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, второго логического элемента 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 формирователь синусоиды, выход которого соединен с входами феррозондов, выходы которых соединены с входами избирательных усилителей, выходы которых соединены с первыми входами устройств выборки-хранения, выходы которых соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей, вторые входы которых соединены с третьим выходом логического блока управления, второй выход которого соединен с вторыми входами устройств выборки-хранения, первый выход соединен с входом формирователя синусоиды, а вход соединен с выходом задающего генератора. Этот феррозондовый магнитометр выбран в качестве прототипа.
Недостатком данного магнитометра является увеличение погрешности измерения компонент вектора магнитного поля вследствие изменения температуры феррозонда.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение погрешности измерения за счет введения схемы температурной компенсации.
Для достижения поставленной задачи в цифровой феррозондовый магнитометр введены три схемы температурной компенсации 19, 20, 21 и три измерительных резистора 16, 17, 18, первые выводы которых соединены с общей шиной 22, а вторые выводы соединены с входами схем температурной компенсации 19, 20, 21 и со вторыми выходами феррозондов 2, 3, 4, первые выходы которых соединены с входами избирательных усилителей 5, 6, 7 соответственно, выходы которых соединены с первыми входами устройств выборки-хранения 8, 9, 10, вторые входы которых соединены с вторыми выходами логического блока 14 управления, третьи входы соединены с выходами схем температурной компенсации 19, 20, 21, а выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13, вторые входы которых соединены с третьим выходом логического блока 14, вход которого соединен с выходом задающего генератора 15, а первый выход соединен с входом источника 1 питания, выход которого соединен с первыми входами феррозондов 2, 3, 4.
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 и на фиг.4 - принципиальная схема температурной компенсации.
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 и общей шины 22.
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 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 fa=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 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 180°. В выходной эдс феррозонда присутствует также помеха, имеющая в спектре нечетные гармоники.
На фиг.2 показана принципиальная схема избирательного усилителя, логического блока, устройства выборки-хранения и аналого-цифрового преобразователя. Избирательный усилитель предназначен для выделения из общего спектра сигнала, поступающего с измерительной обмотки феррозонда, 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 не более 30 и 10 соответственно.
Таким образом, избирательным усилителем 5 из выходной эдс феррозонда выделяется вторая гармоника 2fв=20 кГц, которая усиливается до значения Uф и затем подается на устройство выборки-хранения 8.
На фиг.3 показаны четыре синусоиды:
+Umax - максимальное положительное значение Uф;
-Umax - максимальное отрицательное значение Uф;
+Ui - одно из промежуточных положительных значений Uф;
-Ui - одно из промежуточных отрицательных значений Uф.
С помощью логического блока 14 в устройстве выборки-хранения 8 один раз за период происходит запоминание определенного значения Uф. Постоянное напряжение Uувx с выхода устройства выборки-хранения 8 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где преобразуется в цифровой код N=f(Bx), пропорциональный проекции вектора индукции магнитного поля. Момент запуска преобразования Uф в цифровой код задерживается на время Δt для исключения влияния переходных процессов. Процессы формирования синусоиды, выборки-хранения и аналого-цифрового преобразования синхронизированы частотой генератора 15. Положение выборки на синусоиде Uф определяется логическим блоком 14 исходя из условия необходимой крутизны выходной характеристики магнитометра.
Температурная компенсация осуществляется следующим образом.
Rизм.
изм
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 UR поступает на вход схемы температурной компенсации 19, где выпрямляется и усиливается до необходимой величины.
На выходе схемы температурной компенсации 19 появляется напряжение:
стк
Rизм
U=K·±ΔU,
где К - коэффициент передачи схемы температурной компенсации;
Rизм
ΔU - величина температурного изменения напряжения на измерительном резисторе.
Rизм
Схема температурной компенсации 19, приведенная на фиг.4, с помощью переменного резистора R3 настраивается так, что при нормальной температуре на выходе присутствует нулевое напряжение. При изменении температуры в ту или другую сторону от номинальной на выходе схемы термокомпенсации 19 появляется положительное или отрицательное напряжение ±ΔU.
стк
Напряжение U подается на вход устройства выборки-хранения 8. В устройстве выборки-хранения 8, показанном на фиг.2, это напряжение поступает на инвертирующий вход усилителя U4 (фиг.2), где суммируется с измеряемым напряжением, корректирует его, осуществляя таким образом температурную компенсацию. Резистор Р18 (фиг.2) в устройстве выборки - хранения подбирается таким образом, чтобы температурное изменение корректирующего и измеряемого напряжений имело одинаковую величину. В результате эти изменения, имеющие одинаковую величину и противоположные знаки, будут взаимно компенсироваться, и колебания температуры не будут оказывать влияния на измеряемое напряжение, уменьшая температурную погрешность измерения.
Скомпенсированное измеряемое напряжение Uувх с выхода устройства выборки-хранения 8 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где преобразуется в цифровой код N=f(α), пропорциональный соответствующей компоненте вектора индукции магнитного поля. На фиг.3 показаны эпюры выходных напряжений.
Введение измерительных резисторов и схем температурной компенсации позволило значительно уменьшить температурную погрешность измерения компонент 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. ФГУП НПОПМ предполагает использовать это техническое решение на штатных изделиях.