RU2382376C1

RU2382376C1 - Monoblock ferroprobe magnetometre

Info

Publication number: RU2382376C1
Application number: RU2008145468/28A
Authority: RU
Inventors: Григорий Иванович Соборов (RU); Григорий Иванович Соборов; Александр Николаевич Схоменко (RU); Александр Николаевич Схоменко
Original assignee: Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро"
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-02-20

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention is related to magnetic measurements on movable objects, in particular to measurement of components and full vector of terrestrial magnetic field and magnetic course detection. Specified result is achieved by the fact that monoblock ferroprobe magnetometre, comprises three ferroprobes with mutually orthogonal magnetic axes and serially connected outlet windings and excitation windings joined to according outputs of switched excitation unit, amplifying-conversion unit connected to output winding of the first ferroprobe, generator, the first output of which is connected to frequency input of switched excitation unit, microcomputer with analog input connected to output of amplifying-conversion unit, and input of current consumption mode control connected to its first control output, and device for control of demodulator, the first and second outputs of which are connected accordingly to the first and second control inputs of phase-sensitive demodulator of amplifying-conversion unit, the first and second inputs of which are connected accordingly to the second and third outputs of generator, and the third input is connected to the second control output of microcomputer, input of clock frequency of which is connected to the fourth output of generator, and the third control output is connected to control input of switched excitation unit.

EFFECT: expansion of functional resources and improved accuracy of magnetometre by elimination of electromagnetic noise effect.

2 dwg

Description

Изобретение относится к магнитным измерениям, в частности к приборам, предназначенным для измерений компонент и полного вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ).The invention relates to magnetic measurements, in particular to devices intended for measuring components and the full vector of the magnetic field of the Earth (MPZ).

Известны магнитометры моноблочной конструкции [1-3], характеризуемые конструктивным совмещением трехкомпонентного магниточувствительного датчика и измерительно-преобразовательного устройства в едином конструктивном модульном исполнении (моноблоке) при обеспечении в них условия магнитной и электрической совместимости, исключающей их взаимное влияние. В подобных устройствах важным способом исключения магнитного влияния измерительно-преобразовательного устройства на магниточувствительный датчик является обеспечение минимально возможного содержания в измерительно-преобразовательном устройстве ферромагнитных элементов и материалов, искажающих измеряемое магнитное поле, а также снижение потребляемых токов, являющихся источниками электромагнитных помех. Способами эффективного устранения ферромагнитных масс в подобных устройствах является применение гибридно-пленочной и интегральной технологий, исключающих необходимость применения металлосодержащих корпусов и материалов. Применение микромощной элементной базы заметно снижает уровень магнитных помех от токопотребляемых цепей и нагрузок в моноблочном магнитометре.Monoblock design magnetometers are known [1-3], characterized by the structural combination of a three-component magnetosensitive sensor and a measuring and transducing device in a single modular design (monoblock) while ensuring magnetic and electrical compatibility conditions in them, eliminating their mutual influence. In such devices, an important way of eliminating the magnetic influence of the measuring transducer on a magnetically sensitive sensor is to provide the minimum possible content in the measuring transducer of ferromagnetic elements and materials that distort the measured magnetic field, as well as reducing the consumed currents that are sources of electromagnetic interference. Methods for the effective elimination of ferromagnetic masses in such devices are the use of hybrid film and integrated technologies, eliminating the need for metal-containing housings and materials. The use of a micropower element base significantly reduces the level of magnetic interference from current-consuming circuits and loads in a monoblock magnetometer.

Невозможность или сложность применения в подобных магнитометрах устройств аналого-цифрового преобразования и вычислительных микропроцессорных средств, требующих заметно большого потребляемого тока, сильно ограничивает функциональные возможности известных моноблочных магнитометров.The impossibility or complexity of using analog-to-digital conversion devices and microprocessor-based computing devices in such magnetometers that require a noticeably large current consumption greatly limits the functionality of known monoblock magnetometers.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и выбранным в качестве прототипа является феррозондовый магнитометр [4], содержащий 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 и измерительно-преобразовательный блок, генератор, первый выход которого подключен к частотному входу коммутируемого блока возбуждения, второй (прямой) и третий (инверсный) - к входу управления демодулятора усилительно-преобразовательного блока, а четвертый и пятый - к входам управления измерительно-преобразовательного блока с первого по четвертый управляющие выходы которого подключены к соответствующим входам управления коммутируемого блока возбуждения.The closest in technical essence to the proposed and selected as a prototype is a fluxgate magnetometer [4], containing three fluxgates with mutually orthogonal magnetic axes and serially connected output windings and excitation windings connected to the corresponding outputs of the switched excitation block, connected in series to the amplification-conversion unit connected to the output winding of the first flux gate and a measuring and conversion unit, generator, the first output of which It is connected to the frequency input of the switched excitation unit, the second (direct) and third (inverse) to the control input of the demodulator of the amplifier-converter unit, and the fourth and fifth to the control inputs of the measurement-converter unit from the first to fourth control outputs of which are connected to the corresponding control inputs of a switched excitation block.

