Устройство для регистрации статических петель гистерезиса

 

Изобретение относится к средствам магнитных измерений и может быть использовано для определения магнитных характеристик ферромагнетиков в условиях внешних случайных шумов. Целью изобретения является повышение точности регистрации статических петель гестерезиса. Для этого в устройство, содержащее генератор I, линейно изменяющегося напряжения, блок квантования 2 по времени, блок вычитания 3, блок намагничивания 4, намагничивающую обмотку 5, эталонный резистор 6, измерительную обмотку 7, регистрирующий прибор 10, введены интегратор 8 и блок коррекции 9. Блок коррекции содержит два аналогоцифровых преобразователя, запоминающий блок, блок предварительного оценивания , блок вычисления отношения прираР1ений магнитного потока и напряженности поля, блок оптимальной калмановской фильтрации, коммутирующий блок, блок экстраполяции приращения напряженности намагничивающего поля, блок вычитания, буферный регистр. Использование в устройстве блока коррекции, выполнякяцего оптимальную фильтрацию по алгоритму Калмана, а также формирующего сигнал коррекции для стабилизации режима измерения позволяет повысить точность измерений. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (50 4 G 01 R 33/14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3746704/24 — 21 (22) 29.05.84 (46) 07.09.86. Бюл. 9 33 (71) Омский политехнический институт (72) Р).В.Селезнев, В.А.!Чахнин, Н.В.Зажирко и А.В.Журов (53) 621.3!7.44 (088.8) (56) 1.Соловьев Г.А.Арифметические устройства ЭВЧ. — M;: Энергия, 1978, э 5,6.

2. Авторское свидетельство СССР

В 1032427, кл. G 05 В 13/02, !981.

3. Авторское свидетельство СССР

9 813443, кл. G 06 F 13/32, 1978.

4. Авторское свидетельство СССР

9 875320, кл. G О! R 33/!4, 198!. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СТАТИЧЕСКИХ ПЕТЕЛЬ ГИСТЕРЕЭИСА (57) Изобретение относится к средствам магнитных измерений и может быть использовано для определения магнитных характеристик ферромагнетиков в условиях внешних случайных шумов °

Целью изобретения является повышение точности регистрации статических петель гестерезиса. Для этого в

„„SU,„,12559 4 А1 устройство, содержащее генератор 1, линейно изменяющегося напряжения, блок квантования 2 по времени, блок вычитания 3, блок намагничивания 4, намагничивак цую обмотку 5, эталонный резистор 6, измерительную обмотку 7, регистрирующий прибор 10, введены интегратор 8 и блок коррекции 9.

Блок коррекции содержит два аналогоцифровых преобразователя, запоминающий блок, блок предварительного оценивания, блок вычисления отношения приращений магнитного потока и напряженности поля, блок оптимальной калмановской фильтрации, коммутис рунхций блок, блок экстраполяции при- ф ращения напряженности намагничивающего поля, блок вычитания, буферный регистр. Использование в устройстве блока коррекции, выполняющего оптимальную фильтрацию по алгорит- ф му Калмана, а также формирующего сигнал коррекции для стабилизации режима измерения позволяет повысить точность измерений. 1 s.ï.ô-лы, . СЛ

2 ил. Сп

1 1255

Изобретение относится к срецствам магнитных измерений и может быть использовано для определения магнитных характеристик ферромагнетиков в условиях внешних случайных шумов. 5

Цель изобретения — повьппение точности регистрации статических петель гистерезиса.

На фиг. l и 2 показано предлагаемое устройство.

Устройство (фиг.l) содержит генератор 1 линейно изменяющегося напряжения, блок 2 квантования по времени, блок 3 вычитания, блок 4 намагничивания, намагничивающую обмотку 5, эталонный резистор 6, измерительную обмотку 7, интегратор 8, блок 9 коррекции, регистрирующий прибор 10, причем генератор блок 2 квантования, блок 3 вычитания, блок 4 намагничивания„ намагничивающая обмотка 5 и эталонный резистор 6 соединены последовательно, вход интегратора 8 соединен с измерительной обмоткой 7, а его выход — с первым входом блока

9 коррекции, второй вход которого подключен к эталонному резистору 6, а третий вход — к выходу блока 2 квантования, первый и второй выходы блока 9 коррекции соединены с первым и вторым входами регистрирующего прибора 10, а третий выход подключен к второму входу блока 3 вычитания.

