Преобразователь медленно изменяющихся электрических сигналов Советский патент 1980 года по МПК G01R19/20 

Изобретение относится к информа- ционно-иэмерительной технике и автома тике и предназначено для точного преобразования медленно изменяющихся электрических сигналов в электрические сигнсшы более высокого уровня. Известны преобразователи электрических сигналов, основанные на ,использовании нелинейности кривой . намагничивания ферромагнитных материалов - трансформаторы и дроссели подмагничивания и магнитные модуляторы. Они содержат один или несколько ферро магнитных сердечников с расположенными на них обмотками переменного тока (питающими), управляющими и вспомогательными обмотками (смещения, обратно связи), а также резистивных или диодных цепей 1. Протекающий по обмотке управления измерительный сигнал изменяет индуктивное сопротивление обмоток переменного тока, чтЪ приводит к соответствующему изменению падения напряжения на сопротивлении нагрузки. Точность преобразования измеритель ного сигнала из-за гистерезиса материала сердечников и температурных погрешностей данных технических реше ний невелика. Выходная характеристик нелинейна, а параметры устройства имеют значительный разброс отэкземпляра к экземпляру из-за невозможности получения идентичных ферромагнитных сердечников. При необходимости преобразования небольших сигналов приходится увеличивать число витков обмоток , что приводит к увеличению габаритных размеров, стоимости и снижает общую надежность подобных устройств. Известны устройства, включающие ферромагнитный сердечник с расположенными на нем обмотками, измерительной, компенсационной и возбуждения, триггер и соединенные последовательно с компенсационной обмоткой детектор сквгсжности, преобразователь напряжения - ток и резистор 2. Однако и в этом случае характеристика преобразования нелинейна, вир ее зависит от параметров ферромагнитных сердечников и, следовательно, точность преобразования недостаточно высока. Цель изобретения - увеличение точности преобразования. Это достигается тем, что в преопразователь медленно изменяющихся электрических сигналов, включающий ферромагнитный сердечник с расположенными

йа нем обмотками измерительной, компенсационной и возбуждения, триггер и соединенные последовательно с комренсационной обмоткой детектор скважности, преобразователь напряжения ток и резистор, введены интегратор, второй преобразователь напряжения ток и сигнальная обмотка, расположённая, на ферромагнитном сердечнике, иэмёрительная обмотка подключена ко .входу триггера, вход интегратора - к выходу триггера, вход детектора скважности - к выходу интегратора, второй преобразователь напряжения - ток .- к выходу интегратора и нагружен не на обмотку возбуждения, при этом обмотки компенсационная и возбуждения ориентированы так, что создают намагничивающие силы, направленные встречно

На чертеже, показана, принципиальна схема устройства.

Преобразователь медленно изменяющихся электрических сигналов включает тороидальный ферромагнитный сердечник 1 из материала с прямоугольной петлей гистерезиса с расположенными на нем сигнальной обмоткой 2, измерительной обмоткой 3 и обмотками 4 и 5 возбуждения и компенсации, ориентированными таким образом. Что создаваемые ими намагничивающие силы направлены встречно. Измерительная обмотка 3 подключена ко входу триггера 6 . К выходу триггера 6 подключен интегратор 7. К его выходу подключен детектор 8 скважности, постоянна времени которого больше постоянной времени интегратора 7 приблизительно в 10-20 раз , и преобразователь 9 напряжение - ток. К выходу детектора 8 скважности подключен преобразователь 10 напряжение - ток. Обмотка возбуждения 4 подключена к выходу преобразователя 9 напряжение - ток непосредственно, а компенсационная обмотка 5 подключена к выходу преобразователя 10 напряжение - ток через резистор 11, с которого и снимается выходной сигнал преобраз.ователя.

Преобразователь работает следующим образом.

При отсутствии преобразуемого сигнала в сигнальной обмотке 2 триггер б находится в одном из своих устойчивых состояний и на его выходе есть постоянный сигнал определенной величины и полярности. Интегратор 7 суммирует этот сигнал, а выходной сигнсш интегратора 7 поступает на вход детектора 8. На их выходах появляется линейно нарастающий сигнал постоянного напряжения, которий преобразуется: преобразователями 9, 10 напряжение - ток в ток, пррпорционал ный величине выходного напряжения интегратора 7 и детектора 8 соответственно. Поскольку постоянная времени детектора 8 значительно больше

постоянной времени интегратора 7, то процесс перемагничивания Ферромагнитного сердечника 1 в основном определяется током в обмотке возбуждения

4. Намагничивающая сила, создаваемая этой обмоткой, должна быть такой величины, чтобы изменять магнитную напряженность сердечника 1, например, .от -Н до +н. При этом поскольку постоянная времени детектора 8 много больше

постоянной времени интегратора 7, то создаваемая обмоткой 5 компенсации намагничивающая сила, направленная встречно намагничивающей силе обмотки 4 возбуждения,гораздо меньше по- . следней и в данном случае на процесс

перемагничивания практически не влияет. Если в первоначальный момент времени рабочая точка ферромагнитного сердечника 1 устройства находится в промежуточном положении между -К

и +Hjj, то линейно нарастающие токи в обмотках 4 и 5 создают разностную намагничивающую силу, доводящую положение рабочей точки сердечника 1, например, до -Н и +В. Значение магнитной индукции в ферромагнитном сердечнике 1 скачком изменяется от +Bg до В, . Это приводит к появлению импульса ЭДС в измерительной обмотке 3 и перебросу триггера 6 в другое

