Устройство для измерения параметров магнитного поля /его вариант/

 

Союз Советсиии

Социалистическими республик

ОЛ ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ii)938226 (6I) Дополнительное к авт. свид-ву(22)Заявлено 12.11.80 (21) 3002949/18-21 (53)М. Кл.

G Ol R 33/06 с присоединением заявки N 3002948/21

Веуйвретеелы1 кекктет

СССР

40 делам кеебретеккй и етерыткм (23) П рноритет (53) УДК 621 317..44(088.8) Опублмковамо 23. 06. 82. Бюллетень М 23

Дата опубликования описания 25. 06. 82 (72) Авторы изобретения

В.Н. Лапенко и А.И. Берлев (71) Заявитель

Московский институт электронной (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

МАГНИТНОГО ПОЛЯ (ЕГО ВАРИАНТ) 1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь. зовано для измерения параметров магнитного поля, в частности для измерения магнитного поля синхрофазотрона.

Известно устройство, используемое для автомического измерения магнитноI-o поля изохронного циклотрона ИАЭ им. 1:урчатова, содержащее источник опорного напряжения постоянного тока датчиков Холла, блок датчиков Холла

1О в термостате, коммутатор, устройство управления и аналого-цифровой преобразователь 31).

Однако из-за того, что измерения

15 происходят на постоянном токе, большое влияние оказывают наводки, дрейф аналого-цифрового преобразователя, температурный дрейф остаточного напряжения датчика Холла, дрейф рабочего тока и т.д. Кроме того, хотя датчик Холла находится в термостате; соединительные провода, коммутатор и измерительная система не термостати2 рованы. Поэтому при изменении температуры соединительные. провода, клеммы можно рассматривать как термопары, включенные последовательно с датчиками Холла в измерительную цепь, и при изменении температуры изменяется их термо ЭДС, что ограничивает динамичес-. кий диапазон измерений.

Известно также устройство для измерения параметров магнитного поля,содержащее последовательно соединенные датчик Холла, автоматический переключатель, усилитель, Фаэочувствительный выпрямитель, преобразователь напряжение-код и блок управления, а также источник стабилизированного напряжения, анализатор с соединенными с его разными входами схемами выделения и запоминания знаков, блок автоматической выборки знака измеряемого напряжения и цифровой индикатор (2j.

Однако точность измерения их недостаточна.

3 93822

Цель изобретения - повышение точности измерения параметров HBtHHTHof-o поля °

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения параметров магнитного поля, содержащее блок датчиков Холла, подключенный к коммутатору датчиков Холла, управляющие входы которого подключены к управляющему блоку, задающий генератор, последовательно соединенные усилитель и фаэочувствительный выпрямитель и аналого-цифровой преобразователь, дополнительно введены преобразователь напряжение - ток, вход которого подключен к выходу задающего генератора и второму входу фаэочувствительного выпрямителя, а выход - к входу блока датчиков Холла, управляемый аттенюатор, входы которого связаны с выходом преобразователя напряжение-ток и входом усилителя, а выход - с sxoдом коммутатора датчиков Холла, избирательный усилитель, включенный между коммутатором датчиков Холла и вторым входом усилителя, аналого-запоминающий блок, вход которого подключен к выходу фазочувствительного BblflpRMH теля и к первому входу аналого-цифрового преобразователя, и блок управления усилителем, входы которого подключены к входу аналого-запоминающего блока и к выходу управляющего бло" ка, другие выходы которого подключены ко второму входу аналого-цифрового преобразователя и к управляющему входу

13 аналого-запоминающего блока, своим выходом подключенного к третьему входу аналого-цифрового преобразователя, выходы блока управления связаны с уп- ао равляющими входами управляемого аттенюатора и с входом управляющего блока.

Кроме того, цель достигается тем, что в устройство .для измерения параметров магнитного поля, содержащее

lS блок датчиков Холла, подключенный к входам коммутатора датчиков Холла, управляющие входы которого связаны с выходами управляющего блока и аналого-цифрового преобразователя, n последовательно соединенных усилителей и и фазочувствительных выпрямителей, первые входы которых подключены к .выходам соответствующих усилИтелей, а вторые - к выходу задающего генератора, дополнительно введены преобразователь напряжение-ток, своим входом подключенный к выходу задающего

6 ф генератора, а выходом - к входам блока датчиков Холла и коммутатора датчиков Холла, избирательный усилитель, своим входом подсоединенный к выходу коммутатора датчиков Холла, а выходом - к входу первого усилителя, последовательно соединенные блок выбора порядка и коммутатор мантисс, вторые входы которого и первые входы блока выхода порядка подключены к выходам п фаэочувствительных выпрямителей, а также два аналого-запоминающих блока, первые входы которого подключены к выходу коммутатора мантисс, вторые входы подключены к выходам управляющего блока и к второму входу блока выбора порядка, а выходы первого и второго аналого-запоминающих блоков связаны с первыми входами аналого-цифрового преобразователя, вторые входы которого связаны с выходами управляющего блока.

