Способ измерения магнитного поля и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК G01R33/07 

I

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении магнитных полей, например при воздействии поля на биологические объекты, а также при измерении весьма слабых магнитных полей при диагностику магнитного состояния организма, развед. ке полезных ископаемых.

Известен способ измерения магнитно го поля и устройство для его реализации, представляющее собой датчик Холла, на который воздействуют измеряемьп магнитным полем при одновременном пропускании через токовые электродь датчика электрического тока и съема информативного напряжения с Холловских электродов.

Из-за несовершенства технологии из готовления датчиков Холла и вследствие специ(})ики распределения электрического поля в неидеально чистом полупроводнике на его выходных зажимах (Холловских электродах) при отсутствии магнитного поля появляется напряжение неэквипотен-

циальности, возникновение которого объясняется следующим образом. При пропускании тока через токовые электроды датчика Холла на пластине последнего образуется падение напряжения, которое вызывает появление электрического поля внутри пластины. Конфигурация эквипотенциальных линий этого поля является сложной функцией состава полупроводникового материала, технологии его обработки, условий крепления и эксплуатации, поэтому не удается закрепить Холловскнё электроды точно на одной и той же эквипотенциальной линии. Поскольку потенциалы обоих выводов не равны между собой и зависят от многих причин, напря жение неэквипотенциальным присутствует практически всегда и изменяется по случайному закону, что приводит к недопустимому возрастанию аддитивной погрешности (погрешности измерений).

