Феррозондовый магнитометр

Изобретение относится к измерительной технике. Феррозондовый магнитометр содержит катушку возбуждения с магнитонасыщаемым сердечником, детектор, генератор возбуждения, сопротивление нагрузки, к которому параллельно подключен фильтр низкой частоты, цепь отрицательной обратной связи, образованную последовательно соединенными первым конденсатором, катушкой возбуждения, вторым конденсатором, детектором и сопротивлением нагрузки с подключенным к ней параллельно фильтром низкой частоты, выход усилителя постоянного тока через сопротивление развязки гальванически связан с высокопотенциальным выводом катушки возбуждения, а низкопотенциальный вывод катушки возбуждения соединен с образцовым сопротивлением, гальванически через второй фильтр низкой частоты, связанным с измерительным прибором. Технический результат - повышение точности измерений. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, и прежде всего, к магнитометрии.

Известен феррозондовый магнитометр с выделением полезного сигнала на второй гармонике частоты напряжения возбуждения, в котором для получения сигнала используется двухэлементный феррозонд, содержащий два идентичных стержневых сердечника, каждый из которых помещен в идентичные катушки возбуждения, оси которых расположены параллельно друг относительно друга. Катушки соединены последовательно и подключены к генератору возбуждения. Поверх катушек возбуждения намотана сигнальная катушка, подключенная к входу усилителя, настроенного на вторую гармонику частоты напряжения возбуждения. Выход резонансного усилителя подключен к детектору, который соединен с измерительным прибором (см. Афанасьев Ю.В. Феррозонды. - Л.: Энергия, 1969, с.10.).

Недостатком магнитометра является низкая точность измерения, обусловленная как сложностью подбора двух идентичных сердечников и их механической юстировки относительно катушек возбуждения на минимум остаточного напряжения по первой и второй гармоникам, так и трудностями обеспечения стабильности конструкции в условиях, когда магнитометр работает в широком интервале температур.

Известен феррозондовый магнитометр, в котором используется одностержневой феррозонд, помещенный в катушку, подключенную к генератору возбуждения. Параллельно обмотке катушки возбуждения включены последовательно соединенные пиковый детектор, усилитель и измерительный прибор (Авт.св. СССР №1303951, кл. G01R 33/02).

Недостатком этого магнитометра является низкая точность, обусловленная тем, что поскольку детектор подключен параллельно обмотке возбуждения феррозонда и, следовательно, параллельно генератору возбуждения, то в выходном сигнале неизбежно присутствуют составляющие напряжения, которые не связаны с измеряемым полем и которые могут быть частично продетектированными пиковым детектором и, следовательно, привести к возникновению погрешностей измерений.

Известен феррозондовый одностержневой магнитометр, в котором катушка возбуждения, детектор и нагрузка с фильтром низкой частоты подключены к генератору возбуждения в виде последовательной цепочки (Розенблат М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. - М.: Наука, 1974, с.346). При этом в качестве детектора использованы два нелинейных симметричных сопротивления, представляющие собой в схемном отношении пару диодов, включенных встречно-параллельно. В этом случае сигнал на выходе фильтра представляет собой напряжение постоянного тока, связанное исключительно с измеряемым полем. Этот магнитометр по числу существенных признаков выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемого изобретения.

Недостатком этого магнитометра является низкая точность, обусловленная нестабильностью нуль-пункта. Это связано с тем, что в процессе циклического перемагничивания сердечника положение рабочей точки, характеризующее текущие значения индукции в координатах B=f[H], оказывается зависящим от мгновенных значений измеряемого поля. Это обусловливает нестабильность цикла перемагничивания и, следовательно, потенциальную нестабильность нуль- пункта магнитометра в пределах, в принципе определяемых шириной гистерезисной петли.

Задачей изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная задача решается тем, что в магнитометр, включающий в себя катушку возбуждения 2, содержащую магнитонасыщаемый сердечник, детектор, выполненный на основе нелинейных симметричных сопротивлений, генератор возбуждения, а также сопротивление нагрузки с подключенным к нему параллельно фильтром низкой частоты, введена цепь отрицательной обратной связи путем использования катушки возбуждения в качестве катушки компенсации, как исполнительного элемента, для чего указанный выше генератор возбуждения нагружен на цепь, образованную последовательно соединенными первым конденсатором 7, катушкой возбуждения 2, вторым конденсатором 8, детектором 3 и сопротивлением нагрузки 9 с подключенным к нему параллельно фильтром низкой частоты 4, причем выход первого фильтра низкой частоты 4 соединен со входом усилителя постоянного тока 6, а его выход через сопротивление развязки 11 гальванически связан с высокопотенциальным выводом катушки возбуждения 2, а низкопотенциальный вывод этой катушки соединен с образцовым сопротивлением нагрузки 10, гальванически связанным через второй фильтр низкой частоты 5 с измерительным прибором.