устойчивое положение. Выходное напряжение триггера 6 уже другой полярности суммируется интегратором 7. Выход-ные сигналы интегратора 7 и детектора 8 преобразуются в ток в обмотках 5 компенсации и 4 возбуждения преобразователями 9 и 10 напряжение - ток. Направления этих токов противоположны первоначальному. Поэтому в обмотке 4 возбуждения протекает пилообраз ный ток большой величины, который

и перемагничивает сердечник 1 до значения магнитной напряженности равной +Ц- . Величина тока в обмотке 5 компенсации практически равна нулю ввиду отсутствия постоянной составляющей

на входе - интегратора 7. При достижении магнитной напряженности сердечника 1 значения +Н индукция в сердечнике 1 становится скачком равной +В9. Триггер б вновь перебрасьгаается в первоначальное положение, и процесс повторяется. Происходит автогенерация треугольного тока в обмотке 4возбуждения. Поскольку постоянная составляющая на выходе триггера б, а значит и на выходе интегратора

7, отсутствует, то и на. выходе детектора 8 ее нет.

При появлении преобразуемого сигнала i, в сигнальной обмотке 2 изменение магнитной напряженности В в

момент появления сигнала (точка О на оси времени) происходит скачком. Это приводит к нарушению симметричности полупериодов перемагничивания в первый период и появлению постоянной составляющей на выходе триггера. Эта постоянная составляющая суммируется интегратором 7, Выходное напряжение интегратора 7 из-за-изменения скважности также содержит постоянную составляющую. Выходное напряжение интегратора 7 в детекторе 8 CKBcUKHOCTH преобразуется в напряжение и преобразователями 9 и 10 напря жение - ток в ток в обмотках 4 и 5, Пилообразный ток в обмотке 4 возбуждения перемагничивает сердечник 1 а постоянный ток в обмотке 5 компенсации создает магнитное поле, направ ленное встречно магнитному полю, создаваемому преобразуемым сигналом и равное ему по величине, восстанавливая первоначсшьное магнитное состо ние ферромагнитного сердечника 1, Возможен случай, когда при включении направление магнитного поля, создаваемого преобразуемым сигналом совпадает в первоначальный момент с направлением магнитного поля, созд ваемого протекающим по обмотке компенсации током,и сердечником 1 загоняется в еще большее насыщение скачком (Н сердечника 1 становится боль ше Hg). Переброса триггера 6 в друго положение не происходит сразу. На -выходе интегратора 7 появляется линейно нарастающее напряжение. Рост его величины прекращается при насыщении интегратора 7. Величина тока в обмотке компенсации также нарастае линейно лишь до момента насыщения интегратора-7, а затем продолжает оставаться постоянной. Одновременно с этим на выходе детектора 8 скважности также появляется линейно нарас тающий сигнал.Поскольку постоянная времени детектора 8 гораздо больше постоянной времени интегратора. 7,то постепенно нарастающий ток в обмотке ксэмпенсации создающий магнитное пол направленное встречно магнитному полю тока в обмотке 4 (постояннсялу по величине) , начинает размагничиватьсердечник 1. Очевидно, что намагничи вающая сила, создаваемая током в компенсации, должна превышать величину намагничивающей силы, создаваемой током, протекающим по обмотке возбуждения, на величину/ достаточную для перевода сердечника 1 в другое крайнее положение на петле гистерезиса. Таким образом, в любом реальном случае устройство работает в автогенераторном режиме, осуществляя компенсационное преобразование. Предлагаемое устройство имеет существенные преимущества по сравнению с прототипом. Точность преобразования благодаря компенсационному методу преобразования выше. Поскольку устройство в этом случае работает вблизи нулевой точки, тЬ это обеспечивает и высокук) линейность преобразования. Работа и характеристики устройства не зависят от параметров материала, используемого для изготовления ферромагнитного сердечника: изменение Hj и В от сердечника к сердечнику и при изменении их под влиянием внвиней среды и старении сказываются лишь на длительности периода автоколебаний, совершенно не влияя по самому принципу работы на характеристики устройства. Формула изобретения Преобразователь медленно изменяющихся электрических сигналов, включающий ферромагнитный сердечник с расположенными на нем обмотками измерительной, компенсационной и возбуждения, триггер и соединенные последовательно с компенсационной, otSnoTкой детектор скважности, преобразователь напряжения - ток и резистор, отличающийся тем, что, с целыо увеличения точности преобразования, в него введены интегратор, второй п реобразователь напряжение ток и сигнальная обмотка, расположенная на ферромагнитном сердечнике, измерительная обмотка подключена ко входу триггера,вход интегратора - к выходу триггера,вход детектора скважности - к шлходу интегратора, второй преобразователь напряжение - ток к выходу интегратора и нагружен на возбуждения, при этом обмотки кслтенсацирнная и возбуждения ориентированы так, что создают намагничивающие силы, направленные встречно. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Розенблат М.А. Магнитные эле- , менты автоматики и вычислительной техники. М., Наука, 1974. с.307-360. 2.Яковлев Н.И. феррозондный.магнитометр с широтной модуляцией. Геофизическая аппаратура , вып.33. Л., Недра, 1967, с.95.

i

3

tK

-4

5

10