Устройство для измерения переменных магнитных полей

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения переменных магнитных полей произвольной формы низких уровней в условиях воздействия электромагнитных, динамических механических и/или тепловых дестабилизирующих факторов окружающей среды. Технический результат - повышение чувствительности. Для достижения данного результата чувствительный элемент датчика многовитковой катушки индуктивности выполняют в виде двух катушек индуктивности - основной и вспомогательной, соединенных последовательно. Причем основная катушка индуктивности выполнена маловитковой и размещена непосредственно в зоне измерения. Вспомогательная катушка индуктивности выполнена многовитковой и дистанционно удалена от основной катушки. Первый вывод основной катушки индуктивности через разделительную емкость соединен с входом усилителя-преобразователя, а второй вывод вспомогательной катушки соединен с общей шиной усилителя-преобразователя. Выход усилителя-преобразователя подключен ко входу регистратора. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения переменных магнитных полей произвольной формы низких уровней в условиях воздействия электромагнитных, динамических механических и/или тепловых дестабилизирующих факторов окружающей среды.

Измерения переменных магнитных полей низких уровней связаны с необходимостью обеспечения заданных уровней чувствительности и помехозащищенности. Если пороговая чувствительность ниже заданной, измерения проводят, уменьшая расстояние между чувствительным элементом (ЧЭ) датчика и источником поля. При размещении ЧЭ датчика на источнике поля в величину сигнала, кроме электромагнитных помех, начинают вносить вклад помеховые сигналы за счет динамических механических и/или тепловых факторов окружающей среды.

Известно устройство для измерения переменных магнитных полей низких уровней [см., например, Н.И.Яковлев, "Бесконтактные электроизмерительные приборы для диагностики электронной аппаратуры", Л., Энергоатомиздат, стр.131-133, 166, 167, 1990 г.], предназначенное для диагностики (входного контроля) интегральных схем (ИС). В процессе контроля определяют уровни импульсов тока в отстоящих на расстоянии шага в 1,25 мм внешних планарных выводах ИС. Измерения проводят с помощью экранированного от воздействия электромагнитных помех ЧЭ датчика, выполненного в виде катушки индуктивности на пермаллоевом сердечнике с размерами 1×0,4×0,1 мм. В нормальных условиях контроля, несмотря на наличие защитного экрана, разрешающая способность измерений за счет полей рассеяния между контролируемым и соседними выводами оказывается на 20 дБ ниже общего уровня усиления в 70 дБ. В условиях динамических механических воздействий, например неразрушающем контроле на виброустойчивость, "ложные" сигналы будут ухудшать разрешающую способность и увеличивать погрешность измерений. При воздействии электромагнитных, динамических механических и/или тепловых помеховых сигналов известное устройство не может быть использовано.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для измерения переменных магнитных полей, описанное в патенте США №5512823 от 15.12.93 г, М.кл. G 01 R 33/02. Устройство включает датчик с чувствительным элементом, выполненным в виде катушки индуктивности и регистратора. Катушка индуктивности с размерами 67,3×55,6×8 мм и числом витков 250 защищена экраном от воздействия электростатических помех. Устройство предназначено для определения пороговых уровней электромагнитного излучения в пределах от 250 нТл до 25 нТл в поддиапазонах частот от 12 Гц до 2 кГц и от 6 кГц до 100 кГц соответственно.

За счет относительно высокой пороговой чувствительности и низкой помехозащищенности известное техническое решение не может быть использовано для измерений с заданной погрешностью переменных магнитных полей низких уровней. Действительно, если предположить, что вклад сигнала и помех в соответствующих поддиапазонах частот равновелик и для электромагнитных помех находится в пределах погрешности измерений, например 12% или 30 нТл относительно верхнего порогового уровня, динамические механические и/или тепловые помехи в виде "ложных" сигналов такого же уровня, например, за счет вибросмещения витков обмотки катушки индуктивности на 1 мм на частоте 20 Гц или на 0,01 мкм на частоте 7 кГц будут "перекрывать" нижний пороговый уровень измерений. Следовательно, в условиях помеховых воздействий известное устройство измерений можно использовать только как сигнализатор пороговых уровней.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является проведение измерений переменных магнитных полей низких уровней с заданной пороговой чувствительностью в заданном диапазоне частот от 10 кГц до 3 МГц, определяемом возможностями обеспечения максимального усиления при минимальном уровне собственных шумов в условиях воздействия электромагнитных, динамических механических и/или тепловых помех.

