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

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

Целью изобретения является расширение области использования за счет обеспечения определения направления магнитной индукции и повышения точности.

На фиг. 1 приведена схема цифрового измерителя магнитной индукции; на фиг. 2 приведены временные диаграммы работы блока управления цифрового измерителя магнитной индукции.

Цифровой измеритель магнитной индукции (фиг. 1) состоит из датчика Холла 1, стабилизатора 2 тока, коммутатора 3. выполненного в виде первого и второго управляемых выключателей, трансформатора 4, трансформатора 5 с дополнительной первичной обмоткой, переменного резистора б, синхронного детектора 7, преобразователя 8 код-код, блока 9 деления, элемента ИЛИ 10, реверсивного счетчика 11, дешифратора

12. цифрового индикатора 13, блока 14 констант, усилителя-ограничителя 15, схемы И 16, триггера 17, схемы И 18, триггера 19, блока 20 управления, многовходовой схемы И 21, триггера 22, схемы И 23, триггера 24 и индикатора 25 полярности.

Токовые электроды датчика Холла 1 соединены со стабилизатором 2 тока. Первичная обмотка трансформатора 4 через параллельно замкнутые контакты С, D второго управляемого выключателя коммутатора 3 соединена с токовыми электродами датчика Холла 1. Первая первичная обмотка трансформатора 5 через параллельно разомкнутые контакты А, Б первого управляемого выключателя коммутатора 3 соединена с потенциальными (Холловскими) электродами датчика Холла 1. Управляющий вход коммутатора 3 соединен с первым выходом блока 20 управления. Вторичная обмотка трансформатора 4 соединена с переменным резистором 6, средняя точка которого соединена с второй первичной обмоткой транс- форматора 5. Вторичная обмотка

VJ Os О

Јь

00

трансформатора 5 соединена с сигнальным входом синхронного детектора 7, управляющий вход которого соединен с управляющим выходом стабилизатора 2 тока. Выход синхронного детектора 7 соединен с сигнальным входом преобразователя 8 код- код и входом усилителя-ограничителя 15. Запускающий вход преобразователя код- код соединен с вторым выходом блока 20 управления. Кодовый выход (параллельный код) преобразователя код-код соединен с первым входом блока 9 деления. Импульс- ный выход (выход счетных импульсов) преобразователя 8 код-код соединен с первым входом элемента ИЛИ 10. Выход полярности преобразователя код-код соединен с первым входом схемы И 23. Нулевой вход блока 9 деления соединен с третьим выходом блока 20 управления. Вход деления блока 9 деления соединен с четвертым выходом блока 20 управления. Выход (счетные импульсы) блока 9 деления соединен с вторым входом элемента ИЛИ 10. Вход записи блока 9 деления соединен с пятым выходом блока 20 управления. Выход элемента ИЛИ

10соединен со счетным входом реверсивного счетчика 11. Нулевой вход реверсивного счетчика 11 соединен с шестым выходом блока 20 управления. Вход реверса реверсивного счетчика 11 соединен с выходом триггера 19. Выход реверсивного счетчика

11(параллельный код) соединен с сигнальным входом дешифратора 12 и вторым входом многовходовой схамы И 21. Управляющий вход дешифратора 12 соединен е седьмым выходом блоха 20 управле- ния. Выход (параллельный код) дешифратора 12 соединен с цифровым индикатором 13. Управляющий вход блока 14 констант соединен с восьмым выходом блока 20 управления, девятый выход которого соединен с первым входом схемы И 16. Выход усилителя-ограничителя 15 соединен с вторым входом схемы И 16. выход которой соединен с единичным входом триггера 17. Выход триггера 17 соединен с первым входом схемы И 18. Нулевой вход триггера 17 соединен с десятым выходом блока 20 управления. Второй вход схемы И18 соединен с одиннадцатым выходом блока 20 управления. Третий вход схемы И 18 соединен с первым входом схемы И 23 и первым выходом триггера 22. Выход схемы И 18 соединен с единичным входом триггера 19, нулевой вход которого соединен с двенадцатым выходом блока 20 управления. Второй нулевой вход триггера 19 соединен с вторым нулевым входом триггера 24 и вторым выходом триггера 22. Выход многовходовой схемы И 21 соединен с единичным

входом триггера 22. Выход схемы И 23 соединен с единичным входом триггера 24. Выход триггера 24 соединен с входом индикатора 25 полярности.

Работает цифровой измеритель магнитной индукции следующим образом.

