Быстродействующее устройство для измерения напряженности магнитного поля

 

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения напряженности магнитного поля. Техническим эффектом является повышение быстродействия измерений за счет достижения значения компенсирующего поля при помощи одного импульса длительностью, соизмеримой с t_и. Быстродействующее устройство для измерения напряженности магнитного поля содержит первый генератор прямоугольных импульсов, феррозонд с сердечником, выполненным из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице. К выходной обмотке феррозонда подключен интегратор, выходом соединенный с входом первого порогового блока, последовательно соединенные логический элемент И, счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока, ключ и обмотка возбуждения феррозонда. Первый вход логического элемента И соединен с выходом первого генератора прямоугольных импульсов. Новым в устройстве являются RS-триггер, вторые генератор прямоугольных импульсов и пороговый блок. Выход второго генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом RS-триггера и вторым входом счетчика импульсов, выход первого порогового блока - с вторым входом RS-триггера, выход RS-триггера - с вторыми входами ключа и логического элемента И, вход второго порогового блока - с выходной обмоткой феррозонда, а выход - с третьим входом логического элемента И. 2 ил.

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения напряженности магнитного поля.

Известен следящий магнитометр, содержащий генератор, датчик ядерного магнитного резонанса, усилитель, управитель частоты, преобразователь код-напряжение, приемник сигнала ошибки, дискриминатор уровней, реверсивный счетчик, регистрирующее устройство /авт. св. СССР N 580536, кл. G 01 R 33/08, 1977г. /. Однако вследствие больших размеров датчика ядерного магнитного резонанса, устройство не позволяет измерять магнитные поля в малых объемах и на малом расстоянии от поверхности ферромагнитных тел, т.е. данное устройство не может быть использовано для испытания образцов из ферромагнитных материалов.

Известно также устройство, содержащее феррозонд, в цепь намагничивающей обмотки которого включен генератор прямоугольных импульсов и последовательно соединенные переменный и эталонный резисторы, параллельно которым включен измерительный прибор, а в цепь выходной обмотки феррозонда включены последовательно соединенные усилитель, интегратор, пороговый блок и индикаторный прибор. Устройство позволяет измерять большие поля у поверхности ферромагнитных тел компенсационным методом /авт. св. СССР N 525902, кл. G 01 R 33/02, 1976/. Недостатком устройства является большое время процесса измерения обусловленное ручной регулировкой амплитуды компенсирующего поля.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения напряженности магнитного поля /авт. св. СССР N 815690, кл. G 01 R 33/02, 1981/, 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, выходом соединенный со входом усилителя, выход которого соединен со входом порогового блока, и измерительный прибор, а также последовательно соединенные элементы И-НЕ, реверсивный счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока и ключ, причем второй вход реверсивного счетчика импульсов и первый вход логического элемента И-НЕ соединены с выходом порогового блока, второй вход логического элемента И-НЕ соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, выход цифроаналогового преобразователя соединен со входом измерительного прибора. Второй вход ключа подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выход ключа соединен с намагничивающей обмоткой феррозонда.

Недостатком известного устройства является следующее. Амплитуда компенсирующих импульсов H_к, при постоянной их длительности t_и, наращивается в устройстве прототипе от нулевой до измеряемого значения напряженности H_изм дискретно за N шагов где H_max - предел измерения устройства; n - разрядность реверсивного счетчика импульсов. Это происходит потому, что прямоугольная форма компенсирующего импульса H_к не позволяет за один шаг подобрать его амплитуду равной H_изм. Длительность t_и компенсирующих импульсов H_к должна быть больше или равна времени перемагничивания сердечника феррозонда по предельной петле гистерезиса. В общем случае время перемагничивания сердечника феррозонда определяется: значением напряженности внешнего перемагничивающего поля, скоростью его изменения, формой и размерами сердечника, а также типом материала, из которого он изготовлен. Процесс перемагничивания часто рассматривают как процесс вращения доменов, обладающих "инерционностью" или магнитной вязкостью. Скорость вращения доменов тем больше, чем большее внешнее магнитное поле на них воздействует. Другим фактором, замедляющим перемагничивание, являются вихревые токи, возникая, они создают собственное магнитное поле, направленное встречно перемагничивающему. Для одного и того же сердечника из перечисленных факторов на время перемагничивания оказывает влияние значение напряженности внешнего поля и скорость его изменения. Причем увеличение первого - приводит к уменьшению времени перемагничивання, а увеличение второго (за счет возрастания вихревых токов) - к увеличению.

