Магнитометр Советский патент 1981 года по МПК G01R33/07 

(54) МАГНИТОМЕТР

Изобретение относится к измерительно технике и может быть использовано для измерения магнитных полей в различных областях науки и техники. Преимуществен но оно предназначено для прецизионных измерений вариаций геомагнитного поля, например для задач магнитной разведки месторождений полезных ископаемых. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является магнитометр, который содержит датчик Холла, источник постоянного тока.для питания датчика, усилитель, измерительную схему и катушку компенсации поля. В известном устройстве часть измеряемого поля компенсируется катушкой, а остаток контролируется измерительной схемой. Этим достигается существенное расширение динамического диапазона Г13 Однако даже относительно малые флук туации компенсирующего поля обусловливают непригодность известного устройст ва для прецизионных измерений. Это связано с нестабильностыо параметров самой катушки компенсации, а также протекающего в ней тока. Цель изобретения - повышение точности измерений. Цель достигается тем, что в магнитометр, содержащий . последовательно соединенные источник постоянного тока, датчик Холла и усилитель, первый измерительный блок, выход которого подклю ен к первому входу сумматора, подключенного к индикатору, а также катушку компенсации поля, дополнительно ;введены подключенные к выходу усилителя последовательно соединенные полосовой фильтр и второй измерительный блок, выход которого подключен ко второму входу сумматора, фильтр нижних частот, своим входом подключенный к выходу усилителя, а выходом ко входу первого измерительного блока, и процессор с ци4фоаналоговым преобразователем на выходе, подключенный к катушке компенсации поля.

Для расширения функциональных возможностей магнитометра (в сторону обеспечения выдачи результатов как о величине измеряемого поля, так и его вариациях), с выходов измерительных схем сигналы могут поступать на устройство отображения информации как непосредственно, так и с выхода сумматора, формирующего сумму этих сигналов.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

Магнитометр содержит датчик Холла 1 источник 2 постоянного тока, усилитель 3 выходных сигналов датчика, а также фильт 4 нижних частот. Кроме того, устройство дополнено измерительным блоком 5 нескомпенсированного остатка измеряемого поля, полосовым фильтром 6, измерительным блоком 7 поля компенсации и катушкой 8 компенсации поля. Состав устройства завершают цифроаналоговый преобразователь 9, процессор 1О, сумматор 11 и устройство 12 отображения информации, состоящее из индикаторов 13, 14 и 15. При этом выход датчика 1 связан через усилитель 3 со входами фильтров 4 и 6, выходы которых подключены к измерительным блокам 5 и 7 соответственно. Токовыми электродами датчик соединен с источником 2, Выход процессора 1® подключен ко входу цифроаналогового преобразователя 9, выход которого нагрунсен катушкой 8, индуктивно (по магнитному полю) связанной с датчиком.

Вход процессора через аналого-цифровой преобразователь отдельный или выполненный за одно целое с процессором, может быть связан с выходом измерительного блока 5. При этом роль названного аналого-и рового преобразователя может выполнить также сам блок 5 (при соответствующем его конструктивном типе), или устройство может сожержать такой преобразователь на вьгходе усилителя 3, поэтому место установки названного аналого-цифрового хфеобразователя (т.е. в какой конкретно блок он мог бы конструктивно входить) на чертеже не конкретизировано.

Роль измерительной схемы могут выполнять как обыкновенные стрелочные гальванометры, так и аналого-ци4чх)вые преобразователи, электроннолучевые самописцы и т.п.

Магнитометр работает следующим обрюзом.

Основная часть измеряемого поля Н . кo пeнcиpyeтcя с помощью катушки 8. HfiHHeM измегх ншо подлежит как остаток

компенсации, так и само компенсирующее поле Н . Попе компенсации контролируется измерительным блоком 7 и отображается индикатором 15, а остаток - соответственно блоком 5 и индикатором 13. Результат измерения формируется из показаний обоих приборов, т.е. старшие разряды и поправка к младщим - из показаний индикатора 15, а младшие - из показаний индикатора 13. В устройстве отображения информации 12 предполагаются задачи индицирования как показаний индикаторов 13 и 15 в отдельности, так и их суммы (для чего предусмотрен дополнительный инди5 катор 14), формируемой сумматором 11. Выбор вида показаний - в зависимости от конкретного вида измерений - градиентных или сразу величины поля.

Существенной особенностью магнитометра является то, что поле компенсации прямому измерению не подлежит. Информацию об амплитуде этого поля несет сигнал ци4роаналогового преобразо;вателя 9, который согласно предусмотренной здесь специализированной функции

процессора, наряду с напряжением компенсации выдает в катушку 8 синусоидальный сигнал постоянной частоты с амплитудой, пропорциональной напряжению компенсации (что легко может-одновременно генерироваться с высокой точностью несложным быстродействующим процессором в сочетании с прецизионным цифроаналоговым преобразователем). Причем алгоритмом работы процессора предусмотрено, чтобы величина получаемого (от этого сигнала) переменного поля была сравнима с величиной нескомпенсированного остатка, т.е. первая из этих величин поддерживается в пределах того порядка значений (от превышения в 1,5-2 раза до 2-3 кратно умноженного значения по сравнению с величиной нескомпенсированного остатка), какой в текущий jitoMeHT измерений имеет вторая - нескомпенсированный остаток измеряемого поля. Этому служит, например, связь .16 входа процессора с выходом блока 5 (на чертеже показано пунктиром, как не единственно-возможный вариант обеспечения названного условия) или выходом фильтра 4, если 5 - просто стрелочный гальванометр.

