Устройство для измерения магнитнойиНдуКции Советский патент 1981 года по МПК G01R33/02 

( 1

Устройство относится к магнитным измерениям и может быть использовано для точных измерений индукции магнитных полей в широком диапазоне значений индукции.

По основному авт.ев. № 756325 : известно устройство для измерения магнитной индукции, содержащее двухзажимный магниторезистор, источник опорного напряжения, два переключателя, интегратор, сравниваю ций блок, селектор, генератор импульсов, реверсивный счетчик, двоичный умножитель частоты и блок управления, выходы которого соединены с входом селектора и входами переключателей, первый вход первого из которых соединен с первым выходом источника опорного напряжения и с одним из зажимов магниторезистора, другой зажим которого заземлен, при этом выход первого переключателя через интегратор и сравнивающее устройство соединен с выходом селектора, второй вход которого связан с выходом генератора импульсов, | выходс входом i счетчика результата двоичного умножителя частоты, а также дополнительную катушку, резистор и источник постоянного тока, управляющий вход которого связан с блоком управления, .два сигнальных выхода соединены с входами второго переключателя, ВЫХОДЫ которого подключены к зажимам катушки, создающей образцовое магнитное поле, пронизывающее магниторезистор, заземленный зажим которого соединен с одним зажимом резистора другой зажим подключен ко второму выходу источника опорного напряжения и ко второму входу первого переключателя, а выход селектора соединен с входом одной из схем совпаденияи с суммирующим входом реверсивного счетчика управления двоичного умножителя частоты, вычитающий вход -которого соединен с выходом селектора, а информационные выходы подключены к входам группы схем совпадения, вторые входы которых связаны с информационными выходами счетчика результата, а выходы подключены к входам схемы собирания, один из входов которой соединен с выходом селектора, а выход связан с суммирующим входом реверсивного счетчика, вычитающий вход которого соединен с выходом селектора, вход управления которого связан с выходом реверсивного счетчика Ц.

Однако точность измерения с помощью известного устройства недостаточна.

Цель изобретения - повышение тбч нести измерений при расширении рабО чего диапазона измерения магнитной индукции.

Для достижения поставленной цели в устройство, содержащее магниторе истор, источник опорного напряжения резистор, переключатель, катушку, : источник постоянного тока, интегратор, сравнивающее устройство,селектор, генератор импульсов, рав рсивный счетчик импульсов, блок управления, выходы которого соединены со входами селектора, переключателя, источника постоянного тока, первый выход которого подключен к первому зажиму катушки, создающей образцовое магнитное поле, пронизывающее магниторезистор, один из зажимов которого через первый провод линии свйэи Соединен с заземленным зажимом резистора, другой зажим второй провод лийии связи подключен к первому входу переключателя и к одному из выходов источника опорного напряжения, другой выход которого соединен с другим зажимом резистора и с ;вторым входом переключателя, выход которого через интегратор и сравнивающее устройство соединен со входом селектора, второй вход которого связан с выходом гейератора импульсов, а выход соединен со входом реверсивного счетчика, а также двоичный умножитель частоты, состоящий из реверсивного счетчика управления, счетчика результата, группы элементов совпадения И, элементов собирания ИЛИ, введены последовательно соединенные делитель частоты и второй элемент собирания ИЛИ, выход которого подключен к суммирующему, входу реверсивного счетчика, второй вход - к выходу селектора, первый вход .делителячастоты соединен с выходом первого элемента собирания ИЛИ, а второй вход - с выходом блока управления.

Кроме того, катушка снабжена многоэажимной катушкой, а переключатель, вход которого соединен с выходом источника постоянного тока, а выходы подключены ко второму зажиму первой катушки и к зажимам многозажимной катушки, вы полнен многоканальным, причем две катушки соединены .последовательно и помещены в магнитное поле вместе с магниторезистором.

На чертеже изображена функциона ьная схема устройства.