Ожидаемый технический результат заключается в обеспечении помехозащищенности устройства при заданной пороговой чувствительности измерений.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном устройстве для измерения переменных магнитных полей, включающем датчик с чувствительным элементом, выполненным в виде катушки индуктивности, и регистратор, согласно изобретению чувствительный элемент выполнен в виде двух катушек индуктивности - основной и вспомогательной, соединенных последовательно, причем основная катушка индуктивности выполнена маловитковой и размещена непосредственно в зоне измерения, а вспомогательная катушка индуктивности выполнена многовитковой и дистанционно удалена от основной катушки, первый вывод основной катушки индуктивности через разделительную емкость соединен с входом усилителя-преобразователя, а второй вывод вспомогательной катушки соединен с общей шиной усилителя-преобразователя, выход усилителя-преобразователя подключен ко входу регистратора.

Помехозащищенность устройства обеспечивают выполнением ЧЭ датчика в виде двух катушек индуктивности: маловитковой, размещенной непосредственно в зоне измерения, и дистанционно удаленной многовитковой. Заданную величину пороговой чувствительности (коэффициента преобразования устройства измерений) обеспечивают согласованием выходного импеданса входной цепи ЧЭ датчика с входным импедансом усилителя-преобразователя, "подпиткой" измеряемых сигналов энергией свободных колебаний и последующим усилением в полосе пропускания в заданном диапазоне частот от 10 кГц до 3 МГц.

На фиг.1 показана блок-схема устройства для измерения переменных магнитных полей.

На фиг.2 представлены АЧХ устройства измерений переменных магнитных полей с ЧЭ датчиков, выполненных в виде одной многовитковой катушки без сердечника и двух дистанционно разнесенных катушек индуктивности. Обозначения: 1 - АЧХ устройства измерений с ЧЭ датчика в виде многовитковой катушки индуктивности, 2 - АЧХ устройства измерений с ЧЭ датчика в виде двух дистанционно разнесенных катушек индуктивности.

В соответствии с блок-схемой, представленной на фиг.1, устройство для измерения переменных магнитных полей состоит из датчика 1 с чувствительным элементом, выполненным в виде двух катушек индуктивности - основной L_до и вспомогательной L_дв, соединенных последовательно. Основная катушка индуктивности L_до выполнена маловитковой и размещена непосредственно в зоне измерения. Вспомогательная катушка индуктивности L_дв выполнена многовитковой и дистанционно удалена от основной катушки L_до. Первый вывод основной катушки индуктивности L_до через разделительную емкость C₁ соединен с входом усилителя-преобразователя 2. Второй вывод вспомогательной катушки соединен с общей шиной усилителя-преобразователя 2. Выход усилителя-преобразователя 2 подключен к входу регистратора 3.

Для проведения измерений ЧЭ датчика 1 размещают на источнике поля. Измеряемые сигналы и помехи можно представить в виде воздействующего на ЧЭ датчика источника магнитного напряжения Е_c, с электрическими выходными параметрами напряжением U₁ и током I₁. Основная L_до и вспомогательная L_дв катушки индуктивности с соответствующими межвитковыми емкостями С_до и С_дв образуют два дистанционно разнесенных и связанных через емкость C₁ и входную цепь усилителя-преобразователя 2 контура: первый L_доС_до и второй L_двС_дв. Оба контура настроены в полосе пропускания усилителя-преобразователя 2 на частоту измеряемых сигналов. Первый контур обеспечивает "отбор" энергии источника магнитного поля. Второй - согласование выходного импеданса ЧЭ датчика с входным импедансом усилителя-преобразователя 2 и "подпитку" измеряемых сигналов энергией свободных колебаний.

