Устройство для измерения напряженности магнитного поля

 

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения напряженности магнитного поля. Техническим результатом является повышение быстродействия измерений за счет достижения значения компенсирующего поля при помощи одного импульса. Устройство для измерения напряженности магнитного поля содержит первый генератор прямоугольных импульсов, феррозонд с сердечником, выполненным из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, к выходной обмотке которого подключен интегратор, выходом соединенный со входом усилителя, выход которого соединен со входом порогового блока, последовательно соединенные логический элемент И, счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока, ключ и обмотка возбуждения феррозонда, причем первый вход логического элемента И соединен с выходом генератора. Новым в устройстве являются RS-триггер и второй генератор прямоугольных импульсов. Причем выход второго генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом RS-триггера и вторым входом счетчика импульсов, выход пороговой схемы соединен со вторым входом RS-триггера, а выход RS-триггера - со вторыми входами ключа и логического элемента И. 2 ил.

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения напряженности магнитного поля.

Известен следящий магнитометр, содержащий генератор, датчик ядерного магнитного резонанса, усилитель, управитель частоты, преобразователь код-напряжение, приемник сигнала ошибки, дискриминатор уровней, реверсивный счетчик, регистрирующее устройство /авт. св. СССР 580536, кл. G 01 R 33/08, 1977/. Однако вследствие больших размеров датчика ядерного магнитного резонанса устройство не позволяет измерять магнитные поля в малых объемах и на малом расстоянии от поверхности ферромагнитных тел, т.е. данное устройство не может быть использовано для испытания образцов из ферромагнитных материалов.

Известно также устройство, содержащее феррозонд, в цепь намагничивающей обмотки которого включен генератор прямоугольных импульсов и последовательно соединенные переменный и эталонный резисторы, параллельно которым включен измерительный прибор, а в цепь выходной обмотки феррозонда включены последовательно соединенные усилитель, интегратор, пороговый блок и индикаторный прибор. Устройство позволяет измерять большие поля у поверхности ферромагнитных тел компенсационным методом /авт.св. СССР 525902, кл. G 01 R 33/02, 1976/. Недостатком устройства является большое время процесса измерения, обусловленное ручной регулировкой амплитуды компенсирующего поля.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения напряженности магнитного поля /авт. св. СССР 815690, кл. G 01 R 33/02, 1981/, содержащее генератор прямоугольных импульсов, феррозонд с сердечником, выполненным из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, к выходной обмотке которого подключен интегратор, выходом соединенный со входом усилителя, выход которого соединен со входом порогового блока, и измерительный прибор, а также последовательно соединенные элемент И-НЕ, реверсивный счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока и ключ, причем второй вход реверсивного счетчика импульсов и первый вход логического элемента И-НЕ соединены с выходом порогового блока, второй вход логического элемента И-НЕ соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, выход цифроаналогового преобразователя И-НЕ соединен со входом измерительного прибора. Второй вход ключа подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выход ключа соединен с намагничивающей обмоткой феррозонда.

Недостатком известного устройства является следующее. Амплитуда компенсирующих импульсов H_к при постоянной их длительности t_и наращивается в устройстве-прототипе от нулевой до измеряемого значения напряженности H_изм дискретно за N шагов: где H_max - предел измерения устройства; n - разрядность реверсивного счетчика импульсов.

