SU1760482A1 - Цифровой автоматический измеритель магнитной индукции - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к приборам дл  магнитных измерений и предназначено дл  автоматического прецизионного измерени  индукции магнитных полей в широком диапазоне значений. Сущность изобретени : измеритель содержит преобразователь 1 Холла, преобразователь 2 ток-напр жение, источник 3 питани  преобразовател  Холла, блок 4 коммутации, управл емый усилитель 5, управл емый делитель 6 напр жени , детектор 7 абсолютного уровн , дискриминатор 8 пол рности, аналого-цифровой преобразователь 9, блок 10 управлени , блок 11 индикации. Особенностью изобретени   вл етс  введение блока коммутации, управл емого делител  напр жени  и блока управлени  и обработки цифровой информации . 1 ил. ел С

Description

Изобретение относитс  к магнитометрии и может использоватьс  дл  автоматического измерени  с высокой точностью индукции магнитных полей в широком диапазоне значений.

В магнитометрии широко используютс  измерители магнитной индукции, основанные на эффекте Холла, благодар  достаточно высокой надежности и удобству в эксплуатации. Вместе с тем точность измерени  в таких магнитометрах невысока, что объ сн етс  нелинейностью характеристики преобразовател  Холла (ПХ), нестабильностью тока питани  ПХ, зависимостью результата измерени  от смещени  нул  первичного и вторичных преобразователей и нестабильностью коэффициентов передачи вторичных преобразователей (под вторичными преобразовател ми имеют в виду

элементы тракта передачи напр жени  Холла , начина  с выхода ПХ).

Известны измерители магнитной индукции 1, 2, 3, в которых примен лись способы уменьшени  вли ни  указанных выше отрицательных факторов, основанные либо на изменении сопротивлени  в цепи питани  ПХ, либо на изменении величины компенсационного напр жени . Эти способы не дали существенных результатов, так как были рассчитаны на использование ключевых элементов в измерительной цепи и большого числа вспомогательных элементов , которые сами по себе  вл лись источниками дополнительных погрешностей измерений. Более эффективными с точки зрени  снижени  вли ни  дестабилизирующих факторов  вл етс  измеритель магнитной индукции 4 (прототип). Он содержит ПХ, управл емый усилитель, детектор абсоVJ

О

g

00

ю

лютного уровн , аналого-цифровой преобразователь (АЦП), функциональный преобразователь , блок индикации, преобразователь ток-напр жение, автоматический переключатель диапазонов, управл емый источник опорного напр жени  АЦП, источник питани  ПХ, дискриминатор пол рности . Введение преобразовател  ток-напр жение устранило погрешность из-за нестабильности источника питани  ПХ, а введение функционального преобразовател  позволило корректировать нелинейность характеристик ПХ.

Однако измеритель магнитной индукции 4 имеет, нар ду с некоторыми преимуществами по сравнению с аналогами 1, 2, 3, следующие принципиальные недостатки .

Не учитываетс  характер зависимости напр жени  Холла от значений индукции магнитного пол , котора   вл етс  нелинейной и немонотонной, име  точки перегиба . Поэтому интерпол ци  значений индукции по двум точкам  вно недостаточна и сильно ограничивает точность измерений.

Результаты измерений магнитной индукции завис т от смещени  нул  самого ПХ (провер етс  в нулевом магнитном поле, т. е, когда ПХ устанавливаетс  вне магнита).

Результаты измерений магнитной индукции завис т от смещений нул  вторичных преобразователей.

Результаты измерений завис т от нестабильности коэффициентов передёчи вторичных преобразователей.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерений.

Цель достигаетс  тем, что в цифровой автоматический измеритель магнитной индукции , содержащий ПХ, преобразователь ток-напр жение, источник питани  ПХ, управл емый усилитель, детектор абсолютного уровн , дискриминатор пол рности, АЦП, блок индикации, причем первый выход источника питани  ПХ соединен с входом преобразовател  ток-напр жение, первый выход которого св зан с первым входом ПХ, выход управл емого усилитеп  соединен с входами детектора абсолютного уровн  и дискриминатора пол рности, выход детектора абсолютного уровн  св зан с информа- ционным входом АЦП, введены блок коммутации, управл емый делитель напр жени  и блок управлени  и обработки цифровой информации, при этом второй выход источника питани  ПХ св зан с вторым входом ПХ, выход которого соединен с первым входом блока коммутации, второй вход которого соединен шиной с первым выходом блока управлени  и обработки цифровой

информации, а третий вход - с выходом управл емого делител  напр жени , выход блока коммутации соединен с информационным входом управл емого усилител , управл ющий вход которого соединен шиной с вторым выходом блока управлени  и обработки цифровой информации и с первым входом управл емого делител  напр жени , второй вход которого соединен с вто0 рым выходом преобразовател  ток-напр жение и с входом опорного напр жени  АЦП, выход дискриминатора пол рности соединен с первым входом блока управлени  и обработки цифровой инфор5 мации, второй вход которого соединен шиной с выходом АЦП. третий и четвертый выходы блока управлени  и обработки цифровой информации соединены шинами соответственно с первым и вторым входами

0 блока индикации.

