Способ измерения переменных магнитных полей

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах измерения переменных магнитных полей низких уровней произвольной формы при воздействии электромагнитных, динамических и/или тепловых дестабилизирующих факторов окружающей среды. Технический результат - повышение чувствительности. Для достижения данного результата уменьшают собственную составляющую индуктивного сопротивления чувствительного элемента (ЧЭ) датчика и увеличивают гираторную составляющую индуктивного сопротивления ЧЭ датчика. При этом их суммарное индуктивное сопротивление, равное входному сопротивлению гиратора, определяется на основе использования параметрических уравнений. 2 ил.

 

Изобретение относится к способам измерения переменных магнитных полей низких уровней произвольной формы при воздействии электромагнитных, динамических и/или тепловых дестабилизирующих факторов окружающей среды.

При использовании известных бесконтактных способов чувствительность измерений зависит от расстояния между источником магнитного поля и датчиком. При ограниченной чувствительности датчик размещают вблизи или непосредственно на источнике поля. В этом случае на результаты измерений оказывают влияние как помеховые сигналы электромагнитного происхождения, так и помеховые сигналы за счет воздействия динамических механических и/или тепловых факторов окружающей среды.

Известен индукционный способ измерений переменных магнитных полей [см., например, Е.Н.Чечурина. Приборы для измерения магнитных величин. - М., Энергия, 1969 г.], который характеризуется высокой чувствительностью в широким диапазоне частот, а также простотой и дешевизной конструкции и технологии изготовления чувствительного элемента (ЧЭ) датчика. Измеряемое поле создает переменное потокосцепление с неподвижной катушкой ЧЭ датчика и индуцирует на его выходе напряжение э.д.с.

Недостатком известного способа при измерении полей низкого уровня является влияние на величину выходного сигнала электромагнитных помех, а также помеховых сигналов за счет динамических деформаций объема ЧЭ датчика при воздействии вибрации и резких изменений температуры окружающей среды.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ измерения переменных магнитных полей, описанный в книге Н.И.Яковлева "Бесконтактные электроизмерительные приборы для диагностики электронной аппаратуры" (Л. Энергоатомиздат, стр.166-167, 1992 г.), который осуществляют посредством измерения напряжения сигналов э.д.с., индуцированных переменным потокосцеплением с чувствительным элементом датчика, выполненным в виде катушки индуктивности. Устройство, реализующее известный способ измерений, позволяет определять с помощью ЧЭ датчика, выполненного в виде многовитковой катушки индуктивности на пермаллоевом сердечнике, уровни импульсов тока во внешних планарных выводах интегральных схем. Измерения осуществляют в микротесловом диапазоне магнитных полей поочередным сканированием поверхностей контролируемых выводов.

Недостатком известного способа является невозможность его использования в условиях воздействия помеховых сигналов динамического механического, а также теплового происхождения. При отсутствии внешних помех величина погрешности измерений определяется фоновым уровнем помеховых сигналов со стороны соседних выводов. При коэффициенте усиления 70 дБ уровень помеховых сигналов достигает 20 дБ. В условиях внешних помех, например, при неразрушающем контроле на виброустойчивость "ложные" сигналы ЧЭ датчика за счет виброчувствительности контролируемых выводов могут "перекрывать" фоновый уровень в 20 дБ. В условиях помеховых сигналов как электромагнитного, так и динамического механического и/или теплового происхождения устройство, реализующее известный способ измерений, не может быть использовано.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является измерение переменных магнитных полей низких уровней с заданной чувствительностью в заданном диапазоне частот от 1 до 200 кГц, определяемом возможностями обеспечения максимального усиления при минимальном уровне собственных шумов в условиях воздействия электромагнитных, динамических механических и/или тепловых факторов окружающей среды.

