Цифровой феррозондовый магнитометр
Владельцы патента RU 2382375:
Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" (RU)
Предлагаемое изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам. Задачей настоящего изобретения является повышение точности преобразования цифрового феррозондового магнитометра. Поставленная задача достигается применением цифрового феррозондового магнитометра, отличающегося тем, что в него введена схема компенсации, состоящая из шести регистров, трех сумматоров и трех выходных регистров. Это позволило существенно повысить точность измерения компонент вектора индукции магнитного поля. 2 ил.
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 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, 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 RU 2316781 С1, 10.02.2008, МПК: G01R 33/02, включающий в себя задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока, первый выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех устройств выборки-хранения, выходы которых соединены с входами трех аналого-цифровых преобразователей. Этот феррозондовый магнитометр выбран в качестве прототипа.
Недостатком данного магнитометра является погрешность измерения компонент вектора индукции магнитного поля, обусловленная напряжением смещения схемы измерения.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности преобразования цифрового феррозондового магнитометра с помощью схемы компенсации.
Для достижения поставленной задачи в цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока, первый выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех избирательных усилителей, выходы которых соединены с первыми входами трех устройств выборки-хранения, первые выходы которых соединены со вторыми входами трех феррозондов, а вторые выходы соединены с первыми входами трех аналого-цифровых преобразователей, введены шесть регистров, три сумматора и три выходных регистра, первый вход первого регистра и первый вход второго регистра соединены с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, первый вход третьего регистра и первый вход четвертого регистра соединены с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, первый вход пятого регистра и первый вход шестого регистра соединены с выходом третьего аналого-цифрового преобразователя, а выход первого регистра соединен с первым входом первого сумматора, выход второго регистра соединен со вторым входом первого сумматора, выход третьего регистра соединен с первым входом второго сумматора, выход четвертого регистра соединен со вторым входом второго сумматора, выход пятого регистра соединен с первым входом третьего сумматора, выход шестого регистра соединен со вторым входом третьего сумматора, а выходы сумматоров соединены соответственно с первыми входами трех выходных регистров, вторые входы которых соединены с третьим выходом блока управления, второй выход которого соединен со вторыми входами устройств выборки-хранения, четвертый выход соединен с третьими входами сумматоров, пятый выход соединен со вторыми входами первого, третьего и пятого регистров, шестой выход соединен со вторыми входами второго, четвертого и шестого регистров.
Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.2 - эпюры напряжений схемы одного канала цифрового феррозондового магнитометра.
Цифровой феррозондовый магнитометр состоит из формирователя 1 синусоиды, феррозондов 2, 3, 4, избирательных усилителей 5, 6, 7, устройств выборки-хранения 8, 9, 10, аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13, регистров 16, 17, 18, 19, 20, 21, сумматоров 22, 23, 24, выходных регистров 25, 26, 27, логического блока 14 и задающего генератора 15. Формирователь 1 синусоиды, логический блок 14 и задающий генератор 15 являются общими для всех трех измерительных каналов.
Устройство работает следующим образом.
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 синусоиды 1 и на управление устройством выборки хранения 8. В логическом блоке 14 также формируется сигнал для управления аналого-цифрового преобразователя 11, регистров 16, 17, выходного регистра 25 и сумматора 22. В формирователе 1 цифровым способом формируется синусоидальное напряжение Uв с частотой fв=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 эдс переменного тока, содержащую четные гармоники частоты сигнала возбуждения. Амплитуда этой эдс пропорциональна значению индукции магнитного поля, а фаза изменяется на π радиан при изменении направления вектора индукции поля на 180°. В выходной эдс феррозонда присутствует также помеха, имеющая в спектре нечетные гармоники.
Избирательный усилитель 5 предназначен для выделения из общего спектра сигнала, поступающего с измерительной обмотки феррозонда 2, напряжения второй гармоники и усиления его до требуемого значения. Коэффициент усиления на резонансной частоте (fp=20 кГц) - Кр=5000. Полоса пропускания - 2Δf=1800 Гц. Коэффициент передачи на частотах первой и третьей гармоник частоты возбуждения феррозонда 2 не более 30 и 10 соответственно.