Устройство содержит источник 1 стабильного тока, переключатель 2, первую катушку 3., вторую многозажимную катушку 4, двухзажимный магниторезистор 5, источник б опорного напряжения, резистор 7, переключатель 8 интегратор 9, сравнивающий блок 10, селектор 11, генератор 12 импульсов, реверсивный счетчик 13, двоичный умножитель 14 частоты, состоящий из

реверсивного счетчика 15 управления, элемента собирания ИЛИ 16, группы элементов совпадения И 17 и счетчика 18 результата, блок 19 управления, делитель .20 .частоты, второй элемент собирания ИЛИ 21. Выходы блока 19 правления соединены со входами селектора 11, переключателя 8, источник 1 тока, первый вход которого подключен к первому зажиму катушки 3, создающей образцовое магнитное поле, пронизывающее магниторезисторы 5, один из зажимов которого через первый провод линии связи соединен с заземленным зажимом резистора, второй зажим через второй провод линии связи подключен к первому входу переключателя 8 и к одному из входов источника 6 опорного напряжения, другой выход которого соединен с другим зажимом резистора 7 и со вторым входом переключателя 8,выход которого через интегратор 9 и сравнивающий блок 10 соединен со входом селектора 11, второй вход которого связан с выходом генератора 12 импульсов, а выход связан со входом реверсивного счетчика 13, вход многоканального переключа теля2 соединен со вторым выходом источника 1 тока, а выходы подключены ко второму зажиму первой катушки 3 и к зажимам многозажимной катушки 4, причем катушки 3 и 4 соединены последовательно и помещены в магнитное пол15 вместе с магниторезистором 5, а выходы селектора 11 соединены с одни из входов второго элемента собирания ИЛИ 21, со счетным входом счетчика результата, с суммирующими и вычитающими входами счетчика 15 управления а выход первого элемента собирания ИЛИ 16 через делитель 20 частоты с другим входом второго элемента собирания ИЛИ 21, выход которого связан с суммирующим входом реверсивного счетчика 13, выход которого соединен со входом управления селектора 11, выходом подключенного к дополнительному входу реверсивного счётчика 15 управления, являюще уся вычитающим . входом его второго триггера, при этом блок 19 управления соединен с делителем 20 частоты и со входом счетчика 18 результата.

Устройство работает следующим образом.

В области слабых полей зависимост сопротивления магниторезистора от индукции имеет квадратичный характер, затем она постепенно становится линейной и остается таковой вплоть до ID Т. При значениях индукции больше 10 Т кривая зависимости может быть нелинейной. Кривая зависимости сопротивления магниторезистора от индукции симметрична.

