Цифровой феррозондовый магнитометр

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. Сущность изобретения заключается в том, что цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий три измерительных резистора, первые выводы которых соединены с общей шиной, а вторые выводы соединены со вторыми входами схем температурной компенсации и со вторыми выходами феррозондов, первые выходы которых соединены с входами избирательных усилителей соответственно, выходы которых соединены с первыми входами устройств выборки-хранения, вторые входы которых соединены с вторым выходом логического блока управления, третьи входы соединены с выходами схем температурной компенсации, а выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей, вторые входы которых соединены с третьим выходом логического блока управления, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а первый выход соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами феррозондов, при этом в магнитометр введены детектор и делитель напряжения, вход которого соединен с выходом формирователя синусоиды, а выход соединен с входом детектора, выход которого соединен с первыми входами схем температурной компенсации. Технический результат - снижение погрешности измерения. 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 2155968C2 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 2380718 C1, 27.01.2010, МПК: G01R 33/02, включающий в себя три измерительных резистора, первые выводы которых соединены с общей шиной, а вторые выводы соединены с входами схем температурной компенсации и со вторыми выходами феррозондов, первые выходы которых соединены с входами избирательных усилителей соответственно, выходы которых соединены с первыми входами устройств выборки-хранения, вторые входы которых соединены с вторыми выходами логического блока управления, третьи входы соединены с выходами схем температурной компенсации, а выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей, вторые входы которых соединены с третьим выходом логического блока, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а первый выход соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами феррозондов.

Этот феррозондовый магнитометр выбран в качестве прототипа.

Недостатком данного магнитометра является погрешность измерения, обусловленная изменением выходного напряжения формирователя синусоиды.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение погрешности измерения и снижение требований к параметрам формирователя синусоиды за счет компенсации погрешности, обусловленной изменением выходного напряжения формирователя синусоиды.

Для достижения поставленной задачи в цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий три измерительных резистора 16, 17, 18, первые выводы которых соединены с общей шиной 22, а вторые выводы соединены со вторыми входами схем температурной компенсации (СТК) 19, 20, 21 и со вторыми выходами феррозондов (ФЗ) 2, 3, 4, первые выходы которых соединены соответственно с входами избирательных усилителей (ИУ) 5, 6, 7, выходы которых соединены с первыми входами устройств выборки-хранения (УВХ) 8, 9, 10, вторые входы которых соединены с вторым выходом логического блока 14 управления (ЛБУ), третьи входы соединены с выходами схем температурной компенсации 19, 20, 21, а выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 11, 12, 13, вторые входы которых соединены с третьим выходом логического блока 14 управления, вход которого соединен с выходом задающего генератора (ЗГ) 15, а первый выход соединен с входом формирователя 1 синусоиды (ФС), выход которого соединен с первыми входами феррозондов 2, 3, 4, введены детектор (Д) 24 и делитель 23 напряжения (ДН), вход которого соединен с выходом формирователя 1 синусоиды, а выход соединен с входом детектора 24, выход которого соединен с первыми входами схем температурной компенсации 19, 20, 21.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.2 - принципиальная схема температурной компенсации и схема компенсации изменения выходного напряжения формирователя синусоиды.

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, логического блока 14, задающего генератора 15, измерительных резисторов 16, 17, 18, схем температурной компенсации 19, 20, 21, общей шины 22, делителя напряжения 23 и детектора 24. Формирователь 1 синусоиды, логический блок 14, задающий генератор 15, делитель напряжения 23 и детектор 24 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 1 синусоиды и на управление устройством выборки хранения 8. В логическом блоке 14 также формируется сигнал для управления аналого-цифрового преобразователя 11. В формирователе 1 синусоиды цифровым способом формируется синусоидальное напряжение возбуждения 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 э.д.с. переменного тока, содержащую четные гармоники частоты сигнала возбуждения. Амплитуда этой э.д.с. пропорциональна значению индукции магнитного поля, а фаза изменяется на π радиан при изменении направления вектора индукции поля на 180°. В выходной э.д.с. 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 (fр=20 кГц)-Кр=5000. Полоса пропускания - 2Δf=1800 Гц. Коэффициент передачи на частотах первой и третьей гармоник частоты возбуждения феррозонда не более 30 и 10 соответственно.

Таким образом, избирательным усилителем 5 из выходной э.д.с. феррозонда 2 выделяется вторая гармоника 2fв=20 кГц, которая усиливается до значения Uф и затем подается на устройство выборки-хранения 8.

