RU2799103C1 - Magnetic field controller - Google Patents
Magnetic field controller Download PDFInfo
- Publication number
- RU2799103C1 RU2799103C1 RU2023102486A RU2023102486A RU2799103C1 RU 2799103 C1 RU2799103 C1 RU 2799103C1 RU 2023102486 A RU2023102486 A RU 2023102486A RU 2023102486 A RU2023102486 A RU 2023102486A RU 2799103 C1 RU2799103 C1 RU 2799103C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- hall
- electromagnet
- hall sensor
- microcontroller
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла, и может быть использовано для измерения индукции постоянного магнитного поля, создаваемого магнитными системами на базе постоянных магнитов или электромагнитов, а также в составе систем управления индукцией магнитного поля, в частности, в системах управления магнитным полем электромагнитов в спектрометрах электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР), где основными требованиями являются, стабильность магнитного поля на большом интервале времени и возможность линейно изменять магнитное поле в некотором определённом диапазоне со скоростью достаточной для проведения некоторого цикла измерений, определённых экспериментатором на недолгоживущем образце.The present invention relates to measuring technology, in particular to measuring the induction of a constant magnetic field on the Hall effect, and can be used to measure the induction of a constant magnetic field created by magnetic systems based on permanent magnets or electromagnets, as well as as part of magnetic field induction control systems , in particular, in systems for controlling the magnetic field of electromagnets in electron paramagnetic resonance (EPR) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometers, where the main requirements are the stability of the magnetic field over a long time interval and the ability to linearly change the magnetic field in a certain specific range at a speed sufficient to carry out a certain cycle of measurements determined by the experimenter on a short-lived sample.
Из уровня техники известен способ создания магнитного поля и система для его реализации, описанный в патенте RU2756776, МПК G01R33/06, 2020 г., по которому изобретение предназначено для создания корректирующего магнитного поля. Технический результат заключается в стабилизации магнитного поля в зазоре электромагнита. Способ стабилизации магнитного поля в зазоре электромагнита, включает задание средствами управления целевого значения магнитной индукции в зазоре электромагнита, подачу тока рассчитанной силы основным источником питания на основные средства создания магнитного поля, измерение величины магнитной индукции в зазоре электромагнита для определения разности между заданным и фактическим значениями величины магнитной индукции, определение добавки к силе тока, подаваемого на основные средства создания магнитного поля, проведение несколько итераций указанной последовательности до достижения экспериментально установленной разности между целевым и фактическим значениями величины магнитной индукции. Последующей подстройкой значения силы тока и введение поправочного коэффициента в значение величины силы тока.From the prior art, a method for creating a magnetic field and a system for its implementation is known, described in patent RU2756776, IPC G01R33/06, 2020, according to which the invention is intended to create a corrective magnetic field. The technical result consists in the stabilization of the magnetic field in the gap of the electromagnet. The method for stabilizing the magnetic field in the electromagnet gap includes setting the target value of the magnetic induction in the electromagnet gap by means of control, supplying the current of the calculated strength by the main power source to the main means of creating the magnetic field, measuring the magnitude of the magnetic induction in the electromagnet gap to determine the difference between the specified and actual values of the magnitude magnetic induction, determining the additive to the current strength supplied to the main means of creating a magnetic field, carrying out several iterations of the specified sequence until the experimentally established difference between the target and actual values of the magnetic induction is reached. Subsequent adjustment of the value of the current strength and the introduction of a correction factor in the value of the current strength.
Недостатком способа является то, что в систему стабилизации магнитного поля необходимо добавить корректирующие катушки для получения высокой точности требуемой индукции магнитного поля, стабилизация осуществляется итеративно с использованием двух источников питания, что вносит некоторые сложности при развёртке магнитного поля в широких пределах, в качестве чувствительного датчика используется ЯМР преобразователь, обеспечивающий более высокую точность, но задачей описываемого изобретения является использование датчика Холла.The disadvantage of this method is that correction coils must be added to the magnetic field stabilization system to obtain high accuracy of the required magnetic field induction, stabilization is carried out iteratively using two power sources, which introduces some difficulties when sweeping the magnetic field over a wide range, as a sensitive sensor is used NMR transducer providing higher accuracy, but the object of the described invention is the use of a Hall sensor.
