Цифровой измеритель магнитной индукции

 

Изобретение относится к технике магнитных измерений и может быть использовано для прецизионных измерений вшироком диапазоне постоянных магнитных полей. Целью изобретения является повышение точности измерения. Устройство содержит датчик 1 Холла, переключатель 2. источник 3 питания, синхронный детектор.4, преобразователь 5 направление - число импульсов, блок 6 управления линеаризацией, логический блок 7 добавления и вычитания импульсов, накопительный счетчик 8, генератор 9 импульсов, счетчик 10, дешифратор 11, блок 12 управления операцией, состоящий из элементов И 13-15 и триггеров 16 и 17, усилитель-ограничитель 18, реверсивный счетчик 19, двоично-десятичный дешифратор 20 и цифровой индикатор 21.3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕ СКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 В 33/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4632 T02/21 (22) 05.01.89 (46) 30.01 92, Бюл. N 4 (71). Научно-исследовательский институт

"Квант" (72) И,П.Смирнов, А.Н.Фойда, О.Т.Чигирин и Ю,Т.Чигирин (56) Авторское свидетельство СССР

М 367794, кл, G 01 R 3 /00, 1970. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ (57) Изобретение относится к технике магнитных измерений и может быть использовано для прецизионных измерений в. Ж 1709257 А1 широком диапазоне постоянных магнитных полей. Целью изобретения является повышение точности измерения. Устройство содержит датчик 1 Холла, переключатель 2, источник 3 питания, синхронный детектор,4, преобразователь 5 направление — число импульсов, блок 6 управления линеаризацией, логический блок 7 добавления и вычитания импульсов, накопительный счетчик 8, генератор 9 импульсов, счетчик 10, дешифратор

11, блок 12 управления операцией, состоящий из элементов И 13-15 и триггеров 16 и

17, усилитель-ограничитель 18, реверсивный счетчик 19, двоично-десятичный дешифратор 20 и цифровой индикатор 21. 3 ил.

1709257

Изобретение относится к технике магнитных измерений и может быть использовано для прецизионного измерения в широком диапазоне постоянных магнитных полей. 5

Цель изобретения — повышение точности измерения.

На фиг.1 приведена блок-схема цифрового измерителя магнитной индукции; на фиг,2 — временные диаграммы переменного 10 выходного сигнала датчика Холла после переключателя и после его преобразования в постоянный сигнал синхронным детектором; на фиг,3 — характеристика датчика Холла и характеристика функции коррекции 15 датчика Холла.

Цифровой измеритель магнитной индукции состоит из датчика Холла 1, токовые и потенциальные электроды которого соединены с входами переключателя 2, под- 20 ключенного к выходам источника 3 питания, синхронного детектора 4, преобразователя

5 напряжение — число импульсов, блока 6 управления линеаризацией, логического блока 7 добавления и вычитания импульсов, 25 накопительного счетчика 8, генератора 9 импульсов, счетчика 10, дешифратора 11 и блока 12 управления операцией, включающей в себя элементы И 13 — 15 и триггеры 16 и 17, усилителя-ограничителя 18, реверсив- 30 ного счетчика 19, двоично-десятичного дешифратора 20 и цифрового индикатора 21, Выход синхронного детектора 4 соединен с входом преобразователя 5 напряжение — число импульсов и первым входом 35 усилителя-ограничителя 18, управляющий вход — с управляющим выходом источника 3 питания, а сигнальный вход — с выходом переключателя 2.

Выход счетных импульсов преобразо- 40 вателя 5 напряжение — число импульсов соединен с входами счетных импульсов блока

6 управления линеаризацией и логического блока 7 добавления и вычитания импульсов.

Управляющий вход блока 6 управления 45 линеаризацией соединен с выходом накопительного счетчика 8, Выход добавления импульсов блока 6 управления линеаризацией соединен с входом добавления импульсов логического блока 7 добавления и 50 вычитания импульсов. Выход вычитания импульсов блока 6 управления линеаризацией соединен с входом вычитания импульсов логического блока 7 добавления и вычитания импульсов. Выход логического блока 7 до- 55 бавления и вычитания импульсов соединен со счетными входами накопительного счетчика 8 и реверсивного счетчика 19. Выход реверсивного счетчика 19 соединен с сигнальным входом двоично-десятичного дешифратора 20, выход которого подключен к цифровому индикатору 21.