Устройство работает в четырех поддиапазонах магнитной индукции. в первой области (квадратичная характкристика магниторезистора) устройство работает следующим образом. В исходном состоянии счетчики 13, .15 и 18 сброшены в состояние.нуля, переключатель 8 находится в нейтраль ном положении, а переключатель 2 находится в положении О. В первом цикле коммутации сигнал из блока 19 управления подключает переключатель 8 в верхнее положение на время периода напряжения сети. На магниторезистор действует лишь измеряемое маг нитное поле с индукцией. В момент t - Т блок 19 управления переводит переключатель 8 в нижнее положение и открывает селектор 11 по дополнительногду входу реверсивного счетчика 15 управления. При этом в интеграторе 9 интегрируется напряжение до момента равенства нулю его выходного напряжения, которое фиксируется срав нивающим блоком. В реверсивном .счетчике 15 зафиксируется дополнительный код числа Nx| , поскольку импульсы поступают на вычитающий вход второго триггера реверсивного счетчика 15. Во втором цикле коммутации по сиг нашу блока 19 управления включается переключатель 2 в положении I,вследствие чего через катушку 2 начинает протекать ток от источника I, приводящий к возникновению образцовой индукции BO, совпадающей по направлению с измеряемой индукцией ВА . В результате преобразования,основанного на принципе двухтактного интегрирования на суммйрующий вход счетчика 15 упра ления и на вычитающий вход реверсивного счетчика 13 во время второго цикла коммутации поступает число импульсов N/2 . Так как в конце первого цикла коммутации в реверсивном счетчике 15 зафиксирован дополнительный код числа N, то к концу второго цик ла коммутации в нем зафиксируется число ) N/2 - N-I.. На третьем цикле коммутации перек лючатель 2 находится в том ж положении (положении I), блок 19 управле ния изменяет на противоположное направление тока в катушке 3. Вследстви этого на .ма гниторезистор 5 воздейств ют два постоянных противоположно нап равленных магнитных поля с индукциями В и Bff. К концу третьего цикла кои(1мутации в результате интегрирующего время-импульсного преобразования на суммирующий .вход счетчика 13 и на вход второго элемента собирания ИЛИ 21 поступает число импульсов . Так как к концу второго цикла коммутации в реверсивном счетчике 15 управления зафиксирован код числа Nii, - sN - N,то к концу третьего цикла в нем зафиксируется число N..Поскольку в реверсивном счетчике 13 зафикси рован код числа М, то к концу треть его цикла в нем зафиксируется число N N, - N. После третьего цикла блок 19 управления открывает селектор 11 по входу счетчика 18 результата, вследствие чего на его вход поступают импульсы с частотой следования f до момента, когда реверсивный счетчик 13 переходит в нулевое состояние. При этом в счетчике результата зафиксируется число импульсов N, пропорциональное измеряемой индукции B) .После преобразования при коэффициенте деления делителя частоты Кд - 1 получим В, -|f- N:, ; (1) где NO - информационная емкость счетиков 15 и 18 , ffc . -- 0 2--Этот режим измерения применяется только в диапазоне магнитной индукции, которая определяется из соотношения BO - BX Вд vnin , где Влп лпграница между начальным нелинейным и линейным участкам и характеристики магиитореэисторов. Если измеряемая магнитная индукция нахрдится во второй области линейной характеристики, то процесс измерения осуществляется следующим образом. В исходном состоянии счетчики 13, 15 и 18 сброшены в состояние нуля, , переключатель 8 находится в нейтральном положении, а многоканальный переключатель 2 - в положении О. В пер- . вом цикле коммутаций блок 19 управления переводит переключатель 8 в верхнее положение на время периода Т напряжения сети. На магниторезистор действует лишь измеряемое магнитное поле с индукцией . К концу первого цикла коммутации после преобразования на вычитающий вход счетчика 15 поступает число импульсов N . Во втором цикле коммутации переключатель 2 находится в положении II, через катушку 3 и первую и вторую обмотки катушки 4 протекает ток. В результате преобразования на суммирующий вход счетчика 15 и на вычитающий вход счетчика 13 поступает число импульсов N/ . Так как к концу первого цикла в счетчике 15 зафиксирован дополнительный код числа N4 , то к концу второго цикла в нем зафиксируется число N3 . В третьем цикле коммутации переключатель 2 находится в том же положении, что и во втором цикле, в направление тока изменяется на . противоположное. Количество импульсов к концу третьего цикла, поступивг шее на вход второго элемента собирания ИЛИ 21, равно . Так как к коицу второго цикла в счетчике 13 зафиксировано число Nj , то к концу третьего цикла в нем зафиксируется число импульсов N5 NO. - N4 . Одновременно блок 19 управления открывает селе тор 11 по входу счетчика 18, на вход которого начинают поступать импульсы с частотой f(j до момента, когда реверсивный счетчик 13 переходит в нулевое состояние. При этом в счетчике результата зафиксируется число импул сов N . После преобразования получи

.-ifc b.- 2)

Вторая область измерения может охватить весь линейный участок характеристики магниторезистора, ограниченный пределами « лтах- ° этому в третьей области линейной характеристики магниторезистора устройство работает следующим образом.

В исходном положении все счетчики сброшены в состояние нуля, переключатель 8 находится в нейтральном положении, а переключатель 2 - в положении О.

В первом цикле коммутации на катушки 3 и 4 поступает ток, вследстви чего на магниторезистор действует лишь измеряемая магнитная индукция BX . В результате преобразования на вычитающий вход реверсивного счетчика 15 управления поступает число импульсов NI .

Во втором цикле коммутации переключатель 2 находится в положении I. При этом на магниторезиотор воздействует образцовое и измеряемое магнитное поле, с индукциями BQ я В , Ъ результате преобразования на суммирующий вход реверсивного счетчика 15 и на вычитающий вход счетчика 13 поступает число импульсов N, . Так как к концу первого цикла в счетчике 15 зафиксировано число N , то к концу второго цикла в нем зафиксируется ко

числа N - N;J - .

