УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
DEVICE FOR MAGNETIC FIELDS MEASUREMENT

Изобретение относится к магнитным измерениям, в частности к приборам, предназначенным для измерения компонент и полного вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ), а также к средствам автоматизированного контроля магнитометров.
Известны магнитометры компенсационного типа [1], содержащие три измерительных канала, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных феррозондового датчика и усилительно-преобразовательного устройства, выход которого через цепь отрицательной обратной связи подключен к компенсационной обмотке феррозондового датчика и к соответствующему входу цифрового вычислителя, выход которого подключен к входу управляемого преобразователя кода в ток, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к контрольной обмотке первого, второго и третьего феррозондовых датчиков.
Эти магнитометры позволяют измерять, например, ортогональные компоненты и модуль вектора индукции МПЗ, а также навигационные параметры в составе бортовых навигационных систем подвижных объектов.
Устройство работает в следующих двух режимах: в основном или рабочем и в режиме контроля.
В рабочем режиме осуществляется измерение компонент модуля вектора МПЗ с помощью измерительных каналов и вторичная обработка результатов измерения в цифровом вычислителе.
Каждый измерительный канал работает следующим образом.
При наличии разности между измеряемым и компенсирующим магнитными полями на выходе феррозондового датчика в цепи измерительной обмотки появляется величина рассогласования, которая усилительно-преобразовательным устройством, в зависимости от его типа, преобразуется в код или в напряжение, подаваемые на вход цифрового вычислителя и через цепь отрицательной обратной связи - в компенсационную обмотку феррозондового датчика. В момент полной компенсации измеряемого поля компенсирующим выходной сигнал усилительно-преобразовательного устройства пропорционален значению соответствующей компоненты вектора индукции МПЗ.
Следует отметить, что в зависимости от вида выходного сигнала усилительно-преобразовательного устройства (напряжения или кода) элементом цепи отрицательной обратной связи в данном случае являются соответственно масштабный резистор или преобразователь кода в ток.
Контроль исправности устройства заключается в периодической проверке значения коэффициентов преобразования измерительных каналов, так как отказ любого входящего в них узла вызывает изменение значения соответствующего коэффициента преобразования.
Контроль устройства осуществляется следующим образом. В цифровом вычислителе формируются тестовые эталонные сигналы в виде кодов, подаваемые через управляемый преобразователь кода в ток соответственно в контрольные обмотки феррозондовых датчиков. При этом в каждом из них происходит алгебраическое суммирование измеряемого поля, компенсирующего и поля, наводимого тестовым сигналом. В момент полной компенсации измеряемого и тестового магнитных полей полем компенсационной обмотки в контрольном такте происходит запись в цифровой вычислитель результата измерения соответствующего измерительного канала. В цифровом вычислителе путем суммирования и вычитания результатов измерения при воздействии разнополярных тестов осуществляется разделение измеряемой и контрольной величин. Таким образом, при условии медленного изменения измеряемого поля (что выполнимо в реальных условиях) одновременно проводится измерение индукции МПЗ и осуществляется контроль коэффициентов преобразования каналов измерения путем сравнения измеренных значений с теоретическим значением, хранимым в цифровом вычислителе.
Стабилизирующая отрицательная обратная связь с выхода усилительно-преобразовательного устройства в компенсационную обмотку феррозондового датчика, обеспечивая стабильность коэффициента преобразования измерительного канала, вместе с тем усложняет его контроль. Действительно, полный отказ элементов феррозондового датчика и усилительно-преобразовательного устройства, охваченных общей глубокой обратной связью, приводит к существенному изменению коэффициента преобразования измерительного канала, вместе с тем, изменения параметров элементов, выходящие за пределы допусков или близкие к их граничным значениям, могут не вызывать заметного изменения коэффициента преобразования. Эти изменения параметров могут приводить к отказу устройства при изменениях условий его эксплуатации или вызывать изменение других характеристик устройства, например динамических. Следовательно, существенным недостатком устройства является низкая глубина контроля.
Другим недостатком устройства является его сложность, обусловленная применением управляемого преобразователя кода в ток, требующего необходимого применения в нем управляемого коммутатора и цифроаналогового преобразователя с многопроводным управлением.
