Способ измерения магнитного поля и устройство для его осуществления

 

Союз Советски к

Соцналистнческик

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< >900228 (6l ) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 07,04. 80 (21) 2 905 184/18-2 1 с присоединением заявкк М (23) Приоритет

Опубликовано 23.01.82. Бюллетень № 3

Дата опубликования описания 25.01.82 (53)M. Кл.

G 01 Я 33/06

3Ъеударственный камитет

СССР ао делам нзабретеннй и открытки (5З) УДК 621.317..44 (088. 8),Г

А. И. Рудой, В. И. Кушпиль и Э. А. Бак и

/;-.

l:/

/ (72) Авторы изобретения (7) ) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУШЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении магнитных полей, например при воздействии поля на биологические объекты, а также при измерении весьма слабых магнитных полей при диагностике, магнитного состояния организма, развед ке полезных ископаемых.

Известен способ измерения магнитно го поля и устройство для его реализации, представляющее собой датчик Холла, на который воздействуют измеряемым магнитным полем при одновременном пропус» канин через токовые электроды датчика электрического тока и съема информативного напряжения с Холловских электродов.

Из-за несовершенства технологии из готовления датчиков Холла и вследствие специфики распределения электрического поля в неидеально чистом полупроводнике на его выходных зажимах (Холловских электродах) при отсутствии магнитного поля появляется напряжение неэквипотен циальности, возникновение которого объ- ясняется следующим образом. При пропускании тока через токовые электроды датчика Холла на пластине последнего образуется падение напряжения, которое вызывает появление электрического поля . внутри пластины. Конфигурация эквипотенциальных линий этого поля является сложной функцией состава полупроводникового материала, технологии его обрато, ботки, условий крепления и эксплуатации, поэтому не удается закрепить ХолловскиЬ электроды точно на одной и той же экви. потенциальной линии. Поскольку потенциалы обоих выводов не равны между т5 сОбОй и зависят От мнОГих причин1 наттря". жение неэквипотенциальным присутствует практически всегда и изменяется по случайному закону, что приводит к недопустимому возрастанию аддитивной погреш20 ности (погрешности измерений).

Особенностью известного способа является то, что напряжение неэквипотенпчальности компенсируется изменением

900228 потенциала одного из холловских электродов. Датчик Холла в этом случае может быть представлен в виде эквивалентного резисторного моста, поэтому известный способ компенсации заключается в урав- 5 новешивании мостовой схемы с помощью вклю1енного в выходную цепь датчика резистивного регулируемого делителя напряжения, который питается от вспомогательного источника. Регулирование осуществляют до момента достижения условного нулевого значения выходного сигнала схемы (1)

Недостатком этого способа и устройства является низкая точность измерения, вызванная высокой мультипликативной погрешностью, неполная компенсация напряжения неэквипотенциальности вследствие конечной чувствительности измерительного прибора, подсоединенного к вы- И ходу схемы, а также сложный характер функциональной связи ЭДС неэквипотенциальности с приращением температуры окружающей среды, изменением тока питания датчика и с временными вариациями параметров устройства.

Кроме того, необходимость установки нулевого показания прибора, т,е. калибровки перед каждым частным измерением, исключает возможность проведения абсо- ЗО лютных измерений индукции магнитного поля.

Известен также способ согласно которому предусматривается пропускание тока через токовые электроды датчика 35

Холла, помещенного в измеряемое магнитное поле и измерение напряжения, снятого с холловских электродов датчика, затем ток пропускают через холловские электроды датчика с последующим изме- <о рением информативного напряжения на токовых электродах и дальнейшим суммированием напряжений, снятых с токовых и холловских электродов. Данный способ позволяет исключить аддитивную погрешность, вызванную наличием ЭДС неэквивалентности.

Устройство дпя реализации этого способа содержит датчик Холла, источник питания, подключенный к токовым и хол50 ловским электродам датчика через коммутатор, и измерительный усилитель, входные зажимы которого подключены к выходу коМмутатора, а выходные — ко входам измерительного прибора (2 ) .

Недостатком способа является повышение мультипликативной погрешности вследствие неравномерного и неодинакового нагрева датчика при протекании большого тока питания по токовым и холловским электродам, имеющим разное конструктивное и технологическое выполнение.

