ЦИФРОВОЙ ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР
DIGITAL FERROPROBE MAGNETOMETRE

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. Устройство снабжено вторым логическим элементом И и вторым реверсивным счетчиком 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 низкая скорость измерения компонент вектора индукции магнитного поля.
Задачей настоящего изобретения является повышение быстродействия цифрового феррозондового магнитометра.
Для достижения поставленной задачи в цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий задающий генератор, выход которого соединен с первым входом логического блока, первый выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех избирательных усилителей соответственно, выходы которых соединены с первыми входами трех устройств выборки-хранения соответственно, первые выходы которых соединены со вторыми входами трех феррозондов соответственно, а вторые выходы соединены с первыми входами трех аналого-цифровых преобразователей соответственно, вторые входы которых соединены с третьим выходом логического блока, второй выход которого соединен со вторыми входами трех блоков выборки-хранения, введен двоичный счетчик, выход которого соединен со вторым входом логического блока, а вход соединен с выходом генератора.
Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.2 - принципиальная схема цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.3 - эпюры напряжений схемы одного канала цифрового феррозондового магнитометра.
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 и двоичного счетчика 16. Формирователь 1 синусоиды, логический блок 14, задающий генератор 15 и двоичный счетчик 16 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 X. Частота с задающего генератора 15 поступает на логический блок 14, в котором формируются сетки частот, поступающие на формирователь синусоиды 1 и на управление устройством выборки-хранения 8. В логическом блоке 14 также формируется сигнал для управления аналого-цифрового преобразователя 11. В формирователе 1 цифровым способом формируется синусоидальное напряжение 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 (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 5 из выходной э.д.с. феррозонда выделяется вторая гармоника 2fв=20 кГц, которая усиливается до значения Uф и затем подается на устройство выборки-хранения 8.
ф
t
T/2-t
С помощью логического блока 14 в устройстве выборки-хранения 8 два раза за период происходит запоминание определенного значения Uф, пропорционального соответствующей проекции вектора индукции магнитного поля. Увеличение количества циклов записи в устройстве выборки-хранения стало возможным благодаря введению в схему, показанную на фиг.2, дополнительного счетчика 16. На фиг.3 показано, что измерение происходит два раза в течение одного периода измеряемого напряжения Uф. В конкретном случае - первый раз на отрицательной полуволне измеряемого напряжения Uф в момент t и второй раз на отрицательной полуволне измеряемого напряжения Uф в момент T/2-t, где Т - период измеряемого напряжения U. Измеренные напряжения U и U в моменты времени t и T/2-t поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где преобразуются в цифровые коды Nвых, пропорциональные соответствующей компоненте вектора индукции магнитного поля в моменты времени t и T/2-t. Принцип работы канала Y, состоящего из феррозонда 3, избирательного усилителя 6, устройства выборки-хранения 9, аналого-цифрового преобразователя 12 и канала Z, состоящего из феррозонда 4, избирательного усилителя 7, устройства выборки-хранения 10, аналого-цифрового преобразователя 13, аналогичен принципу работы канала X.
Таким образом, измерение компонент векторов индукции магнитного поля происходит два раза за период измеряемого напряжения, что в два раза чаще, чем в прототипе.
Процессы формирования напряжения питания, выборки-хранения и аналого-цифрового преобразования синхронизированы частотой задающего генератора 15.
Введение дополнительного счетчика позволило в два раза повысить частоту измерения напряжений, пропорциональных компонентам вектора индукции магнитного поля.
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.