ЦИФРОВОЙ ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР
DIGITAL FERROPROBE MAGNETOMETER

Изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам и может быть использовано для измерения трех ортогональных компонент вектора индукции магнитного поля Земли и выдачи сигналов, пропорциональных измеренным компонентам в виде цифрового кода.
Известно устройство для измерения напряженности магнитного поля по RU 2155968 C2 от 10.09.2000 г., МКИ G01R 33/02, содержащее генератор прямоугольных импульсов, феррозонд с сердечником, выполненным из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, к выходной обмотке которого подключен интегратор. Выход интегратора соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом порогового блока. Первый логический элемент И последовательно соединен с первым реверсивным счетчиком импульсов, цифроаналоговым преобразователем, управляемым источником тока, ключом и обмоткой возбуждения феррозонда. Второй вход первого реверсивного счетчика импульсов и первый вход первого логического элемента И соединены с выходом порогового блока, также в устройство введены второй логический элемент И и второй реверсивный счетчик импульсов. Выход генератора подключен к первым входам второго логического элемента И и второго реверсивного счетчика импульсов, выход второго логического элемента И подключен к вторым входам первого логического элемента И, второго реверсивного счетчика импульсов и ключа, третий вход второго реверсивного счетчика импульсов присоединен к выходу первого реверсивного счетчика импульсов, а выход - ко второму входу второго логического элемента.
Недостатком данного устройства является, несмотря на дополнительные элемент И и реверсивный счетчик, сложная схема преобразования и отсутствие возможности настройки нуля для измерения абсолютного значения компонент вектора индукции магнитного поля.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является феррозондовый магнитометр по RU 2316781 С1, 10.02.2008, МПК G01R 33/02, включающий в себя задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока, первый выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех устройств выборки-хранения, выходы которых соединены с входами трех аналого-цифровых преобразователей. Этот феррозондовый магнитометр выбран в качестве прототипа.
Недостатком данного магнитометра является погрешность измерения магнитного поля, обусловленная наличием трех раздельных измерительных каналов.
Задачей настоящего изобретения являются повышение точности и стабильности измерения за счет введения мультиплексора, увеличение надежности и снижение стоимости устройства за счет замены трех измерительных каналов одним.
Для решения поставленной задачи в цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий избирательный усилитель 6 (ИУ), выход которого соединен с первым входом устройства выборки-хранения 7 (УВХ), второй вход которого соединен с третьим выходом логического блока 12 управления (ЛБУ), а первый выход соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП), второй вход которого соединен с четвертым выходом логического блока 12 управления, вход которого соединен с выходом задающего генератора 13 (ЗГ), а первый выход соединен со входом формирователя 1 синусоиды (ФС), выход которого соединен с первыми входами феррозондов 2, 3, 4, введены три регистра 9, 10, 11 и мультиплексор 5 (М), первый вход которого соединен с выходом первого феррозонда 2 (ФЗ-Х), второй вход соединен с выходом второго феррозонда 3 (ФЗ-Y), третий вход соединен с выходом третьего феррозонда 4 (ФЗ-Z), четвертый вход соединен со вторым выходом устройства выборки-хранения 7, первый выход соединен со вторым входом первого феррозонда 2, второй выход соединен со вторым входом второго феррозонда 3, третий выход соединен со вторым входом третьего феррозонда 4, четвертый выход соединен с входом избирательного усилителя 6, пятый вход соединен со вторым выходом логического блока 12 управления, пятый выход которого соединен со вторым входом первого регистра 9 (Рх), шестой выход соединен со вторым входом второго регистра 10 (Рy), седьмой выход соединен со вторым входом третьего регистра 11 (Pz), первый вход которого соединен с первыми входами первого и второго регистров и с выходом аналого-цифрового преобразователя 8.
Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.2 - принципиальная схема измерительного канала цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.3 - эпюры напряжений схемы цифрового феррозондового магнитометра.
Цифровой феррозондовый магнитометр состоит из формирователя 1 синусоиды, феррозондов 2, 3, 4, избирательного усилителя 6, устройства выборки-хранения 7, аналого-цифрового преобразователя 8, регистров 9, 10, 11, логического блока 12 управления и задающего генератора 13.
Устройство работает следующим образом.
