Устройство для регистрации статических петель гистерезиса

(594 С 01 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИН АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(46) 07.09.86. Бюл. В 33 (71) Омский политехнический институт (72) Р.В.Селезнев, В.А.ахнин, Н.В.Зажирко и А.В.Журов(56) 1,Соловьев Г.А.Арифметические устройства ЭВМ. - М;: Энергия, 1978, э 5,6.2. Авторское свидетельство СССР В 1032427, кл. С 05 В 13/02, 981.3. Авторское .свидетельство СССР У 813443, кл, С 06 Р 13/32, 978.4. Авторское свидетельство СССР В 875320, кл. С О К 33/4, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СТАТИЧЕСКИХ ПЕТЕЛЬ ГИСТЕРЕЭИСА (57) Изобретение относится к средствам магнитных измерений и может быть использовано для определения магнитных характеристик ферромагнетиков в условиях внешних случайных шумов. Целью изобретения является повышение точности регистрации статических петель гестерезиса. Для этого в,8012559 4 А устройство, содержащее генератор 1,линейно изменяющегося напряжения,блок квантования 2 по времени, блоквычитания 3, блок намагничивания 4,намагничивающую обмотку 5, эталонныйрезистор 6, измерительную обмотку 7,регистрирующий прибор 1 О, введеныинтегратор 8 и блок коррекции 9.Блок коррекции содержит два аналогоцифровых преобразователя, запоминающий блок, блок предварительного оценивания, блок вычисления отношенияприращений магнитного потока и напряженности поля, блок оптимальнойкалмановской фильтрации, коммутирующий блок, блок экстраполяции приращения напряженности намагничивающего поля, блок вычитания, буферныйрегистр, Использование в устройстве блока коррекции, выполняющегооптимальную фильтрацию по алгориму Калмана, а также формирующегосигнал коррекции для стабилизациирежима измерения позволяет повыситьточность измерений. 1 з.п.ф-лы,2 ил.1 1255Изобретение относится к срецствам магнитных измерений и может быть использовано для определения магнитных характеристик ферромагнетиков в условиях внешних случайных шумов, 5Цель изобретения - повьппение точности регистрации статических петель гистерезиса.На фиг. и 2 показано предлагаемое устройство.Устройство (фиг.11 содержит генератор 1 линейно изменяющегося напряжения, блок 2 квантования по времени, блок 3 вычитания, блок 4 намагничивания, намагничивающую обмотку 5, эталонный резистор 6, измерительную обмотку 7, интегратор 8, блок 9 коррекции, регистрирующий прибор 10, причем генератор 1, блок 2 квантова. ния, блок 3 вычитания, блок 4 намагничивания намагничивающая обмотка 5 и эталонный резистор 6 соединены последовательно, вход интегратора 8 соединен с измерительной обмоткой а его выход - с первым входом блока 9 коррекции, второй вход которого подключен к эталонному резистору 6, а третий вход - к выходу блока 2 квантования, первый и второй выходы блока 9 коррекции соединены с первым и вторым входами регистрирующего прибора 10, а третий выход подключен к второму входу блока 3 вычитания.Блок 9 коррекции ( фиг.2) содержит два аналого-цифровых преобразователя 11 и 12, запоминающий блок 13, блок 14 предварительного оценивания, блок 15 вычисления отношения приращений магнитного потока и напряженности поля, блок 16 оптимальной калма 40 новскои фильтрации р коммутирующии блок 17, блок 18 экстраполяции приращения напряженности намагничивающего поля, блок 19 вычитания, буферный45 регистр 20, причем входы аналого-цифровых преобразователей 11 и 12, вы - полненные в виде АЦП двойного интегрирования, являются первым и вторым входами блока 9 коррекции, а выходы соединены с первым и вторым входами запоминающего блока 13, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами блока 14 предварительного оценивания и с первым и третьим входами блока 16 оптимальной калмановСкой фильтрации,первый и второй выходы блока 14 предварительного оценивания соединены сгде х. в , отсчеты входного сигнала 1 у - выходной сигнал; - количество отсчетов входного сигнала хПо другому каналу блока 14 предварительного оценивания реализуется следующая зависимость между сигналами на входе и вь 3 ходе: иУ = - , (х. - ш),2 и1=2(2) где х.22 т- отсчеты входного сигнала; - выходной сигнал;- постоянное смещение результатов измерений.