Способ измерения магнитного поля и устройство для его осуществления

Союз Советски кСоцналистнческикРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 900228(51)М. Кл. 6 01 й 33/06 3 Ъеударстеенный камитет СССР ао делам нзабретенкй и вткрытнй(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУШЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к измерительной технике и может быть использованопри измерении магнитных полей, напримерпри воздействии поля на биологическиеобъекты, в также при измерении весьмаслабых магнитных полей при диагностике,магнитного состояния организма, разведке полезных ископаемых,Известен способ измерения магнитного поля и устройство для его реализации,представляющее собой датчик Холла, накоторый воздействуют измеряемым магнитным полем при одновременном пропусканин через токовые электроды датчикаэлектрического тока и съема информативного напряжения с Холловских электродов.Из-за несовершенства технологии изготовления датчиков Холла и вследствиеспецифики распределения электрическогополя в неидеально чистом полупроводникенв его выходных зажимах (Холловскихэлектродах) при отсутствии магнитногополя появляется напряжение неэквипотен" цивльности, возникновение которого объ-ясняется следующим образом. При пропускании тока через токовые электродыдатчика Холла на пластине последнегообразуется падение напряжения, которое 5 вызывает появление электрического поля. внутри пластины. Конфигурация эквипотенциальных линий этого поля являетсясложной функцией состава полупроводникового материала, технологии его обра0 ботки, условий крепления и эксплуатации,поэтому не удается закрепить ХолловскиЬэлектроды точно на одной и той же эквипотенциальной линии. Поскольку потенциалы обоих выводов не равны между т 5собой и зависят от многих причин, напряжение неэквипотенцивльным присутствуетпрактически всегда и изменяется по случайному закону, что приводит к недопустимому возрастанию аддитивной погрешности (погрешности измерений).Особенностью известного способа является то, что напряжение неэквипотенпчальности компенсируется изменениемпотенциала одного из холловских электродов. Датчик Холла в этом случае может быть представлен в виде эквивалентного резисторного моста, поэтому известный способ компенсации заключается в урав новешивании мостовой схемы с помощьювключенного в выходную цепь датчика резистивного регулируемого делителя напряжения, который питается от вспомогательного источника, Регулирование 10 осуществляют до момента достижения условного нулевого значения выходного сигнала схемы1Недостатком 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 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- ю рением информативного напряжения на токовых электродах и дальнейшим суммированием напряжений, снятых с токовых и холловских электродов. Данный способ позволяет исключить аддитивную погреш ность, вызванную наличием ЭДС неэквивалентности. Устройство дпя реализации этого способа содержит датчик Холла, источник питания, подключенный к токовым и хол 50 ловским электродам датчика через коммутатор, и измерительный усилитель, входные зажимы которого подключены к выходу коМмутатора, а выходные - ко входам измерительного прибора2 ,Недостатком способа является повышение мультипликативной погрешности вследствие неравномерного и неодинакового нагрева датчика при протекании большого токапитания по токовым и холловским электродам, имеющим разное конструктивноеи технологическое выполнение,Цель изобретения - снижение мультипликативной погрешности измерений,Поставленная цель достигается тем,что согласно способу измерения магнитного ноля, заключающемуся в пропуска.нии тока через токовые и холловскиеэлектроды датчика Холла, помещенного визмеряемое 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 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 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 снизитьмультипликативную погрешность устройства, вызванную неравномерностью и нестационарностью нагрева различных участков датчика Холла.Дпя реализации способа снимают паде ния 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 1 О 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 20 по числу участков между холловскими электродами, первичные обмотки 2, которые подключены параллельно участкам между смежными электродами, Вторичные обмотки 3 всех трансформаторов соедине 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- зО 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 45 резисторного нелинейного сумматора.Оба входа блока 12 сравнения соединены с детекторами максимального значения, выделяющими положительную полярность напряжения по одному из входов50 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 вычитание55 напряжений, полученных на выходах обоих детекторов, Блок 12 сравнения одним входом подклюен к выходу усилителя 11, а другим - к цепи 7. Выход блока 12 сравнения являетсявыходом устройства. В качестве генератора вспомогательного тока используетсяперестраиваемый генератор, частота которого устанавливается примерно в 10 разбольшей частоты тока питания датчикаХолла, проходящего через его токовыеэлектроды 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 черезучастки датчика Холла, заключенные между каждым из токовых электродов и смежными с ними холловскими электродамипротекает электрический ток, значениекоторого 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 6, 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 рядность напряжений. Это напрямсение, рявпоо напря 900228жению неэквипотенциальности, поступаетна ыод разделительной пепи 7, предназначенной для выделения информативнойсоставляющей полезного сигнала от неинформативной, представляющей собой напряженне наводок от цепи источника питания датчика 1,При помещении датчика 1 в измеряемое магнитное поле и поступлении напря 1жения питания на токовые электроды 20 1 Ов датчике 1 индуцируется напряжение,которое снимается с холловских электродов 10. Это напряжение подается на усилитель 11, усиливается в нем и затемпоступает на вход блока 12 сравнения, 15а 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, Однако25 сравнениемежду собой разночастотных напряжений потребовало введениеупомянутого выше диода, После выпрямления с помощью выпрямительных диодов 13 и 15 и конденсаторов 14 и 16, напряжение, пред- ЗО ставляющее 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 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 висящий от различных условий работыдатчика 1 при изменении возмущающихвоздействий.Изобретение позволяет снизить мультипликативную погрешность измерения,обусловленную различными условиями температурных режимов на различных участках датчика Холла,Формула изобретения1. Способ измерения магнитного поляпутем пропускания тока через токовые ихолловские электроды датчика Холла, помещенного в измеряемое магнитное поле,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью снижения мультипликативной погрешности измерения, обусловленной различными температурными режимами работы электродов датчика, через участкидатчика, заключенные между каждым изтоковых электродов и смежными с нимхолловскими электродами, пропускаютвспомогательный ток и сравнивают междусобой напряжения между каждым иэ холловских электродов и смежными с нимитоковыми электродами.2. Устройство для осуществления способа по п. 2, содержащее датчик Холла,источник питании, подключенный к токовым электродам датчика, измерительныйусилитель, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что в него введены блок сравнения, дополнительный источник питания и две пары трансформаторов, первичные обмоткикоторых подключены параллельно участкам между смежными электродами, вторичные обмотки этих трансформаторовсоединены последовательно между собойи источником вспомогательного тока, аиндуктивно связанные с первичной обмоткой дополнительные обмотки всех трансформаторов и обе пары между собой включены встречно, причем выход обмотокподведен к первому входу блока сравнения, второй вход которого через упомянутый усилитель соединен с выходом холловских электродов.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Панчишин Ю, М., Усатенко С. Т.Измерения переменных магнитных колец,Киев, фТехникаф, 1973.2, Авторское свидетельство СССРМ 328786, кл, О 01 Й 33/06, 1.972.990228 Составитель Г. СеменоваТехред А, Бабинец Корректс тец . Редактор Н. Бобк Подписноенного комитета СССРений и открытий5, Раушская наб., д. 4/5 3 Тираж 718ВНИИПИ Государствепо делам изобр113035, Москва, Ж аказ 12176/6 ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,