Первый выход дешифратора 11 соединен с управляющим входом переключателя

2. Второй выход дешифратора 11 соединен с запускающим входом преобразователя 5 напряжение — число импульсов, установочным входом блока 6 управления линеариэацией и нулевым входом накопительного счетчика 8. Третий выход дешифратора 11 соединен с установочным входом.реверсивного счетчика 19. Четвертый выход дешифратора 11 соединен с управляющим входом двоично-десятичного дешифратора 20. Выход триггера 17 соединен с входом реверса реверсивного счетчика 19.

Первый вход элемента И 15 соединен с выходом реверсивного счетчика 19. Вход усилителя-ограничителя 18 соединен с выходом синхронного детектора 4. Генератор

9 импульсов ерез счетчик 10 соединен с входом дешифратора 11. Третий выход дешифратора 11 соединен с первым входом триггера 17 и нулевым входом триггера 16.

Пятый выход дешифратора 11 соединен с первым входом элемента И 14 и первым входом элемента И 15. Шестой выход дешифратора 11 соединен с первым входом элемента И 13.

Выход элемента И 13 соединен с единичным входом триггера 16. выход которого соединен с вторым входом элемента И 14.

Выход элемента И 14 соединен со счетным входом триггера 17. Третий вход элемента И

14 через усилитель-ограничитель 18 соединен с выходом синхронного детектора 4.

Выход элемента И 15 соединен с вторым входом триггера 17. Второй вход элемента И 15 соединен с выходом реверсивного счетчика 19.

К неизменяющимся управляющим сигналам относятся: а) сигнал, поступающий на управляющий вход переключателя 2. По этоМу сигналу в первый такт измерения первая пара противоположных электродов датчика Холла 1 через переключатель 2 подключается к синхронному детектору 4, вторая пара противоположных электродов датчика Холла 1 через переключатель 2 подключается к источнику 3 питания. Во втором такте первая пара противоположных электродов датчика

Холла 1 через переключатель 2 подключается к источнику 3 питания, а вторая пара противоположных электродов датчика Холла 1 — к синхронному детектору 4. При таком подключении Ui = ек+ 0нз 02 =. ":ех — 0нэ. где 01 — напряжение, поступающее с датчика Холла; ек — ЗДС датчика Холла: I.J напряжение неэквипотенциальности:

1709257 б) сигнал, поступающий на запускающий вход преобразователя 5 напряжение— число импульсов, нулевой вход накопительного счетчика 8 и установочный вход блока

6 управления линеаризацией, По этому сиг- 5 налу начинается преобразование аналогоsoro входного сигнала в пропорциональное число импульсов. Кроме того, в нулевое состояние устанавливается накопительный счетчик 8 и в исходное состояние устанавли- 10 вается блок 6 управления линеаризацией; в) сигнал, поступающий на нулевой вход реверсивного счетчика 19; г) сигнал, поступающий на управляющий вход двоично-десятичного дешифрато- 15 ра 20, По этому сигналу производится считывание результата измерения цифровым индикатором 21 после второго такта измерения; д) для выделения сигналов первого и 20 второго тактов, необходимых для работы блока 12 управления операцией, дешифратор 11 формирует на своих выходах соответствующие управляющие сигналы.

К изменяющимся управляющим сигна- 25 лам относится сигнал, поступающий на вход реверса реверсивного счетчика 19 во втором такте измерения и формируемый блоком 12 управления операцией 1 по сигналам, поступающим на его входы. 30

В первом такте реверсивный счетчик 19 всегда работает на сложение. Направление счета. в реверсивном счетчике 19 во втором такте зависит от следующих условий работы. 35

При I ex I > 0нэ! и "+" В или "-" В на вход реверса реверсивного счетчика 19 поступает управляющий сигнал, который не изменяет направления счета в реверсивном счетчике 19 во втором такте, т.е, реверсив- 40 ный счетчик 19 в обоих тактах работает на сложение.

При 1 ех I < l u» I и "+" В на вход реверса реверсивного счетчика 19 поступает управляющий сигнал, который изменяет 45 направление счета в реверсивном счетчике

19 во втором такте, т.е. реверсивный счетчик 19 в первом такте работает на сложение, а во втором — на вычитание.

