RU2675405C1

RU2675405C1 - Method of indirect measurement by means of the differential sensor and device for its implementation

Info

Publication number: RU2675405C1
Application number: RU2018110552A
Authority: RU
Inventors: Максим Иванович Дюмин; Петр Валерьевич Минин; Дмитрий Юрьевич Ануфриев
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Конструкторское Бюро "Дорс" (Ооо "Кб "Дорс")
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2018-12-19

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to the measurement equipment. In the indirect measurement method, prior to the measurements, enabling the differential sensor given imbalance, significantly exceeding the measured value operating change range, performing the required measurement with the sensor output signal obtaining, sensor output signal is subjected to straightening, from the straightened signal subtracting the predetermined constant value, obtained after subtraction signal value is measured and used to find the measured value magnitude, wherein the sensor imbalance and the subtracted predetermined constant value are selected on the basis of the condition that between the measured value within the operating range and obtained after the subtraction signal value a monotonic dependence was ensured. Indirect measurement device contains the differential sensor excited by alternating voltage and having an imbalance substantially exceeding the measured value operating change range, rectifier for the differential sensor output signal straightening; a subtraction circuit for the constant value subtraction from the rectifier output signal; and a measuring device for the signal value measuring at the subtraction circuit output.EFFECT: technical result of the claimed group of inventions is enabling the made by the differential sensor measurements accuracy and sensitivity, while simplifying the device design.17 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники. В измерительной технике широко используются так называемые дифференциальные датчики. Этот тип датчиков применяется для относительных измерений разнообразных величин: перемещения, толщины, диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости, светопропускания и других. Дифференциальный датчик обычно состоит из двух преобразователей измеряемой величины в какую-либо электрическую величину: активное либо реактивное сопротивление, магнитную связь, ток, напряжение. Преобразователи связывают друг с другом таким образом, чтобы найти разность формируемых ими электрических величин. Таким образом, при помощи дифференциального датчика измеряют разность физических величин, воздействующих на каждый из преобразователей.The invention relates to the field of measurement technology. In measurement technology, the so-called differential sensors are widely used. This type of sensor is used for relative measurements of various quantities: displacement, thickness, dielectric constant, magnetic permeability, light transmission and others. A differential sensor usually consists of two transducers of a measurable quantity into any electrical quantity: active or reactance, magnetic coupling, current, voltage. The converters are connected to each other in such a way as to find the difference of the electrical quantities formed by them. Thus, using a differential sensor, the difference in the physical quantities acting on each of the transducers is measured.

Основной задачей дифференциального датчика является измерение небольшой разницы величин на фоне большого абсолютного значения каждой величины. Дифференциальный датчик также подавляет так называемые синфазные помехи, которые оказывают равное воздействие на оба преобразователя. Результаты воздействия этих помех на преобразователи взаимно вычитаются и не влияют на выходное значение, получаемое с датчика.The main task of a differential sensor is to measure a small difference in values against the background of a large absolute value of each value. The differential sensor also suppresses the so-called common mode noise, which have an equal effect on both transducers. The effects of these interference on the transducers are mutually subtracted and do not affect the output value obtained from the sensor.

При описании дифференциальных датчиков, когда говорят об измеряемой величине, обычно подразумевают разность величин, измеряемых каждым из преобразователей. Дифференциальные датчики часто используются для измерения неоднородностей среды, которая характеризуется некоторым обобщенным параметром, например, средней диэлектрической проницаемостью, средней магнитной проницаемостью либо эквивалентной толщиной материала. В этом случае под измеряемой величиной подразумевают разность обобщенных параметров материала.When describing differential sensors, when one speaks of a measured quantity, they usually mean the difference in the values measured by each of the transducers. Differential sensors are often used to measure inhomogeneities of a medium, which is characterized by a certain generalized parameter, for example, average dielectric constant, average magnetic constant, or equivalent material thickness. In this case, the measured value means the difference between the generalized parameters of the material.

Для наибольшей общности рассуждений, в описании заявленного изобретения для обозначения тока либо напряжения используется слово «сигнал».For the most general reasoning, in the description of the claimed invention, the word "signal" is used to indicate current or voltage.

Важным фактором работоспособности дифференциального датчика является его балансировка. В идеальном случае, когда на каждый преобразователь поступает одинаковая физическая величина, выходной сигнал датчика должен быть равен нулю. В реальности, из-за различий в характеристиках преобразователей, выходной сигнал нулю не равняется. Это явление называется разбалансировкой. Для компенсации разбалансировки в дифференциальных датчиках и их схемах включения предусматривают специальные регулировки, которые позволяют создать противоположно направленный искусственный дисбаланс, полностью компенсирующий различие преобразователей датчика.An important factor in the performance of a differential sensor is its balancing. In the ideal case, when the same physical quantity is supplied to each converter, the output signal of the sensor should be zero. In reality, due to differences in the characteristics of the converters, the output signal does not equal zero. This phenomenon is called imbalance. To compensate for the imbalance in differential sensors and their switching circuits, special adjustments are provided that allow you to create an oppositely directed artificial imbalance that fully compensates for the difference in the transducers of the sensor.

В наиболее часто встречающемся типе дифференциального датчика разность электрических величин находят за счет непосредственного вычитания токов, либо напряжений в электрической цепи, содержащей преобразователи. Для этого может использоваться последовательное, параллельное или мостовое включение преобразователей. Известен и другой способ связывания преобразователей. В индукционных датчиках, где измеряемая величина влияет на связь между входной и выходной катушками, часто объединяют выходные катушки обоих преобразователей в одну общую катушку. В таком датчике происходит непосредственное вычитание магнитных потоков первого и второго преобразователя, когда они проходят через общую выходную катушку. Иногда, выходные сигналы преобразователей до вычитания дополнительно преобразуют во вторичные величины, такие как частота, длительность или цифровой код, а вычитание производят при помощи решающих схем, обрабатывающих эти вторичные величины.In the most common type of differential sensor, the difference in electrical quantities is found by directly subtracting the currents or voltages in the electrical circuit containing the converters. For this, serial, parallel or bridge connection of converters can be used. There is another method for linking converters. In induction sensors, where the measured value affects the coupling between the input and output coils, the output coils of both transducers are often combined into one common coil. In such a sensor, the magnetic fluxes of the first and second transducers are directly subtracted when they pass through a common output coil. Sometimes, the output signals of the converters before subtraction are additionally converted into secondary quantities, such as frequency, duration or digital code, and subtraction is performed using decision circuits that process these secondary quantities.

Как показывает опыт, датчики со вторичным преобразованием вносят дополнительные погрешности, как за счет шумов и погрешностей вторичных преобразователей, так и за счет ограниченного динамического диапазона вторичных преобразователей. При недостаточном динамическом диапазоне, в условиях синфазных помех, вторичный преобразователь может увеличить свою погрешность из-за нелинейности, вплоть до полной потери работоспособности. В датчиках с непосредственным вычитанием, процесс вычитания происходит в высоколинейной, малошумящей пассивной среде, такой как электрический проводник, магнитная цепь или даже пустое пространство. Из-за этого, в тех случаях, когда дифференциальным датчиком необходимо измерять очень малые величины на фоне заметных помех, предпочтение отдается датчикам с непосредственным вычитанием.As experience shows, sensors with secondary conversion introduce additional errors, both due to the noise and errors of the secondary converters, and due to the limited dynamic range of the secondary converters. With insufficient dynamic range, in common-mode interference, the secondary converter can increase its error due to non-linearity, up to a complete loss of performance. In sensors with direct subtraction, the subtraction process takes place in a highly linear, low-noise passive medium, such as an electrical conductor, magnetic circuit or even empty space. Because of this, in cases where a differential sensor needs to measure very small values against a background of noticeable interference, preference is given to sensors with direct subtraction.

Преобразователи дифференциального датчика требуют подачи электрической энергии, которая после преобразования и вычитания формирует выходной сигнал. Обычно говорят об энергии возбуждения, в форме возбуждающего напряжения, которое может быть переменными или постоянными. Для многих видов преобразователей, например, емкостных или индуктивных, в силу используемого ими физического принципа, возможно возбуждение только переменным напряжением. К датчикам, использующим такие преобразователи, например, относятся дифференциальные трансформаторы, применяемые для измерения перемещений. Другие виды преобразователей, такие, как резистивные, могут возбуждаться и постоянным, и переменным напряжением. Таким образом, возбуждение переменным напряжением очень часто используется в измерительной технике. В дальнейшем мы будем говорить только о датчиках, возбуждаемых переменным напряжением.Differential transducers require the supply of electrical energy, which after conversion and subtraction generates an output signal. Usually one speaks of the excitation energy, in the form of an exciting voltage, which can be variable or constant. For many types of converters, for example, capacitive or inductive, due to the physical principle used by them, excitation is possible only with alternating voltage. Sensors using such transducers, for example, include differential transformers used to measure displacements. Other types of converters, such as resistive, can be excited by both direct and alternating voltage. Thus, alternating voltage excitation is very often used in measurement technology. In the future, we will only talk about sensors excited by alternating voltage.

Во многих случаях, применение относительно высоких частот возбуждения (от 1 МГц и выше) является желательным, а иногда, и неизбежным. Это часто происходит, когда с помощью датчика требуется обнаруживать небольшие различия электрической или магнитной проницаемости, либо при необходимости минимизации размеров датчика, либо из-за высоких требований к быстродействию датчика.In many cases, the use of relatively high excitation frequencies (from 1 MHz and higher) is desirable, and sometimes inevitable. This often happens when using a sensor it is required to detect small differences in electrical or magnetic permeability, either if it is necessary to minimize the size of the sensor, or because of high requirements for the speed of the sensor.

Выходной сигнал дифференциального датчика совпадает по частоте с возбуждающим напряжением. Амплитуда выходного сигнала обычно связана с измеряемой величиной монотонной зависимостью, а его фаза указывает на знак результата вычитания. При изменении знака измеряемой величины фаза выходного сигнала изменяется на 180 градусов. Если дифференциальный датчик не предназначен для измерения знакопеременных величин, то можно ограничиться измерением одной амплитуды. Для получения результата измерений датчиком знакопеременной величины, необходимо измерить и амплитуду, и фазу сигнала.The output signal of the differential sensor coincides in frequency with the exciting voltage. The amplitude of the output signal is usually related to the measured value by a monotonic dependence, and its phase indicates the sign of the result of the subtraction. When the sign of the measured quantity changes, the phase of the output signal changes by 180 degrees. If the differential sensor is not designed to measure alternating quantities, then we can limit ourselves to measuring one amplitude. To obtain a measurement result with an alternating-sign sensor, it is necessary to measure both the amplitude and phase of the signal.

Чаще всего, для измерений применяют амплитудные детекторы или же синхронные (фазовые) детекторы, синхронизированные с возбуждающим напряжением. Задача измерения малых выходных сигналов дифференциального датчика сопряжена с рядом сложностей. Выходной сигнал дифференциального датчика содержит шумы и помехи, некоррелированные с возбуждающим напряжением. Некоррелированным мы будем называть сигнал, в спектре которого нет частоты возбуждения и ее гармоник. Кроме того, выходной сигнал содержит наводки с частотой возбуждения, фаза которых существенно отличается от фазы полезного сигнала. И, наконец, сам полезный сигнал сдвинут по фазе на некоторую величину относительно возбуждающего напряжения, и этот эффект тем более заметен, чем выше частота возбуждения.Most often, amplitude detectors or synchronous (phase) detectors synchronized with exciting voltage are used for measurements. The problem of measuring the small output signals of a differential sensor is fraught with a number of difficulties. The output of the differential sensor contains noise and noise that is not correlated with the excitation voltage. We shall call uncorrelated a signal in the spectrum of which there is no excitation frequency and its harmonics. In addition, the output signal contains pickups with an excitation frequency, the phase of which differs significantly from the phase of the useful signal. And finally, the useful signal itself is phase shifted by a certain amount relative to the exciting voltage, and this effect is all the more noticeable the higher the frequency of the excitation.