Рассматривая индуктивное сопротивление ωL_до первого контура как внутреннее сопротивление источника сигналов ЧЭ датчика, а также полагая, что 1/ωС₁≪ωL_до, для полного индуктивного сопротивления входной цепи датчик 1 - усилитель-преобразователь 2, имеем:

,

где ω - частота измеряемых сигналов.

Из соотношения (1) видно, что конструктивное исполнение ЧЭ датчика в виде двух дистанционно разнесенных основной L_до и вспомогательной L_дв катушек индуктивностей позволяет за счет уменьшения в η>1 раз индуктивности L_до ослабить уровень помеховых сигналов на входе усилителя-преобразователя 2. Заданную величину чувствительности измерений в заданном диапазоне частот обеспечивают выбором параметров ЧЭ датчика и усилителя-преобразователя 2. С выхода усилителя-преобразователя 2 усиленный по напряжению сигнал подают на вход регистратора 3.

Представим коэффициент преобразования заявленного устройства измерений в следующем виде:

где K₁(ω,t), K₂(ω_o,t) и К₃(ω) - коэффициенты передачи первого и второго контуров (звеньев) входной цепи ЧЭ датчика 1 и усилителя-преобразователя 2 соответственно, n_до, V(t) - число витков и объем намотки основной катушки индуктивности ЧЭ датчика 1, ΔН_изм(ω,t)/Δt и ΔW(ω_o,t)/Δt - скорости изменения сигналов магнитного поля на входе первого контура и магнитной энергии, накапливаемой во втором контуре ЧЭ датчика 1, U₂ - напряжение сигналов на входе усилителя-преобразователя 2, ω_о - частота собственных колебаний входной цепи датчика 1.

Из соотношений (1) и (2) следует, что величина пороговой чувствительности измерений для ЧЭ датчика в виде двух дистанционно разнесенных основной L_до и вспомогательной L_дв катушек индуктивности соответствует заданной для ЧЭ датчика в виде одной многовитковой катушки, если коэффициент преобразования K(ω,ω_o,t) в пределах полосы пропускания измерительного канала в заданном диапазоне частот сохраняет постоянное значение, т.е. при согласовании выходного импеданса Z_д∑(ω) входной цепи ЧЭ датчика с входным импедансом усилителя-преобразователя 2, "подпитке" измеряемых сигналов энергией свободных колебаний и последующем усилении с помощью усилителя-преобразователя 2.

Вклад помеховых сигналов электромагнитного происхождения в пределах заданного частотного диапазона подавляют выбором полосы пропускания измерительного канала датчик 1 - усилитель-преобразователь 2.

Уровни помехозащищенности и коэффициента преобразования K(ω,ω_o,t) можно смещать по шкале частот в пределах от 10 кГц до 3 МГц изменением параметров измерительного канала датчик 1 - усилитель-преобразователь 2.

Рассмотрим влияние динамических механических и/или тепловых помеховых сигналов, полагая, что за время действия Δt=1/2πΔf сигнала и помехи в частотном диапазоне Δf выполняются следующие соотношения:

ΔV₁(t)≪V₁(t) на входе и ΔI₁(t)≪I₁(t) на выходе ЧЭ датчика, где ΔI₁(t) и ΔV₁(t) - изменения тока и объема намотки катушки индуктивности за счет динамических воздействий (деформаций) соответственно. Можно показать, что в предельных условиях помеховых воздействий имеют место следующие соотношения:

помехи отсутствуют

уровень помех превышает сигнал

где ΔН(t)/H(t) и ΔV₁(t)/V₁(t) - относительные изменения уровней сигнала и помехи соответственно, α и ΔT(t) - коэффициент линейного расширения провода и температурный перепад по диаметру намотки ЧЭ датчика соответственно.

Из соотношений (3) и (4) видно, что динамические механические и/или тепловые помехи способствуют переходу известного устройства измерений из режима магнитометра (соотношение (3)) в режим велосиметра или баллистического тесламетра постоянного магнитного поля (соотношение (4)).

