Устройство для измерения магнитного поля

 

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано при построении высокочувствительных навигационных и геофизических феррозондовых магнитометров. Цель изобретения - повышение точности устройства - достигается путем улучшения отношения сигнал/шум на выходе дифференциального усилителя, в том числе и в случае применения одноэлементного феррозонда. Для этого в устройство дополнительно введены усилитель 9 импульсных сигналов и синхронный демодулятор 10. Кроме того, устройство содержит одноэлементный феррозонд 1 с обмоткой 2 перемагничивания, сигнальной обмоткой 3 и компенсационной обмоткой 4, генератор 5 знакопеременных импульсов тока, интегрирующий усилитель 6, первый 7 и второй 8 управляемые сумматоры и дифференциальный усилитель 11. Для исключения зависимости характеристики преобразования поле - напряжение от нестабильности коэффициентов передачи узлов в устройстве использован известный автокомпенсационный принцип измерения, для чего выход усилителя 11 соединен с обмоткой 4 феррозонда. 4 ил.

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано при построении высокочувствительных навигационных и геофизических феррозондовых магнитометров. Целью изобретения является повышение точности устройства путем улучшения соотношения сигнал/помеха на входе дифференциального усилителя, в том числе в случае применения одноэлементного феррозонда. На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения магнитного поля; на фиг.2 и 3 принципиальные электрические схемы предпочтительных вариантов построения управляемого сумматора и синхронного демодулятора соответственно; на фиг.4 временная диаграмма работы устройства. Устройство содержит одноэлементный феррозонд 1 с обмоткой 2 перемагничивания, сигнальной обмоткой 3 и обмоткой 4 компенсации, генератор 5 знакопеременных импульсов тока, интегрирующий усилитель 6, первый 7 и второй 8 управляемые сумматоры, усилитель 9 импульсных сигналов, синхронный демодулятор 10, дифференциальный усилитель 11. Обмотка перемагничивания 2 феррозонда 1 соединена с выходом генератора 5, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами первого 7 и второго 8 управляемых сумматоров и синхронного демодулятора 10. Сигнальная обмотка 3 соединена с входом интегрирующего усилителя 6, а его выход с объединенными вторыми входами управляемых сумматоров 7 и 8. Выходы сумматоров 7 и 8 также объединены и подключены к входу усилителя 9 импульсных сигналов. Выход последнего соединен с вторым входом синхронного демодулятора 10. Дифференциальный усилитель 11 соединен своими входами с соответствующими выходами синхронного демодулятора, а выходом через обмотку 4 компенсации феррозонда 1 с выходом устройства. Выход устройства может быть непосредственно подключен к регистрирующему прибору или к входу системы дистанционной передачи данных. Каждый управляемый сумматор 7 или 8 (см. фиг.2) содержит, например, четыре управляемых ключевых элемента 12 (например, полевые транзисторы), соединенных в мостовую схему. В диагональ моста включен коммутируемый конденсатор 13. Два вывода моста образуют сигнальный вход 14 и выход 15 сумматора. Входы управления (затворы полевых транзисторов) накрест лежащих ключевых элементов попарно объединены и образуют управляющие входы 16 и 17 управляемого сумматора. Синхронный демодулятор (см. фиг.3) выполнен, например, по схеме удвоения напряжения и содержит два ключевых элемента 18, два накопительных конденсатора 19, сигнальные вход 20 и выход 21, управляющие входы 22 и 23. Устройство работает следующим образом. На сердечник феррозонда 1 (см. фиг.1) воздействует знакопеременное магнитное поле тока обмотки 2 перемагничивания и измеряемое магнитное поле. В каждый из интервалов времени t₁ и t₃ (см. фиг. 4) сердечник намагничивается до состояния насыщения полем обмотки перемагничивания, в силу чего магнитный поток в сердечнике для данных интервалов времени (исключая переходной процесс) определяется индукцией насыщения материала сердечника и не зависит от величины измеряемого поля. В интервалы времени t₂ и t₄ ток в обмотке 2 перемагничивания феррозонда 1 равен нулю и сердечник саморазмагничивается до устойчивых магнитных состояний, определяемых величиной остаточной индукции материала сердечника и индукцией измеряемого поля в сердечнике. Установившиеся в интервалы времени t₁-t₄значения Φ₁ Φ₄ магнитного потока в сердечнике могут быть записаны в виде Φ₁= Φ_н; Φ₁=Φ _ост+ Φ _о (1) Φ₃= -Φ_н; Φ ₄= -Φ _ост+Φ _о, где Φ_н, Φ_ост и Φ _о соответственно магнитные потоки насыщения, остаточной индукции и измеряемый. На сигнальной обмотке 3 феррозонда 1 наводится ЭДС, пропорциональная первой производной от магнитного потока в сердечнике. В результате операции интегрирования, осуществляемой в интегрирующем усилителе 6, на его выходе образуется ЭДС установившихся значений e₁-e₄(см.