Второй указанный недостаток исключен в известном устройстве для измерения магнитных полей [2], наиболее близком по технической сущности к предлагаемому и взятом в качестве прототипа, обладающем простотой реализации автономного тестового контроля, адаптивного к измеряемому магнитному полю.
Устройство содержит стабилизатор токов (напряжений), коммутатор, триггер, элемент задержки, последовательно соединенные феррозондовый датчик, усилительно-преобразовательное устройство, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровой вычислитель, причем усилительно-преобразовательное устройство содержит последовательно соединенные предварительный усилитель, частотно-избирательный усилитель, фазочувствительный демодулятор и аналоговый интегратор, выход которого через масштабный резистор подключен к компенсационной обмотке феррозондового датчика, контрольная обмотка которого через второй масштабный резистор подключена к выходу коммутатора, первый и второй аналоговые входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами стабилизатора напряжения, а первый и второй входы управления - соответственно с выходом триггера и элемента задержки, вход которого соединен с выходом цифрового вычислителя и входом синхронизации триггера, информационный вход которого подключен к знаковому выходу аналого-цифрового преобразователя.
В данном устройстве представлен вариант реализации измерительного канала в виде последовательного соединения широко известного феррозондового преобразователя автокомпенсационного типа [3] и АЦП. Данная структура формирования кодового эквивалента индукции МПЗ целесообразна в связи с появлением многоразрядных АЦП в виде микросхем.
Устройство работает в следующих двух режимах: в основном или рабочем и в режиме контроля.
В рабочем режиме сигнал «Режим», подаваемый через элемент задержки на второй вход коммутатора, отключает подачу тока с выходов стабилизатора напряжений через масштабный резистор в контрольную обмотку феррозондового датчика. В этом случае осуществляется измерение компоненты (В) вектора индукции МПЗ путем преобразования с помощью АЦП выходного напряжения постоянного тока аналогового интегратора, пропорционального величине компоненты вектора индукции МПЗ. Формирование этого напряжения осуществляется феррозондовым датчиком, возбуждаемым переменным током и усилительно-преобразовательным устройством. Феррозондовым датчиком величина компоненты В преобразуется в напряжение переменного тока, амплитуда второй гармоники частоты возбуждения которого пропорциональна величине измеряемой индукции. Предварительным усилителем выходное напряжение измерительной обмотки феррозондового датчика усиливается и подается на вход частотно-избирательного усилителя, осуществляющего выделение и усиление полезного сигнала (второй гармоники). Фазочувствительным демодулятором осуществляется выпрямление этого напряжения, при этом фаза выделяемого сигнала соответствует полярности измеряемой индукции (В). Далее выходное напряжение фазочувствительного демодулятора интегрируется аналоговым интегратором и с его выхода подается через второй масштабный резистор в компенсационную обмотку феррозондового датчика, при этом на выходе его измерительной обмотки формируется напряжение рассогласования, пропорциональное разности индукции измеряемого и компенсирующего магнитных полей. Процесс интегрирования осуществляется до полной компенсации измеряемого поля. В момент его полной компенсации код N, подаваемый в цифровой вычислитель с выхода АЦП пропорционален величине измеряемого поля. Измеренное значение кода N, задаваемое модулем (modN) и знаком (signN), фиксируется в цифровом вычислителе.
Контроль исправности устройства заключается в периодической проверке величины коэффициента преобразования измерительного канала, так как отказ любого входящего в него узла вызывает изменение величины коэффициента преобразования.