Амплитудный детектор является наиболее простым техническим решением. К его недостаткам можно отнести то, что он не способен отделить шумы и помехи любого рода от малого полезного сигнала. Еще одним недостатком, характерным для простых схем амплитудного детектора, является наличие порога пропускания сигнала, ниже которого полезный сигнал практически не дает отклика. Достоинством амплитудного детектора можно назвать его нечувствительность к сдвигу фазы полезного сигнала.An amplitude detector is the simplest technical solution. Its disadvantages include the fact that it is not able to separate noise and interference of any kind from a small useful signal. Another disadvantage characteristic of simple amplitude detector circuits is the presence of a signal transmission threshold below which the useful signal gives almost no response. The advantage of an amplitude detector can be called its insensitivity to phase shift of the useful signal.

Синхронный детектор позволяет подавить большинство некоррелированных помех, поскольку они оказываются вне его полосы пропускания. Однако, он чувствителен к коррелированным помехам и к сдвигу фазы полезного сигнала. Для борьбы с этими явлениями приходится использовать сдвоенный синхронный детектор, работающий по квадратурной схеме. Квадратурный синхронный детектор имеет два выхода, один из которых соответствует фазе возбуждающего напряжения, а другой соответствует фазе напряжения, ортогонального возбуждающему. Измерения при помощи квадратурного детектора предполагают усложненное устройство схемы измерения и, обычно, требуют дополнительной обработки значений на двух выходах квадратурного детектора для их приведения к одному выходному значению. Для борьбы с помехами, имеющими в своем спектре гармоники напряжения возбуждения, нужно, чтобы каждый из синхронных детекторов был бы построен по схеме истинного аналогового умножителя. Такие детекторы, в особенности, обладающие большим динамическим диапазоном, необходимым для задач измерения, сложны и дороги.A synchronous detector allows you to suppress most uncorrelated interference, since they are outside its bandwidth. However, it is sensitive to correlated interference and phase shift of the wanted signal. To combat these phenomena, it is necessary to use a dual synchronous detector operating according to a quadrature scheme. A quadrature synchronous detector has two outputs, one of which corresponds to the phase of the exciting voltage, and the other corresponds to the phase of the voltage orthogonal to the exciting. Measurements using a quadrature detector imply a complicated arrangement of the measurement circuit and, usually, require additional processing of the values at the two outputs of the quadrature detector to bring them to a single output value. To combat interference, which has in its spectrum harmonic excitation voltages, it is necessary that each of the synchronous detectors be constructed according to the scheme of a true analog multiplier. Such detectors, in particular, having a large dynamic range necessary for measurement tasks, are complex and expensive.

Примером использования квадратурного детектора является решение, раскрытое в патенте США US 8026716 (заявка №2009243603, опубл. 01.10.2009, МПК G01N 27/72). В этом документе описывается дифференциальный индуктивный датчик, предназначенный для измерения количества ферромагнитных частиц, образующихся в ходе проведения биохимического анализа. Ферромагнитные частицы создают неравномерность магнитной проницаемости аналитического субстрата, и величина этой неравномерности служит показателем количества определенного биологически активного вещества в субстрате. Дифференциальный датчик представляет собой полномостовую схему из четырех планарных катушек индуктивности, размещенных непосредственно на субстрате. Одна из катушек находится в зоне субстрата, где в ходе реакции осаждаются магнитные частицы. Индуктивность этой катушки изменяется в зависимости от количества частиц. Мост возбуждается переменным напряжением высокой частоты, находящейся в диапазоне от единиц до десятков мегагерц. Выходной сигнал моста подается на квадратурный детектор, выходные сигналы которого фильтруются и преобразуются в цифровую форму для дальнейшей обработки. Балансировка моста обеспечивается за счет специального генератора, формирующего компенсирующий ток, подаваемый в среднюю точку моста. Компенсирующий ток имеет возможность подстройки как по амплитуде, так и по фазе.An example of the use of a quadrature detector is the solution disclosed in US patent US 8026716 (application No. 2009243603, publ. 01.10.2009, IPC G01N 27/72). This document describes a differential inductive sensor designed to measure the amount of ferromagnetic particles generated during biochemical analysis. Ferromagnetic particles create an uneven magnetic permeability of the analytical substrate, and the magnitude of this non-uniformity is an indicator of the amount of a certain biologically active substance in the substrate. The differential sensor is a full-bridge circuit of four planar inductors placed directly on the substrate. One of the coils is in the area of the substrate, where magnetic particles are deposited during the reaction. The inductance of this coil varies with the number of particles. The bridge is excited by an alternating voltage of high frequency, in the range from units to tens of megahertz. The bridge output signal is supplied to a quadrature detector, the output signals of which are filtered and digitized for further processing. The bridge is balanced by a special generator that generates a compensating current supplied to the midpoint of the bridge. The compensating current has the ability to adjust both in amplitude and in phase.

Описанное решение обладает очень хорошей чувствительностью к малым неоднородностям магнитной проницаемости, что достигается за счет сложности измерительной схемы. Измерительная схема включает в себя три цифровых синтезатора переменного напряжения (DDS), работающих на одной частоте. Первый синтезатор создает напряжение возбуждения; второй формирует напряжение, ортогональное напряжению возбуждения, необходимое для работы квадратурного детектора; третий синтезатор генерирует напряжение для формирования компенсирующего тока.The described solution has a very good sensitivity to small inhomogeneities of magnetic permeability, which is achieved due to the complexity of the measuring circuit. The measuring circuit includes three digital AC synthesizers (DDS) operating at the same frequency. The first synthesizer creates an excitation voltage; the second generates a voltage orthogonal to the excitation voltage necessary for the operation of the quadrature detector; the third synthesizer generates voltage to form a compensating current.

Необходимость применения компенсирующего тока произвольной фазы раскрывает существенную проблему, которая почти всегда возникает при работе дифференциального датчика на высокой частоте. Паразитные эффекты приводят к фазовым различиям напряжений в плечах моста. В результате, в выходном сигнале появляется компонента, ортогональная полезному сигналу. Обычные методы балансировки ориентированы на то, чтобы в исходном состоянии датчика вывести в ноль уровень полезного сигнала. Однако они оказывают малое влияние на ортогональную компоненту. Поэтому, в данном решении, для балансировки с устранением ортогональной компоненты применяется весьма сложная схема цифрового синтеза частоты, состоящая из дорогостоящих элементов.The need to use a compensating current of an arbitrary phase reveals a significant problem that almost always arises when a differential sensor operates at a high frequency. Spurious effects lead to phase differences in stresses in the shoulders of the bridge. As a result, a component orthogonal to the useful signal appears in the output signal. Conventional balancing methods are designed to bring the useful signal level to zero in the initial state of the sensor. However, they have little effect on the orthogonal component. Therefore, in this solution, for balancing with the elimination of the orthogonal component, a very complex digital frequency synthesis scheme consisting of expensive elements is used.

В патенте США US 6995021 (заявка №2004171172, опубл. 02.09.2004, МПК МПК G01N 33/558) также описан дифференциальный индуктивный датчик, используемый для измерения количества ферромагнитных частиц в аналитическом субстрате. В отличие от патента US 8026716, в этом решении применяется амплитудный детектор, выполненный при помощи аналого-цифрового преобразователя и дополнительной вычислительной обработки. Частота возбуждения мала и составляет 10 кГц, что обуславливает большие габариты датчика и невысокую чувствительность. Для борьбы с некоррелированными помехами используется полосовая фильтрация полезного сигнала и дополнительная цифровая фильтрация отсчетов аналого-цифрового преобразователя. В силу малой частоты возбуждения и небольшой чувствительности проблема ортогональной компоненты не приносит заметных сложностей. Однако, в подобном устройстве принципиально невозможно обеспечить подавления ортогональной компоненты из-за отсутствия информации о фазовом соотношении возбуждающего и выходного напряжений. Важно также отметить, что наводки, ортогональные по фазе к полезному сигналу, могут сделать амплитудный детектор практически нечувствительным к малым величинам полезного сигнала. Это происходит из-за того, что при векторном суммировании модуль суммы малого полезного сигнала и значительной ортогональной компоненты, измеряемый детектором, будет практически равен модулю ортогональной компоненты.In US patent US 6995021 (application No. 2004171172, publ. 02.09.2004, IPC IPC G01N 33/558) also describes a differential inductive sensor used to measure the number of ferromagnetic particles in the analytical substrate. In contrast to US Pat. No. 8,026,716, this solution employs an amplitude detector made using an analog-to-digital converter and additional computational processing. The excitation frequency is small and amounts to 10 kHz, which leads to large dimensions of the sensor and low sensitivity. To combat uncorrelated interference, bandpass filtering of the useful signal and additional digital filtering of the samples of the analog-to-digital converter are used. Due to the low excitation frequency and low sensitivity, the problem of the orthogonal component does not bring noticeable difficulties. However, in such a device, it is fundamentally impossible to suppress the orthogonal component due to the lack of information on the phase relationship of the exciting and output voltages. It is also important to note that interference orthogonal in phase to the useful signal can make the amplitude detector practically insensitive to small values of the useful signal. This is due to the fact that during vector summation, the modulus of the sum of the small useful signal and the significant orthogonal component, measured by the detector, will be almost equal to the modulus of the orthogonal component.

Технической задачей, решаемой в заявленной группе изобретений, является обеспечение обработки сигнала, полученного от дифференциального датчика с обеспечением высокой точности измерения изменений малых величин с помощью устройства на основе достаточно простой схемы амплитудного детектора. Для реализации этой задачи необходимо добиться, чтобы при использовании амплитудного детектора была бы реализована низкая чувствительность к помехам, некоррелированным с частотой возбуждения, а также к помехам с частотой возбуждения, ортогональным к полезному сигналу. Кроме того, требуется обеспечить отсутствие порога чувствительности, характерного для простой схемы амплитудного детектора. Сдвиг фазы полезного сигнала относительно возбуждающего напряжения не должен оказывать влияния на характеристики датчика.The technical problem to be solved in the claimed group of inventions is the processing of a signal received from a differential sensor with high accuracy for measuring changes in small quantities using a device based on a fairly simple amplitude detector circuit. To accomplish this task, it is necessary to achieve that, when using an amplitude detector, a low sensitivity to interferences uncorrelated with the excitation frequency, as well as to interferences with an excitation frequency orthogonal to the useful signal, would be realized. In addition, it is required to ensure the absence of a sensitivity threshold characteristic of a simple amplitude detector circuit. The phase shift of the useful signal relative to the exciting voltage should not affect the characteristics of the sensor.

В рамках задач, решаемых изобретением, не входит измерение комплексных величин, таких, как полная диэлектрическая проницаемость или полная магнитная проницаемость материалов на очень высоких частотах. Когда измеряемая величина имеет существенную мнимую составляющую, то приращение выходного сигнала преобразователя, возникающее за счет измеряемой величины, направлено под заметным углом к общему выходному сигналу преобразователя. Очевидно, что для подобных измерений необходимо использовать фазочувствительные способы, такие, как квадратурное синхронное детектирование.Within the scope of the problems solved by the invention, measurement of complex quantities, such as the total dielectric constant or the full magnetic constant of materials at very high frequencies, is not included. When the measured value has a significant imaginary component, then the increment of the output signal of the converter, arising from the measured value, is directed at a noticeable angle to the overall output signal of the converter. Obviously, for such measurements it is necessary to use phase-sensitive methods, such as quadrature synchronous detection.

В последующем описании предполагается, что компонента приращения выходного сигнала преобразователя, возникающая за счет измеряемой величины и направленная ортогонально по отношению к общему выходному сигналу преобразователя, не существенна для проводимых измерений. Иными словами, фаза приращения выходного сигнала преобразователя, возникающего за счет измеряемой величины, близка к фазе выходного сигнала преобразователя. В качестве примера можно привести измерение диэлектрической либо магнитной проницаемости на таких частотах, на которых можно пренебречь поворотом фазы наведенных диполей в материале по отношению к возбуждающему полю.In the following description, it is assumed that the component of the increment of the output signal of the converter, arising from the measured value and directed orthogonally with respect to the total output signal of the converter, is not essential for the measurements. In other words, the phase of the increment of the output signal of the converter arising from the measured value is close to the phase of the output signal of the converter. An example is the measurement of permittivity or permeability at frequencies that can neglect the phase rotation of induced dipoles in the material with respect to the exciting field.

Решение, описанное в патенте США US 8026716, выбрано в качестве ближайшего аналога.The solution described in US patent US 8026716, selected as the closest analogue.

