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, 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 C1, 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 устойчивость избирательных усилителей и погрешность измерения компонент вектора индукции магнитного поля, обусловленная напряжением смещения схемы измерения.
Задачей настоящего изобретения является повышение устойчивости схемы магнитометра и исключение ошибки измерения, вызванной паразитным напряжением смещения с помощью введения устройств выборки - хранения квадратурных напряжений и суммирующих усилителей.
Для решения поставленной задачи в цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий задающий генератор 15 (ЗГ), выход которого соединен с входом логического блока 14 управления (ЛБУ), первый выход которого соединен с входом формирователя синусоиды 1 (ФС), выход которого соединен с первыми входами трех феррозондов 2, 3, 4 (Ф3), выходы которых соединены с входами трех избирательных усилителей 5, 6, 7 (ИУ), первые выходы которых соединены с первыми входами трех устройств 8, 9, 10 выборки-хранения (УВХ), первые выходы которых соединены со вторыми входами трех феррозондов 2, 3, 4, а вторые входы соединены со вторым выходом логического блока 14 управления, третий выход которого соединен со вторыми входами аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13 (АЦП), введены три суммирующих усилителя 19, 20, 21 (СУ) и три устройства 16, 17, 18 выборки-хранения квадратурных напряжений (УВХКН), первые входы которых соединены с четвертым выходом логического блока 14 управления, вторые входы соединены со вторыми выходами избирательных усилителей 5, 6, 7, а выходы соединены со вторыми входами суммирующих усилителей 19, 20, 21, выходы которых соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13, а первые входы соединены с вторыми выходами устройств 8, 9, 10 выборки хранения.
Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.2 - принципиальная схема одного канала 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, устройств выборки-хранения квадратурных напряжений 16, 17, 18, суммирующих усилителей 19, 20, 21, аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13, логического блока 14 управления и задающего генератора 15. Формирователь 1 синусоиды, логический блок 14 и задающий генератор 15 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 управления, в котором формируются цифровые сигналы, поступающие на формирователь 1 синусоиды, на устройство 8 выборки хранения, на устройство 16 выборки хранения квадратурного напряжения и на аналого-цифровой преобразователь 11. 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 индукции магнитного поля, а фаза изменяется на π радиан при изменении направления вектора индукции поля на 180º. В выходной эдс феррозонда 2 присутствует также помеха, имеющая в спектре нечетные гармоники.
На фиг.2 показана принципиальная схема избирательного усилителя 5, логического блока 14 управления, устройства выборки-хранения 8, устройства выборки-хранения 16 квадратурного напряжения, суммирующего усилителя 19 и аналого-цифрового преобразователя 11. 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=2500. 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 эдс феррозонда выделяется вторая гармоника 2fB=20 кГц, которая усиливается и затем подается на устройства 8 выборки-хранения и устройства 16 выборки хранения квадратурного напряжения в виде квадратурных напряжений Usin (выход U3, Фиг.2) и Ucos (выход U2, Фиг.2), равных по амплитуде.
С помощью логического блока 14 в устройстве 8 выборки-хранения и устройстве 16 выборки хранения квадратурного напряжения один раз за период в моменты времени Δt и Δt+T/4 происходит запоминание, в отличие от прототипа, не одного значения Usin, а двух значений Usin и Ucos. Постоянные напряжения Uувх и Uувхкн с выходов устройства 8 выборки-хранения и устройства 16 выборки-хранения квадратурного напряжения поступают на вход суммирующего усилителя 19, где суммируются и выходное напряжение суммирующего усилителя 19 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где преобразуется в цифровой код N=f(Bx), пропорциональный проекции вектора индукции магнитного поля (см. Фиг.3).
В результате на выходе суммирующего усилителя 19 формируется удвоенное, по сравнению с прототипом, постоянное напряжение:
Это позволило, при одинаковом с прототипом выходном напряжении, в два раза снизить коэффициент усиления избирательного усилителя с 5000 до 2500. Одновременно с удвоением выходного напряжения, что следует из формулы (1), происходит компенсация паразитных напряжений смещения, которые присутствуют в квадратурных напряжениях Usin и Ucos и имеют разные знаки.
Процессы формирования синусоиды, выборки-хранения и аналого-цифрового преобразования синхронизированы частотой генератора 15. Положение выборок (Δt и Δt+T/4) на синусоидах Usin и Ucos определяется логическим блоком 14 исходя из условия необходимой крутизны выходной характеристики магнитометра и равенства выборок квадратурных напряжений Usin и Ucos.
Для стабилизации коэффициента передачи каждый канал охвачен цепью отрицательной обратной связи по полю. Сигнал отрицательной обратной связи берется с выходов устройств выборки-хранения 8, 9, 10 и подается на обмотки обратной связи феррозондов.
Введение в схему магнитометра трех устройств 16, 17, 18 выборки-хранения квадратурных напряжений и трех суммирующих усилителей 19, 20, 21 позволило скомпенсировать паразитные напряжения смещения и в два раза снизить коэффициент усиления избирательного усилителя. Особенно важно, что при снижении коэффициента усиления избирательного усилителя возрастает устойчивость всей измерительной схемы магнитометра.
Исключение ошибки измерения, вызванной паразитным напряжением смещения, позволило существенно повысить точность измерения напряжений, пропорциональных компонентам вектора индукции магнитного поля.
Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.
Выполнено электронное моделирование схемы устройства в среде пакета OrCAD 16.3. Результаты моделирования свидетельствуют о достижении поставленной задачи. ОАО ИСС предполагает использовать это техническое решение на штатных изделиях.