Устройство для измерения индукции переменного магнитного поля

 

Изобретение относится к магнитоизмерительной технике и позволяет в широком диапазоне и с высокой точностью формировать на выходе устройства величину измеряемой магнитной индукции. Для измерения использован индукционный датчик, сигнал с которого поступает на входы усилителей с различными коэффициентами усиления с функцией интегрирования. Выходы усилителей соединены с входами компараторов и мультиплексора. В зависимости от уровня сигнала с датчика, на выход устройства через мультиплексор подается сигнал с выхода того усилителя, коэффициент усиления которого наиболее соответствует уровню сигнала с датчика. Коммутация того или иного выхода усилителей на выход устройства осуществляется за счет отслеживания уровней сигналов с помощью компараторов, выходы которых через дешифратор приоритета подключены к адресным выходам мультиплексора. 2 ил.

Изобретение относится к магнитоизмерительной технике и может быть использовано для измерения индукции переменного магнитного поля двигателя переменного тока при построении цифровых систем управления, для измерения величины однократных всплесков электромагнитного поля, контроля уровня электромагнитных помех, а также для измерения любых переменных магнитных полей с большой амплитудой колебания индукции переменного магнитного поля и т.д.

Известен измеритель переменного магнитного поля, содержащий измерительную катушку, располагаемую в среде переменного магнитного поля, и интегрирующий усилитель (авт. св. СССР N 1624372, кл. G 01 R 33/00).

Недостатком известного устройства является малая ширина диапазона амплитуды измеряемой переменной магнитной индукции на его выходе за счет постоянства коэффициента усиления, а также недостаточная точность измерения индукции переменного магнитного поля в случае сопряжения устройства с цифровыми системами сбора данных из-за отсутствия возможности стробированного опроса выходной величины.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является индукционный тесламетр, содержащий три взаимно ортогональных индукционных датчика, расположенных по осям X, Y, Z координат, и подключенные к ним соответствующие усилители переменного напряжения, три блока автоматической регулировки усиления, три компаратора напряжения и мультиплексор, информационные входы которого соединены с выходами соответствующего усилителя переменного напряжения и с входом блока автоматической регулировки усиления, выход каждого из которых подключен к вторым входам соответствующего усилителя переменного напряжения и к соответствующим инверсному и неинверсному входам попарно включенных компараторов напряжения, выходы которых подключены к управляющим входам мультиплексора. При этом выходы компараторов датчиков, расположенных по осям X, Y, через диоды, включенные обратной проводимостью, и резистор соединены со своим прямым входом, а выход компаратора датчика, расположенного по оси Z, через диод, включенный прямой проводимостью, и резистор подключен к своему прямому входу (авт. св. СССР N 1636814, кл. G 01 R 33/02).

Недостатками известного технического решения являются низкая точность измерения индукции переменного магнитного поля из-за отсутствия количественной оценки коэффициента усиления и невозможности осуществления на выходе устройства функции выборки-хранения выходной величины, а также узкий диапазон измерения амплитуды индукции магнитного поля за счет использования автоматической регулировки усиления, при которой возможен достоверный контроль индукции при ограниченном диапазоне представления ее амплитуды на выходе устройства.

В основу изобретения положена задача разработать устройство для измерения индукции переменного магнитного поля, которое обеспечит точность измерения индукции путем отображения коэффициента усиления в виде двоичных данных на дополнительных выводах и использования схемы выборки-хранения на выходе устройства с одновременным расширением диапазона амплитуды измеряемого входного сигнала за счет стабилизации уровня амплитуды выходного сигнала посредством коммутации на выход устройства каналов, обладающих различными коэффициентами усиления.

