Устройство для измерения напряженности магнитного поля

 

Изобретение относится к магнитоизмерительной технике и может быть использовано при неразрушающем контроле. Устройство состоит из ферромодуляционного преобразователя 1, электронного ключа 2, блока 3 пиковых детекторов, усилителя 4, линейного детектора 5, регистрирующего прибора 6, генератора 7 возбуждения, блока 8 задержки и генератора 9 управляющих импульсов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к магнитоизмерительной технике и может быть использовано в неразрушающем контроле.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.3 - схема принципиальная электрическая блока управления ключами; на фиг.4 - эпюры напряжений, поясняющие работу генератора управляющих импульсов.

Устройство содержит (фиг.1) ферромодуляционный преобразователь 1, ключ 2, информационный вход которого соединен с выходом ферромодуляционного преобразователя 1, блок 3 пиковых детекторов, два информационных входа которого соединены с соответствующими информационными выходами ключа 2, широкополосный усилитель 4, вход которого соединен с выходом блока 3 пиковых детекторов, линейный детектор 5, вход которого соединен с выходом усилителя 4, регистрирующий прибор 6, вход которого соединен с выходом линейного детектора 5, генератор 7 возбуждения, первый выход которого соединен с входом ферромодуляционного преобразователя 1, блок 8 задержки, вход которого соединен со вторым выходом генератора 7 возбуждения, и генератор 9 управляющих импульсов, два входа которого соединены с соответствующими двумя выходами блока 8 задержки, два его первых выхода - с соответствующими входами управления электронного ключа 2, а два других выхода - с соответствующими входами управления блока 3 пиковых детекторов.

Блок пиковых детекторов содержит диод 10, конденсатор 11, первый вывод которого подключен к катоду диода 10, второй - к общему проводу, диод 12, катод которого подключен к аноду диода 10, конденсатор 13, первый вывод которого подключен к аноду диода 12, а второй - к общему проводу, ключ 14, информационный вход которого подключен к катоду диода 10, ключ 15, информационный вход которого подключен к аноду диода 12, а вход управления соединен с входом управления ключа 14, переменный резистор 16, крайние выводы которого подключены к выходам ключей 14 и 15, диод 17, конденсатор 18, первый вывод которого подключен к катоду диода 17, а второй - к общему проводу, диод 19, катод которого подключен к аноду диода 17, конденсатор 20, первый вывод которого подключен к аноду диода 19, а второй - к общему проводу, ключ 21, информационный вход которого подключен к катоду диода 17, ключ 22, информационный вход которого подключен к аноду диода 19, а вход управления соединен с входом управления ключа 21, переменный резистор 23, крайние выводы которого подключены к выходам ключей 21 и 22, суммирующий резистор 24, первый вывод которого соединен со средними точками резисторов 16 и 23, а второй - с общим проводом.

Блок управления (фиг.3) содержит два компаратора 25, 26, первые входы которых подключены к общему проводу, а на вторые входы поданы напряжения синусоидальной формы, сдвинутые по фазе на 90^о, формируемые на выходе блока задержки, элемент И 27, входы которого подключены к прямым выходам компараторов 25 и 26, элемент И 28, входы которого подключены к соответствующим инверсным выходам компараторов 25, 26, а его выход предназначен для управления ключами 14, 15 блока 3 пиковых детекторов, элемент И 29, первый вход которого подключен к прямому выходу компаратора 25, второй его вход - к инверсному выходу компаратора 26, а его выход предназначен для управления ключами 21, 22 блока 3 пиковых детекторов, элемент ИЛИ 30, первый вход которого подключен к выходу элемента И 27, второй его вход - к выходу элемента И 28, и его выход предназначен для установки электронного ключа 8 в положение 2, и элемент НЕ 31, вход которого подключен к выходу усилителя 4, а его выход предназначен для установки электронного ключа 15 в положение 1.

Устройство работает следующим образом.

