Способ измерения магнитного поля и устрой-ctbo для его реализации

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Сомэ Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 2506.79 (21) 2783981/18-21 с присоединением заявки М Государственный комитет СССР по делам изобретений(53) УДК 621. 317. 44(088,8) Дата опубликования описания 230581 А.Г. Сметанин, Ю.В. Ковш, В.В. Голованов и В.С, Власов(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И .УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Изобретение относится к магнитнымизмерениям и может быть использовано при построении высокочувствительных навигационных и геофизических5ферроэондовых магнитометров.Известен способ измерения магнитного поля с помощью ферроэондов, прикотором сердечник феррозонда перемагничивают вспомогательным гармоническим полем, а в выходной цепи ферроэонда выделяют (с помощью частотно-избирательных узлов), детектируют и регистрируют сигнал одной из четных,как правило второй, гармоник частотыперемагничивания, пропорциональныйизмеряемому полю 1,Устройство для реализации известного способа содержит последовательно соединенные генератор синусоидального тока, дифференциальный ферроэонд, избирательный усилитель,синхронный детектор и регистрирующий прибор, причем синхронныйдетектор соединен также через удвоитель частоты с генератором синусоидального тока 1.Однако повышение точности измере- .ния известными устройствами по этомуспособу ограничивается частотной нестабильностью генератора синусоидаль- ЗО ного тока и избирательных узлов (фильтрата), а.также шумами перемагничнвания сердечника.Известен способ измерения параметров магнитного поля с помощью ферроэондов, при котором сердечник (его центральную. часть) ферроэонда перемагничивают по повторяющейся программе, включающей намагничивание до состояния насыщения, размагничивание (посредством дополнительного экспоненциально затухающего высокочастотного поля) до установившегося магнитного состояния, повторное, но в противоположном направлении, намагничиванче и повторное размагничивание до установившегося магнитного состояния. Величину измеряемого поля определяют по амплитуде гармонической ЭДС удвоенной частоты на выводах настроенной в резонанс приемной (выходной) обмотки феррозонда 2 1.Известное устройство для измерения параметров магнитного поля по этому способу содержит ферроэонд и связанный с ним источник знакопеременных импульсов тока насыщения, разделенных промежуточными интервалами нулевого тока. В устройстве приме 83250нен дифференциальный феррозонд, выполненный на сердечнике с центральным отверстием, причем обмотка перемагничивания размещена в данном отверсии, а приемная обмотка - на участках сердечника вне центральной зоны перемагничивания сердечНика. На сердечнике по всей его длине размещена размагничивающая обмотка, соединенная с генератором экспоненциально затухающего высокочастотного тока размагничивания сердечника. Этот генератор синхронизирован от источника знакопеременных импульсов тока включается в моменты окончания импульсов тока) 21,Однако известные способ и устройство не обеспечивают необходимой точности измерения и сложны в реализации.Цель изобретения - повышение точности измерения.Указанная цель достигается тем, 20 что в способе, включающем намагничивание сердечника до состояния. насыщения, размагничивание его до установившегося магнитного состояния, повторное, чо в противоположном направлении, намагничивание сердечника до состояния насыщения и повторное размагничивание его до установившегося магнитного состояния, выходной сигнал феррозонда интегрируют, фиксируют установившиеся уровни полученного сигнала для каждого из четырех установившихся магнитных состояний сердечника, суммируют два зафиксированные уровня сигнала, соответствующие состоянием намагниченного сердечника, два зафиксированные уровня сигнала, соответствующие состояниям размагниченного сердечника, находят разность полученных суммарных значений сигнала и по величинеи полярности разностного сигнала судят о величине и направлении измеряемого поля.Причем устройство для осуществления способа, содержащее феррозонд и связанный с ним источник знакопере менных импульсов тока, снабжено также интегрирующим усилителем, подключенным к выходу феррозонда,дифференциальным усилителем и двумя управляемыми сумматорами соединенными сиг нальными входами с выходом интегрирующего усилителя, управляющими входами - с упомянутым источником, а выходами - со входами дифференциального усилителя, при, этом выход одного из управляемых сумматоров соединен со входом интегрирующего усилителя а выход дифференциального усилителя - с дополнительным входом феррозонда.При этом каждый из управляемых сумматоров выполнен в виде четырех 60 управляемых ключевых элементов, соединенных в мостовую схему, два противоположных выхода которой соединены через конденсатор, а два других со входом и выходом сумматора относитель 65 но шины нулевого потенциала, причемпараллельно выходу сумматора включенвторой конденсатор, а управляющие входы накрест лежащих ключевых элементов попарно объединены.На фиг. 1 изображена структурнаясхема устройства для измерения магнитного поля; на фиг. 2 - принципиальная электрическая .схема управляемогосумматора; на фиг. 3 - схема подключения дифференциального феррозонда,"на фиг. 4 - временная диаграмма токаперемагничивания на фиг. 5 - временГные диаграммы работы устройства.Устройство содержит феррозонд 1с обмотками перемагничивания 2, компенсации 3 и сигнальной 4, соединенный с источником 5 знакопеременныхимпульсов тока, а выход феррозонда1 подключен к интегрирующему усилителю б,Выход интегрирующего усилителя6 соединен с сигнальными входамиуправляемых сумматоров 7,7-1, дополнительные управляющие входы которыхсвязаны с источником 5. Выходы управляемых сумматоров 7 соединены сразнополярными входами дифференциального усилителя 8. Выход 9 является выходом устройства и может бытьнепосредственно подключен к регистрирующему прибору, или ко входу системы дистанционной передачи данных,Выход управляемого сумматора 7соединен со входом интегрирующегоусилителя б. Соединение осуществлено через согласующий элемент 10.