При l ex I < 1 0нэ I и "-" В на вход 50 реверса реверсивного счетчика 19 поступает управляющий сигнал, который дважды изменяет направление счета в реверсивном счетчике 19, т,е. реверсивный счетчик 19 в . первом такте работает на сложение, а во 55 втором сначала работает на вычитание, а потом на сложение. На сложение он начинает работать в тот момент, когда код в реверсивном счетчике 19 становится равным нулю. условия l ех! >! U»l и 1 exl

При ех > U» I полярность выходного сигнала синхронного детектора 4 в обоих тактах измерения одинакова ("-", "— ") при

+ В и (+, + ) при В, При одинаковых полярностях выходного сигнала синхронного детектора 4 в обоих тактах блок 12 управления операцией во втором такте не вырабатывает управляющий сигнал, изменяющий направление счета в реверсивном счетчике 19.

При I ех < IU» I полярность выходных сигналов синхронного детектора 4 независимо от направления магнитной индукции

"+" В или "—" В в обоих тактах будет ("-", "+"), При изменении полярности выходного сигнала синхронного детектора 4 с "—" в первом такте на "+" во втором такте блок 12 управления операцией изменяет направление счета в реверсивном счетчике 19 во втором такте измерения, При условии !х1 < IU»I и "—" В блок

12 управления операцией дважды изменяет направление счета в реверсивном счетчике

19 во втором такте измерения, Сначала блок

12 управления операцией по полярности выходных сигналов синхронного детектора

4 в обоих тактах измерения изменяет направление счета в реверсивном счетчике 19.

Во втором такте он работает на вычитание, Когда число в реверсивном счетчике 19.становится равным нулю, блок 12 управления операцией при срабатывании элемента И 15 снова изменяет направление счета в реверсивном счетчике 19. Он работает на сложение.

Работа устройства происходит в два такта измерения.

В первом такте происходит измерение выходного сигнала датчика Холла 1 с первой пары противоположных электродов, а во втором такте измерения — с второй пары противоположных электродов датчика ХолIl3 1, Сигналом начальной установки, поступающим с третьего выхода дешифратора 11, в нулевое состояние устанавливается ре-. версивный счетчик 19 и триггеры 16 и 17.

Сигналом, поступающим с второго выхода дешифратора 11, в нулевое состояние устанавливается накопительный счетчик 8, в.исходное состояние устанавливается блок 6 управления линеаризацией. С выхода триггера 17 на шину реверса реверсивного счетчика 19 поступает такой управляющий сигнал, по которому реверсивный счетчик

19 работает на сложение, По сигналу, посту1709257

35

50 пающему на запускающий вход преобразователя 5.с второго выхода дешифратора 11, начинается преобразование входного сигнала в пропорциональное число импульсов.

В первом такте измерения выходной сигнал датчика холла U1 = I + ex — 0нэ!.

Такое значение выходного сигнала датчика

Холла 1 обусловлено тем, что управляющий сигнал на первом выходе дешифратора 11 всегда в первом такте подключает первую пару противоположных электродов датчика

Холла 1 к входу синхронного детектора 4, а через вторую пару противоположных электродов датчика Холла 1 протекает ток от источника 3 питания.

Выходной сигнал датчика Холла 1 U2 =

= I + ех — 0нэ I через переключатель 2 и синхронный детектор 4 поступает на преобразователь 5 напряжение — число импульсов.

Результат преобразования в виде импульсов через логический блок 7 добавления и вычитания импульсов поступает на реверсивный счетчик 19, считающий в прямом

НаПраВЛЕНИИ, N1=- К1К2 !Е, 1-0нэ), ГдЕ K1— коэффициент преобразования синхронного детектора 4; K2 — коэффициент преобразования преобразователя 5 напряжение — число импульсов, В конце первого такта измерения дешифратор 11 коммутирует переключатель 2.

Во втором такте измерения выходной сигнал датчика Холла 1 02 = I +ех+ 0нэ !. Это напряжение поступает через синхронный детектор 4 на преобразователь 5 напряжение — число импульсов. С преобразователя

5 напряжение U2, преобразованное в число импульсов, через блок добавления и вычитания импульсов 7 поступает на реверсивный счетчик 19, считающий в прямом направлении, N2 =- К1К2 I ex 0нэ !.

В реверсивном счетчике 19 в зависимости от соотношения I exl и I 0 э происходит суммирование или вычитание результатов кодирования двух тактов. Информация о виде операции во втором такте выделяется с помощью синхронного детектора 4. Блок 12 управления операцией в зависимости от состояния синхронного детектора 4 в обоих тактах измерения выдает определенный командный сигнал на реверсивный счетчик 12. Когда lex I> IU >I, происходит суммирование результатов кодирования, а при I ех < U I — их вычитание.

