Устройство для измерения напряженности магнитного поля

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения магнитного поля. Технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей устройства для измерения магнитного поля, достигается путем того, что в устройство, содержащее первый генератор прямоугольных импульсов, феррозонд, состоящий из включенных последовательно - встречно компенсирующей и возбуждающей обмоток, намотанных на немагнитный сердечник и сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса соответственно, и охваченные измерительной обмоткой, усилитель, последовательно соединенные логический элемент И, счетчик импульсов и цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока, RS-триггер, дополнительно введены фильтр низких частот, последовательно соединенные дифференциатор, нуль-орган, распределитель импульсов, причем вход дифференциатора соединен с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом измерительной обмотки феррозонда. 3 ил.

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

Известен прибор для измерения неоднородности магнитного поля /Средства измерений параметров магнитного поля/ Ю.А. Афанасьев, Н.В.Чечурина, А.П. Щелкин. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1979/, содержащий последовательно соединенные первый феррозонд, первый широкополосный усилитель переменного тока, первый синхронный детектор, первый усилитель постоянного тока, первую и вторую катушки компенсации, последовательно соединенные второй феррозонд, второй широкополосный усилитель переменного тока, второй синхронный детектор, второй усилитель постоянного тока, генератор возбуждения феррозондов, первый и второй выходы которого подсоединены ко входу первого феррозонда и к первому входу второго феррозонда соответственно, третий и четвертый выходы ко вторым входам первого и второго синхронного детектора, регистрирующий прибор, вход которого подключен к выходу второго усилителя постоянного тока. Недостатком устройства является необходимость прецизионного позиционирования осей феррозондов и большое влияние магнитного поля Земли на точность измерения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения напряженности магнитного поля /заявка 98113285, приоритет 03.07.98, пол. решен. от 28.02.2000 г./, содержащее первый генератор прямоугольных импульсов, феррозонд, состоящий из включенных последовательно - встречно компенсирующей и возбуждающей обмоток, намотанных на немагнитный сердечник и сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса соответственно, охваченные общей измерительной обмоткой, которая подключена ко входу интегратора, выход которого соединен со входом усилителя, выход которого соединен со входом порогового блока, последовательно соединенные логический элемент И, счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока, ключ и обмотку возбуждения феррозонда, причем первый вход логического элемента И соединен с выходом генератора, RS-триггер, 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.

Недостатком известного устройства-прототипа является то, что оно позволяет измерять напряженность магнитного поля только в одной точке. Что ограничивает его использование, так как это устройство не позволяет оценить неравномерность магнитного поля. Избавиться от указанного недостатка можно, измеряя напряженность магнитного поля в нескольких, например трех, точках одновременно.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для измерения напряженности магнитного поля.

Поставленная задача решается с помощью устройства для измерения напряженности магнитного поля, содержащего первый генератор прямоугольных импульсов, феррозонд, состоящий из включенных последовательно - встречно компенсирующей и возбуждающей обмоток, намотанных на немагнитный сердечник и сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса соответственно, и охваченные измерительной обмоткой, усилитель, последовательно соединенные логический элемент И, счетчик импульсов и цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока, причем первый вход логического элемента И соединен с выходом первого генератора прямоугольных импульсов, кроме того, 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 RS-триггера соединен со вторым входом логического элемента И, дополнительно снабженного фильтром низких частот, последовательно соединенными дифференциатором, нуль-органом, распределителем импульсов, причем вход дифференциатора соединен с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом измерительной обмотки феррозонда, внутри измерительной обмотки феррозонда помещены вторая и третья обмотки возбуждения, намотанные на второй и третий сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса, причем первый, второй и третий сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса и немагнитный сердечник расположены плоскопараллельно, кроме того, первый, второй и третий цифровые регистраторы, первые входы которых подсоединены к первому, второму и третьему выходам распределителя импульсов соответственно, а вторые входы к выходу счетчика, третий выход распределителя импульсов соединен со вторым входом RS-триггера, вход фильтра низких частот соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а выход со входом управляемого источника тока, с выходом которого, в свою очередь, соединены включенные последовательно первая, вторая и третья обмотки возбуждения, а число витков компенсирующей и первой, второй и третьей обмоток возбуждения определяется из соотношения W3= W4+W20+W21, где W3, W4, W20, W21 - число витков компенсирующей и первой, второй и третьей обмоток возбуждения соответственно.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: фильтра низких частот, дифференциатора, нуль-органа, второй и третьей обмотками возбуждения, второго и третьего сердечниками с прямоугольной петлей гистерезиса, распределителя импульсов, первого, второго и третьего цифровых регистраторов и их связями с остальными элементами схемы.