С помощью данного устройства осуществляется измерение компонент и модуля вектора магнитной индукции.Using this device, the components and the module of the magnetic induction vector are measured.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Генератор вырабатывает на первом выходе напряжение частотой, равной частоте возбуждения феррозондов, которое через коммутируемый блок возбуждения поступает поочередно в обмотки возбуждения соответствующих феррозондов. Переключение обмоток возбуждения и формирование сигналов возбуждения осуществляются коммутируемым блоком возбуждения, управляемого выходными управляющими сигналами измерительно-преобразовательного блока. Последовательность возбуждения феррозондов определяется последовательностью появления управляющих сигналов на соответствующих выходах измерительно-преобразовательного блока.The generator generates a voltage at the first output at a frequency equal to the excitation frequency of the flux gates, which, through a switched excitation block, enters alternately into the excitation windings of the corresponding flux gates. The switching of the field windings and the generation of field signals are carried out by a switched field unit controlled by the output control signals of the measuring and converting unit. The sequence of excitation of the flux gates is determined by the sequence of occurrence of control signals at the corresponding outputs of the measuring and converting unit.

Измеряемая индукция магнитного поля, воздействуя одновременно на три феррозонда, вызывает появление напряжения полезного сигнала второй гармоники на выходной обмотке того феррозонда, на обмотку возбуждения которого в данное время подано напряжение. Поскольку выходные обмотки феррозондов включены последовательно, на вход усилительно-преобразовательного блока в данное время поступает напряжение полезного сигнала второй гармоники, амплитуда которого определяется составляющей (компонентой) вектора индукции магнитного поля, измеряемой соответствующим феррозондом. В усилительно-преобразовательном блоке напряжение усиливается на переменном токе, детектируется, усиливается на постоянном токе, а затем подается на выход усилительно-преобразовательного блока и выход обратной связи, создавая ток обратной связи в выходных обмотках феррозондов. С выхода усилительно-преобразовательного блока напряжение, пропорциональное соответствующей составляющей вектора индукции магнитного поля, поступает в измерительно-преобразовательный блок. С помощью обратной связи в возбужденном в данный момент феррозонде создается магнитное поле, компенсирующее соответствующую составляющую измеряемого магнитного поля.The measured magnetic field induction, acting simultaneously on three flux gates, causes the voltage of the useful signal of the second harmonic to appear on the output winding of the flux gate, the excitation winding of which is currently energized. Since the output windings of the flux gates are connected in series, the voltage of the useful signal of the second harmonic, the amplitude of which is determined by the component (component) of the magnetic field induction vector measured by the corresponding flux gate, is currently being input to the amplifier-converter block. In the amplifier-converter unit, the voltage is amplified by alternating current, detected, amplified by direct current, and then fed to the output of the amplifier-converter unit and feedback output, creating a feedback current in the output windings of the flux gates. From the output of the amplifier-converter unit, a voltage proportional to the corresponding component of the magnetic field induction vector is supplied to the measurement-converter unit. Using feedback, a magnetic field is created in the currently excited flux gate, which compensates for the corresponding component of the measured magnetic field.

Управление фазочувствительным демодулятором усилительно-преобразовательного блока осуществляется импульсами напряжения, подаваемого со второго (прямого) и третьего (инверсного) выходов генератора на входы управления усилительно-преобразовательного блока, а с помощью импульсов напряжений, подаваемых с четвертого и пятого выходов генератора на входы управления измерительно-преобразовательного блока, осуществляется синхронизация работы последнего и коммутируемого блока возбуждения.The phase-sensitive demodulator of the amplifier-converter unit is controlled by voltage pulses supplied from the second (direct) and third (inverse) generator outputs to the control inputs of the amplifier-converter unit, and using voltage pulses supplied from the fourth and fifth generator outputs to the control inputs the converter unit, the synchronization of the last and the switched excitation unit is carried out.