На чертеже представлена структурна  электрическа  схема предложенного цифрового автоматического измерител  магнитной индукции.

5Он содержит ПХ 1, преобразователь 2

ток-напр жение, источник 3 питани  ПХ, блок 4 коммутации, управл емый усилитель 5, управл емый делитель 6 напр жени , детектор 7 абсолютного уровн , дискримина0 тор 8 пол рности, АЦП 9, блок 10 управлени  и обработки цифровой информации (БУОЦИ), блок 11 индикации. На чертеже прин ты обозначени : UBX и Uon - входное и опорное напр же5 ни  АЦП соответственно:

Укал - калибровочное напр жение. Цифровой автоматический измеритель магнитной индукции работает следующим образом.

0 ПХ 1 помещают в измер емое магнитное поле. Его выходной сигнал, уровень которого пропорционален величине измер емой магнитной индукции, поступает через блок 4 и усилитель 5 на входы дис5 криминатора 8 и детектора 7, который предназначен дл  устранени  зависимости знака и величины выходного сигнала ПХ от направлени  измер емого магнитного пол . Детектор 7 измен ет знак коэффициента

0 передачи при изменении пол рности входного сигнала, сохран   пол рность выходного сигнала неизменной. Изменение чувствительности ПХ при изменении направлени  магнитного пол  компенсирует5 с  соответствующей регулировкой в детекторе 7, при помощи которой коэффициент передачи дл  выходного напр жени  ПХ отрицательной пол рности устанавливаетс  большим или меньшим единицы. При этом коэффициент передачи дл  напр жени  положительной пол рности принимаетс  равным единице. Дискриминатор 8 выдает на БУОЦИ 10 напр жение лог. О или лог. 1 в зависимости от знака выходного сигнала ПХ, что необходимо дл  работы БУОЦИ 10 и дл  вывода этого знака на блок 11, С выхода детектора 7 преобразованное напр жение ПХ поступает на информационный вход АЦП 9, в котором производитс  сравнение этого напр жени  с опорным, поступающим на соответствующий вход АЦП из преобразовател  2. В результате этого в АЦП вырабатываетс  цифровой код. Этот код определ етс  отношением N входного и опорного напр жений, поступающих на соответствующие входы АЦП 9, т. е.

М -У S K1 J В S Kl B

UonK2 JКг

где S - магнитна  чувствительность ПХ;

J - ток возбуждени  ПХ;

Ki -коэффициент передачи усилител  5:

Кг - коэффициент преобразовани  преобразовател  2;

В - измер ема  магнитна  индукци .

Благодар  использованию в качестве опорного дл  АЦП напр жени , получаемого за счет тока возбуждени  ПХ, устранено вли ние изменений этого тока (J) на результаты измерени  магнитной индукции.

Преобразователь 2 (его коэффициент преобразовани  Кг) преобразует достаточно большой ток (пор дка 100 мА)в напр жение , причем стабильность преобразовани  обеспечиваетс  только выбором стабильных регистров. На информационный вход усилител  5 (его коэффициент передачи Ki) поступает напр жение малого уровн  (пор дка дес тков микровольт). Поэтому необходимо исключить возможные изменени  Ki в усилителе 5. ПХ, имеющий магнитную чув- ствительность S,  вл етс  первичным преобразователем . За счет смещени  в нем нул  также вноситс  погрешность в результат измерени  величины В. Наконец, первичный преобразователь, как отмечалось, имеет нелинейную и немонотонную зависимость уровн  выходного сигнала от величины измер емой индукции Unx(B), что вносит существенную погрешность в результат измерени  величины В. При этом интерпол ци  по двум точкам кривой, как это было в прототипе,  вно недостаточна дл  выполнени  высокоточных измерений. Устранение вли ни  упом нутых дестабилизирующих факторов на результаты изме- рений магнитной индукции осуществл етс  следующим образом.

Калибровка коэффициента передачи Ki усилител  5 производитс  путем подачи калибровочного напр жени  Укал от делител  6 через блок 4 на информационный вход усилител  5. Блок 4 переключаетс  при воздействии на его вход сигнала (БУОЦИ) 10. В БУОЦИ сравниваетс  калибровочное значение индукции Вкал с образцовым числом Вко, записанным в пам ть БУОЦИ. Отношение Вко/Вкал составл ет поправочный множитель Р. Вычисление Р производитс  на каждом поддиапазоне работы магнитометра .

Дл  устранени  вли ни  смещени  нул  вторичных преобразователей вход усилител  5 соедин етс  с общей шиной измерител  магнитной индукции через блок 4, управл емый сигналом БУОЦИ. При этом код на выходе АЦП характеризует смещение нул  С вторичных преобразователей. Знак, с которым необходимо учесть смещение нул  С, определ етс  при помощи логического сигнала , поступающего от дискриминатора 8 на вход БУОЦИ.

