RU2143122C1

RU2143122C1 - Flux density measuring transducer

Info

Publication number: RU2143122C1
Application number: RU99103062A
Authority: RU
Inventors: М.К. Казаков
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 1999-12-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: transducer depending for its operation on compensation method is provided with first and second switches 8 and 10 as well as signal shaping unit 11 that controls operation of switches. Transducer incorporates provision for minimizing error when voltage proportional to flux density being measured is stored. EFFECT: improved measurement accuracy. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерениям магнитной индукции. The invention relates to the field of electrical measurements, in particular to measurements of magnetic induction.

Известны устройства для измерения магнитной индукции методом прямого преобразования, включающие датчики Холла (см. Гальваномагнитные преобразователи в измерительной технике/ В.В.Брайко, И.П.Гринберг, М.: Энергоатомиздат, 1984, - с. 247-249), в которых информация об индукции магнитного поля снимается в виде напряжения Холла. Known devices for measuring magnetic induction by direct conversion, including Hall sensors (see Galvanomagnetic transducers in measuring technique / VV Braiko, IP Grinberg, M .: Energoatomizdat, 1984, - S. 247-249), in which information about the magnetic field induction is removed in the form of Hall voltage.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных устройств, относится влияние погрешностей датчика Холла: нелинейность его функции преобразования, временная и температурная нестабильность параметров. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using known devices include the influence of Hall sensor errors: nonlinearity of its conversion function, temporal and temperature instability of parameters.

Известны также устройства для измерения индукции с использованием компенсационного метода и отрицательной обратной связи (см. там же, стр. 131). Недостатком такого устройства является трудность измерения индукции свыше 0,01 Тл, поскольку в воздухе трудно осадить компенсирующее магнитное поле. Devices for measuring induction using the compensation method and negative feedback are also known (see ibid., P. 131). The disadvantage of this device is the difficulty of measuring induction in excess of 0.01 T, since it is difficult to precipitate a compensating magnetic field in the air.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению является измерительный преобразователь магнитной индукции, используемый в патенте РФ 2096787 (кл. G 01 R 19/00) и содержащий магнитопровод с намагничивающей и дополнительной обмотками, причем выводы намагничивающей обмотки подключены к импульсному генератору: индикатор размагничивания магнитопровода в виде датчика Холла, выход которого через формирователь импульсов подключен к первому входу блока выборки-хранения, выход которого является выходом измерительного преобразователя магнитной индукции; интегратор, выход которого подключен ко второму входу блока выборки-хранения. Такое устройство принято за прототип. The closest device of the same purpose to the claimed invention is a magnetic induction measuring transducer used in RF patent 2096787 (class G 01 R 19/00) and containing a magnetic circuit with magnetizing and additional windings, and the magnetizing winding leads connected to a pulse generator: demagnetization indicator magnetic circuit in the form of a Hall sensor, the output of which is connected via a pulse shaper to the first input of the sample-storage unit, the output of which is the output of the measuring transducer magnetic inductor; an integrator whose output is connected to the second input of the fetch-storage block. Such a device is taken as a prototype.

Недостатком при использовании прототипа является снижение точности преобразования магнитной индукции вследствие влияния следующих факторов. The disadvantage when using the prototype is a decrease in the accuracy of the conversion of magnetic induction due to the influence of the following factors.

Запоминание выходного напряжения интегратора производится при подаче этого напряжения на вход блока выборки-хранения (БВХ) в течение малого интервала времени (это время выборки τ на фиг. 1,а) при наличии короткого импульса на выходе формирователя импульсов при равенстве измеряемой и компенсирующей магнитных индукций, что фиксирует датчик Холла. Дело в том, что запоминание напряжения производится с малыми погрешностями в том случае, когда входное напряжение БВХ в течение времени запоминания является постоянным, что и обуславливает необходимость уменьшения времени выборки, поскольку реальное входное напряжение БВХ является переменным по значению (напряжение u на фиг. 1,б). При увеличении времени выборки будет запомнено напряжение u₂ в момент t₂, а не требуемое напряжение u₁ в момент t₁ (фиг. 1), что и приводит к погрешностям. Но при снижении времени выборки появляется погрешность из-за того, что переходный процесс установления выходного напряжения БВХ может не закончиться за время выборки. Таким образом, отмеченное противоречие к параметрам устройства приводит в итоге к появлению погрешностей преобразования магнитной индукции.The output voltage of the integrator is stored when this voltage is applied to the input of the sampling-storage unit (BVX) for a short time interval (this is the sampling time τ in Fig. 1, a) in the presence of a short pulse at the output of the pulse shaper when the measured and compensating magnetic inductions are equal that captures the Hall sensor. The fact is that voltage memorization is made with small errors in the case when the input voltage of the CVC during the memory time is constant, which makes it necessary to reduce the sampling time, since the actual input voltage of the CVC is variable in value (voltage u in Fig. 1 b). With increasing sampling time, the voltage u ₂ at time t ₂ will be remembered, and not the required voltage u ₁ at time t ₁ (Fig. 1), which leads to errors. But with a decrease in the sampling time, an error appears due to the fact that the transient process of establishing the output voltage of the CVC may not end during the sampling time. Thus, the noted contradiction to the parameters of the device leads ultimately to the appearance of errors in the conversion of magnetic induction.