Блок 9 коррекции (фиг.2) содержит два аналого-цифровых преобразователя 11 и 12, запоминающий блок 13, блок 14 предварительного оценивания, блок 15 вычисления отношения приращений магнитного потока и напряженности поля, блок 16 оптимальной калма40 новской фильтрации, коммутирующий блок 17, блок 18 экстраполяции приращения напряженности намагничивающего поля, блок 19 вычитания, буферный

45 регистр 20, причем входы аналого -цифровых преобразователей 11 и 12, вы— полненные в виде АЦП двойного интегрирования, яВляются перВым и Вторьп4 входами блока 9 коррекции, а выходы соединены с первым и вторым входами запоминающего блока 13, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами блока 14 предварительного оценивания и с первым и третьим входами блока 16 оптимальной калыановСкой фильтрации,первый и второй выходы блока 14 предварительного оценивания соединены с

Y = — х. п

i=! где х. —, отсчеты входного сигнала !

t у — выходной сигнал; — количество отсчетов входного сигнала х

11

По другому каналу блока 14 предварительного оценивания реализуется следующая зависимость между сигналами на входе и вь3ходе: и

У = —,> (х. — m) и 12

i=1 (2) — отсчеты входного сигнала;

Выходнои сигнал; — постоянное смещение результатов измерений.

Блок 15 вычисления отношения приращений магнитного потока и напряженности поля реализует следующую зависимость между входным и выходным, где х.

12

2 т сигналами: х2х, (3) где х сигнал на втором входе блока 15 вычисления отно-" шенин; сигнал на первом входе; сигнад на выходе. х, 974 2 первым и вторым входами блока 5 вычисления отношения,а его выход соединен с вторым вхоцом блока 16 оптимальной калмановской фильтрации, четвертый вход которого является третьим входом блока 9 коррекции, а первый и второй выходы соединены с первым и вторым входами коммутирующего блока 17 и являются также перВым и вторым выходами блока 9 коррекции, первый выход коммутирующего устройства 17 соединен с первым входом блока 19 вычитания, а второй выход соединен с Входом блока !8 экстраполяции, выход которого соединен с вторым входом блока 19 вычитания соединенного последовательно с буферным, регистром 20, выход которого является третьим выходом блока 9 коррекции.

Блок 14 предварительного оценивания двухканальный. По одному каналу блока )4 предварительного оценивания реализуется следующая зависимость между сигналами на входе и вЫходе:!

С „t ).

КИ1 =

A 1(t t, ). R где 1 °,,1) . — априорная дисперсия

Г

t оцениваемого параметра;

А,Й вЂ” постоянные заданные величины.

Коммутирующий блок 17 реализует следующую зависимость между входным и выходным сигналами:

Y=

V 2 х

О! п с3 о (7) О и>3, х,х,х!

h-g И-I

Y =

1 у 2

3 1255974

Блок !4 предварительного оценивания и блок 15 вычисления отношения приращений магнитного потока и напряженности поля реализуется в виде арифметического блока C.1j .

Блок 16 оптимальной калмановской фильтрации выполнен двухканальным

t2 ). Второй канал блока 16 оптимальной калмановской фильтрации имеет дополнительный вход, на который !0 подается сигнал, соответствующий статической ошибке измерительного устройства. Усилитель с переменным коэффициентом К во втором канале имеет отличие от представленного в (2 1 в том,что коэффициент усилите ля К зависит не только от номера отсчета k фильтруемого сигнала

1-ro приращения магнитного потока, но и от номера 1 приращения магнитного потока.

