УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО НЕОДНОРОДНОГО ПОСТОЯННОГО ИЛИ МЕНЯЮЩЕГОСЯ ВО ВРЕМЕНИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
INSTRUMENT FOR MEASUREMENT OF SPATIALLY INHOMOGENEOUS CONSTANT OR TIME-VARYING MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения параметров магнитных полей, и может быть использовано при регистрации исходных данных, необходимых для построения диаграммы распределения пространственно неоднородного магнитного поля.
Известно устройство [1] для сканирования магнитных полей, реализующее способ, основанный на измерении магнитного поля поочередно в количестве точек плоскости посредством последовательно соединенной матрицы чувствительных элементов, включающей N феррозондов, с последующей обработкой измеряемых напряжений с помощью электронно-вычислительной машины. Элементы устройства представлены в виде матрицы и имеют проводное соединение, возможность измерения ограничивается только периодическими магнитными полями без возможности определения направления поля.
Известен способ топографии магнитного поля, реализованный в устройстве [2], который основан на измерении магнитного поля одновременно в большом количестве точек плоскости посредством матричной регулярной структуры из столбцов и строк взаимосвязанных элементов, расположенных на полупроводниковой пластине. Ограничением реализованного в устройстве способа является возможность измерения магнитного поля в плоскости, где магнитные силовые линии должны быть направлены перпендикулярно плоскости полупроводниковой пластины, причем расстояние между элементами строго фиксировано и не может быть изменено в процессе эксплуатации.
Существует способ [3] измерения распределения векторной функции магнитной индукции периодически изменяющего во времени поля в любых точках исследуемого пространства для произвольно выбранных моментов времени на периоде, основанный на последовательных поступательных и угловых перемещениях рабочего магнитоизмерительного органа, выполненного в виде ортогонально ориентированных в пространстве контуров, а также на представлении исследуемого объема совокупностью параллельных сечений, распределения магнитной индукции в которых получают посредством применения процедуры вычислительной томографии к индуцируемым напряжениям. Однако указанный способ ориентирован на измерения исключительно периодических во времени магнитных полей, при этом конечное значение магнитного поля в точке пространства определяется в результате ресурсоемких вычислений, основанных на методах вычислительной томографии, требующих наличие данных, полученных при измерении поля в нескольких сечениях исследуемого пространства.
Наиболее близким к заявленному является устройство [4] для измерения и топографии магнитных полей рассеивания вблизи поверхности объекта исследования, в котором используется один трехкомпонентный датчик Холла, перемещаемый вдоль заданной траектории с помощью измерительной штанги относительно объекта измерения посредством блока механических перемещений с поворотным столиком и подвижными каретками, приводимыми в движение шаговыми двигателями. Фиксируемые датчиком данные подвергаются статистической обработке в измерительно-вычислительном блоке. Недостатком устройства являются функциональные ограничения, а именно возможность получения данных для построения распределений магнитных полей не изменяющихся во времени, кроме того, при регистрации поля требуется значительное время на перемещение датчика вдоль заданной пространственно траектории.
Результат изобретения - это многоканальное устройство измерения пространственно неоднородного магнитного поля, состоящее из однотипных независимых интеллектуальных модулей измерительных каналов (ИМИК), имеющих беспроводную оптическую связь с блоком управления, регистрации и обработки (БУРО), количество и пространственное местоположение ИМИК не оказывают влияние на процесс функционирования устройства, при этом задаются исходя из условий конкретной задачи измерения и регистрации распределения магнитного поля, обладающего пространственной неоднородностью и являющегося постоянным или меняющимся во времени.
Устройство состоит из М независимых ИМИК, оптического приемопередатчика 8, блока согласования 9 и электронно-вычислительной машины (ЭВМ) 10 (фиг.), которая является БУРО. Каждый из ИМИК включает в свой состав датчик магнитного поля 1, преобразователь 2, элемент идентификации 3, блок управления 4, элемент памяти 5, оптический приемопередатчик 6 и автономный источник питания 7.
Датчик магнитного поля 1, являющийся трехкомпонентным датчиком Холла, формирует аналоговые электрические сигналы, эквивалентные значению трех составляющих вектора индукции магнитного поля. Преобразователь 2 осуществляет предварительную обработку каждого аналогового сигнала и включает в свой состав элемент коммутации и аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), посредством которого формируется цифровой код. При обмене в качестве индивидуального адреса ИМИК используется уникальный код элемента идентификации 3.
