Способ измерения параметров слабого постоянного или медленно изменяющегося магнитного поля

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБВЕТЕН ИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Соеетскик

Социалистические

Республик

<,.739444 (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву— (22)Занвлено20.02.78 (2l) 2581669/18-21 с присоединением заявки ¹ (23) ПриоритетОпубликовано 05.06.80. Бюллетень № 21

Дата опубликования описания 05.06.80 (51)М. Кд. . Q 0l Р 33/02

Йаудерственный каннтет

СССР да делан изобретений

M аткрытнй (53) УДК 621 .3 17.44 (088,8) (72) А вторы изобретения

Ю. В, Афанасьев и Ю. Н, Бобк (7!) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОСТОЯННОГО

ИЛИ МЕДЛЕННО ИЗМЕНЯЮШЕГОСЯ МАГНИТНОГО

ПОЛЯ

Изобретение относится к измеритель ной технике и может быть использовано

1 для измерения параметров слабого пос тоянного или медленно изменяющегося магнитного поля.

Известен способ измерения циркуляции напряженности магнитного поля, создаваемого постоянным или медленно изменяющимся электрическим током, согласно которому ферромагнитный сердеч- ник возбуждают постоянным и перемен-, ным током и из выходной ЭДС выделяют составляющую с частотой, равной кратному целому частоты возбуждения, по амплитуде которой и судят о величине циркуляции напряженности магнитного поля

L1)

Однако зтот способ обладает недостаточной точностью измерения.

Известен способ измерения компонент вектора магнитной индукции (напряженности магнитного поля), реализуемый в феррозондовых магнитометрах, согласно которому ферромагнитный сердечник

2 (в виде тороида или стержня) возбужда,ют переменным током заданной частоты и из выходной ЭДС, появляющейся при на.личии внешнего измеряемого поля, выделяют составляющую, равную кратному це« лому частоты возбуждения, по амплитуде которой и судят о значении измеряемой компоненты поля p2) .

Однако из-за проникновения (четных гармоник тока возбуждения (всегда сопфо-

10 вождающих основное колебание иэ-за несовершенства генератора возбуждения) в измерительную пепь происходит самопроизвольное смещение тнуля магнитометра, 15 атследовательно, и снижение точности измерения, особенно при измерении параметра слабых магнитных полей.

Цель изобретения — повйшение точности измерения параметров слабых постоянных и медленно изменяющихся мат нитных полей.

Указанная пель достигается тем, что ферромагнитный сер дечник возбуждают ,переменным током заданной частоты, дО7394 (2) 1! з полнительно возбуждают его переменным током другой частоты, а из выходной

ЭДС выделяют составляющую с частотой, равной кратному целому разности частот токов возбуждения, по амплитуде которо-го и судят о значении измеряемого па раметра поля. Возбуждение сердечника двумя переменными токами разных частот и выделение составляющей ЭДС разностной частоты или кратных ей частот повышают точность измерений, поскольку в Каином случае можно не учитывать влияние четных гармоник в упомянутых переменных токах возбуждения, Амплитуды токов возбуждения уста- .навливают. одинаковыми, амплитуду огибающей суммы токов выбирают не менее, чем в 2,5 раза превышающей значение тока насыщения сердечника, и настраивают измерительную обмотку, охватывающую сердечник, в резонанс на основную раз-, ностную частоту. Благодаря этому резко возрастает чувствительность преобразователя и отношение сигнал/помеха, что также приводит к повышению точности из- 25 мере ния, На фиг. 1 приведены эгаоры, поясняющие принцип модуляции магнитной проницаемости сердечника; на фиг, 2 — кривые, характеризующие глубину модуляции проЗо ницаемости сердечника по основной и второй гармонике разностной частоты, на фиг, 3 — функциональная схема устройства для реализации данного способа.

