RU213388U1

RU213388U1 - Ferroprobe magnetometer

Info

Publication number: RU213388U1
Application number: RU2022114799U
Authority: RU
Inventors: Сергей Кронидович Водеников; Петр Николаевич Крылов; Любовь Александровна Сабанова
Filing date: 2022-06-01
Publication date: 2022-09-08

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и, прежде всего, к магнитометрии. Технический результат: снижение энергопотребления, необходимое для создания портативных приборов с длительным циклом непрерывной работы. Сущность: феррозондовый магнитометр, включающий катушку возбуждения, содержащую насыщаемый сердечник, генератор возбуждения, работающий с частотой выходного напряжения, нагруженный на катушку возбуждения, конденсатор, ко второму выходу которого подключены соединенные последовательно детектор сигнала, выполненный на основе нелинейных элементов, первый фильтр низкой частоты, усилитель постоянного тока и сопротивление обратной связи, второй фильтр низкой частоты, выход которого выполнен с возможностью подключения к измерительному прибору, вход к токосъемному резистору, в который дополнительно введена схема сравнения уровней, включенная между детектором и первым фильтром низкой частоты, сердечник выполнен в виде замкнутой рамки, на которую кроме обмотки возбуждения нанесена измерительно-компенсационная обмотка, детектор сигнала выполнен в виде двух пиковых детекторов, входы которых являются входом детектора, выходы пиковых детекторов соединены с входами вычитающего блока, выход которого является выходом детектора сигнала, высокопотенциальный выход измерительно-компенсационной обмотки подключен ко вторым выводам конденсатора и сопротивления обратной связи, а низкопотенциальный выход подключен к токосъемному резистору.

The utility model relates to measuring technology and, above all, to magnetometry. EFFECT: reduced power consumption required to create portable devices with a long cycle of continuous operation. Essence: a fluxgate magnetometer, including an excitation coil containing a saturable core, an excitation generator operating at the frequency of the output voltage, loaded on the excitation coil, a capacitor, to the second output of which are connected in series a signal detector made on the basis of nonlinear elements, the first low-frequency filter, DC amplifier and feedback resistance , a second low-frequency filter, the output of which is configured to be connected to a measuring device, an input to a current-collecting resistor, into which a level comparison circuit is additionally introduced, connected between the detector and the first low-frequency filter, the core is made in the form of a closed frame, on which, in addition to the excitation winding, a measuring and compensation winding is applied, the signal detector is made in the form of two peak detectors, the inputs of which are the input of the detector, the outputs of the peak detectors are connected to the inputs of the subtracting unit, the output of which is is the output of the signal detector, the high-potential output of the measuring and compensation winding is connected to the second terminals of the capacitor and the feedback resistance, and the low-potential output is connected to the current-collecting resistor.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и, прежде всего, к магнитометрии.The utility model relates to measuring technology and, above all, to magnetometry.

Известен феррозондовый магнитометр содержащий генератор, подключенный к возбуждающей обмотке феррозонда, нанесенной на сердечник в форме замкнутой рамки, синхронный детектор, управляемый сигналом удвоенной частоты генератора и включенный между измерительной обмоткой феррозонда и блоком фильтрации, выход блока фильтрации подключен к измерительной обмотке через сопротивление обратной связи (П.Ф.Баранов, С.В.Муравьев. Феррозондовый магнитометр для измерения магнитной индукции до 0.1 нТл. Известия Томского политехнического университета, 2012г. Т.320, №4 с.90 рис.3, с.91 рис.4).Known fluxgate magnetometer containing a generator connected to the excitation winding of the fluxgate, deposited on the core in the form of a closed frame, a synchronous detector controlled by a signal of twice the frequency of the generator and connected between the measuring winding of the fluxgate and the filter unit, the output of the filter unit is connected to the measuring winding through the feedback resistance ( P.F.Baranov, S.V.Muraviev Fluorgate magnetometer for measuring magnetic induction up to 0.1 nT Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2012 V.320, No. 4 p.90 fig.3, p.91 fig.4).