Поставленная задача решается тем, что известное устройство для измерения индукции переменного магнитного поля, содержащее индукционный датчик, три усилителя переменного напряжения, выходы которых соединены с соответствующими информационными входами мультиплексора, а также три компаратора напряжения согласно изобретению, введены дополнительный усилитель переменного напряжения, блок дешифратора приоритета, емкость, повторитель, первый и второй резистивные делители, при этом входы трех усилителей переменного напряжения и вход дополнительного усилителя переменного напряжения соединены с выходом индукционного датчика, а выход дополнительного усилителя переменного напряжения - с соответствующим информационным входом мультиплексора, одни выводы резистивных делителей подключены к общей шине, а другие - к соответствующим шинам питающих напряжений, компараторы напряжения выполнены сдвоенными, их информационные входы подключены к выходам упомянутых трех усилителей переменного напряжения, первые опорные входы подключены к средней точке первого резистивного делителя, вторые опорные входы - к средней точке второго резистивного делителя, а выходы соединены с соответствующими входами блока дешифратора приоритета, каждый выход которого соединен с соответствующим адресным входом мультиплексора и введенным блоком опроса двоичных данных для масштабирования выходной величины, вход разрешения мультиплексора подключен к введенному блоку задания режима выборки-хранения выходной величины, а выход мультиплексора соединен с повторителем и с емкостью, один вывод которой подключен к общей шине.

Известно использование мультиплексоров в качестве аналоговых коммутаторов для коммутации сигналов с нескольких входов на выход (например Якубовский С. В. и др. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие - М.: Радио и связь, 1984, с. 371 - 377).

В предлагаемом устройстве мультиплексор, информационные шины которого напрямую соединены с выходами усилителей переменного напряжения, настроенных на различные коэффициенты усиления, а адресные входы - с выходами дешифратора приоритета, проявляет новое техническое свойство, заключающееся в регулировании коэффициента усиления устройства, что обеспечивает стабилизацию амплитуды выходного сигнала при изменении амплитуды входного сигнала в широком диапазоне. Это приводит к расширению диапазона измеряемой величины.

Известно использование сдвоенных компараторов напряжения для контроля за уровнями напряжения входных двуполярных сигналов, который осуществляют относительно опорных напряжений, устанавливаемых резистивными делителями напряжения (например, Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители, М.: Энергоиздат, 1982, с. 76 - 82).

Известно также использование логических элементов в качестве дешифратора приоритета (например, Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы, - М.: Радио и связь 1989, с. 133 - 144).

В предлагаемом устройстве соединение сдвоенных компараторов напряжения с выходами усилителей переменного напряжения, с резистивными делителями и с входами дешифратора приоритета позволяет обеспечить контроль за коэффициентом усиления устройства. При этом использование двух единых для всех компараторов напряжения резистивных делителей для соответствующих полярностей входного сигнал обеспечивает одновременное переключение фактического коэффициента усиления и его отображаемого значения на выходе дешифратора приоритета, что позволяет повысить точность контроля выходной величины.

Известно устройство сбора данных с использованием мультиплексора, выполняющего только функцию коммутатора за счет соединения его с входным каскадом выборки-хранения (Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC под ред. У.Томкинса М.: Мир, 1992, с. 219).

В предлагаемом устройстве мультиплексор, соединенный через емкость и повторитель с выходом устройства, а через вход разрешения - с блоком задания режима выборки-хранения выходной величины, представляет собой управляемый входной каскад схемы выборки-хранения. Такое соединение элементов приводит к созданию нового технического эффекта, заключающегося в возможности стробированного опроса выхода устройства посредством перевода мультиплексора в состояние высокого сопротивления сигналом с блока задания режима выборки-хранения выходной величины.

На основании вышеприведенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что предлагаемая конструкция устройства для измерения индукции переменного магнитного поля не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения индукции переменного магнитного поля; на фиг. 2 - структурная схема дешифратора приоритета.

Устройство для измерения индукции переменного магнитного поля содержит индукционный датчик 1 (фиг. 1), четыре усилителя переменного напряжения 2 - 5, три сдвоенных компаратора напряжения 6 - 8, два резистивных делителя 9 и 10, одни выводы которых подключены к общей шине, а другие - к соответствующим шинам питающих напряжений, блок дешифратора приоритета 11 (фиг. 1 и 2), мультиплексор 12 с информационными входами X₀ - X₃, адресными входами A, B и входом разрешения C, емкость 13, подключенную к общей шине 14, повторитель 15, блок опроса двоичных данных для масштабирования выходной величины 16 и блок задания режима выборки-хранения выходной величины 17.