В трет1 ем цикле коммутации переключатель 2 переводят в положение У, а сигналом блока 19 управления меня/ется направление тока. При этом на магниторезистор воздействуют два противоположно направленных магнитных поля с индукцией В и %Вд. К концу третьего цикла на вход элемента собирания ИЛИ 21 поступает число импульсов Ыд . С учетом числа импульсов Njj , которые поступили на эычитающий вход счетчика,. 13 к концу третьего цикла в нем зафиксируется число импульсов t Nj N - - N

После третьего цикла по сигналу блока управления в счетчике 18 записывается код числа N и через некоторое время открывается селектор 11 по входу сче11чика 18. К концу четвертог цикла на вход счетчика 18 результата Поступает число импульсов Ы , а в счетчике 18 зафиксируется код числа при Кд 1 . N « + N. При N «:г .(Кв - I) NOf после преобразования

. И

имеем BX « 7

Расширение рабочего диапазона индукции в нелинейной области квадратичной характеристики магниторезистора основано на принципе перемещения индукции, пронизывающей магниторезистор в линейном участке характеристики. .

В исходном состоянии все счетчиг ки сброшены в нулевое состояние. В первом цикле коммутации переключатель 2 находится в положении III. Ток,протекающий через катушки, создает противоположную по направлению с измеряемой индукцию. В результате преобразования на суммирующий вход счетчика 15 и вход счетчика 13 поступает чис-ло. импульсов . Во втором цикле переключатель Z находится в положении 1У. На магниторезистор воздействуют .два противоположно направленных магнитных поля с индукциями В и .

К концу второго цикла на вычитающий вход реверсивного счетчика 15 поступает число импульсов N, С учетом .поступившего количества импульсов N в счетчике 15 зафиксирован код числа .

В третьем цикле коммутации переключатель 2 находится в положении У1.

На магниторезистор воздействуют . два противоположно направленных магнитных поля с индукциями В и KgB(j,

Во втором цикле через элемент собирания ИЛИ 21 на суммирующий вход счетчика 13 поступает число импульсов

1М

концу цикла в нем зафикси4 f а К N руется число импульсов Ы.

в четвертом цикле коммутации по сигналу блока управления в счетчике 18 устанавливается код числа N и через некоторое время открывается селектор 11 по входу счетчика 18 результата. На Вход счетчика 18 поступают импульсы с частотой f до момента, когда реверсивный счетчик 13 переходит в нулевое состояние. Количество импульсов, которое поступило на вход счетчика результата, будет равно

111КтИ . ЦТ . ТЛ I

. : -„NO-KA

III

a к концу цик:wTl

.-N;

ла обработки результата измерения в счетчике 18 результата зафиксируется Чод числа N, + N .

Если коэффициент деления Кд делителя 20 частоты равен К - К и к - NO (К +Кэ)/ то после преобразования измеряемая индукция определяется по формуле

ВС-1-, И)

Таким образом, в устройстве обеспечена независимость результата измерения от временной и температурной нестабильности параметров магниторезистора линии связи, коэффициента передачи схемы, так как измеряемая магнитная индукция Ие зависит от начального сопротивления RO и ROI, удельной чувствительности магниторезистора 5, их температурной и временной нестабильности, значения частоты f генератора 12 импульсов, нестабильности опорного напряжения Од, сопротивлени Соединительных проводов г г г, и резистора R-j , их значения, постоянной времени к- интегратора 9, что при «одит к повышению точности измерения. Кроме того, устройство позволяет расширить рабочий диапазон измеряеМой индукции не только в линейном частке, но и в области индукций, пре вышающих 10 Т. Формула изобретения Устройство для измерения магнитной индукции по авт.св. 756325, о т л ичающееся тем, что, с целью Повышения точности измерений, в него пополнительно введены последовательно соединенные двигатель ча чоти и второй элемент собирания ИЛИ, выход которого подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика, второй вход - к выходу селектора, первый вход делителя частоты соединен с выходом первого элемента собирания ИЛИ, а второй вход - с выходом блока ynpaiiпения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, 4Yo катушка снабжена многозс1жимной катушкой, а переключатель, вход которого соединен с выходом источника: постоянного тока, а выходы подключены ко второму зажиму первой катушки и к зажимам многозажимной катушки выполнен многоканальным, причем две катушки соединены последовательно и помещены в магнитное поле вместе с магниторезистором. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 756325 от 24.04.78.

.J .