Известный магнитометр обладает недостаточной точностью, т.к. определение измеряемого магнитного поля осуществляется только по сигналу второй гармоники, в то время как измеряемое магнитное поле дает существенный вклад в сигнал ЭДС датчика еще и на 4-ой и 6-ой гармониках, особенно для сигнала возбуждения прямоугольной формы (Баранова В.Е. Измерение слабого магнитного поля на основе феррозондового датчика. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Томск 2015г. С. 53-54). Кроме того, известный магнитометр не реализует режим компенсации измеряемого поля, при котором сигнал с датчика все время автоматически поддерживается равным нулю, а измеряемое поле определяется по току компенсации, а значит сигнал с датчика зависит от материала, из которого он изготовлен, температуры и других факторов.Known magnetometer has insufficient accuracy, because. the determination of the measured magnetic field is carried out only by the signal of the second harmonic, while the measured magnetic field makes a significant contribution to the EMF signal of the sensor also at the 4th and 6th harmonics, especially for a rectangular excitation signal (Baranova V.E. Measurement of a weak magnetic field based on a ferroprobe sensor, Dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 2015, pp. 53-54). In addition, the well-known magnetometer does not implement the measured field compensation mode, in which the signal from the sensor is automatically maintained at zero all the time, and the measured field is determined by the compensation current, which means that the signal from the sensor depends on the material from which it is made, temperature and other factors. .

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является феррозондовый магнитометр, включающий катушку возбуждения, содержащую насыщаемый сердечник, генератор возбуждения, работающий с частотой выходного напряжения, нагруженный на катушку возбуждения, конденсатор, ко второму выходу которого подключены соединенные последовательно детектор сигнала, выполненный на основе нелинейных элементов, фильтр низкой частоты, усилитель постоянного тока и сопротивление обратной связи, второй фильтр низкой частоты, выход которого связан с измерительным прибором, а вход подключен к токосъемному резистору (Патент на изобретение РФ № 2330303, феррозондовый магнитометр, G01R 33/02, 2006).The closest to the proposed technical essence is a fluxgate magnetometer, including an excitation coil containing a saturable core, an excitation generator operating at the frequency of the output voltage, loaded on the excitation coil, a capacitor, to the second output of which are connected in series a signal detector, made on the basis of nonlinear elements , a low-frequency filter, a DC amplifier and feedback resistance , a second low-frequency filter, the output of which is connected to the measuring device, and the input is connected to a current-collecting resistor (Patent for the invention of the Russian Federation No. 2330303, fluxgate magnetometer, G01R 33/02, 2006).

Недостатком известного устройства является большое энергопотребление, что создает проблемы при реализации прибора в портативном варианте. Связано это с разомкнутой формой сердечника и, соответственно, с большим размагничивающим фактором его. Так, например, в книге Ю.В.Афанасьев Феррозонды. Л., Энергия, 1969, с.97 показано, что для сердечника размерами 70×1,5×0,1мм из сплава 80НХС магнитная проницаемость сердечника, определяемая размагничивающим фактором, составляет 6⋅10³ , в то время как проницаемость материала (проницаемость замкнутого сердечника) 120⋅10³. Это значит, что по сравнению с замкнутым сердечником, на стержне для достижения одинаковой индукции необходимо приложить в 20 раз большее магнитное поле в обмотке возбуждения. Даже если увеличить в 20 раз число витков обмотки стержня, то при том же токе, что в обмотке замкнутого сердечника, индуктивность, пропорциональная µ⋅ω² (µ - магнитная проницаемость, ω - число витков) вырастет в 20 раз, а значит потребует в 20 раз большего напряжения на генераторе и, соответственно в 20 раз большей мощности потребления. Для более коротких, по сравнению с рассматриваемым разомкнутым сердечником, потребляемая мощность вырастет еще больше.The disadvantage of the known device is the high power consumption, which creates problems when implementing the device in a portable version. This is due to the open shape of the core and, accordingly, with its large demagnetizing factor. So, for example, in the book by Yu.V. Afanasyev Ferrozonda. L., Energia, 1969, p. 97 shows that for a core with dimensions of 70 × 1.5 × 0.1 mm made of 80НХС alloy, the magnetic permeability of the core, determined by the demagnetizing factor, is 6⋅10 ³ , while the permeability of the material (permeability closed core) 120⋅10 ³ . This means that in comparison with a closed core, on the rod, in order to achieve the same induction, it is necessary to apply a 20 times greater magnetic field in the excitation winding. Even if the number of turns of the rod winding is increased by 20 times, then at the same current as in the winding of a closed core, the inductance proportional to µ⋅ω ² (µ is the magnetic permeability, ω is the number of turns) will increase by 20 times, which means it will require 20 times more voltage on the generator and, accordingly, 20 times more power consumption. For shorter ones, compared to the considered open core, the power consumption will increase even more.