Пусть условия следующие: "+" В, U1 =

-ex — 0нэ, 02 = -ex + 0 э, I ex I > I 0нэ

В первом такте выходной сигнал синхронного детектора 4 (фиг.2в) отрицательный, он является запрещающим для элементов И 13 и 14, При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора

11 на элемент И 13 он не срабатывает, поскольку на его второй вход поступает запрещающий потенциал с выхода синхронного детектора 4. Таким образом, состояние триггера 16 не изменяется и он выдает разрешающий потенциал на элемент И 14. При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора 11. во втором такте измерения элемент И 14 не срабатывает, поскольку на него с выхода синхронного детектора 4 поступает запрещающий потенциал. Поэтому во втором такте измерения состояние триггера 17 не изменяется и ренерсинный счетчик 19 но втором такте работает на сложение, В результате в реверсивном счетчике 19 после второго такта находится суммарный результат, пропорциональный ЭДС Холла:

N . = N1 + N2 = K1K2 I ex + 0нэ +

+ K1K2 1ex — 0нэ l = 2K1K2ex, Пусть условия следующие: "+ В", 01 =-е — 0нэ, 02=-ех+0 э, lexl

В первом такте выходной сигнал синхронного детектора 4 (фиг.2д) отрицательный, он является запрещающим для элементов И 13 и 14. При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора

11 на элемент И 13 он не срабатывает. поскольку на его второй вход поступает запрещающий потенциал с выхода синхронного детектора 4. Таким образом, состояние триггера 16 не изменяется и ан выдает разрешающий потенциал на элемент И 14. При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора 11 во втором такте измерения элемент И 14 срабатывает, поскольку но втором Такте измерения на него поступает разрешающий потенциал с ны".îäe синхрон-. ного детектора 4. Выходной сигнал элемента И 14 поступает на счетный вход триггера

17 и изменяет его состояние. Поэтому во втором такте измерения ренерсивный счетчик 19 работает на вычитание.

В результате в реверсивном счетчике 19 после второго такта находится суммарный результат, пропорциональный ЭДС Холла:

Ng = 11 N2 = К1К2 lex I + !0иэ!"

-К1K2 I0 — ex != 2K1К2 !х.

Пусть условия следующие: "-" В. U1

+ex 0нэ, 02 =+ex + 0нэ, lex > !0нэ

В первом такте выходной сигнал синхронного детектора 4 (фиг.2ж) положительный, он является разрешающим для элементов И 13 и 14. При поступлении уп1709257

5

15

40

55 равляющего сигнала с выхода дешифратора

11 на элемент И 13 он срабатывает и выдает сигнал на единичный входтриггера 16. Триггер 16 приходит в единичное состояние и выдает запрещающий потенциал на элемент И 14. При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора 11 во втором такте измерения элемент И 14 срабатывает, поскольку на него поступает запрещающий потенциал с триггера 16. Поэтому во втором такте измерения состояние триггера 17 не изменяется и реверсивный счетчик 19 во втором такте работает на сложение.

В результате в реверсивном счетчике 19 после второго такта находится суммарный результат, пропорциональный ЭДС Холла:

N g = N)+ Nz = К1Кг lex Upsl +

+ К1Кг lex+ UH3 I= 2K .Клех.

Пусть условия следующие: "-" В. U> = ех — Ups, U2 = ex+ U a. I ex I < I Use! .

В первом такте выходной сигнал синхронного детектора 4 (фиг.2к) отрицатель-. ный, он является запрещающим для элементов И 13 и 14. При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора

11 на элемент И 13 он не срабатывает, поскольку на его второй вход поступает запрещающий потенциал с выхода синхронного детектора 4, Таким образом, состояние триггера 16 не изменяется и он выдает разрешающий потенциал на элемент И 14. При поступлении управляющего сигнала с выхода дешифратора во втором такте измерения элемент И 14 срабатывает, поскольку во втором такте измерения на него поступает разрешающий потенциал с выхода синхронного детектора 4. Выходной сигнал элемента И 14 поступает на счетный вход триггера

17 и изменяет его состояние. Поэтому во втором такте измерения реверсивный счетчик 19 сначала работает на вычитание. Когда число в реверсивном счетчике 19 становится равным нулю, срабатывает элемент И 15, на вход которого поступает код реверсивного счетчика 19. Выходной сигнал элемента И 15 во втором, такте измерения поступает на нулевой вход триггера 17 и переводит его в нулевое состояние. Поэтому реверсивный счетчик 19 начинает работать на сложение.

