RU2194286C1

RU2194286C1 - Device measuring intensity of magnetic field

Info

Publication number: RU2194286C1
Application number: RU2001117403A
Authority: RU
Inventors: М.В. Ланкин; Н.И. Горбатенко; П.С. Вольт; К.Ю. Соломенцев
Original assignee: Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2002-12-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device measuring intensity of magnetic field has first generator of rectangular pulses, first logic AND gate, pulse counter, digital-to- analog converter, first analog adder, controlled source of electric energy, first key and ferrosonde excitation winding connected in series, second generator of rectangular pulses, logic OR gate, first RS flip-flop connected with output to second input of first logic AND gate, second RS flip-flop which first input is connected to output and which output is connected to second input of second logic AND gate connected in series, generator of decaying pulses connected with second output to second input of first analog adder, first differentiating network connected with output to second input of logic OR gate, counting flip-flop, second differentiating network and third RS flip- flop connected with first output to second input of first key connected in series, ferrosonde output winding, amplifier, second key, first integrator, second analog adder which second input is connected to source of reference voltage, analog-to-digital converter, digital adder connected with second input to output of pulse counter and measuring instrument connected in series, third key connected with first input to output of amplifier and with second input to output of counting flip-flop, second integrator connected with output to second input of analog-to-digital converter, first threshold unit connected with first input to output of amplifier and with second input to first output of generator of decaying pulses and with output to second inputs of first and second RS flip-flops connected in series. Output of second generator of rectangular pulses is connected to second inputs of third RS flip-flop which is connected with second output to second input of second key, pulse counter, first and second integrators, second logic AND gate connected with first input to output of first generator of rectangular pulses and with output to input of generator of decaying pulses. Value ΔH of step of change of compensating field is chosen from condition

, where H_c is coercive force of ferromagnetic material of core of ferrosonde. Core dimensions: width a, thickness b and length L are chosen from condition

, where M_r is saturation magnetization of ferromagnetic material of core of ferrosonde. EFFECT: reduced methodical measurement error, enhanced sensitivity of device. 4 dwg

Description

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения напряженности магнитного поля. The invention relates to magnetic measurements and is intended to measure magnetic field strength.

Известен магнитометр, содержащий феррозонд, избирательный усилитель, синхронный детектор, регистрирующий прибор, генератор синусоидального тока (Афанасьев Ю. В. , Студенцов В.Н., Хорев В.Н., Чечурина Е.Н., Щелкин А.П. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. - Л. : Энергия, 1972). Для его устойчивой работы необходимо ограничивать глубину обратной связи, что ухудшает метрологические характеристики прибора. A known magnetometer containing a flux gate, a selective amplifier, a synchronous detector, a recording device, a sinusoidal current generator (Afanasyev Yu.V., Studentsov V.N., Khorev V.N., Chechurina E.N., Schelkin A.P. Magnetometric converters , devices, installations. - L.: Energy, 1972). For its stable operation, it is necessary to limit the depth of feedback, which affects the metrological characteristics of the device.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения напряженности магнитного поля (Патент РФ 2154280, кл. G 01 R 33/02, опубл. 10.08.2000, БИ 22), содержащее первый и второй генераторы прямоугольных импульсов, RS-триггер, феррозонд, к выходной обмотке которого подключен интегратор, выходом соединенный с входом усилителя, выход которого соединен с входом порогового блока, последовательно соединенные логический элемент И, счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, управляемый источник тока - ключ и обмотка возбуждения феррозонда, причем первый вход логического элемента И соединен с выходом первого генератора прямоугольных импульсов, а второй - с выходом RS-триггера, первый вход которого соединен с выходом второго генератора прямоугольных импульсов, выход второго генератора прямоугольных импульсов соединен со вторым входом счетчика импульсов, выход RS-триггера - со вторым входом ключа, выход порогового блока со вторым входом RS-триггера. The closest in technical essence to the claimed device is the selected device for measuring the magnetic field strength (RF Patent 2154280, CL G 01 R 33/02, publ. 10.08.2000, BI 22) containing the first and second rectangular pulse generators , RS-flip-flop, flux-gate, to the output winding of which an integrator is connected, with an output connected to the input of the amplifier, the output of which is connected to the input of the threshold block, logic element And connected in series, pulse counter, digital-to-analog converter, unitary enterprise the provided current source is the key and the excitation winding of the fluxgate, the first input of the logical element And connected to the output of the first rectangular pulse generator, and the second to the output of the RS-trigger, the first input of which is connected to the output of the second rectangular pulse generator, the output of the second rectangular pulse generator is connected with the second input of the pulse counter, the output of the RS-trigger - with the second input of the key, the output of the threshold block with the second input of the RS-trigger.

Недостатком известного устройства является малая чувствительность и наличие случайной погрешности ΔН. Это объясняется тем, что результат измерения Н_изм определяется выражением:
H_изм = n•ΔH≥H_x+H_c,
где n - количество импульсов, поступивших на вход счетчика импульсов к моменту окончания цикла измерения; ΔH - величина шага изменения напряженности компенсирующего поля; H_x - напряженность измеряемого магнитного поля; Н_c - коэрцитивная сила ферромагнитного материала сердечника феррозонда (пермаллоя с ППГ).A disadvantage of the known device is its low sensitivity and the presence of a random error ΔН. This is because the measurement result H _ISM is determined by the expression:
H _rev _{_{= n • ΔH≥H x + H c}} ,
where n is the number of pulses received at the input of the pulse counter by the time the measurement cycle ends; ΔH is the value of the step of the change in the intensity of the compensating field; H _x is the intensity of the measured magnetic field; H _c is the coercive force of the ferromagnetic material of the core of the fluxgate (permalloy with BCP).