Целью предполагаемой полезной модели является снижение энергопотребления.The purpose of the proposed utility model is to reduce energy consumption.

Поставленная цель достигается тем, что в феррозондовом магнитометре, включающем катушку возбуждения, содержащую насыщаемый сердечник, генератор возбуждения, работающий с частотой выходного напряжения, нагруженный на катушку возбуждения, конденсатор, ко второму выходу которого подключены соединенные последовательно детектор сигнала, выполненный на основе нелинейных элементов, фильтр низкой частоты, усилитель постоянного тока и сопротивление обратной связи, второй фильтр низкой частоты, выход которого выполнен с возможностью подключения к измерительному прибору, вход к токосъемному резистору, дополнительно введена схема сравнения уровней, включенная между детектором сигнала и первым фильтром низкой частоты, сердечник выполнен в виде замкнутой рамки, на которую кроме обмотки возбуждения нанесена измерительно-компенсационная обмотка, детектор сигнала выполнен в виде двух пиковых детекторов, входы которых являются входом детектора, выходы пиковых детекторов соединены с входами вычитающего блока, выход которого является выходом детектора сигнала, высокопотенциальный выход измерительно-компенсационной обмотки подключен ко вторым выводам конденсатора и сопротивления обратной связи, а низкопотенциальный выход подключен к токосъемному резистору.This goal is achieved by the fact that in a fluxgate magnetometer, which includes an excitation coil containing a saturable core, an excitation generator operating at the frequency of the output voltage, loaded on the excitation coil, a capacitor, to the second output of which a signal detector connected in series, made on the basis of nonlinear elements, is connected, low pass filter, DC amplifier and feedback resistance, the second low-frequency filter, the output of which is configured to be connected to the measuring device, the input to the current-collecting resistor, the level comparison circuit is additionally introduced, connected between the signal detector and the first low-frequency filter, the core is made in the form of a closed frame, on which, in addition to the excitation winding, a measuring - compensation winding, the signal detector is made in the form of two peak detectors, the inputs of which are the input of the detector, the outputs of the peak detectors are connected to the inputs of the subtracting unit, the output of which is the output of the signal detector, the high-potential output of the measuring-compensation winding is connected to the second terminals of the capacitor and the feedback resistance , and the low-potential output is connected to a current-collecting resistor.

Связь вновь введенных признаков с достижение цели заключается в следующем. Выполнение сердечника в форме замкнутой рамки позволяет свести к нулю размагничивающий фактор и, соответственно, во много раз снизить энергопотребление. Нанесение измерительно компенсационной обмотки необходимо для создания поля компенсации в одинаковом - противоположном измеряемому полю направлении в обоих плечах рамки. Выполнение детектора в виде двух пиковых детекторов, входы которых являются входом детектора сигнала, выходы пиковых детекторов соединены с входами вычитающего блока, выход которого является выходом детектора сигнала связано с использованием в качестве источника сигнала измерительно-компенсационной обмотки, которую необходимо подключать к входу высокоомного устройства, являющегося в заявляемом магнитометре объединенным входом пиковых детекторов. Кроме того, форма сигнала, представленная на фиг. 2, предполагает использование сравнения амплитуд сигнала в соседних полупериодах как более информативный параметр, чем среднее значение. Подключение высокопотенциального выхода измерительно-компенсационной обмотки ко вторым выходам конденсатора и сопротивления обратной связи, а низкопотенциального выхода к токосъемному резистору связано с использованием измерительно компенсационной обмотки в качестве источника сигнала, а значит также обусловливает достижение цели.The connection of the newly introduced features with the achievement of the goal is as follows. Execution of the core in the form the closed frame allows you to reduce the demagnetizing factor to zero and, accordingly, reduce power consumption many times over. The application of a measuring compensation winding is necessary to create a compensation field in the same direction - opposite to the measured field - in both arms of the frame. Execution of the detector in the form of two peak detectors, the inputs of which are the input of the signal detector, the outputs of the peak detectors are connected to the inputs of the subtracting block, the output of which is the output of the signal detector due to the use as a signal source of the measuring-compensation winding, which must be connected to the input of a high-resistance device, which is in the inventive magnetometer the combined input of peak detectors. In addition, the waveform shown in Fig. 2 suggests the use of comparison of signal amplitudes in adjacent half-cycles as a more informative parameter than the average value. Connecting the high-potential output of the measuring-compensation winding to the second outputs of the capacitor and the feedback resistance, and the low-potential output to the current-collecting resistor is connected with the use of the measuring-compensating winding as a signal source, and therefore also determines the achievement of the goal.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого феррозондового магнитометра.Figure 1 shows a block diagram of the proposed fluxgate magnetometer.

