Формирователь информационного сигнала феррозондового магнитометра

Область применения
Заявленное техническое решение относится к измерительной технике, представляет собой формирователь информационного сигнала феррозондового магнитометра, использующего метод компенсации магнитного поля (МП) и может использоваться в точных измерениях компоненты индукции МП в условиях повышенного уровня синфазной помехи.
Уровень техники
Известен трехкомпонентный феррозондовый магнитометр [1] и реализующий способ измерения компонент индукции МП при помощи векторной компенсации. Способ включает измерение напряжения сигналов, наведенных в измерительных катушках и пропорциональных трем компонентам индукции внешнего МП, преобразование измеренных напряжений в токи компенсации, формирование этими токами вектора индукции компенсационного МП с помощью дополнительных компенсационных катушек.
К недостаткам данного способа, соответственно и устройства следует отнести необходимость использования дополнительных катушек компенсации. Для обеспечения ортогональности компонент феррозондового датчика дополнительные катушки компенсации должны удовлетворять следующим требованиям:
каждая катушка компенсации должна быть параллельна измерительной катушке по одноименной компоненте;
каждая катушка компенсации должна быть взаимно ортогональна катушкам компенсации по двум другим компонентам;
это представляет определенные трудности при изготовлении феррозонда.
Известен трехкомпонентный феррозондовый магнитометр [2], в каждом канале которого формирователь информационного сигнала содержит согласующую цепь, синхронный детектор, полосовой усилитель, формирователь постоянного тока. При этом входной сигнал формирователя информационного сигнала поступает относительно общей цепи от одного вывода измерительной обмотки феррозонда, другой вывод которой соединен с общей цепью канала.
Устройство обеспечивает формирование компенсирующего МП в сердечнике феррозонда путем подачи тока компенсации непосредственно в измерительную обмотку феррозонда без дополнительной катушки компенсации. Соответственно уменьшены массогабаритные показатели датчика магнитометра (феррозонда).
Недостатком его является повышенная чувствительность к синфазной помехе вследствие соединения вывода измерительной обмотки феррозонда с общей цепью канала формирователя информационного сигнала. Особое значение данный недостаток имеет при использовании магнитометра в сложных объектах с большим удалением феррозонда от формирователя информационного сигнала.
Прототип
Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности является часть устройства [3], которая представляет собой формирователь информационного сигнала феррозондового магнитометра. Устройство предназначено для функционирования с магнитометром на базе микроконтроллера (МК), организованным по методу компенсации измеряемого МП в сердечнике феррозонда, и содержит последовательно соединенные сигнальную входную шину, фильтр второй гармоники, согласующую цепь, сигнальную выходную шину. Также устройство содержит усилитель постоянного напряжения, две входные шины напряжения компенсации, резистор обратной связи, общие шины входного и выходного сигналов. Первый и второй входы усилителя постоянного напряжения соединены с первой и второй входными шинами напряжения компенсации (соединены с выходами цифроаналогового преобразователя - ЦАП МК магнитометра). Выход усилителя постоянного напряжения через резистор обратной связи соединен с сигнальной входной шиной (соединена с сигнальным выводом измерительной обмотки феррозонда магнитометра). Общие выводы фильтра второй гармоники, согласующей цепи, усилителя постоянного тока соединены с общей шиной выходного сигнала, общей шиной входного сигнала (второй вывод измерительной обмотки феррозонда магнитометра).
На сигнальной выходной шине (соединенной далее с входом аналого-цифрового преобразователя - АЦП МК магнитометра) формируется на уровне постоянного напряжения равного половине рабочего диапазона АЦП МК, напряжение второй гармоники ЭДС феррозонда, усиленное посредством фильтра второй гармоники. Устройство обеспечивает формирование компенсирующего МП в сердечнике феррозонда путем подачи тока компенсации через резистор обратной связи непосредственно в измерительную обмотку феррозонда без дополнительной катушки компенсации.
Недостатком его является повышенная чувствительность к синфазной помехе вследствие соединения вывода измерительной обмотки феррозонда с общей цепью канала формирователя информационного сигнала. Особое значение данный недостаток имеет при использовании магнитометра в сложных объектах с большим удалением феррозонда от формирователя информационного сигнала.
Цель полезной модели
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении помехоустойчивости в условиях повышенного уровня синфазной помехи.