Таким образом, Н_изм всегда больше Н_х на Н_с, причем, в зависимости от величины Н_х, это превышение непостоянное и колеблется от 0 до ΔН. Зона нечувствительности устройства равна Н_с, а диапазон изменения случайной составляющей погрешности - ΔН. Из вышесказанного следует вывод о малой чувствительности (т. к. Н_с для пермаллоев с ППГ может достигать 10 А/м) и о наличии случайной погрешности ΔН.Thus, H _{ISM is} always greater than H _x by N _s , and, depending on the value of H _x , this excess is unstable and ranges from 0 to ΔH. The deadband of the device is N _s , and the range of variation of the random error component is ΔH. From the foregoing, the conclusion follows about low sensitivity ( _since N _s for permalloys with BCP can reach 10 A / m) and the presence of a random error ΔН.

Этот недостаток можно устранить, определив величину перекомпенсации Н_п и отняв ее из полученного компенсирующего поля. В этом случае:
H_изм = n•ΔH-Η_п = H_x.
Это можно сделать, переведя магнитное состояние сердечника феррозонда на безгистерезисную кривую намагничивания (БК). Для перехода из точки, соответствующей петле гистерезиса (точки С и D фиг.2) в точки на БК (точки А и В фиг. 2) необходимо создать переменное монотонно убывающее магнитное поле (участок t1-t2 и t4-t5 фиг.2). Зная наклон БК и магнитную индукцию В_п, определим Н_п из выражения:

,
где μ_БК - относительная магнитная проницаемость ферромагнитного материала сердечника феррозонда на БК.This disadvantage can be eliminated by determining the amount of overcompensation H _p and taking it from the resulting compensating field. In this case:
H _meas = n • ΔH-Η _p = H _x .
This can be done by transferring the magnetic state of the core of the flux-gate to the hysteresis-free magnetization curve (BC). To go from the point corresponding to the hysteresis loop (points C and D of FIG. 2) to points on the BC (points A and B of FIG. 2), it is necessary to create an alternating monotonically decreasing magnetic field (plot t1-t2 and t4-t5 of FIG. 2) . Knowing the slope of the BK and the magnetic induction In _p , we define N _p from the expression:

,
where μ _BK is the relative magnetic permeability of the ferromagnetic material of the core of the flux gate on the BK.

Значение В_п определяется из выражения:
B_п = B_s-ΔB₂,
где B_s - индукция насыщения ферромагнитного материала сердечника феррозонда (постоянная для магнитного материала сердечника), ΔB₂ - приращение индукции в сердечнике феррозонда, определяемое индукционным способом при выключении компенсирующего поля.The value of In _p is determined from the expression:
B _p = B _s -ΔB ₂ ,
where B _s is the saturation induction of the ferromagnetic material of the core of the flux gate (constant for the magnetic material of the core), ΔB ₂ is the increment of induction in the core of the flux gate, determined by the induction method when the compensation field is turned off.

Значение μ_БК может быть определено из выражения:

где ΔB₁ - приращение магнитной индукции при переходе магнитного состояния сердечника феррозонда из точки А в точку В при изменении напряженности компенсирующего магнитного поля на ΔН.The value of μ _BC can be determined from the expression:

where ΔB ₁ is the increment of magnetic induction during the transition of the magnetic state of the core of the flux gate from point A to point B with a change in the intensity of the compensating magnetic field by ΔН.

Выше сказанное осуществимо при выполнении двух условий. The foregoing is feasible if two conditions are met.

1. Необходимо подобрать геометрические размеры феррозонда так, чтобы напряженность в точке перегиба сердечника феррозонда (Н_пс на фиг.3) равнялось нулю или поменяла полярность на противоположную по сравнению с напряженностью в точке перегиба материала (Н_пм на фиг.3), из которого изготовлен сердечник феррозонда.1. It is necessary to choose the geometric dimensions of the flux gate so that the tension at the inflection point of the core of the flux gate (N _ps in FIG. 3) is zero or reverses the polarity compared to the tension at the inflection point of the material (N _pm in FIG. 3), from which the core of the fluxgate is made.

Это необходимо для того, чтобы при переходе из точки С на петле гистерезиса попасть на участок БК третьего или первого квадранта (точка А фиг.2). This is necessary so that when passing from point C on the hysteresis loop to get to the plot of the BC of the third or first quadrant (point A of figure 2).

Напряженность перегиба сердечника феррозонда определяется как:
Н_пс=Н_пм-Н_р,
где Н_р - это размагничивающее поле, определяемое как:
Н_р=N•M,
где N - коэффициент размагничивания сердечника; М - намагниченность материала сердечника феррозонда.The inflection strength of the core of the flux gate is defined as:
H _ps = H _pm -H _p
where H _p is the demagnetizing field, defined as:
N _p = N • M,
where N is the coefficient of demagnetization of the core; M is the magnetization of the material of the core of the fluxgate.

Зададимся величиной Н_р=Н_с (для пермаллоев с ППГ Н_п≈Н_с, B_r≈B_s).We set the value of H _p = H _s (for permalloys with BCP H _p ≈ H _s , B _r ≈ B _s ).

Тогда Н_пс≈0 (фиг.3) и с учетом того, что на данном участке М≈М_r, получаем:

где M_r - намагниченность насыщения материала сердечника феррозонда.Then N _ps ≈ 0 (figure 3) and taking into account the fact that in this section M≈M _r , we get:

where M _r is the saturation magnetization of the core material of the flux gate.

Коэффициент размагничивания для сердечника феррозонда в форме параллелепипеда определяется из выражения (Афанасьев Ю.В. Феррозонды Л.: Энергия, 1969, с. 20):
N=5.2•S/L²,
где S, L - площадь поперечного сечения и длина сердечника соответственно.The demagnetization coefficient for the core of the fluxgate in the form of a parallelepiped is determined from the expression (Afanasyev Yu.V. Ferrozond L .: Energia, 1969, p. 20):
N = 5.2 • S / L ² ,
where S, L is the cross-sectional area and the length of the core, respectively.