С выхода генератора 7 возбуждения (фиг.1) напряжение, возможная форма которого показана на фиг.2,а, подается на возбуждающую обмотку ферромодуляционного преобразователя 1. При этом дифференциальная магнитная проницаемость сердечника преобразователя будет изменяться согласно эпюре, показанной на фиг.2,б. В сигнальной обмотке преобразователя индуцируется ЭДС, которая может быть представлена в виде двух составляющих. Первая составляющая (фиг. 2,в) обусловлена внешним (измеряемым) магнитным полем, вторая (фиг.2, г) - ЭДС небаланса. Пусть внешнее магнитное поле отсутствует. Тогда в первую четверть периода возбуждающего напряжения (фиг.4,г) конденсатор 11 блока 3 пиковых детекторов зарядится до напряжения U1. Во вторую четверть периода зарядится конденсатор 18 блока 3 пиковых детекторов до напряжения U2. В третью четверть периода зарядится конденсатор 13 блока 3 пиковых детекторов до напряжения U3 и в четвертую четверть периода - конденсатор 20 блока 3 пиковых детекторов до напряжения U4. Блок 8 задержки и генератор 9 управляющих импульсов работают таким образом, что максимальные значения ЭДС небаланса лежат внутри вышеописанных интервалов. С этой целью блок 8 задержки выполнен в виде двух последовательно соединенных линий задержки, первая из которых компенсирует фазовый сдвиг между током в возбуждающей обмотке и напряжением в сигнальной обмотке ферромодуляционного преобразователя 1, а вторая обеспечивает получение двух квадратурных составляющих на выходе блока 8 задержки. Если флуктуаций магнитных характеристик сердечника ферромодуляционного преобразователя 1 нет, то U1 = -U3, U2 = -U4 и при замыкании ключей блока 3 пиковых детекторов в интервалы времени, показанные на фиг.4д, е, напряжение на входе усилителя 4 равно нулю. Если имеют место флуктуации асимметрии петли гистерезиса, что соответствует флуктуациям временных координат пикового значения напряжения, то такие флуктуации не сопровождаются флуктуациями напряжения на входе усилителя 4, так как его входное напряжение определяется только суммой пиковых значений напряжений на сигнальной обмотке в соответствующие интервалы времени и не зависит от координат этих пиков. Если имеет место низкочастотная флуктуация дифференциальной магнитной проницаемости сердечника ферромодуляционного преобразователя 1 (под низкочастотной понимается флуктуация, частота которой много меньше частоты возбуждающего напряжения), то за период перемагничивания сердечника U1 и U3, а также U2 и U4 получают, приблизительно, одинаковые приращения (равные по абсолютной величине и противоположные по знаку), что также не приведет к флуктуациям напряжения на входе усилителя 4. Следовательно, напряжение шума магнитного происхождения на входе усилителя 4 определяется только флуктуациями дифференциальной магнитной проницаемости в течение одного периода перемагничивания. Однако устройство позволяет снизить и эту составляющую шума на входе усилителя 4 по сравнению с ее величиной на выходе преобразователя 1. Действительно, если D(U1) - дисперсия пикового значения ЭДС сигнальной обмотки преобразователя 1 в первую четверть периода перемагничивания, a D(U3) - в третью четверть периода, пренебрегая корреляцией между флуктуациями пиковых значений в эти промежутки времени в течение времени измерения, определяем суммарную дисперсию σ_пр на выходе преобразователя D(U1 + U3): D(U1 + U3) = D(U1) + D(U3) (1) или σ_пр(U1+U3)= (2) Полагая, что флуктуации пиковых значений полностью коppелированы в течение каждого отдельного цикла перемагничивания, для суммарного среднего квадратического отклонения пикового значения напряжения на выходе блока пиковых детекторов получим σ_пд(U1+U3)=(U1)-σ(U3) (3) Очевидно, что σ_пд<<σ_пр.

При наличии внешнего магнитного поля U1 ≠ -U3 и U2 ≠ -U4 (согласно эпюрам на фиг.2 в, г) на выходе блока 3 пиковых детекторов появляется напряжение, эпюра которого показана на фиг.2,д. После усиления этого напряжения усилителем 4 и детектирования линейным детектором 5, на входе регистрирующего прибора 6 имеем постоянную составляющую напряжения, пропорциональную напряженности внешнего магнитного поля.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, содержащее ферромодуляционный преобразователь, усилитель, регистрирующий прибор и последовательно соединенные генератор возбуждения, блок задержки, генератор управляющих импульсов и электронный ключ, при этом второй выход генератора возбуждения соединен с входом ферромодуляционного преобразователя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены линейный детектор и блок пиковых детекторов, информационные входы которого подключены к соответствующим выходам электронного ключа, а выход - к входу усилителя, через линейный детектор подключенный к входу регистрирующего прибора, при этом выход ферромодуляционного преобразователя подключен к второму информационному входу электронного ключа, второй выход блока задержки подключен к второму входу генератора управляющих импульсов, второй выход генератора управляющих импульсов подключен к второму управляющему входу электронного ключа, третий и четвертый его выходы - к соответствующим входам блока пиковых детекторов, а усилитель выполнен широкополосным.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок пиковых детекторов выполнен в виде двух пиковых детекторов положительных значений сигнала и двух пиковых детекторов отрицательных значений, каждый детектор выполнен в виде последовательно соединенных диода и конденсатора, второй вывод которого соединен с общим проводом, и ключа, информационный вход которого подключен к первому выводу конденсатора, информационный и управляющий входы первого пикового детектора положительных значений сигнала соединены с соответствующими входами первого пикового детектора отрицательных значений сигнала, информационный и управляющий входы второго пикового детектора положительных значений сигнала соединены с соответствующими входами второго пикового детектора отрицательных значений сигнала, первого переменного резистора, крайние выводы которого подключены к выходу первого детектора положительных значений и выходу первого детектора отрицательных значений, второго переменного резистора, крайние выводы которого подключены к выходу второго детектора положительных значений и выходу второго детектора отрицательных значений, и суммирующего резистора, первый выход которого соединен со средними выводами переменных резисторов, а второй соединен с общим проводом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4