Кроме этого, показано также целесообразное соединение выхода дифФеренциального усилителя 8 обмоткойкомпенсации 3 феррозонда 1,Управляемый сумматор 7 содержитчетыре управляемых ключевых элемента 11 (в данном случае полевые транзисторы), соединенные в мостовую схему.В диагональ моста включен коммутируемый конденсатор 12. Два свободныхвывода моста образуют сигнальныйвход. 13 и выход 14 сумматора, причемна выходе сумматора включен накопительный конденсатор 15. Входы управления (затворы полевых транзисторов)накрест лежащих ключевых элементовпбпарно объединены и образуют управляющие входы 16 и 17 управляемогосумматора.Дифференциальный феррозонд (фиг. 3)выполнен на двух стержневых сердечниках с дифференциальной обмоткойперемагничивания 2, обмоткой компенсации. 3, сигнальной обмоткой 4,Устройство работает следующимобразом.На сердечник феррозонда 1 (Фиг. 1)воздействует знакопеременное полетока на входе обмотки перемагничивания 2 и измеряемое поле. Временнаядиаграмма 18 тока показана на Фиг. 4,В каждый из интервалов времени си40 60Так как упомянутое соотношение сигнала и помехи всегда более выгодно в случае применения дифференциальных ферроэондов, применение последних предпочтительно, но должно соразмерять ходе интегрирующего усилителя, можетнарушить режим его работы и, в общемслучае, требует применения специальных мер балансировки усилителя, зачас-.тую не обладающих необходимой эффективностью.Для устранения данного недостаткадостаточно произвести подачу напряжения Ц или О на вход интегрирующего усилителя. Например, показаннойна фиг. 1 связью выхода сумматора 7через согласующее устройство 10(инвертирующий усилитель) с положительным входом интегрирующего усилителя б обеспечивается точная привязка выходного сигнала интегрирующегоусилителя к нулю измерительнойсхемы 15по уровню О постоянного напряжения.Из полученного выражения для выходного сигнала устройства видно, чтонестабильность по усилению интегрирующего усилителя б и дифференциального усилителя 8 непосредственноотражается на результатах измерений,особенно при точных измерениях широкого диапазона магнитных полей,для чего .весь измерительный трактохватывают цепью дополнительной обратной связи. Выходной сигнал устройства в этом случае в виде пропорционального тока поступает в обмотку компенсации 3. С помощью данной обратной связи осуществляется З 0приемлемый в предлагаемом устройстве,известный режим автокомпенсацииизмеряемого поля полем тока в обмотке компенсации, за счет чего исключается влияние нестабильности коэффициентов передачи активных элементовустройства на результаты измеренийв широком диапазоне измеряемого поля.Работа устройства по фиг. 1 вслучае применения дифференциальногоферрозонда по фиг. 3 аналогичнавышеизложенной. Представив дифференциальный феррозонд как два одноэлементных феррозонда, встречно включенных по входу перемагничивания исогласно по остальным цепям (см,фиг. 3), нетрудно убедиться, что различия сводится к иному количественному соотношению между полезным сигналом и помехой. В качестве помехи . ф 0и в данном случае рассматриваютсяуровни сигнала е и е 3, пропорциональные потоку насыщения, и составляющие уровней е, и е 4, пропорциональ-,ные остаточной индукции сердечника, 55а в качестве полезного сигнала - составляющие уровней е и е, пропорциональные измеряемому магнитному потоку в сердечнике. ся с повышенной сложностью их реализации и задачами измерения. Формула изобретенияСпособ измерения магнитного поля, включающий намагничивание сердечника до состояния насыщения, размагничивание его до установившегося магнитного, состояния, повторное, но впротивоположном направлении, намагничивание сердечника до состояниянасыщения и повторное размагничивание его до установившегося магнитногосостояния, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точности измерения, выходной сигнал феррозонда интегрируют, фиксируют установившиеся уровни полученного сигналадля каждого из четырех установившихся магнитных состояний сердечника,суммируют два зафиксированные уровнясигнала, соответствующие состояниямнамагниченного сердечника, два зафиксированные уровня сигнала, соответствующие состояниям размагниченногосердечника, находят разность полученных суммарных значений сигнала ипо величине и полярности разностногосигнала судят о величине и направлении измеряемого поля.2. Устройство для реализации способа пои. 1, содержащее феррозонд исвязанный с ним источник знакопеременных импульсов тока, о т л и ч аю щ е е с я тЕм, что оно снабженоинтегрирующим усилителем, подключенным к выходу феррозонда, дифференциальным усилителем и двумя управляемымисумматорами, соединенными сигнальнымивходами с выходом интегрирующего усилителя, управляющими входами - с упомянутым источником, а выходами - совходами дифференциального усилителя,при этом выход одного из управляемыхсумматоров соединен со входом интегрирующего усилителя, а выход дифференциального усилителя вс дополнительным входом феррозонда,3. Устройство по п, 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что каждый изуправляемых сумматоров выполнен ввиде. четырех управляемых ключевыхэлементов, соединенных в мостовуюсхему, два противоположных выводакоторой соединены черезконденсатор,а два других со входом и выходом сумматора относительно шины нулевогопотенциала, причем параллельно выходусумматора включен второй конденсатор,а управляющие входы накрест лежащихключевых элементов попарно объединены.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Афанасьев Ю.В. Феррозонды. Л.,"Энергия", 1969, с. 10-34.2. Авторское свидетельство СССРР 629516, кл. 6 01 В 33/00, 1975.