С учетом того, что для параллелепипеда площадь поперечного сечения равна произведению его ширины а на толщину b, последняя формула принимает вид:
N=5.2•a•b/L²,
тогда:
a•b≥0.19•L²•H_c/M_r.Considering that for a parallelepiped the cross-sectional area is equal to the product of its width a and thickness b, the last formula takes the form:
N = 5.2 • a • b / L ² ,
then:
a • b≥0.19 • L ² • H _c / M _r .

2. Величина шага изменения напряженности компенсирующего поля ΔН должна быть такой, чтобы точки А и В находились на линейном участке БК (фиг.2), т. е.:

Технической задачей изобретения является повышение точности и чувствительности устройства для измерения напряженности магнитного поля.2. The magnitude of the step of the change in the intensity of the compensating field ΔН should be such that points A and B are on the linear section of the BC (figure 2), ie:

An object of the invention is to increase the accuracy and sensitivity of a device for measuring magnetic field strength.

Поставленная задача решается с помощью устройства для измерения напряженности магнитного поля, содержащего первый генератор прямоугольных импульсов, пороговый блок, феррозонд, содержащий обмотку возбуждения и выходную обмотку, усилитель, выход которого соединен с входом порогового блока, первый интегратор, последовательно соединенные первый логический элемент И, счетчик импульсов и цифроаналоговый преобразователь, последовательно соединенные управляемый источник тока, ключ и обмотка возбуждения феррозонда, второй генератор прямоугольных импульсов, выход которого соединен со вторым входом счетчика, первый RS-триггер, второй вход которого соединен с выходом порогового блока, а выход - со вторым входом первого логического элемента И, выход первого генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом первого логического элемента И, дополнительно снабженного вторым логическим элементом И, вторым и третьим RS-триггерами, генератором затухающих импульсов, первой и второй дифференциальными цепями, логическим элементом ИЛИ, счетным триггером, вторым и третьим ключами, вторым интегратором, аналого-цифровым преобразователем, первым и вторым аналоговыми сумматорами, цифровым сумматором, источником опорного напряжения и измерительным прибором. The problem is solved using a device for measuring the magnetic field strength, containing the first rectangular pulse generator, a threshold block, a flux gate containing an excitation winding and an output winding, an amplifier, the output of which is connected to the input of the threshold block, the first integrator, the first logical element And connected in series pulse counter and digital-to-analog converter, serially connected controlled current source, key and excitation winding of a flux gate, second direct generator impulse pulses, the output of which is connected to the second input of the counter, the first RS-trigger, the second input of which is connected to the output of the threshold block, and the output - to the second input of the first logical element And, the output of the first square-wave generator is connected to the first input of the first logical element And, additionally equipped with a second logical element AND, a second and third RS-flip-flops, a generator of fading pulses, the first and second differential circuits, a logical element OR, a counting trigger, a second and third key E, a second integrator, an analog-digital converter, first and second analog adder, a digital adder, a reference voltage source and the measuring device.

Причем выходная обмотка феррозонда соединена с входом усилителя, первый вход второго логического элемента И соединен с выходом первого генератора прямоугольных импульсов, а второй вход - с выходом второго RS-триггера, первый вход которого соединен с выходом порогового блока, а второй - с выходом второго логического элемента И, также соединенного с входом генератора затухающих импульсов, первый выход которого соединен с первым входом первого аналогового сумматора, второй вход первого аналогового сумматора подключен к выходу цифро-аналогового преобразователя, а выход - к входу управляемого источника тока, а второй выход генератора затухающих импульсов соединен со вторым входом порогового блока и с входом первой дифференциальной цепи, к выходу которой последовательно присоединены счетный триггер, вторая дифференциальная цепь и первый вход третьего RS-триггера, выход первой дифференциальной цепи соединен со вторым входом логического элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом второго генератора прямоугольных импульсов, а выход - с первым входом первого RS-триггера, второй вход третьего RS-триггера соединен с выходом второго генератора прямоугольных импульсов, первый вход первого интегратора подключен к выходу усилителя через второй ключ, управляющий вход которого подключен ко второму выходу третьего RS-триггера, первый выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, выход второго генератора прямоугольных импульсов соединен со вторыми входами первого и второго интеграторов, первый вход второго интегратора подключен к выходу усилителя через третий ключ, второй вход которого подключен к выходу счетного триггера, выход первого интегратора соединен с первым входом второго аналогового сумматора, второй (инверсный) вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выходы вторых интегратора и аналогового сумматора соединены с первым и вторым входами аналого-цифрового преобразователя соответственно, выход которого соединен с первым входом цифрового сумматора, второй вход которого соединен с выходом счетчика импульсов, выход цифрового сумматора соединен с входом измерительного прибора. Moreover, the output winding of the fluxgate is connected to the input of the amplifier, the first input of the second logical element And is connected to the output of the first rectangular pulse generator, and the second input is to the output of the second RS-trigger, the first input of which is connected to the output of the threshold block, and the second to the output of the second logical element And, also connected to the input of a damped pulse generator, the first output of which is connected to the first input of the first analog adder, the second input of the first analog adder is connected to the digital-analog output of the converter, and the output is connected to the input of the controlled current source, and the second output of the damped pulse generator is connected to the second input of the threshold unit and to the input of the first differential circuit, the output of which is connected to the counting trigger, the second differential circuit, and the first input of the third RS-trigger, the output of the first differential circuit is connected to the second input of the OR gate, the first input of which is connected to the output of the second square-wave pulse generator, and the output is connected to the first input of the first RS-trigger a, the second input of the third RS-trigger is connected to the output of the second rectangular pulse generator, the first input of the first integrator is connected to the output of the amplifier through a second key, the control input of which is connected to the second output of the third RS-trigger, the first output of which is connected to the control input of the first key, the output of the second rectangular pulse generator is connected to the second inputs of the first and second integrators, the first input of the second integrator is connected to the output of the amplifier through a third key, the second input of which is connected n to the output of the counting trigger, the output of the first integrator is connected to the first input of the second analog adder, the second (inverse) input of which is connected to the output of the reference voltage source, the outputs of the second integrator and analog adder are connected to the first and second inputs of the analog-to-digital converter, respectively, whose output connected to the first input of the digital adder, the second input of which is connected to the output of the pulse counter, the output of the digital adder is connected to the input of the measuring device.

