ЦИФРОВОЙ ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР
DIGITAL FERRO-PROBE MAGNETOMETER

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для измерения трех ортогональных компонент вектора индукции магнитного поля.
Известен цифровой феррозондовый магнитометр [RU 2316781 С1, МПК G01R 33/02, опубл. 10.02.2008], содержащий задающий генератор, формирователь синусоиды, выход которого соединен с первыми входами феррозондов, выходы которых соединены с входами избирательных усилителей, цифроаналоговые преобразователи, логический блок и устройства выборки-хранения, первые входы которых соединены с выходами избирательных усилителей, первые выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей, вторые выходы соединены со вторыми входами феррозондов. Первый выход логического блока управления соединен с входом источника питания, второй выход соединен со вторыми входами устройств выборки-хранения, третий выход соединен со вторыми входами аналого-цифровых преобразователей. Вход логического блока управления соединен с выходом задающего генератора. Каждый канал магнитометра охвачен глубокой отрицательной обратной связью по магнитному полю.
Это устройство обеспечивает низкую точность и скорость измерения компонент вектора индукции магнитного поля, обладает структурной сложностью и, в связи с этим, низкой надежностью работы.
Известен цифровой феррозондовый магнитометр [RU 2503025 С2, МПК G01R 33/02 (2006.01), опубл. 27.12.2013], содержащий задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока, выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех избирательных усилителей, выходы которых соединены с входами трех устройств выборки-хранения, первые выходы которых соединены со вторыми входами трех феррозондов. Входы трех мультиплексоров и трех инверторов соединены с третьими выходами трех устройств выборки-хранения, а выходы соединены со вторыми входами трех мультиплексоров, первые входы которых соединены со вторыми выходами трех устройств выборки-хранения, а выходы соединены с входами трех аналого-цифровых преобразователей.
Для выделения напряжения второй гармоники из общего спектра сигнала, поступающего с измерительных обмоток феррозондов, использованы избирательные усилители с конечным коэффициентом подавления нечетных гармоник и с частотой резонанса, отличной от частоты второй гармоники, что уменьшает точность измерений вследствие погрешностей их элементной базы.
Наиболее близким, принятым за прототип, является цифровой феррозондовый магнитометр [RU 2455656 С1, МПК G01R 33/02 (2006.01), опубл. 10.07.2012], содержащий избирательный усилитель, выход которого соединен с первым входом устройства выборки-хранения, второй вход которого соединен с третьим выходом логического блока управления, а первый выход соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с четвертым выходом логического блока управления, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а первый выход соединен со входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами феррозондов, три регистра и мультиплексор, первый вход которого соединен с выходом первого феррозонда, второй вход соединен с выходом второго феррозонда, третий вход соединен с выходом третьего феррозонда, четвертый вход соединен со вторым выходом устройства выборки-хранения, первый выход соединен со вторым входом первого феррозонда, второй выход соединен со вторым входом второго феррозонда, третий выход соединен со вторым входом третьего феррозонда, четвертый выход соединен с входом избирательного усилителя, пятый вход соединен со вторым выходом логического блока управления, пятый выход которого соединен со вторым входом первого регистра, шестой выход соединен со вторым входом второго регистра, седьмой выход соединен со вторым входом третьего регистра, первый вход которого соединен с первыми входами первого и второго регистров и с выходом аналого-цифрового преобразователя.
Это устройство обладает низкой скоростью измерений из-за использования мультиплексора. Кроме этого, использование избирательного усилителя с конечным коэффициентом подавления нечетных гармоник и с частотой резонанса отличной от частоты второй гармоники для выделения напряжения второй гармоники из общего спектра сигнала обеспечивает низкую точность измерений из-за погрешностей элементной базы избирательного усилителя.
Технический результат предложенного изобретения заключается в увеличении точности измерений трех ортогональных компонент вектора индукции магнитного поля, повышении скорости измерений и надежности работы.
Цифровой феррозондовый магнитометр, также как в прототипе, содержит три феррозонда и аналого-цифровой преобразователь.
Согласно изобретению к цифро-аналоговому преобразователю подключен усилитель тока, который соединен с тремя феррозондами, каждый из которых через нормирующий усилитель соединен с трехканальным аналого-цифровым преобразователем, который связан с микроконтроллером, который соединен с цифро-аналоговым преобразователем.
Предложенный цифровой феррозондовый магнитометра позволяет возбудить феррозонды сигналом сложной формы, содержащем в своем спектре первые три нечетных гармоники, равные по амплитуде, реализовать измерения мгновенных значений напряжений с выходов феррозондов и использовать принцип синхронного детектирования для первых трех четных гармоник, позволяет увеличить точность измерений компонент вектора индукции магнитного поля и повысить скорость измерений. Использование цифро-аналогового преобразователя, трехканального аналого-цифрового преобразователя и микроконтроллера позволило упростить схему, что повысило надежность работы устройства.
