Частотометрическое устройство на базе феррозондового преобразователя
FREQUENCY-MEASURING DEVICE BASED ON FLUXGATE TRANSMITTER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области техники измерений параметров магнитного поля на основе феррозондового преобразователя и может применяться в системах управления и контроля, в которых в качестве диагностических параметров используются параметры магнитного поля.
Уровень техники
В известных устройствах для измерения напряженности магнитного поля используются различные чувствительные элементы, преобразующие величину напряженности в электрическую величину - ток или напряжение. Таким образом, ток или напряжение является полезным сигналом, несущим информацию о величине напряженности магнитного поля.
Использование частоты генерации в качестве полезного сигнала предпочтительнее тем, что современные цифровые частотомеры обеспечивают самые высокие среди всех измерительных приборов метрологические характеристики (точность и разрешающую способность); они работают в широком диапазоне значений измеряемых частот, обладают высоким быстродействием, надежны и просты в эксплуатации.
Возможность преобразования магнитного поля в частоту генерации существует, и это преобразование может быть обеспечено различными устройствами, использующими различные физические принципы.
Известен преобразователь (RU 2035808 С1) электрического напряжения в частоту, позволяющий производить измерения физических величин путем преобразования тока или напряжения датчика в частоту. Устройство дорогое, представляет собой сложную многослойную полупроводниковую структуру, для изготовления которой требуется специальное технологическое оборудование.
Известны устройства на основе ядерного магнитного резонанса, содержащие широкополосный усилитель, в положительную обратную связь которого включен магнитоперестраиваемый резонансный элемент. Для уменьшения относительной нестабильности генерации, например, в подобном устройстве (SU 292202 А1) в качестве резонансного элемента применен фильтр-селектор, в котором использовано рабочее вещество с расщеплением уровней в нулевом магнитном поле (например, рутил, бариевый феррит, рубин). Это сложные и дорогие устройства, относящиеся к области квантовой электроники.
Из работ Афанасьева Ю.В. известно, что в измерительных устройствах на базе феррозондовых преобразователей измеряемое магнитное поле влияет на частоту генератора, запитывающего обмотку возбуждения феррозонда. Таким образом, и в феррозондовых устройствах имеется возможность преобразования магнитного поля в частоту генерации.
Известны устройства на базе феррозондовых преобразователей, в которых запитка обмотки возбуждения феррозонда осуществляется от генератора, выполненного на логических элементах НЕ или И-НЕ (например, RU 2645840). В этом случае обмотка возбуждения фактически является элементом генератора, и частота его, естественно, зависит от величины измеряемой напряженности магнитного поля. Однако использовать частоту генератора в качестве полезного сигнала нецелесообразно. Это связано с тем, что, во-первых, величина изменения частоты под действием поля недостаточна, чтобы по ней судить о величине поля и, во-вторых, эта величина изменения не должна быть большой, так как нежелательно уходить далеко от рабочей частоты, которая указана в паспорте на феррозонд.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности является измерительное устройство RU 2690729, в котором обмотка возбуждения феррозонда запитывается модулированными прямоугольными импульсами. В этом случае измеряемое магнитное поле оказывает влияние на частоту заполнения, а частота модулирующего напряжения остается постоянной и соответствует паспортной частоте феррозонда. Данное устройство принято за прототип изобретения.
Недостаток прототипа - узкий диапазон изменения частоты в зависимости от изменений измеряемой напряженности магнитного поля. По этой причине прототип не предполагает использование частоты в качестве полезного сигнала, а измерительным прибором является стрелочный микроамперметр.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание устройства для измерения напряженности магнитного поля на базе феррозондового преобразователя, позволяющего эффективно использовать частоту генерации в качестве полезного сигнала.
Техническим результатом является создание частотометрического устройства на базе феррозондового преобразователя с улучшенными метрологическими показателями. Измерительным прибором становится цифровой частотомер.
Технический результат достигается за счет запитки обмотки возбуждения феррозонда модулированными прямоугольными импульсами напряжения. При такой запитке от величины измеряемой напряженности магнитного поля зависит только частота заполнения. Величина изменения частоты заполнения не критична для феррозонда и может быть расширена, так как паспортная частота, определяемая свойствами сердечника, соответствует частоте модулирующих импульсов, и сохраняется постоянной.
Расширение диапазона изменения частоты заполнения или, другими словами, увеличение информативности частоты (которая определяется как отношениегде: Δƒ - величина изменения частоты генератора; ΔН - величина изменения напряженности измеряемого магнитного поля, вызвавшего это изменение частоты Δƒ) достигается нестандартным использованием освободившейся выходной обмотки феррозонда в качестве элемента генератора импульсов заполнения. Увеличение информативности частоты заполнения позволяет эффективно использовать частоту в качестве полезного сигнала.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Дифференциальный феррозонд с обмотками:
L1 - обмотка возбуждения, состоящая из двух встречно намотанных половин L1' и L1'';
L2 - выходная обмотка;
L3 - компенсационная обмотка;
Н0 - измеряемое (внешнее) магнитное поле;
Н - магнитные поля, создаваемые каждой половиной обмотки возбуждения L1 и уравновешивающие друг друга при отсутствии внешнего магнитного поля Н0.