Причем величина шага изменения компенсирующего поля ΔН выбирается из условия:

где Н_с - коэрцитивная сила ферромагнитного материала сердечника феррозонда,
а размеры сердечника: ширина а, толщина b и длина L из условия:
a•b≥0.19•L²•H_c/M_r,
где M_r - намагниченность насыщения ферромагнитного материала сердечника феррозонда.Moreover, the step size of the compensating field ΔН is selected from the condition:

where N _{with the} coercive force of the ferromagnetic material of the core of the flux gate,
and the dimensions of the core: width a, thickness b and length L from the condition:
a • b≥0.19 • L ² • H _c / M _r ,
where M _r is the saturation magnetization of the ferromagnetic material of the core of the flux gate.

Сопоставительный анализ показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: второго логического элемента И, второго и третьего RS-триггера, генератора затухающих импульсов, первой и второй дифференциальных цепей, логического элемента ИЛИ, счетного триггера, второго интегратора, аналого-цифрового преобразователя, первого и второго аналоговых и цифрового сумматоров, источника опорного напряжения, измерительного прибора, и связями их с остальными блоками. Comparative analysis shows that the claimed device is characterized by the presence of new units: a second logical element And, a second and third RS-trigger, a generator of fading pulses, the first and second differential circuits, a logical element OR, a counting trigger, a second integrator, analog-to-digital converter, the first and the second analog and digital adders, a reference voltage source, a measuring device, and their connections with the rest of the blocks.

Таким образом, заявленное устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Thus, the claimed device meets the criteria of the invention of "novelty."

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что логический элемент И, RS-триггер, дифференциальная цепь, логический элемент ИЛИ, счетный триггер, интегратор, цифровой сумматор, источник опорного напряжения, аналого-цифровой преобразователь и измерительный прибор широко известны. A comparison of the proposed solution with other technical solutions shows that the AND logic element, RS-trigger, differential circuit, OR logic element, counting trigger, integrator, digital adder, voltage reference, analog-to-digital converter and measuring device are widely known.

Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство для измерения напряженности магнитного поля выше указанные блоки проявляют новые свойства. However, when they are introduced in this connection with the rest of the circuit elements in the inventive device for measuring the magnetic field strength, the above blocks exhibit new properties.

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия". This allows us to conclude that the technical solution meets the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для измерения напряженности магнитного поля. In FIG. 1 is a structural diagram of a device for measuring magnetic field strength.

Устройство для измерения напряженности магнитного поля содержит последовательно соединенные первый генератор 1 прямоугольных импульсов, первый логический элемент И 2, счетчик 3 импульсов, цифроаналоговый преобразователь 4, первый аналоговый сумматор 5, управляемый источник 6 тока, первый ключ 7 и обмотку 8 возбуждения феррозонда 9, последовательно соединенные второй генератор 10 прямоугольных импульсов, логический элемент ИЛИ 11 и первый RS-триггер 12, выходом соединенный со вторым входом первого логического элемента И 2; второй RS-триггер 13, первый вход которого подключен к выходу, а выход - ко второму входу второго логического элемента И 14, последовательно соединенные генератор 15 затухающих импульсов, вторым выходом соединенный со вторым входом первого аналогового сумматора 5, первая дифференциальная цепь 16, выходом соединенная также с вторым входом логического элемента ИЛИ 11, счетный триггер 17, вторую дифференциальную цепь 18 и третий RS-триггер 19, первым выходом соединенный со вторым входом первого ключа 7; последовательно соединенные выходная обмотка 20 феррозонда 9, усилитель 21, второй ключ 22, первый интегратор 23, второй аналоговый сумматор 24, второй вход которого соединен с выходом источника 25 опорного напряжения, аналого-цифровой преобразователь 26, цифровой сумматор 27, вторым входом подключенный к выходу счетчика 3 импульсов, и измерительный прибор 28; последовательно соединенные третий ключ 29, первым входом подключенный к выходу усилителя 21, а вторым - к выходу счетного триггера 17, и второй интегратор 30, выходом подключенный ко второму входу аналого-цифрового преобразователя 26, а также пороговый блок 31, первым входом подключенный к выходу усилителя 21, вторым входом - к первому выходу генератора 15 затухающих импульсов, а выходом - ко вторым входам первого 12 и второго 13 RS-триггеров, причем выход второго генератора 10 прямоугольных импульсов соединен со вторыми входами третьего RS-триггера 19, вторым выходом соединенного со вторым входом второго ключа 22, счетчика 3 импульсов, первого 23 и второго 30 интеграторов, второй логический элемент И 14 первым входом соединен с выходом первого генератора 1 прямоугольных импульсов, а выходом со входом генератора 15 затухающих импульсов. A device for measuring the magnetic field strength contains a series-connected first generator 1 of rectangular pulses, the first logical element And 2, counter 3 pulses, digital-to-analog Converter 4, the first analog adder 5, a controlled current source 6, the first key 7 and the excitation winding 8 of the flux gate 9, in series connected to the second rectangular pulse generator 10, the OR gate 11 and the first RS-trigger 12, connected to the second input of the first AND gate 2 by the output; the second RS-trigger 13, the first input of which is connected to the output, and the output to the second input of the second logic element AND 14, serially connected to a fading pulse generator 15, the second output connected to the second input of the first analog adder 5, the first differential circuit 16, the output connected also with the second input of the OR gate 11, the counting trigger 17, the second differential circuit 18 and the third RS-trigger 19, the first output connected to the second input of the first key 7; serially connected output winding 20 of the fluxgate 9, amplifier 21, second switch 22, first integrator 23, second analog adder 24, the second input of which is connected to the output of the voltage reference source 25, analog-to-digital converter 26, digital adder 27, connected to the output by a second input 3 pulse counter, and measuring device 28; connected in series with a third key 29, the first input connected to the output of the amplifier 21, and the second to the output of the counting trigger 17, and the second integrator 30, connected to the second input of the analog-to-digital converter 26 as well as the threshold unit 31, connected to the output by the first input amplifier 21, the second input to the first output of the generator 15 damped pulses, and the output to the second inputs of the first 12 and second 13 RS-flip-flops, and the output of the second generator 10 of rectangular pulses is connected to the second inputs of the third RS-flip-flop 19, in the second output connected to the second input of the second key 22, the counter 3 pulses, the first 23 and the second 30 integrators, the second logic element And 14 the first input is connected to the output of the first generator 1 of rectangular pulses, and the output to the input of the generator 15 damped pulses.

