Способ измерения магнитного поля и устрой-CTBO для ЕгО РЕАлизАции Советский патент 1981 года по МПК G01R33/02 

Изобретение отиосится к магнитным измерениям и может быть использовано при построении высокочувствительных навигационных и геофизических ферроэондовых магнитометров. Известен- способ измерения магнитного поля с помощью феррозондов, при котором сердечник феррозонда перемаг ничивают вспомогательным гармоническим полем, а в выходной цепи феррозо да выделяют (с помощью частотно-изби рательных узлов), детектируют и регистрируют сигнсш одной из четных, как правило второй, гармоник частоты перемагничивания, пропорциональный измеряемому полю р:3. Устройство для реализации известного способа содержит последовательно соединенные генератор синусоидального тока, дифференциальный феррозонд, избирательный усилитель, синхронный детектор и регистри рующий прибор, причем синхронный детектор соединен также через удвоитель частоты с генератором синусоидального тока } Однако повышение точности измерения известными устройствами по этому способу ограничивается частотной нестабильностью генератора синусоидаль ного тока и избирательных узлов (фильтрата), а также шумами перемагничивания сердечника. Известен способ измерения параметров магнитного поля с помощью феррозондов, при котором сердечник (его центральную, часть) феррозонда перемагничивают по повторяющейся программе, включающей намагничивание до состояния насыщения, размагничивание (посредством дополнительного экспоненциально затухающего высокочастотного поля) до установившегося магнитного состояния, повторное, но в противоположном направлении, намагничивание и повторное размагничивание до установившегося магнитного состояния. Величину измеряемого поля определяют по амплитуде гармонической ЭДС удвоенной частоты на выводах настроенной в резонанс приемной (выходной; обмотки феррозонда 2 . Известное устройство для измерения парс1метров магнитного поля по этому способу содержит феррозонд и связанный с ним источник знакопеременных импульсов тока насыщения, разделенных промежуточными интервалами нулевого тока. В устройстве применен дифференциальный феррозонд, выполненный на сердечнике с центральным отверстием, причем обмотка перемагничивания размещена в данном отверсии, а приемная обмотка - на участках сердечника вне центральной зоны перемагничивания сердечника. На сердечнике по всей его длине размещена размагничивающая обмотка, соединенная с генератором экспоненциально затухающего высокочастотного тока размагничивания сердечника. Этот генератор синхронизирован от источника знакопеременных импульсов тока (включается в моменты окончания импульсов токаГ 2,, Однако известные способ и устройство не обеспечивают необходимой точ ности измерения и сложны в реализаци Цель изобретения - повышение точности измерения. Указанная цель достигается тем, что в способе, включающем намагничивание сердечника до состояния.насыще ния, размагничивание его до установи шегося магнитного состояния, повторное, но в противоположном направле-. НИИ, намагничивание сердечника до со тояния насыщения и повторное размагн чивание его до установившегося магни ного состояния, выходной сигнал феррозонда интегрируют, фиксируют установившиеся уровни полученного сигнал для каждого из четырех установившихс магнитных состояний сердечника, суммируют два зафиксированные уровня си нала, соответствующие состоянием намагниченного сердечника, два зафиксированные уровня сигнала, соответствующие состояниям размагниченного сердечника, находят разность получен ных суммарных значений сигнала и по величинеИ полярности разностного си нала судят о величине и направлении измеряемого поля. Причем устройство для осуществления способа, содержащее феррозонд и связанный с ним источник знакопеременных импульсов тока, снабжено также интегрирующим усилителем, подключенным к выходу феррозонда.дифференциальным усилителем и двумя управляе мыми сумматорами , соединенными сигнальными входами с выходом интегрирующего усилителя, управляющими входами - с упомянутым источником, а выходами - со входами дифференциального усилителя, прл.; этом выход одного из управляемых сумматоров соедине со входом интегрирующего усилителя, а выход дифференциального усилителя с дополнительным входом феррозонда. При этом каждый из управляемых сумматоров выполнен в виде четырех управляемых ключевых элементов, соединенных в мостовую схему, два проти воположных выхода которой соединены через конденсатор, а два других со входом и выходом сумматора относител но шины нулевого потенциала, причем параллельно выходу сумматора включен второй конденсатор, а управляющие входы накрест лежащих ключевых элементов попарно объединены. На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения магнитного поля; на фиг. 2 - принципиальная электрическая .схема управляемого сумматора; на фиг. 3 - схема подключения дифференциального феррозонда, на фиг. 4 - временная диаграмма тока перемагничивания; на фиг. 5 - временные диаграммы работы устройства. Устройство содержит феррозонд 1 с обмотками перемагничивания 2, компенсации 3 и сигнальной 4, соединенный с источником 5 знакопеременных импульсов тока, а выход феррозонда 1 подключен к интегрирующему усилителю б.. Выход интегрирующего усилителя 6 соединен с с.