Компенсационный магнитометр холла Советский патент 1979 года по МПК G01R33/07 G01R33/25 

(54) КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МАГНИТОМЕТР КОЛЛА

Изобретение относится к области измерения магнитных полей, в частности сильных магнитных полей сверхпроводящих соленоидов. Существуют различные способы и . устройства для линеаризации и стабилизации характеристик датчиков Хол ла. Известны устройства для измерени магнитной индукции, содержащие датчи Холла с регулирующими резисторами в цепи питания, источник питания, создающий ток через датчик, измерительную схему/ пороговые элементы,-пой ключенные к выходу измерительной схе мы, и управляемые этими элементами к.гаочи, коммутирунадие резисторы на выходе датчика так, что в процессе измерений автоматически корректируется . - крутизна характеристики преобразования 1 . К недостаткам устройства следует отнести неудачно выбранный метод регулирования чувствительности преобразования путем шунтирования питающей цепи, датчика, что вносит дополнительную существенную погрешность ввиду нескс 1пенсированного влияния изменяющегося мйгнитосопротивления датчика. . Наибо.пее близким устройством является линейныймагнитометр Холла, содержа ций датчик Холла, источник, его питания, компенсационный потенциометр и регулирующие компенсирующее напряжение резисторы, подключенные между источником опорного напряжения и потенциометром и связанные с движком потенциометра, подключённые через нуль- индикатор к потенциаль ным электродам датчика Холла 2. Недостатком этрго устройства является возможность удовлетворительной .линеаризации только в редком случае, когда характеристика датчика следует тому же закону, что и напряжение на выход компенсационного потенциометра. В то же время серийно выпускаемые датчики Холла (даже одной серии) имеют большой разброс, и различный, прОизво.Льный закон изменения. Например, характеристика датчика может иметь несколько чередующихся участков идеальной линейности и резко выраженной нелинейности. Поскольку, как показали расчеты, характеристика компенсационного потенциометра с корректируквдйми резисторами имеет плавный, монотонный, квадратичный вид,на участках,где характеристика датчика строго линейна,этот потенциометр будет вносить значительную погрешность.Кроме того применяемый компенсационный потенциометр с плавной линеаризацией характеристик преобразования обладает сложной настрой кой и регулировкой,что затрудняет эксплуатацию таких магнитометров при смене датчиков Холла. Наконец, непос тоянство выходного сопротивления по тенциометра также вносит свою погрешность в показания измерительного прибора в процессе компенсации. Целью изобретения является повышение точности и разрешающей способ ности магнитометра путем тногоступенчатой дискретной линеаризации ха рактеристики преобразования. Для этого вкомпенсационном магнитометре Холла, содержащем датчик холла, источник опорного напряжения компенсационный потенциометр, нульиндикатор и связанные с переключающ элементом потенциометра регулирующие резисторы компенсационный поте циометр выполнен в виде декадного тетрадно- десятичного резистивного делителя опорного напряжения, собранного на переключателяхпо числ декад, и с регулирующими резисторам набранными по числу ступеней дискретной линеаризации и подключенными посредством контактов свободного поля переключателя старшей декады параллельно выходу делителя, а сопротивления этих резисторов определены по формуле Т-1 wax У где m - число ступеней дискретной линеаризации; п - порядковый номер ступени; Втаи верхний предел измеряемого Оголя; ) крутизна характеристики датчика на первом и п-м участках линеаризации; - коэффициент передачи дели теля при введении единицы старшего разряда делителя ( ДJ 0,1) ; выходное сопротивление делитедя, На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема компенсационно магнитометра Холла, а на фиг. 2 схема компенсационнрго делителя. Компенсационный магнитометр Хол содержит источник 1 опорного напр жения (Ер), декадный тетрадно- дес тичный резистивный компенсационный делитель 2 опорного напряжения, измерительный -прибор 3 (нуль- индикатор) , датчик Холла 4, переключающий элемент 5 компенсационного делителя и регулирую г1ие резисторы 6. Компенсационный делитель 2 питается от источника 1 опорного напряжения Е, . Напряжение с выхода делителя 2 используется для компенсации датчика Холла. В зависимости от. положения переключающего элемента 5 к выходу делителя 2 подключается один из шунтирующих (регулирующих) резисторов б, количество которых соответствует числу делений старших разрядов делителя 2. Источник опорного напряжения 1 подключен ко входу делителя 2, а выход этого делителя, шунтированный регулирующими резисторами 6, соединен с последовательно включенными нуль- индикатором 3 и потенциальной целью датчика 4. Компенсационный делитель содержит декады делителя 7...11, декадные резисторы 12...15, поля галетного переключателя старшей декады 16...20 и регулирующие резисторы 21...30. Устройство работает следующим образом. При помещении в измеряемое поле датчика 4, через электроды которого течет постоянный ток возбуждения, напряжение, возникающее на потенциальных электродах датчика, вызовет отклонение стрелки прибора 3 от нулевого деления . Переключая ( вручную или автоматически) делитель 2 и связанные с делителем через ключевые .