Сущность изобретения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в повышении точности измерения магнитной индукции. The invention consists in the desire to obtain a technical result, which consists in increasing the accuracy of measuring magnetic induction.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном измерительном преобразователе магнитной индукции, содержащем магнитопровод с намагничивающей и дополнительной обмотками, причем выводы намагничивающей обмотки подключены к импульсному генератору; индикатор размагничивания магнитопровода в виде датчика Холла, выход которого через формирователь импульсов подключен к первому входу блока-хранения, выход которого является выходом измерительного преобразователя магнитной индукции; интегратор, выход которого подключен ко второму входу блока выборки-хранения, особенность заключается в том, что в него введены: первый и второй ключи, причем первый ключ включен между дополнительной обмоткой и входом интегратора, а второй ключ подсоединен параллельно конденсатору интегратора; а также блок формирования сигналов, содержащий два логических элемента "2И", два логических инвертора, диод и резистор, причем первый вход первого логического элемента подключен через диод к дополнительной обмотке, а второй вход через первый логический инвертор - к формирователю импульсов; выход первого логического элемента через второй логический инвертор подключен к одному из входов второго логического элемента, другой вход которого соединен со вторым входом первого логического элемента; выход первого логического элемента подключен ко входу управления первого ключа, а выход второго логического элемента - ко входу управления второго ключа; резистор подключен параллельно первому входу первого логического элемента. The specified technical result is achieved by the fact that in the known measuring transducer of magnetic induction, containing a magnetic circuit with magnetizing and additional windings, and the conclusions of the magnetizing winding connected to a pulse generator; an indicator of the demagnetization of the magnetic circuit in the form of a Hall sensor, the output of which through a pulse shaper is connected to the first input of the storage unit, the output of which is the output of the magnetic induction measuring transducer; an integrator, the output of which is connected to the second input of the sample-storage unit, the peculiarity is that it contains: the first and second keys, the first key being connected between the additional winding and the integrator input, and the second key is connected in parallel with the integrator capacitor; as well as a signal generation unit containing two “2I” logic elements, two logical inverters, a diode and a resistor, the first input of the first logical element being connected through the diode to the additional winding, and the second input through the first logical inverter - to the pulse former; the output of the first logic element through the second logical inverter is connected to one of the inputs of the second logic element, the other input of which is connected to the second input of the first logic element; the output of the first logic element is connected to the control input of the first key, and the output of the second logic element is connected to the control input of the second key; a resistor is connected in parallel with the first input of the first logic element.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна". The analysis of the prior art made it possible to establish that the applicant has not found an analogue characterized by features identical to all the features of the claimed invention, and the determination from the list of analogues of the prototype made it possible to identify a set of distinctive features that are perceived by the applicant as the technical result of the claimed device set forth in the claims. Therefore, the claimed invention meets the condition of "novelty."

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень". To verify compliance of the claimed invention with the condition "inventive step", the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify signs that match the distinctive features of the claimed device from the prototype. The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art for the specialist, since the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of the technical result is not revealed from the prior art determined by the applicant. Therefore, the claimed invention meets the condition of "inventive step".

На чертежах представлено: фиг. 1 поясняет работу прототипа, на фиг. 2 изображена структурная схема устройства, фиг. 3 поясняет работу устройства, на фиг. 4 приведена схема блока выборки-хранения. The drawings show: FIG. 1 illustrates the operation of the prototype, in FIG. 2 shows a block diagram of a device, FIG. 3 illustrates the operation of the device, in FIG. 4 is a diagram of a sampling-storage unit.