Блок 15 вычисления отношения приращений магнитного потока и напряженности поля реализует следующую зависимость между входным и выходным,сигналами: х 2 х,(3) сигнал на втором входеблока 15 вычисления отно-" ГДЕ Х 2 шенин;сигнал на первом входе;сигнад на выходе. х,974 2первым и вторым входами блока5 вычисления отношения,а его выход соединен с вторым входом блока 16 оптимальной калмановской фильтрации, четвертый вход которого является третьим входом блока 9 коррекции, а первый и второй выходы соединены с первым и вторым входами коммутирующего блока 17 и являются также первым и вторым выходами блока 9 коррекции, первый выход коммутирующего устройства 17 соединен с первым входом блока 19 вычитания, а второй выход соединен с входом блока 8 экстраполяции, выход которого соединен с вторым входом блока 19 вычитания соединенного последовательно с буфернымрегистром 20, выход которого является третьим выходом блока 9 коррекции.Блок 14 предварительного оценивания двухканальный. По одному каналу блока 14 предварительного оценивания реализуется следующая зависимость между сигналами на входе и вЫходе;г)С ,1 Я. АК:, 6)А ЧГЛ 1,3.й где 1, ,с 3, - априорная дисперсияГоцениваемого параметра;А,Р - постоянные заданныевеличины.Коммутирующий блок 17 реализует следующую зависимость между входным и выходным сигналами: О и сЗ 3,)1 3 1255974Блок 14 предварительного оценивания и блок 15 вычисления отношения приращений магнитного потока и напряженности поля реализуется в виде арифметического блока 113 .5Блок 16 оптимальной калмановской фильтрации выполнен двухканальным 2 , Второй канал блока 16 оптимальной калмановской фильтрации имеет дополнительный вход, на который 1 О подается сигнал, соответствующий статической ошибке измерительного устройства. Усилитель с переменным коэффициентом К во втором канале имеет отличие от представленного в 15 2 1 в том,что коэффициент усилителя К зависит не только от номера отсчета Е фильтруемого сигнала 1-го приращения магнитного потока, но и от номера 1 приращения магнитного потока.Блок 16 оптимальной калмановской Фильтрации по одному каналу реализует следующую зависимость между сигналами на входе и выходе; 25 4Ч - сигнал на первом выходе блока 6 оптимальной калмановской фильтрации, полученный на предыдущем шаге вычислений;К - переменный коэффициент усиления, определяемый в соответствии с равенствомсигнал на втором выходе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации 16; сигнал на втором выходе блока оптимальной калманавской фильтрации, полученный на предыдущем шаге вычисле 35 ний;сигнал на третьем входе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации. х 40Блок 16 оптимальной калмановской фильтрации по другому каналу реализует следующую зависимость между входным и выходным сигналами: У=МУ +й Х +К 1 Х +Х -И(НУ +Их 1115) где У - сигнал на первом выходе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации;х х - сигналы соответственно на 50,3 Упервом и четвертом входахблока 16 оптимальной калмановской фильтрации,х - сигнал с внутреннего источника блока 16 оптимальной 55калмановской фильтрации; Ю,Я ,М - постоянные заданные величины;где У - вьгходной сигнал блока 18 экстраполяции, причем коэффициенты А, А , А , х где У. , У - сигналы йа первом и вто"ф 2ром выходах коммутирующего блока;х ,хх - сигналы на входе коммутирующего блока на-м,-1-м, -2-м этапах перемагничивания,Коммутирующий блок 17 представляет собой управляемый от дешифратораключ и объединенный с ним по входурегистр сдвига, имеющие раздельныевыходы и тактируемые от генераторатактовых импульсов, причем дешифра- .тор угравляется счетчиком импульсов.Выход ключа является первым выходом коммутирующего блока 17, а выходрегистра сдвига - вторым выходом.