Ожидаемый технический результат заключается в обеспечении большей помехозащищенности при сохранении заданной чувствительности измерений.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе измерений переменных магнитных полей посредством измерения напряжения сигналов э.д.с., индуцированных переменным потокосцеплением с ЧЭ индукционного датчика, согласно изобретению уменьшают собственную составляющую индуктивного сопротивления ЧЭ датчика и увеличивают гираторную составляющую индуктивного сопротивления ЧЭ датчика так, чтобы их суммарное индуктивное сопротивление, равное входному сопротивлению гиратора, подключенного к выходу датчика, в пределах полосы пропускания измеряемых сигналов в заданном диапазоне частот определялось в соответствии с соотношениями:

где L_до - собственная составляющая индуктивности ЧЭ датчика, L_г - гираторная составляющая индуктивности ЧЭ датчика, k(ω) - коэффициент передачи входного контура ЧЭ датчика, Z_вхΣ(ω) и Е_с(ω) - суммарное индуктивное сопротивление и напряжение источника измеряемых сигналов со стороны входных клемм гиратора соответственно, Z_вых(ω), С₂ и U₂(ω) - сопротивление, емкостная нагрузка и напряжение со стороны выходных клемм гиратора соответственно, ω, ω_oΣ и ω_о - частоты измеряемых и собственных колебаний входного контура ЧЭ датчика соответственно.

По отношению к известному способу новым является обеспечение помехоустойчивости измерений магнитных полей низкого уровня за счет гираторной составляющей индуктивного сопротивления ЧЭ датчика, которое дистанционно (конструктивно) удалено от собственной составляющей индуктивного сопротивления ЧЭ датчика и может оказывать воздействие как на величину, так и частотный диапазон измеряемых сигналов. Заданную величину чувствительности при суммарном индуктивном сопротивлении датчика, равном входному сопротивлению гиратора, обеспечивают согласованием низкоомного выходного сопротивления датчика с высокоомным входным сопротивлением усилителя-преобразователя и усилением измеряемых сигналов в пределах полосы пропускания в заданном диапазоне частот.

На фиг.1 показана блок-схема устройства, реализующего способ измерений.

На фиг.2 представлены АЧХ устройства измерений с ЧЭ датчиков, выполненных в виде многовитковой катушки индуктивности без сердечника и маловитковой (одновитковой) катушки с использованием гиратора. Обозначения: 1 - АЧХ устройства измерений с ЧЭ в виде многовитковой катушки индуктивности, 2 - АЧХ устройства измерений с ЧЭ в виде маловитковой (одновитковой) катушки с использованием гиратора.

В соответствии с блок-схемой, представленной на фиг.1, устройство, реализующее способ измерений, состоит из последовательно соединенных двухполюсника 1 в виде катушки индуктивности L_до ЧЭ датчика, подключенного выходными клеммами а-а¹ через разделительную емкость C₁ к входным клеммам 1-1¹ четырехполюсника-гиратора 2, выходные клеммы 2-2¹ которого подключены к входной емкости С₂ четырехполюсника в виде усилителя-преобразователя 3, подключенного выходом к входу регистратора 4. Индуктивность L_до, емкость C₁ двухполюсника 1, входное и выходное сопротивление четырехполюсника-гиратора 2 образуют входной измерительный контур маловиткового ЧЭ датчика 1.

Предположим, что для измерений полей низкого уровня датчик 1 устанавливают на поверхности источника поля. Будем считать, что магнитное поле сигнала и помехи индуцируют в низкоомном ЧЭ датчика 1 напряжение U₁, которое в свою очередь возбуждает ток I₁, а следовательно, и собственное магнитное поле, направленное противоположно измеряемому. Изменение на входе ЧЭ датчика 1 потоков измеряемого и собственного магнитных полей можно рассматривать в качестве источника измеряемых сигналов Е_c с электрическими параметрами U₁ и I₁, которые воздействуют со стороны входных клемм 1-1¹ четырехполюсника-гиратора 2. Наличие со стороны выходных клемм 2-2¹ нагрузки емкостного характера, а со стороны источника питания входной цепи усилителя-преобразователя 3 напряжения U₂ и тока I₂ позволяет реализовать с помощью резисторно-емкостных компонент гираторную составляющую, которая дистанционно (конструктивно) удалена от собственной индуктивности L_до ЧЭ датчика 1. Следовательно, уменьшая число витков (в пределе до одного витка) катушки с собственной индуктивностью L_до ЧЭ датчика 1 и одновременно увеличивая гираторную составляющую L_г, можно значительно ослабить уровень помеховых воздействий. Кроме того, выбирая соответствующим образом параметры ЧЭ датчика 1, гиратора 2 и усилителя-преобразователя 3, можно согласовать выходное сопротивление измерительного контура в полосе его пропускания с входным сопротивлением усилителя-преобразователя 3 и обеспечить не только ослабление уровня и подавление помеховых сигналов, но и заданную величину чувствительности измерений сигналов магнитных полей низкого уровня. Выходной сигнал усилителя-преобразователя 3 подают на вход регистратора 4.