Выход индукционного датчика 1 (фиг. 1) подключен к входам усилителей переменного напряжения 2 - 5, выходы которых соединены соответственно с информационными входами сдвоенных компараторов напряжения 6 - 8. Первые опорные входы компараторов 6 - 8 соединены со средней точкой первого резистивного делителя 9 (фиг. 1), вторые опорные входы - со средней точкой второго резистивного делителя 10, а выходы компараторов 6 - 8 соединены с соответствующими входами I - III блока дешифратора приоритета 11.

При этом блок дешифратора приоритета 11 (фиг. 1 и 2) представляет собой блок логических элементов, преобразующих входной трехразрядный код в двухразрядный код, и состоящий из двух логических элементов НЕ 18 и 19 (фиг.2), двух трехвходовых логических элементов И 20, 21 и двух двухвходовых логических элементов ИЛИ 22, 23.

Каждый выход (D₀ и D₁) блока дешифратора приоритета 11 соединен с соответствующим адресным входом мультиплексора 12 и блоком опроса двоичных данных для масштабирования входной величины 16.

Вход разрешения C мультиплексора 12 подключен к блоку задания режима выборки-хранения выходной величины 17.

Выход мультиплексора 12 соединен с повторителем 15 и емкостью 13, один вывод которой подключен к общей шине 14.

В предлагаемом устройстве в качестве усилителя переменного напряжения использован известный блок, описанный в книге (Дж. Кара Проектирование и изготовление М.: Мир, 1986, с. 369, рис. 22.13); в качестве сдвоенного компаратора использована стандартная ИМС К554СА1 (Аналоговые и интегральные микросхемы: Справочное пособие Якубовский С.В., Барканов Н.А., Ниссельсон Л. И. и др.; Под. ред. С.В.Якубовского, 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1984, с. 309, рис. 6.28а); в качестве мультиплексора использована стандартная ИМС К561КП1 (Шило В.Л., Популярные цифровые микросхемы: Справочник, - 2-е изд. исправленное, - М.: Радио и связь, 1989, с. 231, рис. 2.29); в качестве повторителя использована стандартная схема, описанная в книге (Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: пер. с англ. /Под ред. У.Томпкинса, Дж. Уэбстера, - М.: Мир, 1992, с. 18, рис. 1.5); в качестве блоков контроля и задания использован микроконтроллер серии 1816МК48, описанный в книге (Сташин В.В., Урусов А.В. и др. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах - М.: Энергоатомиздат 1990, с. 26).

Устройство для измерения индукции переменного магнитного поля работает следующим образом.

Индукционный датчик 1 (фиг. 1) размещают в среде переменного магнитного поля, например, в воздушном зазоре двигателя переменного тока (не показан). Переменная магнитная индукция поля двигателя воздействует на индукционный датчик 1 (фиг. 1), в результате чего в датчике 1 пропорционально этому воздействию возникает ЭДС индукции. ЭДС индукции интегрируют и усиливают усилителями переменного напряжения 2 - 5. Для этого в предлагаемом устройстве усилитель переменного напряжения 2 настраивают на минимальный коэффициент усиления, усилитель переменного напряжения 5 - на максимальный коэффициент усиления, а усилители переменного напряжения 3 и 4 настраивают на промежуточные коэффициенты усиления, причем усилитель переменного напряжения 4 настраивают на коэффициент усиления больший, чем коэффициент усиления усилителя переменного напряжения 3. Значения нижнего предела коэффициента усиления усилителя переменного напряжения 2 и верхнего предела коэффициента усиления усилителя переменного напряжения 5 определяются диапазоном амплитуды измеряемой магнитной индукции, а промежуточные коэффициенты усиления усилителей переменного напряжения 3 и 4 выбираются, исходя из требований к линейности амплитуды выходной величины магнитной индукции.

Такая настройка усилителей переменного напряжения 2 - 5 в предлагаемом устройстве позволяет достичь максимальной ширины диапазона выходной амплитуды индукции.

