МОНОБЛОЧНЫЙ ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР
MONOBLOCK FERROPROBE MAGNETOMETRE

Изобретение относится к магнитным измерениям, в частности к приборам, предназначенным для измерений компонент и полного вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ).
Известны магнитометры моноблочной конструкции [1-3], характеризуемые конструктивным совмещением трехкомпонентного магниточувствительного датчика и измерительно-преобразовательного устройства в едином конструктивном модульном исполнении (моноблоке) при обеспечении в них условия магнитной и электрической совместимости, исключающей их взаимное влияние. В подобных устройствах важным способом исключения магнитного влияния измерительно-преобразовательного устройства на магниточувствительный датчик является обеспечение минимально возможного содержания в измерительно-преобразовательном устройстве ферромагнитных элементов и материалов, искажающих измеряемое магнитное поле, а также снижение потребляемых токов, являющихся источниками электромагнитных помех. Способами эффективного устранения ферромагнитных масс в подобных устройствах является применение гибридно-пленочной и интегральной технологий, исключающих необходимость применения металлосодержащих корпусов и материалов. Применение микромощной элементной базы заметно снижает уровень магнитных помех от токопотребляемых цепей и нагрузок в моноблочном магнитометре.
Невозможность или сложность применения в подобных магнитометрах устройств аналого-цифрового преобразования и вычислительных микропроцессорных средств, требующих заметно большого потребляемого тока, сильно ограничивает функциональные возможности известных моноблочных магнитометров.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и выбранным в качестве прототипа является феррозондовый магнитометр [4], содержащий три феррозонда с взаимно ортогональными магнитными осями и последовательно соединенными выходными обмотками и обмотками возбуждения, соединенными с соответствующими выходами коммутируемого блока возбуждения, последовательно соединенные усилительно-преобразовательный блок, подключенный к выходной обмотке первого феррозонда и измерительно-преобразовательный блок, генератор, первый выход которого подключен к частотному входу коммутируемого блока возбуждения, второй (прямой) и третий (инверсный) - к входу управления демодулятора усилительно-преобразовательного блока, а четвертый и пятый - к входам управления измерительно-преобразовательного блока с первого по четвертый управляющие выходы которого подключены к соответствующим входам управления коммутируемого блока возбуждения.
С помощью данного устройства осуществляется измерение компонент и модуля вектора магнитной индукции.
Устройство работает следующим образом.
Генератор вырабатывает на первом выходе напряжение частотой, равной частоте возбуждения феррозондов, которое через коммутируемый блок возбуждения поступает поочередно в обмотки возбуждения соответствующих феррозондов. Переключение обмоток возбуждения и формирование сигналов возбуждения осуществляются коммутируемым блоком возбуждения, управляемого выходными управляющими сигналами измерительно-преобразовательного блока. Последовательность возбуждения феррозондов определяется последовательностью появления управляющих сигналов на соответствующих выходах измерительно-преобразовательного блока.
Измеряемая индукция магнитного поля, воздействуя одновременно на три феррозонда, вызывает появление напряжения полезного сигнала второй гармоники на выходной обмотке того феррозонда, на обмотку возбуждения которого в данное время подано напряжение. Поскольку выходные обмотки феррозондов включены последовательно, на вход усилительно-преобразовательного блока в данное время поступает напряжение полезного сигнала второй гармоники, амплитуда которого определяется составляющей (компонентой) вектора индукции магнитного поля, измеряемой соответствующим феррозондом. В усилительно-преобразовательном блоке напряжение усиливается на переменном токе, детектируется, усиливается на постоянном токе, а затем подается на выход усилительно-преобразовательного блока и выход обратной связи, создавая ток обратной связи в выходных обмотках феррозондов. С выхода усилительно-преобразовательного блока напряжение, пропорциональное соответствующей составляющей вектора индукции магнитного поля, поступает в измерительно-преобразовательный блок. С помощью обратной связи в возбужденном в данный момент феррозонде создается магнитное поле, компенсирующее соответствующую составляющую измеряемого магнитного поля.
Управление фазочувствительным демодулятором усилительно-преобразовательного блока осуществляется импульсами напряжения, подаваемого со второго (прямого) и третьего (инверсного) выходов генератора на входы управления усилительно-преобразовательного блока, а с помощью импульсов напряжений, подаваемых с четвертого и пятого выходов генератора на входы управления измерительно-преобразовательного блока, осуществляется синхронизация работы последнего и коммутируемого блока возбуждения.