элементы 5 регулирукщие резисторы 6, добиваются полной компенсации выходного напряжения датчика 4 (стрелка прибора.устанавливается на нулевую отметку). При этом автоматически производится коррекция нелинейности выходной характеристики преобразования в соответствии с характером нелинейности датчикаХолла. В компенсационном магнитометре Холла применён пятидекадный тетрадно- десятичный резистивный делитель с постоянным выходным сопротивлением, обеспечиваю1;(ий до 10 градаций. Если этот делитель применить в магнитометре с линейным датчиком Холла, относительная точность измерения составит 0,1 тТ. При нелинейности, п{5еобразования 10% во всем диапазоне нелинейность с помощью такого делителя может быть уменьшена до 1 %, если при достижениииндукции определенной величины подключить параллельно выходу делителя дополнительный регулирующий резистор, увеличивающий (или уменьшакщий) напряжение компенсационного делителя и тем самым компенсирующий увеличение (или уменьшение) крутизны характеристики датчика. Величина скорректированного напряжения на выходе. делителя для каждого участка линеа ризованной характеристики определяется по формуле кМ-ц Е„. ,где и - компенсирующее выходное напряжение делителя; Нц, - резистор, включенный парал лельно выходу делителя . Rni.,r выходное сопротивление не шунтированного делителя, не зависящее от и и постоянное во всем диапазоне; ЕО - опорное (делимое) напряжен компенсации; JU - коэффициент передачи делит ля . Из формулы видно, что и ц можно изменять, меняя . Согласно женному решению R нужно менять по закону XliEoht „ --J Т-1 где m - число ступеней дискретной линеаризации; В - верхний предел измеряемог ПОЛЯ; крутизна характеристики датчика на первом и т участках линеаризации; jti, - коэффициент передачи дели теля при введенной единице разряда делителя, со ветствующей первой ступени линеаризации п - порядковый номер ступени линеаризации. Практически удобно иметь ряд резисторов с сопротивлением, рассчита ным для соответствугацего участка (с учетом величины 7 ) по приведенной формуле. Такое выполнение заявляемого маг нитометра обеспечивает получение следующего положительного эффекта. Обеспечивается возможность линеа ризации характеристик, изменяющихся по любому закону с точностью, определяемой дробью 2- , где сУ - погреш ность нелинеаризованного датчика, тп - число ступеней дискретизации Повышается точность линеаризации и измерений, например, до 1% при исходной нелинейности датчика в 10% и 10 участках дискретизации характе ристики. Без изменения параметров осйовны элементов схемы обеспечивается быст рая настройка и наладка магнитометр в случае замены Датчика Холла ;атчиком с любым произвольные законом изменения характеристики (в том числе с чередованием участков линейности и нелинеЛности) достаточно произвести расчет по выьеприведенной формуле для R; рег лирующих резисторов и их замену в магнитометре. Данный компенсационный магнитометр Холла позволяет решить задачу измерения полей в широком диапазоне, в том числе и сверхпроводящих соленоидов с высокой для практики точностью и простыми средствами. Формула изобретения Компенсационный магнитометр Холла, содержащий датчик Холла, источник опорного напряжения, компенсационный потенциометр, нуль- индикатор и связанные с переключающим элементом потенциометра регулирующие резисторы, отличающийся тем, что, с иелью повыиения точности и разрешающей способности магнитометра путем . многоступенчатой дискретной линеаризации характеристики преобразования, в нем компенсационный потенциометр выполнен в виде декадного тетрадно- десятичного резистивного делителя опорного напряжения, собранного на переключателях по числу декад, и с регулирующими резисторами, набранньми по числу ступеней дискретной линеаризации и подключенными посредством контактов свободного поля переключателя старшей декады параллельно выходу делителя, а сопротивления этих резисторов определены по формуле -)- TiBmoX где m - число ступеней дискретной линеаризации; п - порядковый номер ступени;hax верхний предел измеряемого Ti,Tn крутизна характеристи1{и датчика на первом и п-м участках линеаризации; . Е. - опорное напряжение; - - коэффициент передачи делителя при введении единицы старшего разряда делили (,«4 0,1) ; R - выходное сопротивление делителя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе i. Авторское свидетельство СССР 458791, G 01 R 33/06, 1971. 2. Авторское свидетельство СССР № 431475, G 01 R 33/06, 1971.

IL

о

0

ipui.i