Техническим результатом заявленной группы изобретений является обеспечение точности и чувствительности измерений, выполняемых дифференциальным датчиком, при упрощении конструкции устройства, реализующего обработку выходного сигнала дифференциального датчика, возбуждаемого переменным напряжением.The technical result of the claimed group of inventions is to ensure the accuracy and sensitivity of measurements made by a differential sensor, while simplifying the design of a device that implements the processing of the output signal of a differential sensor excited by alternating voltage.

Этот результат достигается за счет того, что в способе косвенного измерения при помощи дифференциального датчика, возбуждаемого переменным напряжением, в котором до проведения измерений обеспечивают заданный дисбаланс дифференциального датчика, существенно превышающий рабочий диапазон изменения измеряемой величины, выполняют требуемое измерение с получением выходного сигнала датчика, выходной сигнал датчика подвергают выпрямлению, из выпрямленного сигнала вычитают заранее заданное постоянное значение, величину сигнала, полученного после вычитания, измеряют и используют для нахождения значения измеряемой величины, причем дисбаланс датчика и вычитаемое заранее заданное постоянное значение выбирают, исходя из условия, чтобы между измеряемой величиной, находящейся в рабочем диапазоне, и величиной сигнала, полученного после вычитания, обеспечивалась монотонная зависимость.This result is achieved due to the fact that in the indirect measurement method using a differential sensor excited by an alternating voltage, in which, prior to the measurements, a predetermined imbalance of the differential sensor is substantially exceeded, which significantly exceeds the operating range of the measured quantity, the required measurement is performed to obtain the sensor output signal, the output the sensor signal is rectified, a predetermined constant value is subtracted from the rectified signal, the value of the signal obtained second after subtracting the measured and used for determining the value of the measurand, the sensor imbalance and subtracts a predetermined constant value is selected based on the condition that between the measured value located in the operating range and the signal value obtained after subtraction ensured monotonic dependence.

Введение дисбаланса, существенно превышающего рабочий диапазон изменения измеряемой величины, до проведения измерений, приводит к тому, что на выходе дифференциального датчика (далее по тексту будет использован преимущественно термин «датчик», подразумевая при этом дифференциальный датчик) постоянно имеется переменное напряжение, амплитуда которого велика и, в относительных величинах, мало меняется при изменении измеряемой величины. Из-за этого выпрямитель работает с почти постоянным углом отсечки, который существенно близок к 180 градусам, и практически не меняется при изменении измеряемой величины либо при воздействии помех. Полезный сигнал, обусловленный измеряемой величиной, имеет фазу, близкую к фазе сигнала на выходе каждого из преобразователей, о чем уже говорилось выше. Соответственно, фаза полезного сигнала близка к фазе разностного сигнала на выходе датчика, возникшего в результате введения дисбаланса. Моменты открытия и закрытия выпрямителя практически совпадают с моментами пересечения нулевого уровня напряжением на выходе датчика. Открытие и закрытие выпрямителя синхронизировано с возбуждающим напряжением, происходит синфазно с сигналом разбалансировки и практически совпадает по фазе с полезным сигналом.The introduction of an imbalance significantly exceeding the operating range of the measured variable before the measurements leads to the fact that at the output of the differential sensor (hereinafter the term “sensor" will be used primarily, meaning the differential sensor) there is always an alternating voltage, the amplitude of which is large and, in relative terms, little changes with a change in the measured quantity. Because of this, the rectifier operates with an almost constant cutoff angle, which is substantially close to 180 degrees, and practically does not change when the measured value changes or when exposed to interference. The useful signal, due to the measured value, has a phase close to the phase of the signal at the output of each of the converters, as mentioned above. Accordingly, the phase of the useful signal is close to the phase of the differential signal at the output of the sensor resulting from the introduction of an imbalance. The moments of opening and closing of the rectifier practically coincide with the moments of crossing the zero level by the voltage at the output of the sensor. The opening and closing of the rectifier is synchronized with the exciting voltage, occurs in phase with the unbalance signal and practically coincides in phase with the useful signal.

Таким образом, обычный выпрямитель в описанном режиме всегда работает как синхронный детектор (синхронный выпрямитель), опорное напряжение которого совпадает по фазе с полезным сигналом. Далее, для простоты мы будем называть эту фазу фазой выпрямления. Такая работа обеспечивает подавление некоррелированных помех и шумов, характерное для синхронного детектирования. Различие в фазе возбуждающего и полезного сигнала не оказывает влияния на выходной сигнал выпрямителя.Thus, a conventional rectifier in the described mode always works as a synchronous detector (synchronous rectifier), the reference voltage of which coincides in phase with the useful signal. Further, for simplicity, we will call this phase the rectification phase. This operation provides the suppression of uncorrelated noise and interference characteristic of synchronous detection. The difference in the phase of the exciting and useful signal does not affect the output signal of the rectifier.

Когда к сигналу на входе выпрямителя примешивается ортогональная компонента помехи, существенно меньшая сигнала, вызванного дисбалансом, то она в силу своей малости практически не влияет на фазу выпрямления и подавляется синхронным детектором. Как известно из теории синхронного детектирования, сигнал, ортогональный опорному, не влияет на выходное напряжение детектора. По этой же причине ортогональная компонента помехи не может подавить малый полезный сигнал, в отличие от того, как это происходит при обычном амплитудном детектировании.When an orthogonal interference component is mixed into the signal at the input of the rectifier, which is significantly smaller than the signal caused by the imbalance, then, due to its smallness, it practically does not affect the rectification phase and is suppressed by the synchronous detector. As is known from the theory of synchronous detection, a signal orthogonal to the reference does not affect the output voltage of the detector. For the same reason, the orthogonal component of the interference cannot suppress a small useful signal, in contrast to how it occurs with conventional amplitude detection.

Сколь бы малым не был полезный сигнал, он всегда оказывает линейное влияние на выходной сигнал выпрямителя, поскольку, вне зависимости от уровня полезного сигнала, выпрямитель всегда открывается под действием сигнала, вызванного дисбалансом, и пропускает полезный сигнал на выход.No matter how small the useful signal is, it always has a linear effect on the output signal of the rectifier, because, regardless of the level of the useful signal, the rectifier always opens under the action of a signal caused by an imbalance and passes the useful signal to the output.

В сравнении с ближайшим аналогом, для реализации заявленного способа требуется значительно более простое устройство, в котором отсутствуют многочисленные цифровые синтезаторы частот, вместо квадратурного детектора применяется простой выпрямитель, а цифровая обработка сигнала не обязательна. В то же время, при заявленном способе обеспечивается высокая точность измерений за счет линейности преобразования сигнала датчика в выходной сигнал выпрямителя. Подавление некоррелированных и ортогональных помех на фоне полезного сигнала датчика позволяет получить более высокую чувствительность.Compared with the closest analogue, the implementation of the claimed method requires a much simpler device in which there are no numerous digital frequency synthesizers, a simple rectifier is used instead of a quadrature detector, and digital signal processing is not necessary. At the same time, the claimed method provides high measurement accuracy due to the linear transformation of the sensor signal into the output signal of the rectifier. Suppression of uncorrelated and orthogonal interference against the background of a useful sensor signal allows to obtain higher sensitivity.

В некоторых реализациях способа измерений после выпрямления и до измерения значения сигнала может дополнительно производиться его фильтрация. Сигнал, полученный из выходного сигнала выпрямителя после вычитания постоянного уровня, является импульсным. Он имеет частоту, равную частоте возбуждения (в случае однополупериодного выпрямителя) или удвоенной частоте возбуждения (для двухполупериодного выпрямителя). Без дополнительных мер фильтрации его можно измерить, например, вольтметром среднего значения, который, в ходе измерения, обеспечивает усреднение входного сигнала выпрямителя. Либо же, к сигналу после вычитания постоянного уровня может применяться фильтр низких частот, подавляющий частоту возбуждения и более высокие частоты. Это позволяет проводить измерения без необходимости усреднения в измерительном приборе.In some implementations of the measurement method, after rectification and before measuring the value of the signal, it can additionally be filtered. The signal obtained from the output signal of the rectifier after subtracting the constant level is pulsed. It has a frequency equal to the excitation frequency (in the case of a half-wave rectifier) or twice the excitation frequency (for a half-wave rectifier). Without additional filtering measures, it can be measured, for example, with an average voltmeter, which, during the measurement, averages the input signal of the rectifier. Or, after subtracting a constant level, a low-pass filter can be applied to the signal, which suppresses the excitation frequency and higher frequencies. This allows you to take measurements without the need for averaging in the measuring device.

Если требуется получить высокое быстродействие датчика, импульсный сигнал после вычитания постоянного уровня может быть подвергнут интегрированию в течение заданного периода времени. К концу периода интегрирования будет получено усредненное значение сигнала, пригодное для моментального измерения, но оно не будет иметь связи с предысторией измерений в предыдущих циклах интегрирования.If you want to obtain high-speed sensor, the pulse signal after subtracting the constant level can be subjected to integration for a given period of time. By the end of the integration period, an average signal value suitable for instant measurement will be obtained, but it will not be related to the history of measurements in previous integration cycles.

Описанное здесь применение вольтметра среднего значения, фильтра низких частот либо интегратора решает задачу усреднения импульсного сигнала, полученного после вычитания постоянного уровня, для цели измерения величины этого сигнала.The application of an average voltmeter, a low-pass filter, or an integrator described here solves the problem of averaging the pulse signal obtained after subtracting a constant level for the purpose of measuring the magnitude of this signal.

Также, фильтрацию сигнала после выпрямления можно проводить фильтром низких частот до вычитания постоянного уровня, чтобы подавить в этом сигнале частоту возбуждения и более высокие частоты. Вычитание постоянного уровня, в этом случае, будет происходить без формирования высокочастотных импульсов. За счет отсутствия высокочастотной компоненты в сигнале можно обеспечить более точное вычитание, либо использовать для вычитания более простую схему.Also, filtering the signal after rectification can be carried out with a low-pass filter before subtracting a constant level to suppress the excitation frequency and higher frequencies in this signal. Subtraction of a constant level, in this case, will occur without the formation of high-frequency pulses. Due to the absence of a high-frequency component in the signal, it is possible to provide more accurate subtraction, or use a simpler scheme for subtraction.

Намеренное обеспечение дисбаланса датчика может выполняться теми же известными способами, которые используются для устранения естественного дисбаланса дифференциальных датчиков. Например, амплитуда напряжения возбуждения, подаваемого на один из преобразователей, может быть изменена с сохранением фазы без изменения напряжения возбуждения на втором преобразователе. Это приведет к изменению разностного сигнала. Либо же, может быть немного изменен конструктивный параметр одного из преобразователей, например, количество витков в катушке индуктивности одного из преобразователей индуктивного дифференциального датчика.Intentionally providing imbalance of a sensor can be accomplished by the same known methods that are used to eliminate the natural imbalance of differential sensors. For example, the amplitude of the excitation voltage supplied to one of the converters can be changed while maintaining the phase without changing the excitation voltage at the second converter. This will lead to a change in the difference signal. Or, the design parameter of one of the transducers can be slightly changed, for example, the number of turns in the inductance coil of one of the transducers of an inductive differential sensor.

Для работоспособности заявленного способа важно, чтобы между измеряемой величиной, находящейся в рабочем диапазоне, и измеренным значением сигнала имелась бы монотонная зависимость. В противном случае, косвенное измерение становится невозможным, так как теряется функциональная связь между измеряемой величиной и измеренным значением сигнала. Эта ситуация возникает в случае выхода в насыщение одного из элементов устройства. Чтобы избежать насыщения, требуется выбрать дисбаланс датчика и вычитаемый уровень таким образом, чтобы они за счет взаимной компенсации задавали бы токи и напряжения в элементах устройства в допустимых пределах.For the operability of the claimed method, it is important that between the measured value, which is in the working range, and the measured signal value, there would be a monotonic dependence. Otherwise, indirect measurement becomes impossible, since the functional relationship between the measured value and the measured signal value is lost. This situation occurs when one of the elements of the device becomes saturated. To avoid saturation, it is necessary to select the imbalance of the sensor and the subtracted level so that they, due to mutual compensation, set the currents and voltages in the elements of the device within acceptable limits.

