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 2155968C2 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, 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 2380718 C1, 27.01.2010, МПК: G01R 33/02, включающий в себя три измерительных резистора, первые выводы которых соединены с общей шиной, а вторые выводы соединены с входами схем температурной компенсации и со вторыми выходами феррозондов, первые выходы которых соединены с входами избирательных усилителей соответственно, выходы которых соединены с первыми входами устройств выборки-хранения, вторые входы которых соединены с вторыми выходами логического блока управления, третьи входы соединены с выходами схем температурной компенсации, а выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей, вторые входы которых соединены с третьим выходом логического блока, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а первый выход соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами феррозондов.
Этот феррозондовый магнитометр выбран в качестве прототипа.
Недостатком данного магнитометра является погрешность измерения, обусловленная изменением выходного напряжения формирователя синусоиды.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение погрешности измерения и снижение требований к параметрам формирователя синусоиды за счет компенсации погрешности, обусловленной изменением выходного напряжения формирователя синусоиды.
Для достижения поставленной задачи в цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий три измерительных резистора 16, 17, 18, первые выводы которых соединены с общей шиной 22, а вторые выводы соединены со вторыми входами схем температурной компенсации (СТК) 19, 20, 21 и со вторыми выходами феррозондов (ФЗ) 2, 3, 4, первые выходы которых соединены соответственно с входами избирательных усилителей (ИУ) 5, 6, 7, выходы которых соединены с первыми входами устройств выборки-хранения (УВХ) 8, 9, 10, вторые входы которых соединены с вторым выходом логического блока 14 управления (ЛБУ), третьи входы соединены с выходами схем температурной компенсации 19, 20, 21, а выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 11, 12, 13, вторые входы которых соединены с третьим выходом логического блока 14 управления, вход которого соединен с выходом задающего генератора (ЗГ) 15, а первый выход соединен с входом формирователя 1 синусоиды (ФС), выход которого соединен с первыми входами феррозондов 2, 3, 4, введены детектор (Д) 24 и делитель 23 напряжения (ДН), вход которого соединен с выходом формирователя 1 синусоиды, а выход соединен с входом детектора 24, выход которого соединен с первыми входами схем температурной компенсации 19, 20, 21.
Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.2 - принципиальная схема температурной компенсации и схема компенсации изменения выходного напряжения формирователя синусоиды.
Цифровой феррозондовый магнитометр состоит из формирователя 1 синусоиды, феррозондов 2, 3, 4, избирательных усилителей 5, 6, 7, устройств выборки-хранения 8, 9, 10, аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13, логического блока 14, задающего генератора 15, измерительных резисторов 16, 17, 18, схем температурной компенсации 19, 20, 21, общей шины 22, делителя напряжения 23 и детектора 24. Формирователь 1 синусоиды, логический блок 14, задающий генератор 15, делитель напряжения 23 и детектор 24 являются общими для всех трех измерительных каналов.
Устройство работает следующим образом.
Измерение трех компонент вектора индукции магнитного поля производится тремя независимыми каналами X, Y и Z. Все каналы выполнены по идентичным схемам. Рассмотрим работу одного канала. Частота с задающего генератора 15 поступает на логический блок 14, в котором формируются сетки частот, поступающие на формирователь 1 синусоиды и на управление устройством выборки хранения 8. В логическом блоке 14 также формируется сигнал для управления аналого-цифрового преобразователя 11. В формирователе 1 синусоиды цифровым способом формируется синусоидальное напряжение возбуждения Uв с частотой fв=10 кГц, которое подается на обмотку возбуждения феррозонда 2. Феррозонд преобразовывает воздействующий на него внешний сигнал (проекцию вектора индукции магнитного поля на его продольную ось) в э.д.с. переменного тока, содержащую четные гармоники частоты сигнала возбуждения. Амплитуда этой э.д.с. пропорциональна значению индукции магнитного поля, а фаза изменяется на π радиан при изменении направления вектора индукции поля на 180°. В выходной э.д.с. феррозонда присутствует также помеха, имеющая в спектре нечетные гармоники.
Избирательный усилитель 5 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 (fр=20 кГц)-Кр=5000. Полоса пропускания - 2Δf=1800 Гц. Коэффициент передачи на частотах первой и третьей гармоник частоты возбуждения феррозонда не более 30 и 10 соответственно.