игнальными входами управляемых сумматоров 7,7-1, дополнительные управляющие входы которых связаны с источником 5. Выходы управляемых сумматоров 7 соединены с разнополярными входами дифференциального усилителя 8. Выход 9 является выходом устройства и может быть непосредственно подключен к регистрирующему прибору, или ко входу системы дистанционной-передачи данных. Выход управляемого сумматора 7 соединен со входом интегрирующего усилителя 6. Соединение осуществлено через согласующий элемент 10. Кроме этого, показано также целесообразное соединение выхода дифференциального усилителя 8 обмоткой компенсации 3 феррозонда 1. Управляемый сумматор 7 содержит чётааре управляемых ключевых элемента 11 (в данном случае полевые транзисторы) , соединенные в мостовую схему. В диагональ моста включен коммутируемый конденсатор 12. Два свободных вывода мо.ста образуют сигнальный вход 13 и выход 14 сумматора, причем на выходе сумматора включен накопительный конденсатор 15. Входы управления (затворы полевых транзисторов) накрест лежащих ключевых элементов попарно объединены и образуют управляющие входы 16 и 17 управляемого сумматора. Дифференциальный феррозонд (фиг. 3) выполнен на двух с.тержневых сердечниках с дифференциальной обмоткой перемагничивания 2 обмоткой компенсации. 3, сигнальной обмоткой 4. Устройство работает следующим образом. На сердечник феррозонда 1 (фиг. 1) воздействует знакопеременное поле тока на входе .обмотки перемагничивания 2 и измеряемое поле. Временная диаграмма 18 тока показана на фиг. 4. В каждый из интервалов времени ци t, сердечник намагничивается до состоя ния насыщения вспомогательным полем в силу чего магнитный поток в сердечнике для данных интервалов.(искл чая переходной процесс) определяетс индукцией насыщения материала серде ника и не зависит от величины измер мого поля. В интервалы времени t и t ток на обмотке перемагничивания 2 ферро зонда (и вспомогательное поле) раве нулю, и сердечник саморазмагничивает .-ся до устойчивых- магнитных состояни определяемых величиной остаточной и дукции материала сердечника и индук цией измеряемого поля в сердечнике. Установившиеся в интервалы t... времени значения Ф . . . с} 4магнитного потока Ф(1)в сердечнике могут быть записаны в виде V-Фост о Фг-Фн 4-VT c где фц , (Qj. и фр - соответственно маг нитные потоки насы щения остаточной индукции и. измеряе мый . На выходе феррозонда 1 под действием данного потока наводится по закону электромагнитной индукции, ЭДС е(t) M«-w. где W - число витков выходной (сиг нальной) обмотки 4 феррозои да .1. В результате интегрирования ЭДС e(t) на выходе интегрирУкадего усилит теля 6 образуется ЭДС ) e..(.t1- JVKy « W -Koeo, где Кд - постоянная интегрирования, Кд - статический коэффициент передачи по напряжению интегр рующего усилителя, вр - ЭДС смещения (дрейфа) нуля на входе интегрирующего уси лителя 6. В соответствии с значениями Ф{ . .. Фд магнитного потока ф (t), ЭДС e(t в интервалы времени t . t. также д достигает установившихся уровней а,... ) % К С-Фост- ФоНКовоОнисанные преобразования поясняются фиг. 5, где показана замкнутая Kp зая 19 предельной петли перемагничивания сердечника, временная диаграмма 20вспомогательного поля перемагничивания сердечника при нулевом измеряемом поле и та же диаграмма 20-1, смещенная на величину .измеряемого поля с напряженностью f J диагргиимы 21и 21-1 изменения в сердечнике магнитного потока 0(t). Аналогичный вид - 21 и 21-1 имеет ЭДС e(t) без учета постоянного смешения на величину дрейфа нуля. Для выделения полезного сигнала и эффективного подавления составляющих ЭДС е(t), не несущих информации об измеряемом поле, дальнейшее преобразование уровней е. ,. . ведется по выражению (ед+ез-е2-ед), где т - напряжение на выходе 9 или ток в выходной цепи устройства, К - коэффициент пропорциональности. Данное преобразование технически наиболее просто и целесообразно осуществить посредством раздел1ьных операций сложения и вычитания с помощью решающего устройства, включающего два управляемых сумматора 7 и дифференциальный усилитель 8 .te,ej), . )-2KcCwiC4(i)o vCoeo) P K(02-U,)--2KK NWC))o, где и, и Urt - простоянные напряжения соответственно на выходах сумматоров 7 J Kj. - коэффициент передачи каждого из сумматоров; Kft - коэффициент передачи дифференциального усилителя, причем Kj... Для фиксации (измерения и запоминания) необходимых, чередующихся во времени уровней е...е ЭДС e(t) сум маторы 7 синхронизированы от источника 5 и имеют в своем составе накопительные (запоминающие) элементы. На конденсаторе 12 (фиг. 2) фиксируется выбранный с помощью ключевых элементов 11 необходимый уровень сигнала ex(t), а на конденсаторе 15 результат сложения в виде постоянного напряжения. Как видно из последнего выражения, выходной сигнал Р устройства пропорционален измеряемому магнитному потоку в сердечнике и свободен от составляющих обрабатываемого сигнала, ие несущих информации об измеряемом параметре, в том числе от ЭДС ео дрейфа иуля интегрирующего усилителя. Однако нёшичие постоянной составляющей дрейфа нуля, усиленной на выходе интегрирующего усилителя, может нарушить режим его работы и, в общем случае, требует применения специапьных мер балансировки усилителя, зачастую не обладающих необходимой эффективностью., Для устранения д&нного недостатка достаточно произвести подачу напряжения Щ или и 2. на вход интегрирующего усилителя. Например, показанной на фиг. 1 связью выхода сумматора 7 через согласующее устройство 10 (инвертирующий усилитель) с положительным входом интегрирующего усилителя 6 обеспечивается точная привязка выходного сигнала интегрирующего усилителя к нулю измерительной схемы по уровню и постоянного напряжения.