Блок 16 оптимальной калмановской фильтрации по одному каналу реализует следующую зависимость между сигналами на входе и выходе: 25

Y — сигнал на первом выходе бло0 ка 16 оптимальной калмановской фильтрации, полученный на предыдущем шаге вычислений;

К вЂ” переменный коэффициент усиления, определяемый в соответствии с равенством

II

Y = Y + k (х — У,)о (4) II где У сигнал на втором выходе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации 16; сигнал на втором выходе блока оптимальной калманавской фильтрации, полученный на предыдущем шаге вычисле35 ний; сигнал на третьем входе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации.

Y—о х

Блок 16 оптимальной калмановской фильтрации по другому каналу реализует следующую зависимость между входным и выходным сигналами:

У =Ny +N Х +К(Х +Х -И(НУ +8x !! (5) где Y — сигнал на первом выходе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации; х х — сигналы соответственно на

3У Л первом и четвертом входах блока 16 оптимальной калмановской фильтрации, х5 — сигнал с внутреннего источника блока 16 оптимальной SS калмановской фильтрации;

N,N,,М вЂ” постоянные заданные величины; где

У вЂ” вьгходной сигнал блока 18 экстраполяции, причем коэффициенты А, А,, А, х где Y, Y — сигналы йа первом и вто"

1 2 ром выходах коммутирующего блока; х .х,19х., сигналы на входе комму тирующего блока на -м, — 1 — м, -2 — м этапах перемагничивания.

Коммутирующий блок 17 представляет собой управляемый от дешифратора ключ и объединенный с ним по входу регистр сдвига, имеющие раздельные выходы и тактируемые от генератора тактовых импульсов, причем дешифра- . тор угравляется счетчиком импульсов.

Выход ключа является первым выходом коммутирующего блока 17, а выход регистра сдвига — вторым выходом.

Блок 18 экстраполяции представ ляет собой последовательно соединен-. ные арифметическое устройство из трех секций интегральных схем, описанное в (1) и устройство вычисления экстраполируемого параметра, аналогичное описанному в l 3)„

Блок 18 экстраполяции реализует следующую зависимость между сигналами на выходе и входе:

Y=A х+А, х+А, (8) У

A — -- — — — Ьс (а-b ) ° (а-с ) Y( — — -- — --- -ас + (а-Ь) (Ь-с) + — -- аЪ;

Y.g

15 (а-с) (Ь-с) -7 Y

А — — - — — — Ь . с (а-Ь) (а-с) (а-b) (а-с) у

+ с (а-Ь) (Ь-c) Y — — — Ь (а-с) (Ь-с) — а (а-Ъ) (b-с) 7 >

- — — -= — а— (а-с) (Ъ-с) (9) У, Х Y

Я, о

;,к (а-Ь) (а-с) (а-b) (Ъ-с) (а-с) (Ь-с) 5 х (с-Ь)+с = 2(c-b), а,b,c 7,7,, Y — сигналы на входе блока 18 экстраполяции, снимаемые со второго выхода коммутнрукицего блока.

Блок 19 вычитания реализует следующую зависимость между сигналами на входе и выходе:

1 о

Тх-х

Y х - х

2 при пф3; при п =3, (10) где Y — сигнал на выходе блока 19 вычитания, Щ х — сигнал на втором входе бло2 ка 19 вычитания на данном этапе перемагничивания (i-е приращение напряженности намагничивающего по-. ля); х — сигнал на втором входе бло2 .ка 19 вычитания на предыдущем этапе перемагничивания (i-1 — приращение напряженности намагничивающего поля)

Блок 19 вычитания выполнен аналогично описанным в !11 .

Буферный регистр 20 выполняет функцию хранения информации, сигнал на выходе его появится лишь в тот момент, когда на выходе блока 2 квантования по времени будет формиВ 12559 вычисляются в арифметичес-, ком устройстве блока 18 экстраполяции по заданному алгоритму, исходя иэ значений сигналов, снимаемых со второго выхода коммутирующего блока 17 °

Алгоритм работы блока 18 экстраполяции задается следующими выражениями 1О

74 Ь роваться следующая ступень напряжения.

Устройство для регистрации петель гистерезиса работает следующим образом.