Режим контроля начинается с момента появления сигнала «Режим» в виде логической единицы на выходе цифрового вычислителя. В момент появления переднего фронта этого сигнала на входе синхронизации триггера в последний по информационному входу записывается содержимое знакового разряда signN аналого-цифрового преобразователя. Во время переключения триггера элементом задержки задерживается появление логической единицы на втором входе управления коммутатора. Благодаря этому полностью исключается возможность изменения содержимого знакового разряда от бросков тока на выходе коммутатора в момент переключения триггера. Появление логической единицы на втором входе управления коммутатора обеспечивает подачу тока, формируемого первым масштабным резистором в контрольную обмотку феррозондового датчика с одного из выходов стабилизатора напряжений, соответствующих положительному (+) или отрицательному (-) направлению входного тока контрольной обмотки. Если, например, содержимое триггера соответствует положительному знаку выходного кода АЦП, то на выход коммутатора подается отрицательное напряжение и, наоборот, при отрицательном знаке, хранимом в триггере, подается положительное напряжение, то есть при любом значении знака, записанного и хранимого в триггере в режиме контроля, в контрольную обмотку феррозондового датчика подается ток, создающий магнитное поле, противоположное по знаку измеряемому полю. В феррозондовом датчике происходит алгебраическое суммирование измеряемого поля, компенсирующего поля и поля, наводимого эталонным тестовым сигналом. В момент полной компенсации измеряемого и тестового магнитных полей полем компенсационной обмотки происходит запись в цифровой вычислитель кода, равного алгебраической сумме измеряемого и тестового полей.
Так как в данном устройстве знак тестового приращения всегда противоположен знаку измеряемого поля, то полностью исключается возможность перегрузки измерительного канала, или, что то же самое, переполнение АЦП в режиме контроля. По результатам измерения выходных сигналов измерительного канала до и после подачи тестового сигнала в цифровом вычислительном блоке определяется изменение кода, являющееся кодовым эквивалентом тестового сигнала, по результатам измерения которого определяется исправность измерительного канала, путем сравнения этого кода с его теоретическим значением, хранимым в цифровом вычислителе, или, что то же самое, путем сравнения измеренного значения коэффициента преобразования с его теоретическим значением.
В данном устройстве при требуемой глубине обратной связи коэффициент преобразования феррозондового усилительно-преобразовательного устройства определяется коэффициентом преобразования цепи обратной связи, то есть величиной сопротивления второго масштабного резистора (цепи обратной связи) и коэффициента преобразования компенсационной обмотки. Слабая его зависимость от параметров коэффициента преобразования феррозондового датчика и усилительно-преобразовательного устройства определяет существенный недостаток известной реализации способа контроля в данном устройстве, характеризуемой низкой глубиной контроля.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого технического решения, является повышение глубины контроля устройства.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве для измерения магнитных полей, содержащем стабилизатор напряжения, коммутатор, триггер, элемент задержки, последовательно соединенные феррозондовый датчик, предварительный усилитель, частотно-избирательный усилитель, фазочувствительный демодулятор, аналоговый интегратор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровой вычислитель, при этом выход аналогового интегратора через первый масштабный резистор подключен к компенсационной обмотке феррозондового датчика, контрольная обмотка которого через второй масштабный резистор подключена в выходу коммутатора, первый и второй аналоговые входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами стабилизатора напряжений, а первый и второй входы управления - соответственно с выходом триггера и элемента задержки, вход которого соединен с выходом цифрового вычислителя, а информационный вход триггера подключен к знаковому выходу аналого-цифрового преобразователя, дополнительно введены элемент «или», второй элемент задержки и второй коммутатор, выход которого через третий масштабный резистор подключен к суммирующему входу аналогового интегратора, первый и второй аналоговые входы соединены соответственно с первым и вторым выходами стабилизатора напряжений, а первый и второй входы управления - соответственно с выходом триггера и второго элемента задержки, вход которого соединен с вторым выходом цифрового вычислителя и первым входом элемента «или», второй вход которого соединен с входом первого элемента задержки, а выход - с входом синхронизации триггера.
На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого устройства для измерения магнитных полей.