Нелинейность и немонотонность характеристики ПХ учитываетс  при помощи коэффициента Ки. Он отражает отношение показаний предложенного и эталонного магнитометров при измерении индукции одного и того же магнитного пол . Измерени  Ки производ тс  при изготовлении магнитометра дл  заданного числа значений индукции. Смещение нул  ПХ 1 исключаетс  следующим образом. Перед началом работы измерител  ПХ извлекаетс  из магнитного пол  и по блоку 11 отмечаетс  значение магнитной индукции с учетом ошибок С и Р. Полученное ненулевое значение индукции ВСх отражает смещение нул  ПХ, которое обозначаетс  через СХ.

Таким образом, в ОЗУ БУОЦИ записаны коды чисел С, Р, СХ, в ПЗУ - коэффициент Ки. После измерени  индукции магнитного пол  и ее коррекции при помощи коэффициентов С, Р и СХ в БУОЦИ осуществл етс  сравнение полученного значени  В со значени ми Ви, при которых проводилось определение коэффициента коррекции Ки. Определ етс  наиболее близкое значение Ви и соответствующий ему коэффициент коррекции К. Результат измерени  умножаетс  на Ки и получаетс  значение магнитной индукции, максимально приближенное к истинному значению.

Полученное в БУОЦИ окончательное значение В в виде цифрового кода поступает в блок 11, построенный по принципу динамической индикации. Работа БУОЦИ осуществл етс  по программе, записанной в его ПЗУ. Применение в БУОЦИ микропроцессорной системы позвол ет производить автоматический выбор поддиапазона измерений , считывание данных с АЦП, их промежуточное хранение и коррекцию с помощью коэффициентов С.Р.СХ и Ки. представление результата измерений в удобной форме и вывод его на индикацию посредством элементарных операций с высокой производительностью . Помимо того, применение в БУОЦИ микропроцессорной системы и универсальных БИС передачи параллельной информации придает такие дополнительные возможности, как вычисление магнитной индукции относительно заданной величины (в абсолютных и относительных единицах), любые арифметические операции , проведение разбраковки магнитов и магнитометров других типов по принципу допускового контрол , что значительно расшир ет область применени  магнитометров .

Погрешность измерени  магнитной индукции при помощи предложенного измерител  определ етс  только точностью АЦП и количеством точек интерпол ции характеристики ПХ. Анализ типовой характеристики ПХ показывает, что, примен   12-разр дный АЦП, можно получить погрешность измерени  магнитной индукции 5В« 0,01 %, использу  всего 10-20 точек интерпол ции . При повышении разр дности АЦП или увеличении числа точек интерпол ции погрешность д В может быть снижена.

В предложенном магнитометре с эффектом Холла достигнута прецизионна  точность измерени  магнитной индукции, которой обладает дорогосто щий и слабо помехозащищенный магнитометр на основе  дерного магнитного резонанса. Помимо того, предложенный магнитометр обеспечивает автоматизацию измерений, эксплуатацию в труднодоступных услови х, высокую надежность и широкие функциональные возможности.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Цифровой автоматический измеритель магнитной индукции, содержащий преобразователь Холла, преобразователь ток-напр жение, источник питани  преобразовател  Холла, управл емый усилитель , детектор абсолютного уровн , дискриминатор пол рности, аналого-цифровой преобразователь, блок индикации, при этом

   первый выход источника питани  преобразовател  Холла соединен с входом преобразовател  ток-напр жение, первый выход которого св зан с первым входом преобразовател  Холла, выход управл емого усилител  соединен с входами детектора абсолютного уровн  и дискриминатора пол рности , выход детектора абсолютного уровн  св зан с информационным входом аналого-цифрового преобразовател , о тличающийс  тем, что. с целью повышени  точности измерений, в него введены блок коммутации, управл емый делитель напр жени  и блок управлени  и обработки цифровой информации, причем

   второй выход источника питани  преобразовател  Холла св зан с вторым входом пре- образовател  Холла, выход которого соединен с первым входом блока коммутации , второй вход которого соединен шиной

   с первым выходом блока управлени  и обработки цифровой информации, а третий вход - с выходом управл емого делител  напр жени , выход блока коммутации соединен с информационным входом управл емого

   усилител , управл ющий вход которого соединен шиной с вторым выходом блока управлени  и обработки цифровой информации и с первым входом управл емого делител  напр жени , второй вход которого соединен с вторым выходом преобразовател  ток-напр жение и с входом опорного напр жени  аналого- цифрового преобразовател , выход дискриминатора пол рности соединен

   с первым входом блока управлени  и обработки цифровой информации, второй вход которого соединен шиной с выходом аналого-цифрового преобразовател , третий и четвертый выходы блока управлени  и обработки цифровой информации соединены шинами соответственно с первым и вторым входами блока индикации.