После окончания переходного процесса, вызванного переключением обмоток возбуждения и воздействием внешнего поля на феррозонды, измерительно-преобразовательный блок, с момента появления сигнала признака окончания переходного процесса формируемого в этом же блоке, осуществляет процессы формирования кодовых эквивалентов компонент и модуля вектора индукции магнитного поля. В данном магнитометре в основу построения схемы измерительно-преобразовательного блока положен метод формирования неявных функций.After the end of the transient process caused by the switching of the field windings and the action of an external field on the flux gates, the measuring and converting unit, from the moment of the appearance of the signal indicating the end of the transient generated in the same unit, carries out the processes of generating code equivalents of the components and the module of the magnetic field induction vector. In this magnetometer, the method for generating implicit functions is used as the basis for constructing the circuit of the measuring and conversion unit.

Мультиплексный режим работы измерительного канала и цепей возбуждения феррозондов и способ построения схемы обеспечивают простоту схемной реализации устройства и сравнительно малую потребляемую мощность. Однако при моноблочном исполнении магнитометра достаточно большой потребляемый ток измерительно-преобразовательного блока наводит в области размещения близко расположенных к нему феррозондов магнитное поле, тем самым сильно снижая помехозащищенность моноблочного магнитометра, заметно ухудшая его точностные характеристики, что в свою очередь ограничивает возможность применения подобных моноблочных магнитометров в технике прецизионных измерений. Кроме того, потребность решения большого круга задач, например геофизических и космических исследований, задач навигации и ориентации подвижных объектов в свою очередь вызывают потребность расширения функциональных возможностей магнитометра, например для определения угловых параметров, вычисления производных, контроля работы, коррекции инструментальных погрешностей и различного рода других задач магнитометрических измерений. Следовательно, другим недостатком известного магнитометра является низкий его функциональный ресурс.The multiplex mode of operation of the measuring channel and excitation circuits of the flux gates and the method of constructing the circuit provide simplicity of the circuit implementation of the device and a relatively low power consumption. However, when the magnetometer is in monoblock design, a sufficiently large current consumption of the measuring-transducer block induces a magnetic field in the area of location of the flux gates located close to it, thereby greatly reducing the noise immunity of the monoblock magnetometer, significantly reducing its accuracy characteristics, which in turn limits the possibility of using such monoblock magnetometers in precision measurement technique. In addition, the need to solve a wide range of problems, for example, geophysical and space research, navigation and orientation problems of moving objects, in turn, necessitates expanding the functionality of the magnetometer, for example, for determining angular parameters, calculating derivatives, monitoring work, correcting instrumental errors and various other problems of magnetometric measurements. Therefore, another disadvantage of the known magnetometer is its low functional resource.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого технического решения, является повышение точности и расширение функциональных возможностей моноблочного магнитометра.The technical result achieved by using the proposed technical solution is to increase the accuracy and expand the functionality of a monoblock magnetometer.

Указанный результат достигается тем, что в моноблочный феррозондовый магнитометр, содержащий три феррозонда с взаимно ортогональными магнитными осями и последовательно соединенными выходными обмотками и обмотками возбуждения, соединенными с соответствующими выходами коммутируемого блока возбуждения, усилительно-преобразовательный блок, подключенный к выходной обмотке первого феррозонда, генератор, первый выход которого подключен к частотному входу коммутируемого блока возбуждения, причем усилительно-преобразовательный блок содержит последовательно соединенные избирательный усилитель, фазочувствительный демодулятор и интегратор, выход которого через резистор обратной связи подключен к входу выходной обмотки первого феррозонда, дополнительно введены микроЭВМ с аналоговым входом, подключенным к выходу усилительно-преобразовательного блока и входом управления режимом потребления тока, подключенным к первому управляющему выходу и устройство управления демодулятором, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам управления фазочувствительного демодулятора, первый и второй входы подключены соответственно ко второму и третьему выходам генератора, а третий вход подключен ко второму управляющему выходу микроЭВМ, вход тактовой частоты которой соединен с четвертым выходом генератора, а третий управляющий выход подключен к входу управления коммутируемого блока возбуждения.This result is achieved by the fact that in a monoblock fluxgate magnetometer containing three fluxgates with mutually orthogonal magnetic axes and serially connected output windings and field windings connected to the corresponding outputs of the switched excitation block, an amplifier-converter block connected to the output winding of the first fluxgate, a generator, the first output of which is connected to the frequency input of a switched excitation unit, and the amplifier-converter unit sod It holds a series-connected selective amplifier, a phase-sensitive demodulator, and an integrator, the output of which is connected through a feedback resistor to the input winding of the first flux-gate; microcomputers with an analog input connected to the output of the amplifier-converter unit and a current consumption control input connected to the first control the output and the demodulator control device, the first and second outputs of which are connected respectively to the first and second inputs of the control Lenia phase-sensitive demodulator, the first and second inputs connected respectively to the second and third outputs of the generator, and a third input connected to the second control output of the microcomputer, clock input of which is connected to the fourth output of the generator, and a third control output connected to the control input of the switched excitation block.