Устройство (фиг. 2) содержит магнитопровод 1, в одном из зазоров которого размещен датчик Холла 2. Один выходной зажим датчика 2 соединен с землей, а второй - с входом формирователя импульсов 3, выход которого подключен к первому входу блока выборки-хранения (БВХ) 4, выход которого является выходом преобразователя. Импульсный генератор 5 соединен с намагничивающей обмоткой 6. Второй вывод обмотки заземлен. Дополнительная обмотка 7 через первый ключ 8 соединена со входом интегратора 9, конденсатор которого зашунтирован вторым ключом 10, а выход соединен со вторым входом БВХ 4. Блок формирования сигналов (БФС) 11 содержит первый 12 и второй 13 логические элементы "2И", а также первый 14 и второй 15 логические интеграторы, диод 16 и резистор 17. Первый вход первого логического элемента 12 подключен через диод 16 к дополнительной обмотке 7, а второй вход первого логического элемента 12 через второй логический инвертор 15 - к формирователю импульсов 3. Выход первого логического элемента 12 через второй логический инвертор 15 подключен к одному из входов второго логического элемента 13, другой вход которого соединен со вторым входом первого логического элемента 12. Выход первого логического элемента 12 подключен ко входу управления первого ключа 8, а выход второго логического элемента 13 - ко входу управления второго ключа 10. Резистор 17 подключен параллельно первому входу первого логического элемента 12. The device (Fig. 2) contains a magnetic circuit 1, in one of the gaps of which a Hall sensor 2 is placed. One output terminal of the sensor 2 is connected to the ground, and the second to the input of the pulse shaper 3, the output of which is connected to the first input of the sample-storage unit (BVX ) 4, the output of which is the output of the converter. The pulse generator 5 is connected to the magnetizing winding 6. The second output of the winding is grounded. An additional winding 7 through the first key 8 is connected to the input of the integrator 9, the capacitor of which is shunted by the second key 10, and the output is connected to the second input of the BVX 4. The signal conditioning unit (BFS) 11 contains the first 12 and second 13 logic elements "2I", and the first 14 and second 15 are logical integrators, a diode 16 and a resistor 17. The first input of the first logic element 12 is connected through a diode 16 to the additional winding 7, and the second input of the first logic element 12 through the second logical inverter 15 is connected to a pulse shaper 3. The output of the first logic element 12 through a second logical inverter 15 is connected to one of the inputs of the second logic element 13, the other input of which is connected to the second input of the first logic element 12. The output of the first logic element 12 is connected to the control input of the first key 8, and the output of the second logic element 13 is to the control input of the second key 10. The resistor 17 is connected in parallel with the first input of the first logic element 12.

Измерительный преобразователь магнитной индукции функционирует следующим образом. Measuring transducer magnetic induction operates as follows.