Предлагаемый способ измерения параметров слабого постоянного или медленно. изменяющегося магнитного поля основан на том (фиг, 1), что ферромагнитный сердечник, наряду с возбуждением переменным током одйой частоты м,, дополнительно возбуждают перемейным током другой частоты <и,2, причем из выходной ЭДС выделяют составляющую с частотой и Я., равную кратному целому и разности указанных частот Q.=- и —

1 2 4

С достаточной точностью кривая намагничивания сердечника 5 (Н) описывается однозначной нечетной функцией, а его дифференциальная магнитная проницаемость — П вЂ” образной четной функ50 цией (фиг. 1 а). При возбуждейии сердечника токами i„(t)=l„pi ô и i (l=i®фпш Д получают огибаюущую суммы (суперпозиции)этих токов или напряженностей поля возбуждения с частотой = о - < (фиг,щ

;55

Тогда зависимость

44. 4. где И - напряженность суммарного Возбуждения, будет также иметь s своем спектральном составе частоту Q т,е, можно говорить о модуляции магнитной проницаемости с частотой Q, (составляющая с частотой

Й показана на фиг. 1в пунктиром), Поэтому при наличии измеряемого поля Но в выходной ЭДС также появится составляющая с частотойЯ (фиг. 1 г).

А ппроксймяруя зависимость 8(H) укороченным полиномом третьей степени

8=< 4-ЬН, где а и 5 - положительные коэффициенты аппроксимации, получают р, н,(t)) = — ß--ььн;н cosa q) с38

Поскольку в общем случае (при продольном возбуждении) Ро =- МoHo yg

me 9/ — количество витков измеритель ноф обмотки;

> - площадь поперечного сечения сердечника;

Н о — напряженность измеряемого постоянного поля о — магнитпая постоянная, то соответствующая ЭДС будет равна: е(Ф- 1 о"о" т " т

Из формулы (2) видно, что амплитуда составляющей ЭДС с частотой 9, пропорциональна напряженности измеряемого поля

Но и амплитудам напряженности Hrna H л поля возбуждения. В отсутствии измеряемого поля (Но=0), или при равенстве нулю одной из составляющих суммы токов возбуждения (т.е. приН =О или Н рО)

ЭДС с частотой Я также будет равна нулю.

Таким образом, возбуждение сердечника двумя переменными токами разных частот и выделение составляющей ЭДС разностной частоты или кратных ей частот приводит к повышению точности измерений, так как эти составляющие обусловлены только наличием измеряемого по-. ля, а не ложных четных гармоник, содержащихся в токах возбуждения, 1

Аппрок симируя кривую В (Н) не укороченным полиномом, а м ногочленом не четных степеней, получают в спектраль ном состава рд,() и 5 (t ) не только ,частоту Q. но и кратные ей частоты

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юm и и с s тTеeмM, что амплитуды токов возбуждения двух различных частот устанавпивают одинаковыми, амплитуду огибающей суммы токов возбуждения выбирают не менее; чем в 2,5 раза превышающей значение тока насыщения,и настраивают

5 7394 ,> <, гпе 1" = 1,2,3..., -целые числа, Ам. плитуда каждой из частот и Я. будет зависеть от отношения „; /1в (равно

Нщ,д /Н ) гпе1„— амплитуды оги1 баюшей суммы токов возбуждения, 1 значение тока насыщения сердечника.

Если1, -I,òo максимальная глубина модуляции проницаемости р на осйовной частоте A. (1) будет достигнута при1п,я/1=1,4, а на частоте 29.— 1О при1п,,/1 2,5 (фиг. 2).

Выбирая второй режим возбуждения и настраивая измерительную обмотку в резонанс на основную частоты Q, получают услОвия . IIpH KQT0pbJK резко; вОзрастает чувствительность преобразователя к измеряемому полю, поскольку его выходная индуктивность изменяется с частотой 2, благопаря чему в контуре возникает параметрическое усиление сигнала с частотой Я.; резко возрастает отношение сигнал-помеха, так как, наряду с увеличением чувствительности преобразоватеI ля, осуществляется подавление составляю щих ЭДС с частотами ры IInu,,гпе11

=1,2,3.... — целые числа.