Феррозондовый магнитометр содержит генератор 1, рамочный сердечник 2 с нанесенными на него измерительно компенсационной обмоткой 3 и обмоткой 4 возбуждения, подключенной к выходам генератора 1, последовательно соединенные конденсатор 5, детектор 6 сигнала, схема 7 сравнения уровней, фильтр 8 низкой частоты, усилитель 9 постоянного тока и сопротивление 10 обратной связи, токосъемный резистор 11, к которому подключены низкопотенциальный выход измерительно-компенсационной обмотки 3 и второй фильтр 12 низкой частоты, выход которого выполнен с возможностью подключения к измерительному прибору 13, при этом детектор 6 сигнала выполнен в виде первого 14 и второго 15 пиковых детекторов, общие входы которых являются входом детектора 6 сигнала, а выходы пиковых детекторов подключены к входам блока 16 вычитания, выход которого является выходом детектора 6 сигнала, высокопотенциальный выход измерительно-компенсационной обмотки 3 соединен с сопротивлением 10 обратной связи и конденсатором 5.The fluxgate magnetometer contains a generator 1, a frame core 2 with a measuring compensation winding 3 applied to it and an excitation winding 4 connected to the outputs of the generator 1, a capacitor 5 connected in series, a signal detector 6, a level comparison circuit 7, a low-frequency filter 8, a DC amplifier 9 current and feedback resistance 10, current-collecting resistor 11, to which the low-potential output of the measuring-compensation winding 3 is connected, and the second low-frequency filter 12, the output of which is configured to be connected to the measuring device 13, while the signal detector 6 is made in the form of the first 14 and second, 15 peak detectors, the common inputs of which are the input of the signal detector 6, and the outputs of the peak detectors are connected to the inputs of the subtractor 16, the output of which is the output of the signal detector 6, the high-potential output of the measuring-compensation winding 3 is connected to the feedback resistance 10 and the capacitor 5.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Переменный ток с генератора 1, протекая по обмотке 4 возбуждения, создает в параллельных плечах сердечника переменные магнитные поля противоположного направления относительно измеряемого магнитного поля. При наличии внешнего измеряемого магнитного поля в измерительно компенсационной обмотке 3 появляется сигнал четных гармоник, имеющий вид, изображенный на фиг. 2 для разных направлений поля и нулевого (либо скомпенсированного) значения его. Детектор сигнала 6 формирует на выходах пиковых детекторов 14 и 15 разной полярности уровни напряжения соответствующие амплитудным значениям положительного и отрицательного сигналов и с помощью вычитающего блока16 разность этих уровней. Полученный на выходе детектора 6 сигнал имеет реверсивную (знакочувствительную) зависимость от измеряемого поля и используется для автоматического регулирования тока компенсации в измерительно-компенсационной обмотке 3, обеспечивающего нулевой сигнал на ее выходе, а значит равенство компенсирующего поля измеряемому полю. Система автоматического регулирования содержит стандартные элементы, а именно: схему сравнения уровней 7, где в качестве задающего уровня используется нулевой уровень, интегратор, в качестве которого выступает фильтр низкой частоты 8, стабилизирующий работу, и усилитель 9 постоянного тока. Сигнал пропорциональный току компенсации, а значит измеряемому полю, снимается с токосъемного резистора 11, сглаживается вторым фильтром 12 низкой частоты и измеряется измерительным прибором 13. При этом конденсатор 5 препятствует проникновению постоянного напряжения на вход детектора 6.The alternating current from the generator 1, flowing through the excitation winding 4, creates alternating magnetic fields in the opposite direction relative to the measured magnetic field in the parallel arms of the core. In the presence of an external measured magnetic field in the measuring compensation winding 3, an even harmonic signal appears, having the form shown in Fig. 2 for different directions of the field and its zero (or compensated) value. The signal detector 6 generates voltage levels at the outputs of peak detectors 14 and 15 of different polarity corresponding to the amplitude values of the positive and negative signals and, using the subtracting unit 16, the difference between these levels. The signal obtained at the output of detector 6 has a reversible (sign-sensitive) dependence on the measured field and is used to automatically control the compensation current in the measuring-compensation winding 3, which provides a zero signal at its output, which means that the compensating field is equal to the measured field. The automatic control system contains standard elements, namely: a level comparison circuit 7, where the zero level is used as the master level, an integrator, which is a low-frequency filter 8, which stabilizes the operation, and a DC amplifier 9. A signal proportional to the compensation current, and therefore to the measured field, is taken from the current-collecting resistor 11, smoothed by the second low-frequency filter 12 and measured by the measuring device 13. In this case, the capacitor 5 prevents the penetration of direct voltage to the input of the detector 6.

