Устройство для измерения напряженности магнитного поля
Владельцы патента RU 2436113:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для магнитных измерений, в дефектоскопии и других областях науки и техники. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения напряженности магнитного поля содержит последовательно соединенные генератор возбуждения, феррозондовый преобразователь с возбуждающей и сигнальной обмотками, линию задержки, сумматор, первый вход которого соединен с выходом линии задержки, второй вход - с сигнальной обмоткой, подключенной к входу линии задержки, выход сумматора подключен к входу резонансного усилителя, делительное устройство, первый вход которого подключен к выходу резонансного усилителя, второй вход - к выходу устройства возведения в квадрат, вход которого присоединен к выходу генератора возбуждения, выход делительного устройства присоединен к детектору и измерительному прибору. Технический результат - снижение погрешностей измерения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для магнитных измерений, в дефектоскопии и других областях науки и техники.
Известен феррозондовый магнитометр [Семенов И.М., Яковлев Н.И. Цифровые феррозондовые магнитометры. Л., «Энергия», 1978, с.5-10], содержащий магнитомодуляторный преобразователь, в котором используется одноэлементный феррозонд, намагничивающая обмотка которого подключена к генератору возбуждения, а измерительная обмотка - к входу избирательного (резонансного) усилителя, настроенного на вторую гармонику генератора возбуждения. Выход усилителя соединен с детектором, подключенным к измерительному прибору.
Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная необходимостью выделения сигнала второй гармоники на фоне нечетных гармоник, в частности 1-й и 3-й, являющихся помехой, а также применение сложных избирательных усилителей.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является устройство [Авторское свидетельство СССР №1078368, кл. G01R 33/02, 1984], содержащее последовательно соединенные генератор возбуждения и магнитомодуляционный преобразователь (феррозондовый преобразователь) в виде пермаллоевого стержня с намотанными поверх него обмоткой возбуждения и сигнальной обмоткой, а также линию задержки и сумматор, первый вход которого соединен с выходом линии задержки, второй вход - с сигнальной обмоткой, подключенной к входу линии задержки, а выход сумматора подключен к входу резонансного усилителя, к выходу которого подключен детектор и измерительный прибор.
Недостатком известного устройства является низкая точность из-за нестабильности выходного напряжения генератора возбуждения и температуры окружающей среды.
Задача, положенная в основу изобретения, состоит в повышении точности измерений.
Техническим результатом изобретения является снижение погрешностей измерения, достигаемое тем, что устройство для измерения напряженности магнитного поля содержит последовательно соединенные генератор возбуждения, феррозондовый преобразователь с возбуждающей и сигнальной обмотками, линию задержки, сумматор, первый вход которого соединен с выходом линии задержки, второй вход - с сигнальной обмоткой, подключенной к входу линии задержки, выход сумматора подключен к входу резонансного усилителя, делительное устройство, первый вход которого подключен к выходу резонансного усилителя, второй вход - к выходу устройства возведения в квадрат, вход которого присоединен к выходу генератора возбуждения, выход делительного устройства присоединен к детектору и измерительному прибору.
На чертеже приведена структурная схема устройства, состоящего из генератора возбуждения 1, выход которого подсоединен к обмотке возбуждения феррозондового преобразователя 2, сигнальная обмотка которого подсоединена к входу линии задержки 3, сумматора 4, к первому входу которого подсоединен выход линии задержки 3, а ко второму входу - сигнальная обмотка феррозондового преобразователя 2, выход сумматора 4 соединен с входом резонансного усилителя 5, выход которого соединен с первым входом делительного устройства 6, а со вторым входом делительного устройства 6 соединен выход устройства возведения в квадрат 7, вход которого присоединен к выходу генератора возбуждения 1. Выход делительного устройства 6 последовательно соединен с детектором 8 и измерительным прибором 9.
Устройство работает следующим образом.
Генератор возбуждения 1 перемагничивает сердечник феррозондового преобразователя 2. Напряжение с сигнальной обмотки, пройдя через линию задержки 3, сумматор 4 и резонансный усилитель 5, содержит только вторую гармонику, несущую информацию об измеряемом магнитном поле H0 [Афанасьев Ю.В. Феррозонды. Л., «Энергия», 1969, с.7-10].
,
где e2 - напряжение второй гармоники;
ω - частота генератора возбуждения;
b - коэффициент аппроксимации петли гистерезиса сердечника;
s - площадь сечения сердечника;
w2 - число витков сигнальной обмотки;
H0 - напряженность измеряемого поля;
Hm - амплитуда магнитного поля возбуждения.
Амплитуда второй гармоники 
пропорциональна не только напряженности измеряемого поля H0, но и квадрату амплитуды магнитного поля возбуждения Hm, а также зависит от частоты ω и параметров сердечника
где k=6ωbsw2 - коэффициент пропорциональности.
Амплитуда магнитного поля возбуждения Hm, являющаяся в данном случае помехой, в свою очередь, зависит от намагничивающего тока Im
где w1 - число витков обмотки;
l - длина сердечника;
Um - амплитуда напряжения генератора возбуждения;
Z1 - сопротивление обмотки возбуждения;
- коэффициент пропорциональности.
Из выражений (1) и (2) следует, что нестабильность напряжения Um значительно влияет на погрешность измерения напряженности измеряемого магнитного поля H0, поскольку чувствительность феррозондового преобразователя 2 зависит от квадрата напряжения генератора возбуждения U2 m.
Для снижения этой погрешности предлагается измерять не абсолютное значение амплитуды второй гармоники E2m, а ее отношение к квадрату амплитуды напряжения генератора возбуждения U2 m, в этом случае чувствительность не будет зависеть от Um. Для реализации этого способа измерения в схему введены делительное устройство 6 и устройство возведения в квадрат 7, вход которого присоединен к выходу генератора возбуждения 1, а выход - ко второму входу делительного устройства 6, первый вход которого соединен с выходом резонансного усилителя 5, настроенного на вторую гармонику. При этом напряжение Ud на выходе делительного устройства 6, следовательно, и результат измерений не зависит от Hm:
Напряжение Ud выпрямляется детектором 8 и подается на измерительный прибор 9.
Для выполнения устройства возведения в квадрат 7 и делительного устройства 6 могут быть использованы микросхемы KP 525ПС3, осуществляющие указанные операции с погрешностью не более 0,25%.
1. Устройство для измерения напряженности магнитного поля, содержащее последовательно соединенные генератор возбуждения, феррозондовый преобразователь с возбуждающей и сигнальной обмотками, линию задержки, сумматор, первый вход которого соединен с выходом линии задержки, второй вход - с сигнальной обмоткой, подключенной к входу линии задержки, выход сумматора подключен к входу резонансного усилителя, детектор и измерительный прибор, отличающееся тем, что введено делительное устройство, первый вход которого подключен к выходу резонансного усилителя, второй вход - к выходу генератора возбуждения, выход делительного устройства присоединен к детектору.
2. Устройство по п.1, содержащее устройство возведения в квадрат, вход которого присоединен к выходу генератора возбуждения, а выход - ко второму входу делительного устройства.