Елагопаря повышению чувствительности и отношения сигнал/помеха также повышается точность измерений.

Схема устройства (фиг, 3) пля реали30 запии данного способа содержит феррозонд 1, генераторы 2 и 3, конденсатор

4, фильтр 5 нижних частот, усилитель 6, синхронный детектор 7, линейный резистор

8, усилитель 9 тока (повторитель), де:тектор 10, фазоерашатель 11, регистрирующий прибор 12 и резистор 13.

Устройство работает следующим обраЗОМ, Феррозонп 1 возбуждается перемеп40 ными тОками двух различных частот (if и М, вырабатываемыми генераторами

2 и 3. Амплитуды токов выбраны равными, а отношение1„„,/I > 2,5, Измерительная обмотка феррозонпа 1 настроена45 в резонанс на частоту 9, конденсатором

4. Сигнал с частотой Я, появляющийся на выходе феррозонпа 1,при наличии измеряемого поля НО попается на фильтр 5 нижних частот, усиливается усилителем

6 и поступает на синхронный детектор 7,, Напряжение коммутапии синхронного детектора 7 формируется слепуюшим образом, Напряжение, пропорциональное сумме токов возбуждения, снимается с линей5S ного резистора 8 и поступает на усилитель 9 тока (повторитель) с большим входным сопротивлением. Далее этот ток

44 6 детектируется детектором 10 и подает ся на фазовращатель 11, а затем - на коммутирующий вход синхронного петек1 тора 7, С синхронного детектора 7 сигнал в виде постоянного или медленно изменяющегося тока поступает на регист рируюший прибор 12, причем часть тока

;может быть отведена через резистор 13 в цепь обратной связи (на фиг. 3 не ПОказана), как это имеет место во всех - современных феррозонповьтх магнитометрах.

Преимущество предлагаемого спосооа

1 измерения параметров магнитного поля и измерительных устройств, реализующих данный способ, состоит в том, что, возбуждая ферромагнитный сердечник переменными токами двух различных частот и выделяя из выходно" ЗДС составляющую с частотой, равной кратному пелому разности двух упомянутых частот, появляющейся только при наличии измеряемого поля, можно не учитывать влияние высших гармоник токов возбуждения, поскольку любая их комбинация пействующая в симметричной нелинейной цепи, какой являетея цеп ь возбуждения ферромагннт ного сердечника, не приводит к возникновению ложных сигналов с частотами, равными кратному целому разности ос ювных частот возбуждения, Вследствие этого повышается точность измерений.

Формула изобретения

1. Способ измерения параметров постоянного или медленно изменяюшегося магнитного поля, основанный на возбуждении ферромагнитного сердечника переменным током заданной частоты, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, сердечник дополнительно возбуждают переменным током другой частоты, а из выходной ЭДС выделяют составляющую с частотой, равной кратному целому разности частот токов возбуждения, по амплитуде которой судят о значении измеряемого параметра поля.

7 7394 иамерительную обмотку, охватывающую сердечник, в резонанс на основную резо иансную частоту.

Источники ин орма япт, нринятые во внимание ри экспертизе

44 8

1, Розенбпат М. А. Магнитные эле менты автоматики и вычислительной тех< ники М., Наука, 1974, 2, "НосМг1срзетз есЬ с used ЕPectvoойсоь6с "1936, 47, N 6,, р. 177-181, .!..

Составитель С. Лукинская

Редактор H. Кравдова Техред Ж. Кастелевич Корректор Г. Решетник

Заказ 3043/7 Тираж 1019 Подписное

0НИИПИ Государственного комитета СССР о делам изобретений и открытий .

113О35, Москва, Ж-38, .Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент", r, Ужгород, ул, Проектная, 4