На Фиг. 1 изображена функционэль- ная схема устройства измерения параметров магнитного поля; на фиг. 2его вариант.

Устройство для измерения параметров магнитного поля (фиг. 1) содержит блок 1 датчиков Холла,. выходы которого подключены к входам коммутатора 2 датчиков Холла, избирательный усилитель 3, управляемый усилитель 4, фазочувствительный выпрямитель, аналого-запоминающий блок 6, управляющий блок 7, аналого-цифровой преобразователь 8, блок 9 управления усилителем, задающий генератор 10, .прео6раэователь 11 напряжение - ток, управляемый аттенюатор 12.

Выход задающего генератора 10 подключен к входу преобразователя 11 напряжение-ток, выходы которого подключены к входу блока 1 датчиков Холла и к сигнальному входу управляемого аттенюатора 12, выходом связанного с входом коммутатора 2 датчиков Холла, к выходу которого подключены последовательно соединенные избирательный усилитель 3, управляемый усилитель 4, фаэочувствительный выпрямитель 5, выход последнего связан с входом аналого-запоминающего блока 6, с входом блока 9 управления усилителем, и входом аналого-цифрового преобразователя 8, другие входы последнего подключены к выходу аналого-запоминающего блока 6 и.к выходу управляющего блока 7, другие выходы которого подключены к управляющему входу

5 . 938226

6. аналого-запоминающего блока 6 и tc ax<" ков !2, 13 соответственно, выходы коду блока 9 управления усилителем вы торых связаны с входами аналого-цифроходы которого связаны с управляющими вого преобразователя 14, причем вывходами управляемого аттенюатора 12 . ходы управляющего блока 15 подключены и управляемого усилителя 4, второи к управляющим входам коммутатора 2

5 вход фаэрчувствительного выпрямите датчиков Холла, блока 10 выбора порядля 5 подключен к выходу задающего re ка, первого и второго аналого-запоминератора 10. нающих блоков 12, 13 и к управляющим

Блок 9 управления усилителем со- входам аналого-цифрового преобразовадержит источник 13 опорного напряже 10 теля 14. ния, выход которого подключен к входу Причем блок 10 выбора порядка сокомпаратора 14, выход компаратора 14 держит источник 18 опорного напряжесвязан с входом "Разрешение счета ния, блок 19 компараторов, на один счетчика 15 и с входом управляющего иэ входов которого подключен выход блока 7, выходы счетчика 15 подключе 15 источника 18 опорного напряжения, выны к входам дешифратора 16 и Регист ходы блока )9 компараторов подключера 17 порядка, выходы дешифратора 16 ны ко входам блока 20 дешифраторов, связаны с управляющими входами управ" выходами связан с управляющими входа ляемого аттенюатора 12 и с Управляю . ми коммутатора 11 мантисс и входа- щими входами управляемого усилителя ми регистра 21 порядка.

УСтройство для измерения парамет Устройство (фиг. 1) работает слеров магнитного поля (фиг. 2) содержит дующим образом. блок 1 датчиков Холла, коммутатор 2 С выходалзадающего генератора 1О датчиков Холла, иэбирательныи Усили напряжение U с частотой f поступатель 3, первый, второй. и ыи 2 ет на вход преобразователя 11 напряусилители 4, 5, 6 соответственно жение-ток, выходной ток которого

° ° ° ервый, второй,..., и -ый фаэочувст запитывает датчики Холла блока 1 датительный выпрямители 7, 8, 9 соот- чиков Холла. Одновременно на вход уп" ветственно, блок 10 выбора порядка, равляемого аттенюатора 12 подается коммутатор мантисс 1 1, первый и вто- О напряжение 0 пропорциональное вырой аналого-запоминающие блоки 12, ходному току 1. При поступлении на