фиг.4, позиция а), которые для интервалов времени t₁-t₄пропорциональны установившимся значениям Φ₁- Φ ₄ магнитного потока в сердечнике феррозонда e₁=W˙C Φ_н+е_о е₃=-W˙C Φ_н+е_о (2) е₂=W˙C( Φ_ост+ Φ_о)+е_о е₄=W˙C(-Φ_ост+ Φ_о)+е_о, где W число витков обмотки у феррозонда 1; С постоянная интегрирования интегрирующего усилителя 6; е_о ЭДС смещения нуля на выходе интегрирующего усилителя 6. Из диаграммы видно, что все значения е₁-е₄ смещены на величину е_одрейфа нуля на выходе интегрирующего усилителя, а значения е₂ и е₄ имеют дополнительное смещение под действием измеряемого магнитного потока и потока остаточной индукции. Из этой же диаграммы видно, что амплитуда ЭДС на выходе интегрирующего усилителя 6 определяется значениями е₁ и е₃, пропорциональными магнитному потоку насыщения в сердечнике. Управляемые сумматоры 7 и 8 (см. фиг.2) не содержат накопительного конденсатора в выходной цепи. Поэтому напряжение, равное алгебраической полусумме складываемых мгновенных значений сигнала, появляется на выходе управляемого сумматора только на время действия разрешающего сигнала на одном из входов 16 или 17 управления (см. фиг.2) и имеет вид e₇= (e₁+e₃) et₁,t
e_7-1= (e₂+e₄) (W·C·φ+e₀)t₂,t
(3) где е₁ и е_7-1 установившиеся значения ЭДС в интервалах времени t₁, t₃и t₂, t₄ на выходах управляемых сумматоров 7 и 8 соответственно. Для выборки необходимых, чередующихся во времени значений е₁-е₄ сумматоры 7 и 8 синхронизированы от генератора 5 (см. фиг.1). На фиг.4 приведены временные диаграммы в и г управляющих сигналов на входах управления сумматора 7 и диаграммы д и е сигналов на входах управления сумматора 8. ЭДС е_с на объединенном выходе сумматоров 7 и 8 образуется как результат сложения двух разнесенных во времени последовательностей импульсных сигналов, имеет вид двух чередующихся с удвоенной частотой уровней (см. диаграмму б на фиг.4) и описывается выражением
e_c= e₇+e_7-1= W·Ct₂,t+e₀
(4)
Как видно из данного выражения двойная амплитуда переменной составляющей данной ЭДС пропорциональна измеряемому полю. ЭДС е_споступает далее (см. фиг. 1) на вход усилителя 9 импульсных сигналов, на выходе которого появляется сигнал е₈ вида
e₈= K₈(W·Ct₂,t+e₀)
(5) где К₈ коэффициент передачи усилителя 9. Этот сигнал поступает на синхронный демодулятор 10, выполненный, например, по схеме, изображенной на фиг.3. Один из накопительных конденсаторов 19 включен во входную цепь демодулятора и выполняет одновременно функции разделительного конденсатора, что практически исключает влияние дрейфа нуля усилителей 6 и 9 на результаты измерения и существенно упрощает их реализацию. При этом один из ключевых элементов 18 соединен с шиной нулевого потенциала, чем обеспечивается фиксация выходного сигнала синхронного демодулятора на уровне потенциала данной шины. Временные диаграммы ж и з сигналов управления на входах 22 и 23 управления синхронного демодулятора приведены на фиг.4. Работа синхронного демодулятора 10 основана на последовательном выделении в интервалы времени t₁, t₃ составляющей К₈ ˙е_о ЭДС е₈ на входном конденсаторе 19, а в интервалы времени t₂, t₄ составляющей К₈˙W˙C˙Φ_oЭДС е₈ на выходном конденсаторе 19 синхронного демодулятора 10. Выходная ЭДС е₉ синхронного демодулятора 10 имеет вид
е₉=К₈˙W˙C˙ Φ_о, (6)
Из этого выражения следует, что выходной сигнал устройства пропорционален измеряемому магнитному потоку. Для исключения зависимости характеристики преобразования поле-напряжение от нестабильности коэффициентов передачи узлов в устройстве использован известный автокомпенсационный принцип измерения, для чего выход дифференциального усилителя 11 соединен с обмоткой 4 компенсации феррозонда 1.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, содержащее одноэлементный феррозонд, соединенный с выходом генератора знакопеременных импульсов тока, выходом дифференциального усилителя с выходом устройства и входом интегрирующего усилителя, два управляемых сумматора, сигнальные входы которых подключены к выходу интегрирующего усилителя, а управляющие входы к генератору, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены усилитель импульсных сигналов и синхронный демодулятор, выходы которого соединены с входами дифференциального усилителя, управляющий вход с выходом генератора знакопеременных импульсов тока, сигнальный вход с выходом усилителя импульсных сигналов, при этом каждый из управляемых сумматоров выполнен по схеме сумматора мгновенных значений, выходы сумматоров объединены и подключены к входу усилителя импульсных сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4