Длительность t_и компенсирующих импульсов H_к должна быть больше или равна времени перемагничивания сердечника феррозонда по предельной петле гистерезиса. В общем случае время перемагничивания сердечника феррозонда определяется значением напряженности внешнего перемагничивающего поля, скоростью его изменения, формой и размерами сердечника, а также типом материала, из которого он изготовлен. Процесс перемагничивания часто рассматривают, как процесс вращения доменов, обладающих "инерционностью" или магнитной вязкостью. Скорость вращения доменов тем больше, чем большее внешнее магнитное поле на них воздействует. Другим фактором, замедляющим перемагничивание, являются вихревые токи, возникая, они создают собственное магнитное поле, направленное встречно перемагничивающему. Для одного и того же сердечника из перечисленных факторов на время перемагничивания оказывает влияние значение напряженности внешнего поля и скорость его изменения. Причем увеличение первого приводит к уменьшению времени перемагничивания, а увеличение второго (за счет возрастания вихревых токов) - к увеличению. Прямоугольная форма компенсирующего импульса H_к не позволяет за один шаг подобрать его амплитуду равной H_изм. Это позволяет сделать пилообразная форма компенсирующего импульса H_к, кроме того, такая форма импульса более выигрышна, с точки зрения вихревых токов (они меньше), чем прямоугольная, хотя и хуже с точки зрения преодоления магнитной вязкости доменов. В связи с этим, время перемагничивания импульсом прямоугольной формы соизмеримо с временем перемагничивания импульсом пилообразной формы. Поэтому, если компенсирующий импульс H_к будет иметь пилообразную форму с амплитудой, равной H_max, и длительность, близкую к t_и, компенсация напряженности H_изм измеряемого поля будет достигнута за время, соизмеримое с t_и.

Технической задачей изобретения является повышение быстродействия измерений за счет достижения значения компенсирующего поля при помощи одного импульса длительностью, соизмеримой с t_и.

Поставленная задача решается с помощью устройства для измерения напряженности магнитного поля, содержащего первый генератор прямоугольных импульсов, феррозонд с сердечником, выполненным из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, к выходной обмотке которого подключен интегратор, выходом соединенный со входом усилителя, выход которого соединен со входом порогового блока, последовательно соединенные логический элемент И, счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока, ключ и обмотка возбуждения феррозонда, причем первый вход логического элемента И соединен с выходом первого генератора прямоугольных импульсов, дополнительно снабженного RS-триггером и вторым генератором прямоугольных импульсов. Причем выход второго генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом RS-триггера и вторым входом счетчика импульсов, выход порогового блока соединен со вторым входом RS-триггера, а выход RS-триггера со вторыми входами ключа и логического элемента И.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: RS-триггера, второго генератора прямоугольных импульсов и их связями с остальными элементами схемы.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что RS-триггер и генератор прямоугольных импульсов широко известны.

Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство для измерения напряженности магнитного поля вышеуказанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к повышению быстродействия измерения за счет достижения значения компенсирующего поля при помощи одного импульса длительностью, соизмеримой с t_и.

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения напряженности магнитного поля; на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство для измерения напряженности магнитного поля (фиг. 1) содержит первый генератор прямоугольных импульсов 1, феррозонд 2 с сердечником, выполненным из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, к выходной обмотке 3 которого подключен интегратор 4, выходом соединенный со входом усилителя 5, выход которого соединен со входом порогового блока 6, последовательно соединенные логический элемент И 7, счетчик импульсов 8, цифроаналоговый преобразователь 9, управляемый источник тока 10, ключ 11 и обмотка возбуждения феррозонда 12, причем первый вход логического элемента И 7 соединен с выходом первого генератора прямоугольных импульсов 1, кроме того, RS-триггер 13 и второй генератор прямоугольных импульсов 14. Причем выход второго генератора прямоугольных импульсов 14 соединен с первым входом RS-триггера 13 и вторым входом счетчика импульсов 8, выход порогового блока 6 соединен со вторым входом RS-триггера 13, а выход RS-триггера 13 со вторыми входами ключа 11 и логического элемента И 7.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии на выходе RS-триггера 13 уровень напряжения запрещающий: прохождение тока с выхода управляемого источника тока 10 через ключ 11 в обмотку возбуждения 12 феррозонда 2 и импульсов с выхода первого генератора прямоугольных импульсов 1 на первый вход счетчика импульсов 8 через логический элемент И 7.

Феррозонд 2 помещают в постоянное или изменяющееся во времени измеряемое поле H_изм (фиг. 2). Состояние сердечника феррозонда 2 определяется величиной поля H_изм, а также величиной компенсирующего поля H_к в случае протекания тока в обмотке возбуждения 12 феррозонда 2. Величина компенсирующего поля пропорциональна току управляемого источника тока 10, коммутируемого ключом 11. Для нормальной работы устройства измеряемое и компенсирующее поля направлены встречно.

