Устройство для измерения параметров магнитного поля /его вариант/ Советский патент 1982 года по МПК G01R33/07 

Изобретение относится к измерительной техника и может быть использовано для измерения параметров магнитного поля, в частности для измерения магнитного поля синхрофазотрона. Известно устройство, используемое для автомического измерения магнитно го поля изохронного циклотрона ИАЭ им. Курчатоваг, содержащее источник опорного напряжения постоянного тока датчиков Холла, блок датчиков Холла в термостате, коммутатор, устройство управления и аналого-цифровой преобразователь tl. Однако из-за того,.что измерения происходят на постоянном токе, большое влияние оказывают наводки, дрейф аналого-циЛрового преобразователя, температурный дрейф остаточного напря;(ения датчика Холла, дрейф рабочего тока и т.д. Кроме того, хотя дат чик Холла находится в термостате-, соединительные провода, чог мутатор и измерительная система не термостатированы. Поэтому при изменении температуры соединительные провода, клеммы можно рассматривать как термопары, включенные последовательно с датчиками Холла в измерительную цепь, и при изменении температуры изменяется их термо ЭДС, что ограничивает динамический диапазон измерений. Известно также устройство для измерения параметров магнитного поля,содержащее последовательно соединенные датчик Холла, автоматический переключатель , усилитель, фазочувствительный выпрямитель, преобразователь напряжение-код и блок управления, а также источник стабилизированного напряжения, анализатор с соединенными с его разными входами схемами выделения и запоминания знаков, блок автоматической выборки знака измеряемого напряжения и цифровой индикатор .21. Однако точность измерения их недостаточна. 393 Цель изобретения - повышение точности измерения параметров магнитного поля. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения параметров магнитного поля, содержащее блок датчиков Холла, подключенный к коммутатору датчиков Холла, управляющие входы которого подключены к управ ляющему блоку, задающий генератор, последовательно соединенные усилитель и фазочувствительный выпрямитель и аналого-цифровой преобразователь, дополнительно введены преобразс|ватель напряжение - ток, вход которого подключен к выходу задающего генератора и второму входу фазочувствительного выпрямителя, а выход - к входу бло ка датчиков Холла, управляемый аттенюатор, входы которого связаны с выходом преобразователя напряжение-ток и входом усилителя, а выход - с входом коммутатора датчиков Холла, избирательный усилитель, включенный между коммутатором датчиков Холла и вторым входом усилителя, аналого-запоминающий блок, вход которого подключен к выходу фазочувствительного выпрямителя и к первому входу аналого-цифрювого-преобразователя, и блок управлёния усилителем, входы которого подключены к входу зналого-запоминающего блока и к выходу управляющего блока, другие выходы которого подключены ко второму аналого-цифрового преобразователя и к управляющему вход аналого-запоминающего блока, своим выходом подключенного к третьему входу аналого-цифрового преобразователя ВЫХОДЫ блока управления связаны с управляющими входами управляемого аттенюатора и с входом управляющего блока. Кроме того, цель достигается тем, что в устройство для измерения параметров магнитного поля, содержащее блок датчиков Холла, подключенный, к входам коммутатора датчиков Холла, управляющие входы которого связаны с выходами управляющего блока и анало го-цифрового преобразователя П последовательно соединенных усилителей и п фазочувствительных выпрямителей, первые входы которых подключены к вы ходам соответствующих усилителей, а вторые - к выходу задающего гёнератора, дополнительно введены преобразователь напряжение-ток, своим входом подключенный к выхсГду задающего генератора, а выходом - к входам блока датчиков Холла и коммутатора датчиков Холла, избирательный усилитель, своим