Устройство для измерения магнитных полей

 

Использование: изобретение относится к области магнитных измерений, в частности к феррозондовым магнитометрам. Сущность изобретения: устройство для измерения магнитных полей, содержащее феррозонд с измерительной обмоткой из медного провода и обмоткой возбуждения, подключенной к выходам генератора, усилительно-преобразовательный блок с резистором в цепи обратной связи, подключенный к первому входу измерительного блока и к резистивному делителю напряжения, снабжено двумя резисторами, величина сопротивления первого из которых равна величине сопротивления резистора цепи обратной связи, а второго - величине сопротивления медного провода измерительной обмотки, выход которой через фильтр и выход резистивного делителя через переключатель подключены соответственно к первому и второму входам дифференциального усилителя, выход которого подключен ко второму входу измерительного блока и через резистор переменного сопротивления - к выходу измерительной обмотки. В устройстве автоматическим отслеживанием изменения напряжения на термозависимом сопротивлении медного провода измерительной обмотки осуществляется компенсация погрешности устройства, обусловленная изменением температуры окружающей среды внутри феррозонда, а также измерение температуры. 1 ил.

Изобретение относится к области магнитных измерений. Известно устройство для измерения магнитных полей, содержащее блок ферромодуляционных преобразователей с феррозондами и термодатчиком, выходы которых подключены к блоку измерения [1] Недостатком устройства является его сложность и низкая надежность и точность.

Наиболее близким из аналогов является устройство для измерения магнитных полей, содержащее феррозонд с измерительной обмоткой из медного провода и обмоткой возбуждения, подключенной к выходам генератора, блок измерения и блок усилительно-преобразовательный, вход которого подключен к выходу измерительной обмотки, а выход ко входу блока измерения и через резистор цепи отрицательной обратной связи к выходу измерительной обмотки [2] Недостатком устройства является низкая точность измерения из-за воздействия температуры окружающей среды на феррозонд.

Задача изобретения повышение точности измерения.

Задача достигается тем, что в устройство для измерения магнитных полей, содержащее феррозонд с измерительной обмоткой из медного провода и обмоткой возбуждения, подключенной к выходам генератора, блок измерения и блок усилительно-преобразовательный, вход которого подключен к выходу измерительной обмотки феррозонда, а выход ко входу блока измерения и через резистор цепи отрицательной обратной связи к выходу измерительной обмотки феррозонда, дополнительно введены фильтр, переключатель, дифференциальный усилитель, первый и второй входы которого подключены к соответствующим выходам переключателя, а выход ко второму входу блока измерения и через резистор переменного сопротивления к выходу измерительной обмотки феррозонда, который соединен с входом фильтра, выход которого соединен с первым входом переключателя, два резистора постоянного сопротивления, первый из которых подключен между выходом блока усилительно-преобразовательного и вторым входом переключателя, соединенным через второй резистор с общим проводом, причем величина сопротивления первого резистора равна величине сопротивления резистора цепи отрицательной обратной связи, а величина сопротивления второго резистора величине сопротивления медного провода измерительной обмотки феррозонда при нормальной температуре.

На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения магнитных полей.

Устройство содержит феррозонд 1 с измерительной обмоткой 2 из медного провода и обмоткой 3 возбуждения, подключенной к выходам генератора 4, блок 5 измерения, блок 6 усилительно-преобразовательный, резистор 7 в цепи отрицательной обратной связи, фильтр 8, переключатель 9, дифференциальный усилитель 10, резистор 11 переменного сопротивления, первый 12 и второй 13 резисторы постоянного сопротивления.

Устройство работает следующим образом.

