Способ измерения напряженности магнитного поля и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к магнитным измерениям с помощью магнитомодуляци- онных приборов и может быть использовано в простых измерителях средней точности.

Цель изобретения - повышение точности измерения напряженности магнитного поля и уменьшение энергопотребления.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2 изображена петля гистерезиса сердечника феррозонда, 26 - изменение индукции сердечника во времени, 2в - зависимость поля возбуждения от времени, 2г - зависимость напряжения после амплитудного ограничения от времени.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Периодически изменяющееся магнитное поле, созданное током протекающим через обмотку феррозонда и имеющим форму разнополярных импульсов с коротким передним и затянутым задним фронтом (см. фиг. 2в) перемагничивает сердечник феррозонда по предельной петле гистерезиса (см. фиг. 2а). В течение времени ti - хз внешне измеряемое поле Н0 0, в интервале времени т,з - te внешнее поле не равно нулю (Н0 0) В объеме сердечника феррозонда внешнее поле суммируется с полем, созданным током возбуждения в обмотк е феррозонда.

В интервале времени ti - тз сердечник феррозонда перемагничивается последовательно по участкам петли гистерезиса (см. фиг. 2а) в следующей последовательности А - 6 - 1 - 2, а индукция В изменяется в соответствии с фиг. 26. В результате изменения индукции В в обмотке феррозонда появляется ЭДС. которая после частотной фильтрации имеет вид, показанный на фиг. 2г.

Как видно из фиг. 2 в момент времени ti (короткий передний фронт) сердечник феррозонда перемагничивается по участку петли гистерезиса 2-4 (фиг. 2а) в течение очень короткого времени (порядка микросекунды), Это соответствует быстрому изменению индукции В (фиг. 26). Сигнал с обмотки после частотной фильтрации имеет форму импульса а, с малой длительностью (порядка микросекунды) и большой амплитудой (см. фиг. 2г). Далее в интервале времени ti - т... происходит перемагничивание сердечника феррозонда по участку петли гистерезиса 4-6 затянутым задним фронтом. Это соответствует изменению индукции, показанному на фиг. 26 временной интервал ti - ta. Сигнал с обмотки феррозонда имеет форму импульса б с малой амплитудой и большой длительностью (порядка

десятка микросекунд) (см. фиг. 2, интервал ti - 12).

Сигналы в, г с обмотки феррозонда после частотной фильтрации в интервале t2

- t4 аналогичным импульсом в интервале ti - t2. но имеет другую полярность. После амплитудного ограничения (уровни И1 и И2 на фиг. 2г) проводится интегрирование сигнала. Интеграл за период ц -14 будет равен

0 нулю, так как площади импульсов а, б, в, г равны, а импульсы а, г и б, в разнополярны. Таким образом, нулевому внешнему полю Н0 0 соответствует нулевой уровень на выходе интегратора. После

5 появления внешнего поля в момент времени тз сердечника феррозонда будет перемагничиваться по участку 3-4-5-1 в интервале времени t4 - te. В момент времени t.4 сердечник феррозонда перемагничи0 вается по участку петли гистерезиса 3-4. Поскольку этот участок характеризуется меньшим изменением индукции по сравнению с участком 2 - 4, то импульс д в момент времени (см. фиг. 2г) будет меньше по

5 амплитуде импульса а, а длительность его практически не изменяется.

При перемагничивании сердечника феррозонда по участку 4 - 5 в интервале времени t4 - ts на выходе фильтра высокой

0 частоты сформируется импульс е (см. фиг. 2г) характеризующийся малой амплитудой по сравнению с импульсами б, г. В момент времени ts сердечник перемагничивается по участку петли гистерезиса 5, 1,

5 соответствующий большему изменению индукции по сравнению с участком 6 - 1. В результате на выходе фильтра высокой частоты формируется импульс з, имеющий большую амплитуду по сравнению с импуль0 сами а, в.

При перемагничивании сердечника феррозонда 1 - 3 на выходе фильтра высокой частоты появляется импульс ж, имеющий большую амплитуду по сравнению с импульса5 ми б, г. После амплитудного ограничения по уровням U1, U2 (см. фиг. 2г), и последующего интегрирования на выходе интегратора появится напряжение, не равное нулю и пропорциональное внешнему полю Но, что по0 зволяет использовать его для измерения напряженности внешнего магнитного поля.

Изменение параметров петли гистерезиса сердечника феррозонда, длительностей фронтов импульсов и их амплитуды не влияют

5 на выходной сигнал, так как эти изменения приводят к симметричному изменению импульсов (см. фиг. 2г) обоих полярностей. Изменение порогов U1 и U2 также не приводит к изменению выходного сигнала, так как пороги выбраны таким образом, что импульсы б, г, е, ж, проходят через амплитудный ограничитель без изменений, а изменение уровней ограничений а, в, д, э не приводит практически к ошибке, так как длительность этих импульсов в 50 - 100 раз короче.