Пример конкретного осуществления.An example of a specific implementation.

Изготовление сердечника в виде замкнутой рамки производилось по давно известной технологии изготовления магнитных головок, а именно на пластинах из сплава 81НМА толщиной 50 мкм методом фотолитографии и последующего травления вытравливались рамки с остающимися перемычками, удерживающими рамки в пластине. Пластины склеивались с базировкой на штифтах в базовых отверстиях, после чего перемычки обрезались электроискровым методом и получались шихтованные рамки. Обмотка возбуждения наносилась с плотность 25 витков на см. Узлы схемы изготавливались на операционных усилителях по стандартным схемам. Ток в обмотке возбуждения не превышал 10 мА при амплитуде напряжения на генераторе не более 1 В, т.е. потребляемая мощность не превышала 10 мВт. При использовании аккумуляторной батареи 9В Крона Plus-SR с емкостью 200 мАч прибор работал около 20 часов без перезарядки. На фиг.2 приведены сигналы с датчика при разных направлениях измеряемого поля при отключенной компенсации и при включенной компенсации, подтверждающие положения, изложенные в описании заявки. Проверка магнитометра производилась с использованием катушек Гельмгольца и показала высокую линейность характеристики. Чувствительность магнитометра на уровне нескольких нТл.The manufacture of the core in the form of a closed frame was carried out according to the long-known technology for the manufacture of magnetic heads, namely, frames with remaining bridges holding the frames in the plate were etched on plates of 81NMA alloy 50 μm thick by photolithography and subsequent etching. The plates were glued together based on pins in the base holes, after which the jumpers were cut by the electric spark method and laminated frames were obtained. The excitation winding was applied with a density of 25 turns per cm. The circuit nodes were made on operational amplifiers according to standard schemes. The current in the excitation winding did not exceed 10 mA at a voltage amplitude on the generator of not more than 1 V, i.e. the power consumption did not exceed 10 mW. When using a 9V Krona Plus-SR battery with a capacity of 200 mAh, the device worked for about 20 hours without recharging. Figure 2 shows the signals from the sensor in different directions of the measured field when the compensation is disabled and when compensation is enabled, confirming the provisions set forth in the description of the application. The magnetometer was checked using Helmholtz coils and showed a high linearity of the characteristic. The sensitivity of the magnetometer is at the level of several nT.

Claims

A fluxgate magnetometer, including an excitation coil containing a saturable core, an excitation generator operating at the frequency of the output voltage, loaded on the excitation coil, a capacitor, to the second output of which a signal detector connected in series is connected, made on the basis of nonlinear elements, the first low-frequency filter, a DC amplifier current and feedback resistance, a second low-frequency filter, the output of which is configured to be connected to a measuring device, an input to a current-collecting resistor, characterized in that, in order to reduce power consumption, a level comparison circuit is additionally introduced, connected between the detector and the first low-frequency filter, the core is made in the form of a closed frame, on which, in addition to the excitation winding, a measuring and compensation winding is applied, the signal detector is made in the form of two peak detectors, the inputs of which are the input of the detector, the outputs of the peak detectors are connected to the input In the subtracting unit, the output of which is the output of the signal detector, the high-potential output of the measuring and compensation winding is connected to the second terminals of the capacitor and the feedback resistance, and the low-potential output is connected to the current-collecting resistor.