Устройство для измерения напряженности магнитного поля

 

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения напряженности магнитного поля. Техническим результатом является повышение быстродействия за счет поддержания скважности компенсирующих импульсов, пропорциональной их амплитуде. Устройство для измерения напряженности магнитного поля содержит генератор прямоугольных импульсов, феррозонд с сердечником, выполненным из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, к выходной обмотке которого подключен интегратор. Выход интегратора соединен со входом усилителя, выход которого соединен со входом порогового блока. Первый логический элемент И последовательно соединен с первым реверсивным счетчиком импульсов, цифроаналоговым преобразователем, управляемым источником тока, ключом и обмоткой возбуждения феррозонда. Второй вход первого реверсивного счетчика импульсов и первый вход первого логического элемента И соединены с выходом порогового блока. В устройство введены второй логический элемент И и второй реверсивный счетчик импульсов. Выход генератора подключен к первым входам второго логического элемента И и второго реверсивного счетчика импульсов, выход второго логического элемента И подключен к вторым входам первого логического элемента И, второго реверсивного счетчика импульсов и ключа, третий вход второго реверсивного счетчика импульсов присоединен к выходу первого реверсивного счетчика импульсов, а выход - ко второму входу второго 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. СССР¹ 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 посменный 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. СССР¹ 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 N 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 соединенный логический 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 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 импульса тока, подаваемая в обмотку возбуждения феррозонда, может превышать значение постоянного тока, протекающего через эту же обмотку, в раз (Q - скважность импульса). Генератор, входящий в состав данного устройства, генерирует импульсы с постоянной частотой и длительностью, а значит и постоянной скважностью Q. Эта скважность Q должна соответствовать максимальной амплитуде компенсирующих импульсов. Это значит, что скважность Q всегда завышена, т.е. время измерения не минимально возможное. Бели осуществлять регулирование скважности Q в процессе изменения амплитуды компенсирующих импульсов, то время измерения можно значительно сократить.

Технической задачей изобретения является повышение быстродействия за счет поддержания скважности компенсирующих импульсов, пропорциональной их амплитуде.

Поставленная задача решается с помощью устройства для измерения напряженности магнитного поля, содержащего 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 первый логический элемент И, первый реверсивный счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока, ключ и обмотка возбуждения феррозонда, причем второй вход первого реверсивного счетчика импульсов и первый вход первого логического элемента И соединены с выходом порогового блока, дополнительно снабженного вторым логическим элементом И и вторым реверсивным счетчиком импульсов. Причем выход генератора подключен к первым входам второго логического элемента И и второго реверсивного счетчика импульсов, выход второго логического элемента И подключен к вторым входам первого логического элемента И, второго реверсивного счетчика импульсов и ключа, третий вход второго реверсивного счетчика импульсов присоединен к выходу первого реверсивного счетчика импульсов, а выход ко второму входу второго логического элемента И.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: второго логического элемента И и второго реверсивного счетчика 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 логический элемент И и реверсивный счетчик 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 за счет поддержания скважности компенсирующих импульсов, пропорциональной их амплитуде. 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 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 первый логический элемент И 7, первый реверсивный счетчик импульсов 8, цифроаналоговый преобразователь 9, управляемый источник тока 10, ключ 11 и обмотка возбуждения 12 феррозонда 2, причем второй вход первого реверсивного счетчика импульсов 8 и первый вход первого логического элемента И 7 соединены с выходом порогового блока 6, а также второй логический элемент И 13 и второй реверсивный счетчик импульсов 14. Причем выход генератора прямоугольных импульсов 1 подключен к первым входам второго логического элемента И 13 и второго реверсивного счетчика импульсов 14, выход второго логического элемента И 13 подключен к вторым входам первого логического элемента И 7, второго реверсивного счетчика импульсов 14 и ключа 11, третий вход второго реверсивного счетчика импульсов 14 присоединен к выходу первого реверсивного счетчика импульсов 8, а выход ко второму входу второго логического элемента И 13.

Устройство работает следующим образом.