Цель изобретения - снижение мультигликативной погрешности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения магнитного ноля, заключающемуся в пропуска.нии тока через токовые и холловские электроды датчика Холла, помещенного в измеряемое магнитное поле, через участки датчика, заключенные между каждым из токовых электродов и смежными с ними холловскими электродами, пропускают вспомогательный ток и сравнивают между собой напряжения между каждым из холловских электродов и смежными с ними токовыми электродами.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройство, содержащее датчик Холла, источник питания, подключенный к токовым электродам датчика, измерительный усилитель введены блок сравнения, дополнительный источник питания и две пары трансформаторов, первичные обмотки которых подключенъi параллельно участкам между смежными электродами, вторичные обмотки этих трансформаторов соединены последовательно между собой и источником вспомогательного тока, а индуктивно связанные с первичной обмоткой дополнительные обмотки всех трансформаторов и обе пары между собой включены встречно, причем выход обмоток подведен к первому входу блока сравнения, второй выход которого через упомянутый усилитель соединен с выходом холловских электродов.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для осуществления способа измерения магнитного поля.

Способ измерения магнитного поля заключается в том, что через каждые из токовых электродов и каждый из смежных с ним холловский эпектрод пропускают вспомогательный гок, величина которого нормирована, благодаря этому обеспечиваются одинаковые температурные условия для всех элементов датчика Холла и практически полное исключение влияния вспомогательного тока на погрешность измерения.

Наличие одинаковых температурных условий датчика Холла на всех его элементах, достигнутых путем исключения операции пропускания тока питания через холловские электроды, позволяет снизить

900228 мультипликативную погрешность устройст ва, вызванную неравномерностью и нестационарностью нагрева различных участков датчика Холла.

Дпя реализации способа снимают падения напряжения между каждым из холловских электродов и смежными с ними токовыми электродами, после чего получают результирующими напряжения, вычитают их одно из другого и выделяют, таким р образом, значение напряжения неэквипотенциальности, которое затем вычитают из напряжения, снимаемого из холловских электродов. Полученный сигнал является полезным, несущим информацию об уровне 15

ЭДС неэквипотенциапьности.

В соответствии со способом выполняют устройство в состав которого входит датчик 1 Холла, четыре трансформатора ур по числу участков между холловскими электродами, первичные обмотки 2, которые подключены параллельно участкам между смежными электродами. Вторичные обмотки 3 всех трансформаторов соедине- 25 ны последовательно между собой и источником 4 вспомогательного тока. Индуктивная связь между обмотками 2 и 3 происходит из-за наличия сердечников 5.

На сердечниках 5 расположены дополни†3p тельные обмотки 6, предназначенные для выделения информативного сигнала с ЭДС неэквипотенциальности. Пары обмоток 6 и обмотки в каждой паре соединены между собой встречно и последовательно и подключены ко входу разделительной цепи 7, составленной из сопротивления 8 и конденсатора 9, номиналы которых подобраны из условия надежной фильтрации напряжения, изменяющегося с частотой тока питания датчика Холла.

Холловские электроды 10 датчика соединены с усилителем 11. Выход этого усилителя 11 соединен со входом блока 12 сравнения, выполненного по схеме резисторного нелинейного сумматора.

Оба входа блока 12 сравнения соединены с детекторами максимального значения, выделяющими положительную полярность напряжения по одному из входов

50 и отрицательную — по другому. Первый детектор собран на основе диода 13 и конденсатора 14, а второй — на основе элементов 15 и 16. С помощью резисторов 17 — 19 осуществляется вычитание

55 напряжений, полученных на выходах обоих детекторов. Блок 12 сравнения одним входом подклю ен к выходу усилителя 11, а другим — к цепи 7.

Выход блока 12 сравнения является выходом устройства. В качестве генератора вспомогательного тока используется перестраиваемый.генератор, частота которого устанавливается примерно в 10 раз большей частоты тока питания датчика

Холла, проходящего через его токовые электроды 20.

Устройство работает следующим обрезом.

Напряжение генератора вспомогательного тока подается на обмотки 3 трансформаторов, благодаря чему в них индуцируется магнитное поле. Вследствие магнитной связи катушек 3 и 2 трансформаторов, в последних также возникает разность потенциалов, благодаря чему через участки датчика Холла, заключенные между каждым из токовых электродов и смежными с ними холловскими электродами протекает электрический ток, значение которого устанавливается с помощью генератора вспомогательного тока.

Из-за наличия магнитной связи между обмотками 2, 3 и 6 трансформаторов в обмотках 6 также индуцируется ЭДС. Так как обмотки 6 подключены параллельно участкам датчика Холла, заключенным между каждым из токовых электродов и смежными с ними холловскими электродами, а также благодаря встречному соединению обмоток 6 посредством них выделяется электрическое напряжение, представляющее собой разность напряжений между сигналами одной и другой ветвей.