Устройство для осуществления способа в соответствии с фиг. 1 содержит генератор возбуждения 1, предназначенный для генерации тока возбуждения и состоящий из операционного усилителя 4 типа К157УД1, резисторов 3, 5, 6 и конденсаторов 2,-7 который подключен к одноэлементному феррозонду 8. Фильтр 9 высокой частоты, предназначенный для частотной фильтра- ции выходного напряжения феррозонда и выполняется на конденсаторе 10 и резисторе 11, выход которого подключен к амплитудному ограничителю 12, предназначенному для ограничения по амплитуде импульсов с вы- хода ФВЧ 9 и состоящему из резистора 13 и кремниевых диодов 14, 15, который подсоединен к интегратору 16, предназначенному для интегрирования сигнала с выхода амплитудного ограничителя 12 и выполненному на резисторе 17, конденсатора 18 и операционном усилителе 19 типа К157УД1, а выход интегратора 16 подключен к индикатору 21, предназначенному для индикации показаний устройства и резистору обратной свя- зи 20, через который вводится ток компенсации в обмотку феррозонда.

Генератор возбуждения 1 вырабатывает ток в виде периодических разнополярных импульсов с коротким передним и затянутым задним фронтом, который протекая через обмотку феррозонда 8, перемагничивает его сердечник. Сигнал с феррозонда поступает на ФВЧ 9 и далее на амплитудный ограничитель 12. В качестве диодов 14, 15 использу- ются кремниевые диоды. Сигнал с выхода амплитудного ограничителя поступает на интегратор 16, выход которого соединен с резистором обратной связи 20, через который и вводится ток компенсации в обмотку феррозонда 8 таким образом, чтобы скомпенсировать внешнее магнитное поле в объеме феррозонда. При этом напряжение на входе интегратора 16 близко к нулю. Напряжение на выходе интегратора 16, про- порционально току, протекаемому через

резистор обратной связи 20, поступает на блок индикации 21.

Параметры конденсатора 7 выбираются таким образом, чтобы длительность переднего фронта импульса возбуждения была короче в 50 - 100 раз длительности заднего (затянутого) фронта.

Использование изобретения позволит получить высокую точность измерения (0,3%) и низкое энергопотребление (на возбуждение расходуется 5% от общей энергии потребления).

Формула изобретения

1.Способ измерения напряженности магнитного поля, включающий возбуждение обмотки феррозонда периодически изменяющимся током, выделение полезного сигнала, его ограничение и интегрирование, отличающийся тем, что. с целью повышения точности измерения и уменьшения энергопотребления, ток возбуждения формируют в виде импульса с коротким передним и затянутым задним фронтом, а ограничение полезного сигнала осуществляют сверху.

2.Устройство для измерения напряженности магнитного поля, содержащее после- довательно соединенные генератор возбуждения и феррозонд, а также последовательно соединенные нелинейный элемент, интегратор и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и уменьшения энергопотребления, в него введены фильтр высокой частоты и резистор обратной связи, подключенный между выходом интегратора и вторым входом феррозонда, выход которого через фильтр высокой частоты подключен к входу нелинейного элемента, при этом нелинейный элемент выполнен в виде амплитудного ограничителя, а генератор возбуждения выполнен в виде последовательно соединенных первого резистора, усилителя и первого конденсатора, а также второго, третьего резисторов и второго конденсатора, подключенного между свободным выводом первого резистора и вторым входом усилителя, выход которого черед второй резистор подключен к второму, а через третий резистор - к первому входам усилителя.

Изобретение относится к магнитным измерениям с помощью магнитомодуляцион- ных приборов и может быть использовано в простых измерителях средней точности. Цель изобретения - повышение точности измерения напряженности магнитного поля и уменьшение энергопотребления. Способ заключается в возбуждении обмотки феррозонда периодически изменяющимся током, форма импульса которого имеет короткий передний и затянутый задний фронты, выделении полезного сигнала из выходного сигнала феррозонда, ограничениеего поам/ плитуде и интегрировании. Устройство для осуществления способа содержит последовательно соединенные первый резистор 5, усилитель 4, первый конденсатор 7, феррозонд 8, фильтр 9 высокой частоты, амплитудный ограничитель 12, интегратор 16 и индикатор 21, а также второй резистор 3, подключенный между выходом усилителя и его вторым входом, третий резистор 6, подключенный между выходом усилителя и его первым входом, второй конденсатор 2, подключенный между вторым входом усилителя и свободным выводом первого резистора 5, и резистор 20 обратной связи, подключенный между выходом интегратора и вторым входом феррозонда. Благодаря предложенной совокупности признаков уменьшается влияние флуктуации параметров петли гистерезиса сердечника феррозонда, длительности фронтов импульсов и их амплитуды, а также величины порогов амплитудного ограничителя на точность измерений до 40% по сравнению с прототипом, при этом энергопотребление уменьшается в 2 раза. 2 с. п. ф-лы. 2 ил. 20 (S С vi VI ел о О со Фиг. 1

фиг.2