После окончания переходного процесса, вызванного переключением обмоток возбуждения и воздействием внешнего поля на феррозонды, измерительно-преобразовательный блок, с момента появления сигнала признака окончания переходного процесса формируемого в этом же блоке, осуществляет процессы формирования кодовых эквивалентов компонент и модуля вектора индукции магнитного поля. В данном магнитометре в основу построения схемы измерительно-преобразовательного блока положен метод формирования неявных функций.
Мультиплексный режим работы измерительного канала и цепей возбуждения феррозондов и способ построения схемы обеспечивают простоту схемной реализации устройства и сравнительно малую потребляемую мощность. Однако при моноблочном исполнении магнитометра достаточно большой потребляемый ток измерительно-преобразовательного блока наводит в области размещения близко расположенных к нему феррозондов магнитное поле, тем самым сильно снижая помехозащищенность моноблочного магнитометра, заметно ухудшая его точностные характеристики, что в свою очередь ограничивает возможность применения подобных моноблочных магнитометров в технике прецизионных измерений. Кроме того, потребность решения большого круга задач, например геофизических и космических исследований, задач навигации и ориентации подвижных объектов в свою очередь вызывают потребность расширения функциональных возможностей магнитометра, например для определения угловых параметров, вычисления производных, контроля работы, коррекции инструментальных погрешностей и различного рода других задач магнитометрических измерений. Следовательно, другим недостатком известного магнитометра является низкий его функциональный ресурс.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого технического решения, является повышение точности и расширение функциональных возможностей моноблочного магнитометра.
Указанный результат достигается тем, что в моноблочный феррозондовый магнитометр, содержащий три феррозонда с взаимно ортогональными магнитными осями и последовательно соединенными выходными обмотками и обмотками возбуждения, соединенными с соответствующими выходами коммутируемого блока возбуждения, усилительно-преобразовательный блок, подключенный к выходной обмотке первого феррозонда, генератор, первый выход которого подключен к частотному входу коммутируемого блока возбуждения, причем усилительно-преобразовательный блок содержит последовательно соединенные избирательный усилитель, фазочувствительный демодулятор и интегратор, выход которого через резистор обратной связи подключен к входу выходной обмотки первого феррозонда, дополнительно введены микроЭВМ с аналоговым входом, подключенным к выходу усилительно-преобразовательного блока и входом управления режимом потребления тока, подключенным к первому управляющему выходу и устройство управления демодулятором, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам управления фазочувствительного демодулятора, первый и второй входы подключены соответственно ко второму и третьему выходам генератора, а третий вход подключен ко второму управляющему выходу микроЭВМ, вход тактовой частоты которой соединен с четвертым выходом генератора, а третий управляющий выход подключен к входу управления коммутируемого блока возбуждения.
На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого устройства, а на фиг.2 показаны временные диаграммы его работы.
Х
Y
Z
BX
BY
BZ
ИX
ИY
ИZ
Моноблочный магнитометр содержит три феррозонда 1, 2, 3 (Ф3, Ф3, Ф3) с взаимно ортогональными магнитными осями, состоящие каждый из сердечника 4, 5, 6, обмотки возбуждения 7 (W), 8(W), 9(W), соединенной с соответствующими выходами коммутируемого блока возбуждения 13 и выходной (измерительной) обмотки 10 (W), 11 (W), 12 (W), генератор 15, первый выход которого подключен к частотному входу коммутируемого блока возбуждения 13, усилительно-преобразовательный блок 14 (УПБ), подключенный к выходной обмотке 10 первого феррозонда 1 и содержащий последовательно соединенные избирательный усилитель 17, фазочувствительный демодулятор 18 и интегратор 19, выход которого через резистор обратной связи 20 подключен ко входу выходной обмотки 10 первого феррозонда 1, микроЭВМ 16, аналоговый вход которой подключен к выходу усилительно-преобразовательного блока 14, а вход управления режимом потребления тока подключен к ее первому управляющему выходу, устройство управления демодулятором 21, первый и второй выход которого подключены соответственно к первому и второму входам управления фазочувствительного демодулятора 18, первый и второй входы подключены соответственно к первому (прямому) и второму (инверсному) выходам генератора 15, а третий вход подключен ко второму управляющему выходу микроЭВМ 16, вход тактовой частоты которой соединен с четвертым выходом генератора 15, а третий (кодовый) управляющий выход подключен к входу управления коммутируемого блока возбуждения 13.