Таким образом, избирательным усилителем 5 из выходной э.д.с. феррозонда 2 выделяется вторая гармоника 2fв=20 кГц, которая усиливается до значения Uф и затем подается на устройство выборки-хранения 8.
С помощью логического блока 14 управления в устройстве выборки-хранения 8 один раз за период происходит запоминание определенного значения Uф. Постоянное напряжение Uувх с выхода устройства выборки-хранения 8 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где преобразуется в цифровой код N=f(B), пропорциональный проекции вектора индукции магнитного поля. Процессы формирования синусоиды, выборки-хранения и аналого-цифрового преобразования синхронизированы частотой генератора 15.
Температурная компенсация осуществляется следующим образом.
16
16
Последовательно с входной обмоткой феррозонда 2 включен измерительный резистор 16. Напряжение U, падающее на измерительном резисторе 16, является функцией от температуры, т.к. при изменении температуры изменяется сопротивление входной обмотки феррозонда 2, т.е. перераспределяются падающие напряжения на входной обмотке феррозонда 2 и на измерительном резисторе 16. Напряжение U поступает на вход схемы температурной компенсации 19, где выпрямляется и усиливается до необходимой величины.
На выходе схемы температурной компенсации 19 появляется напряжение
стк
16
U=K·±ΔU,
где K - коэффициент передачи схемы температурной компенсации;
16
ΔU - величина температурного изменения напряжения на измерительном резисторе 16.
Одновременно с этим может изменяться выходное напряжение формирователя 1 синусоиды вследствие нестабильности параметров схемы формирователя 1 синусоиды. При этом изменяется напряжение на измерительном резисторе 16, внося дополнительную погрешность измерения.
Для уменьшения этой погрешности введена схема компенсации, состоящая из делителя напряжения 23 и амплитудного детектора 24.
Схема температурной компенсации 19 и схема компенсации изменения выходного напряжения формирователя 1 синусоиды приведены на фиг.2.
Схема компенсации работает следующим образом.
Вследствие изменения выходного напряжения формирователя 1 синусоиды вместе с изменением напряжения на измерительном резисторе 16 изменяется падение напряжения на резисторе Rд1 делителя 23, которое подается на отрицательный вход детектора 24. На выходе детектора 24 начинает изменяться напряжение:
24
24
23
U=K·U,
24
где K - коэффициент передачи детектора 24;
23
U - напряжение на выходе делителя 23.
24
24
Коэффициент K подбирается так, что изменение напряжения U компенсирует изменение напряжения на измерительном резисторе 16, вызванное изменением выходного напряжения формирователя 1 синусоиды. В нормальных условиях величина выходного напряжения детектора 24 устанавливается такой, чтобы напряжение на выходе схемы температурной компенсации 19 было равно нулю.
23
16
23
16
В результате, при изменении напряжения формирователя 1 синусоиды, изменяются напряжения U и U. Напряжение U после выпрямления детектором 24 с отрицательным знаком поступает на положительный вход схемы компенсации 19, изменяя выходное напряжение схемы компенсации 19 на величину, обратно пропорциональную изменению напряжения U, вызванного изменением выходного напряжения формирователя 1 синусоиды.
Таким образом, при изменении выходного напряжения формирователя 1 синусоиды напряжение на выходе схемы компенсации 19 не изменяется, т.е. осуществляется компенсация изменения напряжения на измерительном резисторе 16, вызванного изменением выходного напряжения формирователя 1 синусоиды.
стк
Напряжение U подается на вход устройства выборки-хранения 8. В устройстве выборки-хранения 8, суммируясь с измеряемым напряжением, корректирует его, осуществляя, таким образом, температурную компенсацию. Скомпенсированное измеряемое напряжение Uувх с выхода устройства выборки-хранения 8 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где преобразуется в цифровой код N=f(B), пропорциональный проекции вектора индукции магнитного поля.
Введение схемы компенсации, состоящей из делителя напряжения и детектора, позволило практически исключить погрешность от изменения выходного напряжения формирователя синусоиды.
Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.
Данное устройство испытано на макетном образце. Результаты испытаний свидетельствуют о достижении поставленной задачи. ОАО ИСС предполагает использовать это техническое решение на штатных изделиях.