Цифровой феррозондовый магнитометр Советский патент 1980 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники. Известен цифровой феррозондовый широтно-импульсный магнитометр, содержащий феррозонд, генератор, усилитель, сумматор, усилитель-ограничитель, формирователь импульсов, детектор скважности, измеритель временного интервала, причем выход феррозонда соединен со входом усилителя, выход которого подключен к одному входу сумматора, а другой вход сумматора соединен с выходом генератора. Выход cyfviMaTopa подключен ко входу усилителя-ограничителя, выход которого соединен со входом формирователя импульсов; выход формирователя импульсов подключен ко входу детектора скважности и ко входу измерителя временного интервала; выход детектора скважности соединен с обмо кой обратной связи феррозонда; обмот ка возбуждения феррозонда соединена с генератором 1. Недостатками такого цифрового фе розондового магнитометра являются нелинейность функции преобразования прямой цепи и низкая помехозащищенность. Целью изобретения является повышение точности измерения и помехозащищенности. Поставленная цель достигается тем, что в цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий феррозонд, последовательно соединенные сумматор, усилитель-ограничитель, формирователь импульсов, детектор скважности, вход которого подключен к первому входу измерителя временного интервала, выход детектора скважности соединен с обмоткой обратной связи феррозонда, введены два интегрирующих дискретизатора, выполненные на основе интеграторов с запоминанием и с импульсной обратной связью, ключ, формирователь напряжения возбуждения, последовательно соединенные генератор опорной частоты, блок делителей частоты, блок управления и формирователь треугольных импульсов, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход феррозонда подключен к первому входу первого интегрирующего дискретизатора, второй вход которого соединен со вторым вкхопом блока управления, выход первого интегрирующего дискретизатора через ключ, второй вход которого соединен

с треты м выходом блока управления, подключен ко входу второго интегрирующего дискретизатора, вторюй вход которого присоединен к первому выходу блока управления и ко второму входу формирователя импульсов; выхо второго интегрирующего дискретизатора соединен со вторым входом сумматора, выход генератора опорной частоты подключен ко второму входу измрителя временного интервала; второй выход блока делителей частоты подключен ко входу формирователя напряжения возбуждения, выход которого с динен с обмоткой возбуждения феррозонда.

На фиг. I изображена схема предлагаемого цифрового феррозондового магнитометра; на фиг. .2 - временные диаграммы работы устройства.

В состав магнитометра (фиг. 1) входят феррозонд 1, два интегрирующих дискретизатора 2, 3, выполненных на основе интеграторов с запоминанием и с импульсной обратной связью, ключ 4, cy 1мaтop 5, усилительограничитель 6, формирователь импульсов 7, детектор 8 скважности, формирователь напряжения возбуждения 9, генератор 10 опорной частоты блок делителей 11 частоты, блок управления 12, формирователь треугольных импульсов 13, измеритель временного интервала 14, причем выход феррозонда 1 подключен ко входу первого интегрирующего дискретизатора 2,вход управления которого соединен с блоком управления 12, а выход первого интегрирующего дискретизатора 2 через ключ 4, управляющий вход которого соединен с блоком управления, подключен ко входу второго интегрирующего дискретизатора 3, вхо управления которого присоединен к блоку управления 12 и к управляюиеNty входу формирователя импульсов 7; выход второго интегрирующего дискретизатора 3 соединен с одним входом сумматора 5, другой вход которого подключен к выходу фop Iиpoвaтeля 13 треугольных импульсов, вход последнего присоединен к блоку управления 12. Выход генератора опорной частоты 10 соединен со входом блока делиТелей частоты 11 и с вторым входом измерителя 14 временного интервала, первый вход которого подключен к выходу формирователя импульсов 7 и ко входу детектора скважности 8; выход детектора скважности 8 соединен с обмоткой компенсации феррозонда 1. Вход формирователя импульсов 7 подключен к выходуусилителя-ограничителя 6, вход которого соединен с выходом сумматора 5. Первый выход блока делителей частоты 11 соединен с блоком управления 12, а второй выход подключен ко входу формирователя напряжения возбуждения 9, выход которого соединен с обмоткой возбуждения феррозонда 1.

Устройство работает следующим образом.

В обмотку возбуждения феррозо 1да подается напряжение возбуждения частоты f, поступающее от генератора 10 через делитель 11 и формирователь напряжения возбуждения 9. С выхода феррозонда на вход первого интегрирующего дискретизатора 2 поступает сигнал Uj (t), спектр которого содержит четные и нечетные гармники. Информацию об измеряемом поле BO несет вторая гармоника (фиг. 2а). На управляющий вход первого интегрирующего дискретизатора 2 подаются от блока управления 12 короткие импульсы с частотой следования, 4f (фиг. 26). За каждый такт работы интегрирующего дискретизатора, равный

i4{ , происходит интегрирование I

входной величины и напряжения обратной связи. В конце такта работы напряжение на выходе интегрирующего дискретизатора будет равно

пТ

,di.a-)(r

- V-.,T

R,c

™ .ыхГ

- напряжение на выходе первого интегрирующего дискретизатора в течение п-го

-соответственно постоянные ,времени прямой цепи и цепи обратной связи ; - длительность такта;

п 1,2,3... - номера тактов.