Устройство для измерения магнитных полей содержит стабилизатор напряжений 1, первый коммутатор 2, триггер 3, первый элемент задержки 4, последовательно соединенные феррозондовый датчик 5, предварительный усилитель 6, частотно-избирательный усилитель 7, фазочувствительный демодулятор 8, аналоговый интегратор 9, аналого-цифровой преобразователь 10 и цифровой вычислитель 11, причем выход аналогового интегратора 9 через первый масштабный резистор 12 подключен к компенсационной обмотке феррозондового датчика 5, контрольная обмотка которого через второй масштабный резистор 13 подключена к выходу первого коммутатора 2, первый и второй аналоговые входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами стабилизатора напряжений 1, а первый и второй входы управления - соответственно с выходом триггера 3 и первого элемента задержки 4, вход которого соединен с первым выходом цифрового вычислителя 11, а информационный вход триггера 3 подключен к знаковому выходу (signN) аналого-цифрового преобразователя 10, схема «или» 14, второй элемент задержки 15 и второй коммутатор 16, выход которого через третий масштабный резистор 17 подключен к суммирующему входу аналогового интегратора 9, первый и второй аналоговые входы соединены соответственно с первым и вторым выходами стабилизатора напряжений 1, а первый и второй входы управления - соответственно с выходом триггера 3 и второго элемента задержки 15, вход которого соединен со вторым выходом цифрового вычислителя 11 и первым входом элемента «или» 14, второй вход которого соединен с входом первого элемента задержки 4, а выход - со входом синхронизации триггера 3.
Устройство работает в двух режимах: в основном или рабочем режиме и в режиме контроля. Причем режим контроля осуществляется в двух тактах, чередуемых появлением соответственно сигналов «Режим 1», «Режим 2» в виде логической единицы.
13
17
В рабочем режиме сигналы «Режим 1» и «Режим 2», подаваемые соответственно с первого и второго выходов цифрового вычислителя 11 в виде логического нуля через соответствующие элементы задержки 4, 15 на второй вход соответственно коммутаторов 2, 16, отключают подачу тока в контрольную обмотку (КО) феррозондового датчика 5 и на суммирующий вход аналогового интегратора 9, формируемые соответственно с помощью второго и третьего масштабных сопротивлений R, R, резисторов 13, 17 и выходных напряжений стабилизатора напряжений 1. В этом случае осуществляется измерение компоненты (В) вектора индукции МПЗ путем преобразования с помощью АЦП выходного напряжения U постоянного тока аналогового интегратора 9, пропорционального величине компоненты.
12
Выход аналогового интегратора 9 является выходом аналогового автокомпенсационного преобразователя, определяющего аналоговую часть измерительного канала и содержащего последовательно соединенные феррозондовый датчик 5, предварительный усилитель 6, частотно-избирательный усилитель 7, фазочувствительный демодулятор 8 и аналоговый интегратор 9, охваченные отрицательной обратной связью с выхода аналогового интегратора 9 через сопротивление R резистора 12 на вход обмотки компенсации (ОК) феррозондового датчика 5. В данном случае
АП
ОК
где К, К - коэффициенты преобразования соответственно аналогового преобразователя, то есть аналоговой части измерительного канала и обмотки компенсации.
Формирование этого напряжения осуществляется следующим образом. Феррозондовым датчиком 5, возбуждаемым переменным током, величина компоненты В преобразуется в напряжение переменного тока, амплитуда второй гармоники частоты возбуждения которого пропорциональна величине измеряемой индукции. Широкополосным предварительным усилителем 6 выходное напряжение измерительной обмотки феррозондового датчика 5 усиливается и подается на вход частотно-избирательного усилителя 7, осуществляющего выделение и усиление полезного сигнала (второй гармоники) из спектра выходного сигнала предварительного усилителя 6. Фазочувствительным демодулятором 8 осуществляется выпрямление этого напряжения, при этом фаза выделяемого напряжения соответствует полярности измеряемой индукции В. Далее выходное напряжение фазочувствительного демодулятора 8 интегрируется аналоговым интегратором и с его выхода подается через первый масштабный резистор 12 в компенсационную обмотку феррозондового датчика 5, при этом на выходе его измерительной обмотки формируется напряжение рассогласования, пропорциональное разности индукции измеряемого и компенсирующего магнитных полей. Процесс интегрирования осуществляется до полной компенсации измеряемого поля. В момент его полной компенсации код N, подаваемый в цифровой вычислитель 11 с выхода АЦП 10, пропорционален величине измеряемого поля. Полученное значение кода N, задаваемое модулем (mod N) и знаком (sign N), фиксируемое в цифровом вычислителе 11, с учетом (1) определяется выражениями
АЦП
где К, К - соответственно коэффициент преобразования АЦП и устройства в целом (измерительного канала).