На первом этапе — сигнал с генератора 1 линейно изменяющегося напряжения поступает на вход блока 2 квантования по времени. На выходе блока

2 квантования формируется первая ступень напряжения: U (1 Т) при Т (а Т, S где Т вЂ” длительность цикла перемагничивания; Т вЂ” период квантования.

Ступень напряжения U fl Т) поступает на первый вход блока 3 вычитания. Сигнал, поступающий на второй вход блока 3 вычитания, с выхода блока 9 коррекции в этот момент равен нулю. Поэтому сигнал на выходе блока 3 вычитания равен U (! Т)= g U„.

При помощи блока 4 намагничивания и намагничивающей обмотки 5 происходит перемагничивание испытуемого образца. При этом в измерительной обмотке 7 наводится импульс ЭДС, поступающий на вход интегратора 8, на выходе которого сигнал соответствует первому приращению магнитного потока:

2, (t) = А Ч, (t) + Y + V(t),(11) где А — коэффициент, характеризующий измерительную систему; у — постоянное смещение результатов измерений;

V

Сигнал Z+ (t) поступает на первый

1 вход блока 9 коррекции, который является входом аналого-цифрового преобразователя ll, на выходе которого реализуется последовательность сигнала (t ) Y + поступающая на первый вход запоминающего блока 13.

Одновременно с сигналом Z (t) P, на второй вход блока 9 коррекции, являющийся входом аналого-цифрового преобразователя 12, поступает сигнал с эталонного резистора 6, соответствующий первому приращению напряженности намагничивающего поля:

2

"1 где H „(t) — первое приращение напряженности намагничивающего поля; ц.)(С) — шум измерений.

7 !2559

С выхода аналого-цифрового преобразователя 12 последовательность сигнала Z„(t ) — H (t ) + a (t ) поступает на второй нход запоминающего блока 13. 5

На первом выходе блока 14 предварительного оценивания реализуется сигнал

4 (, = — ((7 ((,1-Ь, (!з! (о (т! 1

20 (14) 25

30 и, (е,) 35

2, (t„3 (45

Y — сигнал, снимаемый с внут-, реннего источника блока 16 оптимальной калманонской фильтрации; (С t .,j — переходный коэффициент к-ч состояния, определяемый параметрами системы и интервалом а(съема данных измерений: к- s

55 где Ь вЂ” постоянное смещение результатов измерения;

m — количество отсчетов сигнала 2, (t„), хранящихся в запоминающем блоке !3.

На втором ныходе блока 14 предва(рительного оценивания реализуется сигнал

1 дн = — Е Z (Е ), m н, к где г — количество отсчетон сигнала Z (t ), хранящихся в

1 запоминающем блоке 13. !

Сигналы ьЧ, и ьН с перного и второго выходов блока 14 предварительного оценивания одновременно поступают соответственно на первый и второй входы блока 15 вычисления отношения, на выходе которого появляется сигнал а Р

К 1

И nH

1 поступающий на второй вход блока

16. оптимальной калмановской фильтрации.

На третий и первый входы блока

16 оптимальной калмановской фильтрации поступают соответственно сигналы 7. (t ) и Е (t„) с второ н, к

ro и первого выходов запоминающего блока 13. Одновременно с ними на четвертый вход блока 16 оптимальной калманонской фильтрации поступает сигнал (! с выхода блока 2 кнанто1 вания.

На втором выходе блока 16 опти-. мальной калмановской фильтрации получают сигнал, представляющий собой оптимальную оценку первого приращения напряженности намагничивающего поля: !

4Н,(tÄl=ns,(t i+)(,(t .

74 8 где nf! (t 3 — оценка первого приращения напряженности намагничивающего поля, полученная на предыдущем шаге;

К (t ) — переменный коэффициент усиления;

Z () — сигнал на третьем и, к входе блока 16 оптимальной калманонской фильтрации 16, соответствующий К-му измерению первого приращения напряженности намагничивающего поля.