Блок 18 экстраполяции представляет собой последовательно соединенные арифметическое устройство изтрех секций интегральных схем, описанное в 113 и устройство вычисления экстраполируемого параметра,аналогичное описанному в31,Блок 18 экстраполяции реализуетследующую зависимость между сигналами на выходе и входе:У=А х+А, х+А, (8);,с (а-Ь) (а-с) (а-Ь) (Ъ-с) (а-с) (Ь-с) 5х (с-Ь)+с = 2 (с-Ь),а,Ь,с,у ,уу - сигналы на входе блока 18 экстраполяции, снимаемые со второго выхода коммутнрукюцего блока,Блок 19 вычитания реализует следующую зависимость между сигналами на входе и выходе: 1 о ух-х 2 2 у ф х- х 1 2при п 3; при п =3,(10) где У - сигнал на выходе блока 19вычитания,Щх - сигнал на втором входе бло 2ка 19 вычитания на данномэтапе перемагничивания(2.-е приращение напряженности намагничивающего поля);х - сигнал на втором входе бло 2,ка 19 вычитания на предыдущем этапе перемагничивания(1-1 - приращение напряженности намагничивающего поля)Блок 19 вычитания выполнен аналогично описанным в 1 .Буферный регистр 20 выполняет Функцию хранения информации, сигнал 55 на выходе его появится лишь в тот момент, когда на выходе блока 2 квантования по времени будет форми 5 12559вычисляются в арифметичес-,ком устройстве блока 18экстраполяции по заданномуалгоритму, исходя иэ значений сигналов, снимаемыхсо второго выхода коммутирующего блока 17,Алгоритм работы блока 18 экстраполяции задается следующими выражениями 1 О 74 Ьроваться следующая ступень напряжения.Устройство для регистрации петельгистерезиса работает следующим образом,На первом этапе - сигнал с генератора 1 линейно изменяющегося напряжения поступает на вход блока 2 кван.тования по времени, На выходе блока2 квантования формируется перваяступень напряжения: 11 Т 1 при Т ( Т,где Т - длительность цикла перемагничивания; Т - период квантования.Ступень напряжения 11 Т посту -пает на первый вход блока 3 вычитания. Сигнал, поступающий на второйвход блока 3 вычитания, с выхода блока 9 коррекции в этот момент равеннулю. Поэтому сигнал на выходе блока 3 вычитания равен Н с Т= Л 11 .При помощи блока 4 намагничивания инамагничивающей обмотки 5 происходит перемагничивание испытуемогообразца. При этом в измерительнойобмотке 7 наводится импульс ЭДС, поступающий на вход интегратора 8, навыходе которого сигнал соответствуетпервому приращению магнитного потока:г (с) = А Ч, (с) + у + ч(с),(11)где А - коэффициент, характеризующий измерительную систему;у - постоянное смещение результатов измерений;Ч (с) - шум измерений;Р(С) - величина первого прнращения магнитного потока.Сигнал Е, (с) поступает на первыйвход блока 9 коррекции, который является входом аналого-цифрового преобразователя 11, на выходе которогореализуется последовательностьсигналаЕ, (с = А, с, + у + Ч с,поступающая на первый вход запоминающего блока 13,Одновременно с сигналом Е (с)9,на второй вход блока 9 коррекции,являющийся входом аналого-цифрового преобразователя 12, поступаетсигнал с эталонного резистора 6,соответствующий первому приращениюнапряженности намагничивающего поля:Е (с) = Н (с) +)с, (12)где Н (с) - первое приращение напряженности намагничивающего поля;ц 3(С) - шум измерений.7 12559С выхода аналого-цифрового преобразователя 12 последовательность сигнала 2 с,3= Н с " + .)(; поступает на второй нход запоминающего блока 13. 5На первом выходе блока 14 предварительного оценивания реализуется сигнал(14) 25 30 35 40 У - сигнал, снимаемый с внут-,реннего источника блока 16 оптимальной калманонской фильтрации; ЧС С ) - переходный коэфФициенткф к-состояния, определяемыйпараметрами системы иинтервалом д(. съема данных измерений:дС 55(15) где Ь - постоянное смещение результатов измерения;ш - количество отсчетов сигнала 2(Г С хранящихся в запоминающем блоке 3.На втором ныходе блока 14 предва рительного оценивания реализуется сигнал 1дн =-Е 2 Е 1,н, к где )ч - количество отсчетон сигнала 2, хранящихся в1запоминающем блоке 13.1Сигналы дЧ, и ьН с перного и второго выходов блока 4 предварительного оценивания одновременно поступают соответственно на первый и второй входы блока 15 вычисления отношения, на выходе которого появляется сигналдРКдНпоступающий на второй вход блока 16 оптимальной калмановской фильтрации.