Измерительное устройство на базе феррозондового преобразователя
MEASURING DEVICE BASED ON FERROPROBE TRANSDUCER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для измерения параметров слабого постоянного магнитного поля на основе феррозондового преобразователя. А именно, изобретение относится к измерительному устройству на базе феррозондового преобразователя, позволяющему существенно увеличить амплитуду и действующее значение напряжения на обмотке возбуждения феррозонда и, как следствие, повысить чувствительность феррозонда без увеличения напряжения питания.
Уровень техники
В известных устройствах для измерения постоянных магнитных полей, описанных в литературе [Афанасьев Ю.В. «Феррозондовые приборы». Л. Энергоатомиздат. 1986. 188 с., Миловзоров В.П. «Электромагнитные устройства автоматики. Учебник для студентов специальности «Автоматика и телемеханика» вузов», М., «Высш. школа», 1974. 416 с., Ripka, P. Magnetic Sensors and Magnetometers / P. Ripka. - Boston: Artech house, 2000. 494 p. и др.], используется стандартная схема включения феррозонда и запитка обмотки возбуждения осуществляется от генератора синусоидальным напряжением или импульсным напряжением пилообразной или прямоугольной формы частотой до сотен килогерц. Установлено, что при повышении напряжения запитки обмотки возбуждения (как действующего значения, так и амплитудного в импульсе) чувствительность феррозонда возрастает. Однако повышение напряжения приводит к необходимости увеличения напряжения питания и росту потребляемой мощности измерительного устройства.
Известно измерительное устройство на основе феррозондового преобразователя для измерения магнитных полей (RU 2085962). Недостаток заключается в том, что повышение чувствительности устройства осуществляется за счет значительного усложнения схемы и введения дополнительных элементов (блок сравнения, цифровой интегратор, цифровой вычислитель, аналого-цифровой преобразователь, дифференциальный усилитель и др.), что значительно удорожает устройство.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство измерения напряженности магнитного поля (SU 1775693 А1 Свердловский научно-исследовательский технологический институт), в котором выход генератора прямоугольных импульсов выполнен с возможностью передачи сигналов на обмотку возбуждения через конденсатор, а запитка обмотки возбуждения осуществлена посредством выбросов напряжения, возникающих при работе генератора прямоугольных импульсов на индуктивную нагрузку. Описанное устройство принято за прототип изобретения. Недостаток прототипа - чувствительность феррозонда определяется как амплитудой, так и действующим значением сигнала запитки. Используемые для запитки выбросы напряжения, имеющие место при работе генератора на индуктивную нагрузку, могут в амплитуде превышать в несколько раз напряжение прямоугольного импульса. Однако длительность выбросов напряжения невелика и значительно меньше длительности импульсов, которыми запитывается обмотка возбуждения и частота которых определяется паспортными данными на феррозонд. Поэтому влияние выбросов на чувствительность незначительно. Но их влияние может быть увеличено при увеличении частоты питающего сигнала, что нежелательно, так как частота ограничена паспортными данными феррозонда. Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность измерительного устройства на базе феррозондового преобразователя за счет увеличения действующего значения напряжения на обмотке возбуждения без увеличения напряжения питания.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности измерительного устройства на базе феррозондового преобразователя для измерения напряженности постоянного магнитного поля. Под эффективностью измерительного устройства понимается совокупность его качеств:
- высокая чувствительность,
- малая потребляемая мощность,
- компактность,
- простота схемы,
- низкая стоимость.
Техническим результатом является увеличение чувствительности без увеличения напряжения питания измерительного устройства.
Сущность изобретения заключается в повышении напряжения запитки обмотки возбуждения (действующего значения и амплитудного в импульсе) и, как следствие, в повышении чувствительности феррозонда без увеличения напряжения питания измерительного устройства за счет измерительного устройства на базе феррозондового преобразователя, включающего обмотку возбуждения феррозонда, состоящую из двух встречно намотанных половин L1' и L1'', соединительный конденсатор С1, через который запитана обмотка возбуждения феррозонда, D-триггер, генератор 1 модулирующих прямоугольных сигналов, генератор 2 однополярных модулированных прямоугольных импульсов повышенной частоты. При этом запитка обмотки возбуждения прямоугольными импульсами осуществлена через D-триггер с образованием двуполярного сигнала с удвоенным действующим значением напряжения, поданного на обмотку возбуждения через соединительный конденсатор. Причем в устройстве используются резонансные явления в образовавшейся последовательной цепи «соединительный конденсатор -обмотка возбуждения феррозонда» на частоте модулируемого сигнала запитки обмотки возбуждения, при этом модулирующий сигнал запитки представляет собой прямоугольные импульсы, частота следования которых соответствует рабочей частоте феррозонда.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена схема запитки обмотки возбуждения феррозонда.
На Фиг. 2 представлены временные диаграммы напряжений и приводятся пояснения сигналов.
Осуществление изобретения
В заявляемом измерительном устройстве на базе феррозондового преобразователя используется нестандартная запитка обмотки возбуждения феррозонда, схема которой приведена на Фиг. 1. Схема содержит следующие компоненты.
1. Обмотка возбуждения феррозонда, состоящая из двух встречно намотанных половин L1' и L1''.
2. Соединительный конденсатор С1, через который запитывается обмотка возбуждения феррозонда.
3. D-триггер, подключаемый таким образом, что однополярные импульсы с генератора преобразуются в двуполярные с удвоенным действующим значением напряжения; кроме того D-триггер используется для уменьшения влияния обмотки возбуждения феррозонда на работу генератора.
4. Генератор 2 - генератор однополярных модулированных прямоугольных импульсов повышенной частоты. Частота с помощью резистора R2 настраивается на резонанс в последовательной цепи «соединительный конденсатор - обмотка возбуждения феррозонда».
5. Генератор 1 - генератор модулирующих прямоугольных сигналов, частота следования которых настраивается с помощью резистора R1 на рабочую частоту, указанную в документации на феррозонд.
Каждый генератор, а также D-триггер выполнены на трех элементах 2И-НЕ микросхемы 564ЛА7. Емкость соединительного конденсатора 0,1 мкФ.
Принципиальной особенностью предлагаемого решения является значительное повышение напряжения на обмотке возбуждения феррозонда (без увеличения напряжения питания) за счет:
1. Использования D-триггера, что позволило преобразовать сигнал в двуполярный с удвоенным размахом напряжения;
2. Резонанса в последовательной цепи «соединительный конденсатор - обмотка возбуждения»
Резонансная частота при этом не зависит от рабочей частоты феррозонда.
Такая запитка позволяет увеличить чувствительность феррозонда. Измерительное устройство, построенное таким образом, характеризуется простотой схемы, малым потреблением энергии и не требует сложных и дорогостоящих элементов. Высокая чувствительность устройства позволяет выполнять измерения на достаточном расстоянии от источника постоянного магнитного поля и исключает необходимость встраивания феррозонда в конструкцию, содержащую источник магнитного поля.
Таким образом, амплитудная модуляция сигнала запитки делает резонансную частоту модулируемого сигнала независимой от паспортной частоты сигнала возбуждения феррозонда.
Подготовка устройства к работе заключается в тарировании шкалы измерительного прибора в единицах напряженности магнитного поля.
Данное устройство испытано на макетном образце. Результаты испытаний свидетельствуют о достижении поставленной задачи.