Магнитометр

 

Союз Советскии

Социалистические

Респубики

ОП ИСАЙИ Е

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОБУСНОМУ СВИ ТЕЛЬСТВУ (< ii 866519 (61) Донолинтельное к авт. саид-ву— (22) Заявлено 27.12.79 (2т ) 2871282/18-21 с присоединением заявки М— (23) Приоритет

Опубликовано 23.09.81 ° Бктллетень,.М 35

Дата опубликования описания 26.09.81 (5l)M. Кл.

C 01 R ЗЗ/06

Государственный квинтет но делам изобретений и открытий (53) УДК 621; .3 1 7.44 (088.8) (72) Автор изобретения

В. Е. Ефремов

Дальневосточный ордена"Трудового Крас)кого Знамйциполитехнический институт им. В. В. уйбыщдва, (7i) Заявитель (54 ) МАГНИТОМЕТР

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения магнитных полей в различных областях науки и техники. Преимущественно оно предназначено для прецизионных измерений вариаций геомагнитного поля, например для задач магнитной разведки месторождений полезных ископаемых.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является магнитота метр, который содержит датчик Холла, источник постоянного тока. для питания датчика, усилитель, измерительную схему и катушку компенсации поля. l5

В известном устройстве часть измеряемого поля компенсируется катушкой, а остаток контролируется измерительной схемой. Этим достигается сушественное расширение динамического диапазона 1).

Однако даже относительно малые флуктуации компенсирующего поля обусловливают непригодность известного устройства для прецизионных измерений. Это связано с нестабильностью параметров самой катушки компенсации, а также протекаюшего в ней тока.

Бель изобретения — повышение точности измерений.

Бель достигается тем, что в магнитометр, содержащий, последовательно сое- диненные источник постоянного тока, датчик Холла и усилитель, первый измерительный блок, выход которого подключен к первому входу сумматора, подключенного к индикатору, а также катушку компенсации поля, дополнительно введены подключенные к выходу усилителя последовательно соединенные полосовой фильтр и второй измерительный блок, выход которого подключен ко второму входу сумматора, фильтр нижних частот, своим входом подключенный к выходу усилителя, а выходомко входу первого измерительного блока, и процессор с цифроаналоговым преобразователем на выходе, подключенный к катушке компенсации поля.

30 з 86 ,Пля расширения функциональных возможностей магнитометра (в сторону обеспечения выдачи результатов как о величине измеряемого поля, так и его вариациях), с выходов измерительных схем сигналы могут поступать на устройство отображения информации как непосредственно, так и с выхода сумматора, формирующего сумму этих сигналов.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

Магнитометр содержит датчик Холла 1, источник 2 постоянного тока„ усилитель 3 выходных сигналов датчика, а "àêæå фильтр

4 нижних частот. Кроме того, устройство дополнено измерительным блоком 5 нескомпенсированного остатка измеряемого поля, полосовым фильтром 6, измерительным блоком 7 поля компенсации и катушкой 8 компенсации поля. Состав устройства завершают цифроаналоговый преобразователь 9, процессор 10, сумматор 11 и устройство 12 отображения информации, состоящее из индикаторов 13, 14 и 15.

При этом выход датчика 1 связан через усилитель 3 со входами фильтров 4 и 6, выходы которых подключены к измерительным блокам 5 и 7 соответственно.

Токовыми электродами датчик соединен с источником 2. Выход процессора 19 цодключен ко входу цифроаналогового преобразователя 9, выход которого нагружен катушкой 8, индуктивно (по магнитному полю) связанной с датчиком.

Вход процессора через аналого-цифро-, вой преобразователь отдельный или выполненный за одно целое с процессором, может быть связан с выходом измерительного блока 5. При этом роль названного аналого-цифрового преобразователя может выполнить также сам блок 5 (при соответствующем его конструктивном типе), или устройство может сожержать такой преобразователь на выходе усилителя 3, поэтому место установки названного аналого-цифрового преобразователя (т.е. в какой конкретно блок он мог бы конструктивно входить) на чертеже не конкретиэировано.

Роль измерительной схемы могут выполнять как обыкновенные стрелочные гальванометры, так и аналого-цифровые преобразователи, электроннолучевые самописцы и т.п.

Магнитометр работает следующим образом.

Основная часть измеряемого поля Н0 . компенсируется с помощью катушки 8.

Причем измерению подлежит как остаток

5 !

О

55 компенсации, так и само компенсирующее полей . Поле компенсации контролируется измерительным блоком 7 и отображается индикатором 15, а остаток — соответственно блоком 5 и индикатором 13. Результатизмерения формируется из показаний обоих приборов, т.е. стершие разряды и поправка к младшим - из показаний индикатора 15, а младшие — из показаний индикатора 13. В устройстве отображения. информации 12 предполагаются задачи индицирования как показаний индикаторов 13 и

15 в отдельности, так и их суммы (для чего предусмотрен дополнительный индиK8TîÐ 14), формируемой сумматором 11.

Выбор вида показаний — в зависимости от конкретного вида измерений — градиентных или сразу величины поля.

Существенной особенностью магнитометра является то, что поле компенсации прямому измерению не подлежит.

Информацию об амплитуде этого поля несет сигнал цифроаналогового преобразователя 9, который согласно предусмотренной здесь специализированной функции процессора, наряду с напряжением компенcBILHH выдает в катушку 8 синусоидальный сигнал постоянной частоты с амплитудой; пропорциональной напряжению компенсации (что легко может одновременно генерироваться с высокой точностью несложным быстродействующим процессором в сочетании с прецизионным цифроаналоговым преобразователем). Причем алгоритмом работы процессора предусмотрено, чтобы величина получаемого (от этого сигнала) переменного поля была сравнима с величиной нескомпенсированного остатка, т.е. первая иэ этих величин поддерживается в пределах того порядка значений (от превышения в 1,5-2 раза до 2-3 кратно умноженного значения по сравнению с величиной нескомпенсироважного остатка), какой в текущий момент измерений имеет вторая — нескомпенсированный остаток измеряемого поля. Этому служит, например, связь .16 входа процессора с выходом блока 5 (на чертеже показано пунктиром, как не единственно- возможный вариант обеспечения названного условия) или выходом фильтра 4, если 5 - просто стрелочный гальванометр.