На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого устройства, а на фиг.2 показаны временные диаграммы его работы.Figure 1 shows the structural diagram of the proposed device, and figure 2 shows the timing diagrams of its operation.

Моноблочный магнитометр содержит три феррозонда 1, 2, 3 (Ф3_Х, Ф3_Y, Ф3_Z) с взаимно ортогональными магнитными осями, состоящие каждый из сердечника 4, 5, 6, обмотки возбуждения 7 (W_BX), 8(W_BY), 9(W_BZ), соединенной с соответствующими выходами коммутируемого блока возбуждения 13 и выходной (измерительной) обмотки 10 (W_ИX), 11 (W_ИY), 12 (W_ИZ), генератор 15, первый выход которого подключен к частотному входу коммутируемого блока возбуждения 13, усилительно-преобразовательный блок 14 (УПБ), подключенный к выходной обмотке 10 первого феррозонда 1 и содержащий последовательно соединенные избирательный усилитель 17, фазочувствительный демодулятор 18 и интегратор 19, выход которого через резистор обратной связи 20 подключен ко входу выходной обмотки 10 первого феррозонда 1, микроЭВМ 16, аналоговый вход которой подключен к выходу усилительно-преобразовательного блока 14, а вход управления режимом потребления тока подключен к ее первому управляющему выходу, устройство управления демодулятором 21, первый и второй выход которого подключены соответственно к первому и второму входам управления фазочувствительного демодулятора 18, первый и второй входы подключены соответственно к первому (прямому) и второму (инверсному) выходам генератора 15, а третий вход подключен ко второму управляющему выходу микроЭВМ 16, вход тактовой частоты которой соединен с четвертым выходом генератора 15, а третий (кодовый) управляющий выход подключен к входу управления коммутируемого блока возбуждения 13.A monoblock magnetometer contains three fluxgates 1, 2, 3 (Ф3 _X , Ф3 _Y , Ф3 _Z ) with mutually orthogonal magnetic axes, each consisting of a core 4, 5, 6, field windings 7 (W _BX ), 8 (W _BY ), 9 (W _BZ ) connected to the corresponding outputs of the switched excitation block 13 and the output (measuring) winding 10 (W _ИX ), 11 (W _ИY ), 12 (W _ИZ ), the generator 15, the first output of which is connected to the frequency input of the switched block excitation 13, amplifier-converting unit 14 (UPB) connected to the output winding 10 of the first flux gate 1 and containing a selectively connected selective amplifier 17, a phase-sensitive demodulator 18, and an integrator 19, the output of which through a feedback resistor 20 is connected to the input of the output winding 10 of the first flux probe 1, microcomputer 16, the analog input of which is connected to the output of the amplifier-converter unit 14, and the input for controlling the consumption mode current is connected to its first control output, the control device of the demodulator 21, the first and second output of which are connected respectively to the first and second control inputs of the phase-sensitive modulator 18, the first and second inputs are connected respectively to the first (direct) and second (inverse) outputs of the generator 15, and the third input is connected to the second control output of the microcomputer 16, the clock input of which is connected to the fourth output of the generator 15, and the third (code) the control output is connected to the control input of the switched excitation block 13.

В предлагаемом устройстве введением микроЭВМ 16 осуществлено повышение его функциональных возможностей. В то же время микроЭВМ, как наиболее энергопотребляемое устройство, вынужденно расположенное вблизи феррозондов 1, 2, 3 в моноблочной конструкции прибора, является источником переменных электромагнитных помех, воздействующих на феррозонды. В данном случае исключается влияние этих помех реализацией принципа временного разделения процесса аналогового преобразования (с последующим запоминанием результата) и процессов аналого-цифрового преобразования и обработки сигналов в микроЭВМ 16. Причем процесс аналогового преобразования осуществляется при фиксированном или малом потреблении тока микроЭВМ 16, а процессы аналого-цифрового преобразования и обработки сигналов осуществляются в рабочем режиме потребления тока.In the proposed device, the introduction of microcomputers 16 made an increase in its functionality. At the same time, the microcomputer, as the most energy-consuming device, forcibly located near the flux gates 1, 2, 3 in the monoblock design of the device, is a source of variable electromagnetic interference affecting the flux gates. In this case, the influence of these interferences is eliminated by the implementation of the principle of time separation of the analog conversion process (with subsequent storing of the result) and the processes of analog-to-digital conversion and signal processing in the microcomputer 16. Moreover, the analog conversion process is carried out at a fixed or small current consumption of the microcomputer 16, and the analog processes -Digital conversion and signal processing are carried out in the operating mode of current consumption.