С помощью логического блока 14 управления в устройстве выборки-хранения 8 один раз за период происходит запоминание определенного значения Uф. Постоянное напряжение Uувх с выхода устройства выборки-хранения 8 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где преобразуется в цифровой код N=f(B), пропорциональный проекции вектора индукции магнитного поля. Процессы формирования синусоиды, выборки-хранения и аналого-цифрового преобразования синхронизированы частотой генератора 15.

Температурная компенсация осуществляется следующим образом.

Последовательно с входной обмоткой феррозонда 2 включен измерительный резистор 16. Напряжение U₁₆, падающее на измерительном резисторе 16, является функцией от температуры, т.к. при изменении температуры изменяется сопротивление входной обмотки феррозонда 2, т.е. перераспределяются падающие напряжения на входной обмотке феррозонда 2 и на измерительном резисторе 16. Напряжение U₁₆ поступает на вход схемы температурной компенсации 19, где выпрямляется и усиливается до необходимой величины.

На выходе схемы температурной компенсации 19 появляется напряжение

U_стк=K·±ΔU₁₆,

где K - коэффициент передачи схемы температурной компенсации;

ΔU₁₆ - величина температурного изменения напряжения на измерительном резисторе 16.

Одновременно с этим может изменяться выходное напряжение формирователя 1 синусоиды вследствие нестабильности параметров схемы формирователя 1 синусоиды. При этом изменяется напряжение на измерительном резисторе 16, внося дополнительную погрешность измерения.

Для уменьшения этой погрешности введена схема компенсации, состоящая из делителя напряжения 23 и амплитудного детектора 24.

Схема температурной компенсации 19 и схема компенсации изменения выходного напряжения формирователя 1 синусоиды приведены на фиг.2.

Схема компенсации работает следующим образом.

Вследствие изменения выходного напряжения формирователя 1 синусоиды вместе с изменением напряжения на измерительном резисторе 16 изменяется падение напряжения на резисторе Rд1 делителя 23, которое подается на отрицательный вход детектора 24. На выходе детектора 24 начинает изменяться напряжение:

U₂₄=K₂₄·U₂₃,

где K₂₄ - коэффициент передачи детектора 24;

U₂₃ - напряжение на выходе делителя 23.

Коэффициент K₂₄ подбирается так, что изменение напряжения U₂₄ компенсирует изменение напряжения на измерительном резисторе 16, вызванное изменением выходного напряжения формирователя 1 синусоиды. В нормальных условиях величина выходного напряжения детектора 24 устанавливается такой, чтобы напряжение на выходе схемы температурной компенсации 19 было равно нулю.

В результате, при изменении напряжения формирователя 1 синусоиды, изменяются напряжения U₂₃ и U₁₆. Напряжение U₂₃ после выпрямления детектором 24 с отрицательным знаком поступает на положительный вход схемы компенсации 19, изменяя выходное напряжение схемы компенсации 19 на величину, обратно пропорциональную изменению напряжения U₁₆, вызванного изменением выходного напряжения формирователя 1 синусоиды.

Таким образом, при изменении выходного напряжения формирователя 1 синусоиды напряжение на выходе схемы компенсации 19 не изменяется, т.е. осуществляется компенсация изменения напряжения на измерительном резисторе 16, вызванного изменением выходного напряжения формирователя 1 синусоиды.

Напряжение U_стк подается на вход устройства выборки-хранения 8. В устройстве выборки-хранения 8, суммируясь с измеряемым напряжением, корректирует его, осуществляя, таким образом, температурную компенсацию. Скомпенсированное измеряемое напряжение Uувх с выхода устройства выборки-хранения 8 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где преобразуется в цифровой код N=f(B), пропорциональный проекции вектора индукции магнитного поля.

Введение схемы компенсации, состоящей из делителя напряжения и детектора, позволило практически исключить погрешность от изменения выходного напряжения формирователя синусоиды.

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 три измерительных резистора, первые выводы которых соединены с общей шиной, а вторые выводы соединены со вторыми входами схем температурной компенсации и со вторыми выходами феррозондов, первые выходы которых соединены с входами избирательных усилителей соответственно, выходы которых соединены с первыми входами устройств выборки-хранения, вторые входы которых соединены с вторым выходом логического блока управления, третьи входы соединены с выходами схем температурной компенсации, а выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей, вторые входы которых соединены с третьим выходом логического блока управления, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а первый выход соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами феррозондов, отличающийся тем, что в магнитометр введены детектор и делитель напряжения, вход которого соединен с выходом формирователя синусоиды, а выход соединен с входом детектора, выход которого соединен с первыми входами схем температурной компенсации.