Заданные чувствительность и помехоустойчивость устройства, реализующего способ измерений, обеспечивают уменьшением потокосцепления помеховых сигналов, компенсируя уменьшение собственной составляющей индуктивности ЧЭ датчика 1 вкладом составляющей за счет индуктивности L_г. Рассматривая индуктивное сопротивление ωL_до ЧЭ датчика 1 как внутреннее сопротивление источника сигналов Е_c, а также полагая, что 1/ωC₁≪ωL_дΣ, получаем следующие соотношения:

где L_до - собственная составляющая индуктивности ЧЭ датчика 1, L_г - гираторная составляющая индуктивности ЧЭ датчика, k(ω) - коэффициент передачи входного контура ЧЭ датчика 1, Z_вхΣ(ω) и Е_с(ω) - суммарное индуктивное сопротивление и напряжение источника измеряемых сигналов со стороны входных клемм 1-1¹ гиратора 2 соответственно, Z_вых(ω), С₂ и U₂ - сопротивление, емкостная нагрузка и напряжение со стороны выходных клемм 2-2¹ гиратора 2 соответственно, ω, ω_оΣ и ω_о - частоты измеряемых и собственных колебаний входного контура ЧЭ датчика 1 соответственно.

Заданную величину чувствительности при уменьшении потокосцепления измеряемых сигналов обеспечивают согласованием выходного сопротивления ЧЭ датчика 1 с входным сопротивлением усилителя-преобразователя 3. Для ЧЭ датчика 1 без гиратора 2 (L_г=0) уменьшение сопротивления Z_вхΣ(ω)→0 при r_до и L_до→0 (ω→ω_о<∞) сопровождается уменьшением входного сопротивления и коэффициента передачи усилителя-преобразователя 3, следовательно, коэффициента передачи и чувствительности устройства, реализующего способ измерений. Для ЧЭ датчика 1 с гиратором 2, выходное сопротивление которого в соответствии с соотношением (1) равно входному сопротивлению усилителя-преобразователя 3, коэффициент преобразования устройства, реализующего способ измерений, при r_до и L_до→0 определяется заданными значениями коэффициентов передачи входного контура ЧЭ датчика 1 и усилителя-преобразователя 3:

где r_до и R_г - активная составляющая сопротивления ЧЭ датчика 1 и сопротивление гирации четырехполюсника-гиратора 2 соответственно. Следовательно, для всех частот в пределах полосы пропускания измеряемого диапазона четырехполюсник-гиратор 2 обеспечивает постоянство коэффициента преобразования устройства, реализующего способ измерений, и заданные значения чувствительности и помехоустойчивости.

Напряжения U₁ на входе и U₂ на выходе активного четырехполюсника 2 можно рассматривать как зависимые напряжения, управляемые соответственно током I₂ входной цепи усилителя-преобразователя 3 и током I₁ ЧЭ датчика. Как известно (см., например, И.С.Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, стр.580-581, 1977 г.), при емкостном характере нагрузки четырехполюсника 2 его входное сопротивление принимает индуктивный характер с величиной эквивалентной индуктивности L_г, определяемой соотношениями:

Из соотношений (1)-(3) следует, что заявленное техническое решение в отличие от известного обеспечивает большую помехоустойчивость при измерении переменных магнитных полей низкого уровня в условиях воздействия не только динамических механических и тепловых помех, но и помех электромагнитного происхождения, а также постоянного магнитного поля (магнитного поля Земли).