Особенностью известного способа является то, что напряжение неэквипотенпчальности компенсируется изменением потенциала одного из холловских электро дов. Датчик Холла в этом случае может быть представлен в виде эквивалентного резисторного моста, поэтому известный способ компенсации заключается в уравновешивании мостовой схемы с помощью включенного в выходную цепь датчика резистивного регулируемого делителя напряжения, который питается от вспомогательного источника. Регулирование осуществляют до момента достижения ус ловного нулевого значения выходного сигнала схемы | 1 . Недостатком этого способа и устройства является низкая точность измерения вызванная высокой мультипликативной погрешностью, неполная компенсация напряжения неэквипотенциальности вследствие конечной чувствительности измерительного прибора, подсоединенного к вы- хощ схемы, а также сложный характер функциональной связи ЭДС неэквипотен- циалькости с приращением температуры окружающей среды, изменением тока питания датчика и с временными вариациями параметров устройства. Кроме того, необходимость установки нулевого показания прибора, т.е. калибровки перед частным измерением исключает возможность проведения абсолютных измерений индукции магнитного поля. Известен также способ согласно кото рому предусматривается пропускание тока через токовые электроды датчика Холла, помещенного в измеряемое магни ное поле и измерение напряжения, снятого с холловских электродов датчика, затем ток пропускают через холловские электроды датчика с последующим измерением информативного напр5шения на токовых электродах и дальнейшим сумми рованием напряжений, снятых с токовых и холловских электродов. Данный способ позволяет исключить аддитивную погрещность, вызванную наличием ЭДС неэквивалентности. Устройство для реализации этого способа содержит датчик Холла, источник питания, подключенный к токовым и холловским электродам датчика через коммутатор, и измерительный усилитель, входные зажимы которого подключены к выходу коммутатора, а выходные - ко входам измерите(1ьного прибора 2 J . Недостатком способа является повыщен мультипликативной погрещности вследств неравномерного и неодинакового нагрева 9 84 датчика при протекании большого тока питания по токовым и холловским электродам, имеющим разное конструктивное и технологическое выполнение. Цель изобретения - снижение мультипл1жативной погрешности измерений. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения магнитного поля, заключающемуся в пропускании тока через токовые и холловские электроды датчика Холла, помещенного в измеряемое магнитное поле, через участки датчика, заключенные между каждым из токовых электродов и смежными с ними холловскими электродами, пропускают вспомогательный ток и сравнивают между собой напряжения между каждым из холловских электродов и смежными с ними токовыми электродами. Поставленная цель достигается также тем, что в устройство, содержащее датчик Холла, источник питания, подключенный к токовым электродам датчика, измерительный усилитель введены блок сравнения, дополнительный источник питания и две пары трансформаторов, первичные обмотки которых подключены параллельно участкам между смежными электродами, вторичные обмотки этих трансформаторов соединены последовательно между собой и источником вспомогательного тока, а индуктивно связанные с первичной обмоткой дополнительные обмотки всех трансформаторов и обе пары между собой включены встречно, причем выход обмоток подведен к первому входу блока сравнения, второй выход которого через упомянутый усилитель соединен с выходом холловских электродов. На чертеже изображена функциональная схема устройства для .осуществления способа измерения магнитного поля. Способ измерения магнитного поля заключается в том, что через каждые из токовых электродов и каждый из смежных с ним холловский эпектрод пропускают вспомогательный ток, величина которого нормирована, благодаря этому обеспечиваются одинаковые температурные условия для всех элементов датчика Холла и практически полное исключение влияния вспомогательного тока на погрещность измерения. Наличие одинаковых температурных условий датчика Холла на всех его элементах, достигнутых путем исключения операции пропускания тока питания через холловские электроды, позволяет снизить мультипликативную погрешность устройст ва, вызванную неравномерностью и неста ционарностью нагрева различных участков датчика Холла. Для реализации способа снимают паде ния напряжения между каждым из холлов кюс электродов и смежными с ними токовыми электродами, после чего получают результирующими напряжения, вычитают их одно из другого и выделяют, таким образом, значение напряжения неэквипоте циальности, которое затем вычитают из напряжения, снимаемого из холловских электродов. Полученный сигнал является полезным, несущим информацию об уровне ЭДС неэкБИПОтенциальности. В соответствии со способом выполняют устройство в состав которого входит датчик 1 Холла, четыре трансформатора по числу участков между холловскими электродами, первичные обмотки 2, которые подключены параллельно участкам между смежными электродами. Вторичные обмотки 3 всех трансформаторов соединены последовательно между собой и источником 4 вспомогательного тока. Индуктивная связь между обмотками 2 и 3 происходит из-за наличия сердечников 5. На сердечниках 5 расположены дополнительные обмотки 6, предназначенные для выделения информативного сигнала с ЭДС неэквипотенциальности. Пары обмоток 6 и обмотки в каждой паре соединены между собой встречно и последовательно и подключены ко входу разделительной цепи 7, составленной из сопротивления 8 и конденсатора 9, номиналы которых подобраны из условия надежной фильтраци напряжения, изменяющегося с частотой тока питания датчика Холла. Холловские электроды 10 датчика соединены с усилителем 11. Выход этого усилителя 11 соединен со входом бло ка 12 сравнения, выполненного по схеме резисторного нелинейного сумматора. Оба входа блока 12 сравнения соединены с детекторами максимального значения, выделяющими положительную полярность напряжения по одному из входов и отрицательную - по другому. Первый детектор собран на основе диода 13 и конденсатора 14, а второй - на