Цифровой феррозондовый магнитометр

 

ЦИФРОВОЙ ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР , содержащий последовательно соединённые генератор, феррозонд с компенсационной обмоткой и избирательный усилитель, пороговый элемент , а также источник компенсирующего поля, выполненный в виде последовательно соединенных первого реверсивного счетчика, вход разрешения счета которого соединен с выходом порогового элемента, и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с компенсационной обмоткой феррозонда, а выход первого реверсивного счетчика соединен с первым входом цифрового вычислителя, отличающийся тем, что, с целью повьшгения точности измерения, в. него введены второй реверсивный счетчик и преобразователь амплитудных значений . напряжения в частоту следования импульсов, состоящий из последовательно соединенных аналогового интегратора и блока сравнения, вторые входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами генератора , а первый и второй выходы соответственно с входами суммирования и вычитания реверсивных счетчико и входами начальной установки аналоО ) гового интегратора, вход которого соединен с выходом избирательного усилителя и входом порогового элемента , выход второго реверсивного счетчика соединен с .вторым входом цифрового вычислителя, а вход разрешения счета - с четвертым выходом генератора.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК зm С 01 к 33/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3520037/18-21 (22) 29. 11. 82 (46) 23. 09. 84. Бюл. ¹ 35(72) Ф.M. Гольденберг, Г.И. Соборов и А.Н. Схоменко (53) 621.317.44(088.8) (56) 1. Семенов Н.М., Яковлев Н.M.

Цифровые феррозондовые магнитометры.

Л., "Энергия", 1978, с. 130-136.

2. Авторское свидетельство СССР № 842657, кл. G 01 R 33/02, 1981. (54) (57) HH@POBOA <3>FPP030HgOBbIA 1АГНИТОИ.ТР, содержащий последовательно соединенные генератор, феррозонд с компенсационной обмоткой и избирательный усилитель, пороговый элемент, а также источник компенсирующего поля, выполненный в виде последовательно соединенных первого реверсивного счетчика, вход разрешения счета которого соединен с выходом порогового элемента, и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с компенсационной обмоткой

„,Я0„„114 97 А феррозонда, а выход первого реверсивного счетчика соединен с первым входом цифрового вычислителя, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повьш ения точности измерения, в него введены второй реверсивный счетчик и преобразователь амплитудных значений.напряжения в частоту следования импульсов, состоящий из последовательно соединенных аналогового интегратора и блока сравнения, вторые входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами генератора, а первый и второй выходы— соответственно с входами суммирования и вычитания реверсивных счетчикок и входами начальной установки аналогового интегратора, вход которого соединен с выходом избирательного усилителя и входом порогового элемента, выход второго реверсивного счетчика соединен с .вторым входом цифрового вычислителя, а вход разрешения счета — с четвертым выходом генератора.

1114997 вызванная недостаточным подавлением нестабильным демодулятором и аналоговым фильтром нечетных гармоник, квадратурной составляющей помехи и сетевых помех с частотами, кратными часто-5 те второй гармоники в условиях сильного воздействия дестабилизирующих температурных и временных факторов.

Кроме того, известный магнитометр обладает низким быстродействием из-эа10 необходимости применения в нем аналоговых фильтров низкой частоты с большой постоянной времени.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет повы- 15 шения помехоустойчивости магнитометра при высоком быстродействии в широком динамическом. диапазоне.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой феррозондовой магнито-2О .метр, содержащий последовательно соединенные генератор, феррозонд с компенсационной обмоткой и избирательный усилитель, пороговый элемент, а также источник компенсирующего поля, 25 выполненный в виде последовательно соединенных первого реверсивного счетчика, вход разрешения счета которого соединен с выходом порогового зле1мента, и цифроаналоговый преобразова- 30 тель, выход которого соединен с компенсационной обмоткой феррозонда, а выход первого реверсивного счетчика соединен с первым входом цифрового вычислителя, введены второй реверсив-35 ный счетчик и преобразователь амплитудных значений напряжения в частоту следования импульсов, состоящий иэ последовательно соединенных аналогового интегратора и блока сравнения, 40 вторые входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами генератора, а первый и второй выходы — соответственно с входами суммирования и вычитания реверсивных счет-45 чиков и входами начальной установки аналогового интегратора, вход которого соединен с выходом избирательного усилителя и входом порогового элемента, выход второго реверсивного счетчика соединен с вторым входом цифрового вычислителя, а вход разрешения счета — с четвертым выходом генератора.

На фиг.! представлена структурная .схема магнитометра; на фиг.2 — временные диаграммы его работы.

Устройс Ho (фиг. 1 ) с(держит ili)c:(< довательно соединенные генератор 1, феррозонд 2, иэбнрательный усилитель

3, пороговый элемент 4, источник 5 компенсирующего поля, содержащий последовательно .соединенные первый реверсивный счетчик 6 и цифроаналоговый преобразователь 7, выход которого соединен с компенсационной обмоткой ферроэонда, цифровой вычислитель 8, второй реверсивный счетчик 9, преобразователь 10 амплитудных значений напряжения в частоту следования импульсов, содержащий последовательно соединенные аналоговый интегратор 1 и блок 12 сравнения.

Устройство работает следующим образом.

В обмотку возбуждения феррозонда

2 подается напряжение возбуждения частоты сй, поступающее с первого :". выхода генератора 1. Выходное напряжение феррозонда 2, содержащее полезный сигнал и сигнал помехи, подается на вход избирательного усилителя 3, в котором осуществляется выделение полезного сигнала в виде напряжения второй гармоники 2ь) частоты возбуждения феррозонда аналоговым избирательным фильтром. Затем это напряже- . ние преобразуется преобразователем

10 в частотно-импульсную последовательность, частота следования которой пропорциональна амплитудному значению выходного напряжения избирательного усилителя 3.