В некоторых реализациях, заявленный способ предусматривает проведение калибровки по исходному состоянию для приведения значения измеренного сигнала к исходному значению. С этой целью, переводят датчик в исходное состояние, соответствующее исходному значению измеряемой величины. После этого выбирают дисбаланс датчика и вычитаемый постоянный уровень таким образом, чтобы получаемый при калибровке результат измерения сигнала был бы равен некоторому исходному значению. Такое действие эквивалентно процедуре балансировки обычного дифференциального датчика, которую иногда называют установкой нуля.In some implementations, the claimed method involves calibrating to its initial state to bring the measured signal value to its original value. For this purpose, the sensor is returned to its initial state corresponding to the initial value of the measured value. After that, the imbalance of the sensor and the subtracted constant level are selected so that the result of calibration of the signal obtained during calibration would be equal to some initial value. This action is equivalent to the balancing procedure of a conventional differential sensor, which is sometimes called zeroing.

В различных реализациях заявленного способа, калибровка по исходному состоянию может производиться как изменением дисбаланса датчика, так и изменением вычитаемого уровня. Выбор того или иного варианта определяется его удобством для конкретной реализации. Так, например, если дисбаланс в датчике обеспечивается за счет разного количества витков в катушках индуктивности преобразователей, то легче изменить уровень вычитаемого сигнала, чем количество витков. Если же дисбаланс в датчике обеспечивается за счет подачи различных напряжений возбуждения на преобразователи, то управление напряжением возбуждения может оказаться более удобным, чем изменение уровня вычитаемого сигнала.In various implementations of the claimed method, initial calibration can be carried out both by changing the imbalance of the sensor, and by changing the subtracted level. The choice of one or another option is determined by its convenience for a particular implementation. So, for example, if the imbalance in the sensor is provided due to the different number of turns in the inductors of the transducers, it is easier to change the level of the subtracted signal than the number of turns. If the imbalance in the sensor is ensured by supplying various excitation voltages to the transducers, then controlling the excitation voltage can be more convenient than changing the level of the subtracted signal.

В некоторых реализациях заявленного способа может быть использован выпрямитель с передаточной характеристикой, близкой к квадратичной. Выпрямленный сигнал такого выпрямителя приближенно пропорционален квадрату входного сигнала. Преимущество квадратичной характеристики состоит в глубоком подавлении высших гармоник сигнала возбуждения. Рассмотрим эту особенность более подробно. Пусть на вход выпрямителя подается гармонический сигнал дисбаланса

, смешанный с полезным сигналом

и помехой U_rm: U_rin=U_rd+U_rs+U_rm где

In some implementations of the claimed method, a rectifier with a transfer characteristic close to quadratic can be used. The rectified signal of such a rectifier is approximately proportional to the square of the input signal. The advantage of the quadratic characteristic is the deep suppression of the higher harmonics of the excitation signal. Consider this feature in more detail. Let a harmonic imbalance signal be applied to the input of the rectifier

mixed with useful signal

and interference U _rm : U _rin = U _rd + U _rs + U _rm where

Однополупериодный выпрямитель формирует квадратичный выходной сигнал только на временных отрезках продолжительностью

, что соответствует полупериоду колебаний. Двухполупериодный выпрямитель формирует квадратичный выходной сигнал на протяжении всего времени измерения.A half-wave rectifier generates a quadratic output signal only over time periods of duration

, which corresponds to a half-cycle of oscillations. A half-wave rectifier generates a quadratic output signal throughout the entire measurement time.

Для определенности, но без нарушения общности рассмотрения, будем считать, что выходным сигналом выпрямителя является ток. Выходной сигнал выпрямителя, с использованием формулы квадрата суммы, имеет вид:

For definiteness, but without violating the generality of the consideration, we assume that the output signal of the rectifier is current. The output signal of the rectifier, using the formula of the square of the sum, has the form:

где А и В - постоянные коэффициенты, а I₀ - начальный ток.where A and B are constant coefficients, and I ₀ is the initial current.

Пренебрежимо малые члены, пропорциональные

и

, в этом представлении отброшены. Для оценки результата усреднения необходимо использовать свойства произведения различных гармоник сигнала, известные специалисту в области радиотехники. Первый член

, после усреднения, дает постоянную величину, не зависящую ни от полезного сигнала, ни сигнала помехи. Второй член BU_rsU_rd, после усреднения, даст ненулевое значение, соответствующее отклику на измеряемую величину. Если U_rm является нечетной гармоникой напряжения возбуждения, то третий член BU_rmU_rd даст нулевое значение. Если U_rm является четной гармоникой, то ее вклад в случае двухполупериодного выпрямления также будет нулевым. В случае однополупериодного выпрямления вклад четной гармоники будет зависеть от сдвига ее фазы, изменяясь от нуля до наибольшего значения при сдвиге 90 градусов.Negligible proportional terms

and

are discarded in this view. To evaluate the result of averaging, it is necessary to use the properties of the product of various harmonics of the signal, known to a specialist in the field of radio engineering. First member

, after averaging, gives a constant value that does not depend on either the useful signal or the interference signal. The second term BU _rs U _rd , after averaging, will give a nonzero value corresponding to the response to the measured value. If U _rm is the odd harmonic of the excitation voltage, then the third term BU _rm U _rd will give a zero value. If U _rm is an even harmonic, then its contribution in the case of half-wave rectification will also be zero. In the case of half-wave rectification, the contribution of the even harmonic will depend on the shift of its phase, changing from zero to the highest value at a shift of 90 degrees.

Таким образом, использование выпрямителя с характеристикой, близкой к квадратичной, позволяет существенно уменьшить влияние помех и наводок от гармоник второго и более высокого порядков, возникающих, как правило, из-за нелинейностей в элементах устройства. Чаще всего, высокочастотная наводка с частотой возбуждения имеет симметричную форму сигнала, то есть в ней присутствуют только нечетные гармоники. В этом случае, с точки зрения подавления гармонических наводок, более экономично использовать однополупериодный выпрямитель. Если же наводка имеет несимметричную форму сигнала, то в ее спектре имеются четные гармоники, и оправдано применение двухполупериодного выпрямителя.Thus, the use of a rectifier with a characteristic close to quadratic can significantly reduce the effect of noise and interference from harmonics of the second and higher orders, which arise, as a rule, due to nonlinearities in the elements of the device. Most often, a high-frequency pickup with an excitation frequency has a symmetrical waveform, that is, only odd harmonics are present in it. In this case, from the point of view of suppressing harmonic pickups, it is more economical to use a half-wave rectifier. If the pickup has an asymmetrical waveform, then there are even harmonics in its spectrum, and the use of a half-wave rectifier is justified.

Выше были описаны различные аспекты реализации способа, которые могут включать в себя: использование выпрямителя с передаточной характеристикой, близкой к квадратичной; проведение калибровки с изменением дисбаланса датчика, либо же с изменением вычитаемой величины; выполнение усреднения сигнала после выпрямления либо же после вычитания постоянной величины. Эти аспекты могут применяться в конкретном воплощении способа независимо друг от друга в различных сочетаниях.Various aspects of the implementation of the method have been described above, which may include: the use of a rectifier with a transfer characteristic close to quadratic; calibration with a change in the imbalance of the sensor, or with a change in the subtracted value; performing averaging of the signal after rectification or after subtraction of a constant value. These aspects can be applied in a particular embodiment of the method independently of one another in various combinations.

Заявленный технический результат в устройстве для косвенного измерения обеспечивается за счет того, что устройство для косвенного измерения содержит дифференциальный датчик, возбуждаемый переменным напряжением, и имеющий дисбаланс, существенно превышающий рабочий диапазон изменения измеряемой величины, выпрямитель для выпрямления выходного сигнала дифференциального датчика, схему вычитания для вычитания постоянного значения из выходного сигнала выпрямителя, и измерительное устройство для измерения величины сигнала на выходе схемы вычитания.The claimed technical result in the device for indirect measurement is provided due to the fact that the device for indirect measurement contains a differential sensor excited by an alternating voltage and having an imbalance significantly exceeding the operating range of the measured value, a rectifier for rectifying the output of the differential sensor, a subtraction circuit for subtraction a constant value from the output signal of the rectifier, and a measuring device for measuring the magnitude of the signal at the output of we are subtracting.

Наличие дисбаланса датчика в устройстве, который существенно превышает рабочий диапазон изменения измеряемой величины, приводит к тому, что на выходе дифференциального датчика постоянно имеется переменное напряжение, амплитуда которого велика и, в относительных величинах, мало меняется при изменении измеряемой величины. Из-за этого выпрямитель работает с почти постоянным углом отсечки, который существенно близок к 180 градусам, и практически не меняется при изменении измеряемой величины либо при воздействии помех. Полезный сигнал, обусловленный измеряемой величиной, имеет фазу, близкую к фазе сигнала на выходе каждого из преобразователей, о чем уже говорилось выше. Соответственно, фаза полезного сигнала близка к фазе разностного сигнала на выходе датчика, возникшего в результате введения дисбаланса. Моменты открытия и закрытия выпрямителя практически совпадают с моментами пересечения нулевого уровня напряжением на выходе датчика. Открытие и закрытие выпрямителя синхронизировано с возбуждающим напряжением, происходит синфазно с сигналом разбалансировки и практически совпадает по фазе с полезным сигналом.The presence of the imbalance of the sensor in the device, which significantly exceeds the operating range of the measured value, leads to the fact that the output of the differential sensor constantly has an alternating voltage, the amplitude of which is large and, in relative terms, changes little when the measured value changes. Because of this, the rectifier operates with an almost constant cutoff angle, which is substantially close to 180 degrees, and practically does not change when the measured value changes or when exposed to interference. The useful signal, due to the measured value, has a phase close to the phase of the signal at the output of each of the converters, as mentioned above. Accordingly, the phase of the useful signal is close to the phase of the differential signal at the output of the sensor resulting from the introduction of an imbalance. The moments of opening and closing of the rectifier practically coincide with the moments of crossing the zero level by the voltage at the output of the sensor. The opening and closing of the rectifier is synchronized with the exciting voltage, occurs in phase with the unbalance signal and practically coincides in phase with the useful signal.

Как уже было разъяснено ранее, обычный выпрямитель в описанном режиме работает как синхронный детектор (синхронный выпрямитель), опорное напряжение которого совпадает по фазе с полезным сигналом. За счет этого, устройство обеспечивает высокий уровень подавления некоррелированных помех и шумов, который характерен для синхронного детектирования. Кроме того, за счет свойств синхронного детектирования в устройстве подавляется влияние помехи, ортогональной полезному сигналу датчика. Благодаря эффективному подавлению различных видов помех обеспечивается высокая чувствительность устройства.As previously explained, a conventional rectifier in the described mode operates as a synchronous detector (synchronous rectifier), the reference voltage of which coincides in phase with the useful signal. Due to this, the device provides a high level of suppression of uncorrelated interference and noise, which is characteristic for synchronous detection. In addition, due to the properties of synchronous detection in the device, the influence of interference orthogonal to the useful sensor signal is suppressed. Thanks to the effective suppression of various types of interference, high sensitivity of the device is ensured.

Так как процесс выпрямления в описанном устройстве идет в режиме большого сигнала, который определяется дисбалансом датчика, то для такого процесса отсутствует пороговый эффект, который обычно проявляется при выпрямлении малого сигнала. Как известно, выпрямитель, работающий в режиме большого сигнала, обладает высокой линейностью. Поэтому, амплитуда даже очень малого полезного сигнала линейно передается на выход выпрямителя, что обеспечивает высокую точность и чувствительность всего устройства.Since the rectification process in the described device is in the mode of a large signal, which is determined by the imbalance of the sensor, for this process there is no threshold effect, which usually manifests itself when rectifying a small signal. As is known, a rectifier operating in the large-signal mode has a high linearity. Therefore, the amplitude of even a very small useful signal is linearly transmitted to the output of the rectifier, which ensures high accuracy and sensitivity of the entire device.

Как уже указывалось ранее, описанное устройство значительно проще ближайшего аналога, в котором применяется синхронное детектирование, но обеспечивает сопоставимую с ним высокую точность и чувствительность измерений. В то же время, описанное устройство значительно превосходит по точности и чувствительности другие известные устройства, в которых, как и в нем, также применяется амплитудное детектирование и которые конструктивно проще прототипа. Таким образом, описанное устройство обладает уникальным сочетанием простоты, высокой чувствительности и высокой точности, что и обеспечивает заявленный технический результат.As already mentioned earlier, the described device is much simpler than the closest analogue, which uses synchronous detection, but provides comparable high accuracy and sensitivity of measurements. At the same time, the described device significantly surpasses other known devices in accuracy and sensitivity, in which, as in it, amplitude detection is also used and which are structurally simpler than the prototype. Thus, the described device has a unique combination of simplicity, high sensitivity and high accuracy, which ensures the claimed technical result.