Технический результат достигается за счет использования гираторной составляющей L_г суммарной индуктивности L_дΣ, которая дистанционно (конструктивно) удалена от собственной индуктивности L_до ЧЭ датчика 1, а следовательно, в меньшей степени подвержена различным помеховым воздействиям. Кроме того, использование гираторной составляющей позволяет воздействовать не только на величину уровня, но и на частотный диапазон помеховых сигналов, что существенно при наличии помех электромагнитного происхождения. Заданную чувствительность измерений сигналов магнитного поля обеспечивают согласованием выходного сопротивления ЧЭ датчика 1 с входным сопротивлением усилителя-преобразователя 3, подавлением помеховых сигналов, а также усилением измеряемых сигналов в заданном диапазоне частот в полосе пропускания входного контура ЧЭ датчика 1 и усилителя-преобразователя 3. Изменением параметров входного измерительного контура маловиткового ЧЭ датчика уровни помехозащищенности и пороговой чувствительности можно смещать по шкале частот в пределах от 1 до 200 кГц.

Устройство, реализующее способ измерений, может быть выполнено на основе использования стандартных элементов и блоков, выпускаемых промышленностью. Четырехполюсник-гиратор 2 может быть реализован по схемам, описанным в книге А.Е.Знаменского и И.Н.Теплюка "Активные RC фильтры", М.: Связь, стр.158-164, 1970 г. В качестве усилителя-преобразователя 3 и регистратора 4 в режиме измерителя напряжения может быть использован цифровой мультиметр, описанный в книге С.А.Бирюкова "Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах", изд. "Радио и связь", стр.85-99, 1990 г.

Полученные выводы подтверждаются экспериментальными результатами. Как видно из кривых 1 и 2 фиг.2, при одном и том же уровне магнитного поля 0,16 мкТл на частоте 3,7 кГц напряжения выходных сигналов с погрешностью измерений ±12% совпадают как для многовиткового (число витков 1100), так и маловиткового (одновиткового) с гираторной составляющей индуктивности ЧЭ датчика. В пределах полосы пропускания на частоте 3,7 кГц уровни помехозащищенности для маловиткового (одновиткового) ЧЭ датчика составляют: - 55 дБ для помех электромагнитного характера; - 70 дБ для помех динамического механического и/или теплового характера. При тех же условиях измерений и использовании многовиткового ЧЭ датчика уровни помехозащищенности составляют: - 10 дБ для помех электромагнитного характера; - 3 дБ для помех динамического механического и/или теплового характера.

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

- использовать при измерениях переменных магнитных полей индукционным способом гираторную составляющую суммарной индуктивности ЧЭ датчика;

- обеспечить при заданной чувствительности более высокую помехозащищенность измерений магнитных полей низкого уровня в заданном диапазоне частот от 1 до 200 кГц в условиях динамических механических и/или тепловых воздействий, а также электромагнитных помех и помех за счет постоянного магнитного поля (магнитного поля Земли);

- использовать для измерений переменных магнитных полей низкого уровня маловитковые (включая одновитковые) ЧЭ датчиков, которые конструктивно проще многовитковых и ниже их по стоимости.

Способ измерений переменных магнитных полей посредством измерения напряжения сигналов э.д.с., индуцированных переменным потокосцеплением с чувствительным элементом индукционного датчика, отличающийся тем, что уменьшают собственную составляющую индуктивного сопротивления чувствительного элемента датчика и увеличивают гираторную составляющую индуктивного сопротивления чувствительного элемента так, чтобы их суммарное индуктивное сопротивление, равное входному сопротивлению гиратора, подключенного к выходу датчика, в пределах полосы пропускания измеряемых сигналов в заданном диапазоне частот определялось в соответствии с соотношениями:

где L_до - собственная составляющая индуктивности ЧЭ датчика; L_г - гираторная составляющая индуктивности ЧЭ датчика; k(ω) - коэффициент передачи входного контура ЧЭ датчика; Z_вхΣ(ω) и Е_с(ω) - суммарное индуктивное сопротивление и напряжение источника сигналов со стороны входных клемм гиратора соответственно Z_вых(ω), С₂ и U₂(ω) - сопротивление, емкостная нагрузка и напряжение со стороны выходных клемм гиратора соответственно ω, ω_оΣ и ω_о - частоты измеряемых и собственных колебаний входного контура ЧЭ датчика соответственно.