Феррозонд 2 помещают в постоянное или изменяющееся во времени измеряемое поле H_изм (фиг. 2). Состояние сердечника феррозонда 2 определяется величиной поля H_изм и величиной компенсирующего импульсного поля H_к, создаваемого током в обмотке возбуждения 12 феррозонда 2. Амплитуда прямоугольных импульсов компенсирующего поля пропорциональна току управляемого источника тока 10, коммутируемого ключом 11, а частота их следования - выходному коду первого реверсивного счетчика импульсов 8. Для нормальной работы устройства измеряемое и компенсирующее поля направлены встречно. Импульсы напряжения, индуцируемые в выходной обмотке 3 феррозонда 2 в процессе перемагничивания его сердечника (U3 на фиг. 2), интегрируются интегратором 4, напряжение на выходе интегратора 4 (U4 на фиг. 2) пропорционально изменениям индукции в сердечнике феррозонда 2. Усиленные усилителем 5 импульсы подаются на вход порогового блока 6, настроенного таким образом, что импульсы на его выходе появляются, если изменения индукции в сердечнике феррозонда 2 превышают величину, равную максимальной индукции петли гистерезиса материала сердечника (U6 на фиг. 2). Сердечник феррозонда 2 выполнен из пермаллоя 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 меньше амплитуды компенсирующего поля H_k, на выходе порогового блока 6 появляется импульс (tl, t3 фиг.2), воздействующий на вход "вычитание" первого реверсивного счетчика импульсов 8 и на один из входов первого логического элемента И 7, запрещая воздействие импульса с выхода второго логического элемента И 13 через первый логический элемент И 7 на вход "суммирование" первого реверсивного счетчика импульсов 8. В результате уменьшаются код, записанный в первом реверсивном счетчике импульсов 8, напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 9 и ток управляемого источника 10. Если измеряемое поле H_изм больше амплитуды компенсирующего H_к, то на выходе порогового блока 6 импульс не появляется (t2, t4 фиг.2), а импульс с выхода второго логического элемента И 13 воздействует через первый логический элемент И 7 на вход "суммирование" первого реверсивного счетчика импульсов 8, вследствие чего увеличивается число, записанное в нем, а также напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 9 и ток управляемого источника тока 10. Таким образом, амплитуда компенсирующего поля H_к автоматически следит за величиной напряженности измеряемого поля H_изм, причем цифровой код на выходе первоо реверсивного счетчика 8 прямопропорционален величине напряженности компенсирующего, а значит и измеряемого поля H_изм.

Рассмотрим процесс регулирования частоты следования импульсов компенсирующего поля H_к.

В процессе работы устройства периодически (по сигналу с выхода второго логического элемента И 13 на вход "запись" второго реверсивного счетчика импульсов) производится запись цифрового кода с выхода первого реверсивного счетчика импульсов 8 во второй реверсивный счетчик импульсов 14. С выхода генератора 1 импульсы, поступая на вход "вычитание" второго реверсивного счетчика импульсов 14, постепенно уменьшают этот код. До тех пор, пока цифровой код второго реверсивного счетчика импульсов 14 не станет меньше нуля, с его выхода "<0" на вход второго логического элемента И 13 поступает логический уровень, запрещающий прохождение импульсов с выхода генератора 1 на выход второго логического элемента И 13. Как только цифровой код второго реверсивного счетчика импульсов 14 станет равным нулю, то следующий после этого момента импульс с выхода генератора 1 приведет к появлению сигнала на выходе "<0" второго реверсивного счетчика 14 логического уровня, разрешающего прохождение импульса с выхода генератора 1 на выход второго логического элемента И 13.

Этот импульс открывает ключ 11, разрешая протекание импульса тока с выхода управляемого источника тока 10 в обмотку возбуждения 12 феррозонда 2; поступает на вход "сложение" первого реверсивного счетчика импульсов 8 через первый логический элемент И 7 (в случае наличия разрешения на выходе порогового блока 6), увеличивая его выходной код; разрешает запись выходного цифрового кода первого реверсивного счетчика импульсов 8 во второй реверсивный счетчик импульсов 14.

Затем процесс повторяется. Таким образом, промежуток времени между появлением импульсов компенсирующего поля пропорционален выходному коду первого реверсивного счетчика импульсов 8, а значит и амплитуде компенсирующих импульсов ([t1,t2) ≈ Hкt1, [t2,t3] ≈ Hкt2).

Блоки, входящие в состав устройства для измерения напряженности магнитного поля могут быть выполнены, например: генератор прямоугольных импульсов, интегратор, усилитель, пороговый блок, первый и второй логические элементы И, первый и второй реверсивные счетчики импульсов, цифроаналоговый преобразователь, ключ, первый и второй RS-триггеры, Т-триггер, логическим элементом ИЛИ, как это описано в /Якубовский С. В. , Барканов Н.А., Кудряшов Б.П. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. - М.: Сов. радио, 1979, - 336 с./; феррозоид, 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 согласно /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 за счет поддержания скважности компенсирующих импульсов, пропорциональной их амплитуде.

Формула изобретения

Устройство для измерения напряженности магнитного поля, 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, последовательно соединенные первый логический элемент И, первый реверсивный счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока, ключ и обмотка возбуждения феррозонда, причем второй вход первого реверсивного счетчика импульсов и первый вход первого логического элемента И соединены с выходом порогового блока, отличающееся тем, что оно снабжено вторым логическим элементом И и вторым реверсивным счетчиком импульсов, причем выход генератора подключен к первым входам второго логического элемента И и второго реверсивного счетчика импульсов, выход второго логического элемента И подключен к вторым входам первого логического элемента И, второго реверсивного счетчика импульсов и ключа, третий вход второго реверсивного счетчика импульсов присоединен к выходу первого реверсивного счетчика импульсов, а выход ко второму входу второго логического элемента И.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2