входом подсоединенный к выходу коммутатора датчиков Холла, а выходом - к входу первого усилителя, последовательно соединенные блок вьбора порядка и коммутатор мантисс, вторые входы которого и первые входы блока выхода порядка подключены к выходам п фазочувствительных выпрямителей, а также два аналого-запоминающих блока, первые входы которого подключены к выходу коммутатора мантисс, вторые входы подключены к выходам управляющего блока и к второму входу блока выбора порядка, а выходы первого и второго аналого-запоминающих блоков связаны с первыми входами аналого-цифрового преобразователя, вторые входы которого связаны с выходами управляющего блока. На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства измерения параметров магнитного поля; на фиг. 2 его вариант. . Устройство для измерения параметров магнитного поля (фиг. 1) содержит блок 1 датчиков Холла, выходы которого подключены к входам коммутатора 2 датчиков Холла, избирательный усилитель 3 управляемый усилитель i, фазочувствительный выпрямитель 5, аналого-запоминающий блок 6, управляющий блок 7 аналого-цифровой преобразователь 8, блок 9 управления усилителем, задающий генератор 10, преобразователь 11 напряжение - ток, управляемый аттенюатор 12. Выхбд задающего генератора 10 подключен к входу преобразователя 11 напряжение-ток, выходы которого подключены к входу блока 1 датчиков Холла и к сигнальному входу управляемого аттенюатора 12, выходом связанного с входом коммутатора 2 датчиков Холла, к выходу, которогр подключены последовательно соединенные избирательный усилитель 3, управляемый усилитель k, фазочувствительный выпрямитель 5 выход последнего связан с входом аналоге-запоминающего блока fi, с входом блока 9 управления усилителем, и входом аналого-цифрового преобразователя 8, другие входы последнего подключены к выходу аналого-запоминающего блока 6 и к выходу управляющего блока 7, другие выходы которого подключены к управляющему входу амалого-заломимающего блока 6 и к ду блока 9 управления усилителем, выходы которого связаны с управляющими входами управляемого аттенюатора 12 и управляемого усилителя , второй вход фазрчувствительного выпрямителя 5 подключен к выходу задающего генератора 10. Блок 9 управления усилителем содержит источник 13 опорного напряжения, выход которого подключен к входу компаратора 1, выход компаратора И связан с входом Разрешение счета счетчика 15 и с входом управляющего блока 7, выходы счетчика 15 подключе ны к входам дешифратора 16 и регистра 17 порядка выходы дешифратора 16 связаны с управляющими входами управляемого аттенюатора 12 и с управляющими входами управляемого усилителя. Устройство для измерения параметров магнитного поля (фиг. 2) содержи блок 1 датчиков Холла, коммутатор 2 датчиков Холла, избирательный усилитель 3, первый, второй,...,п-ый усилители , 5, 6 соответственно, перв1 |й, второй,..., п -ый фазочувствительнь|й выпрямители 7 8, 9 соответственно, блок 10 выбора порядка, коммутатор мантисс 11, первый и второй аналогр-запоминающие блоки 12, 13 соответственно,- аналого-цифровой преобразователь 14, управляющий блок 15 задающий генератор 16, преоб|эазователь 17 напряжение-ток. Причем блок 1 датчиков Холла выходами подключен к входам коммутатора 2 датчиков Холла, вкЛход задающего генератора 16 подключен ко входу преобразователя 17 напряжение-ток, выходы которого связаны с входами блока 1 датчика Холла и коммутатора 2 датчиков Холла, к выходу которого подсоединен вход избирательного усилителя 3 выходом подключенного к цепочкр из п усилителей, соединенных последовательно.4, 5i 6 соответственно, выход каждого из п усилителей под ключен к входу одного из п фазочувствительных выпрямителей 7 8, 9 соответственно, управляющие входы которых подключены к задающему генератору 16 а выходы связаны с входами блока 10 выб9ра порядка и с входами коммутатора Т1 мантисс, управляющие входы которого подключены к выходам блока 10