пep
Измерение трех компонент вектора индукции магнитного поля производится поочередно. Выходные обмотки феррозондов ФЗ-Х, ФЗ-У и ФЗ-Z подключаются к измерительному каналу с помощью мультиплексора 5. Частота с задающего генератора 13 поступает на логический блок 12 управления, в котором формируются сетки частот, поступающие на формирователь 1 синусоиды и на управление мультиплексором 5, устройством выборки хранения 7, аналого-цифровым преобразователем 8 и регистром 9. В формирователе 1 синусоиды цифровым способом формируется синусоидальное напряжение Uв с частотой fв=10 кГц, которое подается на обмотку возбуждения феррозонда 2. Феррозонд 2 преобразовывает воздействующий на него внешний сигнал (проекцию вектора индукции магнитного поля на его продольную ось) в ЭДС переменного тока, содержащую четные гармоники частоты сигнала возбуждения. Амплитуда этой ЭДС пропорциональна значению вектора индукции магнитного поля, а фаза изменяется на π радиан при изменении направления вектора индукции магнитного поля на 180°. В выходной ЭДС феррозонда 2 присутствует также помеха, имеющая в спектре нечетные гармоники. Напряжение Uф с выходной обмотки феррозонда 2 подается на вход мультиплексора 5, а мультиплексор поочередно, в моменты времени t, подключает выходные обмотки феррозондов 2,3 и 4 ко входу избирательного усилителя 6.
На фиг.2 показана принципиальная схема аналоговых ключей мультиплексора 5, избирательного усилителя 6, логического блока 12 управления, устройства выборки-хранения 7 и аналого-цифрового преобразователя 8. Избирательный усилитель 6 предназначен для выделения из общего спектра сигнала, поступающего с измерительной обмотки феррозонда 2, напряжения второй гармоники и усиления его до требуемого значения. Коэффициент усиления на резонансной частоте (fp=20 кГц) - Кр=5000. Полоса пропускания - 2Δf=1800 Гц. Коэффициент передачи на частотах первой и третьей гармоник частоты возбуждения феррозонда 2 не более 30 и 10 соответственно.
Таким образом, избирательным усилителем 6 из выходной ЭДС феррозонда 2 выделяется вторая гармоника 2fв=20 кГц, которая усиливается до необходимого значения и подается на устройство выборки-хранения 7.
С помощью логического блока 12 управления в устройстве выборки-хранения 7 один раз за три периода Ux происходит запоминание определенного значения Ux, пропорционального компоненте Х индукции магнитного поля. Постоянное напряжение Uyвx-X с выхода устройства выборки-хранения 7 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 8, где преобразуется в цифровой код Nx, пропорциональный проекции вектора компоненты Х индукции магнитного поля. С выхода аналого-цифрового преобразователя 8 цифровой код Nx поступает на вход регистра Рх, где запоминается и подается на выход устройства.
Каналы Y и Z работают по аналогичному алгоритму с поочередным подключением измерительного канала к соответствующим феррозондам ФЗ-Y и ФЗ-Z и записью выходного кода в соответствующие регистры Рy и Pz.
Таким образом, в предложенном устройстве, содержащем мультиплексор, преобразование выходных напряжений феррозондов ФЗ-Х, ФЗ-У и ФЗ-Z в цифровые коды производится поочередно, с помощью одного измерительного канала, состоящего из измерительного усилителя 6, устройства выборки-хранения 7 и аналого-цифрового преобразователя 8, а не трех, как в прототипе.
Момент запуска преобразования Uyвх в цифровой код задерживается на время Δt для исключения влияния переходных процессов.
Процессы формирования синусоиды, выборки-хранения и аналого-цифрового преобразования синхронизированы частотой генератора 13. Положение выборки на синусоиде Uф определяется логическим блоком 12 управления исходя из условия необходимой крутизны выходной характеристики магнитометра.
Для стабилизации коэффициента передачи каждый канал охвачен цепью отрицательной обратной связи по полю. Сигнал отрицательной обратной связи берется с выхода устройств выборки-хранения 7 и поочередно подается через мультиплексор 5 на обмотки обратной связи феррозондов 2, 3 и 4.
Применение мультиплексора с одноканальной схемой измерения позволило существенно повысить точность измерения компонент вектора индукции магнитного поля, снизив ошибки преобразования, обусловленные наличием трех измерительных каналов, а так же снизить стоимость устройства, заменив три измерительных канала одним.
Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.
Выполнено электронное моделирование схемы устройства в среде пакета OrCAD 10.5. Результаты моделирования свидетельствуют о достижении поставленной задачи. ОАО «ИСС» предполагает использовать это техническое решение на штатных изделиях.