На первом выходе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации получают сигнал, представляющий собой оптимальную оценку первого приращения магнитного потока: и л а?,Ct„l Ч (,t, ) n9 Ck )+h (.(g».

U,(t„7 ° ((,(t„)(Z (t !.!-А((g.

"(Ч ((,,(,! a9(t„,3 ° А,(() u,(()) (16) гдеьФ„(t,) — оценка первого приращения магнитного потока, полученная на предыдущем mare; сигнал на четвертом входе блока 16 опти;( мальной калмановской фильтрации, соответствующий первому приращению нходного напряжения, поступающий с выхода блока 2 квантования; сигнал на первом входе блока оптимальной калмановской фильтрации, соответствующий К-му измерению первого при" ращения магнитного потока;

9 1

) (t„) — коэффициент при детерминированном входном воздействии.

Сигналы AH (t ) идР } 1. 1 с вы хода блока 16 оптимальной калмановской фильтрации подаются на соответствующие входы регистрирующего прибора 10.

Одновременно эти сигналы дЙ (ь ) л К и hV (t ) с выхода блока 16 посту1 К пают на вход коммутирующего блока

17, ключ которого, управляемый дешифратором, открывается и передает эту последоватепьность на первый вход блока 19 вычитания. Одновременно производится запись сигнала в регистр сдвига коммутирующего блока

17, работающий в режиме записи и имеющий поэтому на выходе нулевой сигнал. На выходе блока 18 экстраполяции также нулевой сигнал. На выходе блока 19 вычитания.,работающего в соответствии с формулой (10), сигнал коррекции при этом также равен нулю.

С выхода блока 19 вычитания сигнал д д Н = 0 подается на первый

2 вход буферного регистра 20, где хранится до того момента времени, когда на выходе блока 2 квантования будет формироваться следующая ступень напряжения. В момент формирования следующей ступени напряжения на выходе блока 2 квантования сигнал ддН2 поступает на второй вход блока

3 вычитания.

Второй этап, Поступающий на первый вход блока 3 вычитания сигнал второй ступени напряжения U (2 Т ) суммируется с сигналом д д Н, поступающим на второй вход блока 3 вычитания, и на выходе блока 3 вычитания сигнал равен

U (2 Т) + ддН = U(2 Т) + О =

=Б(2Т1 ° . Далее, процесс продолжается также, как на первом этапе перемагни-. чивания. На выходе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации получают последовательность сигнав д6z(t ), д9 (t ), которая пос тупает на вход коммутирующего блог ка 17. На первом выходе коммутирующего блока 17 получаЮт последовател2 ность дН (t ), д<Р (t ), которая поступает на первйй вход блока 19 вычитания. На втором выходе комму25597ч 10 тирующего блока 17 сигнал равен нулю.

Поэтому, на выходе блока 19 вычитания согласно формуле (10), сигнал коррекции dD Н равен нулю. Следова3 тельно, также как и на первом этапе перемагничивания, сигнал на выходе буферного. регистра 20 в момент формирования на выходе блока 2 кванто вания третьей ступени напряжения

10 равен нулю.

Третий этап. Одновременно с поступлением сигнала дд Н на второй

3 вход блока 3 вычитания, на его первый вход поступает сигнал, представ15 ляющий собой третью ступень напряжения, U (3 Т).Сигнал на выходе блока

3 вычитания равен .U(3 Т) +дд Н = U (3 Т) + 020 . = U(3 Т). (17) Происходит дальнейшее перемагничивание испытуемогс образца. На выходе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации получают последовательность 6 Й (t ), д Р (1к), которая поступает на вход коммутирующего устройства 17., При этом ключ, управляемый дешифратором, закрывается, а

30 регистр сдвига переводится из режима записи информации в режим считывания

1 и на вход блока 18 экст., апгляции проходит последовательность сигналов л л л

35 дНЪ(к3, д Р (<к); дН2(к);д Р2(к);

3 к) Ъ к

Эта последовательность сигналов используется сначала для вычисления

40 коэффициентов А, А, А, х согласО 1 3 но формуле (91, д 7 = - .-1„(t.); 7.- й, (t„l; дA, (t,);

45 а =д Р, (t 1; b =д Р (t ), л К с =дР,(с ) а затем для формирования на выходе блока 18 экстраполяции сигнала дН = А х + А х + А посту4 Х 1 <> лающего на второй вход блока 19 вы50 читания. На выходе блока 19 вычитания формиоуется сигнал ддН =

= дН вЂ” д Й (t ) который записывает4 2 к ся в буферный регистр 20 и хранится там до формирования четвертой ступени напряжения на выходе блока 2 квантования.