выбора порядка, а выход коммутатора 11 мантисс подключен к входам первого и второго аналого-запоминающих бло9вхо

равляемого аттенюатора - 1/К. С выхода управляемого усилителя 4 сигнал поступает на вход фазочувствительно66ков 12, 13 соответственно, выходы которых связаны с входами аналого-цифрового преобразователя Т, причем выходы управляющего блока 15 подключены к управляющим входам коммутатора 2 датчиков Холла, блока 10 выбора порядка, первого и второго аналого-запоминающих блоков 12, 13 и к управляющим входам аналого-цифрового преобразователя k.. Причем блок 10 выбора порядка содержит источник 18 опорного напряжения, блок 19 компараторов, на один из входов которого подключен выход источника 18 опорного напряжения, выходы блока 19 компараторов подключены ко входам блока 20 дешифраторов, выходами связан с управляющими входаf«i коммутатора 11 мантисс и входами регистра 21 порядка. Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. С выхода ..задающего генератора 10 напряжение U с частотой f поступает на вход преобразователя 11 напряжение-ток, выходной ток I которого заНитывает датчики Холла блока 1 датчиков Холла. Одновременно, на вход управляемого аттенюатора 12 подается напряжение Ug пропорциональное выходному току I. При поступлении на вход управляющего блока 7 команды Начало цикла производится запись кода датчиков Холла и, в соответствии с этим кодом, выдается сигнал на | оммутатор 2 датчиков Холла и сигнал установки в ноль счетчику 15 блока 9 управления уситмтелем. В результате ко входу избирательного усилителя 3 подключается требуемый датчик Холла, с которого на вход избирательного усилителя 3 поступает переменное напряжение ЕХ с частотой f,величина напряжения gy пропорциональна напряженности магнитного поля. После предварительного усиления избирательным усилителем 3 в К раз сигнал поступает на вход управляемого усилителя 4, коэффициент усиления которого может меняться в К раз сигналами управления из блока 9 управления усилителем, то есть коэффициент усиления управляемого усилителя принимает значения К,К ,.,..,К ., причем каждый цикл измерения начинается при коэффициенте усиления, равным К, а упго выпрямителя 5, где происходит детектирование и сглаживание сигнала, причем а качестве опорной частоты используется сигнал с,задающего генератора 10. Выпрямленный сигнал поступает на вход аналого-запоминающего блока 6 и на вход блока 9 управления усилителем, где с помощью компаратора 14 производится сравнение его с опорным напряжением Е источника 13 опорного напряжения, которое по величине соответствует нижней границе во можного значения опорного напряжения Uu аналого-цифрового преобразователя 8 или нижней границе линейной зон фазочувствительного выпрямителя 5, в зависимости от того, что больше, при котором обеспечивается требуемая точ ность измерения. Результат сравнения поступает на вход Разрешения счета счетчика 15, на счетный вход которого поступают импульсы счета с управляющего блока 7 с выходов счетчика 15 сигналы подаются на входы дешифратора 16 и регистра 17 порядка. Если напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя 5 меньше Е то с выхода дешифратора 16 блока 9 управления усилителем вырабатываются сигналы, покоторым происходит измерение коэффициента усиления управляемого усилите ля в К раз и одновременно коэффициента передачи управляемого аттенюатора,, 12 Кд уменьшается в К раз. После установления переходных процес сов опять происходит анализ выходного напряжения фазочувствительного выпрямителя 5 и в случае необходимос ти коэффициент усиления управляемого усилителя 4 опять увеличивается в К раз, а управляемого аттенюатора 12 уменьшается в К раз. Этот процесс ид до тех пор, пока напряжение с фазочувствительного выпрямителя 5 не пре высит Egj. При этом блоком 9 управления усилителем вырабатывается сигнал Конец поиска порядка, который послгупает в управляющий блок 7, причем в этом случае коэффициент усиления управляемого усилителя k равен К а управляемого аттенюатора 12 - 1/К По сигналу Конец поиска порядка, управляющий блок 7 вырабатывает сигнал, по которому аналого-запоминающий блок 6 переходит в режим запоминания, а затем хранения выходного нлпряжения фазочувствительного выпря мителя 5, пропорционально напряжению С датчика Холла, одновременно осуществляется запись кода порядка с выходов счетчика 15 в регистр 17 порядка. После чего управляющий блок 7 вырабатывает сигнал, по которому коммутатор 2 датчиков Холла отключает датчик Холла и к входу избирательного усилителя 3 подключается выход управляемого аттенюатора 12. Напряжение с выхода управляемого аттенюатора 12 усиливается, детектируется и в виде постоянного напряжения поступает на вход аналого-цифрового преобразователя В, в котором используется в качестве опорного напряжения U,,,. После этого по сигналу с управляющего блока 7 запускается аналого-цифровой преобразователь 8, в котором происходит преобразование в цифровой код Нд напряжения.