Генератор 15 осуществляет синхронизацию работы всех узлов предлагаемого устройства. На четвертом его выходе формируется последовательность импульсов рабочей частоты микроЭВМ 16, подаваемых на ее вход тактовой частоты. На первом своем выходе генератор 15 вырабатывает напряжение U_ƒB частотой ƒ_B, равной частоте возбуждения феррозондов 1-3, которое с первого выхода подается на частотный вход коммутируемого блока возбуждения 13. В нем осуществляется последовательное переключение обмоток возбуждения 7-9 феррозондов 1-3 и формирование импульсов сигналов возбуждения по мощности и форме. Управление коммутацией коммутируемого блока возбуждения 13 осуществляется выходным управляющим кодом N_i (i=x, y, z) микроЭВМ 16. При нулевом значении кода (N_i=0) с помощью коммутируемого блока возбуждения 13 осуществляется отключение подачи напряжения возбуждения во все обмотки возбуждения 7-9 феррозондов 1-3. Таким образом, напряжение U_ƒB, пройдя через коммутируемый блок возбуждения 13, возбуждает поочередно феррозонды 1, 2, 3. Так, например, на интервале времени подачи кода N_X, фиг.2 возбуждается феррозонд 1 (ФЗХ), на интервале времени подачи кода N_Y - феррозонд 2 (Ф3_Y), а на интервале времени подачи кода N_Z - феррозонд 3 (Ф3_Z)The generator 15 synchronizes the operation of all nodes of the proposed device. At its fourth output, a sequence of pulses of the operating frequency of the microcomputer 16 is fed to its clock frequency input. At its first output generator 15 generates a voltage U _ƒB frequency ƒ _B, equal to the excitation frequency ferroprobes 1-3, which first output is supplied to the switched excitation frequency input unit 13. It is carried out sequentially switching the excitation coils 1-3 and 7-9 ferroprobes the formation of pulses of the excitation signals in power and shape. The switching of the switched excitation block 13 is controlled by the output control code N _i (i = x, y, z) of the microcomputer 16. When the code value is zero (N _i = 0), the excitation voltage is switched off to all field windings 7 using the switched excitation block 13 -9 fluxgates 1-3. Thus, the voltage U _{ƒ B} , passing through the switched excitation unit 13, excites the flux gates 1, 2, 3, in turn. So, for example, in the time interval of the code N _X , Fig. 2, the flux gate 1 (PZ) is excited, in the time interval of the code N _Y is a flux-gate 2 (Ф3 _Y ), and in the time interval of the code supply N _Z is a flux-gate 3 (Ф3 _Z )

Измеряемая индукция магнитного поля, воздействуя одновременно на три феррозонда 1-3, вызывает появление напряжения полезного сигнала частотой 2_ƒB на выходной обмотке того феррозонда, на обмотку возбуждения которого в данное время подано напряжение возбуждения U_ƒB. Поскольку выходные обмотки 10-12 феррозондов 1-3 включены последовательно, на вход усилительно-преобразовательного блока 14 на интервале времени подачи кода N_i поступает напряжение второй гармоники (частотой 2_ƒB), амплитуда которого пропорциональна соответствующей i-й составляющей результирующего вектора магнитной индукции, воздействующего на феррозонды.The measured magnetic field induction, acting simultaneously on three fluxgates 1-3, causes the appearance of a voltage of a useful signal with a frequency of 2 _ƒB on the output winding of that fluxgate, on the excitation winding of which the excitation voltage U _{ƒB is currently applied} . Since the output windings 10-12 of the fluxgates 1-3 are connected in series, the second harmonic voltage (frequency 2 _ƒB ), the amplitude of which is proportional to the corresponding ith component of the resulting magnetic induction vector, is supplied to the input of the amplifier-transducer block 14 at the time interval of the code N _i acting on fluxgates.