На Фиг. 1 показано устройство датчика.In FIG. 1 shows a sensor device.

На Фиг. 2 показана схема подключения датчика, применяемая в практической реализации заявленного способа.In FIG. 2 shows a connection diagram of a sensor used in the practical implementation of the claimed method.

На Фиг. 3 представлена векторная диаграмма напряжений на катушках возбуждения датчика.In FIG. 3 is a vector diagram of the voltages of the sensor excitation coils.

Фиг. 4А и 4В показывают векторные диаграммы ЭДС датчика в состоянии наилучшей балансировки, в отсутствии полезного сигнала и при его наличии.FIG. 4A and 4B show vector diagrams of the EMF of the sensor in the state of best balance, in the absence of a useful signal and if there is one.

На Фиг. 4С показана векторная диаграмма ЭДС датчика при наличии разбалансировки, в отсутствии полезного сигнала и при его наличии.In FIG. 4C shows a vector diagram of the sensor EMF in the presence of imbalance, in the absence of a useful signal and in the presence of it.

На Фиг. 5 приведен график передаточной характеристики выпрямителя, показывающий возможность использования биполярного транзистора в качестве квадратичного детектора.In FIG. 5 is a graph of the transfer characteristic of the rectifier, showing the possibility of using a bipolar transistor as a quadratic detector.

Фиг. 6А показывает векторную диаграмму ЭДС датчика в случае комплексной величины магнитной проницаемости.FIG. 6A shows a vector diagram of an EMF sensor in the case of a complex value of magnetic permeability.

На Фиг. 6В показана векторная диаграмма ЭДС датчика при наличии помехи, совпадающей по частоте с частотой возбуждения.In FIG. 6B shows a vector diagram of the sensor emf in the presence of interference coinciding in frequency with the excitation frequency.

Индуктивный дифференциальный датчик 3, как показано на Фиг. 1, выполнен в виде трех планарных катушек 4, 5, 6 индуктивности. Он используется для измерения количества ферромагнитных частиц, располагаемых в виде компактной области 30 на листе 31. Подобное расположение магнитных частиц встречается во многих применениях. Например, на банкнотах используется специальная краска, содержащая ферромагнитные частицы и наносимая на строго определенные участки банкноты. При проведении биохимических анализов, материал с ферромагнитными свойствами осаждается в заданной зоне субстрата. Дифференциальный датчик производит измерение различия в эффективной магнитной проницаемости между областью 30 листа 31 и соседней с ней частью этого листа, где ферромагнитные частицы отсутствуют. В показанном расположении, область 31 накрывает собой катушку 4, так что силовые линии, создаваемые этой катушкой, целиком проходят через область 31.Inductive differential sensor 3, as shown in FIG. 1, is made in the form of three planar inductors 4, 5, 6. It is used to measure the number of ferromagnetic particles arranged in a compact region 30 on sheet 31. A similar arrangement of magnetic particles is found in many applications. For example, on banknotes, a special paint is used that contains ferromagnetic particles and is applied to strictly defined areas of the banknote. During biochemical analyzes, a material with ferromagnetic properties is deposited in a given area of the substrate. The differential sensor measures the difference in effective magnetic permeability between the region 30 of the sheet 31 and the adjacent part of this sheet, where there are no ferromagnetic particles. In the arrangement shown, region 31 covers the coil 4, so that the lines of force created by this coil completely pass through region 31.

Боковые катушки 4 и 5 датчика используются для возбуждения, а с центральной катушки 6 снимается сигнал, характеризующий неравномерность распределения магнитных частиц в материале. Конструкция датчика симметрична, причем, в отсутствии листа 30, каждая из катушек 4 и 5 связана с катушкой 6 магнитной связью одной и той же величины. Как показано на Фиг. 2, генератор 1 вырабатывает напряжение возбуждения, которое вызывает протекание переменного тока через катушки 4 и 5. Фазировка тока в катушках 4 и 5 выбрана таким образом, что магнитные поля этих катушек, пересекающие катушку 6, имеют противоположное направление. Преобразователями датчика являются пары катушек 4,6 и 5,6, а вычитание происходит непосредственно в катушке 6, общей для обоих преобразователей. Величина тока в боковых катушках определяется резисторами 2, 7 и 8. Измеряемой величиной датчика является разность эффективных магнитных проницаемостей в магнитных цепях связи боковых катушек 4 и 5 с центральной катушкой 6.Side coils 4 and 5 of the sensor are used for excitation, and a signal is recorded from the central coil 6, which characterizes the uneven distribution of magnetic particles in the material. The sensor design is symmetrical, and, in the absence of sheet 30, each of coils 4 and 5 is connected to coil 6 by magnetic coupling of the same magnitude. As shown in FIG. 2, the generator 1 generates an excitation voltage that causes alternating current to flow through the coils 4 and 5. The phasing of the current in the coils 4 and 5 is selected so that the magnetic fields of these coils crossing the coil 6 have the opposite direction. The transducers of the sensor are pairs of coils 4.6 and 5.6, and the subtraction occurs directly in the coil 6, common to both transducers. The current value in the side coils is determined by resistors 2, 7 and 8. The measured value of the sensor is the difference in the effective magnetic permeabilities in the magnetic communication circuits of the side coils 4 and 5 with the central coil 6.

Оптимальная частота напряжения возбуждения находится в диапазоне от единиц до нескольких десятков мегагерц. Частота измерения достаточно высока, чтобы защитить процесс измерения от воздействия низкочастотных магнитных помех, которые наиболее сильно препятствуют измерениям в диапазоне примерно до 100 кГц. С другой стороны, она должна быть достаточно низкой для того, чтобы не возникали сложности из-за запаздывания реакции ферромагнетика на быстро меняющееся магнитное поле. Фаза разностного магнитного потока, возникающего в катушке 6 при внесении ферромагнитного материала в датчик, при слишком большой частоте может существенно отличаться от фазы магнитного потока в катушках возбуждения, что может вызвать сложности при измерении. При оптимальной частоте указанное различие фаз несущественно.The optimal frequency of the excitation voltage is in the range from units to several tens of megahertz. The measurement frequency is high enough to protect the measurement process from the effects of low-frequency magnetic interference, which most interferes with measurements in the range of up to about 100 kHz. On the other hand, it should be low enough so that there are no difficulties due to the delay in the reaction of the ferromagnet to a rapidly changing magnetic field. The phase of the differential magnetic flux that occurs in the coil 6 when introducing ferromagnetic material into the sensor, at too high a frequency, can significantly differ from the phase of the magnetic flux in the excitation coils, which can cause measurement difficulties. At the optimum frequency, the indicated phase difference is not significant.

Частота генератора ω=2πƒ, а также соотношение индуктивностей катушек L и сопротивлений резисторов R выбираются таким образом, что ωL << R. При таком соотношении фаза тока в катушках практически совпадает с фазой напряжения возбуждения, а амплитуда тока обратно пропорциональна R. Потенциометр 2 предназначен для балансировки датчика. Перемещение подвижного контакта потенциометра 2 вносит дисбаланс в соотношение токов катушек 4 и 5. При сопротивлении потенциометра 0,05R диапазон дисбаланса токов, который можно реализовать за счет перемещения подвижного контакта, составляет ±5% от амплитуды тока через катушку.The generator frequency ω = 2πƒ, as well as the ratio of the inductances of the coils L and the resistances of the resistors R, are selected in such a way that ωL << R. With this ratio, the current phase in the coils practically coincides with the phase of the excitation voltage, and the current amplitude is inversely proportional to R. Potentiometer 2 is intended to balance the sensor. Moving the movable contact of potentiometer 2 introduces an imbalance in the ratio of the currents of coils 4 and 5. With a resistance of 0.05R, the range of current imbalance that can be realized by moving the movable contact is ± 5% of the amplitude of the current through the coil.

Важно отметить, что перемещение подвижного контакта потенциометра 2 изменяет величину тока через катушки 4 и 5, но, практически не изменяет фазу тока. Эту особенность можно проиллюстрировать при помощи векторной диаграммы напряжений, показанной на Фиг. З. Эта диаграмма построена для цепочки последовательно включенных элементов: катушки 4 с индуктивностью L, резистора 7, величина которого равна R, и изменяемого сопротивления верхней (по схеме) половины потенциометра 2. Напряжение U_L на катушке, и напряжение U_RES на сопротивлении, составленном из резистора 7 и верхней (по схеме) половины потенциометра 2, ортогональны друг другу и в сумме дают приложенное к цепочке напряжение U_EX. Векторы, соответствующие этим напряжениям, формируют прямоугольный треугольник. Как указывалось выше, за счет соотношения напряжение U_RES очень близко к напряжению возбуждения U_EX и практически совпадает с ним по фазе. Поэтому соответствующий угол треугольника мал:

. При небольшом изменении сопротивления в цепи, изменяется ток через катушку и напряжение на ней. Новые значения напряжений показаны на рисунке как U'_L и U'_RES. Соответствующий им треугольник построен на той же гипотенузе, но имеет другую пару катетов. Вершины двух треугольников лежат на окружности, построенной на векторе U_EXкак на диаметре. Угол между напряжением на резисторе и напряжением возбуждения по-прежнему мал:

. Из известного свойства суммы углов треугольника угол между напряжением на катушке и напряжением возбуждения мало меняется:

. Соответственно, мало изменяется и фаза тока в катушке, и связанная с ней фаза магнитного потока. Необходимо отметить, что на Фиг. 3, для достижения легкой читаемости рисунка, показана достаточно большая разница между U_RES и U'_RES, примерно равна 70%. В реальности, потенциометр 2 имеет величину сопротивления 0,05R и позволяет изменять суммарное сопротивление в цепи не более чем на 10%, что соответствует отклонению угла в пределах нескольких градусов.It is important to note that moving the movable contact of potentiometer 2 changes the amount of current through

coils

4 and 5, but practically does not change the phase of the current. This feature can be illustrated using the vector voltage diagram shown in FIG. H. This diagram is built for a chain of series-connected elements: a coil 4 with an inductance L, a resistor 7, the value of which is equal to R, and a variable resistance of the upper (according to the circuit) half of the potentiometer 2. Voltage U _L on the coil, and voltage U _RES on the resistance, composed of a resistor 7 and the upper (according to the diagram) half of the potentiometer 2, are orthogonal to each other and in total give the voltage U _EX applied to the circuit. The vectors corresponding to these voltages form a right triangle. As indicated above, due to the ratio, the voltage U _{RES is} very close to the excitation voltage U _EX and practically coincides with it in phase. Therefore, the corresponding angle of the triangle is small:

. With a small change in the resistance in the circuit, the current through the coil and the voltage on it change. The new voltage values are shown in the figure as U ' _L and U' _RES . The corresponding triangle is built on the same hypotenuse, but has a different pair of legs. The vertices of two triangles lie on a circle constructed on the vector U _EX as a diameter. The angle between the voltage across the resistor and the field voltage is still small:

. From the known property of the sum of the angles of a triangle, the angle between the voltage on the coil and the excitation voltage varies little:

. Accordingly, the phase of the current in the coil and the phase of the magnetic flux associated with it change little. It should be noted that in FIG. 3, to achieve easy readability of the figure, a sufficiently large difference between U _RES and U ' _{RES is} shown, approximately equal to 70%. In reality, potentiometer 2 has a resistance value of 0.05R and allows you to change the total resistance in the circuit by no more than 10%, which corresponds to a deviation of the angle within a few degrees.

Из сказанного становится очевидным, что указанный способ балансировки способен компенсировать естественный дисбаланс датчика, определяемый различием магнитной связи в парах катушек 4,6 и 5,6. Это различие приводит к изменению величины магнитного потока, доходящего до катушки 6, без существенного изменения фазы магнитного потока. Для его компенсации нужно изменить магнитный поток, практически не изменяя его фазу.From what has been said, it becomes obvious that this balancing method is able to compensate for the natural imbalance of the sensor, determined by the difference in magnetic coupling in pairs of coils of 4.6 and 5.6. This difference leads to a change in the magnitude of the magnetic flux reaching the coil 6, without a significant change in the phase of the magnetic flux. To compensate, you need to change the magnetic flux, practically without changing its phase.