с выхода аналогозапоминающего блока 6. После окончания цикла преобразования на выходе управляющего блока 7 формируется сигнал Конец цикла, по которому снимается информация, причем с выходов управляющего блока 7 снимается код датчика, с выхода блока 9 управления усилителем - код порядка, а с выхода аналого-цифрового преобразователя 8 код мантиссы. После записи информации в накопительном устройстве, которое не входит в состав данного устройства, на вход управляющего блока 7 опять поступает сигнал Начало цикла для следующего цикла измерений. Напряжение на выходе датчика Холла равно ех KX«H -I, (1) где Ку - постоянная Холла; Н - напряженность магнитного поля; 3 - ток питания датчика Холла. Напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя равно Ux ех-К5 -К.КА 1 (2) где К - коэффициент преобразования фазочувствительного выпрямителя;1С, - коэффициент усиления избирательного усилителя; k - коэффициент усиления управляемого усилителя. Напряжение на выходе управляемого аттенюатора при этом равно с. % KC,, где К0 - коэффициент передами управляемого аттенюатора; эталонное напряжение. Как известно, выходной код N ана лого-цифрового преобразователя равен NX -2. измеряемая величина; опорное напряжение; число разрядов. Так как в нашем случае измеряемой величиной является 1) а равно на пряжению на выходе фазочувствительног выпрямителя, когда к избирательному усилителю подключен управляемый атте нюатор, то UOI-K,, Кд, т.е. Uon Ч Используя выражения (2), (k) , (5) получим и..- К. -эт с учетом выражения (1) получим NxRar-Kcl так как KX- 2 i-RjT(6) где сопротивление эталонного резистора. С учетом, что KO 1/К получим Н NX-RBT KX-K-Z Таким образом, величина напряженности магнитного поля может быть пре ставлена следующим образом: К,;- ман тисса числа; л - порядок числа; К основание. Основание К выбирается исходя из линейности зоны фазочувствительного выпрямителя и аналого-цифрового прео разователя. Для удобства целесообраз НО величину К выбирать кратной 2, практически лучше выбрать 2 . Как видно из выражения (.7), точность измерения определяется точностью установки коэффициента передачи 1/К , управляемого аттенюатора. Коэффициенты передачи избирательного усилителя, управляемого усилителя и. фазочувствительного выпрямителя не оказывают влияния на томность измере ния. Таким образом, точность измерения определяется точностью и стабильностью пассивных элементов управляемого аттенюатора, которая может быть не хуже 0,01%. Устройство СФиг. 2) работает аналогично устройству (фиг. 1) , за йс| лючением того, что при поступлении на вход управляющего блока 15 (фиг.2 сигнала Начало цикла, напряжение со всех выпрямителей 7, 8, 9 поступает в блок 10 выбора порядка, где с помощью блока 19 компараторов производится сравнение их с опорным напряжением источника 18 опорного напряжения EQJ ,а результаты сравнения поступают на вход дешифратора 20, сиг-, налами которого осуществляется управление коммутатора 11 мантисс. К выходу коммутатора 2 подключается тот фазочувствительный выпрямитель, напряжение которого максимально, но не превышает опорного напряжения Е которое несколько меньше верхней границы линейной зоны выпрямителя. Одновременно по сигналу с управляющего блока 15 осуществляется запись в регистр 21 порядка кода выпрямителя и первый аналого-запоминающий блок 12 переходит в режим запоминания, а затем хранения, т.