Появление частоты на соответствую-. щем выходе преобразователя 10 определяется знаком (фазой выходного напряжения избирательного усилителя 3)

1 индукции измеряемого поля. Если ампли- .туда выходного сигнала избирательного усилителя 3 превышает порог срабатывания порогового элемента 4, то выходной потенциал последнего разрешает осуществление последовательного счета выходных импульсов преобразователя 10 и, следовательно, преобразования частоты в код. Код первого реверсивного счетчика 6 преобразуется в цифроаналоговом преобразователе 7 в ступенчатый ток, подаваемый в компенсационную обмотку ферроэонда 2, возрастающий или убывающий в зависимости от знака измеряемого поля (кода), создающий в феррозонде компенсирующее магнитное поле, направленное противоположно измеряемому.

1114997

Работа источника 5 компенсирующего поля прекращается, когда амплитудное значение сигнала на выходе избирательного усилителя 3 становится меньше порога срабатывания порогового 5 элемента и, следовательно, в реверсивном счетчике б фиксируется код

N пропорциональный индукции измеряемого поля, Остаточный выходной сигнал усилителя 3 представляет смесь полезного сигнала и неподавленной помехи, причем полезный сигнал соответствует разности измеряемого и компенсирующего полей.

Во втором реверсивном счетчике

9 после изменения потенциала на входе установки счетчика в нулевое состояние, подаваемого с выхода порогового элемента 4, осуществляется 20 периодическое интегрирование выходной частоты импульсов преобразователя 10 амплитудных значений напряжения в частоту и тем самым преобразование амплитудных значений выходного напряжения усилителя 3 в код . В процессе интегрирующего преобразова-! ния осуществляется подавление помех, содержащихся в спектре выходного сигнала усилителя 3, и вь|целение по- 30 лезного сигнала в виде кода Й за время интегрирования t о частоты F во втором реверсивном счетчике 9.

Интервалы периодического измерения (интегрирования) формируются генератором 1 в виде периодической последовательности импульсов, подаваемых с второго выхода на вход разрешения счета второго реверсивного -счетчика

9, и задаются кратным периоду измене- 40 ния пороговых синусоидальных напряжений Li1 и U< подаваемых с третьего и четвертого выходов генератора на входы блока 12 сравнения частоты, равной частоте второй гармоники 2 м выходного сигнала 0 (фиг. 2) феррозонда 2, при этом процесс интегрирования начинается с предварительного обнуления второго реверсивного счетчика 9. Выходные коды чисел й14 и 0

N реверсивных счетчиков 6 и 9 посту% пают соответственно на первый и второй входы цифрового вычислителя 8, где осуществляется их алгебраическое суммирование.

Результат суммирования соответствует измеряемой величине индукции магнитного поля.

В предлагаемом магнитометре нижнее граничное значение величины порога срабатывания магнитометра Un„i, порогового элемента 4 задается максимальным значением диапазона изменения при Y =0 при р= й

Ин = ц„=о где т

0„= (; 0 8t-u ò о

0) = 0n, и (1оа + f) — фаза выходного напряжения усилителя 3.

Таким образом, из выражений сле° (1

Выходной сигнал усилителя 3 записывают с учетом помех, пренебрегая высшими гармониками

O = 0 „sin ut 0ти Фи l wt+U„,а кц sip (Qat i — ) Ф Uw sihSwt

Ъ

3 амплитудного значения сигнала помехи

0п, содержащейся н спектре выходного сигнала 0 усилителя, т.е.

0 иор I" и max I .

Преобразование амплитудных значе- ний выходного напряжения усилителя 3 в частоту следования импульсов в случае отсутствия помех осуществляется следующим образом.

Противофазные напряжения 0, Uo sin 2u>t и 0< = U sin (2ис + и" ), поступающие с соответствующих вы-ходов генератора 1 (фиг. 2 а и 8 ) на входы блока сравнения, задают пороги срабатывания последнего.

В моменты достижения выходным напряжением 0„ (фиг. 21) интегратора 11. соответствующих по фазе пороговых напряжений происходит срабатывание блока 12 сравнения, формирующего в эти

Ф моменты импульсы напряжений О . или 0< (фиг. 2 4, а ), соответствующие положительному или отрицательному знаку выходного эквивалента преобразователя 10 и поступающие на входы установки в начальное состояние аналогового интегратора 11, сбрасывающие его в нулевое состояние. Условия равенства порогового и выходного напряжения аналогового интегратора 11 в моменты срабатывания устройства сравнения при отсутствии помех определяют выражениями

7 11 где U® Ощ — амплитуды нечетных гарЭ моник; — амплитуда квадратурной

Я 1 к составляющей.

Тогда 1т „u, „U,„,, U аеесоеыа а е о„,ь о„,з !

cog 2 obt 1 соьо —

00 LUo S&t

Проинтегрировав это выражение, получаем

<.=5 F>ie

14997 где Ti 1-О = и Гч = д 1 и = 1, а

Т вЂ” период повторения напряжения

I второй гармоники.

Таким образом, в предлагаемом магнитометре по сравнению с известным осуществляется подавление помех в спектре преобразуемого сигнала без снижения быстродействия. Применение

10 магнитометра способно значительно повысить характеристики измерительных систем, использующих цифровые феррозонловые магнитометры.

1114997

Составитель В. Шульгин

Редактор И. Шулла Техред И.Асталош Корректор Е. Сирохман

Заказ 6764/32. Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4