На третий и первый входы блока 16 оптимальной калмановской фильтрации поступают соответственно сигналы Е Си Е С 1 с второн, кго и первого выходов запоминающего блока 3. Одновременно с ними на четвертый вход блока 16 оптимальной калманонской фильтрации поступает сигнал О с выхода блока 2 кнанто 1вания.На втором выходе блока 16 опти-, мальной калмановской фильтрации получают сигнал, представляющий собой оптимальную оценку первогоприращения напряженности намагничивающего поля:дй Стз=дй,с,з кс э. 74 8где ьН, С ,1 - оценка первого приращения напряженностинамагничивающего поля, полученная напредыдущем шаге;К Т ) - переменный коэффициент усиления;Е1 ) - сигнал на третьеми, квходе блока 16 оптимальной калманонскойфильтрации 16, соответствующий К-му измерению первого приращения напряженности намагничивающего поля.На первом выходе блока 16 оптимальной калмановской фильтрации получают сигнал, представляющий собой оптимальную оценку первого приращения магнитного потока:ллд.Р,3 =Ч 11,2 ьР Н,)+Ь 1 3,(Й)К,)(Х у-А 1" (ч(,) ьЯ)),)(16) гдедф С , - оценка первого приращения магнитного потока, полученная на предыдущем шаге;сигнал на четвертомвходе блока 16 опти;)мальной калмановскойфильтрации, соответствующий первому приращению нходного напряжения, поступающий свыхода блока 2 квантования;сигнал на первом входеблока оптимальной калмановской фильтрации,соответствующий К-муизмерению первого при"ращения магнитного потока, 9 1- коэффициент при детерминированном входном воздействии.Сигналы дЙ, 1 и дР, 1:с выхода блока 16 оптимальной калмановской фильтрации подаются на соответствующие входы регистрирующего прибора 10,Одновременно эти сигналы дЙ ( 1 1л Ки Ь + С 3 с выхода блока 16 поступают на вход коммутирующего блока1, ключ которого, управляемый дешифратором, открывается и передаетэту последовательность на первыйвход блока 19 вычитания. Одновременно производится запись сигнала в регистр сдвига коммутирующего блока17, работающий в режиме записи иимеющий поэтому на выходе нулевойсигнал, На выходе блока 18 экстраполяции также нулевой сигнал, Навыходе блока 19 вычитанияработающего в соответствии с формулой (10),сигнал коррекции при этом также равен нулю.С выхода блока 19 вычитания сигнал Ь Ь Н = 0 подается на первыййвход буАерного регистра 20, гдехранится до того момента времени,когда на выходе блока 2 квантованиябудет Формироваться следующая ступень напряжения. В момент Формирования следующей ступени напряженияна выходе блока 2 квантования сигналдАН поступает на второй вход блока3 вычитания.Второй этап, Поступающий на пер-вый вход блока 3 вычитания сигналвторой ступени напряжения П (2 Т 1суммируется с сигналом дд Н, поступающим на второй вход блока 3 вычи.тания, и на выходе блока 3 вычитания сигнал равен 1.1 Г 2 Т 1 + адН = 02 Т,1 + О =ф Б Е 2 Т 1.Далее, процесс продолжается также, как на первом этапе перемагничивания. На выходе блока 16 оптимальной калмановской Фильтрации получают последовательность сигнав д Нс , ь 9 Й , которая пос тупает на вход коммутирующего блогка 17. На первом выходе коммутирующего блока 17 получают последовател ность ЬЙ с 3, дР с, которая поступает на первйй вход блока 19 вычитания. На втором выходе комму 25597 Ч 10тирующего блока 17 сигнал равен нулю.Поэтому, на выходе блока 19 вычитания согласно Аормуле (10), сигналкоррекции Ь Ь Н равен нулю. Следова.3тельно, также как и на первом этапеперемагничивания, сигнал на выходебуферного, регистра 20 в момент формирования на выходе блока 2 квантования третьей ступени напряжения 10 равен нулю.Третий этап. Одновременно с поступлением сигнала ЬЬН на второй3вход блока 3 вычитания, на его первый вход поступает сигнал, представ ляющий собой третью ступень напряжения, 03 Т 1.Сигнал на выходе блока3 вычитания равен.013 Т,) +дь Н = У 3 Т 1 + О 20 . = 11 3 Т 1. (17)Происходит дальнейшее перемагничивание испытуемого образца. На выходе блока 16 оптимальной калмановс кой Аильтрации получают последовательность Ь Й, ЬР 11, которая поступает на вход коммутирующегоустройства 17 При этом ключ, управляемый дешиАратором, закрьвается, а 30 регистр сдвига переводится из режимазаписи инАормации в режим считыванияи на вход блока 18 экст апгляциипроходит последовательность сигналовл л лдН Е 1,1;Ь 1,С 1,); дН,Г),дР,С 1);3 кЪ кЭта последовательность сигналовиспользуется сначала для вычисления 40коэффициентов А , А , А , х согласоф 1 ф Зфно формуле ( 9 ),Й Ы,1; .