Из полученного выражения для выходного сигнала устройства видно, чт нестабильность по усилению интегрирующего усилителя б и дифференциального усилителя 8 непосредственно отражается на результатах измерений, особенно при точных измерениях широкого диапазона магнитных полей, для чего весь измерительный тракт охватывают цепью дополнительной обратной связи. Выходной сигнал устройства в этом случае в виде пропорционального тока поступает в обмотку компенсации 3. С помощью данной обратной связи осуществляется приемлемый в предлагаемом устройстве известный режим автокомпенсации измеряемого поля полем тока в обмотке компенсации, за счет чего исключается влияние нестабильности коэффи циентов передачи активных элементов устройства на результаты измерений в широком диапазоне измеряемого поля.

Работа устройства по фиг. 1 в случае применения дифференциального феррозонда по фиг. 3 аналогична вышеизложенной. Представив дифференциальный феррозонд как два одноэлементных феррозонда, встречно включенных по входу перемагничивания и согласно по остальным цепяМ (см. фиг. 3), нетрудно убедиться, что различия сводится к иному количественному соотношению между полезным сигналом и помехой. В качестве помехи и в данном случае рассматрива1ются уровни сигнала е и e-jf пропорциональные потоку насыщения, и составляющие уровней е и пропорционал ные остаточной индукции, сердечника, а в качестве полезного сигнала - составляющие уровней е и е, пропорциональные измеряемому магнитному потоку в сердечнике.

Так как упомянутое соотношение синала и помехи всегда более выгодно в случае применения дифференциальных феррозондов, применение последних предпочтительно, но должно соразмеря

ся с повышенной сложностью их реализации и задачами измерения.

Формула изобретения

1.Способ измерения магнитного поля, включающий намагничивание сердечника до состояния насыщения, размагнчивание его до установившегося магнитного, состояния, повторное, но в противоположном направлении, намагничивание сердечника до состояния насыщения и повторное размагничивание его до установившегося магнитног состояния, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, выходной сигнал феррозонда интегрируют, фиксируют установившиеся уровни полученного сигнала для каждого из четырех установившихся магнитных состояний сердечника, суммируют два зафиксированные уровня сигнала, соответствующие состояниям намагниченного сердечника, два зафиксированные уровня сигнала, соответствующие состояниям размагниченного сердечника, находят разность полученных суммарных значений сигнала и

по величине и полярности разностного :игнала судят о величине и направлении измеряемого поля.

2.Устройство для реализации спосба по п. 1, содержащее феррозонд и связанный с ним источник знакопеременных импульсов тока, о т л и ч а ю щ ё е с я тем, что оно снабжено интегрирующим усилителем, подключенным к выходу феррозонда, дифференциа ным усилителем и двумя управляемыми сумматорами, соединенными сигнальными входами с выходом интегрирующего усилителя, управляющими входами - с упомянутым источником, а выходами - со входами дифференциального усилителя, при этом выход одного из управляе№лх сумматоров соединен со входом интегрирующего усилителя, а выход дифференциального усилителя - с дополнительным входом феррозонда.

3.Устройство .по п. 2, отличающееся тем, что каждый из управляемых сумматоров выполнен в виде четырех управляемых ключевых элементов, соединенных в мостовую схему, два противоположных вывода которой соединены через конденсатор, а два других со входом и выходом.сумматора относительно шины нулевого потенциала, причем параллельно выход сумматора включен второй конденсатор а управляющие входы накрест лежащих ключевых элеме.нтов попарно объединены.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Афанасьев Ю.В. Феррозонды. Л., Энергия, 1969, с. 10-34.

2.Авторское свидетельство СССР 629516, кл. G 01 R 33/00. 1975.

1Ь

/7

I

Фиг. 2

tz

tJf

Фиг.