До тех пор, пока амплитуда компенсирующего поля H_к < (H_изм - H_т), где H_т - поле трогания, магнитное состояние сердечника феррозонда не изменяется (он находится в насыщении). Это значит, что вихревые токи в сердечнике не индуцируются, поэтому на него можно воздействовать внешним полем с большой скоростью изменения. Как только амплитуда компенсирующего поля H_к станет сравнимой с H_изм, будет происходить перемагничивание сердечника феррозонда, а как следствие возникнут вихревые токи, противодействующие этому. Для снижения их предпочтительно ограничить скорость перемагничивания в этой области, выбрав другую форму компенсирующего импульса, например экспоненциальную, с амплитудой равной H_изм. При этом длительность этого импульса, в силу вышеизложенного, будет соизмеримой с t_и.

Технической задачей изобретения является повышение быстродействия измерений за счет достижения значения компенсирующего поля при помощи одного импульса, длительностью соизмеримой с t_и.

Поставленная задача решается с помощью быстродействующего устройства для измерения напряженности магнитного поля, содержащего первый генератор прямоугольных импульсов, феррозонд с сердечником, выполненным из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, к выходной обмотке которого подключен интегратор, выходом соединенный со входом первого порогового блока, последовательно соединенные логический элемент И, счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока, ключ и обмотка возбуждения феррозонда, причем первый вход логического элемента И соединен с выходом первого генератора прямоугольных импульсов, дополнительно снабженного RS-триггером, вторыми генератором прямоугольных импульсов и пороговым блоком. Причем выход второго генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом RS-триггера и вторым входом счетчика импульсов, выход первого порогового блока соединен со вторым входом RS-триггера, выход RS-триггера - со вторыми входами ключа и логического элемента И, вход второго порогового блока соединен с выходной обмоткой феррозонда, а выход - с третьим входом логического элемента И.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: RS-триггера, вторых генератора прямоугольных импульсов и порогового блока, и их связями с остальными элементами схемы.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что RS-триггер, генератор прямоугольных импульсов и пороговый блок широко известны.

Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство для измерения напряженности магнитного поля вышеуказанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к повышению быстродействия измерения за счет достижения значения компенсирующего поля при помощи одного импульса длительностью, соизмеримой с t_и.

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена структурная схема быстродействующего устройства для измерения напряженности магнитного поля; на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства.

Быстродействующее устройство для измерения напряженности магнитного поля (фиг. 1) содержит первый генератор прямоугольных импульсов 1, феррозонд 2 с сердечником, выполненным из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, к выходной обмотке 3 которого подключен интегратор 4, выходом соединенный со входом первого порогового блока 5, последовательно соединенные логический элемент И 6, счетчик импульсов 7, цифроаналоговый преобразователь 8, управляемый источник тока 9, ключ 10 и обмотка возбуждения 11 феррозонда 2, причем первый вход логического элемента И 6 соединен с выходом первого генератора прямоугольных импульсов 1, а также RS-триггер 12, второй генератор прямоугольных импульсов 13 и пороговый блок 14. Причем выход второго генератора прямоугольных импульсов 13 соединен с первым входом RS-триггера 12 и вторым входом счетчика импульсов 7, выход первого порогового блока 5 соединен со вторым входом RS-триггера 12, выход RS-триггера 12 - со вторыми входами ключа 10 и логического элемента И 6, вход второго порогового блока 14 соединен с выходной обмоткой 3 феррозонда 2, а выход с третьим входом логического элемента И 6.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии, на выходе RS-триггера 12, уровень напряжения запрещающий: прохождение тока с выхода управляемого источника тока 9 через ключ 10 в обмотку возбуждения 11 феррозонда 2 и импульсов с выхода первого генератора прямоугольных импульсов 1 на вход счетчика импульсов 7 через логический элемент И 6. Выходной уровень второго порогового блока 14 не препятствует прохождению импульсов с выхода первого генератора прямоугольных импульсов 1 на вход счетчика импульсов 7 через логический элемент И 6.

Феррозонд 2 помещают в постоянное или изменяющееся во времени измеряемое поле H_изм (фиг. 2). Состояние сердечника феррозонда 2 определяется величиной поля H_изм и величиной компенсирующего импульсного поля H_к, создаваемого током в обмотке возбуждения 11 феррозонда 2. Величина компенсирующего поля пропорциональна току управляемого источника тока 9, коммутируемого ключом 10. Для нормальной работы устройства измеряемое и компенсирующее поля направлены встречно.