На фиг. 2 и на фиг.3 приведены пояснения к выбору граничных условий работы устройства, а на фиг.4 - временные диаграммы работы устройства. In FIG. 2 and 3, explanations are given for the selection of the boundary operating conditions of the device, and FIG. 4 is a timing diagram of the operation of the device.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии (до момента времени t0 фиг.2, 4): на выходе первого 12 и третьего 19 RS-триггеров уровни напряжения, запрещающие прохождение тока с выхода управляемого источника 6 тока через первый ключ 7 в обмотку 8 возбуждения феррозонда 9 и импульсов с выхода первого генератора 1 прямоугольных импульсов на первый вход счетчика 3 импульсов через первый логический элемент И 2; на выходе второго RS-триггера 13 уровень напряжения, запрещающий прохождение импульсов с выхода первого генератора 1 прямоугольных импульсов через второй логический элемент И 14 на вход генератора 15 затухающих импульсов; интеграторы 23 и 30 обнулены, все ключи 7, 22 и 29 разомкнуты, счетный триггер 16 - в нулевом состоянии. The device operates as follows. In the initial state (until time t0 of FIGS. 2, 4): at the output of the first 12 and third 19 RS flip-flops, voltage levels prohibiting the passage of current from the output of the controlled current source 6 through the first switch 7 to the excitation coil 8 of the flux gate 9 and pulses with the output of the first generator 1 of rectangular pulses to the first input of the counter 3 pulses through the first logical element And 2; at the output of the second RS-trigger 13 voltage level, prohibiting the passage of pulses from the output of the first generator 1 of rectangular pulses through the second logical element And 14 to the input of the generator 15 of damped pulses; integrators 23 and 30 are reset, all keys 7, 22 and 29 are open, counting trigger 16 is in the zero state.

В начале каждого цикла измерения (t0 на фиг.2, 4) короткий запускающий импульс с выхода второго генератора 10 прямоугольных импульсов (U10 на фиг. 4) поступает: на второй вход счетчика 3 импульсов, приводя его в нулевое состояние, на первый вход первого RS-триггера 12 через логический элемент ИЛИ 11, в результате чего на выходе первого RS-триггера 12 устанавливается уровень напряжения (U12 на фиг. 4), разрешающий прохождение через первый логический элемент И 2 импульсов с выхода первого генератора 1 прямоугольных импульсов (U1 на фиг.4) на первый вход счетчика 3 импульсов; на второй вход третьего RS-триггера 19, в результате чего на первом выходе третьего RS-триггера 19 устанавливается уровень напряжения, разрешающий протекание тока с выхода источника 6 тока через ключ 7 и обмотку 8 возбуждения феррозонда 9, а на втором выходе третьего RS-триггера 19 устанавливается уровень напряжения, запрещающий прохождение сигнала на первый вход первого интегратора 23 через второй ключ 22. At the beginning of each measurement cycle (t0 in FIGS. 2, 4), a short triggering pulse from the output of the second rectangular pulse generator 10 (U10 in FIG. 4) is received: at the second input of the 3 pulse counter, leading it to the zero state, at the first input of the first RS-flip-flop 12 through the OR gate 11, as a result of which the voltage level (U12 in Fig. 4) is established at the output of the first RS-flip-flop 12, allowing 2 pulses to pass through the first logical element And from the output of the first rectangular pulse generator 1 (U1 on figure 4) at the first input of the counter 3 pulses; to the second input of the third RS-flip-flop 19, as a result of which the voltage level is set at the first output of the third RS-flip-flop 19, allowing current to flow from the output of the current source 6 through the key 7 and the excitation coil 8 of the flux gate 9, and at the second output of the third RS-flip-flop 19, a voltage level is set that prohibits the passage of the signal to the first input of the first integrator 23 through the second switch 22.