Сигналы, пропорциональные индукции двигателя, с выходов усилителей переменного напряжения 3 - 5 поступают одновременно на информационные входы соответствующих сдвоенных компараторов напряжения 6 - 8. При этом соединения первых опорных входов компараторов 6 - 8 со средней точкой резистивного делителя 9, обеспечивающего деление напряжения между шиной питающего напряжения положительной полярности (+U_п) и общей шиной, а вторых опорных входов - со средней точкой резистивного делителя 10, обеспечивающего в свою очередь деление напряжения между шиной питающего напряжения отрицательной полярности (-U_п) и указанной общей шиной, позволяет создать одинаковые пороги переключения компараторов 6 - 8 для положительной и отрицательной полярности сигналов, пропорциональных измеряемой индукции.

Так как делители 9 и 10 настроены на один коэффициент деления, то в результате на опорные входы компараторов 6 - 8 со средних точек резистивных делителей поступают одинаковые по модулю опорные напряжения.

Значение опорного напряжения для компараторов 6 - 8 определяют из условия: где U_max - максимальное выходное напряжение усилителя, соответствующие линейному режиму его работы; ΔU - приращение выходного сигнала усилителя за время переключения компаратора при максимально возможной скорости нарастания сигнала.

Увеличивающиеся по амплитуде сигналы, пропорциональные индукции, сначала вызывают превышение опорного напряжения на входе компаратора 8, в результате чего на его выходе появляется логическая единица перед выходом усилителя переменного напряжения 5 из линейного режима усиления, так как опорное напряжение для компаратора 8 (U_оп) в соответствии с зависимостью (1) выбирается близким к U_max с зависимостью (1) выбирается близким к U_max. При дальнейшем увеличении сигнала происходит аналогичный процесс переключений с усилителем 4 и компаратором 7, а затем - с усилителем переменного напряжения 3 и компаратором 6, после чего в линейном режиме работает только усилитель переменного напряжения 2. Таким образом, уровень логической единицы последовательно появляется на выходах сдвоенных компараторов напряжения 8, 7, 6 при превышении выходными сигналами соответствующих усилителей переменного напряжения 5, 4 и 3 опорного напряжения для положительной (+U_оп) или опорного напряжения для отрицательной (-U_оп) полярности выходного сигнала. Использование единого для всех компараторов 6 - 8 опорного напряжения одного знака обеспечивает максимальную точность настройки компараторов напряжения 6 - 8 на порог их срабатывания.

После указанных переключений компараторов 8 - 6, выходы которых соединены соответственно с входами III, II и I блока дешифратора приоритета 11 (фиг. 1 и 2), на указанные входы последнего поступает двоичный трехразрядный параллельный код.

В блоке дешифратора приоритета 11 указанный код преобразуется известным способом посредством набора логических элементов 18 - 19, 20 - 21 и 22 - 23 (фиг. 2), реализующих соответственно функции логических НЕ, И и ИЛИ, в двоичный двухразрядный код, который поступает на выходы D₀ и D₁ блока дешифратора приоритета 11.

В случае, когда измеряемый входной сигнал магнитной индукции в начальный момент времени близок к нулевому значению, на выходах компараторов 6 - 8 устанавливаются уровни логического нуля. Выходы D₀ и D₁ блока дешифратора приоритета 11, соединенные соответственно с адресными входами A и B мультиплексора 12, будут находиться при этом в нулевом состоянии, также как и его входы I - III. В то же время двоичный двухразрядный код с выходов D₀ и D₁ блока 11 поступает на входы блока опроса двоичных данных для масштабирования выходной величины 16, который предназначен для определения текущего коэффициента пересчета выходного сигнала.

При дальнейшем увеличении измеряемого входного сигнала магнитной индукции состояние выхода компаратора 8 изменяется, в результате чего на выходе III блока дешифратора приоритета 11 устанавливается уровень логической единицы, а на его входах II и I остаются значения логического нуля. Тогда зарегистрированный на входах III-I двоичный трехразрядный параллельный код посредством блока дешифратора приоритета 11 преобразуется на его выходах D₁ и D₀ в двоичный двухразрядный код (01) и изменяет состояние адресных входов A и B мультиплексора 12, где на входе A устанавливается значение логической единицы, а на выходе B - значение логического нуля.