В отличие от известного заявленное техническое решение позволяет обеспечить заданную чувствительность и помехоустойчивость при измерениях переменных магнитных полей низкого уровня в условиях воздействия не только динамических механических и/или тепловых помех, но и помех электромагнитного происхождения, а также постоянного магнитного поля (магнитного поля Земли).

Технический результат достигается за счет вспомогательной составляющей L_дв индуктивности, которая дистанционно удалена от основной составляющей L_до суммарной индуктивности (полного индуктивного сопротивления Z_д∑(ω)) ЧЭ датчика 1, а следовательно, в меньшей степени подвержена различным помеховым воздействиям. Заданную величину пороговой чувствительности при постоянном значении коэффициента K(ω,ω_o,t) обеспечивают согласованием в заданном диапазоне частот выходного импеданса Z_д∑(ω) входной цепи ЧЭ датчика с входным импедансом усилителя-преобразователя 2, "подпиткой" измеряемых сигналов энергией свободных колебаний второго контура и последующим усилением с помощью усилителя-преобразователя 2.

Как вариант исполнения заявленного устройства измерений с использованием отечественных элементов и блоков усилитель-преобразователь 2 и регистратор 3 могут быть выполнены по схеме цифрового мультиметра, описанного в книге С.А.Бирюкова "Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах". М., Радио и связь, стр.85-99, 1990 г.

Выводы подтверждаются результатами измерений переменных магнитных полей низкого уровня в условиях воздействия электромагнитных, динамических механических и/или тепловых помех. Как видно из фиг.2, при переходе от одной многовитковой к двум дистанционно разнесенным катушкам индуктивностей с параметрами вспомогательной L_дв=6,8 мН, R_дв=28 Ом уровни напряжений выходных сигналов на частотах 18 кГц и 40 кГц в пределах погрешности измерений ±12% совпадают. При коэффициенте преобразования К(ω,ω_о,t)=4·10⁷ В/Тл уровни помехозащищенности для ЧЭ датчика в виде одной многовитковой катушки на частоте 40 кГц составили: - 10 дБ (электромагнитные помехи) и - 3 дБ (динамические механические и/или тепловые помехи). При той же величине коэффициента преобразования K(ω,ω_o,t) и в тех же условиях измерений, но для ЧЭ датчика в виде двух дистанционно разнесенных катушек индуктивностей, уровни помехозащищенности составили: - 45 дБ на частоте 18 кГц, - 50 дБ на частоте 40 кГц (электромагнитные помехи) и - 70 дБ на частотах 18 кГц и 40 кГц (динамические механические и/или тепловые помехи). Изменением параметров измерительного канала датчик 1 - усилитель-преобразователь 2 уровни помехозащищенности и коэффициента преобразования K(ω,ω_o,t) заявленного устройства можно смещать по шкале частот в пределах от 10 кГц до 3 МГц.

С учетом вышеизложенного заявленное техническое решение по сравнению с известным позволяет:

- обеспечить заданные значения чувствительности и помехозащищенности при измерениях переменных магнитных полей низкого уровня в диапазоне частот от 10 кГц до 3 МГц в условиях воздействия электромагнитных, динамических механических и/или тепловых помех, а также помех за счет постоянного магнитного поля (магнитного поля Земли);

- достичь технического результата на основе использования пассивных индуктивно-емкостных и резистивных элементов при минимальных затратах на его реализацию.

Устройство для измерения переменных магнитных полей, включающее датчик с чувствительным элементом, выполненным в виде катушки индуктивности, и регистратор, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде двух катушек индуктивности основной и вспомогательной, соединенных последовательно, причем основная катушка индуктивности выполнена маловитковой и размещена непосредственно в зоне измерения, а вспомогательная катушка индуктивности выполнена многовитковой и дистанционно удалена от основной катушки, первый вывод основной катушки индуктивности через разделительную емкость соединен с входом усилителя-преобразователя, а второй вывод вспомогательной катушки соединен с общей шиной усилителя-преобразователя, выход усилителя-преобразователя подключен ко входу регистратора.