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

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что фильтр низких частот, дифференциатор, нуль-орган, распределитель импульсов, обмотки возбуждения, сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса широко известны.

Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы заявляемого устройства для измерения напряженности магнитного поля вышеуказанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к расширению функциональных возможностей устройства для измерения напряженности магнитного поля.

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; на фиг. 3 - конструкция феррозонда.

Устройство для измерения магнитного поля (фиг.1) содержит первый генератор прямоугольных импульсов 1, феррозонд 2, состоящий из включенных последовательно - встречно компенсирующей 3 и возбуждающей 4 обмоток, намотанных на немагнитный 5 сердечник и сердечник 6 с прямоугольной петлей гистерезиса соответственно, и охваченные измерительной обмоткой 7, усилитель 9, последовательно соединенные логический элемент И 10, счетчик импульсов 11 и цифроаналоговый преобразователь 12, управляемый источник тока 13, причем первый вход логического элемента И 10 соединен с выходом первого генератора прямоугольных импульсов 1, кроме того, RS-триггер 14 и второй генератор прямоугольных импульсов 15, причем выход второго генератора прямоугольных импульсов 15 соединен с первым входом RS-триггера 14 и вторым входом счетчика импульсов 11, выход RS-триггера 14 соединен со вторым входом логического элемента И 10, фильтр низких частот 8, последовательно соединенные дифференциатор 16, нуль-орган 17, распределитель импульсов 18, причем вход дифференциатора 16 соединен с выходом усилителя 9, вход которого соединен с выходом измерительной обмотки 7 феррозонда 2, внутри измерительной обмотки 7 феррозонда 2 помещены вторая 20 и третья 21 обмотки возбуждения, намотанные на второй 22 и третий 23 сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса, причем первый 6, второй 22 и третий 23 сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса и немагнитный сердечник 5 расположены плоскопараллельно, кроме того, первый 24, второй 25 и третий 26 цифровые регистраторы, первые входы которых подсоединены к первому, второму и третьему выходам распределителя импульсов 18 соответственно, а вторые входы к выходу счетчика 11, третий выход распределителя импульсов 18 соединен со вторым входом RS-триггера 14, вход фильтра низких частот 8 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 12, а выход со входом управляемого источника тока 13, с выходом которого, в свою очередь, соединены включенные последовательно первая 4, вторая 20 и третья 21 обмотки возбуждения, а число витков компенсирующей 5 и первой 4, второй 20 и третьей 21 обмоток возбуждения определяется из соотношения W3= W4+W20+W21, где W3, W4, W20, W21 - число витков компенсирующей 3 и первой 4, второй 20 и третьей 21 обмоток возбуждения соответственно.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии логический элемент И 10 закрыт, счетчик 11 обнулен. Феррозонд 2 помещают в неравномерное измеряемое поле Н_изм (фиг. 2). Состояние первого 6, второго 22 и третьего 23 сердечников феррозонда 2 определяется величинами поля Н_изм1, Н_{из м2} и Н_{из м3} и величиной компенсирующего медленно нарастающего поля Н_к, создаваемого током в первой 4, второй 20 и третьей 21 обмотках возбуждения феррозонда 2. Величина компенсирующего поля пропорциональна току управляемого источника тока 13. Для нормальной работы устройства измеряемое и компенсирующее поля направлены встречно.