Если Т и R.C, то

ч::,Н1.,«.«.

Как видно из выражения (2) и временных диаграмм 26, в, на выходе первого интегрирующего дискретизатора 2 образуется двухполярный прямоугольный сигнал, амплитуда которого пропорциональна среднему значению Ug (t) за время Tr-(/4jf . Далее напряжение п подается через ключ 4 на вход второго интегрирующего дискретиаатора 3, длительность такта работы которого Т,3Т (фиг. 2д) , причем начала тактов работы первого и второго интегрирующих дискретизаторов 2, -3 совпадают. Ключ 4 замыкается и размыкается таким образом (временная диаграг.1ма Zr) , что в течение каждого нечетного такта работы второго интегрирующего дискретизатора 3 на его вход подаются импульсы aьJx нечетными номерами, а в течение каждого четного - соответственно импульсы и(,(у п с четными номерами. Из временной диаграмма 2,в видно, что импульсыи.,., с нечет00 л

ными номерами имеют положительную. а импульсы с четными номерами - отрицательную полярности. Следователь но, на выходе второго интегрирующего дискретизатора 3 (временная диаграмма 2е) напряжение будет двухполярным и пропорционально интегралу от суммы соответствующих импульсов. Таким образом, можно записать L11 , Т С1 съ и 4 I {и tUdti 6ЫК Т J бмквЫ« И)14011 - напряжение на выходе второго интегрирующего дискретизатора 3 в течение первого такта. Далее процесс преобразования пов торяется. Выходной сигнал феррозонда представляет собой сумму четных и нечет ных гармоник. Нечетные гармоники являются помехой. Кроме того, помехой является квадратурная составляю щая Ugg (t) U sin (Zwt+ /2 ) по отношению ко второй гармонике. Пренебрегая высшими гармониками, запишем выходной сигнал феррозонда в виде суммы Ц,.,(О и sin( slnlu t-fйыкглгп , m, SinJuJt где Vm, амплитуда нечетных га моник . Подставив выражение (4) в выраже ние (2), а (2) в (3), определим амп литуду прямоугольных импульсов на выходе второго интегрирующего дискретизатора 3 Т, Т -4 J sincOl + U sm2cOt t in tucut 4 1- JtUt dt T 1. f U sin 0)I U iin2 MJt U, ,5in(Q. + .uJlJdLl di.(5) С учетом того, что среднее значе ние второй гармоники пропорционально измеряемому полю Вд, а T -f/4f и СоТ 21tfT , при , после несложных преобразований имеем и..((6 Таким образом, как видно из выра жения (6), результат преобразования не содержит помехи. Далее U,J су1 и шруется в сумматоре 5 с треугольным напряжением с формирователя 13, изменяющимся по линейному закону (временная диаграм ма 2ж). Суммарный сигнал (временная диаграмма 2з) поступает на усилител ограничитель 6. Выходной сигнал усилителя-ограничителя 6 (временная диаграмма 2и) подается на формиров-атель импульсов 1, с помощью которого формируется интервал времени от начала отсчета до момента перехода через нуль напряжения на выходе усилителя-ограничителя б (момент равенства нулю cyMJvftJ С13 и треуг-ольного напряжения). Таким образом, можно записать функцию преобразования прямой цепи как лТ , где .- амплитуда треугольного напряжения; К - коэффициент, определяющий скорость нарастания и ciiaда треугольного напряжения.. С выхода формирователя импуг.ьсов 7 через детектор 8 сигнал, пропорциональный интервалу времени, гюдается на феррозонд 1, и непосредственно на измеритель 14. Из выражения (7) видно, что в отличие от прототипа функция преобразования прямой цепи является лннейной. Функция преобразования замкнутой системы будет иметь вид n Nd-iC. ,,) или, если обозначить коэффициент передачи прямой цепи через к VfrU -Kто можно записать Формула изобретения Цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий феррозонд, последовательно соединенные сумматор, усилитель-ограничитель, фор миро ват ел э импульсов, детектор скважности, вход которого подключен к первом входу измерителя временного интервала, выход детектора скважности соединен с обмоткой обратной связи феррозонда, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и помехозащищенности, в него введены два интегрирующих дискретизатора, выполненные на основе интеграторов с запоминанием и с импульсной обратной связью,- ключ, формирователь напряжения возбуждения, последовательно соединенные генератор опорной частоты, блок делителей частоты, блок управления и формирователь треугольных импульсов, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход феррозонда подключен к первому входу первого интегрирующего йискретизатора, второй вход которого соединен с вторым выходом блока управлении,

выход первого интегрирующего дискретизатора через ключ, второй вход которого соединен с третьим выходом блока управления, подключен ко входу второго интегрирующего дискретизатора, второй вход которого присоединен к первому выходу блока управления и к второму входу формирователя импульсов; выход второго интегрирующего дискретизатора соединен со вторым входом сумматора, выход генератора опорной частоты подключен ко второму входу измерителя временного интервала, второй выход блока делителей частоты подключен ко входу формирователя напряжения возбуждения, выход которого соединен с обмоткой возбуждения феррозонда.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Особен1. Семенов Н.М. и др.

ности построения цифровых феррозондовых магнитометров время-импульсного типа . Труды ВНИИЭП, № 24, 1975.