Вследствие этого, процессор выбирает . тот или иной масштаб для переменного на1фяжения, отображающего напряжение (и,

5 следовательно, поле Н|) компенсации одновременно с этим устанавливая соответствующий масштаб отображения, т.е. коэффициент преобразования, в измерительном блоке 7 (на чертеже показана пунктиром связь 17 - возможный вариант учета масштаба) или индикаторе 15. По аналогичному принципу, т.е. с помощью связи 16, процессор выбирает и саму величину генерируемого им напряжения компенсации, так чтобы поддерживать величину нескомпенсированного остатка в пределах значений, соответствующих параметрам чувствительной части устрюйства (Холловского датчика с концентраторами). При этом, если используется изменение масштаба сигнала отображения поля компенсации, то напряжение компенсации может изменяться процессором относительно редко, например по дискретному ряду фиксированных значений.

Величина нескомпенсированного остатка измеряемого поля и такого же порядка переменная составляющая поля, создаваемая названным синусоидальным сигналом (который преобразуясь в аналоговую форму вместе с напряжением компенсации, всегда с высокой точностью пропорционален ему), одновременно воспринимаются датчиком 1 Холла, питаемым от источника 2, и через усилитель 3 поступают каждая на свой измерительный блок благодаря работе фильтров 4 и 6. Причем первый из них выделяет нескомпенсированный остаток, а второй - переменный сигнал, который на выводах катушки 8 пропорционален напряжению компенсации.

В отношении предпочтительного выбора конкретных реализаций устройства, можно отметить, что дискретное ;манипу лирование величинами Hj. и масштаба дает определенные преимущества в аппаратурных затратах и достигаемой точности аналого-цифровой преобразовательной части системы. Этот вариант характеризуется также минимальным влиянием запаздывани в перюстройке сигналов процессора на точность измерений. Однако в случаях более критической роли динамического диапазона чувствительной части устройства (т.е. при много более высоком по сравнению с ней качестве остальной - аналого-цифровой части), предпочтительным для весьма распространенной части услобий использования будет вариант без перестройки масштаба отображения Н| (в этом случае связь 17 не нужна), .а вместо этого - с более частым (мелкодискретным) варьированием величины напряжения компенсации, что соответственно уменьшает размах колебаний величины Н поля нескомпенсированного остатка и позволяет полностью занять ею динамический диапазон датчика Холла.

Данный вариант, таким образом, может уступать по быстродействию (влияние запаздываний в процессоре, а также быстрых частых перестроек амплитуды его сигнала на обработку последнего фильтром б), но обещает максимально-достижимую, для данных датчика с концентраторами, статичес- , кую точность измерений по критерию полноты использования динамического диапазона этой чувствительной части (т.е. в расчете на доведение остальной аналогоцифровой элементной базы устройства до заведомо более высокого уровня).

Такты образом, в предлагаемом магнитометре удалось не только сделать возможным поправку показаний при градиентных измерениях на флуктуации величинь компенсируюшегр поля, и одновременно (ценой незначительных дополнительных затрат по сравнению со стоимостью чувствительной части) реализовать измерение в отдельности, реальной величит1ы этого поля с точностью, соответствующей предельным (т.е. в статическом режиме) возможностям того же чувствительного Холловского тракта, который используется для основного интересующего сигнала нескомпенсированного остатка. При этом учитывая сгатисгичсски постоянный уровень синусоидального сигнала о поле компенсации (в течение типичного промежутка времени измерений - когда процессор не перестраивает характеристики генерируемых сигналов), он, в отличие от сигнала не- . скомпенсированного остатка, быть подвергнут на несколько порядков более глубокой статистической обработке, что позволяет обеспечить измерение данной постоянной составляющей и ее флуктуации практически до таких же младших разрядов точности, что во много раз меньше по величине сигнала нескомпенсированного остатка. Поэтому динамический диапазон магнитометра, благодаря всем изложенным здесь мерам, может достигать величины Ц , где N - динамический диапазон известного магнитометра. Широкие функциональные возможности устройства, т.е. гфигодность для измерения как общей величины магнитного поля с высокой точностью (почти достигающей точности градиентных измерений данной системой), так и его вариаций, обусловливают возможность широкого использования прибора в различных областях народного хозяйства и научных исследований. .Формула изобретения

Магнитометр, содержащий последовательно соединенные источник постоянного тока, датчик Холла и усилитель, первый измерительный блок, выход которого под ключен к первому входу сумматора, подключенного к индикатору, а также катушку компенсации поля, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены подключенные к выходу усили теля последовательно соединенные полосовой фильтр и второй измерительный блок, выход которого подключен ко второму входу сумматора, фильтр нижних s частот, своим входом подключенный к выходу усилителя, а выходом - ко входу первого измерительного блока, и процессор с цифроаналоговым преобразователем на выходе, подключенный к катуиже компенсации поля. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Афанасьев Ю. В. и др. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. Л., Энергия, 1972, с, 2О2-205