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 патенту 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 имеются 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 патенту RU 2316781 C1, 10.02.2008, МПК: G01R 33/02, включающий 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 входа 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 являются наличие крупногабаритных входных фильтров, повышенные требования к параметрам избирательных усилителей и к качеству электрорадиоизделий для обеспечения точности и стабильности измерений.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности и стабильности измерений, снижение стоимости изделия.
Для достижения поставленной задачи в цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий три феррозонда (ФЗ) 2, 3, 4, выходы которых соединены с входами трех избирательных усилителей (ИУ) 5, 6, 7 соответственно, выходы которых соединены с первыми входами трех устройств выборки-хранения (УВХ) 8, 9, 10, первые выходы которых соединены с первыми входами трех аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 11, 12, 13, вторые входы которых соединены с третьим выходом логического блока (ЛБ) 14, вход которого соединен с выходом задающего генератора (ЗГ) 15, а второй выход соединен с вторыми входами устройств выборки-хранения 8, 9, 10, вторые выходы которых соединены с вторыми входами феррозондов 2, 3, 4, введен формирователь 1 параметрического напряжения (ФПН), вход которого соединен с первым выходом логического блока 14, а выход 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 формирователя параметрического напряжения.
Цифровой феррозондовый магнитометр состоит из формирователя 1 параметрического напряжения, феррозондов 2, 3, 4, избирательных усилителей 5, 6, 7, устройств выборки-хранения 8, 9, 10, аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13, логического блока 14 и задающего генератора 15. Формирователь 1 параметрического напряжения, логический блок 14 и задающий генератор 15 являются общими для всех трех измерительных каналов.
Устройство работает следующим образом.
в
в
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 1 параметрического напряжения и на управление устройством выборки хранения 8. В логическом блоке 14 также формируется сигнал для управления аналого-цифрового преобразователя 11. В формирователе 1 параметрического напряжения цифровым способом формируется параметрическое напряжение U с частотой f=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 э.д.с. переменного тока, содержащую четные гармоники частоты сигнала возбуждения. Амплитуда этой э.д.с. пропорциональна значению индукции магнитного поля, а фаза изменяется на π радиан при изменении направления вектора индукции поля на 180°. В выходной э.д.с. феррозонда присутствует также помеха, имеющая в спектре нечетные гармоники.
p
p
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 (f=20 кГц)-K=5000. Полоса пропускания - 2Δf=1800 Гц. Коэффициент передачи на частотах первой и третьей гармоник частоты возбуждения феррозонда не более 30 и 10 соответственно.
в
ф
Таким образом, избирательным усилителем 5 из выходной э.д.с. феррозонда выделяется вторая гармоника 2f=20 кГц, которая усиливается до значения U и затем подается на устройство выборки-хранения 8.
На фиг.3 показаны четыре синусоиды:
max
ф
+U - максимальное положительное значение U;
max
ф
-U - максимальное отрицательное значение U;
i
ф
+U - одно из промежуточных положительных значений U;
i
ф
-U - одно из промежуточных отрицательных значений U.
ф
увх
ф
ф
С помощью логического блока 14 в устройстве выборки-хранения 8 один раз за период происходит запоминание определенного значения U. Постоянное напряжение U 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 U 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 U определяется логическим блоком 14 исходя из условия необходимой крутизны выходной характеристики магнитометра.
В отличие от прототипа, где возбуждение феррозонда осуществляется синусоидальным напряжением, в предлагаемом устройстве феррозонд возбуждается прямоугольными импульсами тока с заданной скважностью. В этом случае, при угле насыщения θ=π/8, обеспечиваются оптимальные условия для возникновения и усиления тока второй гармоники, а значит, повышается чувствительность феррозонда. При повышении чувствительности феррозонда значительно увеличивается отношение между второй и нечетными гармониками выходного напряжения. Избирательность феррозонда резко возрастает, за счет чего можно упростить схему измерения, исключив входной фильтр, и увеличить стабильность устройства, снизив коэффициент избирательного усилителя и увеличив глубину обратной связи по полю.
Параметрическая избирательность феррозонда, в отличие от избирательности LC- и RC-контуров, при одинаковой добротности, обладает меньшей крутизной фазочастотной характеристики. Параметрический контур, помимо частотной избирательности, обладает еще и фазовой избирательностью. Поэтому, при колебаниях частоты возбуждения феррозонда, фаза выходного напряжения второй гармоники изменяется гораздо меньше, чем в прототипе, а это ведет к повышению точности и стабильности измерений.
Схема формирователя параметрического напряжения приведена на фиг.4. Каскад на мультиплексорах D1 и D2 формирует прямоугольное, разнополярное напряжение с углом θ=π/8. Это напряжение подается на усилитель тока, собранный на операционном усилителе DA1 и транзисторной матрице VT1. Напряжение с выхода формирователя параметрического напряжения подается на обмотку возбуждения феррозонда.
Введение формирователя параметрического напряжения позволило:
- упростить схему феррозондового магнитометра;
- повысить стабильность и точность измерений;
- снизить стоимость устройства;
- снизить требования к параметрам избирательных усилителей и к качеству электрорадиоизделий, из которых они состоят.
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. ОАО «ИСС» предполагает использовать это техническое решение на штатных изделиях.