АП
12
ОК
АП
12
ОК
АЦП
Значение и стабильность коэффициента преобразования К определяются согласно выражению (2) параметрами R, К цепи отрицательной обратной связи аналогового автокомпенсационного преобразователя. Неконтролируемые изменения параметров элементов цепи прямого преобразования аналогового преобразователя, выходящие за пределы допусков или близкие к их граничным значениям, могут не вызывать заметного изменения коэффициента преобразования К в нормальных условиях эксплуатации, но создают предпосылки неконтролируемых отказов устройства в процессе его эксплуатации и могут приводить к отказу при изменениях условий его эксплуатации или вызывать заметное изменение других его характеристик. Поэтому в предлагаемом устройстве контроль его исправности не ограничивается только контролем значения величины К, то есть изменений параметров R, К и К, реализуемым в прототипе. В данном устройстве осуществлено повышение глубины контроля дополнительной реализацией контроля изменений параметров и коэффициентов преобразования звеньев цепи канала прямого преобразования аналоговой части измерительного канала.
01
К1
Первый такт режима контроля осуществляется так же, как в схеме прототипа и начинается с момента появления сигнала «Режим 1» в виде логической единицы на первом выходе цифрового вычислителя 11, подаваемого через элемент «или» на вход синхронизации (С) триггера 3. В момент появления переднего фронта этого сигнала на входе синхронизации (С) триггера 3 в последний по информационному входу (D) записывается содержимое знакового разряда signN аналого-цифрового преобразователя 10. Во время переключения триггера 3 элементом задержки 4 задерживается появление логической единицы на втором входе управления первого коммутатора 2. Благодаря этому полностью исключается возможность изменения содержимого знакового разряда от бросков напряжения на выходе коммутатора 2 в момент переключения триггера 3. Появление логической единицы на втором входе управления коммутатора 2 обеспечивает подачу тока в контрольную обмотку феррозондового датчика 5, формируемого с помощью второго масштабного резистора 13 подключением к нему с помощью первого коммутатора 2 положительного или отрицательного напряжений с выходов стабилизатора напряжений 1. Если, например, содержимое триггера 3 соответствует положительному знаку выходного кода АЦП 10, то на выход коммутатора 2 подается отрицательное напряжение и, наоборот, при отрицательном знаке, хранимом в триггере 3, подается напряжение положительной полярности, то есть при любом значении знака, записанного и хранимого в триггере 3 в первом такте режима контроля, в контрольную обмотку феррозондового датчика 5 подается ток, создающий магнитное поле в феррозондовом датчике, противоположное по знаку измеряемому полю. В феррозондовом датчике 5 происходит алгебраическое суммирование измеряемого поля, компенсирующего поля и поля, наводимого эталонным тестовым сигналом. В момент полной компенсации измеряемого (В) и тестового (В) магнитных полей полем компенсационной обмотки происходит запись в цифровой вычислитель 11 выходного кода АЦП 10 в виде результата алгебраического суммирования, то есть кода N в первом такте режима контроля, равного
где, с учетом (3)
причем
01
0
В выражениях (5), (6) обозначение U является тестовым значением выходного напряжения интегратора 9 в первом такте режима контроля, a U - выходное напряжение стабилизатора напряжения 1.
01
01
Так как в данном устройстве знак тестового приращения N противоположен знаку кода N, то полностью исключается возможность перегрузки измерительного канала в режиме контроля. По результатам измерений в рабочем и тестовом режимах в цифровом вычислителе 11 из (4) определяется значение кода N в виде
01
K1
N=N-N
01
Таким образом, при условии медленного изменения измеряемого поля производится измерение величины В и осуществляется контроль канала измерения путем сравнения полученного кода N с его теоретическим значением, хранимым в вычислительном блоке 11, или, что то же самое, путем сравнения измеренного значения коэффициента преобразования K с его теоретическим значением.
