Патент на изобретение №2316781
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ЦИФРОВОЙ ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР
(57) Реферат:
Изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам. Цифровой феррозондовый магнитометр содержит задающий генератор, формирователь синусоиды, выход которого соединен с первыми входами феррозондов, выходы которых соединены с входами избирательных усилителей, и цифроаналоговые преобразователи. В феррозондовый магнитометр введены логический блок, устройство выборки-хранения, а каждый канал магнитометра охвачен глубокой отрицательной обратной связью по магнитному полю, что позволило существенно повысить точность и стабильность измерения компонентов вектора индукции магнитного поля. Разделение обмоток феррозонда и использование трех независимых каналов измерения позволило повысить надежность магнитометра. 3 ил.
Изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам и может быть использовано для измерения трех ортогональных компонент вектора индукции магнитного поля Земли и выдачи сигналов, пропорциональных измеренным компонентам в виде цифрового кода. Известно устройство для измерения напряженности магнитного поля по RU 2155968 C2 от 10.09.2000 г., МКИ: G01R 33/02, содержащее генератор прямоугольных импульсов, феррозонд с сердечником, выполненным из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, к выходной обмотке которого подключен интегратор. Выход интегратора соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом порогового блока. Первый логический элемент И последовательно соединен с первым реверсивным счетчиком импульсов, цифроаналоговым преобразователем, управляемым источником тока, ключом и обмоткой возбуждения феррозонда. Второй вход первого реверсивного счетчика импульсов и первый вход первого логического элемента И соединены с выходом порогового блока, второй логический элемент И и второй реверсивный счетчик импульсов. Выход генератора подключен к первым входам второго логического элемента И и второго реверсивного счетчика импульсов, выход второго логического элемента И подключен к вторым входам первого логического элемента И, второго реверсивного счетчика импульсов и ключа, третий вход второго реверсивного счетчика импульсов присоединен к выходу первого реверсивного счетчика импульсов, а выход – ко второму входу второго логического элемента. Недостатком данного устройства является, несмотря на дополнительные элемент И и реверсивный счетчик, сложная схема преобразования и отсутствие возможности настройки нуля для измерения абсолютного значения компонент вектора индукции магнитного поля. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является феррозондовый магнитометр по RU 2153682 от 27.07.2000 г., МКИ: G01R 33/02, включающий в себя три феррозонда с взаимно ортогональными магнитными осями и последовательно соединенными выходными обмотками и обмотками возбуждения, соединенными с соответствующими выходами коммутируемого блока возбуждения, последовательно соединенные усилительно-преобразовательный блок, подключенный к выходной обмотке первого феррозонда, первое пороговое устройство и элемент ИЛИ, последовательно соединенные интегратор, вход управления которого соединен с выходом элемента ИЛИ, а третий – с выходом инвертора, и второе пороговое устройство, регистрирующий блок, блок управления, генератор, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с входом управления усилительно-преобразовательного блока, частотным входом коммутируемого блока возбуждения и входом управления (синхронизации) блока управления, с первого по четвертый выходы которого соединены соответственно с первым по четвертый входами управления коммутируемого блока возбуждения, интегрирующий блок с линейными и квадратичным выходами, частотный вход которого соединен с четвертым выходом генератора, первый линейный выход – с вторым входом первого порогового устройства и с входом интегратора, второй – с информационным входом регистрирующего блока, квадратичный выход соединен с вторым входом второго порогового устройства, а первый и второй входы управления – соответственно с пятым и четвертым выходами блока управления, первый и пятый – через инвертор, выходы которого соединены соответственно с входами элемента И, выход которого соединен с входом обнуления интегратора, блок задания режима и логическое устройство, первый вход которого соединен с выходом второго порогового устройства, одиннадцатый, восьмой, пятый и второй входы соединены соответственно с первым по четвертый выходами блока управления, двенадцатый, девятый, шестой и третий входы соединены соответственно с первым по четвертый выходами блока задания режима, четвертый, седьмой и десятый входы – с выходом первого порогового устройства, а выход – с входом управления регистрирующего блока. Этот феррозондовый магнитометр выбран в качестве прототипа. Недостатком данного магнитометра является его низкие надежность, точность и стабильность измерения компонент вектора индукции магнитного поля. При обрыве цепи последовательно соединенных обмоток феррозондов теряется информация по всем трем компонентам. Целью изобретения являются повышение точности и стабильности измерения за счет введения глубокой отрицательной обратной связи по полю и увеличение надежности устройства за счет упрощения алгоритма преобразования и разделения обмоток феррозондов. Для достижения поставленной цели в цифровой феррозондовый магнитометр введены логический блок и устройства выборки-хранения 8, 9, 10, первые входы которых соединены с выходами избирательных усилителей 5, 6, 7 соответственно, первые выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13 соответственно, вторые выходы соединены со вторыми входами феррозондов 2, 3, 4 соответственно, логический блок 14 управления, первый выход которого соединен с входом источника 1 питания, второй выход соединен со вторыми входами устройств выборки-хранения 8, 9, 10, третий выход соединен со вторыми входами аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13, а вход логического блока 14 управления соединен с выходом задающего генератора 15. Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.2 – принципиальная схема одного канала цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.3 – эпюры напряжений схемы одного канала цифрового феррозондового магнитометра. Цифровой феррозондовый магнитометр состоит из формирователя 1 синусоиды, феррозондов 2, 3, 4, избирательных усилителей 5, 6, 7, устройств выборки-хранения 8, 9, 10, аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13, логического блока 14 и задающего генератора 15. Формирователь 1 синусоиды, логический блок 14 и задающий генератор 15 являются общими для всех трех измерительных каналов. Устройство работает следующим образом. Измерение трех компонент вектора индукции магнитного поля производится тремя независимыми каналами X, Y и Z. Все каналы выполнены по идентичным схемам. Рассмотрим работу одного канала. Частота с задающего генератора 15 поступает на логический блок 14, в котором формируются сетки частот, поступающие на формирователь синусоиды 1 и на управление устройством выборки хранения 8. В логическом блоке 14 также формируется сигнал для управления аналого-цифрового преобразователя 11. В формирователе 1 цифровым способом формируется синусоидальное напряжение Uв с частотой fв=10 кГц, которое подается на обмотку возбуждения феррозонда 2. Феррозонд преобразовывает воздействующий на него внешний сигнал (проекцию вектора индукции магнитного поля на его продольную ось) в эдс переменного тока, содержащую четные гармоники частоты сигнала возбуждения. Амплитуда этой эдс пропорциональна значению индукции магнитного поля, а фаза изменяется на На фиг.2 показана принципиальная схема избирательного усилителя, логического блока, устройства выборки-хранения и аналого-цифрового преобразователя. Избирательный усилитель предназначен для выделения из общего спектра сигнала, поступающего с измерительной обмотки феррозонда, напряжения второй гармоники и усиления его до требуемого значения. Коэффициент усиления на резонансной частоте (fp=20 кГц)-Кр=5000. Полоса пропускания – 2 Таким образом, избирательным усилителем 5 из выходной эдс феррозонда выделяется вторая гармоника 2fв=20 кГц, которая усиливается до значения Uф и затем подается на устройство выборки-хранения 8. На фиг.3 показаны четыре синусоиды: +Umax – максимальное положительное значение Uф; -Umax – максимальное отрицательное значение Uф; +Ui – одно из промежуточных положительных значений Uф; -Ui – одно из промежуточных отрицательных значений Uф. С помощью логического блока 14 в устройстве выборки-хранения 8 один раз за период происходит запоминание определенного значения Uф. Постоянное напряжение Uувх с выхода устройства выборки-хранения 8 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где преобразуется в цифровой код N=f(Bx), пропорциональный проекции вектора индукции магнитного поля. Момент запуска преобразования Uф в цифровой код задерживается на время Разделение обмоток феррозонда и использование трех независимых каналов измерения позволило повысить надежность магнитометра. Введение устройства выборки-хранения, логического блока и цепи отрицательной обратной связи по полю позволило значительно повысить точность и стабильность измерений. Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта. Данное устройство испытано на макетном образце. Результаты испытаний свидетельствуют о достижении поставленной задачи. ФГУП НПОПМ предполагает использовать это техническое решение на штатных изделиях.
Формула изобретения
Цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий задающий генератор, формирователь синусоиды, выход которого соединен с первыми входами феррозондов, выходы которых соединены с входами избирательных усилителей, и цифроаналоговые преобразователи, отличающийся тем, что в магнитометр введены логический блок и устройства выборки-хранения, первые входы которых соединены с выходами избирательных усилителей, первые выходы соединены с первыми входами аналого-цифровых преобразователей, вторые выходы соединены со вторыми входами феррозондов, логический блок управления, первый выход которого соединен с входом источника питания, второй выход соединен со вторыми входами устройств выборки-хранения, третий выход соединен со вторыми входами аналого-цифровых преобразователей, а вход логического блока управления соединен с выходом задающего генератора, каждый канал магнитометра охвачен глубокой отрицательной обратной связью по магнитному полю.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
радиан при изменении направления вектора индукции поля на 180°. В выходной эдс феррозонда присутствует также помеха, имеющая в спектре нечетные гармоники.
f=1800 Гц. Коэффициент передачи на частотах первой и третьей гармоник частоты возбуждения феррозонда не более 30 и 10 соответственно.