Беспроводная связь позволяет исключить элемент коммутации многоканального устройства, характеристики которого накладывают ограничения на максимальное количество измерительных каналов. Применение оптической связи позволяет снизить искажения, вносимые измерительным устройством на регистрируемое магнитное поле, вследствие отсутствия соединительных проводов, выполняющих косвенную функцию передающей антенны сигнала помехи. Каждый ИМИК обладает уникальным адресом, что позволяет выполнить конфигурирование, настройку и управление измерительного канала в индивидуальном порядке, а также ИМИК присваивается ряд групповых адресов для реализации режимов синхронной работы каналов за счет использования команд, включающих групповые адреса. ИМИК содержит в своем составе автономный источник питания, что позволяет снизить погрешность измерения за счет уменьшения влияния сетевых наводок. Процесс функционирования ИМИК определяется входящим в состав измерительного канала блоком управления, работающим в соответствии с заданной программой.
Таким образом, цель изобретения снижение влияния помех при измерении магнитного поля за счет использования оптической связи, применения автономных источников питания, а также повышение функциональности измерительного устройства за счет возможности наращивания количества измерительных каналов до заданного исходя из условий конкретной задачи с возможностью размещения измерительных каналов и задания индивидуальных значений параметров опроса магнитного поля (частота, количество отсчетов, точность преобразования) в конкретных точках пространства, где требуется проводить измерение магнитного поля.
Работа устройства начинается с этапа конфигурирования, в ходе которого ЭВМ 10 через согласующее устройство 9 и оптические приемопередатчики 6, 8 отправляет блоку управления 4 каждого ИМИК параметры конфигурирования измерительных каналов с целью назначения принадлежности канала к группе измерительных каналов, задания точности путем выбора используемого количества разрядов кода АЦП, количества отсчетов в серии наблюдений, частоту опроса АЦП.
Для регистрации распределения магнитного поля ЭВМ 10 через согласующее устройство 9 и оптические приемопередатчики 6, 8 передает групповую команду «начать измерение», которая поступает на блок управления 4 каждого ИМИК, после чего блок управления 4 выполняет регистрацию сигнала, поступающего с датчиком магнитного поля 1 через преобразователь 2. Регистрируемый сигнал в виде кода записывается в блок памяти 5. Длительность регистрации сигнала определяется исходя из заданного количества отсчетов в серии наблюдений и частоты опроса АЦП.
По завершению регистрации распределения магнитного поля ЭВМ 10 осуществляет последовательный опрос ИМИК, в ходе которого каждый из ИМИК передает на ЭВМ коды, хранимые в блоке памяти.
Текущий уровень развития науки и техники позволяет при практической реализации ИМИК использовать микроконтроллер, который включает в свой состав аппаратные модули мультиплексора, АЦП и блок памяти, программную реализацию элемента идентификации канала и алгоритмов работы блока управления. Функциональные возможности устройства могут быть расширены за счет использования специального программного обеспечения микроконтроллеров ИМИК, реализующих, например, алгоритмы контроля питающего напряжения, коррекции показаний датчиков поля, адаптивной подстройки параметров оптической связи.
Одной из задач, требующей использование предлагаемого устройства, является контроль пространственного распределения магнитных полей, используемых при комплексной магнитотерапии, где на основе зафиксированного распределения магнитного поля принимается решение о необходимости коррекции параметров воздействия на пациента с учетом его антропометрических и прочих индивидуальных особенностей.
Таким образом, предложенное устройство позволяет выполнить регистрацию распределения неоднородного в пространстве, постоянного либо меняющегося во времени магнитного поля за счет использования множества однотипных ИМИК, осуществляющих обмен данными посредствам оптического канала связи, причем количество и местоположения ИМИК заданных в рамках конкретной задачи измерения и регистрации магнитного поля, не повлияют на функциональность устройства, то есть не приведут к изменению алгоритма процесса управления устройством.
Литература
1. Патент SU 1762282 A1, кл. G01R 33/02, 1992.
2. Патент SU 1652951 А1, кл. G01R 33/02, 1991.
3. Патент RU 2463620 С1, кл. G01R 33/02, 2012.
4. Патент SU 1684761 А1, кл. G01R 33/06, 1991.