Вследствие этого, процессор выбирает тот или иной масштаб для переменного напряжения, отображающего напряжение (и, следовательно, поле Н ) компенсации одновременно с этим устанавливая соответствующий масштаб отображения, т.е. коэффициент преобразования, в измерител|

5 8665 ном блоке 7 (на чертеже показана пунктиром связь 17 — возможный вариант учета масштаба) или индикаторе 15. По аналогичному принципу, т.е. с помощью связи

16, процессор выбирает и саму величину генерируемого им напряжения компенсации, так чтобы поддерживать величину нескомпенсированног > остатка в пределах значений, соответствующих параметрам чувствительной части устройства (Холлов- 10 ского датчика с концентраторами). При этом, если используется изменение масштаба сигнала отображения поля компенсации, то напряжение компенсации может изменяться процессором относительно 15 редко, например по дискретному ряду фиксированных значений.

Величина нескомпенсированного остатка измеряемого поля и такого же поряд— ка переменная составляющая поля, созда- 20 ваемая названным синусоидальным сигналом (который преобразуясь в аналоговую форму вместе с напряжением компенсации, всегда с высокой точностью пропорционален ему), одновременно воспринимаются 2С датчиком 1 Холла, питаемым от источника 2, и через усилитель 3 поступают каждая на свой измерительный блок благодаря работе фильтров 4 и 6. Причем первый иэ них выделяет нескомпенсиро- 50 ванный остаток,а второй — переменный сигнал, который на выводах катушки 8 пропорционален напряжению компенсации.

В отношении предпочтительного выбора конкретных реализаций устройства, мо- 35 жно отметить, что дискретное манипулирование величинами Н и масштаба дает определенные преимущества в аппаратурных затратах и достигаемой точности аналого-цифровой преобразовательной части 40 системы. Этот вариант характеризуется также минимальным влиянием запаздываний в перестройке сигналов процессора на точность измерений. Однако в случаях более критической роли динамического диапазона чувствительной части устройства (т.е. при много более высоком по сравнению с ней качестве остальной †. аналого-цифровой части), предпочтительным для весьма распространенной части условий использования

50 будет вариант без перестройки масштаба отображения Н (в этом случае связь 17 не нужна), .а вместо этого — с более частым (мелкодискретным) варьированием величины напряжения компенсации, что comветственно уменьшает размах колебаний

55 величины Н 0 поля нескомпенсированного остатка и позволяет полностью занять ею динамический диапазон датчика Холла.

19 6

Данный вариант, таким образом, может уступать по быстродействию (влияние запаздываний в процессоре, а также быстрых частых перестроек амплитуды его сигнала на обработку последнего фильтром 6), но обещает максимально достижимую, для данных датчика с концентраторами, статичес-, кую точность измерений по критерию полноты использования динамического диапазона этой чувствительной части (т.е. в расчете на доведение остальной аналогс» цифровой элементной базы устройства до заведомо более высокого уровня).

Таким образом, в предлагаемом магнитометре удалось не только сделать возможным поправку показаний при градиентных измерениях на флуктуации величинь компенсирующего поля, и одновременно (ценой незначительных дополнительных затрат по сравнению со стоимостью чувствительной части) реализовать измерение в отдельности, реальной величины этого поля с точностью, соответствующей предельным (т.е. в статическом режиме) возможностям того же чувствительного Холловского тракта, который используется для основного интересуюшего сигнала— нескомпенсированного остатка. При этом учитывая статистически постоянный уровень синусоидального сигнала о поле компенсации (в течение типичного промежутка времени измерений — когда процессор не перестраивает характеристики генерируемых сигналов), он, в отличие от сигнала нескомпенсированного остатка, мо>,.ет быть подвергнут на несколько порядков более глубокой статистической обработке, что позволяет обеспечить измерение данной постоянной составляющей и ее флуктуаций практически до таких >ке младших разрядов точности, что во много раз меньше по величине сигнала нескомпенсированного остатка. Поэтому динамический диапазон магнитометра, благодаря всем изложенным здесь мерам, может достигать величины

И, где М вЂ” динамический диапазон известного магнитометра. Широкие функциональные воэможности устройства, т.е. пригодность для измерения как обшей величины магнитного поля с высокой точностью (почти достигающей точности гра- диентных измерений данной системой),так и его вариаций, обусловливают возможность широкого использования прибора в различных областях народного хозяйства и научных исследований.

Формула изобретения

Магнитометр, содержащий последовательно соединенные источник постоянного тока, датчик Холла и усилитель, первый измерительный блок, выход которого подключен к первому входу сумматора, подключенного к индикатору, а также катушку компенсации поля, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены подключенные к выходу усилителя последовательно соединенные полосовой фильтр и второй измерительный блок, выход которого подключен ко второму входу сумматора, фильтр нижних частот, своим входом подключенный к выходу усилителя, а выходом — ко входу первого измерительного блока, и процессор с цифроаналоговым преобразователем на выходе, подключенный к катушке компенсации поля.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1О 1. Афанасьев Ю. В. и др. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. Л., Энергия", 1972, с. 202-205.

Составитель E. Данилина

Редактор Г. Волкова Техред А. Савка Корректор Г. Решетник

Заказ 8073/69 Тираж 735 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4