Вначале, рассмотрим работу сбалансированного датчика 3. Магнитный поток катушек 4 и 5, при прохождении через центральную катушку 6, взаимно вычитается. За счет перемещения подвижного контакта потенциометра 2, можно добиться балансировки, то есть почти полной нейтрализации потоков, за счет чего ЭДС катушки 6 будет практически равен 0. Если в магнитный путь одной из катушек возбуждения попадает ферромагнитный материал, это приводит к пространственному перераспределению ее магнитного потока. В результате, изменяется коэффициент связи этой катушки возбуждения и приемной катушки 6, что приводит к нарушению взаимной нейтрализации магнитных потоков и появлению ЭДС на катушке 6. Таким образом, ЭДС катушки 6 является мерой количества неравномерно распределенного магнитного материала.First, consider the operation of a balanced sensor 3. The magnetic flux of coils 4 and 5, when passing through the central coil 6, is mutually subtracted. By moving the movable contact of potentiometer 2, balancing can be achieved, that is, almost completely neutralizing the flows, due to which the emf of coil 6 will be almost 0. If ferromagnetic material enters the magnetic path of one of the excitation coils, this leads to a spatial redistribution of its magnetic flux . As a result, the coupling coefficient of this excitation coil and receiving coil 6 changes, which leads to a violation of the mutual neutralization of magnetic fluxes and the appearance of EMF on coil 6. Thus, the EMF of coil 6 is a measure of the amount of unevenly distributed magnetic material.

На указанных частотах на работу датчика существенно влияют помехи, вызываемые паразитными связями, возникающими как в самом датчике, так и в окружающем его пространстве. Эти связи носят, главным образом, емкостной характер. Кроме того, время распространения высокочастотных сигналов по проводникам оказывает влияние на фазу токов в катушках возбуждения. При различии длины проводников, подводящих ток к катушкам 4 и 5, ЭДС наводимые каждой из этих катушек в катушке 6, будут различаться по фазе.At the indicated frequencies, the operation of the sensor is significantly affected by interference caused by spurious connections arising both in the sensor itself and in the surrounding space. These connections are mainly capacitive in nature. In addition, the propagation time of high-frequency signals along the conductors affects the phase of the currents in the excitation coils. With a difference in the length of the conductors supplying current to the coils 4 and 5, the EMF induced by each of these coils in the coil 6 will differ in phase.

На Фиг. 4А показана векторная диаграмма выходного напряжения датчика 3 в состоянии наилучшей балансировки, когда лист 31 находится вне зоны чувствительности датчика. Напряжение на выходной катушке 6 обозначено U_r, причем его модуль приведен к минимально возможному значению за счет перемещения подвижного контакта потенциометра 2. Оно возникает в результате векторного сложения напряжения U_A, обусловленного влиянием катушки 5, и U_B, обусловленного влиянием катушки 4. Напряжения U_A и U_B можно, по отдельности, измерить на катушке 6, поочередно отключая подачу напряжения на катушки 4 и 5. Между напряжениями U_A и U_B существует небольшой угол, обусловленный паразитными связями в датчике и задержками распространения в проводниках. За счет этого угла, при балансировке невозможно добиться полного обнуления выходного напряжения U_r. Остаточное напряжение U_r в состоянии наилучшей балансировки направлено почти ортогонально к напряжениям U_A и U_B In FIG. 4A is a vector diagram of the output voltage of the sensor 3 in the best balanced state when the sheet 31 is outside the sensor sensitivity zone. The voltage at the output coil 6 is denoted by U _r , and its module is reduced to the lowest possible value due to the movement of the movable contact of the potentiometer 2. It arises as a result of the vector addition of the voltage U _A , due to the influence of coil 5, and U _B , due to the influence of coil 4. U _a and U _B can individually measure the bobbin 6, alternately turning off the power supply to the coils 4 and 5 there is a small angle due to parasitic coupling between the voltage U _a and U _B and in the sensor delay spread I in the conductors. Due to this angle, when balancing it is impossible to achieve complete zeroing of the output voltage U _r . The residual voltage U _r in the state of best balancing is directed almost orthogonally to the voltages U _A and U _B

На Фиг. 4В векторная диаграмма выходного напряжения датчика 3 показана в состоянии, когда область 30, располагающаяся вблизи катушки 4, содержит ферромагнитные частицы. За счет этого, к исходному напряжению U_B добавляется коллинеарный ему полезный сигнал U_s. Напряжение на выходной катушке 6 обозначено U_r. Дополнительно, на векторной диаграмме показано начальное напряжение U_0r на выходной катушке в отсутствии листа. При внесении листа 31 с областью 30 в область чувствительности датчика, выходной сигнал датчика меняется от значения U_0r к значению U_r. Как видно из векторной диаграммы, при этом меняется и угол, и модуль напряжения. Причем, если модуль полезного сигнала U_s меньше, либо близок к модулю начального напряжения U_0r, то U_r мало меняется по модулю из-за соотношения углов в треугольнике, образованном названными векторами. Поэтому, для проведения измерений малого полезного сигнала, амплитудный детектор оказывается малопригодным. В этом случае, необходимо применять синхронное детектирование, требующее использования устройства повышенной сложности.In FIG. 4B, a vector diagram of the output voltage of the sensor 3 is shown in a state where the region 30 located near the coil 4 contains ferromagnetic particles. Due to this, to the initial voltage U_B a collinear useful signal U is added to it_s. The voltage at the output coil 6 is denoted by U_r. Additionally, the vector diagram shows the initial voltage U_0r on the output coil in the absence of a sheet. When entering sheet 31 with region 30 into the sensor sensitivity region, the sensor output signal changes from the value of U_0r to the value of U_r. As can be seen from the vector diagram, this changes both the angle and the voltage modulus. Moreover, if the module of the useful signal U_s less or close to the initial voltage modulus U_0rthen U_r changes little modulo due to the ratio of angles in the triangle formed by the named vectors. Therefore, for measurements of a small useful signal, the amplitude detector is of little use. In this case, it is necessary to use synchronous detection, which requires the use of a device of increased complexity.

Рассмотренная ситуация еще более усложняется тем, что простые амплитудные детекторы обладают большой нелинейностью при малом уровне выпрямляемого сигнала, что вносит дополнительные погрешности при работе вблизи точки наилучшей балансировки.The situation under consideration is further complicated by the fact that simple amplitude detectors have large nonlinearity at a low level of the rectified signal, which introduces additional errors when operating near the point of best balancing.

Работа датчика 3 в состоянии наилучшей балансировки описана здесь только для того, чтобы проиллюстрировать технический результат заявленного изобретения. В соответствии с заявленным изобретением, в настройку датчика 3, за счет перемещения подвижного контакта потенциометра 2, внесен определенный дисбаланс. Этот дисбаланс приводит к появлению разности амплитуд между компонентами выходного напряжения на катушке 6, которые обусловлены магнитной связью с катушками 4 и 5. На Фиг. 4С эта разность показана как вектор U_d. Графические ограничения не позволяют передать реальный масштаб различий между сигналами на рисунке. Величина U_d дисбаланса примерно в 20 раз меньше величины сигналов U_A и U_B, но примерно в 30 раз больше предела полезного сигнала U_s. Как видно из векторной диаграммы, векторы напряжений дисбаланса U_d, начального выходного сигнала U_0r, полезного сигнала U_s, и выходного сигнала U_r ориентированны практически в одном направлении, за счет существенных различий длины сторон образуемых ими треугольников. Иными словами, можно сказать, что указанные напряжения почти совпадают по фазе.The operation of the sensor 3 in the state of best balancing is described here only in order to illustrate the technical result of the claimed invention. In accordance with the claimed invention, a certain imbalance is introduced in the adjustment of the sensor 3 due to the movement of the movable contact of the potentiometer 2. This imbalance leads to the appearance of an amplitude difference between the components of the output voltage on the coil 6, which is due to magnetic coupling with the coils 4 and 5. In FIG. 4C, this difference is shown as a vector U _d . Graphic restrictions do not allow to convey the real scale of the differences between the signals in the figure. The value of U _{d the} imbalance is approximately 20 times less than the value of the signals U _A and U _B , but about 30 times the limit of the useful signal U _s . As can be seen from the vector diagram, the vectors of the unbalance voltages U _d , the initial output signal U _0r , the useful signal U _s , and the output signal U _{r are} oriented in almost the same direction, due to significant differences in the lengths of the sides of the triangles formed by them. In other words, we can say that these voltages almost coincide in phase.

При внесении листа 31 с областью 30 в область чувствительности датчика, выходной сигнал датчика меняется от значения U_0r к значению U_r таким образом, что изменение амплитуды почти точно равняется амплитуде полезного сигнала U_s. Такая особенность заявленного изобретения позволяет использовать простой амплитудный детектор для проведения точных измерений полезного сигнала.When a sheet 31 with region 30 is introduced into the sensor sensitivity region, the output signal of the sensor changes from U _0r to U _r so that the amplitude change is almost exactly equal to the amplitude of the useful signal U _s . This feature of the claimed invention allows the use of a simple amplitude detector for accurate measurements of the useful signal.

Для измерения сигнала на выходе датчика 3, ток катушки 6 подается на вход селективного усилителя, выполненного на транзисторе 11 по схеме с общей базой. Ток смещения усилителя задается напряжением смещения на базе транзистора 11 и сопротивлением резистора 10. Для выработки постоянных напряжений смещения служит цепь из кремниевых диодов 20-23, резистора 19 и конденсаторов 17 и 18. Катушка 6 оказывается нагруженной на малый входной импеданс схемы с общей базой и, фактически, работает в режиме короткого замыкания. Ток короткого замыкания, пропорциональный ЭДС, передается транзистором 11 в колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности 12, конденсатора 13 и резистора 14. Колебательный контур настроен в резонанс с частотой возбуждения. Резистор 14 определяет добротность контура и задает коэффициент передачи селективного усилителя.To measure the signal at the output of the sensor 3, the current of the coil 6 is supplied to the input of a selective amplifier made on the transistor 11 according to the scheme with a common base. The bias current of the amplifier is set by the bias voltage at the base of transistor 11 and the resistance of resistor 10. To generate constant bias voltages, a circuit of silicon diodes 20-23, resistor 19, and capacitors 17 and 18 is used. Coil 6 is loaded on a small input impedance of a circuit with a common base and , in fact, works in short circuit mode. A short circuit current proportional to the EMF is transmitted by the transistor 11 to an oscillating circuit, consisting of an inductor 12, a capacitor 13, and a resistor 14. The oscillating circuit is tuned to resonance with the excitation frequency. The resistor 14 determines the quality factor of the circuit and sets the gain of the selective amplifier.

Переход эмиттер-база транзистора 24 используется в качестве однополупериодного выпрямителя. Ток коллектора этого транзистора является выходным током выпрямителя. Такой выпрямитель преобразует входное напряжение в выходной ток. Отрицательная полуволна напряжения на базе транзистора 24 открывает переход эмиттер-база, а положительная полуволна запирает его. Во время отрицательной полуволны колебаний в контуре через коллектор транзистора 24 течет ток, а при отрицательной полуволне этот ток практически равен нулю. Дополнительное смещение, формируемое на базе транзистора 24 за счет падения напряжения на резисторе 14, снижает порог открытия перехода база-эмиттер и приближает передаточную характеристику выпрямителя к квадратичной. Использование биполярного транзистора в качестве квадратичного детектора в подобном включении хорошо известно специалистам и может быть найдено, например, в авторском свидетельстве SU1753913 (опубл. 20.12.1995, МПК H03D 1/18).The emitter-base transition of the transistor 24 is used as a half-wave rectifier. The collector current of this transistor is the output current of the rectifier. Such a rectifier converts the input voltage to the output current. A negative voltage half-wave at the base of transistor 24 opens the emitter-base transition, and a positive half-wave locks it. During the negative half-wave of oscillations in the circuit, a current flows through the collector of transistor 24, and with a negative half-wave this current is practically zero. The additional bias generated on the basis of the transistor 24 due to the voltage drop across the resistor 14 lowers the threshold for opening the base-emitter junction and brings the transfer characteristic of the rectifier closer to quadratic. The use of a bipolar transistor as a quadratic detector in such an inclusion is well known to specialists and can be found, for example, in the copyright certificate SU1753913 (publ. 20.12.1995, IPC H03D 1/18).

