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., МПК: 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 этого устройства является наличие погрешности, обусловленной искажениями измеряемого сигнала.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности цифрового феррозондового магнитометра за счет осреднения четырех значений выходного кода, пропорционального компоненте вектора индукции магнитного поля без снижения быстродействия.
Для достижения поставленной задачи в цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока, 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 входами трех устройств выборки-хранения соответственно, первые выходы которых соединены со вторыми входами трех феррозондов соответственно, а вторые выходы соединены с входами трех аналого-цифровых преобразователей соответственно, введены двенадцать регистров, где входы первого, второго, третьего и четвертого регистров соединены с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, а выходы соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с входом первого регистра данных, входы пятого, шестого, седьмого и восьмого регистров соединены с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, а выходы соединены с входами второго сумматора, выход которого соединен с входом второго регистра данных, входы девятого, десятого, одиннадцатого и двенадцатого регистров соединены с выходом третьего аналого-цифрового преобразователя, а выходы соединены с входами третьего сумматора, выход которого соединен с входом первого регистра данных.
Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.2 - эпюры напряжений схемы одного канала цифрового феррозондового магнитометра.
Цифровой феррозондовый магнитометр состоит из формирователя 1 синусоиды (ФС), феррозондов 2, 3, 4 (ФЗ), избирательных усилителей 5, 6, 7 (ИУ), устройств выборки-хранения 8, 9, 10 (УВХ), аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13 (АЦП), логического блока 14 (ЛБ), задающего генератора 15 (ЗГ), регистров 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 (Р), сумматоров 28, 29, 30 (С) и регистров данных 31, 32, 33 (РД). 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, в котором формируются сетки частот, поступающие на формирователь 1 синусоиды и на управление устройством выборки хранения 8. В логическом блоке 14 также формируется сигнал для управления аналого-цифрового преобразователя 11, регистров 16, 17, 18 и 19, сумматора 28 и регистра данных 31. 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 эдс переменного тока, содержащую четные гармоники частоты сигнала возбуждения. Амплитуда этой эдс пропорциональна значению индукции магнитного поля, а фаза изменяется на πт радиан при изменении направления вектора индукции поля на 180°. В выходной эдс 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)-Kр=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 эдс феррозонда 2 выделяется вторая гармоника 2fв=20 кГц, которая усиливается до значения Uф и затем подается на устройство выборки-хранения 8.
1
2
3
4
ф
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
С помощью логического блока 14 в устройстве выборки-хранения 8 четыре раза за период, в моменты времени t, t, t и t (происходит запоминание четырех значений Uф, пропорциональных соответствующей проекции вектора индукции магнитного поля. На фиг.2 показано, что измерение происходит четыре раза в течение одного периода измеряемого напряжения U. Первый раз в момент t и второй раз в момент t, третий раз в момент времени t и четвертый раз в момент времени t. Измеренные напряжения U, U, U и U в моменты времени t, t, t и t поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где преобразуется в цифровые коды N1, N2, N3 и N4, пропорциональные соответствующей компоненте вектора индукции магнитного поля B. Каждый раз момент запуска преобразования Uф в цифровой код задерживается на время Δt для исключения влияния переходных процессов.
3
4
1
2
Цифровые коды N1, N2, N3 и N4 должны быть равны по абсолютной величине, но вследствие воздействия различных факторов на измеряемый сигнал они будут отличаться друг от друга и от истинного значения кода. Для уменьшения этого отличия необходимо сложить значения N1, N2, N3 и N4 по абсолютной величине, т.е. без учета знака, т.к. напряжения U и U противоположны по знаку напряжениям U и U и разделить на четыре, т.е. произвести осреднение.
Для этого цифровые коды N1, N2, N3 и N4 поочередно записываются в регистры 16, 17, 18 и 19 соответственно. С выходов регистров 16, 17, 18 и 19 N1, N2, N3 и N4 поступают на входы сумматора 28, где суммируются и подаются на вход регистра 31 данных. С помощью отбрасывания двух младших разрядов на выходе регистра 31 данных выходное число делится на четыре. В результате происходит сложение кодов N1, N2, N3 и N4, а затем деление полученной суммы на четыре, т.е. их осреднение в течение одного периода измеряемого напряжения Uф.
Все процессы образования синхронизированы с помощью логического блока 14.
Принцип работы канала Y, состоящего из феррозонда 3, избирательного усилителя 6, устройства выборки-хранения 9, аналого-цифрового преобразователя 12, регистров 20, 21, 22 и 23, сумматора 29, регистра данных 32 и канала Z, состоящего из феррозонда 4, избирательного усилителя 7, устройства выборки-хранения 10, аналого-цифрового преобразователя 13, регистров 24, 25, 26 и 27, сумматора 30, регистра данных 33, аналогичен принципу работы канала X.
Осреднение четырех значений кода N1, N2, N3 и N4 в течение одного периода Uф позволяет повысить точность измерения компоненты вектора индукции магнитного поля без снижения быстродействия.
Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.
Выполнено электронное моделирование схемы устройства в среде пакета OrCAD 10.5. Результаты моделирования свидетельствуют о достижении поставленной задачи. ОАО «ИСС» предполагает использовать это техническое решение на штатных изделиях.