Пусть подлежащая измерению индукция магнитного поля равна B₀. Для концентрации магнитного потока с целью увеличения чувствительности при измерении магнитной индукции служит магнитопровод 1. В этом случае магнитная индукция в магнитопроводе возрастает и равна B₁. Ток генератора 5 пилообразной формы, протекая по намагничивающей обмотке 6, создает в магнитопроводе компенсирующую магнитную индукцию B_к, направление которой в рабочей части магнитопровода встречно индукции B₁. Напряжение u₁ обмотки 7 пропорционально производной компенсирующей магнитной индукции и поэтому имеет прямоугольную форму (фиг. 3,а). Напряжение u₂ на выходе интегратора 9 до момента времени t₁ имеет форму компенсирующей индукции (фиг. 3,б). В момент t₁ равенства индукций (B₁ = B_k), что фиксируется датчиком Холла 2, формирователь 3 вырабатывает управляющий импульс длительностью τ (напряжение u₃ на фиг. 3,в), подаваемый на вход "Вх.1" БВХ 4, разрешая запоминание напряжения u_в, пропорционального измеряемой магнитной индукции. Напряжения u₁ и u₃ ( (фиг, 3а, в) подаются на БФС 11. Напряжение u₄ на выходе первого логического элемента 12 имеет вид, показанный на фиг. 3, г. Оно подается на вход управления первого ключа 8, отключая вход интегратора 9 от обмотки 7, поэтому напряжение на выходе интегратора 9 до момента времени t₂ не меняется (фиг. 3. б). В течение времени τ = t₂-t₁ производится запоминание напряжения, пропорционального измеряемой индукции, с помощью БВХ 4. Напряжение u₅ на выходе второго логического элемента 13 показано на фиг. 3, д. Оно подается на вход управления второго ключа 10, снимая информацию, накопленную в интеграторе 9. В момент времени t₃ начинается следующий цикл измерения. Если значение индукции B₀ изменится, то изменится и напряжение u_в, приводя к изменению выходного напряжения измерительного преобразователя магнитной индукции.Let the magnetic field induction to be measured be equal to B ₀ . To concentrate the magnetic flux in order to increase the sensitivity when measuring magnetic induction, magnetic core 1 is used. In this case, the magnetic induction in the magnetic core increases and is equal to B ₁ . The current of the sawtooth-shaped generator 5 flowing through the magnetizing winding 6 creates in the magnetic circuit a compensating magnetic induction B _k , the direction of which in the working part of the magnetic circuit is opposite to the induction B ₁ . The voltage u _{1 of the} winding 7 is proportional to the derivative of the compensating magnetic induction and therefore has a rectangular shape (Fig. 3, a). The voltage u ₂ at the output of the integrator 9 until the time t ₁ has the form of a compensating induction (Fig. 3, b). At the moment t _{1 of the} equality of inductions (B ₁ = B _k ), which is detected by the Hall sensor 2, the shaper 3 generates a control pulse of duration τ (voltage u ₃ in Fig. 3, c), applied to the input "In 1" BVX 4, allowing the storage of voltage u _in proportional to the measured magnetic induction. Voltages u ₁ and u ₃ ((Figs. 3a, 3c) are supplied to the BFS 11. The voltage u ₄ at the output of the first logic element 12 has the form shown in Fig. 3, d. It is fed to the control input of the first switch 8, disabling the input integrator 9 from the winding 7, therefore, the voltage at the output of the integrator 9 does not change until time t ₂ (Fig. 3. b). During the time τ = t ₂ -t _{1 the} voltage proportional to the measured induction is stored using BVC 4. The voltage u ₅ at the output of the second logic element 13 is shown in Fig. 3, e. It is fed to the control input of the second 10, taking the information accumulated in the integrator 9. The next measurement cycle begins at time t _3. If the value of induction B ₀ changes, then the voltage u _{in also} changes, leading to a change in the output voltage of the magnetic induction measuring transducer.

При использовании предложенного изобретения разрешается вышеотмеченное противоречие, имеющееся в прототипе, поскольку во-первых, возможно увеличение времени выборки τ (фиг. 3, в) вследствие постоянства напряжения, подаваемого на вход БВХ 11 (напряжение, изображенное сплошной линией на фиг. 3,б в промежутке времени между t₁ и t₂), а во-вторых, напряжение u_в фиксируется точно в момент t₁ равенства индукций B₁ и B_к, поскольку время выключения первого ключа 8 очень мало.When using the proposed invention, the aforementioned contradiction existing in the prototype is resolved, because, firstly, it is possible to increase the sampling time τ (Fig. 3, c) due to the constancy of the voltage supplied to the input of BVC 11 (voltage, shown by a solid line in Fig. 3, b in the time interval between t ₁ and t ₂ ), and secondly, the voltage u _in is fixed exactly at the moment t _{1 of the} equality of inductions B ₁ and B _k , since the turn-off time of the first switch 8 is very short.

На фиг. 4 показан вариант выполнения запоминающего устройства (ЗУ на фиг. 2), входящего в состав блока выборки-хранения 4. In FIG. 4 shows an embodiment of a storage device (memory in FIG. 2), which is part of a sample-storage unit 4.

Таким образом, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств. Также устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Thus, for the claimed device in the form as described in the independent paragraph of the claims, the possibility of its implementation using the means described in the application is confirmed. Also, a device embodying the claimed invention in its implementation is capable of achieving the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость". Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims

A magnetic induction measuring transducer containing a magnetic circuit with magnetizing and additional windings, the magnetizing windings being connected to a pulse generator, the demagnetization indicator of the magnetic circuit in the form of a Hall sensor, the output of which is connected through the pulse former to the first input of the sample-storage unit, the output of which is the output of the measuring transducer magnetic induction, an integrator whose output is connected to the second input of the sample-storage unit, characterized in that the first and second keys are inserted into it, the first key being connected between the additional winding and the integrator input, and the second key is connected in parallel with the integrator capacitor, as well as a signal generating unit containing two 2I logic elements, two logical inverters, a diode and a resistor, the first the input of the first logical element is connected through the diode to the additional winding, and the second input through the first logical inverter is connected to the pulse shaper, the output of the first logical element through the second logical invert connected to one of the inputs of the second logic element, the other input of which is connected to the second input of the first logic element, the output of the first logic element is connected to the control input of the first key, and the output of the second logic element is connected to the control input of the second key, the resistor is connected parallel to the first input of the first logical item.