Вычитание постоянного уровня из выпрямленного сигнала реализовано на схеме, состоящей из транзистора 25 и резистора 27. Транзистор 25 включен по схеме с общей базой, за счет чего напряжение на его эмиттере стабильно и практически не изменяется. Ток коллектора транзистора 24 разделяется на неизменный ток, стекающий по резистору 27, и ток эмиттера транзистора 25. Ток коллектора транзистора 25 практически равен его току эмиттера и представляет собой результат вычитания. Конденсатор 28, совместно с резистором 27, обеспечивает фильтрацию частоты возбуждения, за счет чего ток коллектора транзистора 25 можно считать постоянным.Subtracting a constant level from the rectified signal is implemented on a circuit consisting of a transistor 25 and a resistor 27. The transistor 25 is turned on according to a circuit with a common base, due to which the voltage at its emitter is stable and practically unchanged. The collector current of the transistor 24 is divided into a constant current flowing down the resistor 27, and the emitter current of the transistor 25. The collector current of the transistor 25 is almost equal to its emitter current and is the result of subtraction. The capacitor 28, together with the resistor 27, provides a filtering of the excitation frequency, due to which the collector current of the transistor 25 can be considered constant.

Необходимо отметить, что описанная схема вычитания, как и любая аналоговая схема, выполняющая арифметические операции, имеет ограниченный диапазон выходного сигнала. В описанной схеме, ток коллектора 25 не может быть отрицательным, а сам транзистор не должен находиться в режиме насыщения. Поэтому, она обеспечивает диапазон выходных напряжений в пределах от нулевого значения до примерно 2,4 В.It should be noted that the described subtraction scheme, like any analog circuit performing arithmetic operations, has a limited output signal range. In the described circuit, the collector current 25 cannot be negative, and the transistor itself must not be in saturation mode. Therefore, it provides a range of output voltages ranging from zero to approximately 2.4 V.

Ток коллектора транзистора 25 падает на резисторе 26, причем падение напряжения оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 29. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) имеет рабочий диапазон входного напряжения от 0 до 2 В. Результат аналого-цифрового преобразования, пропорциональный измеряемой величине, считывается микроконтроллером измерительного прибора и используется далее для представления результатов измерения.The collector current of the transistor 25 drops on the resistor 26, and the voltage drop is digitized by an analog-to-digital converter 29. The analog-to-digital converter (ADC) has a working input voltage range from 0 to 2 V. The result of the analog-to-digital conversion, proportional to the measured value, is read out by the measuring microcontroller instrument and is used further to present the measurement results.

Если датчик 3 балансирован, то ЭДС катушки 6 мала, колебания в контуре 12-14 практически отсутствуют, переход эмиттер база транзистора 24 закрыт, коллекторные токи транзисторов 24 и 25 равны нулю, за счет чего напряжение на резисторе 26 и выходной код аналого-цифрового преобразователя 25 также равны нулю. Малые значения ЭДС, возникающие при внесении в датчик 3 листа 31 с ферромагнитными частицами в области 30, оказываются недостаточны для открытия эмиттерно-базового перехода транзистора 24. В таком состоянии, проводить измерения невозможно.If the sensor 3 is balanced, then the EMF of the coil 6 is small, the oscillations in the circuit 12-14 are practically absent, the emitter base of the transistor 24 is closed, the collector currents of the transistors 24 and 25 are zero, due to which the voltage across the resistor 26 and the output code of the analog-to-digital converter 25 are also zero. Small values of the EMF arising when a sheet 31 with ferromagnetic particles is introduced into the sensor 3 in the region 30 is not enough to open the emitter-base junction of the transistor 24. In this state, it is impossible to take measurements.

Чтобы настроить и откалибровать устройство измерения, в отсутствии листа 31 в датчике, необходимо начать перемещать подвижный контакт потенциометра 2. Возникающий за счет этого дисбаланс датчика приведет к увеличению ЭДС катушки 6 и соответствующему увеличению амплитуды колебаний в контуре 12-14. При достижении амплитудой колебаний порога открытия перехода эмиттер-база транзистора 24, на коллекторе этого транзистора появятся импульсы тока. Если и дальше увеличивать дисбаланс датчика, то увеличится среднее значение импульсного тока. Импульсы тока вызывают падение напряжения на резисторе 27, которое усредняется конденсатором 28. Как только напряжение на коллекторе достигнет приблизительно 3,2 В, что соответствует порогу открытия транзистора 25, через резистор 26 начнет течь ток, и на нем возникает падение напряжения. Для калибровки датчика нужно продолжать сдвигать контакт потенциометра 2 до тех пор, пока падение напряжения на резисторе 26 не достигнет величины 1,0 В, соответствующей рабочей точке в середине рабочего диапазона АЦП. В таком состоянии устройство готово к измерениям.In order to configure and calibrate the measuring device, in the absence of sheet 31 in the sensor, it is necessary to start moving the movable contact of potentiometer 2. The resulting imbalance of the sensor will lead to an increase in the emf of coil 6 and a corresponding increase in the amplitude of oscillations in circuit 12-14. When the amplitude of the oscillations reaches the opening threshold of the emitter-base transition of the transistor 24, current pulses will appear on the collector of this transistor. If the imbalance of the sensor is further increased, the average value of the pulse current will increase. The current pulses cause a voltage drop across the resistor 27, which is averaged by the capacitor 28. As soon as the voltage at the collector reaches approximately 3.2 V, which corresponds to the threshold for opening the transistor 25, a current will begin to flow through the resistor 26, and a voltage drop will occur on it. To calibrate the sensor, you need to continue to shift the contact of the potentiometer 2 until the voltage drop across the resistor 26 reaches 1.0 V, corresponding to the operating point in the middle of the ADC working range. In this state, the device is ready for measurements.

Отметим, что амплитуда напряжения на базе транзистора 24 в таком режиме существенно превышает порог открывания перехода эмиттер-база. Поэтому, транзистор 24 находится в открытом состоянии практически в течение полупериода этого напряжения (180 градусов). С весьма высокой точностью передаточная характеристика транзисторного детектора в открытом состоянии может быть представлена квадратичной зависимостью, что графически показано на Фиг. 5. Начальная точка оси напряжения соответствует начальному смещению на резисторе 14, а ток коллектора в этой точке - току покоя транзистора 24. Как видно из графика, для интервала изменения базового напряжения в пределах 70 мВ квадратичная аппроксимация хорошо отражает характеристику реального транзистора. В области отрицательных напряжений ток коллектора всегда меньше, чем весьма малое значение тока покоя, и им можно пренебречь.Note that the voltage amplitude at the base of transistor 24 in this mode substantially exceeds the threshold for opening the emitter-base junction. Therefore, the transistor 24 is in the open state for almost half the period of this voltage (180 degrees). With very high accuracy, the transfer characteristic of the transistor detector in the open state can be represented by a quadratic dependence, which is graphically shown in FIG. 5. The starting point of the voltage axis corresponds to the initial bias on the resistor 14, and the collector current at this point corresponds to the quiescent current of the transistor 24. As can be seen from the graph, for the interval of the base voltage variation within 70 mV, the quadratic approximation reflects the characteristic of the real transistor well. In the region of negative voltages, the collector current is always less than a very small value of the quiescent current, and it can be neglected.

Ток коллектора транзистора 24 описывается формулой, идентичной формуле (1) с точностью до измененных масштабных коэффициентов С и D, которые дополнительно учитывают параметры входного усилительного каскада с общей базой (элементы 9 - 16 на Фиг. 2):The collector current of transistor 24 is described by a formula identical to formula (1) up to modified scale factors C and D, which additionally take into account the parameters of the input amplifier stage with a common base (elements 9 - 16 in Fig. 2):

В отсутствии листа 31 полезный сигнал U_s приравнивается к нулю. Поэтому, усредненный ток коллектора транзистора 24 определяется постоянным уровнем дисбаланса U_d какIn the absence of sheet 31, the useful signal U _{s is} equal to zero. Therefore, the averaged collector current of the transistor 24 is determined by a constant level of imbalance U _d as

с учетом постоянных падений напряжения на резисторах 26 и 27. Фиксированные значения падений напряжения 1,0 В и 3,3 В соответствуют рабочей точке схемы, которая была установлена в результате калибровки. В данном рассмотрении мы считаем, что сигналом помехи U_m можно пренебречь.taking into account the constant voltage drops across the resistors 26 and 27. The fixed values of the voltage drops of 1.0 V and 3.3 V correspond to the operating point of the circuit, which was established as a result of calibration. In this discussion, we believe that the interference signal U _m can be neglected.

После внесения в датчик листового материала с ферромагнитными частицами, ЭДС катушки 6 изменяется. На практике, это изменение не превышает нескольких процентов от величины дисбаланса, полученной в ходе калибровки. Изменение может быть положительным либо отрицательным, в зависимости от того, в магнитную цепь какой из катушек возбуждения 4 и 5 попадет магнитный материал. Без нарушения общности, мы будем считать, что ЭДС увеличилась.After introducing sheet material with ferromagnetic particles into the sensor, the EMF of coil 6 changes. In practice, this change does not exceed a few percent of the imbalance obtained during calibration. The change can be positive or negative, depending on which magnetic material gets into the magnetic circuit of which of the excitation coils 4 and 5. Without loss of generality, we will assume that EMF has increased.

Увеличение ЭДС практически не изменяет продолжительности интервала, в течение которого транзистор 24 открыт.Этот интервал продолжает оставаться очень близким к 180 градусам. Можно говорить о синхронном выпрямлении (детектировании) на транзисторе 24, где в качестве опорного сигнала, управляющего его открытием и закрытием, выступает сам сигнал на входе выпрямителя, пропорциональный напряжению U_r на выходе датчика 3. Рост ЭДС приводит к увеличению амплитуды импульсов и среднего тока коллектора транзистора 24. В формуле (2) появляется соответствующий ненулевой член DU_sU_d, пропорциональный полезному сигналу. Ток коллектора можно оценить, с учетом рабочей точки, как

. В то же время

, откуда получаемIncreasing the EMF practically does not change the duration of the interval during which the transistor 24 is open. This interval continues to remain very close to 180 degrees. We can talk about synchronous rectification (detection) on the transistor 24, where the signal that controls its opening and closing is the signal itself at the input of the rectifier, proportional to the voltage U _r at the output of the sensor 3. An increase in the EMF leads to an increase in the amplitude of the pulses and the average current the collector of the transistor 24. In the formula (2), the corresponding nonzero term DU _s U _d appears, which is proportional to the useful signal. The collector current can be estimated, taking into account the operating point, as

. In the same time

, where do we get

Член DU_sU_d, после усреднения, дает постоянную величину, пропорциональную напряжению дисбаланса U_d и полезному сигналу U_s, который линейно связан с измеряемой величиной. То есть, напряжение, оцифровываемое АЦП 29, пропорционально измеряемой величине и имеет начальную точку 1,0 В.The term DU _s U _d , after averaging, gives a constant value proportional to the unbalance voltage U _d and the useful signal U _s , which is linearly related to the measured value. That is, the voltage digitized by the ADC 29 is proportional to the measured value and has a starting point of 1.0 V.

Необходимо отметить, что, для измерения малых полезных сигналов, коэффициент передачи устройства от входа к выходу нужно сделать большим. Из-за этого приходится достаточно тщательно настраивать значение дисбаланса U_d, чтобы вывести выходной сигнал в рабочую точку. При этом, нужное значение U_d с достаточно высокой точностью уже известно из конструктивных параметров откалиброванной схемы устройства в соответствии с уравнением (3), так что при настройке требуется лишь незначительно скорректировать его значение по отношению к расчетной величине. Таким образом, можно считать U_dконстантой. Поэтому тот факт, что U_d входит в качестве коэффициента в уравнение (4) для результата измерения, на самом деле, не приводит к существенному ухудшению точности измерений.It should be noted that, in order to measure small useful signals, the transfer coefficient of the device from input to output must be made large. Because of this, it is necessary to carefully adjust the value of the imbalance U _d to bring the output signal to the operating point. Moreover, the desired value of U _d with sufficiently high accuracy is already known from the design parameters of the calibrated circuit of the device in accordance with equation (3), so when setting up, it is only necessary to slightly adjust its value with respect to the calculated value. Thus, we can consider U _d constant. Therefore, the fact that U _d is included as a coefficient in equation (4) for the measurement result, in fact, does not lead to a significant deterioration in the measurement accuracy.