Фиг. 2. Схема запитки обмотки возбуждения феррозонда, в основе которой два генератора (генератор 1 и генератор 2).
Фиг. 3. Временные диаграммы напряжений и пояснения к ним.
Осуществление изобретения
В качестве чувствительного элемента используется стандартный дифференциальный феррозонд (фиг. 1).
Заявляемое измерительное устройство представлено схемой запитки обмотки возбуждения феррозонда, которая содержит следующие компоненты (фиг. 2).
1. Обмотка возбуждения феррозонда, состоящая из двух встречно намотанных половин L1' и L1''.
2. Соединительные конденсаторы С3, С4, через которые запитывается обмотка возбуждения феррозонда. Емкости конденсаторов определяются из условия обеспечения резонанса напряжений в последовательной цепи «соединительные конденсаторы - обмотка возбуждения феррозонда» на частоте модулирующего напряжения.
3. Генератор 1 (выполненный на трех элементах 2И-НЕ DD1.1-DD1.3 микросхемы 564ЛА7) - генератор однополярных модулирующих прямоугольных импульсов напряжения, частота которых настраивается с помощью резистора R1 на рабочую (паспортную) частоту, указанную в документации на феррозонд.
4. Генератор 2 (выполненный на трех элементах 2И-НЕ DD2.1-DD2.3 микросхемы 564ЛА7) - генератор однополярных прямоугольных импульсов, частота которых на порядки превышает паспортную частоту феррозонда и задается с помощью резистора R2. Генератор 2 формирует импульсы напряжения, которыми заполняются импульсы напряжения генератора 1. В цепь обратной связи генератора 2 включена выходная обмотка феррозонда. Частота импульсов генератора 2 (частота заполнения) зависит от измеряемой напряженности магнитного поля и используется в качестве полезного сигнала.
5. D-триггер, выполненный на трех элементах 2И-НЕ DD2.2, DD2.3, DD2.4 микросхемы 564ЛА7 (при этом элементы DD2.2 и DD2.3 являются одновременно и элементами генератора 2).
Временные диаграммы напряжений (без учета искажений) и пояснения к диаграммам приведены на фиг.3.
Вся схема, представленная на фиг. 2, выполнена на двух микросхемах 564ЛА7 2И-НЕ.
Принципиальной особенностью предлагаемого решения является девиация частоты импульсов напряжения, формируемых генератором 2 и заполняющих модулирующие импульсы генератора 1, в зависимости от амплитуды и направления вектора измеряемой напряженности магнитного поля. Включение выходной обмотки феррозонда в разрыв цепи генератора 2 между выходом элемента DD2.1 и входом элемента DD2.2 (фиг. 2) позволяет существенно увеличить девиацию частоты при изменении напряженности измеряемого магнитного поля. Увеличение девиации частоты, определяемое числом витков в выходной обмотке феррозонда, увеличивает чувствительность и обеспечивает способность устройства частотометрически различать изменения магнитного поля величиной порядка
Зависимая от измеряемой напряженности частота заполнения регистрируется частотомером, который может подключаться непосредственно к одному из выходов D-триггера (выход элемента DD2.3 или элемента DD2.4) или к выходу элемента DD2.2 (фиг. 2).
Предлагаемое устройство испытано на макетном образце. Эксперименты проводились с дифференциальным феррозондом (фиг. 1), состоящим из двух пермаллоевых сердечников и имеющим паспортную частоту 2 кГц, которая задается генератором 1. Число витков каждой половины обмотки возбуждения L1' и L1'' - по 200, провод диаметром 0,3 мм. Намотка однослойная виток к витку. Поверх двух сердечников с обмотками L1' и L1'' намотана выходная обмотка L2, число витков 2000, диаметр 0,1 мм. Намотка многослойная виток к витку. Компенсационная обмотка располагается поверх первых двух, диаметр 0,1 мм, число витков 500. Использование компенсационной обмотки - стандартное.
Емкость соединительных конденсаторов С3 и С4 на каждом выходе D-триггера 0,68 мкФ. Индуктивность обмотки возбуждения используемого феррозонда 0,01 Гн.
Частота генератора 2 порядка 20 кГц (при отсутствии внешнего магнитного поля).
Проведенные экспериментальные исследования говорят об эффективности предлагаемого решения. Полученное измерительное устройство характеризуется компактностью, малым потреблением энергии, не содержит сложных и дорогостоящих элементов и не требует тщательной настройки. Достаточная чувствительность устройства и удобство измерения позволяют использовать его в различных устройствах управления и контроля, в частности, для оперативного измерения силы резания при обработке на металлорежущем станке. Измерения могут производиться дистанционно и нет необходимости встраивания феррозонда в конструкцию, содержащую источник магнитного поля.
При этом, как и в случае использования традиционной схемы запитки, подготовка устройства к работе заключается в тарировании шкалы измерительного прибора (цифрового частотомера).