- й, ;= д 6, к,1;45а =ЬСР, ) , Ь =ьРт ) 1кффь к) фа затем для формирования на выходеблока 18 экстраполяции сигналадН = А х + А х + А посту 4 Х 1 о фпающего на второй вход блока 19 вычитания. На выходе блока 19 вычитания Аормиоуется сигнал ддН =4= ЬН - д Й ( 1 который записываеткся в буйерный регистр 20 и хранитсятам до Формирования четвертой ступени напряжения на выходе блока 2 квантования.Четвертый этап. Одновременно сподачей на первый вход блока 3 вы 1255читания сигнала четвертой ступенинапряжения 11 4 Т , на второй входблока 3 вычитания подается сигналаьН и на выходе блока 3 вычита 4ния формируется сигнал У 4 Т+ьдН4Происходит дальнейшее перемагничивание образца. На последующих этапахперемагничивания работа устройствааналогична работе на третьем этапе. Так, на пятом этапе на выходе Облока 19 вычитания формируется сигнал коррекции ььН = ьЯ - ьН, происк 5 лходит корректировка пятого приращения напряжения и т.д.Таким образом, наряду с регистрацией зависимости Р = 1(Н) для испытуемого образца, обеспечивается стабилизация условий перемагничиванияОР = сопз,Использование в устройстве для 20регистрации статических петель гистерезиса блока коррекции, выполняющего оптимальную фильтрацию по алгоритму Калмана, преобразованного вцифровую форму зашуменного полезного 25сигнала, а. также формирующего сигналкоррекции для стабилизации режима измерения позволяет, повыситьточность измерений по сравнению сизвестным устройством4от1 30до " 0,0157,Формула изобретения1. Устройство для регистрации 35 статических петель гистерезиса, содержащее последовательно соединенные генератор линейно изменяющегося напряжения, блок квантования по времени, блок вычитания, блок намагничивания, 40 намагничивающую обмотку и эталонный резистор, а также измерительную обмотку и регистрирующий прибор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения точности регистрации 45 статических петель гистерезиса, в него введены. интегратор и блок коррекции, причем вход интегратора подключен к измерительной обмотке, а выход - к первому входу блока коррек ции, второй вход которого подключен 974 12к эталонному резистору, третий вход к выходу блока квантования по времени, первый и второй выходы подключены к первому и второму входам регистрирующего прибора, третий выход подключен к второму входу блока вычитания.2, Устройство по п.1, о т л и ч а-. ю щ е е с я тем, что блок коррекции выполнен в виде двух аналогоцифровых преобразователей, запоминающего блока, блока предварительного оценивания, блока вычисления отношения приращений магнитного потока и напряженности поля, блока оптимальной калмановской фильтрации, коммутирующего блока, блока экстраполяции приращения напряженности намагничивающего поля, блока вычитания и буферного регистра, причем входы аналого-цифровых преобразователей соединены с первым и вторым входами блока коррекции, а выходы соединены с первым и вторым входами запоминающего блока, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами блока предварительного оценивания и с первым и вторым входами блока оптимальной калмановской фильтрации, первый и второй выходы блока предварительного оценивания соединены с первым и вторым входами блока вычисления отношения приращения магнитного потока и напряженности поля, а его выход соединен с третьим входом блока оптимальной калмановской фильтрации, четвертый вход которого соединен с третьим входом блока коррек-ции, а первый и второй выходы соединены с первым и вторым входами коммутирующего блока и соединейы также с первым и вторым выходами блока коррекции, первый выход коммутирующего блока соединен с первым входом блока 3вычитания, а второй выход соединен с входом блока экстраполяции приращения напряженности намагничивающего поля, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания, соединенного последовательно с буферНым регистром, выход которого соединен с третьим выходом блока коррекции.