Это приводит к отключению выхода усилителя переменного напряжения 5 от выхода мультиплексора 12 и подключению выхода усилителя переменного напряжения 4 через информационный вход X₁ к выходу мультиплексора 12. Одновременно с указанными переключениями происходит передача кода (01) с выходов D₁ и D₀ блока дешифратора приоритета 11 на входы блока опроса двоичных данных для масштабирования выходной величины 16.

При дальнейшем увеличении измеряемого входного сигнала магнитной индукции состояние выхода компаратора напряжения 7 изменяется, устанавливая уровень логической единицы на входе II блока дешифратора приоритета. При этом на входах III - I блока дешифратора приоритета 11 устанавливается двоичный трехразрядный код (110), который, преобразуясь на выходах D₁ и D₀ в двоичный трехразрядный код (10), изменяет состояние адресных входов A и B мультиплексора 12, на которые поступает код (10). При этом происходит отключение выхода усилителя переменного напряжения 4 от выхода мультиплексора 12 и подключение выхода усилителя переменного напряжения 3 через информационный вход X₂ к выходу мультиплексора 12. Одновременно с указанными переключениями происходит передача кода (10) с выходов D₁ и D₀ блока дешифратора приоритета 11 на входы блока опроса двоичных данных для масштабирования выходной величины сигнала 16.

Дальнейшее увеличение измеряемого входного сигнала магнитной индукции приводит к срабатыванию компаратора напряжения 6. При этом на выходах III - I блока дешифратора приоритета 11 устанавливается двоичный трехразрядный код (111), который преобразуется на выходах D₁ и D₀ в двоичный двухразрядный код (11). В результате этого выход усилителя переменного напряжения 3 отключается от выхода мультиплексора 12 и к выходу последнего через информационный вход X подключается выход усилителя переменного напряжения 2. Одновременно происходит передача кода (11) с выходов D₁ и D₀ блока дешифратора приоритета 11 на входы блока опроса двоичных данных для масштабирования выходной величины сигнала 16.

В случае обратного изменения (уменьшения) величины входного сигнала магнитной индукции предлагаемая конструкция устройства обеспечит осуществление вышеописанных переключений в обратной последовательности, то есть при максимальном значении начального входного сигнала в линейном режиме будет работать только усилитель переменного напряжения 2, выход которого через информационный вход X₃ подключен к выходу мультиплексора 12. При дальнейшем снижении величины измеряемого входного сигнала магнитной индукции до нулевого значения к выходу мультиплексора 12 последовательно будут подключаться через информационные входы X₂, X₁ и X₀ выходы усилителей переменного напряжения 6, 4 и 5.

При изменении полярности измеряемой магнитной индукции с положительной на отрицательную работа предлагаемого устройства будет осуществляться идентично вышеописанным случаям за исключением полярности формируемого на выходе мультиплексора 12 сигнала. При этом сравнение сигналов с выходов усилителей переменного напряжения 2 - 5 будет осуществляться с опорным напряжением соответствующей полярности. Причем точность совпадения опорных напряжений для положительной и отрицательной полярности входных сигналов компараторов 6 - 8 в данном случае неважна, так как при их несовпадении переключение любого из компараторов 6, 7 или 8 произойдет при разных уровнях входного сигнала компараторов 6 - 8 в зависимости от его полярности, но при этом одновременно с подключением очередного выхода усилителя переменного напряжения 2, 3, 4 или 5 к выходу мультиплексора 12 через его информационные входы X₃ - X₀ на выходе блока опроса двоичных данных 16 для масштабирования выходной величины будет меняться двоичный двухразрядный код, определяющий реальную величину амплитуды измеряемой магнитной индукции.

Таким образом, предлагаемая конструкция устройства позволяет на выходе мультиплексора 12 представлять аналоговую величину, пропорциональную сигналу измеряемой магнитной индукции, в одном диапазоне амплитуд, а блоком опроса двоичных данных для масштабирования выходной величины 16 регистрировать двоичный двухразрядный код, определяющий реальную величину амплитуды измеряемой магнитной индукции.