Четвертый этап. Одновременно с подачей на первый вход блока 3 вы1255 читания сигнала четвертой ступени напряжения U (4 Т ), на второй вход блока 3 вычитания подается сигнал

4дН и на выходе блока 3 вычитаЛ ния формируется сигнал v(4 Т)+адН

Л

Происходит дальнейшее перемагничивание образца. На последующих этапах перемагничивания работа устройства аналогична работе на третьем этапе. Так, на пятом этапе на выходе !О блока 19 вычитания формируется сигнал коррекции аьН = ьЯ вЂ” ьН, проис5 5 л ходит корректировка пятого приращения напряжения и т.д. . Таким образом, наряду с регистра- !5 цией зависимости Р = f(Н) для испытуемого образца, обеспечивается стабилизация условий перемагничивания

Q P = collSt

Использование в устройстве для 20 регистрации статических петель гистерезиса блока коррекции, выполняющего оптимальную фильтрацию по алгоритму Калмана, преобразованного в цифровую форму зашуменного полезного сигнала, а. также формирующего сигнал коррекции для стабилизации режима измерения позволяет, повысить точность измерений по сравнению с известным устройством (4) от 1 30 до " 0,0157.. формула изобретения

1. Устройство для регистрации 35 статических петель гистерезиса, содержащее последовательно соединенные генератор линейно изменяющегося напряжения, блок квантования по времени, блок вычитания, блок намагничивания, 40 намагничивающую обмотку и эталонный резистор, а также измерительную обмотку и регистрирующий прибор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности регистрации 45 статических петель гистерезиса, в него введены. интегратор и блок коррекции, причем вход интегратора подключен к измерительной обмотке, а выход — к первому входу блока коррек- 50 ции, второй вход которого подключен

974 12 к эталонному резистору, третий вход к выходу блока квантования по времени, первый и второй выходы подключены к первому и второму входам регистрирующего прибора, третий выход подключен к второму входу блока вычитания.

2. Устройство по и. l, о т л и ч а-. ю щ е е с я тем, что блок коррекции выполнен в виде двух аналогоцифровых преобразователей, запоминающего блока, блока предварительного оценивания, блока вычисления отношения приращений магнитного потока и напряженности поля, блока оптимальной калмановской фильтрации, коммутирующего блока, блока экстраполяции приращения напряженности намагничивающего поля, блока вычитания и буферного регистра, причем входы аналого-цифровых преобразователей соединены с первым и вторым входами блока коррекции, а выходы соединены с первым и вторым входами запоминающего блока, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами блока предварительного оценивания и с первым и вторым входами блока оптимальной калмановской фильтрации, первый и второй выходы блока предварительного оценивания соединены с первым и вторым входами блока вычисления отношения приращения магнитного потока и напряженности поля, а его выход соединен с третьим входом блока оптимальной калмановской фильтрации, четвертый вход которого соединен с третьим входом блока коррек- ции, а первый и второй выходы соединены с первым и вторым входами коммутирующего блока и соединейы также с первым и вторым выходами блока коррекции, первый выход коммутирующего блока соединен с первым входом блока

3 вычитания, а второй выход соединен с входом блока экстраполяции приращения напряженности намагничивающего поля, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания, соединенного последовательно с буферным регистром, выход которого соединен с третьим выходом блока коррекции.

1255974 ж) а

Составитель В.Зюбин

Редактор Н.Данкулич Техред И.Попович Корректор А.Зимокосов

Заказ 4820/46 Тираж 728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

l13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул. Проектная, 4