Каждый цикл измерения начинается с запускающего импульса, поступающего со второго генератора прямоугольных импульсов 15, этот импульс приводит счетчик 11 в нулевое состояние, RS-триггер 14 в состояние, при котором на его выходе появляется сигнал разрешения, в результате чего через логический элемент И 10 импульсы с первого генератора прямоугольных импульсов 1 поступают на счетный вход счетчика 11. Выходной код счетчика импульсов 11 возрастает, что приводит к возникновению ступенчато нарастающего напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 12, фильтр низких частот 8 сглаживает выходной сигнал и подает его на вход управляемого источника тока 13. Происходит формирование линейно нарастающего компенсирующего поля Н_к. ЭДС, индуцируемая в измерительной 7 обмотке феррозонда 2 в процессе перемагничивания его сердечников, пропорциональна скорости изменения индукции в пермаллоевых сердечниках 6, 22 и 23 преобразователя 2. На участке t₀ - t₁ оно равно нулю, так как у сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса этот участок практически параллелен оси ОН и изменения индукции не происходит. На участке t₁-t₃ перемагничивается первый 6 сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса феррозонда 2 и на выходе измерительной обмотки 7 феррозонда 2 возникает первый импульс ЭДС, пик которого соответствует точке Н_с коэрцитивной силы на петле гистерезиса сердечника с прямоугольной петлей гистерезиса. Этот импульс, через усилитель 9, подается на дифференциатор 16. Когда импульс ЭДС достигает своего пика, значение производной сигнала меняет знак, и сигнал на выходе дифференциатора 16 пересекает ноль. В этот момент срабатывает нуль-орган 17 и выдает импульс, поступающий на первый вход распределителя импульсов 18. Импульс с первого выхода распределителя импульсов 18 стробирует запись цифровым регистратором 24 кода с выхода счетчика 11. Этот код пропорционален значению тока, а следовательно, значению компенсирующего поля, в момент пика сигнала ЭДС. Аналогично в моменты времени t₅ и t₈ при перемагничивании второго 22 и третьего 23 сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса феррозонда 2 распределитель импульсов 18 стробирует запись кода счетчика 11 вторым 25 и третьим 26 цифровыми регистраторами. Сигналом, стробирующим запись цифрового регистратора 26, производится сброс RS-триггера 14. Он переходит в состояние, запрещающее прохождение импульсов первого генератора прямоугольных импульсов 1 через логический элемент И 10.

Блоки, входящие в состав устройства для измерения магнитного поля, могут быть выполнены, например: первый и второй генераторы прямоугольных импульсов, RS-триггер, фильтр низких частот, усилитель, нуль-орган, логический элемент И, счетчик, распределитель импульсов, как это описано в /Якубовский С.В., Барканов Н.А., Кудряшов Б.П. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. - М.: Сов. радио, 1979, 336 с./; феррозонд как феррозонд, состоящий из включенных последовательно-встречно компенсирующей и возбуждающей обмоток, намотанных на немагнитный и пермаллоевый сердечники соответственно, кроме того, внутри измерительной обмотки феррозонда помещены вторая и третья обмотки возбуждения, намотанные на второй и третий пермаллоевые сердечники, причем первый, второй и третий сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса и немагнитный расположены плоскопараллельно (фиг.3); 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, 752 с./.

Экспериментальные исследования макета заявляемого устройства для измерения напряженности магнитного поля показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) заявляемое устройство обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства для измерения напряженности магнитного поля.

Формула изобретения

Устройство для измерения напряженности магнитного поля, содержащее первый генератор прямоугольных импульсов, феррозонд, состоящий из включенных последовательно - встречно компенсирующей и возбуждающей обмоток, намотанных на немагнитный сердечник и сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса соответственно, и охваченные измерительной обмоткой, усилитель, последовательно соединенные логический элемент И, счетчик импульсов и цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока, причем первый вход логического элемента И соединен с выходом первого генератора прямоугольных импульсов, кроме того 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 RS-триггера соединен со вторым входом логического элемента И, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено фильтром низких частот, последовательно соединенными дифференциатором, нуль-органом, распределителем импульсов, причем вход дифференциатора соединен с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом измерительной обмотки феррозонда, внутри измерительной обмотки феррозонда помещены вторая и третья обмотки возбуждения, намотанные на второй и третий сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса, причем первый, второй и третий сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса и немагнитный сердечник расположены плоскопараллельно, кроме того, первый, второй и третий цифровые регистраторы, первые входы которых подсоединены к первому, второму и третьему выходам распределителя импульсов соответственно, а вторые входы к выходу счетчика, третий выход распределителя импульсов соединен со вторым входом RS-триггера, вход фильтра низких частот соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а выход со входом управляемого источника тока, с выходом которого в свою очередь соединены включенные последовательно первая, вторая и третья обмотки возбуждения, а число витков компенсирующей и первой, второй и третьей обмоток возбуждения определяется из соотношения W3=W4+W20+W21, где W3, W4, W20, W21 - число витков компенсирующей и первой, второй и третьей обмоток возбуждения соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3