Сигнал, поступающий с выхода блока 20 управления, устанавливает в нулевое состояние реверсивный счетчик 11. Сигнал, по0 ступающий с выхода блока 20 управления, в исходное состояние устанавливает блок 9 деления. Сигнал, поступающий с выхода блока 20 управления, в нулевое состояние устанавливает триггер 22, который выдает

5 разрешающий потенциал на схему И 23. Сигнал, поступающий с выхода блока 20 управления, устанавливает в нулевое состояние триггер 24. Сигнал, поступающий с выхода блока 20 управления, устанавливает

0 в нулевое состояние триггер 17, который выдает запрещающий потенциал на схему И 18. Сигнал, поступающий с выхода блока 20 управления, в нулевое состояние устанавливает триггер 19, который на шину реверса

5 реверсивного счетчика 11 выдает сигнал сложения. Сигнал, поступающий с выхода блока 20 управления, включает коммутатор 3. При этом к потенциальным электродам датчика Холла 1 через замкнувшиеся кон0 такты А, Б первого управляемого выключателя коммутатора 3 подключается вторая первичная обмотка трансформатора 5.

8 первый такт измерения через коммутатор 3 выходной сигнал датчика Холла 1

5 поступает через трансформатор 5 на синхронный детектор 7. Выходной сигнал синхронного детектора 7 кодируется преобразователем 8 код-код, который имеет три выхода: импульсный, кодовый и по0 лярности. Счетные импульсы с импульсного выхода преобразователя 8, пропорциональные сигналу с потенциальных электродов датчика.Холла 1, поступают через элемент ИЛИ 10 на реверсивный счетчик 11, считаю5 щий в прямом направлении. В реверсивном счетчике 11 после первого такте будет код N 1, N 1 , например, при отрицательном направлении магнитной индукции - В относительно расположения датчика Холла и код

0 NV , NI при положительном направлении магнитной индукции + В.

NJ М81лВ + МиНэпри1х инэ-В; N i kiSlnB + kiUH3npMU UH3-B; NT kiSft,B - kiUra при lx UH3 + B;

5 NT kiUH3-kiSlnbnpHlx UH9+B, где S - чувствительность к индукции датчика Холла;

In - ток питания датчика Холла; ki - коэффициент преобразования датчика Холла;

UHS- напряжение неэквипотенциально- сти.

Во второй такт измерения сигнал, поступающий с выхода блока 20 управления, отключает коммутатор 3. В этом случае кон- такты А и Б первого управляющего выключателя коммутатора 3 размыкаются, а контакты С и D второго управляющего выключателя коммутатора 3 замыкаются. При этом на вход синхронного детектора 7 с трансформатора 5 поступает часть сигнала с токовых электродов датчика Холла 1. С токовых электродов датчик Холла 1 сигнал поступает на первую первичную обмотку трансформатора 5 через последовательное соединение трансформатора 4 и резистора 6 со средней точкой.

Сигнал синхронного детектора 7 преобразует в код преобразователя 8 код-код

№ Ш1 НлГд,

где Гд - сопротивление датчика Холла;

Ui - напряжение на токовых электродах датчика Холла:

k - коэффициент преобразования последовательного соединения трансформа- тора 4. резистора б со средней точкой и трансформатора 5.

Затем по сигналу, поступающему с выхода блока 20 управления, на первый вход блока 9 деления поступает код NS с блока 14 констант. Код N3, хранящийся в блоке 14 констант, численно равен коэффициенту компенсации

. U1 1пГд lnrg(t)

и„э и„э TRty На второй вход блока 9 -деления поступает код N2 по сигналу с выхода блока 20 управления. После деления кода N2 на код Мз в блоке 9 деления по сигналу, поступаю- щему с выхода блока 20 управления, устанавливается код N4:

мл -№ -Jilkla

N4 - тпг-т-3- - минэ.

N3 пГд

Унэ

Результат деления N4 с импульсного выхода блока 9 деления в виде последовательности через элемент ИЛИ 10 поступает на реверсивный счетчик 11. Работа реверсивного счетчика 11 во второй такт измерения зависит от направления магнитной индукции В относительно расположения датчика Холла 1. При отрицательном направлении магнитной индукции - В реверсивный счетчик 11 работает на вычитание, при положи- тельном направлении магнитной индукции реверсивный счетчик 11 работает на сложение. Направление магнитной индукции В определяется в первый такт измерения.