13 соответственно-; аналого-цифровой вход управляющего блока 7 команды .преобразователь 14, управляющий "Начало цикла" производится запись блок 15 задающий генератор 16, пре- кода датчиков Холла и, в соответстобразователь 17 напряжение-ток. вии с этим кодом, выдается сигнал на

Причем блок 1 датчиков Холла выхо- коммутатор 2 датчиков Холла и сигнал

35 дами подключен к входам коммутато- установки в ноль счетчика 15 блока 9 ра 2 датчиков Холла, выход задающего управления усилителем. генератора 16 подключен ко входу пре- В результате ко входу избирательобразователя 17 напряжение-ток, выхо- ного усилителя 3 подключается требуе40 ды которого связаны с входами бло- мый датчик Холла, с которого на вход ка 1. датчика Холла и коммутатора 2 избирательного усилителя 3 поступадатчиков Холла, к выходу которого ет переменное напряжение 0Х с.часподсоединен вход избирательного уси- тотой f,âåëè÷èíà напряжения Е> пролителя 3, выходом подключенного к це- порциональна напряженности магнитного почке иэ и усилителей, соединенных поля. После предварительного усиления последовательно.4, 5, 6 соответствен- избирательным усилителем 3 в К раэ но, выход каждого из и усилителей под- сигнал. поступает на вход управляемого ключен к входу одного из и фазочувст- усилителя 4, коэффициент усиления ковительных выпрямителей 7 8 9 соот- торого может меняться в К раэ сигна/

Ф t

50 .ветственно, управляющие входы которых лами управления из блока 9 управлеподключены к задающему генератору 16, ния усилителем, то есть коэффициент а выходы связаны с входами блока-10 усиления управляемого усилителя 4 при. выбора порядка и с входами коммутато- нимает значения K,К,...,K, причем

Я. ра Т! мантисс, управляющие входы ко- каждый цикл измерения начинается при торого подключены к выходам блока 0 55 коэффициенте усиления, равным К, а упвыбора порядка, а выход коммутатора 11 равляемого аттенюатора — !/К. С выхомантисс подключен к входам первого и да управляемого усилителя 4 сигнал второго аналого-запоминающих бло- поступает на вход фаэочувствительно7 93822 го выпрямителя 5, где происходит детектирований и сглаживание сигнала, причем в качестве опорной частоты используется сигнал с задающего генератора 10. Выпрямленный сигнал посту- пает на вход аналого-запоминающего блока б и на вход блока 9 управления усилителем, где с помощью компаратора 14 производится сравнение его с опорным напряжением Еописточника 13 19 опорного напряжения, которое по величине соответствует нижней границе возможного значения опорного напряжения

U аналого-цифрового преобразоватен ля 8 или нижней границе линейной эоны 1 фазочувствительного выпрямителя 5, в зависимости от того, что больше, при котором обеспечивается требуемая точность измерения, Результат сравнения поступает на вход "Разрешения счета" счетчика 15, на счетный вход которого поступают импульсы счета с управляющего блока 7, с выходов счетчика 15 сигналы подаются на входы дешифратора 16 и ре" уз гистра 17 порядка. Если напряжение на выходе фаэочувствительного выпрямителя 5 меньше Е то с выхода дешифратора 16 блока 9 управления усилителем вырабатываются сигналы, покоторым происходит измерение коэффициента усиления управляемого усилителя 4 в К раз и одновременно коэффициента передачи управляемого аттенюатора,, 12 К„ уменьшается в К раз.

3S

После установления переходных процессов опять происходит внализ выходного напряжения фазочувствительного выпрямителя 5 и в случае необходимости коэффициент усиления управляемого усилителя 4 опять увеличивается в К раз, а управляемого аттенюатора 12 уменьшается в К раэ. Этот процесс идеv до тех пор, пока напряжение с фазочувствительного выпрямителя 5 не пре высит Е „. При этом блоком 9 управления усилителем вырабатывается сигнал "Конец поиска порядка", который поступает в управляющий блок 7, причем в этом случае коэффициент усиления управляемого усилителя 4 равен K, ® а управляемого аттенюатора 12 - 1/К .