Поставленная цель достигается за счет того, что введены дифференциальный усилитель, инвертирующий усилитель, два симметрирующих резистора, второй резистор обратной связи, причем первый и второй входы дифференциального усилителя соединены соответственно с первой и второй сигнальными входными шинами, между которыми включены последовательно соединенные два симметрирующих резистора, точка соединения которых соединена с общей шиной выходного сигнала, выход усилителя постоянного напряжения через последовательно соединенные инвертирующий усилитель и второй резистор обратной связи соединен со второй сигнальной входной шиной, общие выводы дифференциального усилителя и инвертирующего усилителя соединены с общей шиной выходного сигнала, выход дифференциального усилителя соединен с входом фильтра второй гармоники.
Сущность полезной модели
Устройство иллюстрируется фиг. 1, где представлен формирователь 1 информационного сигнала феррозондового магнитометра, в котором последовательно соединены первая сигнальная входная шина 2, один вход дифференциального усилителя 3, фильтр второй гармоники 4, согласующая цепь 5, сигнальная выходная шина 6. Также устройство содержит усилитель постоянного напряжения 7, выход которого соединен с входом инвертирующего усилителя 8, выход которого последовательно соединен с первым резистором обратной связи 9, первым резистором симметрирования 10, вторым резистором симметрирования 11, вторым резистором обратной связи 12, другой вывод которого соединен с выходом усилителя постоянного напряжения 7. Второй вход дифференциального усилителя 3 соединен со второй шиной сигнального входа 13 и с точкой соединения резистора обратной связи 9 и резистора симметрирования 10. Первый вход усилителя постоянного напряжения 7 соединен с входной шиной напряжения компенсации 14, второй вход которого соединен с входной шиной напряжения компенсации 15. Общие выводы дифференциального усилителя 3, фильтра второй гармоники 4, согласующей цепи 5, усилителя постоянного напряжения 7, инвертирующего усилителя 8, точка соединения резисторов симметрирования 10 и 11, соединены с общей шиной выходного сигнала 16 формирователя информационного сигнала 1.
В магнитометре (фиг. 1) выводы сигнальной обмотки феррозонда 17 соединены соответственно с первой и второй сигнальными входными шинами 2 и 13 формирователя информационного сигнала 1 соответственно, сигнальная выходная шина 6 которого соединена с сигнальным входом микроконтроллера 18, первый выход которого соединен с входом формирователя сигнала возбуждения 19, парафазные выходы которого соединены с выводами обмотки возбуждения феррозонда 17, а общий вывод соединен с общим выводом микроконтроллера 18 и с общей шиной 16 выходного сигнала формирователя информационного сигнала 1. Второй и третий выходы микроконтроллера 18 соединены с входными шинами 14 и 15 напряжения компенсации формирователя информационного сигнала 1 соответственно. Четвертый выход микроконтроллера 18 соединен с приемником 20 результата измерения индукции МП.
2f0
0
7
8
7
к
к
7
8
9
12
ф
9
12
ф
ф
9
2f0
2f0
2f0
2f0
Работа формирователя 1 информационного сигнала осуществляется следующим образом. Выходной сигнал сигнальной обмотки феррозонда 17 по симметричной линии поступает на сигнальные входные шины 2 и 13. Прецизионные резисторы симметрирования 10 и 11 предназначены для симметричной привязки цепи каждой фазы сигнальной обмотки феррозонда 17 к общей шине 16. Номиналы резисторов симметрирования 10 и 11 равны. Дифференциальный усилитель 3 с прямым и инверсным входами обеспечивает формирование знакопеременного выходного сигнала относительно общей шины 16. Фильтр второй гармоники 4 выделяет информационный сигнал U из выходного сигнала дифференциального усилителя 3, амплитудно-частотный спектр которого определен ЭДС феррозонда 17 и, в частности, уровнем МП, воздействующего на феррозонд 17. На выходе фильтра второй гармоники 4 формируется знакопеременное напряжение с частотой в 2 раза большей частоты сигнала возбуждения f феррозонда 17. Величина и знак напряжения U на выходе усилителя постоянного напряжения 7 формируется в зависимости от напряжений компенсации на входных шинах 14 и 15 и определяется режимом работы магнитометра. На выходе инвертирующего усилителя 8 формируется напряжение U=- U. Таким образом, в сигнальную обмотку феррозонда в стационарном режиме магнитометра поступает ток компенсации iизмеряемого МП: i=(U-U)/(R+R+r), где R=R - значение резисторов 9 и 12 обратной связи, r - значение сопротивления сигнальной обмотки феррозонда 17 и r << R. При этом в стационарном режиме магнитометра U→0. АЦП микроконтроллера 18 является его сигнальным входом и в подавляющем большинстве случаев предназначен для измерения положительных напряжений. Соответственно, как один вариант, согласующая цепь 5 формирует на сигнальной выходной шине 6 уровень постоянного напряжения, равный половине рабочего диапазона АЦП микроконтроллера 18, который суммируется с знакопеременным сигналом U с выхода фильтра второй гармоники 4. Указанный выше уровень постоянного напряжения на выходе согласующей цепи 5 является виртуальным нулем (смещением информационного сигнала U) и его значение может храниться в памяти микроконтроллера 18. При этом согласующая цепь 5 также содержит, например, ограничитель величины положительного напряжения на уровне верхнего предела рабочего диапазона АЦП МК и ограничитель величины отрицательного напряжения на уровне нуля. Ограничитель напряжений может быть выполнен, например, с использованием повторителя напряжения с однополярным напряжением питания равного верхнему пределу рабочего диапазона АЦП МК. Это обеспечивает в любой момент времени уровень суммарного напряжения на входе АЦП микроконтроллера 18 только в положительной области при любой амплитуде U. Другой вариант исполнения согласующей цепи 5 - компаратор с нормированным по напряжению уровнем выходного сигнала. При этом фаза выходного сигнала компаратора соответствует направлению проекции вектора МП на ось феррозонда 17.