В начале каждого цикла измерения короткий запускающий импульс с выхода второго генератора прямоугольных импульсов 12 поступает на второй вход счетчика импульсов 7, приводя его в нулевое состояние и на первый вход RS-триггера 12, в результате чего на выходе RS-триггера 12 устанавливается уровень напряжения разрешающий: протекание тока с выхода источника тока 9 в обмотку возбуждения 11 феррозонда 2 и прохождение через логический элемент И 6 импульсов с выхода первого генератора прямоугольных импульсов 1 на вход счетчика импульсов 7. Выходной код счетчика импульсов 7 возрастает, что приводит к нарастанию напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 8 и как следствие тока управляемого источника тока 9. Начинается формирование импульса компенсирующего поля H_к. ЭДС, индуцируемая в выходной обмотке 3 феррозонда 2 в процессе перемагничивания его сердечника пропорционально скорости изменения индукции в сердечнике феррозонда 2 (U3 на фиг. 2). На участке t0 - t1 оно равно нулю, т.к. индукция не меняется. Второй пороговый блок 14 имеет нулевую уставку, поэтому его выходной сигнал не меняется и цифровой код счетчика нарастает с частотой первого генератора импульсов 1. На участке t1 - t2 происходит перемагничивание сердечника феррозонда 2, что вызывает возникновение ЭДС на выходе выходной обмотки 3 феррозонда 2, а значит к срабатыванию второго порогового блока 14 (U14 на фиг. 2). Изменившийся выходной сигнал второго порогового блока 14, воздействуя на третий вход логического элемента И 6, препятствует прохождению импульсов с выхода первого генератора прямоугольных импульсов 1 на вход счетчика импульсов 7. Изменение выходного кода счетчика импульсов 7 прекращается до тех пор, пока не завершится процесс перемагничивания сердечника феррозонда 2. С завершением этого процесса выходной сигнал второго порогового блока 14 переходит в исходное состояние и процесс продолжается. Таким образом, на участке t1 - t2 скорость нарастания импульса компенсирующего поля уменьшится и в целом форма этого импульса будет близкой к экспоненциальной. ЭДС с выхода выходной обмотки 3 феррозонда 2 интегрируется интегратором 4, напряжение на выходе интегратора 4 пропорционально изменению индукции в сердечнике феррозонда 2. С выхода интегратора 4 это напряжение (U4 на фиг. 2) подается на вход первого порогового блока 5, настроенного таким образом, что он срабатывает, если изменение индукции в сердечнике феррозонда 2 превышает величину равную максимальной индукции петли гистерезиса материала сердечника (U_пор на фиг. 2). Сердечник феррозонда 2 выполнен из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, т.е. величина максимальной индукции материала сердечника практически не зависит от напряженности магнитного поля и равна величине остаточной индукции B_r (фиг. 2). Таким образом, если измеряемое поле H_изм становится равным амплитуде компенсирующего поля H_к, на выходе первого порогового блока 5 появляется уровень напряжения (U5 на фиг. 2), воздействующий на второй вход RS-триггера 12 и приводящий к возвращению RS-триггера 12 в первоначальное состояние. В результате: на обмотку возбуждения 11 феррозонда 2 прекращается подача тока с выхода управляемого источника тока 9 через ключ 10, на вход счетчика импульсов 7 прекращается поступление импульсов с выхода первого генератора импульсов 1 через логический элемент И 6, а на выходе счетчика импульсов 7 устанавливается цифровой код прямо пропорциональный величине напряженности компенсирующего, а значит и измеряемого поля H_изм.

Блоки, входящие в состав быстродействующего устройства для измерения напряженности магнитного поля, могут быть выполнены, например: первый и второй генератор прямоугольных импульсов, интегратор, усилитель, пороговые блоки, логический элемент И, счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, ключ, RS-триггер, как это описано в /Якубовский С. В., Барканов Н.А., Кудряшов Б.П. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. - М.: Сов. радио, 1979, - 336 с./; феррозонд, как две обмотки на сердечнике, выполненном из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице; управляемый источник тока, как усилитель с обратной связью по току согласно /Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС: Пер с англ. - М.- Мир, 1985. 572 с./.

Экспериментальные исследования макета заявляемого быстродействующего устройства для измерения напряженности магнитного поля показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) заявляемое устройство обеспечивает повышение быстродействия измерений за счет достижения значения компенсирующего поля при помощи одного импульса длительностью, соизмеримой с t_и.

Формула изобретения

Быстродействующее устройство для измерения напряженности магнитного поля, содержащее первый генератор прямоугольных импульсов, феррозонд с сердечником, выполненным из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, к выходной обмотке которого подключен интегратор, выходом соединенный с входом первого порогового блока, последовательно соединенные логический элемент И, счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока, ключ и обмотка возбуждения феррозонда, причем первый вход логического элемента И соединен с выходом первого генератора прямоугольных импульсов, отличающееся тем, что оно снабжено RS-триггером, вторыми генератором прямоугольных импульсов и пороговым блоком, причем выход второго генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом RS-триггера и вторым входом счетчика импульсов, выход первого порогового блока - с вторым входом RS-триггера, выход RS-триггера - с вторыми входами ключа и логического элемента И, вход второго порогового блока - с выходной обмоткой феррозонда, а выход - с третьим входом логического элемента И.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2