Таким образом, избирательным усилителем 5 из выходной эдс феррозонда выделяется вторая гармоника 2 2fв=20 кГц, которая усиливается до значения Uф и затем подается на устройство выборки-хранения 8.
С помощью логического блока 14 в устройстве выборки-хранения 8 два раза за период происходит запоминание определенного значения Uф, пропорционального соответствующей проекции вектора индукции магнитного поля. На фиг.2 показано, что измерение происходит первый раз на отрицательной полуволне измеряемого напряжения - Uоп в момент Δt и второй раз на положительной - Uпп в момент Δt+Т/2, где Т - период измеряемого напряжения. Напряжение смещения Uсм входит в измеренные значения напряжений Uоп и Uпп с разными знаками. Измеренные напряжения Uувхпп=Uном-Uсм и Uувхоп=Uном+Uсм в моменты времени Δt и Δt+Т/2 поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где преобразуются в цифровые коды Nпп=Nном-Nсм и Nоп=Nном+Nсм, пропорциональные соответствующей компоненте вектора индукции магнитного поля. Число Nпп записывается в регистр 16, а число Nоп записываются в регистр 17. Затем эти числа поступают на вход сумматора 22. В сумматоре 22 они складываются и полученная сумма, поделенная на 2 путем отбрасывания младшего разряда, записывается в выходной регистр 25. На выходе регистра 25 появляется число Nx, пропорциональное соответствующей компоненте вектора индукции магнитного поля. Затем регистры 16, 17 и 25 обнуляются и в следующем цикле измерения вычисляется следующее числовое значение Nx. В результате этих вычислений происходит исключение числа Nсм, т.е. ошибки измерения, вызванной напряжением смещения Uсм, т.к. числа Nсм входят в формулу с разными знаками и взаимно уничтожаются:
,
где N - число на выходе устройства, пропорционльное соответствующей компоненте вектора индукции магнитного поля;
Nпп - число, соответствующее измеряемому напряжению на положительной полуволне;
Nоп - число, соответствующее измеряемому напряжению на отрицательной полуволне;
Nном - число, соответствующее измеряемому напряжению без ошибки, вызванной смещением напряжения;
Nсм - число, соответствующее напряжению смещения.
Процессы формирования напряжения питания, выборки-хранения, аналого-цифрового преобразования, записи в регистры и суммирования синхронизированы частотой задающего генератора 15.
Исключение ошибки измерения с помощью схемы компенсации позволило существенно повысить точность измерения напряжений, пропорциональных компонентам вектора индукции магнитного поля.
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.
Цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока, первый выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех избирательных усилителей, выходы которых соединены с первыми входами трех устройств выборки-хранения, первые выходы которых соединены со вторыми входами трех феррозондов, а вторые выходы соединены с первыми входами трех аналого-цифровых преобразователей, отличающийся тем, что в него введены шесть регистров, три сумматора и три выходных регистра, первый вход первого регистра и первый вход второго регистра соединены с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, первый вход третьего регистра и первый вход четвертого регистра соединены с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, первый вход пятого регистра и первый вход шестого регистра соединены с выходом третьего аналого-цифрового преобразователя, а выход первого регистра соединен с первым входом первого сумматора, выход второго регистра соединен со вторым входом первого сумматора, выход третьего регистра соединен с первым входом второго сумматора, выход четвертого регистра соединен со вторым входом второго сумматора, выход пятого регистра соединен с первым входом третьего сумматора, выход шестого регистра соединен со вторым входом третьего сумматора, а выходы сумматоров соединены соответственно с первыми входами трех выходных регистров, вторые входы которых соединены с третьим выходом логического блока, второй выход которого соединен со вторыми входами устройств выборки-хранения, четвертый выход соединен с третьими входами сумматоров, пятый выход соединен со вторыми входами первого, третьего и пятого регистров, шестой выход соединен со вторыми входами второго, четвертого и шестого регистров.