В обмотку 3 возбуждения феррозонда 1 подается ток возбуждения, поступающий от генератора 4. В процессе ферромодуляционного преобразования, при наличии разности между измеряемым и компенсирующим магнитным полями, на выходе измерительной обмотки 2 феррозонда 1 появляется величина рассогласования в виде переменного периодического напряжения второй гармоники частоты возбуждения. С помощью блока 6 усилительно-преобразовательного осуществляется выделение полезного сигнала второй гармоники из входного спектра частот, усиление переменного полезного сигнала, а затем фазочувствительное преобразование амплитуды напряжения второй гармоники в напряжение постоянного тока. Резистором 7 осуществляется формирование компенсационного тока измерительной обмотки 2, пропорционального выходного напряжения U_вых. блока 6 усилительно-преобразовательного. В момент полной компенсации в измерительной обмотке 2 тока, наводимого измеряемым полем B током компенсации I_ос цепи отрицательной обратной связи, выходное напряжение U_вых.н блока 6 усилительно-преобразовательного при нормальной окружающей температуре внутри феррозонда 1 пропорционально величине измеряемой компоненты B вектора магнитного поля: U_вых.н K_н.B где K_н коэффициент преобразования устройства для измерения магнитных полей при нормальной температуре.

При изменении температуры t внутри феррозонда 1 появляется погрешность, обусловленная изменением ΔK(t) коэффициента преобразования K, т.е.

, где ΔU_вых(t) = ΔK(t)B погрешность преобразования, приведенная к выходу блока 6 усилительно-преобразовательного: а так как в момент полной компенсации измеряемого поля B компенсирующим полем обратной связи B_ос верно равенство B=B_ос, а U_вых=I_осR_ос, следовательно:
,
где постоянная измерительной обмотки 2, по цепи обратной связи, которая определяется числом витков и геометрическими размерами обмотки.

Сопротивление обратной связи R_ос определяется выражением:
R_ос R₇ + R₂
где
R₂ сопротивление медного провода измерительной обмотки 2 изменяемое от температуры.

Следовательно в целом температурная нестабильность ΔK(t) коэффициента преобразования K обусловлена нестабильностью постоянной измерительной обмотки 2 и сопротивления измерительной обмотки 2.

Токовая величина температурной погрешности, приведенная в цепь измерительной обмотки 2 определяется выражением:
(I),
где
γ коэффициент линейной аппроксимации температурной погрешности.

Последовательно соединенные резистор 7 и сопротивление измерительной обмотки 2, а также резистор 12 и резистор 13 являются плечами резистивной мостовой схемы. Цепь, содержащая резистор 7 и сопротивление измерительной обмотки 2, является первым делителем мостовой схемы, а цепь, содержащая резистор 12 и резистор 13, является вторым делителем мостовой схемы. Выходное напряжение блока 6 усилительно-преобразовательного является в то же время входным напряжением мостовой схемы, а разность (U₁ U₂) выходных напряжений постоянного тока измерительной (U₁) обмотки 2 и резистивного делителя напряжений (U₂) образованного резисторами 12 и 13 является выходным (диагональным) напряжением мостовой схемы.

Частотным фильтром 8 осуществляется выделение постоянной составляющей U₁ напряжения на выходе измерительной обмотки 2 путем подавления спектральных составляющих переменного напряжения, т.е. четно и нечетно-герметических составляющих.

В данном случае предполагается равенство коэффициента передачи по постоянному току фильтра 8 единице. Через переключатель 9 напряжения U₁, U₂ подаются на входы дифференциального усилителя 10 (вычитателя) с коэффициентом усиления a, выходное напряжение которого U₁₀ определяется выражением:
.

Величина сопротивления R₁₂ резистора 12 выбрана равной величине сопротивления R₇ резистора 7, а величина сопротивления R₁₃ резистора 13 равной величине сопротивления R_2H медного провода измеряемой обмотки 2 при нормальной температуре (при R₂ R_2H). При нормальной температуре внутри феррозонда 1 мостовая схема сбалансирована и напряжение на выходе усилителя 10 отсутствует, т.е. U₁₀ 0. При этом также отсутствует погрешность коэффициента преобразования, т.е. ΔK(t) 0. Изменение температуры внутри феррозонда 1 вызывает изменение коэффициента преобразования K. Пропорционально изменение Δt температуры изменяется сопротивление медного провода измерительной обмотки на величину ΔR₂, т.е. R₂= R_2H+ΔR₂(t), следовательно на выходе дифференциального усилителя 10 появляется напряжение:
,
т.к. ΔR₂(t) ≪ R₇ и с учетом вышеуказанных равенств сопротивлений:
, учитывая, что ΔR₂(t) = ν·Δt,aν = R_2H·TK_R где ТК_R температурный коэффициент сопротивления медного провода, получим:
U₁₀= ανI_ocΔt (3)
Таким образом, выражение (3) определяет величину и характер линейной термозависимой обратной связи устройства для измерения магнитных полей. Характер обратной связи (отрицательный или положительный) задается переключателем полярности 9. Изменением величины сопротивления R₁₁ переменного резистора 11 формируется компенсирующая величина тока, подаваемого в измерительную обмотку 2, а с помощью переключателя 9 формируется знак компенсирующего тока, противоположный знаку погрешности, путем переключения входов дифференциального усилителя 10. Следовательно величина тока компенсации I_k погрешности определяется выражением:
.