На каждом интервале присутствия кода N_i(i=x, y, z) УПБ 14 работает в двух режимах, задаваемых выходным управляющим сигналом С₂ микроЭВМ 16. Первый режим - режим преобразования УПБ 14 осуществляется при подаче логического потенциала высокого уровня сигнала С₂ с выхода микроЭВМ 16. В данном случае устройством управления демодулятором 21 (реализованного, например, с помощью двух логических элементов "и") разрешается прохождение выходных импульсов генератора 15 на входы управления фазочувствительного двухполупериодного демодулятора 18. С помощью ключей К₁ К₂, противофазно управляемых в каждом полупериоде полезного сигнала, и дифференциального усилителя ДУ демодулятора 18 осуществляется фазочувствительное двухполупериодное выпрямление полезного сигнала на частоте второй гармоники сигнала возбуждения феррозондов (2ƒ_B). Таким образом, в режиме преобразования в УПБ 14 входное напряжение частотой 2ƒ_B усиливается на переменном токе избирательным усилителем 17, детектируется фазочувствительным демодулятором 18 и далее усиливается интегрированием на постоянном токе интегратором 19, а затем подается на выход и в обратную связь. Выходной сигнал с помощью сопротивления 20 (R) преобразуется в ток обратной связи, подаваемый в выходные обмотки 10-12 феррозондов 1-3. С помощью обратной связи в возбужденном в данный момент феррозонде создается магнитное поле, компенсирующее соответствующую составляющую воздействующего внешнего магнитного поля. На выходе УПБ 14 формируется напряжение U₁₄, равное на соответствующих интервалах времени напряжениям, пропорциональным соответствующим составляющим воздействующего на феррозонды 1, 2, 3 результирующего вектора магнитной индукции. На интервале присутствия кода N_X (фиг.2) таким интервалом является (t₀, t₂). В данном случае преобразование измеряемой компоненты В_Х вектора индукции МПЗ на интервале времени (t₀, t_i) осуществляется с погрешностью, вызванной влиянием электромагнитных помех от наиболее энергопотребляемого источника помех, то есть от микроЭВМ 16. Подача высокопотенциального логического уровня сигнала C_i с первого управляющего выхода микроЭВМ 16 на ее вход управления режимом потребления тока переводит ее на интервале времени (t₁, t₃) в режим фиксированного постоянного или малого (микромощного) потребления тока по цепи питания, что приводит к исключению воздействия на феррозонды переменных помех. Следовательно, на интервале (t₁ t₂) одновременного присутствия высокопотенциальных уровней сигналов C₁, С₂ осуществляется преобразование компоненты Вх в напряжение U_X при отсутствии искажающих помех. Появлением на интервале времени (t₂, t₄) низкопотенциального уровня сигнала С₂ на входе устройства управления демодулятором 21 осуществляется запрет прохождения выходных импульсов генератора 15 на входы управления демодулятора 18. В данном случае разомкнутое состояние ключей К₁ К₂ демодулятора 18 прекращает прохождение выходного напряжения избирательного усилителя 17 через дифференциальный усилитель (ДУ) на вход интегратора 19. Таким образом, в интеграторе 19 на интервале времени (t₂, t₄) хранится напряжение, являющееся результатом безпомехового преобразования на интервале времени (t₁, t₂). Следовательно, УПБ 14 с момента времени t₂ из режима преобразования переходит в режим хранения результата преобразования компоненты В_Х. С момента появления низкопотенциального уровня сигнала C₁ в микроЭВМ 16 на интервале времени (t₃, t₄) осуществляется аналого-цифровое преобразование выходного напряжения УПБ 16, а затем запись его кодового эквивалента в память микроЭВМ 16 по адресу Nx. Процесс формирования кодовых эквивалентов результатов измерения на интервалах присутствия управляющих кодов N_Y и N_z осуществляется аналогичным образом.At each interval of the presence of the code N _i (i = x, y, z), the UPB 14 operates in two modes specified by the output control signal C _{2 of the} microcomputer 16. The first mode is the conversion mode of the UPB 14 is carried out when a high potential signal level C ₂ s is applied output of the microcomputer 16. In this case, the control device of the demodulator 21 (implemented, for example, using two logic elements "and") allows the passage of the output pulses of the generator 15 to the control inputs of the phase-sensitive two-half-wave demodulator 18. Using the key d ₁ K _2, driven in antiphase in each half period of the useful signal, and the differential amplifier 18, the demodulator controller Phase-sensitive carried out full-wave rectification of the useful signal at the second harmonic frequency of the excitation signal ferroprobes (2ƒ _B). Thus, in the conversion mode in UPB 14, the input voltage of 2 ƒ _{B is} amplified by alternating current with a selective amplifier 17, detected by a phase-sensitive demodulator 18 and then amplified by integration with direct current by integrator 19, and then fed to the output and into feedback. The output signal with the help of resistance 20 (R) is converted into a feedback current supplied to the output windings 10-12 of flux gates 1-3. With the help of feedback, a magnetic field is created in the currently excited flux gate, which compensates for the corresponding component of the acting external magnetic field. At the output of the UPB 14, a voltage U _{14 is formed} , equal to the voltages at the corresponding time intervals, proportional to the corresponding components of the resulting magnetic induction vector acting on the flux gates 1, 2, 3. In the presence interval of the code N _X (FIG. 2), this interval is (t ₀ , t ₂ ). In this case, the conversion of the measured component B _X of the induction vector of the MES on the time interval (t ₀ , t _i ) is carried out with an error caused by the influence of electromagnetic interference from the most energy-consuming interference source, that is, from the microcomputer 16. Supply of a high-potential logical signal level C _i from the first control output of the microcomputer 16 to the input current control mode needs to use it in the time interval (t _1, t ₃₎ in the fixed mode or the small DC (micropower) current consumption of the power supply circuit that n ivodit to the exclusion of effects on variables ferroprobes interference. Therefore, in the interval (t ₁ t ₂ ) of the simultaneous presence of high potential signal levels C ₁ , C ₂ , the Bx component is converted to voltage U _X in the absence of distorting interference. By the appearance of a low-potential signal level C ₂ at the input of the control device of the demodulator 21 in the time interval (t ₂ , t ₄ ), the output pulses of the generator 15 are prohibited from passing to the control inputs of the demodulator 18. In this case, the open state of the keys K ₁ K _{2 of the} demodulator 18 stops the passage of the output selective voltage amplifier 17 via a differential amplifier (control) to the input of integrator 19. Thus, in the integrator 19 over the time interval (t _2, t ₄₎ is stored voltage resulting from bezpomeh Vågå transform on the time interval (t _1, t _2). Therefore, UPB 14 from time t ₂ from the conversion mode goes into the storage mode of the result of the conversion of the component In _X. From the moment a low-potential signal level C ₁ appears in the microcomputer 16 at the time interval (t ₃ , t ₄ ), an analog-to-digital conversion of the output voltage of the UPB 16 is performed, and then its code equivalent is written to the memory of the microcomputer 16 at address Nx. The process of generating code equivalents of measurement results at intervals of presence of control codes N _Y and N _{z is} carried out in a similar way.