основе элементов 15 и 16. С помошью резисторов 17 - 19 осуществляется вычитание напряжений, полученных на выходах обоих детекторов. Блок 12 сравнения одним входом подключен к выходу усилителя 11 а другим - к цепи 7. Выход блока 12 сравнения является выходом устройства. В качестве генератора вспомогательного тока используется перестраиваемый-генератор, частота которого устанавливается примерно в 1О раз большей частоты тока питания датчика Холла, проходящего через его токовые электроды 2 О. Устройство работает следующим образом. Напряжение генератора вспомогательного тока подается на обмотки 3 трансформаторов, благодаря чему в них индуцируется магнитное поле. Вследствие магнитной связи катушек 3 и 2 трансформаторов, в последних также возникает разность потенциалов, благодаря чему через участки датчика Холла, заключент ю между каждым из токовых электродов и смежными с ними холловскими электродами протекает электрический ток, значение которого устанавливается с помощью генератора вспомогательного тока. Из-за наличия магнитной связи между обмотками 2, 3 и 6 трансформаторов в обмотках 6 также индуцируется ЭДС. Так как обмотки 6 подключены параллельно участкам датчика Холла, заключенным между каждым из токовых электродов и смежными с ними холловскими электродами, а также благодаря встречному соединению обмоток б посредством них выделяется электрическое напряжение, представляющее собой разность напряжений между сигналами одной и другой ветвей. Поскольку числа витков всех обмоток 2, 3 и 6 каждого трансформатора равны между собой, напрян ения, снимаемые с выходов каждой пары обмоток 6, равны разности падений напряжений на участках датчика 1 Холла между холловским электродом 10 и смежными с ним токовыми электродами 20, которое в свою очередь зависит только от сопротивлений указанных участков датчика Холла, если оставлять неизменным ток генератора вспомогательного тока и характеризует часть ЭДС неэквипотенциальности устройства. Так как имеется еще одна аналогичная пара участков датчика 1 Холла и относ5пцихся к ним обмоток 2, 3 и 6 трансформаторов, то аналогичное явление наблюдается и при работе второй упомянутой пары. Поскольку обе пары обмоток 6 соединены между собой встречно, то падение напряжения на концах такого соединения представляет собой разность напряжений. Это напряжение, рпгяюе напряжению неэкБИпотенциальности, поступает на ь.сод разделительной цепи 7, преднаэначенной для выделения информативной составляющей полезного сигнала от неин формативной, представпяюшей собой напряжение наводок от цепи источника пита ния датчика 1. При помещении датчика 1 в измеряемое магнитное поле и поступлении напря жения питания на токовые электроды 20 в датчике 1 индуцируется напряжение, которое снимается с холловских электродов 1О. Это напряжение подается на уси литель 11, усиливается в нем и затем поступает на вход блока 12 сравнения, а именно на вход диода 13, выпрямляюшего отрицательный полупериод напряжения. Частоты генераторов вспомогательног тока и источника питания датчика 1 отличаются друг от друга примерно в 1О раз, для того, чтобы облегчить отфильтрование информативной составляющей по- Jie3Horo сигнала от его неинформативной .составляющей с помощью цепи 7. Однак 1сравнение между собой разночастотных напряжений потребовало введение упомянутог выще диода. После выпрямления с помощью выпрямительных диодов 13 и 15 и конденсаторов 14 и 16, напряжение, представляющее собой информативную составляющую о напряжении неэквивалентности, сравнивается с напряжением, снимаемым с холловских электродов 10 по традиционной схеме резистивного сравнения. В результате сравнения получается сигнал, свободный от мультипликативной погрешности измерения, обусловленной неодинаковыми нагревами в различных зонах датчика 1 при воздействии тока питания на токовые и холЛовские электроды 10 при использовании известного способа. ; В случае изменения условий работы датчика 1 значение информативной составпяющей о напряжении неэквипотешш альнрс и изменяется. При этом одновремен rtio в ту же сторону изменяется и величинаЪапряжения, снимаемого с холловских электродов 10. Но разность между напряжением, снимаемым с холловских электродов и напряжением неэквипотенциальности, реализуемая с помощью блока 12 сравнения остается неизменной и представляет из себя полезный сигнал, свободный от напряжения неэквипотенциальности и неза98 8 висящий от различных условий рабо1Ъ1 датчика 1 при изменении возмущающих воздействий. Изобретение позволяет снизить мультипликативную погрешность измерения, обусловленную различными условиями температурных режимов на различных участках датчика Холла. Формула изобретения 1.Способ измерения магнитного поля путем пропускания тока через токовые и холловские электродь датчика Холла, помещенного в измеряемое магнитное поле, отличающийся тем, что, с целью снижения мультипликативной погрешности измерения, обусловленной различными температурными режимами работы электродов датчика, через участки датчика, заключенные между каждым из токовых электродов и смежными с ним холловскими электродами, пропускают вспомогательный ток и сравнивают между собой напряжения между каждым из холловских электродов и смежными с ними токовыми электродами. 2.Устройство для осуществления способа по п. 2, содержащее датчик Холла, источник питания, подключенный к токовым электродам датчика, измерительный усилитель, отличающееся тем, что в него введены блок сравнения, дополнительный источник питания и две пары трансформаторов, первичные обмотки которых подключены параллельно участкам между смежньпии электродами, вторичные обмотки этих трансформаторов соединены последовательно между собой и ист-очником вспомогательного тока, а индуктивно связанные с первичной обмоткой дополнительные обмотки всех трансформаторов и обе пары между собой вкл1Очены встречно, причем выход обмоток подведен к первому входу блока сравнения, второй вход которого через упомянутый усилитель соединен с выходом холловских электродов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Панчишин Ю. М., Усатенко С. Т. Измерения переменных магнитных колец. Киев, Техника , 1973. 2.Авторское свидетельство СССГ № 328786, кл. Q 01 R 33/06, 1 972.