02
17
И
K2
Второй такт режима контроля начинается с момента появления сигнала «Режим 2» в виде логической единицы на втором выходе цифрового вычислителя 11, подаваемого через элемент «или» 14 на вход синхронизации (С) триггера 3. В момент появления переднего фронта этого сигнала на входе синхронизации триггера 3 в последний по информационному входу (D) записывается содержимое знакового разряда signN аналого-цифрового преобразователя 10. Во время переключения триггера 3 элементом задержки 15 задерживается появление сигнала на втором входе управления второго коммутатора 16, исключающее возможность изменения содержимого знакового разряда от бросков напряжения на выходе коммутатора 16 в момент переключения триггера 3. Появление логической единицы на втором входе управления коммутатора 16 обеспечивает подачу тока (I) через сопротивление R резистора 17 на суммирующий вход аналогового интегратора 9. Формирование тока обеспечивается подключением к резистору 17 с помощью коммутатора 16 положительного или отрицательного напряжений с выходов стабилизатора напряжений 1. Если, например, содержимое триггера 3 соответствует положительному знаку выходного кода АЦП 10 в рабочем режиме, то на выход коммутатора 16 во втором такте тестового режима подается напряжение, вызывающее тестовое приращение отрицательной полярности. Так, например, с учетом инвертирующего преобразования интегратора 9 при положительном знаке в триггере 3 на выход коммутатора подается положительное напряжение, а при отрицательном знаке - отрицательное напряжение. В момент полной компенсации измеряемого поля (В) и тестового сигнала (тока) соответственно полем обмотки компенсации (ОК) и током формируемым сопротивлением R интегратора 9 происходит запись в цифровой вычислитель 11 выходного кода АЦП 10 в виде результата алгебраического суммирования, то есть кода N во втором такте режима контроля
где
причем
02
где U - приращение выходного напряжения U интегратора 9, формируемое во втором такте режима контроля.
02
По результатам измерений в рабочем и во втором такте тестового режимах в цифровом вычислителе 11 определяется код теста N из выражения (7) в виде
02
K2
N=N-N
В данном случае
K2
где U - выходное напряжение интегратора 9 во втором такте режима контроля.
02
Далее осуществляется контроль канала преобразования путем сравнения полученного кода N с его теоретическим значением, хранимым в цифровом вычислителе 11.
02
В установившемся режиме следящего преобразования из условия полной компенсации измеряемого и тестового воздействий из выражения (9) определяется выходное напряжение U на выходе интегратора 9 в виде
6
7
8
где K, K, K - коэффициенты преобразования соответственно предварительного усилителя 6, частотно-избирательного усилителя 7 и фазочувствительного демодулятора 8.
Введем обозначение для тестового тока
затем, подставив выражение (10) в (8) и с учетом (3), (11), получим
02
И
И0
6
7
8
01
02
Данное выражение по сравнению с (5) показывает повышенную чувствительность результата измерения N не только к изменению параметров выражений (2), (3) коэффициента преобразования K, но и дополнительно к изменению параметров схемы R, K, K, K, K, обеспечивая тем самым повышение глубины контроля исправности. Критерием исправности устройства для измерения магнитных полей является равенство кодов N, N их теоретическим значениям в первом и во втором тактах режима тестового контроля. Совокупность тестовых преобразований в первом и во втором тактах режима контроля повышает вероятность обнаружения неисправности схемы и отклонений ее параметров от их номинальных значений, предупреждая тем самым непредсказуемые отказы.
В предлагаемом устройстве сохраняются такие важные достоинства прототипа, как простота реализации и надежность работы, автономное формирование тестовых сигналов, адаптивных к измеряемому магнитному полю, а также важное качество, определяемое отсутствием необходимости отключения измеряемого поля в процессе контроля.
Таким образом, предлагаемое устройство, обладая новизной, полезностью и реализуемостью, может найти широкое применение в технике магнитных измерений и систем контроля магнитометров.
Литература
3
1. Феррозондовый магнитометр. АС №930176, М. кл. G01R 33/02, 03.11.1980.
2. Устройство для измерения магнитных полей. АС №1321242, кл. G01R 33/02, 04.11.1985.
3. Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986.