По сигналу "Конец поиска порядка", управляющий блок 7 вырабатывает сигнал, по которому аналого-запоминающий блок 6 переходит в режим запоминания, а затем хранения выходного напряжения фазочувствительного выпрямителя 5, пропорционально напряжению

6 8 с датчика Холла, одновременно зсуществляется запись кода порядка с выходов счетчика 15 в регистр 17 порядка. После чего управляющий блок 7 вырабатывает сигнал, по которому коммутатор 2 датчиков Холла отключает датчик Холла и к входу избирательного усилителя 3 подключается выход управляемого аттенюатора 12. Напряжение с выхода управляемого аттенюатора 12 усиливается, детектируется и в виде постоянного напряжения поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 8, в котором используется в качестве опорного напряжения U „.

После этого по сигналу с управляющего блока 7 запускается аналого-цифровой преобразователь 8, в котором происходит преобразование в цифровой код N напряжения.с выхода аналогоэапоминающего блока 6. После окончания цикла преобразования на выходе управляющего блока 7 формируется сигнал "Конец цикла", по которому снимается информация, причем с выходов управляющего блока 7 снимается код датчика, с выхода блока 9 управления усилителем - код порядка, а с выхода аналого-цифрового преобразователя 8код мантиссы. После записи информации в накопительном устройстве, которое не входит в состав данного устройства, на вход управляющего блока 7 опять поступает сигнал "Начало цикла" для следующего цикла измерений.

Напряжение на выходе датчика Холла равно 2х = Kx tв,(1) где К„ - постоянная Холла;

Н - напряженность магнитного поля;

3 - ток питания датчика Холла.

Напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя равно

U x = ех К .К . K* i (2) где К - коэффициент преобразования фазочувствительного выпрямителя;

К - коэффициент усиления избирательного усилителя;

К - коэффициент усиления управляемого усилителя.

Напряжение на выходе управляемого аттенюатора при этом равно

Uq = 0 . Ко, (3) где К - коэффициент передачи управляемого аттенюатопз;

U — эталонное напряжение.

9 9З822

Как известно, выходной код N> аналого-цифрового преобразователя равен

Нх = Ьж г", (4)

"оп

5 где 0„ „,- измеряемая величина;

Uоп- опорное напряжение;

t — - число разрядов.

Так как в нашем случае измеряемой величиной является U„, а UÄn равно на10 пряжению на выходе фазочувствительного выпрямителя, когда к избирательному усилителю подключен управляемый аттенюатор, то

О,= О,5 К> К" Кд, т.е.

"ол = "эт Kg Ka К K*

Испо™льзуя выражения (2), (4), (5), получим ех. 2" и эт Кб с учетом выражения (1) получим

К ° 2т1 х

"эт= ) "эт (6) и где R - сопротивление эталонного эт резистора.

С учетом, что К о = 1/К, получим н = йх Кэт (7)

К ° К 2

Таким образом, величина напряженности магнитного поля может быть представлена следующим образом: Н - мантисса числа; 1 - порядок числа; Коснование.

Основание К выбирается исходя из линейности зоны фазочувствительного выпрямителя и аналого-цифрового преобразователя. Для удобства целесообразно величину К выбирать кратной 2, 40

3 практически лучше выбрать 2

Как видно из выражения (7), точность измерения определяется точностью установки коэффициента передачи

1/К, управляемого аттенюатора. Коэффициенты передачи избирательного усилителя, управляемого усилителя и. фазочувствительного выпрямителя не оказывают влияния на точность измерения.

Таким образом, точность измерения определяется точностью и стабильностью пассивных элементов управляемого аттенюатора, которая может быть не хуже 0,013.

Устройство (фи г. 2) работает аналогично устройству (Фиг. 1), за исключением того, что при поступлении 1 на вход управляющего блока 15 (фиг.2) 1) 10 сигнала "Начало цикла", напряжение со всех выпрямителей 7, 8, 9 поступает в блок 10 выбора порядка, где с помощью блока 19 компараторов производится сравнение их с опорным напряжением источника 18 опорного на" пряжения Е а результаты сравнения отт 1 поступают на вход дешифратора 20, сиг-. налами которого осуществляется управление коммутатора 11 мантисс. К выходу коммутатора 2 подключается тот

Фазочувствительный выпрямитель, напряжение которого максимально, но не превышает опорного напряжения Е, которое несколько меньше верхней границы линейной зоны выпрямителя. Одновременно по сигналу с управляющего блока 15 осуществляется запись в регистр 21 порядка кода выпрямителя и первый аналого-запоминающий блок 12 переходит в режим запоминания, а затем хранения, т.е. на его выходе запоминается выходное напряжение соответствующего выпрямителя, пропорциональное сигналу датчика Холла °

После этого по сигналу с управляющего блока 15 к избирательному усилителю коммутатором 2 датчиков Холла подключается эталонный резистор сопротивлением R преобразователя напряжение-ток 17, через который проходит ток запитки датчиков Холла 3., Дальнейшая работа аналогична обработке сигналов с датчиков Холла, эа исключением того, что запись в регистр 21 порядка не производится и напряжение с выпрямителей запоминает ся во втором аналого- запоми нающем блоке 13, используемого в качестве опорного напряжения для аналого-цифрового преобразователя 14.