Выходной код счетчика 3 импульсов поступательно возрастает, что приводит к нарастанию напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 4 (U4 на фиг. 4). Происходит формирование ступенчато-нарастающего импульса компенсирующего поля Н_к (фиг.2). ЭДС, индуцируемая в выходной обмотке 20 феррозонда 9 в процессе перемагничивания его сердечника усиливается усилителем 21, при этом напряжение на выходе усилителя 21 (U21 на фиг.4) пропорционально скорости изменения индукции в сердечнике феррозонда 9. С выхода усилителя 21 напряжение подается на вход порогового блока 31, настроенного таким образом, что он срабатывает, если скорость изменения индукции в сердечнике феррозонда 9 превышает величину U_пор (t_с на фиг.2, 4), а это происходит, когда точка, соответствующая магнитному состоянию сердечника феррозонда 9, пересекает границу между участком насыщения и ненасыщенным участком петли гистерезиса.The output code of the counter 3 pulses progressively increases, which leads to an increase in voltage at the output of the digital-to-analog Converter 4 (U4 in Fig. 4). The formation of a stepwise increasing pulse of the compensating field H _to (Fig.2). EMF induced in the output winding 20 of the fluxgate 9 during the magnetization reversal of its core is amplified by the amplifier 21, while the voltage at the output of the amplifier 21 (U21 in figure 4) is proportional to the rate of change of induction in the core of the fluxgate 9. From the output of the amplifier 21, the voltage is supplied to the input of the threshold block 31, configured in such a way that it is triggered if the rate of change of induction in the core of the fluxgate 9 exceeds the value of U _then (t _s in FIGS. 2, 4), and this happens when the point corresponding to the magnetic state of the core of the fer ozone 9, crosses the boundary between the saturation region and the unsaturated region of the hysteresis loop.

В этот момент на выходе порогового блока 31 появляется импульс (U31 на фиг. 4), воздействующий на второй вход первого RS-триггера 12 и возвращающий его в исходное состояние. В результате, на первый вход счетчика 3 импульсов прекращается поступление импульсов с выхода первого генератора 1 прямоугольных импульсов через первый логический элемент И 2, а на выходе счетчика 3 импульсов устанавливается цифровой код n, пропорциональный величине напряженности компенсирующего поля n□ΔH. At this moment, a pulse appears on the output of the threshold block 31 (U31 in Fig. 4), which acts on the second input of the first RS-trigger 12 and returns it to its original state. As a result, the pulses from the output of the first rectangular pulse generator 1 through the first logic element And 2 are stopped at the first input of the pulse counter 3, and a digital code n is set at the output of the pulse counter 3, proportional to the value of the compensating field strength n □ ΔH.

Сигнал с выхода порогового блока 31 поступает на второй вход второго RS-триггера 13, разрешающий уровень на выходе которого поступает на второй вход второго логического элемента И 14. Сигнал на выходе второго логического элемента И 14 запускает генератор 15 затухающих импульсов (t1 на фиг.2, 4), на втором выходе которого появлялся затухающий синусоидальный импульс напряжения (U15.2 на фиг.4) и переменный монотонно убывающий ток с выхода управляемого источника 6 тока поступает в возбуждающую обмотку 8 феррозонда 9 через первый ключ 7, переводя сердечник феррозонда 9 из состояния, соответствующего точке С, в состояние, соответствующее точке А (t2 на фиг.2) на безгистерезисной кривой (БК). На время колебаний в генераторе 15 затухающих импульсов на его втором выходе появляется сигнал (U15.2 на фиг.4), блокирующий работу порогового блока 31. The signal from the output of the threshold block 31 is fed to the second input of the second RS-trigger 13, the resolution level at the output of which is supplied to the second input of the second logical element And 14. The signal at the output of the second logical element And 14 starts the generator 15 of fading pulses (t1 in figure 2 , 4), at the second output of which a damped sinusoidal voltage pulse appeared (U15.2 in Fig. 4) and an alternating monotonically decreasing current from the output of a controlled current source 6 enters the exciting winding 8 of the fluxgate 9 through the first switch 7, transferring the core a flux gate 9 from a state corresponding to point C to a state corresponding to point A (t2 in FIG. 2) on a hysteresis-free curve (BC). During oscillations in the generator 15 of damped pulses, a signal appears on its second output (U15.2 in FIG. 4), blocking the operation of the threshold unit 31.

Фронт спада импульса на первом выходе генератора 15 затухающих импульсов переводит через первую дифференциальную цепь 16 счетный триггер 17 и через первую дифференциальную цепь 16 с логическим элементом ИЛИ 11 первый RS-триггер 12 в единичное состояние. Разрешающий уровень напряжения на выходе первого RS-триггера 12 пропускает один импульс (t3 на фиг.2, 4) с выхода первого генератора 1 прямоугольных импульсов через первый логический элемент И 2 на первый вход счетчика 3 импульсов, сигнал с которого через цифроаналоговый преобразователь 4, первый аналоговый сумматор 5, управляемый источник 6 тока и ключ 7 поступает в обмотку 8 возбуждения феррозонда 9. В результате этого рабочая точка сердечника феррозонда 2 перемещается на безгистерезисную кривую (точка D на фиг.2). The pulse decline front at the first output of the damped pulse generator 15 transfers the counting trigger 17 through the first differential circuit 16 and the first RS-trigger 12 to the single state through the first differential circuit 16 with the OR 11 logic element. The resolving voltage level at the output of the first RS-flip-flop 12 passes one pulse (t3 in FIGS. 2, 4) from the output of the first rectangular pulse generator 1 through the first logical element And 2 to the first input of the pulse counter 3, the signal from which through the digital-to-analog converter 4, the first analog adder 5, the controlled current source 6 and the key 7 enters the excitation coil 8 of the flux gate 9. As a result, the working point of the core of the flux gate 2 moves to a hysteresis-free curve (point D in figure 2).