Результаты преобразования компонент могут содержать постоянные погрешности, вызванные влиянием постоянного тока потребления на интервалах присутствия сигналов C₁. Эти погрешности определяются известными способами при калибровке магнитометра, записываются в память микроЭВМ 16 и устраняются там же из результатов преобразования в процессе их цифровой обработки. По результатам измерения компонент в микроЭВМ 16 осуществляется также вычисление параметров вектора индукции МПЗ (модуль вектора индукции, углы ориентации, градиенты, производные и т.д.) функционально зависимых от измеряемых компонент, а также обмен данными с внешними потребителями через порты приема и передачи данных.The results of the conversion of the components may contain constant errors caused by the influence of direct current consumption in the intervals of the presence of C ₁ signals. These errors are determined by known methods when calibrating the magnetometer, are recorded in the memory of the microcomputer 16 and are eliminated there from the conversion results in the process of digital processing. Based on the measurement results of the components in the microcomputer 16, the parameters of the induction vector of the magnetic overdrive (induction vector module, orientation angles, gradients, derivatives, etc.) are functionally dependent on the measured components, as well as data exchange with external consumers through the data reception and transmission ports .

Режим фиксированного или малого постоянного потребления тока микроЭВМ, как известно, реализуется прерыванием ее основной работы и работы аналого-цифрового преобразователя, устройств внутреннего и внешнего интерфейса, то есть портов ввода и вывода данных и т.д. Неизменяемость их заданного состояния на интервалах появления сигналов C₁ определяет постоянство энергопотребления на этих интервалах. В известных современных микроЭВМ или микроконтроллерах имеется возможность внешнего управления режимами потребления по специально предусмотренному для этого входу управления. В данном случае возможно существование также режима микромощного потребления, в котором достижимо уменьшение потребляемого тока микроЭВМ на несколько порядков по сравнению с рабочим режимом, что позволяет практически полностью исключить даже постоянные помехи.The mode of fixed or small constant current consumption of a microcomputer, as you know, is implemented by interrupting its main work and the operation of the analog-to-digital converter, internal and external interface devices, that is, data input and output ports, etc. The immutability of their predetermined state at intervals of occurrence of signals C ₁ determines the constancy of energy consumption at these intervals. In well-known modern microcomputers or microcontrollers, there is the possibility of external control of the consumption regimes via the control input specially provided for this. In this case, the existence of a micropower consumption mode is also possible, in which a reduction in the current consumption of the microcomputer by several orders of magnitude is achievable in comparison with the operating mode, which almost completely eliminates even constant interference.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает возможность его миниатюризации моноблочным исполнением конструкции, а также достигаются высокая точность магнитных измерений и широкие функциональные возможности эффективным использованием вычислительных средств микроЭВМ. Кроме того, расширяется возможность изготовления портативных переносных моноблочных магнитометров с автономным питанием.Thus, the proposed device provides the possibility of miniaturizing it in a monoblock design, as well as achieving high accuracy of magnetic measurements and wide functionality by efficient use of computing means of a microcomputer. In addition, the possibility of manufacturing portable portable monoblock magnetometers with autonomous power is expanding.