5 10 15

0

5

0

5

0

5

0 5

При отрицательном направлении магнитной индукции - В сигнал усилителя-ограничителя 15, подключенного к синхронному детектору 7, является разрешающим (логическая 1) для схемы И 16. При поступлении управляющего сигнала с выхода блока 20 управления схема И 16 срабатывает и выдает сигнал на единичный триггер 17, который переходит в единичное состояние и выдает разрешающий потенциал на схему И 18. Во втором такте измерения при поступлении управляющего сигнала с выхода блока 20 управления срабатывает схема И 18 и выдает управляющий сигнал на единичный вход триггера 19. который переходит в единичное состояние. При таком состоянии триггера 19 реверсивный счетчик работает на вычитание.

При положительном направлении магнитной индукции + В состояние триггеров 17, 19 не изменяется, поэтому во втором такте измерения режим работы реверсивного счетчика 11 не изменяется, т. е. во втором такте реверсивный счетчик 11 работает на сложение.

Таким образом, в реверсивном счетчике 11 установится код N5 . NS при - В и код N5 , NS при положительном направлении магнитной индукции + В:

NЈ N1 -N4 (KiSlnB+ KiUH3)-KiUH3 KiSlnB; ex Унэ - B;

NЈ N1 - N4 (KiSlnB + КШнэ) - KiUH3 KiSlnB; ex UH3 - B;

N«r Nf + N4 (KiSlnB-KiUH3)+KiUH3 KiSlnB; ex UH3 + В;

NЈ N1 - N4 (KiUH3-KiSlnB)-KiUH3 KiSlnB; ex UH3 + В.

При этом необходимо отметить, что работа схемы при + Унэ, когда в реверсивном Счетчике 11 находится код Ms , имеет свои особенности. При выполнении вычитания реверсивный счетчик 11 на вычитание работает до тех пор, пока в нем не установится код, равный нулю, В этот момент срабатывает многовходовая схема И 21, выходной сигнал которой устанавливает в единичное состояние триггер 22. Выходной сигнал триггера 22 поступает на второй нулевой вход триггера 19, который запрещает прохождение сигнала синхронного детектора 7 через схему И 18. Триггер 19 устанавливается в нулевое состояние и выдает на шину реверса реверсивного счетчика 11 сигнал вычитания.

М МГ-М4 KiUH3- KiSlnB - Kills / KiJH3 - KiSlnB/ - / KiUH3 - KiSlnB + KiSlnB/

/KiUH3 - KiSlnB/ -/KiuH3 - KiUHS/-/kiSinB KiSlnB/ 0 + /-KiSlnB/ 0+/KiSlnB/ KiSlnB.

Следовательно, временная и температурная нестабильность параметров датчика Холла не приводит к появлению аддитивной погрешности, поскольку напряжение неэк- випотенциальности не влияет на ЭДС Холла, так как вторая и третья составляющие последнего уравнения изменяются на одну и ту же величину и взаимно компенсируются. Ns (t) - N1 (t) - N4(1) / kiSlnS + KiUH3(t) - / KiUH3(t)/ kiSlnB при ex инэ - B;

N5 (t) N3 (t) - N4(t) / KiSlnB + KilMt)

-KiUHa(t)/ KiSlnB при ex Унэ. - B;

N5 (t)-Nf (t)-N4(t) KiSlnB-KiUH3(t) + KiUH3(t) KiSlnB при ex UHS. + B;

N5 (t) Nir (t)-N4(t) /KiUH3(t)-KiSI)TB/-1

-KiUH3(t)| KiSlnB при ex Унэ. + B. Направление магнитной индукции однозначно зависит от полярности выходного сигнала датчика Холла для таких случаев: 1) - В.ех инэ; 2) - В,ех инэ; 3) + В.ех инэ. При + В иех инэ направление магнитной индукции не соответствует полярности выходного сигнала датчика Холла.

Направление магнитной индукции В относительно датчика Холла определяется следующим образом.

1.- В,Јх инэ. В первый такт измерения сигнал, поступающий на выход полярности преобразователя 8 код-код соответствует отрицательному направлению магнитной индукции и проходит через схему И 23 на единичный вход триггера 24 Тоиггер 24 устанавливается в единичное состояние, соответствующее отрицательному направлению магнитной индукции - В. Нэпоавление магнитной индукции считается с триггером 24 индикатором 25 полярности.

2.+ В. В первый такт измерения сигнал, поступающий с выхода полярности преобразователя 8 код-код, является запрещающим для схемы И 23, поэтому он не изменяет состояние триггера 24, т. е. триггер 24 остается в нулевом состоянии, что соответствует положительному направлению магнитной индукции + В

3.- В.ех инэ В первый такт измерения сигнал с выхода полярности преобразователя 8 код-код является разрешающим для схемы И 23, поэтому он проходит через схему И 23 и изменяет состояние триггера 24, что соответствует отрицательному направлению магнитной индукции- В.