В реальных применениях, может оказаться, что ферромагнитный материал в области 30, на частоте возбуждения, вносит заметный фазовый сдвиг в полезный сигнал U_s. Этот случай показан на векторной диаграмме на Фиг. 6А. Различие абсолютной величины начального значения выходного напряжения датчика и_{0 г} и выходного напряжения датчика при проведении измерения U_r практически равно проекции U_sr на полезного сигнала U_s на направление вектора U_r. То есть, напряжение на АЦП 29 пропорционально проекции полезного сигнала U_s на направление напряжения U_r, которое практически совпадает с направлением напряжения дисбаланса U_d. Из этого следует, что результат измерения пропорционален вещественной части эффективной магнитной проницаемости, измеряемой датчиком, и мало зависит от ее комплексной части.In actual applications, it may turn out that the ferromagnetic material in region 30, at the excitation frequency, introduces a noticeable phase shift into the useful signal U _s . This case is shown in the vector diagram in FIG. 6A. The difference in the absolute value of the initial value of the sensor output voltage and _{0 g} and the sensor output voltage when measuring U _{r is} almost equal to the projection U _sr on the useful signal U _s on the direction of the vector U _r . That is, the voltage on the ADC 29 is proportional to the projection of the useful signal U _s onto the direction of the voltage U _r , which practically coincides with the direction of the unbalance voltage U _d . It follows from this that the measurement result is proportional to the material part of the effective magnetic permeability, as measured by the sensor, and little depends on its complex part.

Аналогичные рассуждения верны и для помехи U_m, если она совпадает по частоте с частотой возбуждения, как показано на Фиг. 6В. На результат измерения влияет только проекция помехи U_mr на направление вектора U_r, которое практически совпадает с направлением напряжения дисбаланса U_d. Компонента помехи, ортогональная указанному направлению, практически не влияет на напряжение на АЦП 29. В частности, это устраняет влияние паразитных связей и задержек распространения в проводниках датчика, ответственных за появление ортогональной компоненты U_0r выходного сигнала датчика. Требования к малому различию фаз токов в катушках 4 и 5, включенных в схему балансировки, обычно важны для дифференциальных датчиков при работе в режиме наилучшей балансировки, поскольку они порождают неустранимую ортогональную ошибку балансировки. Однако, при использовании заявленного способа эти требования могут быть значительно смягчены.Similar considerations apply to interference U _m if it coincides in frequency with the excitation frequency, as shown in FIG. 6B. The measurement result is affected only by the interference projection U _mr on the direction of the vector U _r , which practically coincides with the direction of the unbalance voltage U _d . The interference component orthogonal to the indicated direction practically does not affect the voltage on the ADC 29. In particular, this eliminates the influence of spurious connections and propagation delays in the sensor conductors responsible for the appearance of the orthogonal component U _0r of the sensor output signal. The requirements for a small difference in the phases of the currents in coils 4 and 5 included in the balancing circuit are usually important for differential sensors when operating in the best balancing mode, since they generate an unrecoverable orthogonal balancing error. However, when using the claimed method, these requirements can be significantly mitigated.

Появление помехи U_m в виде нечетной гармоники напряжения возбуждения, соизмеримой с диапазоном полезного сигнала, не влияет на результат измерений, как уже было показано выше при анализе формулы (1). Это существенно отличается от результатов работы обычного амплитудного детектора, который не обладает частотной избирательностью и беспрепятственно передает на выход отклик на гармоническую помеху. Наихудшим случаем работы для амплитудного детектора является полезный сигнал, близкий к нулю. Он будет практически полностью перекрыт помехой, в то время как при использовании заявленного способа даже очень малый полезный сигнал не будет подавляться.The appearance of interference U _m in the form of an odd harmonic of the excitation voltage, comparable with the range of the useful signal, does not affect the measurement result, as was already shown above in the analysis of formula (1). This is significantly different from the results of a conventional amplitude detector, which does not have frequency selectivity and freely transmits a response to harmonic interference to the output. The worst case for an amplitude detector is a useful signal close to zero. It will be almost completely blocked by interference, while when using the claimed method, even a very small useful signal will not be suppressed.

Важно отметить, что, как известно из уровня техники, даже в случае использования синхронного детектора, подавление гармоник обеспечивается далеко не всегда. На практике, широко используют синхронные детекторы, выполненные на основе аналоговых ключей, коммутируемых опорным сигналом. Пример применения подобного синхронного детектора для обработки сигнала емкостного дифференциального датчика приведен в патенте США US 5394969 (опубл. 07.03.1995, МПК G07D 7/00). В указанном решении, синхронный детектор не подавляет помехи с частотами высших гармоник напряжения опоры, что приводит к появлению дополнительных погрешностей.It is important to note that, as is known from the prior art, even in the case of using a synchronous detector, harmonic suppression is far from always ensured. In practice, synchronous detectors made on the basis of analog keys switched by a reference signal are widely used. An example of the use of such a synchronous detector for processing a capacitive differential sensor signal is given in US patent US 5394969 (publ. 03/07/1995, IPC G07D 7/00). In this solution, the synchronous detector does not suppress interference with frequencies of higher harmonics of the voltage of the support, which leads to the appearance of additional errors.

В радиотехнике, помеху считают коррелированной с определенным периодическим сигналом, если ее спектр состоит из линий с частотой этого сигнала либо с частотами, которые кратны частоте данного сигнала. Прохождение на выход устройства спектральных компонент помехи, некоррелированной с опорным сигналом, роль которого выполняет сигнал дисбаланса U_d, как и всегда при синхронном детектировании, ограничивается полосой пропускания усредняющего фильтра 27-28 на выходе выпрямителя. При большой постоянной времени этого фильтра можно практически полностью подавить такие помехи. Так, при постоянной времени τ=R₂₆C₂₈ равной 0,2 с полоса пропускания для некоррелированных помех будет уже, чем 1 Гц, и ее центр будет располагаться на частоте возбуждения. Реальное время установления уровня на входе АЦП 29 при таком выборе полосы пропускания не превышает 1 секунды.In radio engineering, interference is considered to be correlated with a certain periodic signal if its spectrum consists of lines with the frequency of this signal or with frequencies that are multiples of the frequency of this signal. The passage to the output of the device of spectral components of interference uncorrelated with the reference signal, the role of which is played by the imbalance signal U _d , as always with synchronous detection, is limited by the passband of the averaging filter 27-28 at the rectifier output. With a large time constant of this filter, such interference can be almost completely suppressed. So, at a time constant τ = R ₂₆ C ₂₈ equal to 0.2 s, the passband for uncorrelated interference will be narrower than 1 Hz, and its center will be located at the excitation frequency. The real time to establish the level at the input of the ADC 29 with this choice of bandwidth does not exceed 1 second.

При использовании описанного способа полностью отсутствует порог чувствительности, то есть, даже очень малый полезный сигнал датчика 3 вызывает пропорциональный отклик выходного напряжения на резисторе 26. Это связано с тем, что при выпрямлении полезный сигнал обрабатывается в сумме с мощным сигналом дисбаланса, который удерживает транзистор 24 в линейном режиме и не дает ему уходить в режим отсечки в течение почти всего активного полупериода. Данная особенность отличает описанный способ от обычного амплитудного детектора, обладающего сильной нелинейностью для малых сигналов.When using the described method, the sensitivity threshold is completely absent, that is, even a very small useful signal of the sensor 3 causes a proportional response of the output voltage across the resistor 26. This is due to the fact that when rectifying the useful signal is processed in total with the powerful unbalance signal that holds the transistor 24 in linear mode and does not allow it to go into cut-off mode for almost the entire active half-cycle. This feature distinguishes the described method from a conventional amplitude detector with strong nonlinearity for small signals.

Описанное устройство обладает особенностью, которую необходимо учитывать при практическом применении. Выходное напряжение устройства заметно меняется при изменении температуры, так как температура изменяет параметры р-n -переходов в диодах и транзисторах. Чтобы эти изменения не вносили существенных погрешностей, желательно проводить регулярную автоматизированную калибровку устройства. Для этого можно использовать схему балансировки датчика, управляемую от микроконтроллера. Например, вместо потенциометра 2 может быть применен цифровой потенциометр, в котором положение подвижного контакта задается цифровым кодом, подаваемым от микропроцессора. Непосредственно, перед каждым измерением, необходимо проводить цикл автоматической калибровки, в ходе которого микропроцессор перебирает различные значения кода управления цифровым потенциометром, до тех пор, пока на входе АЦП 29 не будет достигнуто требуемое начальное значение, соответствующее расчетной рабочей точке.The described device has a feature that must be considered in practical application. The output voltage of the device changes markedly with temperature, since the temperature changes the parameters of the pn junctions in diodes and transistors. So that these changes do not introduce significant errors, it is advisable to carry out regular automated calibration of the device. To do this, you can use the sensor balancing circuit controlled from the microcontroller. For example, instead of potentiometer 2, a digital potentiometer can be used in which the position of the movable contact is set by a digital code supplied from the microprocessor. Immediately, before each measurement, it is necessary to carry out an automatic calibration cycle, during which the microprocessor goes through various values of the digital potentiometer control code until the required initial value corresponding to the calculated operating point is reached at the input of the ADC 29.

Claims

1. A method of indirect measurement using a differential sensor excited by an alternating voltage, in which, prior to the measurements, a predetermined imbalance of the differential sensor is provided, significantly exceeding the operating range of the measured value, the required measurement is performed to obtain the sensor output signal, the sensor output signal is rectified from the rectified the signal is subtracted a predetermined constant value, the value of the signal obtained after subtraction is measured and used to finding the value of the measured value, moreover, the imbalance of the sensor and the subtracted predetermined constant value is selected based on the condition that between the measured value, which is in the operating range, and the value of the signal obtained after subtraction, a monotonic dependence is ensured.

2. The method according to claim 1, wherein prior to rectification, band-pass filtering of the sensor output signal is carried out in order to isolate the frequency of the excitation voltage.

3. The method according to p. 2, in which the signal after rectification is filtered to suppress at least the frequency of the excitation voltage of the sensor and higher frequencies.

4. The method according to p. 3, in which for rectification using a rectifier having a transfer characteristic close to quadratic.

5. The method according to claim 2, in which the signal value obtained after subtraction is further subjected to averaging.

6. The method according to p. 5, in which for rectification using a rectifier having a transfer characteristic close to quadratic.

7. The method according to p. 2, in which, to ensure a given imbalance, the sensor is calibrated by performing the following sequence of actions: the sensor is brought into a state corresponding to the initial value of the measured value at least once, a sequence of steps consisting of

- rectification of the output signal,

- subtracting a predetermined constant value,

- measuring the magnitude of the signal after subtraction and finding on its basis a measured quantity,

and repeat the specified sequence, previously changing the imbalance of the sensor until then, until the received value of the measured value reaches a predetermined initial value.

8. The method according to p. 2, in which, to ensure a given imbalance, the sensor is calibrated by performing the following sequence of actions: the sensor is brought into a state corresponding to the initial value of the measured value at least once, a sequence of steps consisting of

- rectification of the output signal,

- subtracting a predetermined constant value,

and repeat the specified sequence, previously changing the subtracted constant value until then, until the obtained value of the measured value reaches a predetermined initial value.

9. An indirect measurement device comprising a differential sensor excited by alternating voltage and having an imbalance significantly exceeding the operating range of the measured variable, a rectifier for rectifying the output of the differential sensor, a subtraction circuit for subtracting a constant value from the output signal of the rectifier, and a measuring device for measuring the magnitude of the signal at the output of the subtraction circuit.

10. The device according to claim 9, in which the differential sensor is additionally equipped with a signal amplification circuit at the output of the sensor having a band-frequency response.

11. The device according to p. 10, in which to ensure imbalance the differential sensor is made with an asymmetry of structural elements.

12. The device according to p. 10, in which the differential sensor is configured to adjust the imbalance.

13. The device according to p. 10, in which the subtraction circuit is configured to adjust a constant subtracted value.

14. The device according to p. 10, in which the rectifier is additionally equipped with a low-pass filter with the ability to suppress the excitation frequency of the differential sensor and higher frequencies in the output signal of the rectifier.

15. The device according to p. 10, in which the rectifier has a transfer characteristic close to quadratic.

16. The device according to p. 10, in which the measuring device is connected to the output of a low-pass filter, the input of which is connected to the output of the subtraction circuit.

17. The device according to p. 16, in which the low-pass filter contains an integrator.