После этого по сигналу с управляющего блока 15 запускается аналогоцифровой преобразователь 14, в кото ром происходит преобразование в цифровой код напряжения с выхода первого аналого-запоминающего блока 12. После окончания цикла преобразования на выходе управляющего блока 15 формируется сигнал "Конец цикла", по которому снимается информация, причем с выходов управляющего блока — код датчика, с выхода блока выбора порядка - код порядка, с выхода аналогоцифрового преобразователя - код мантиссы, Положительный эффект заключается в повышении точности измерений напряженности магнитного поля синхрофазоФормула изобретения

11

93822 трона, что существенно улучшит апроксимацию магнитного поля.

Таким образом, благодаря введению новых узлов и связей в устройстве осуществляется адаптация измерительной системы к измеряемой величине, в результате чего относительная точность измерения не меняется, что, особенно важно для измерения структуры поля при малых величинах напря- 10 женности магнитного поля, 1. Устройство для измерения параметров магнитного поля, содержащее блок датчиков Холла, подключенный к коммутатору дат иков Холла, управляющие входы которого подключены к уп- N равляющему блоку, задающий генератор, последовательно соединенные усилитель и фаэочувствительный выпрямитель, и аналого-цифровой преобразователь, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с це- 2s лью повышения точности измерения, в него дополнительно введены преобразователь напряжение-ток, вход которого подключен к выходу задающего генератора и второму входу фазочувстви- у0 тельноro выпрямителя, выход - к входу блока датчиков Холла, управляемый аттенюатор, входы которого связаны с выходом преобразователя напряжение ток и входом усилителя, а выход - с входом коммутатора датчиков Холла, избирательный усилитель, включенный между коммутатором датчиков Холла и

Вторым входом усилителя, аналого-sano минающий блок, вход которого подклю- 40 чен к выходу фазочувствительного выпрямителя, и к первому входу аналого-цифрового преобразователя, и блок управ" ления усилителем, входы которого подключены к входу аналого-запоминающего блока и к выходу, управляющего блока, другие выходы которого подключены к второму входу аналого-цифрового преобразователя, и к управляю" щему входу аналого-запоминающего бло50 ка, своим выходом подключенного к третьему входу аналого-цифрового пре6 12 образователя, выходы блока управления усилителем связаны с управляющими входами управляемого аттенюатора и с входом управляющего блока.

2. Устройство для измерения параметров магнитного поля, содержащее блок датчиков Холла, подключенный к входам коммутатора датчиков Холла, управляющие входы которого связаны с выходами управляющего блока и аналого-цифрового преобразователя, и последовательно соединенных усилителей и и фазочувствительных выпрямителей, первые входы которых подключены к выходам соответствующих усилителей, а вторые - к выходу задающего генератора, о т л и чающее с я тем, что, с целью повышения точности изме ренийй, в него дополнительно введены преобразователь напряжение-ток, своим входом подключенный к выходу задающего генератора, а выходом - к входам блока датчиков Холл и коммутатора датчиков Холла, избирательный усилитель, своим входом подсоединенный к выходу коммутатора, датчиков

Холла, а выходом - к входу первого усилителя, последовательно соединенные блок выбора порядка и коммутатор мантисс, вторые входы которого и первые входы блока выбора порядка подключены к выходам фазочувствитель; ных выпрямителеи, а также два аналогоэапоминающих блока, первые входы которого подключены к выходу коммутатора мантисс, вторые входы подключены к выходам управляющего блока и к второму входу блока порядка, а выходы первого и второго аналого-запоминающих блоков связаны с первыми входами аналого-цифрового преобразователя, вторые входы которого связаны с выходами управляющего блока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Василевская Д.П. Иатериалы третьего совещания.по изохронному циклотрону Х- 120 и его использовании для физических проблем. Дубна, ОИЯИ, 1973, с. 75.

2.. Авторское свидетельство СССР

H 523371, кл, Ъ 01 R 33/06, 1974,