывает элемент И 17 и устанавливает триггер 7 реверса в нулевое состояние, На вход реверса реверсивного счетчика 6 выдается такой сигнал, что он работает на вы- читачие.

Аналоговый сигнал датчик Холла преобразуется в число импульсов-преобразователем 5, которые поступают на счетный вход реверсивного счетчика 6, считающего в обратном на- правлении

Л

К 5 -К31И(В6 +

JflMo

т.е. в реверсивном счетчике 6 буг.ет находиться дополнительный код, поскольку реверсивный счетчик 6 начинает считать от нуля.

В четвертом такте коммутации на датчик Холла 1 действует только внеш нее магнитно поле с индукцией ,. Выходной сигнал датчика Холла 1, пропорциональный магнитной индукции Вв, поступает на преобразователь 5, откуда в виде последовательности импульсов поступает на реверсивный счетчик 6, считающий в прямом направлении. Направление счета в реверсивном счетчике 6 в четвертый такт коммутации изменяется по сигналу, поступающему с выхода блока управления на счетный вход триггера 7 реверса, В этом случае триггер 7 реверса переходит в единичное состояние и выдает на вход реверса реверсивного счетчика б такой сигнал, при котором он будет работать на сложение, I

В реверсивном счетчике 6 устанавливается код

NP N5 + KSInBe -К81„(Ве-В9Мо) +KSInB6 -KSInBe + KSInB3Mo+ KSInB6

- KSInBgM0.

На первый вход делительного блока 10 через элементы схем 2-2-2И-ЗИЛИ 8 поступает код Ng с реверсивного счетчика 6. Разрешение на прохождение кода Ng через группу элементов 2-2- 2И-ЗИЛИ 8 выдает сигнал, поступающий с выхода блока управления. По сигналу, поступающему с выхода блока управления, в блоке 10 производится

кода Ng

12

на код N э.

Результат деления, равный

0

N - к Ј§In5i Ј к N7 N3 KSInB9M K Вдм

поступает через группу элементов 2-2-2И-ЗИЛИ 9 на второй вход делительного блока 10. Разрешение на прохождение кода М выдает сигнал поступающий с выхода блока управления ,

На первый вход делительного блока 10 поступает код N4 с регистра 11 через группу элементов 2-2-2И- ЗИЛИ 8. Разрешение на прохождение кода N4 выдает сигнал, поступающий с выхода блока управления.

По сигналу, поступающему с выхода блока управления, в блоке 10 производится деление кода N7 на код N4.

Результат деления, равный

25

No К,

N к N, К

BKL

К, Ј,

bЈ)Mo

59 ДА

3

МО

пропорционален измеряемой магнитной индукции и не зависит от материала магнитопровода с магнитной проницаемостью (ы (Кви взаимные направления векторов магнитных индукций

в и v

По сигналу, поступающему с выхода блока управления, результат измере- ния Ng считается цифровым отсчетным устройством 12,

В четвертом такте коммутации, когда появляется сигнал на выходе дешифратора 28, срабатывает элемент ИЛИ 23 и выдает сигнал на счетный вход триггера, Триггер 2k переходит в единичное состояние и выдает запрещающий потенциал на элемент И 21. В результате на вход счетчика 22 перестают поступать счетные импульсы с генератора 20 импульсов.

Формула изобретения

Цифровой измеритель магнитной индукции, содержащий датчик Холла, стабилизатор тока, индукционную катушку, намотанную на датчик Холла, источник питания, преобразователь напряжение код, реверсивный счетчик, делительный блок и последовательно соединенные двоично-десятичный дешифратор и цифровое отсчетное устройство, при этом сигнальный вход преобразователя

13

напряжение - код соединен с выходом датчика Холла, вход которого соединен с выходом стабилизатора тока, вы ход счетных импульсов преобразователя напряжение - код соединен со счетным входом реверсивного счетчика обмотка индукционной катушки соединена с источником питания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены две группы элементов 2-2-2И- ЗИЛИ, регистр, триггер реверса, четыре элемента И, два инвертора и блок управления, состоящий из генератора импульсов, элемент И, счетчика, двух элементов ИЛИ, триггера, дешифратора и двух выключателей, при этом выходы блока управления с первого по семнадцатый соответственно соединены с управляющим входом источника питания, с управляющим входом двоично-десятичного дешифратора, с запускающим входом преобразователя напряжение - код, с первым управляющим входом первой группы элементов 2-2-2И-3-ИЛИ, с вторым управляющим входом первой группы элементов 2-2- 2И-ЗИЛИ, с третьим управляющим входом первой группы элементов 2-2-2И- ЗИЛИ, с нулевым (установочным) входом регистра, с управляющим входом регистра, с нулевым (установочным) входом делительного блока, с входом деления делительного блока, с управляющими входами первого и второго элементов И, с управляющими входами третьего и четвертого элементов И, со счетным входом триггера реверса, с первым управляющим входом второй группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ, с вторым управляющим входом второй группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ, с третьим управляющим входом второй группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ, с нулевым входом реверсивного счетчика, сигнальные входы первого и третьего элементов И, входы инверторов соединены с выходом полярности преобра зователя напряжение - код, выход первого элемента И соединен с пер

323051Д

вым единичным входом триггера реверса, второй единичный вход которого соединен с выходом третьего И, второй элемент И включен между выходом первого инвертора и первым ну левым входом триггера реверса, второй нулевой вход которого через четвертый элемент И соединен с выходом второго инвертора, выход регистра соединен с. первым информа- ционным входом первой ГОУППЫ элементов 2-2-2И-ЗИЛИ, вт-орой информационный вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, первым и

5

10

15

вторым информационными входами вто

рой группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ, третий информационный вход которого соединен с информационным входом

регистра, с информационным входом двоично-десятичного дешифратора и выходом делительного блока, первый вход которого соединен с выходом второй группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ, второй вход делительного блока соединен с выходом первой группы элементов 2-2-2И-ЗИЛИ, третий информационный вход которого соединен с выходом, преобразовчтеля напряжение - код, выход триггера реверса соединен с входом реверса реверсивного счетчика, первые входы переключателей соединены с общей точкой, второй вход первого переключателя соединен с первым входом первого элемента ИЛИ,

второй вход которого соединен с вторым входом второго переключателя и нулевым входом счетчика, выход первого элемента ИЛИ соединен с нулевым входом триггера, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, входы которого соответственно соединены с выходами дешифратора, вход дешифратора соединен с выходом счетчика, счетный вход

которого соединен с выходом пятого элемента И, первый вход которого соединен с генератором импульсов, второй вход пятого элемента И соединен с выходом триггера.