Магнитометр

Союз СоветскииСоциалистическиеРеспубики ОП ИСАЙИ ЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОБУСНОМУ СВИ ТЕЛЬСТВУ и 866519(51)М, Кл. (01 К ЗЗ/06 1 осударственный квинтет но делам изобретений и открытий(72) Автор изобретения В, Е. Ефремов Дальневосточный орденафТрудового Крастого Знамени политехнический институт им. В. В. Куйбыщдва,(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 по- ф ля, 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.цВ известном устройстве часть измеряемого поля компенсируется катушкой, а остаток контролируется измерительной схемой, Этим достигается существенное расширение динамического диапазона т.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 протекающего в ней тока.Дель изобретения - повышение точности измерений. Дель достигается тем, что в магнитометр, содержащий, последовательно сое- диненные источник постоянного тока, датчик Холла и усилитель, первый измерительный блок, выход которого подклютен 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.,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 квк непосредственно,так и с выхода сумматора, формирующегосумму этих сигналов.На чертеже приведена функциональнаясхема предлагаемого устройства,Магнитометр содержит датчик Холла 1,источник 2 постоянного тока усилитель 3выходных сигналов датчика, а также фильтр4 нижних частот. Кроме того, устройстводополнено измерительным блоком 5 нескомпенсированного остатка измеряемогополя, полосовым фильтром 6, измерительным блоком 7 поля компенсации и катушкой 8 компенсации поля. Состав устройства завершают цифроаналоговый преобразователь 9, процессор 10, сумматор 11и устройство 12 отображения информации,состоящее из индикаторов 13, 14 и 15.При этом выход датчика 1 связан черезусилитель 3 со входами фильтров 4 и 6,выходы которых подключены к измерительным блокам 5 и 7 соответственно,Токовыми электродами датчик соединен систочником 2. Выход процессора 19 подключен ко входу цифроаналогового преобразователя 9, выход которого нагруженкатушкой 8, индуктивно (по магнитномуполю) 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 названногоаналого-цифрового преобразователя можетвыполнить также сам блок 5 (при соответствующем его конструктивном типе),или устройство может сожержать такойпреобразователь на выходе усилителя 3,поэтому место установки названного аналого-цифрового преобразователя (т,е, вкакой конкретно блок он мог бы конструктивно входить) нв чертеже не конкретиэировано.Роль измерительной схемы могут выполнять как обыкновенные стрелочныегальванометры, так и аналого-цифровыепреобразователи, электроннолучевые самописцы и т,п,Магнитометр работает следующим образом.Основная часть измеряемого поля Н 0, компенсируется с помощью катушки 8.Причем изчерению подлежит как остаток 5 0 15 25 40 45 50 55 компенсации, так и само компенсирующееполей. Поле компенсации контролируетсяизмерительным блоком 7 и отображаетсяиндикатором 15, а остаток - соответственно блоком 5 и индикатором 13, Результат.измерения 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 индицироввния как показаний индикаторов 13 и15 в отдельности, твк и их суммы (длячего предусмотрен дополнительный индикатор 14), формируемой сумматором 11.Выбор вида показаний - в зависимостиот 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 функциипроцессора, наряду с напряжением компенсации выдает в катушку 8 синусоидальныйсигнал постоянной частоты с амплитудой;пропорциональной напряжению компенсации(что легко может одновременно генерироваться с высокой точностью несложнымбыстродействующим процессором в сочетании с прецизионным цифроаналоговымпреобразователем), Причем алгоритмомработы процессора предусмотрено, чтобывеличина получаемого (от этого сигнала)переменного поля была сравнима с величиной нескомпенсированного остатка, т.е,первая иэ этих величин поддерживается впределах 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 имеетвторая - нескомпенсированный остаток измеряемого поля. Этому служит, например,связь .16 входа процессора с выходомблока 5 (на чертеже показано пунктиром,как не единственно. возможный вариантобеспечения названного условия) или выходом фильтра 4, если 5 - просто стрелочный гальванометр,Вследствие этого, процессор выбираеттот 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 измеритель5 8665ном блоке 7 (на чергеже показана пунктиром связь 17 - возможный вариант учетамасштаба) или индикаторе 15. По аналогичному принципу, т.е. с помощью связи16, процессор выбирает и саму величинугенерируемогоим напряжения компенсации, так чтобы поддерживать величинунескомпенсированногэ остатка в пределахзначений, соответствующих параметрамчувствительной части устройства (Холловского датчика с концентраторами). Приэтом, если используется изменение масштаба сигнала отображения поля компенсации, то напряжение компенсации можетизменяться процессором относительно 15редко, например по дискретному рядуфиксированных значений,Величина нескомпенсированного остатка измеряемого поля и такого же поряд -ка переменная составляющая поля, создаваемая названным синусоидальным сигналом (который преобразуясь в аналоговуюформу вместе с напряжением компенсации,всегда с высокой точностью пропорционален ему), одновременно воспринимаются 25датчиком 1 Холла, питаемым от источника 2, и через усилитель 3 поступаюткаждая на свой измерительный блок благодаря работе фильтров 4 и 6. Причемпервый иэ них выделяет нескомпенсиро- З 0ванный остаток,а второй - переменныйсигнал, который на выводах катушки 8пропорционален напряжению компенсации.В отношении предпочтительного выбора конкретных реализаций устройства, можно отметить, что дискретное манипулирование величинами Н и масштаба даетопределенные преимущества в аппаратурных затратах и достигаемой точности аналого-цифровой преобразовательной части 40системы. Этот вариант характеризуетсятакже минимальным влиянием запаздыванийв перестройке сигналов процессора на точность измерений. Однако в случаях болеекритической роли динамического диапазона чувствительной части устройства (т.е,при много более высоком по сравнению сней качестве остальной в . аналого-цифровойчасти), предпочтительным для весьма распространенной части условий использования50будет вариант без перестройки масштабаотображения Н (в этом случае связь 17не нужна), .а вместо этого - с более частым (мелкодискретным) варьированием величины напряжения компенсации, что соочветственно уменьшает размах колебаний55величины Н 0 поля нескомпенсированногоостатка и позволяет полностью занять еюдинамический диапазон датчика Холла. 19 6Данный 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 аналог 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 величины 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, момет быть подвергнут на несколько порядков более глубокой статистической обработке, что позволяет обеспечить измерение данной постоянной составляющей и ее флуктуаций практически до таких же 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 2, где М - 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,1 обусловливают возможность ширжого использования прибора в различных областях народного хозяйства и научных исследований.формула и э о б р е т е н и я Магнитометр, содержащий последовательно соединенные источник постоянногоИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе 1 О 1. Афанасьев Ю. В. и др, Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. Л., Энергия", 1972, с. 202-205.9 Тираж 735осударственного комитетаизобретений и открытийосква, Ж, Раушская на Заказ 8073 ВНИИ ПИ по дела 113035, одписн. 4/ илиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектна тока, датчик Холла и усилитель, первыйизмерительный блок, выход которого подключен к первому входу сумматора, подключенного к индикатору, а также катушку компенсации поля, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью повышенияточности измерений, в него дополнительно введены подключенные к выходу усилителя последовательно соединенные полосовой фильтр и второй измерительныйблок, выход которого подключен ко второму входу сумматора, фильтр нижних Составит елРедактор Г. Волкова Техред А 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. анилина Корректор Г Решетни