При этом условием компенсации, с учетом выражений (1), (4), является следующее равенство:
,
откуда

Блоком 5 измерения осуществляется измерение выходных напряжений блока 6 усилительно-преобразовательного и дифференциального усилителя 10. В процессе калибровки устройства для измерения магнитных полей при заданных и фиксированных значениях внешнего магнитного поля в различных точках температурного диапазоне определяются погрешности путем измерения разности между эталонными и измеренными значениями магнитного поля. При этом осуществляется контроль изменения температуры внутри феррозонда 2 по результатам измерения напряжений U_вых и U₁₀ путем давления значений от их напряжений.

Дейтвительно, с учетом выражений (2) и (3) в результате деления выражений, получим:
,
откуда

где
масштабный коэффициент, определяемый параметрами схемы.

В устройстве возможен другой вариант коррекции погрешности. В данном случае необходимо исключение резистора 11 (R₁₁= ∞) т.е. токовой компенсирующей цепи с выхода дифференциального усилителя 10 на измерительную обмотку 2. Второй вариант, предусматривает автоматическую коррекцию погрешности по напряжению в блоке 5 измерения по результатам измерения входных напряжений U_вых и U₁₀. Процесс коррекции описывается выражением:
U_вых.н= U_вых-U₁₀= [U_вых.н+U_вых(t)]-ΔU_вых(t),
где
U₁₀= ΔU_вых(t)
Условием компенсации, с учетом выражения (2), является следующее равенство:
,
откуда
,
Как видно из выражений (7), (8) в данном случае компенсация погрешности обеспечивается регулировкой коэффициента усиления дифференциального усилителя 10.

Достоинством варианта является возможность коррекции погрешности от влияния температуры внутри феррозондового устройства, содержащего несколько феррозондов. При этом для измерения температуры используется измерительная обмотка только одного феррозонда.

Варианты реализации автоматической коррекции погрешности приемлемы также и для автокомпенсационных магнитометров, содержащих кроме измерительной обмотки и отдельную компенсационную обмотку с последовательно включенным резистором цепи обратной связи. Из соображений точности компенсации погрешности, для реализации термокомпенсирующей цепи целесообразно выбирать обмотку с наибольшим сопротивлением медного провода.

В устройстве по сравнению с ближайшим аналогом осуществляется исключение погрешности, обусловленной температурными дестабилизирующими факторами. Использование измерительной обмотки феррозонда в качестве измерителя температуры исключает необходимость установки дополнительного термодатчика и введения дополнительных термовыводов в феррозондовом датчике.

Формула изобретения

Устройство для измерения магнитных полей, содержащее феррозонд с измерительной обмоткой из медного провода и обмоткой возбуждения, подключенной к выходам генератора, блок измерения и усилительно-преобразовательный блок, вход которого подключен к выходу измерительной обмотки, а выход к входу измерительного блока и через резистор цепи отрицательной обратной связи к выходу измерительной обмотки, отличающееся тем, что в него дополнительно введены фильтр, переключатель, дифференциальный усилитель, первый и второй входы которого подключены к соответствующим выходам переключателя, а выход к второму входу блока измерения и через резистор переменного сопротивления к выходу измерительной обмотки, который соединен с входом фильтра, выход которого соединен с первым входом переключателя, два резистора, первый из которых подключен между выходом усилительно-преобразовательного блока и вторым входом переключателя, соединенным через второй резистор с общим проводом, причем величина сопротивления первого резистора равна величине сопротивления резистора цепи отрицательной обратной связи, а величина сопротивления второго резистора величине сопротивления медного провода измерительной обмотки при нормальной температуре.

РИСУНКИ

Рисунок 1