На фиг.1 представлена структурная схема цифрового феррозондового магнитометра.
Цифровой феррозондовый магнитометр содержит цифро-аналоговый преобразователь 1 (ЦАП), к выходу которого подсоединен усилитель тока 2 (УТ), который подключен ко входам первого 3 (ФЗ1), второго 4 (ФЗ2) и третьего 5 (ФЗ3) феррозондов. Выход первого феррозонда 3 (ФЗ1) через первый нормирующий усилитель 6 (НУ1) соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя 7 (АЦП). Выход второго феррозонда 4 (ФЗ2) через второй нормирующий усилитель 8 (НУ2) соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя 7 (АЦП). Выход третьего феррозонда 5 (ФЗ3) через третий нормирующий усилитель 9 (НУЗ) соединен с третьим входом аналого-цифрового преобразователя 7 (АЦП). Аналого-цифровой преобразователь 7 (АЦП) через интерфейс подсоединен к микроконтроллеру 10 (МК), который через интерфейс соединен с цифро-аналоговым преобразователем 1 (ЦАП).
В качестве цифро-аналогового преобразователя 1 (ЦАП) может быть использован любой, 14-битный цифро-аналоговый преобразователь с частотой дискретизации не менее чем в 100 раз больше частоты возбуждения феррозондов 3 (ФЗ1), 4 (ФЗ2), 5 (ФЗ3). Усилитель тока 2 (УТ) может быть реализован по типовой схеме эмиттерного повторителя напряжения. В качестве феррозондов 3 (ФЗ1), 4 (ФЗ2), 5 (ФЗ3) могут быть использованы любые дифференциальные феррозондовые преобразователи, например Mag-01Н. Нормирующие усилители 6 (НУ1), 8 (НУ2), 9 (НУЗ) могут быть реализованы на любых операционных усилителях с программируемым коэффициентом усиления, например, PGA207. В качестве аналого-цифрового преобразователя 7 (АЦП) может быть использован любой трехканальный 14-битный аналого-цифровой преобразователь с дифференциальными входами с частотой дискретизации не менее, чем в 100 раз больше частоты возбуждения феррозондов 3 (ФЗ1), 4 (ФЗ2), 5 (ФЗ3). Может быть использован любой 32-битный микроконтроллер 10 (МК), например, AT32UC3A0512.
Цифровой феррозондовый магнитометр работает следующим образом. Микроконтроллер 10 (МК) через интерфейс устанавливает выходные параметры цифро-аналогового преобразователя 1 (ЦАП): амплитуду напряжения, частоту напряжения, форму сигнала. На выходе цифро-аналогового преобразователя 1 (ЦАП) после усилителя тока 2 (УТ) сигнал имеет форму:
U(t)=Usin[(ω+3ω+5ω)t],
где
U - амплитуда, В;
ω - частота, рад/с;
t - время, с.
Ф1
Ф2
Ф3
Ф1
Ф2
Ф3
Фl
Ф2
Ф3
Данный сигнал поступает на обмотки возбуждения феррозондов 3 (ФЗ1), 4 (ФЗ2), 5 (ФЗ3). Феррозонды 3 (ФЗ1), 4 (ФЗ2), 5 (ФЗ3) преобразуют воздействующий на них внешний сигнал (проекцию вектора индукции магнитного поля на их продольные оси) в напряжения переменного тока U(t), U{t), U(t) соответственно, содержащие четные гармоники частоты сигнала возбуждения 2ω, 4ω, 6ω. Амплитуды четных гармоник в этих напряжениях пропорциональны значению индукции магнитного поля, а фаза изменяется на 180° при изменении направления вектора индукции поля на 180°. В напряжениях U(t), U{t), U(t) присутствует также помеха, соответствующая нечетным гармоникам. Сигналы с выходов феррозондов 3 (ФЗ1), 4 (ФЗ2), 5 (ФЗ3) усиливают нормирующими усилителями 6 (НУ1), 8 (НУ2), 9 (НУЗ) соответственно, оцифровывают аналого-цифровым преобразователем 7 (АЦП) и через интерфейс передают в микроконтроллер 10 (МК). В микроконтроллере 10 (МК) каждое оцифрованное напряжение U(t), U(t), U{t) умножают на цифровые последовательности, реализующие следующие аналоговые сигналы:
c1
0
U(t)=Usin(2ωt);
c2
0
U(t)=Usin(4ωt);
c3
0
U(t)=Usin(6ωt).
Ф1
Ф2
Ф3
Фl
Ф2
Ф3
Тем самым реализуя принцип синхронного детектирования четных гармоник с 1-ой по 3-ию. В результате умножения для каждого напряжения U(t), U(t), U(t) получают на частоте ω=0 три синфазных составляющих, пропорциональных четным гармоникам с 1-ой по 3-ью. Для каждого напряжения U(t), U(t), U(t) синфазные составляющие суммируются микроконтроллером. Результат суммирования пропорционален соответствующей компоненте вектора индукции магнитного поля.