4.+ В, В первый такт измерения сигнал, поступающий с выхода полярности преобразователя 8 код-код, является разрешающим для схемы И 23, поэтому он проходит через схему И 23 и поменяет состояние триггера 24. Затем при коде, равном нулю в реверсивном счетчике 11. работающем на вычитание, срабатывает многовходовая схема И 21. Выходной сигнал многовходовой схемы И 21 устанавливает в единичное состояний триггер 22. Разрешающий потенциал триггера 2 устанавливает в нулевое состояние триггер 24, что соответствует по- ложительному направлению магнитной индукции + В. При этом триггер 22 запрещает прохождение сигнала через схему И 23 на единичный вход триггера 24.

10

Формула изобретения

Цифровой измеритель магнитной индукции, содержащий стабилизатор тока, датчик Холла, первый и второй токовые

электроды которого соединены с выходом стабилизатора тока, коммутатор, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым токовым и потенциальным выходами датчика Холла,

преобразователь код - код и блок деления, соединенные последовательно, реверсивный счетчик, цифровой индикатор, блок констант, выход которого соединен с входом блока деления, блок управления, с первого

по пятый выходы которого соединены с управляющими входами соответственно коммутатора, преобразователя код - код, блока деления, блока констант и реверсивного счетчика, отличающийся тем, что, с

целью расширения области использования за счет обеспечения определения направления магнитной индукции и повышения точности, коммутатор выполнен в виде первого и второго управляемых включателей, причем первый - четвертый входы его соединены соответственно с первым и вторыми клеммами соответственно первого и второго выключателей, введены трансформатор, вход первичной обмотки которого соединен

с вторым токовым электродом датчика Холла, а выход - с четвертым выходом коммутатора и общей шиной, вход и выход вторичной обмотки соединен соответственно через переменный резистор или непосредственно с общей шиной, трансформатор с дополнительной первичной обмоткой, вход и выход которой соединен соответственно с вторым потенциальным электродом датчика Холла и третьим входом коммутатора, вход и выход первичной обмотки которого соединены соотеетственно с выходом переменного резистора и общей шиной, синхронный детектор, вход которого через вторичную обмотку трансформатора с дополнительной первичной обмоткой соединен с общей шиной, а выход - с сигнальным входом преобразователя код - код, элемент ИЛИ, вход которого соединен с выходом блока деления, а выход - со счетным входом реверсивного

счетчика, дешифратор, многовходовая схема И, сигнальные входы которых соединены с входом дешифратора, усилитель-ограничитель, вход которого соединен с сигнальным входом преобразователя код - код, выход которого соединен последовательно с введенными первой схемой И, единичным входом первого триггера, второй схемой И, единичным входом второго триггера, выход которого соединен с входом реверсивного счетчика, выход многовходовой схемы И соединен последовательно с единичным входом введенных третьего триггера, первым входом третьей схемы И, единичным входом четвертого триггера и индикатором полярности, блок управления имеет с шестого по шестнадцатый выводы, которые соединены соответственно с входами деления блока

0

5

деления, записи блока деления, нулевым реверсивного счетчика, управления первой схемы И, нулевым первого триггера, управ-, ления второй схемы И, первым нулевым второго триггера, управления многовходовой схемы И, первым нулевым третьего триггера, управления третьей схемы И, нулевым четвертого триггера, второй вход второй схемы И соединен с первым выходом третьего триггера, второй выход которого соединен с вторыми нулевыми входами второго и третьего триггеров, выход полярности преобразователя код - код соединен с вторым входом третьей схемы И, выход счетных импульсов с вторым входом элемента ИЛИ. управляющий вход синхронного детектора соединен с управляющим входом стабилизатора тока.

Использование: в области магнитных измерений и для прецизионного измерения в широком диапазоне индукции постоянных магнитных полей. Сущность изобретения: измеритель включает датчик 1, стабилизатор 2, коммутатор 3, трансформаторы 4, 5, резистор 6, детектор 7, преобразователь 8, блоки 9, 14, элемент ИЛИ 10, счетчик 11, дешифратор 12, индикаторы 13, 25, усилитель 15, схемы И 16, 18, 21. 23, триггеры 17. 19, 22, 24. Особенностью изобретения является то. что в измеритель введены блоки 15-25, что позволяет расширить область использования за счет обеспечения определения направления индукции и повысить точность. 2 ил.

CZH

ri

ttmtmtm

(Pail