Работа схемы поясняется чертежом, на котором приняты следующие обозначения:

1 - генератор возбуждения;

2 - катушка возбуждения;

3 - детектор;

4 - первый фильтр низкой частоты;

5 - второй фильтр низкой частоты;

6 - усилитель постоянного тока;

7 - первый конденсатор;

8 - второй конденсатор;

9 - сопротивление нагрузки;

10 - образцовое сопротивление;

11 - сопротивление развязки.

Устройство работает следующим образом. Генератор возбуждения 1 через цепь, образованную последовательным соединением первого конденсатора 7, катушки возбуждения 2, второго конденсатора 8, детектора 3 и сопротивления нагрузки 9, осуществляет циклическое перемагничивание сердечника катушки возбуждения 2 импульсами напряжения прямоугольной формы. В силу этого, а также в силу того, что поскольку емкости первого и второго конденсаторов, равные соответственно С₁ и С₂, совместно с индуктивностью катушки возбуждения L образуют резонансную цепь для частоты ω, т.е. выбраны в соответствии с выражением

где

то при прочих равных условиях процесс циклического перемагничивания происходит при более низком значении напряжения возбуждения.

Если далее допустить, что напряженность измеряемого магнитного поля равна нулю, то за счет симметрии кривой намагничивания сердечника значения токов I+ и I-, проходящих через диоды детектора 3, равны и противоположно направлены, так что сигнал на нагрузке 9 отсутствует. При наличии внешнего поля, например, H>0 баланс токов I+ и I- нарушается, поскольку индуктивное сопротивление цепи падает для положительной полуволны напряжения возбуждения, в то время, как для отрицательной, напротив, возрастает. Это приводит к тому, что на нагрузке 9 выделяется напряжение положительной полярности, которое после фильтрации посредством первого фильтра низкой частоты 4 и последующего усиления усилителем постоянного тока 6 заводится через сопротивление развязки 11 в виде напряжения обратной связи на высокопотенциальный вывод обмотки катушки возбуждения 2, гальванически соединенной с образцовым сопротивлением 10, обеспечивая тем самым замкнутость образующейся следящей системы. Проходящий через обмотку постоянный ток создает на сердечнике противополе, равное измеряемому, а также выделяется на упомянутом образцовом сопротивлении 10 в виде падения напряжения, которое и является электрической мерой величины измеряемого магнитного поля. После фильтрации посредством второго фильтра низкой частоты 5 это напряжение поступает на измерительный прибор.

Поскольку катушка возбуждения магнитометра включена параллельно цепи обратной связи, то во избежание шунтирования выхода генератора 1 сопротивление развязки 11 выбрано значительно превышающим величину индуктивного сопротивления обмотки указанной катушки. Кроме того, в целях обеспечения высокой крутизны преобразования детектора 3 величина образцового сопротивления 10 выбрана значительно превышающей сопротивление нагрузки 9.

При этом точность магнитометра оказывается более высокой. Это обусловлено тем, что в процессе функционирования напряженность магнитного поля на сердечнике с точностью до динамических ошибок следящей системы постоянно равна нулю. В этом случае цикл перемагничивания приобретает стабильный характер с неизменной шириной гистерезисной петли, что обеспечивает постоянство нуль-пункта магнитометра во времени и, следовательно, его более высокую точность.

1. Феррозондовый магнитометр, включающий в себя катушку возбуждения, содержащую насыщаемый сердечник, детектор, выполненный на основе нелинейных симметричных сопротивлений, нагрузку с подключенным к ней параллельно первым фильтром низкой частоты, генератор возбуждения, работающий с частотой ω выходного напряжения, отличающийся тем, что катушка возбуждения и детектор охвачены цепью отрицательной обратной связи, для чего генератор возбуждения нагружен на цепь, образованную последовательно соединенными первым конденсатором, катушкой возбуждения, вторым конденсатором, детектором и сопротивлением нагрузки с подключенным к ней параллельно первым фильтром низкой частоты, причем выход первого фильтра низкой частоты соединен со входом усилителя постоянного тока, а выход усилителя постоянного тока через сопротивление развязки гальванически связан с высокопотенциальным выводом катушки возбуждения, а низкопотенциальный вывод катушки возбуждения соединен с образцовым сопротивлением, гальванически через второй фильтр низкой частоты связанным с измерительным прибором.

2. Магнитометр по п.1, отличающийся тем, что емкости конденсаторов и индуктивность катушки возбуждения с сердечником выбраны в соответствии с условием

где

где ω - частота колебаний генератора возбуждения;

L - индуктивность катушки возбуждения в рабочем режиме;

C₁, C₂ - соответственно емкости первого и второго конденсаторов.

3. Магнитометр по п.1, отличающийся тем, что сопротивление развязки выбрано значительно превышающим индуктивное сопротивление катушки возбуждения.

4. Магнитометр по п.1, отличающийся тем, что величина образцового сопротивления выбрана значительно превышающей сопротивление нагрузки детектора.

5. Магнитометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве генератора возбуждения использован генератор импульсов напряжения прямоугольной формы с частотой генерации, равной ω.