Поскольку числа витков всех обмоток 2, 3 и 6 каждого трансформатора равны между собой, напряжения, снимаемые с выходов каждой пары обмоток G, равны разности падений напряжений на участках датчика 1 Холла между холловским электродом 10 и смежными с ним токовыми электродами 20, которое в свою очередь зависит только от сопротивлений указанных участков датчика Холла, если оставлять неизменным ток генератора вспомогательного тока и характеризует часть

ЭДС неэквипотенциальности устройства.

Так как имеется еще одна аналогичная пара участков датчика 1 Холла и относящихся к ним обмоток 2, 3 и 6 трансформаторов, то аналогичное явление наблюдается и при работе второй упомянутой пары. Поскольку обе пары обмоток 6 соединены между собой встречно, то падение напряжения на концах такого соединения представляет собой разность напряжений. Это напрямсение, равное напря900228 жению неэквипотенциальности, поступает на а.сод разделительнсй пепи 7, предназначенной для выделения информативной составляющей полезного сигнала от неин1 формативной, представляющей собой напряжение наводок от цепи источника питания датчика 1.

При помещении датчика l в измеряемое магнитное поле и поступлении напря1 жения питания на токовые электроды 20 10 в датчике 1 индуцируется напряжение, которое снимается с холловских электродов 10. Это напряжение подается на усилитель 11, усиливается в нем и затем поступает на вход блока 12 сравнения, 15 а именно на вход диода 13, выпрямляющего отрицательный полупериод напряжения.

Частоты генераторов вспомогательного тока и источника питания датчика 1 отличаются друг от друга примерно в 10 раэ, для того, чтобы облегчить отфильтрование информативной составляющей полезного сигнала от его неинформативной ,составляющей с помощью цепи 7. Однако 25 сравнение между собой разночастотных на пряжений потребовало введение упомянутого выше диода. После выпрямления с помощью выпрямительных диодов 13 и 15 и конденсаторов 14 и 16, напряжение, представляющее собой информативную составляющую о напряжении неэквивалентности, сравнивается с напряжением, снимаемым с холловских электродов 10 по традиционной схеме резистивного сравнения. В 35 результате сравнения получается сигнал, свободный от мультипликативной погрешности измерения, обусловленной неодинаковыми нагревами в различных зонах датчика 1 при воздействии тока питания 40 на токовые и холловские электроды 10 при использовании известного способа.

В случае изменения условий работы датчика 1 значение информативной составляющей о напряжении неэквипотенци- i5 альности изменяется. При этом одновремен. (но в ту же сторону изменяется и величина на пряжения, снимаемого с холловских электро дов 10. Но разность между напряжением, снимаемым с холловских электродов и 50 напряжением неэквипотенциальности, реализуемая с помощью блока 12 сравнения, остается неизменной и представляет из себя полезный сигнал, свободный от напряжения неэквипотенциальности и неза- 55 висящий от различных условий работы датчика 1 при изменении возмущающих воздействий.

Изобретение позволяет снизить мультипликативную погрешность измерения, " обусловленную различными условиями температурных режимов на различных участках датчика Холла.

Формула изобретения

1. Способ измерения магнитного поля путем пропускания тока через токовые и холловские электроды датчика Холла, помещенного в измеряемое магнитное поле, отличаюши йсятем, что, с целью снижения мультипликативной погрешности измерения, обусловленной различными температурными режимами работы электродов датчика, через участки датчика, заключенные между каждым из токовых электродов и смежными с ним холловскими электродами, пропускают вспомогательный ток и сравнивают между собой напряжения между каждым иэ холловских электродов и смежными с ними токовыми электродами.

2. Устройство для осуществления спосо6а по п. 2, содержащее датчик Холла, Jисточник питании, подключенный к токовым электродам датчика, измерительный усилитель, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что в него введены блок сравнения, дополнительный источник питания и две пары трансформаторов, первичные обмотки которых подключены параллельно участкам между смежными электродами, вторичные обмотки этих трансформаторов соединены последовательно между собой и источником вспомогательного тока, а индуктивно связанные с первичной обмоткой дополнительные обмотки всех трансформаторов и обе пары между собой включены встречно, причем выход обмоток подведен к первому входу блока сравнения, второй вход которого через упомянутый усилитель соединен с выходом холловских электродов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Панчишин Ю. М., Усатенко С. Т.

Измерения переменных магнитных колец.

Киев, Техника", 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

М 328786, кл, О 01 R 33/(16, 1.972.

990228 лыко/

Составитель Г. Семенова

Редактор Н. Бобкова Техред А. Бабинец Корректор Н Степ

Заказ 12176/63 Тираж 718 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