0
2f0
к
2f0
2f0
2f0
к
к
Магнитометр (фиг. 1) функционирует по методу компенсации МП в сердечнике феррозонда 17 [4]. Возбуждение феррозонда 17 обеспечивается формирователем сигнала возбуждения 19, на вход которого поступает импульсный сигнал частоты f с первого выхода микроконтроллера 18, например, типа меандр. Следящая система магнитометра образована формирователем 1 информационного сигнала, программным обеспечением (ПО) микроконтроллера 18, усилителем постоянного напряжения 7, инвертирующим усилителем 8 и резисторами обратной связи 9 и 12. Принцип функционирования магнитометра по методу компенсации МП в сердечнике феррозонда 17 заключается в приведении U→0 путем формирования тока i в сигнальной обмотке феррозонда такой величины и знака, при которых МП поле в сердечнике создаваемое этим током противоположно по направлению и равно по величине измеряемому МП. Приведение U→0 осуществляется путем синхронного с частотой возбуждения измерения с учетом фазы амплитуды U АЦП микроконтроллера 18 и изменении выходного напряжения ЦАП микроконтроллера 18 при соответствующей организации ПО МК. ЦАП микроконтроллера 18 является одним выходом микроконтроллера 18, второй выход которого может быть, например, цифровым. В этом случае усилитель постоянного напряжения 7 по второму входу, например, в зависимости от уровня логического 0 или 1 изменяет знак коэффициента передачи. Уровень логического 0 или 1 на втором выходе микроконтроллера 18 формируется в зависимости от направления измеряемого МП путем определения фазы информационного сигнала U, определяемого АЦП микроконтроллера 18 путем синхронного детектирования средствами ПО МК. При этом синхронное детектирование при первом варианте исполнения согласующей цепи 5 осуществляется относительно указанного выше виртуального нуля, формируемого согласующей цепью 5. При исполнении согласующей цепи 5 в виде компаратора средствами ПО МК осуществляется фазовое детектирование, в зависимости от результата которого меняется направление тока компенсации i. Результат измерения индукции МП пропорциональный току компенсации i [4] передается в цифровом или аналоговом виде в приемник 20.
Возможен иной вариант исполнения согласующей цепи 5 и усилителя постоянного напряжения 7 [3]. В этом случае согласующая цепь 5 содержит пассивные R, С элементы с диодом, а усилитель постоянного напряжения 7 выполнен в виде суммирующего усилителя с прямым и инверсным входами. Соответственно на втором выходе (один ЦАП) микроконтроллера 18 формируется постоянное напряжение, пропорциональное индукции одного направления МП, а на первом выходе (другой ЦАП) микроконтроллера 18 - уровень напряжение равен нулю и наоборот при другом направлении МП.
Технический результат
Техническим результатом является повышение помехоустойчивости в условиях повышенного уровня синфазной помехи. Формирователь информационного сигнала феррозондового магнитометра представляет собой унифицированную структуру и может быть использован в серийном изготовлении в виде микросхемы с малыми первичными затратами, например, на базовом матричном кристалле.
Источники информации
1. Афанасьев Ю.В. Бушуев Л.Я. Трехкомпонентный феррозонд // Приборы и системы управления. 1978. №1. с. 29-31.
2. Описание изобретения к патенту RU 2539726, МПК: G01R 33/02, 27.01.2015 г.
3. Плата П-35.377, Схема электрическая принципиальная ИНАЯ.469135.377 Э3, 2016 г.
4. Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. - Л.: Энергоатомиздат, 1986 г.