В начале каждого цикла измерения короткий запускающий импульс с выхода второго генератора прямоугольных импульсов 14 поступает на второй вход счетчика импульсов 8, приводя его в нулевое состояние, и на первый вход RS-триггера 13, в результате чего на выходе RS-триггера 13 устанавливается уровень напряжения разрешающий протекание тока с выхода источника тока 10 через ключ 11 в обмотку возбуждения 12 феррозонда 2 и прохождение через логический элемент И 7 импульсов с выхода первoro генератора прямоугольных импульсов 1 на первый вход счетчика импульсов 8. Выходной код счетчика импульсов 8 поступательно возрастает, что приводит к нарастанию напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 9 и, как следствие, тока управляемого источника тока 10. Происходит формирование пилообразного импульса компенсирующего поля H_к. ЭДС, индуцируемая в выходной обмотке 3 феррозонда 2 в процессе перемагничивания его сердечника (U3 на фиг. 2), интегрируется интегратором 4, усиливается усилителем 5, при этом напряжение на выходе усилителя 5 пропорционально изменению индукции в сердечнике феррозонда 2. С выхода усилителя 5 это напряжение (U5 на фиг. 2) подается на вход порогового блока 6, настроенного таким образом, что он срабатывает, если изменение индукции в сердечнике феррозонда 2 превышает величину, равную максимальной индукции петли гистерезиса материала сердечника (U_пор на фиг. 2). Сердечник феррозонда 2 выполнен из пермалоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, т. е. величина максимальной индукции материала сердечника практически не зависит от напряженности магнитного поля и равна величине остаточной индукции B_r (фиг. 2). Таким образом, если измеряемое поле H_изм становится равным амплитуде компенсирующего поля H_к, на выходе порогового блока 6 появляется импульс (U6 на фиг. 2), воздействующий на второй вход RS-триггера 13 и возвращающий его в исходное состояние. В результате: на обмотку возбуждения 12 феррозонда 2 прекращается подача тока с выхода управляемого источника тока 10 через ключ 11, на вход счетчика импульсов 8 прекращается поступление импульсов с выхода первого генератора импульсов 1 через логический элемент И 7, а на выходе счетчика импульсов 8 устанавливается цифровой код прямо пропорциональный величине напряженности компенсирующего, а значит и измеряемого поля H_изм.

Блоки, входящие в состав устройства для измерения напряженности магнитного поля, могут быть выполнены, например: первый и второй генератор прямоугольных импульсов, интегратор, усилитель, пороговый блок, логический элемент И, счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, ключ, RS-триггер /Якубовский С.В., Барканов Н.А., Кудряшов Б. П. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. - М.: Сов. радио, 1979, 336 с./; феррозонд как две обмотки на сердечнике, выполненном из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице; управляемый источник тока как усилитель с обратной связью по току /Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС: Пер с англ. - М.: Мир, 1985, 572 с./.

Экспериментальные исследования макета заявляемого устройства для измерения напряженности магнитного поля показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) заявляемое устройство обеспечивает повышение быстродействия измерений за счет достижения значения компенсирующего поля при помощи одного импульса длительностью, соизмеримой с t_и.

Формула изобретения

Устройство для измерения напряженности магнитного поля, содержащее первый генератор прямоугольных импульсов, феррозонд с сердечником, выполненным из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, к выходной обмотке которого подключен интегратор, выходом соединенный со входом усилителя, выход которого соединен со входом порогового блока, последовательно соединенные логический элемент И, счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока, ключ и обмотка возбуждения феррозонда, причем первый вход логического элемента И соединен с выходом генератора, отличающееся тем, что оно снабжено RS-триггером и вторым генератором прямоугольных импульсов, причем выход второго генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом RS-триггера и вторым входом счетчика импульсов, выход порогового блока соединен со вторым входом RS-триггера, а выход RS-триггера со вторыми входами ключа и логического элемента И.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2