Сигнал, снимаемый с выходной обмотки 20 через усилитель 21, поступает на вход порогового блока 31, вызывая его переключение в единичное состояние, напряжение порогового блока 31, поступая на второй вход первого RS-триггера 12, запрещает прохождение через первый логический элемент И 2 импульсов с выхода первого генератора 1 прямоугольных импульсов на первый вход счетчика 3 импульсов и на второй вход второго RS-триггера 13, который разрешает пропускание через второй логический элемент И 14 одного импульса, запускающего генератор 15 затухающих импульсов, что переводит рабочую точку сердечника феррозонда на безгистерезисную кривую (точка В на фиг.2) и через первую дифференциальную цепь 16 обнуляет счетный триггер 17. The signal taken from the output winding 20 through the amplifier 21 is fed to the input of the threshold block 31, causing it to switch to a single state, the voltage of the threshold block 31, fed to the second input of the first RS-trigger 12, prevents 2 pulses from passing through the first logical element AND the output of the first generator 1 of rectangular pulses to the first input of the counter 3 pulses and to the second input of the second RS-trigger 13, which allows the passage through the second logical element And 14 of one pulse that starts the generator 15 damped pulse in that the operating point of the core needs to ferroprobe without hysteresis curve (point B in Figure 2) and through the first differential circuit 16 resets the trigger counter 17.

В течение времени единичного состояния счетного триггера 17 открывается третий ключ 29 и происходит интегрирование индукции в отрезок времени между двумя переходами рабочей точки на безгистерезисной кривой вторым интегратором 30 (интервал t2-t5 на фиг.2, 4). Тем самым во втором интеграторе 30 образуется сигнал, пропорциональный магнитной проницаемости на БК сердечника феррозонда 9. Сигнал со счетного триггера 17 через вторую дифференциальную цепь 18 поступает на первый вход третьего RS-триггера 19, переводя его первый выход в нулевое состояние, которое размыкает первый ключ 7, запрещая прохождение тока с управляемого источника 6 тока, а второй выход в единичное состояние, замыкающее второй ключ 22. During the time of the single state of the counting trigger 17, the third key 29 is opened and the induction is integrated into the time interval between two transitions of the operating point on the hysteresis-free curve by the second integrator 30 (interval t2-t5 in FIGS. 2, 4). Thus, in the second integrator 30, a signal is generated proportional to the magnetic permeability on the BC of the core of the fluxgate 9. The signal from the counting trigger 17 through the second differential circuit 18 is fed to the first input of the third RS-trigger 19, translating its first output to the zero state, which opens the first key 7, prohibiting the passage of current from a controlled current source 6, and the second output in a single state, closing the second key 22.

За время единичного состояния второго выхода третьего RS-триггера 19 через открытый третий ключ 22 происходит интегрирование первым интегратором 23 приращения индукции между точкой В на безгистерезисной кривой и участком насыщения петли гистерезиса (интервал t5-t6 на фиг.2, 4). В результате интегрирования на выходе первого интегратора 23 формируется напряжение, пропорциональное изменению индукции (ΔB₂ на фиг.2) в сердечнике при перемагничивании между точкой В на БК и напряженностью Н_х (фиг.2). Сигнал с выхода первого интегратора 23 поступает на первый вход второго аналогового сумматора 24, на второй (инвертирующий) вход которого поступает сигнал с выхода источника 25 опорного напряжения, пропорциональный индукции насыщения B_s (постоянная величина для каждого сердечника). Сигнал с выхода второго аналогового сумматора 24, равный разности входных сигналов, поступает на первый вход аналого-цифрового преобразователя 26, на второй вход которого поступает сигнал с выхода второго интегратора 30, т.о. на выходе аналого-цифрового преобразователя 26 формируется сигнал, равный:

Сигнал с выхода счетчика 3 импульсов поступает на второй вход цифрового сумматора 27, на первый (инвертирующий) вход которого подается сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 26. Сформированный в цифровом сумматоре 27 сигнал равен:

где N_изм - код, пропорциональный измеренной напряженности поля Н_х;
n - содержимое счетчика 3 импульсов.During the single state of the second output of the third RS-flip-flop 19 through the open third key 22, the first integrator 23 integrates the induction increment between point B on the hysteresis-free curve and the saturation section of the hysteresis loop (interval t5-t6 in FIGS. 2, 4). As a result of integration at the output of the first integrator 23, a voltage is generated proportional to the change in induction (ΔB ₂ in FIG. 2) in the core during magnetization reversal between point B on the BC and voltage H _x (FIG. 2). The signal from the output of the first integrator 23 is fed to the first input of the second analog adder 24, the second (inverting) input of which receives a signal from the output of the reference voltage source 25, proportional to the saturation induction B _s (constant value for each core). The signal from the output of the second analog adder 24, equal to the difference of the input signals, is fed to the first input of the analog-to-digital converter 26, the second input of which receives the signal from the output of the second integrator 30, i.e. the output of the analog-to-digital Converter 26 generates a signal equal to:

The signal from the output of the counter 3 pulses is fed to the second input of the digital adder 27, to the first (inverting) input of which a signal is supplied from the output of the analog-to-digital converter 26. The signal generated in the digital adder 27 is equal to:

where N _ISM - code proportional to the measured field strength N _x ;
n is the contents of the counter 3 pulses.

Таким образом, с выхода цифрового сумматора 27 на вход измерительного прибора 28 поступает сигнал, пропорциональный напряженности измеряемого поля. Thus, the output of the digital adder 27 to the input of the measuring device 28 receives a signal proportional to the strength of the measured field.

Начало нового цикла измерения (t6 на фиг.4) сопровождается подачей импульса на второй вход третьего RS-триггера 19, переводящего его второй выход в нулевое состояние, вследствие чего второй ключ 22 размыкается и интегрирование первым интегратором 23 прекращается, а также импульса с выхода второго генератора 10 прямоугольных импульсов, обнуляющего содержимое первого 23 и второго 30 интеграторов. The beginning of a new measurement cycle (t6 in Fig. 4) is accompanied by a pulse to the second input of the third RS-flip-flop 19, which translates its second output to zero, as a result of which the second key 22 opens and integration by the first integrator 23 stops, and also the pulse from the output of the second generator 10 rectangular pulses, zeroing the contents of the first 23 and second 30 integrators.