В результате после второго такта в реверсивном счетчике 19 находится суммарный результат, пропорциональный ЗДС.

Холла:

N2 = К1Кг I 0нэ + ех 1= K1K2 I Онэ — ex + 2lxl= К1Кг 0 — exl+ 2K1lb ех, Ng = N) — К1Кг IUgg — exl+

+2К1Кг,ex = 2К1Кге .

Блок линеаризации осуществляет коррекцию нелинейности характеристики датчика Холла. Пусть функция коррекции датчика Холла 1 (фиг.36) имеет три участка линеаризации, которые обеспечивают заданную точность измерения. Границы участка линеаризации N<, йг, N„a«(N1, йг, смаке — количества импульсов, пропорциональные измеряемой магнитной индукции).

Для данной функции коррекции датчика

Холла 1 (фиг.36) на первом участке линеаризации производится добавление импульсов в числоимпульсный код преобразователя 5.

На третьем участке линеаризации производится вычитание импульсов из числоимпульсного кода преобразователя 5. На первом участке линеаризации (О ), где Ni — текущее значение кода преобразователя 5) производится добавление импульсов в числоимпульсный код преобразователя 5 напряжение — число импульсов, при этом к каждой группе из последовательных импульсов добавляется один импульс.

На втором участке линеаризации (N«Ni <

< Йг) выходной числоимпульсный код преобразователя 5 напряжение — число импульсов не изменяется, На третьем участке линеаризации (йг < Ni < И с), где производится вычитание импульсов из числоимпульсного кода преобразователя 5 напряжение — число импульсов, в каждой группе из I последовательных импульсов вычитается один импульс.

Скорректированные результаты измерения первого и второго тактов с выхода логического блока 7 добавления и вычитания импульсов поступают на реверсивный счетчик 19. Результат измерения считывается цифровым индикатором 21.

Формула изобретения

Цифровой измеритель магнитной индукции, содержащий последовательно соединенные датчик Холла, переключатель, синхронный детектор, преобразователь напряжение — число импульсов, блок управления линеаризацией, логический блок добавления и вычитания импульсов, реверсивный счетчик, двоично-десятичный дешифратор и цифровой индикатор, а также источник питания, в котором вторые входы переключателя соединены с первыми выходами источника питания, второй выход которого подключен к управляющему входу синхронного детектора, выход преобразователя напряжение — число импульсов соединен со счетным входом блока добавления

1709257

„+"В; и вычитания импульсов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены накопительный счетчик, усилитель-ограничитель, последовательно соединенные генера гор импульсов, счетчик, дешифратор и блок управления операцией, включающий триггер реверса, триггер и три элемента И, первый выход дешифратора соединен с управляющим входом переключателя, второй выход — с запускающим входом преобразователя напряжение — число импульсов,. третий выход — с нулевым входом реверсивного счетчика, четвертый выход — с управляющим входом. двоично-десятичного дешифратора. выход триггера реверса — с входом реверса реверсивного счетчика, вход усилителя-ограничителя соединен с выходом синхронного детектора первый вход первого элемента

И вЂ” с выходом реверсивного счетчика, пятый выход дешифратора соединен с первым входом второго элемента. И и вторым входом первого элемента И, шестой выход дешифратора соединен с первым входом третьего элемента И, второй вход которого подключен к выходу усилителя-ограничителя и вто5 рому входу второго элемента И, выход которого соединен со счетными входами триггера реверса, нулевые входы которого соединены соответственно с третьим выходом дешифратора, вторым входом триггера

10 и выходом первого элемента И, первый вход триггера соединен с выходом третьего элемента И, нулевой вход накопительного счетчика и установочный вход блока управления линеаризацией соединены с запускающим

15 входом преобразователя напряжение — число импульсов, выход накопительного счетчика соединен с управляющим входом блока управления линеаризацией, а второй вход накопительного счетчика подключен к

20 выходу логического блока добавления и вычитания импульсов и к входу реверсивного счетчика.

1709257

mg lgg Шу

Иу(8

Фиг 3

Составитель В.Величкин

Техред М.Морге нтэл Корректор О Кравцова

Редактор А.Огар Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 423 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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