В предлагаемом устройстве введением микроЭВМ 16 осуществлено повышение его функциональных возможностей. В то же время микроЭВМ, как наиболее энергопотребляемое устройство, вынужденно расположенное вблизи феррозондов 1, 2, 3 в моноблочной конструкции прибора, является источником переменных электромагнитных помех, воздействующих на феррозонды. В данном случае исключается влияние этих помех реализацией принципа временного разделения процесса аналогового преобразования (с последующим запоминанием результата) и процессов аналого-цифрового преобразования и обработки сигналов в микроЭВМ 16. Причем процесс аналогового преобразования осуществляется при фиксированном или малом потреблении тока микроЭВМ 16, а процессы аналого-цифрового преобразования и обработки сигналов осуществляются в рабочем режиме потребления тока.
Устройство работает следующим образом.
ƒB
B
i
i
ƒB
X
Y
Y
Z
Z
Генератор 15 осуществляет синхронизацию работы всех узлов предлагаемого устройства. На четвертом его выходе формируется последовательность импульсов рабочей частоты микроЭВМ 16, подаваемых на ее вход тактовой частоты. На первом своем выходе генератор 15 вырабатывает напряжение U частотой ƒ, равной частоте возбуждения феррозондов 1-3, которое с первого выхода подается на частотный вход коммутируемого блока возбуждения 13. В нем осуществляется последовательное переключение обмоток возбуждения 7-9 феррозондов 1-3 и формирование импульсов сигналов возбуждения по мощности и форме. Управление коммутацией коммутируемого блока возбуждения 13 осуществляется выходным управляющим кодом N (i=x, y, z) микроЭВМ 16. При нулевом значении кода (N=0) с помощью коммутируемого блока возбуждения 13 осуществляется отключение подачи напряжения возбуждения во все обмотки возбуждения 7-9 феррозондов 1-3. Таким образом, напряжение U, пройдя через коммутируемый блок возбуждения 13, возбуждает поочередно феррозонды 1, 2, 3. Так, например, на интервале времени подачи кода N, фиг.2 возбуждается феррозонд 1 (ФЗХ), на интервале времени подачи кода N - феррозонд 2 (Ф3), а на интервале времени подачи кода N - феррозонд 3 (Ф3)
ƒB
ƒB
i
ƒB
Измеряемая индукция магнитного поля, воздействуя одновременно на три феррозонда 1-3, вызывает появление напряжения полезного сигнала частотой 2 на выходной обмотке того феррозонда, на обмотку возбуждения которого в данное время подано напряжение возбуждения U. Поскольку выходные обмотки 10-12 феррозондов 1-3 включены последовательно, на вход усилительно-преобразовательного блока 14 на интервале времени подачи кода N поступает напряжение второй гармоники (частотой 2), амплитуда которого пропорциональна соответствующей i-й составляющей результирующего вектора магнитной индукции, воздействующего на феррозонды.
i
2
2
1
2
B
B
14
X
0
2
Х
0
i
i
1
3
1
2
1
2
X
2
4
2
1
2
2
4
1
2
2
Х
1
3
4
Y
z
На каждом интервале присутствия кода N(i=x, y, z) УПБ 14 работает в двух режимах, задаваемых выходным управляющим сигналом С микроЭВМ 16. Первый режим - режим преобразования УПБ 14 осуществляется при подаче логического потенциала высокого уровня сигнала С с выхода микроЭВМ 16. В данном случае устройством управления демодулятором 21 (реализованного, например, с помощью двух логических элементов "и") разрешается прохождение выходных импульсов генератора 15 на входы управления фазочувствительного двухполупериодного демодулятора 18. С помощью ключей К К, противофазно управляемых в каждом полупериоде полезного сигнала, и дифференциального усилителя ДУ демодулятора 18 осуществляется фазочувствительное двухполупериодное выпрямление полезного сигнала на частоте второй гармоники сигнала возбуждения феррозондов (2ƒ). Таким образом, в режиме преобразования в УПБ 14 входное напряжение частотой 2ƒ усиливается на переменном токе избирательным усилителем 17, детектируется фазочувствительным демодулятором 18 и далее усиливается интегрированием на постоянном токе интегратором 19, а затем подается на выход и в обратную связь. Выходной сигнал с помощью сопротивления 20 (R) преобразуется в ток обратной связи, подаваемый в выходные обмотки 10-12 феррозондов 1-3. С помощью обратной связи в возбужденном в данный момент феррозонде создается магнитное поле, компенсирующее соответствующую составляющую воздействующего внешнего магнитного поля. На выходе УПБ 14 формируется напряжение U, равное на соответствующих интервалах времени напряжениям, пропорциональным соответствующим составляющим воздействующего на феррозонды 1, 2, 3 результирующего вектора магнитной индукции. На интервале присутствия кода N (фиг.2) таким интервалом является (t, t). В данном случае преобразование измеряемой компоненты В вектора индукции МПЗ на интервале