е. на его выходезапоминается выходное напряжение соответствующего выпрямителя, пропорциональное сигналу датчика Холла. После этого по сигналу с управляющего блока 15 к избирательному усилителю коммутатором 2 датчиков Холла подключается эталонный резистор сопротивлениемпряжение-ток 17, через который проходит ток запитки датчиков Холла Э . Дальнейшая работа аналогична обработке сигналов с датчиков Холла, за исключением того, что запись в регистр 21 порядка не производится и напряжение с выпрямителей запоминается во втором аналого-запоминающем блоке 13, используемого в качестве опорного напряжения для аналого-цифрового преобразователя 1. После этого по сигналу с управляющего блока 15 запускается аналогоцифровой преобразователь , в котором происходит преобразование в цифровой код напряжения с выхода первого аналого-запоминающего блока 12. После окончания цикла преобразования на выходе управляющего блока 15 формируется сигнал Конец цикла, по которому снимается информация, причем с выходов управляющего блока - код датчика, с выхода блока выбора порядка - код порядка, с выхода аналогоцифрового преобразователя - код мантиссы. Положительный эффект заключается в повышении точности измерений напряженности магнитного поля синх.рофазотрона, что существенно улучшит апрок симацию магнитного поля. . Таким образом, благодаря введению новых узлов и связей в устройстве осуществляется адаптация измерительйой системы к измеряемой величине, в результате чего относительная точность измерения не меняется, что . особенно важно для измерения структуры поля при малых величинах напряженности магнитного поля. Формула изобретения 1. Устройство для измерения параметров магнитного поля, содержащее блок датчиков Холла, подключенный к коммутатору датчиков Холла, управляющие входы которого подключены k управляющему-блоку, задающий генератор последовательно соединенные усилител и фазочувствительный выпрямитель, и аналого-цифровой преобразователь, о ли чающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены преобразователь напряжение-ток, вход кото рого подключен к выхрду задающего ге нератора и второму входу фазочувстви тельного выпрямителя, выход - к вход блока датчиков Холла, управляемый аттенюатор, входы которого связаны с выходом преобразователя напряжение ток и входом усилителя, а выход - с входом коммутатора датчиков Холла, избирательный усилитель, включенный между коммутатором датчиков Холла и бторым входом усилителя, аналого-зап минающий блок, вход которого подключен к выходу фазочувствительного вып мителя, и к первому входу аналого-ци рового преобразователя, и блок управ ления усилителем, входы которого подключены к входу аналого-запоминающего блока и к выходу.управляющего блока, другие выходы которого подключены к второму входу аналого-цифрового преобразователя, и к управляю щему входу аналого-запоминающего бло ка, своим выходом подключенного к третьему входу аналого-цифрового пре образователя, выходы блока управления усилителем связаны с управляющими входами управляемого аттенюатора и с входом управляющего блока. 2. Устройство для измерения параметров магнитного поля, содержащее блок датчиков Холла, подключенный к входам коммутатора датчиков Холла, управляющие входы которого связаны с выходами управляющего блока и аналого-цифрового преобразователя, п последовательно соединенных усилителей и п фазочувствительных выпрямителей, первые входы которых подключены к выходам cooTBeTCTByiQWMX усилителей, а вторые - к выходу задающего генератора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены преобразователь напряжение-ток, своим входом подключенный к выходу задающего генератора, а выходом - к входам блока датчиков Холля и коммутатора датчиков Холла , избирательный усилитель, своим входом подсоединенный к выходу коммутатора .датчиков Холла, а выходом - к входу первого усилителя, последовательно соединенные блок выбора порядка и коммутатор мантисс, вторые входы которого и первые входы блока выбора порядка подключены к выходам фазочувствителы ных выпрямителей, а также два аналогозапоминающих блока, первые входы которого подключены к выходу коммутатора мантисс, вторые входы подключены к выходам управляющего блока и к второму входу блока порядка, а выходы первого и второго аналого-запоминающих блоков связаны с первыми входами аналого-цифрового преобразователя, вторые входы которого связаны с выходами управляющего блока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Василевская Д.П. Материалы третьего совещания по изохронному циклотрону Х-120 и его использовании для физических проблем. Дубна, ОИЯИ, 1973. с. 75. 2.. Авторское свидетельство СССР Н- 523371, кл. Q01R 33/Q6, 197.

I

О Oi

О ex.

g

S

«

38226 I

.

2g

§5§ ;

«

г|г

О ЬЧ5 55 3

f

- г: «3 &...ei k a.« SL

M

(FH

/V A

T

to

// ч / ч

.NN

t

/

/v

Ю

«vi 5

&

I

esl

«NJ

/Ч 44