Настройка источника 25 опорного напряжения происходит при помещении феррозонда 9 в экранированный от внешних магнитных полей корпус с нулевым или известным (создаваемым искусственно) значением напряженности магнитного поля внутри изменением выходного напряжения источника 25 опорного напряжения вплоть до установки на выходе измерительного прибора сигнала, соответствующего величине измеряемого поля. The reference voltage source 25 is set up when the fluxgate 9 is placed in a housing shielded from external magnetic fields with a zero or known (artificially created) value of the magnetic field strength inside by changing the output voltage of the reference voltage source 25 until a signal corresponding to the measured field is set at the output of the measuring device .

Блоки, входящие в состав устройства для измерения магнитного поля, могут быть выполнены, например:
первый и второй генераторы прямоугольных импульсов, первый, второй и третий RS-триггеры, счетный триггер, первая и вторая дифференциальная цепи, пороговый блок, первый и второй логические элементы И логический элемент ИЛИ, счетчик, аналого-цифровой и цифроаналоговые преобразователи, источник опорного напряжения, первый и второй аналоговые и цифровой сумматоры, как это описано в (Якубовский С.В., Барканов Н.А., Кудряшов Б.П. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. - М.: Сов. радио. 1979, 336 с.);
феррозонд, как феррозонд, описанный в прототипе;
управляемый источник тока, как усилитель с обратной связью по току; усилитель согласно описанному в (Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985, 752 с.);
генератор затухающих импульсов 15 может быть построен по схеме, приведенной в (Малина А.К., Лачин В.И. Федий B.C. Безгистерезисные преобразователи постоянного тока. - М.: Энергатомиздат, 1984), дополнительно снабженной подключенным к затвору транзистора, работающего в режиме управляемого сопротивления, ноль-органом.The blocks included in the device for measuring the magnetic field can be performed, for example:
first and second rectangular pulse generators, first, second and third RS-flip-flops, counting trigger, first and second differential circuit, threshold block, first and second logic elements AND logical element OR, counter, analog-to-digital and digital-to-analog converters, voltage reference source , the first and second analog and digital adders, as described in (Yakubovsky S.V., Barkanov N.A., Kudryashov B.P. Analog and Digital Integrated Circuits. - M.: Sov. Radio. 1979, 336 p. );
a fluxgate, as a fluxgate described in the prototype;
controlled current source as an amplifier with current feedback; an amplifier as described in (Falkenberry L. Application of operational amplifiers and linear ICs: Transl. from English. - M.: Mir, 1985, 752 pp.);
a damped pulse generator 15 can be constructed according to the circuit shown in (Malina A.K., Lachin V.I. Fediy BC Non-hysteresis DC / DC converters. - M .: Energatomizdat, 1984), additionally equipped with a transistor operating in the gate operating in the mode controlled resistance, zero-body.

Экспериментальные исследования макета заявляемого устройства для измерения напряженности магнитного поля показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) заявляемое устройство обеспечивает большую чувствительность и меньшую погрешность измерения. Experimental studies of the layout of the inventive device for measuring magnetic field strength showed that, compared with a device of a similar purpose (prototype), the inventive device provides greater sensitivity and less measurement error.

Claims

A device for measuring the magnetic field strength containing a first square-wave pulse generator, a flux gate containing an excitation winding and an output winding, an amplifier whose output is connected to the input of the threshold unit, a first integrator, a first logical element And connected in series, a pulse counter and a digital-to-analog converter, connected in series controlled current source, key and excitation winding of a flux gate, a second rectangular pulse generator, the output of which is connected to the second input the pulse counter house, the first RS-trigger, the second input of which is connected to the output of the threshold block, and the output with the second input of the first logical element And, the output of the first rectangular pulse generator is connected to the first input of the first logical element And, is additionally equipped with a second logical element And, the second and a third RS-trigger, a fading pulse generator, the first and second analog and digital adders, the first and second differential circuits, an OR logic element, a counting trigger, a second and third key by a second integrator, a reference voltage source, an analog-to-digital converter, and a measuring device, the output winding of the flux gate being connected to the amplifier input, the first input of the second logic element And connected to the output of the first square-wave generator, and the second input to the output of the second RS-trigger the first input of which is connected to the output of the threshold block, and the second to the output of the second logic element And, also connected to the input of the generator of damped pulses, the first output of which is connected to the first input of the first analog adder, the second input connected to the output of the digital-to-analog converter, and the output to the input of a controlled current source, and the second output of the damped pulse generator is connected to the second input of the threshold unit and to the input of the first differential circuit, the output of which is connected to the counting trigger, the second differential circuit and the first input of the third RS-trigger, the output of the first differential circuit is connected to the second input of the OR logic element, the first input of which is connected with the output of the second rectangular pulse generator, and the output with the first input of the first RS trigger, the second input of the third RS trigger is connected to the output of the second rectangular pulse generator, the first input of the first integrator is connected to the amplifier output through the second key, the control input of which is connected to the second the output of the third RS-trigger, the first output of which is connected to the control input of the first key, the output of the second square-wave generator is connected to the second inputs of the first and second integrators, the first input the second integrator is connected to the amplifier output through a third key, the second input of which is connected to the output of the counting trigger, the output of the first integrator is connected to the first input of the second analog adder, the second input is connected to the output of the reference voltage source, the outputs of the second integrator and analog adder are connected to the first and second the inputs of the analog-to-digital converter, the output of which is connected to the first input of the digital adder, the second input of the digital adder is connected to the output of the counter, and the output to the input KSR Control device, wherein the step size change compensating field? H is chosen from the condition

where N _{with the} coercive force of the ferromagnetic material of the core of the flux gate,
and the dimensions of the core: width a, thickness b and length L from the condition a • b≥0.19 • L ² • N _s / M _r , where M _r is the saturation magnetization of the ferromagnetic core material of the flux gate.