Кроме того, предлагаемое устройство позволяет осуществить стробируемый опрос величины магнитной индукции следующим образом: на вход разрешения C мультиплексора 12 с блока задания режима выборки-хранения выходной величины 17 (фиг. 1) поступает сигнал опроса. Одновременно блоком опроса двоичных данных для масштабирования выходной величины 16 с выходов D₀ и D₁ бока дешифратора приоритета 11 считывается двоичный двухразрядный код. Мультиплексор 12 при этом переходит в состояние высокого сопротивления, выполняя функцию входного каскада выборки-хранения, в результат чего представляемая на его выходе аналоговая величина сигнала измеряемой магнитной индукции запоминается емкостью 13 (фиг. 1) и через повторитель 15 устанавливается на выходе D предлагаемого устройства. Одновременно с этим блоком опроса данных для масштабирования выходной величины 16 фиксируется двоичный двухразрядный код, определяющий реальную величину измеряемой магнитной индукции.

Режим опроса устройства, задаваемый сигналом с блока задания режима выборки-хранения выходной величины 17, обеспечивает однократный режим контроля значения измеряемой магнитной индукции переменного магнитного поля на выходе D устройства в определенный момент времени.

При отсутствии сигнала опроса на выходе D предлагаемого устройства формируется непрерывно изменяющийся во времени сигнал, пропорциональный измеряемой магнитной индукции.

Для обеспечения формирования величины измеряемой магнитной индукции в непрерывном режиме на выходе D устройства величину емкости 13 выбирают, исходя из требований к минимальному искажению выходной аналоговой величины сигнала во всем диапазоне изменения его частоты. Повторитель 15 в этом случае выполняет функцию буферного усилителя.

Таким образом, предлагаемая конструкция устройства позволяет в широком диапазоне и с высокой степенью точности формировать на выходе D устройства величину измеряемой индукции переменного магнитного поля за счет обеспечения постоянства диапазона амплитуды выходного сигнала, пропорционального магнитной индукции, и создания дополнительного цифрового выхода для масштабирования выходной величины магнитной индукции, при этом предлагаемое устройство обеспечивает как непрерывное, так и дискретное сканирование выходной величины сигнала.

Кроме того, предлагаемое устройство позволяет значительно упростить организацию опроса выходной величины измеряемой магнитной индукции цифровыми системами сбора данных за счет выполнения мультиплексором, емкостью и повторителем функции выборки-хранения выходной величины.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что предлагаемое устройство для измерения индукции переменного магнитного поля работоспособно, устраняет недостатки, имеющие место в прототипе, и может найти широкое применение при измерении магнитных полей с амплитудой колебания индукции в широком диапазоне, при регистрации мгновенных значений индукции переменного магнитного поля, при измерении величины однократных всплесков электромагнитного поля, при измерении уровня электромагнитных помех, а также при построении цифровых и микропроцессорных систем управления двигателем переменного тока.

Следовательно, предлагаемое устройство соответствует условию "промышленной применимости".

Формула изобретения

Устройство для измерения индукции переменного магнитного поля, содержащее индукционный датчик, три усилителя переменного напряжения, выходы которых соединены с соответствующими информационными входами мультиплексора, а также три компаратора напряжения, отличающееся тем, что в него введены дополнительный усилитель переменного напряжения, блок дешифратора приоритета, емкость, повторитель, первый и второй резистивные делители, при этом входы трех усилителей переменного напряжения и вход дополнительного усилителя переменного напряжения соединены с выходом индукционного датчика, а выход дополнительного усилителя переменного напряжения - с соответствующим информационным входом мультиплексора, одни выводы резистивных делителей подключены к общей шине, а другие - к соответствующим шинам питающих напряжений, компараторы напряжения выполнены сдвоенными, их информационные входы подключены к выходам упомянутых трех усилителей переменного напряжения, первые опорные входы подключены к средней точке первого резистивного делителя, вторые опорные входы - к средней точке второго резистивного делителя, а выходы соединены с соответствующими входами блока дешифратора приоритета, каждый выход которого соединен с соответствующим адресным входом мультиплексора и введенным блоком опроса двоичных данных для масштабирования выходной величины, вход разрешения мультиплексора подключен к введенному блоку задания режима выборки-хранения выходной величины, а выход мультиплексора соединен с повторителем и с емкостью, один вывод которой подключен к общей шине.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2