времени (t, t) осуществляется с погрешностью, вызванной влиянием электромагнитных помех от наиболее энергопотребляемого источника помех, то есть от микроЭВМ 16. Подача высокопотенциального логического уровня сигнала C с первого управляющего выхода микроЭВМ 16 на ее вход управления режимом потребления тока переводит ее на интервале времени (t, t) в режим фиксированного постоянного или малого (микромощного) потребления тока по цепи питания, что приводит к исключению воздействия на феррозонды переменных помех. Следовательно, на интервале (t t) одновременного присутствия высокопотенциальных уровней сигналов C, С осуществляется преобразование компоненты Вх в напряжение U при отсутствии искажающих помех. Появлением на интервале времени (t, t) низкопотенциального уровня сигнала С на входе устройства управления демодулятором 21 осуществляется запрет прохождения выходных импульсов генератора 15 на входы управления демодулятора 18. В данном случае разомкнутое состояние ключей К К демодулятора 18 прекращает прохождение выходного напряжения избирательного усилителя 17 через дифференциальный усилитель (ДУ) на вход интегратора 19. Таким образом, в интеграторе 19 на интервале времени (t, t) хранится напряжение, являющееся результатом безпомехового преобразования на интервале времени (t, t). Следовательно, УПБ 14 с момента времени t из режима преобразования переходит в режим хранения результата преобразования компоненты В. С момента появления низкопотенциального уровня сигнала C в микроЭВМ 16 на интервале времени (t, t) осуществляется аналого-цифровое преобразование выходного напряжения УПБ 16, а затем запись его кодового эквивалента в память микроЭВМ 16 по адресу Nx. Процесс формирования кодовых эквивалентов результатов измерения на интервалах присутствия управляющих кодов N и N осуществляется аналогичным образом.
1
Результаты преобразования компонент могут содержать постоянные погрешности, вызванные влиянием постоянного тока потребления на интервалах присутствия сигналов C. Эти погрешности определяются известными способами при калибровке магнитометра, записываются в память микроЭВМ 16 и устраняются там же из результатов преобразования в процессе их цифровой обработки. По результатам измерения компонент в микроЭВМ 16 осуществляется также вычисление параметров вектора индукции МПЗ (модуль вектора индукции, углы ориентации, градиенты, производные и т.д.) функционально зависимых от измеряемых компонент, а также обмен данными с внешними потребителями через порты приема и передачи данных.
1
Режим фиксированного или малого постоянного потребления тока микроЭВМ, как известно, реализуется прерыванием ее основной работы и работы аналого-цифрового преобразователя, устройств внутреннего и внешнего интерфейса, то есть портов ввода и вывода данных и т.д. Неизменяемость их заданного состояния на интервалах появления сигналов C определяет постоянство энергопотребления на этих интервалах. В известных современных микроЭВМ или микроконтроллерах имеется возможность внешнего управления режимами потребления по специально предусмотренному для этого входу управления. В данном случае возможно существование также режима микромощного потребления, в котором достижимо уменьшение потребляемого тока микроЭВМ на несколько порядков по сравнению с рабочим режимом, что позволяет практически полностью исключить даже постоянные помехи.
Таким образом, предложенное устройство обеспечивает возможность его миниатюризации моноблочным исполнением конструкции, а также достигаются высокая точность магнитных измерений и широкие функциональные возможности эффективным использованием вычислительных средств микроЭВМ. Кроме того, расширяется возможность изготовления портативных переносных моноблочных магнитометров с автономным питанием.
Следовательно, предлагаемое изобретение, обладая новизной, полезностью и реализуемостью, может найти широкое применение в технике магнитных прецизионных измерений.
Литература
1. Материалы фирмы Applied Physics Systems. Three Axis Fluxgate Magnetometer. E-Mail:aps@appliedphysics.com/web:www, appliedphysics/Com/.
2. Материалы фирмы Bartington Instruments. Fluxgate Magnetometer for Aerospace Applications. Mag-03MRN Three Axis Fluxgate Magnetometer. http:/www.bartington. Com/mag 033.htm.
3. Схоменко A.H., Соборов Г.И., Линко Ю.Р. Магнитометр аналоговый МА-3 для ориентации подводного аппарата. VII Междунар. Научно-техническая конференция «Современные методы и средства океанологических исследований». Материалы конференции. РАН НИИ специального машиностроения МГТУ им. Н.Э.Баумана. М., 2001.
4. Патент на изобретение РФ №2153682. Феррозондовый магнитометр. 7 G01R 33/02, 1998.