Следовательно, предлагаемое изобретение, обладая новизной, полезностью и реализуемостью, может найти широкое применение в технике магнитных прецизионных измерений.Therefore, the present invention, having novelty, utility and feasibility, can find wide application in the technique of magnetic precision measurements.

ЛитератураLiterature

1. Материалы фирмы Applied Physics Systems. Three Axis Fluxgate Magnetometer. E-Mail:[email protected]/web:www, appliedphysics/Com/.1. Materials of the company Applied Physics Systems. Three Axis Fluxgate Magnetometer. E-Mail: [email protected]/web: www, appliedphysics / Com /.

2. Материалы фирмы Bartington Instruments. Fluxgate Magnetometer for Aerospace Applications. Mag-03MRN Three Axis Fluxgate Magnetometer. http:/www.bartington. Com/mag 033.htm.2. Materials of the company Bartington Instruments. Fluxgate Magnetometer for Aerospace Applications. Mag-03MRN Three Axis Fluxgate Magnetometer. http: /www.bartington. Com / mag 033.htm.

3. Схоменко A.H., Соборов Г.И., Линко Ю.Р. Магнитометр аналоговый МА-3 для ориентации подводного аппарата. VII Междунар. Научно-техническая конференция «Современные методы и средства океанологических исследований». Материалы конференции. РАН НИИ специального машиностроения МГТУ им. Н.Э.Баумана. М., 2001.3. Schomenko A.H., Soborov G.I., Linko Yu.R. Magnetometer analog MA-3 for orientation of the underwater vehicle. VII International Scientific and technical conference "Modern methods and means of oceanological research." Conference proceedings. RAS Scientific Research Institute of Special Engineering, MSTU N.E.Bauman. M., 2001.

4. Патент на изобретение РФ №2153682. Феррозондовый магнитометр. 7 G01R 33/02, 1998.4. Patent for the invention of the Russian Federation No. 2153682. Fluxgate magnetometer. 7 G01R 33/02, 1998.

Claims

Моноблочный феррозондовый магнитометр, содержащий три феррозонда с взаимно ортогональными магнитными осями и последовательно соединенными выходными обмотками и обмотками возбуждения, соединенными с соответствующими выходами коммутируемого блока возбуждения, усилительно-преобразовательный блок, подключенный к выходной обмотке первого феррозонда, генератор, первый выход которого подключен к частотному входу коммутируемого блока возбуждения, причем усилительно-преобразовательный блок содержит последовательно соединенные избирательный усилитель, фазочувствительный демодулятор и интегратор, выход которого через резистор обратной связи подключен к входу выходной обмотки первого феррозонда, отличающийся тем, что дополнительно введены микроЭВМ с аналоговым входом, подключенным к выходу усилительно-преобразовательного блока, и входом управления режимом потребления тока, подключенным к ее первому управляющему выходу, и устройство управления демодулятором, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам управления фазочувствительного демодулятора, первый и второй входы подключены соответственно ко второму и третьему выходам генератора, а третий вход подключен ко второму управляющему выходу микроЭВМ, вход тактовой частоты которой соединен с четвертым выходом генератора, а третий управляющий выход подключен к входу управления коммутируемого блока возбуждения. A monoblock fluxgate magnetometer containing three fluxgates with mutually orthogonal magnetic axes and serially connected output windings and field windings connected to the corresponding outputs of the switched excitation block, an amplifier-converter block connected to the output winding of the first fluxgate, a generator, the first output of which is connected to the frequency input a switched excitation unit, wherein the amplifier-converter unit contains series-connected electrons an amplifier, phase-sensitive demodulator and integrator, the output of which through a feedback resistor is connected to the input of the output winding of the first flux-gate, characterized in that microcomputers with an analog input connected to the output of the amplifier-converter unit and a current consumption control input connected to its first control output, and a demodulator control device, the first and second outputs of which are connected respectively to the first and second inputs of the phase-sensing control of the power demodulator, the first and second inputs are connected respectively to the second and third outputs of the generator, and the third input is connected to the second control output of the microcomputer, the clock frequency input of which is connected to the fourth output of the generator, and the third control output is connected to the control input of the switched excitation block.