Известен способ уменьшения погрешностей холловского магнитометра по патенту RU 2311655, МПК G01R33/07, 2006 г., в котором изобретение использовано для уменьшения систематических погрешностей абсолютных измерений индукции магнитного поля магнитометром с четырехконтактным датчиком Холла. Способ уменьшения погрешностей холловского магнитометра заключается в том, что с помощью микроконтроллера одновременно измеряются холловское напряжение и напряжение небаланса. При градуировке магнитометра в постоянном магнитном поле при различных температурах датчика вычисляется зависимость крутизны преобразования от остаточного напряжения как отношение холловского напряжения к индукции магнитного поля, в котором проводилась калибровка, а при измерении эта зависимость используется для вычисления индукции магнитного поля по измеренным значениям холловского и остаточного напряжений. Технический результат: компенсация температурной погрешности магнитометра, однако недостатком является скорость измерения, требуется время для коммутации 4-х вариантов питания датчика Холла с последующим усреднением сигнала. В описываемом изобретении дополнительно требуется управлять источником питания электромагнита с меньшим временем обратной связи, чем обеспечивает данный способ.There is a known method for reducing the errors of the Hall magnetometer according to patent RU 2311655, IPC G01R33/07, 2006, in which the invention is used to reduce the systematic errors of absolute measurements of the magnetic field induction by a magnetometer with a four-contact Hall sensor. The way to reduce the errors of the Hall magnetometer is that the microcontroller simultaneously measures the Hall voltage and the unbalance voltage. When calibrating the magnetometer in a constant magnetic field at different sensor temperatures, the dependence of the conversion slope on the residual voltage is calculated as the ratio of the Hall voltage to the induction of the magnetic field in which the calibration was carried out, and during the measurement this dependence is used to calculate the magnetic field induction from the measured values of the Hall and residual voltages . EFFECT: compensation of the temperature error of the magnetometer, however, the disadvantage is the speed of measurement, it takes time to switch 4 options for powering the Hall sensor with subsequent averaging of the signal. In the described invention, it is additionally required to control the power supply of the electromagnet with a shorter feedback time than this method provides.
Известен способ термостатирования преобразователя Холла, раскрытый в патенте RU 2073877, МПК G01R33/06, 1994 г, в котором описан способ, позволяющий повысить температурную стабильность намерений. Способ термостатирования преобразователя Холла, основанный на размещении преобразователя Холла на подложке вместе со схемой термостатирования. Подложку термостатируют, а на токовый вход преобразователя Холла подают компенсационный ток со схемы термостатирования, зависящий от температуры окружающей среды, и опорный ток.A known method of temperature control of the Hall transducer, disclosed in patent RU 2073877, IPC G01R33/06, 1994, which describes a method that improves the temperature stability of intentions. A method for temperature control of a Hall transducer based on the placement of a Hall transducer on a substrate together with a temperature control circuit. The substrate is thermostated, and the current input of the Hall converter is supplied with a compensation current from the temperature control circuit, which depends on the ambient temperature, and a reference current.
Недостатком является применимость способа в ограниченном круге решений, а именно для схем с постоянным током питания датчика Холла, но тем не менее может использоваться для статичной термостабилизации.The disadvantage is the applicability of the method in a limited range of solutions, namely for circuits with a constant supply current of the Hall sensor, but nevertheless can be used for static thermal stabilization.
За прототип выбрано изобретение по патенту RU2782984, МПК G01R33/07, 2022 г. в котором заявлен измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла и его варианты. Измеритель индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла дополнительно содержит устройство селекции по времени, цифровой накопитель и измеритель температуры датчика Холла, при этом выход АЦП соединен со входом устройства селекции по времени, его управляющий вход соединен с третьим выходом тактирующего устройства, а выход - с одним из входов цифрового перемножителя, второй вход которого соединен с четвертым выходом тактирующего устройства, а выход - со входом цифрового накопителя, к выходу которого подключено микропроцессорное вычислительное устройство, к которому также подключен измеритель температуры датчика Холла, причем источник возбуждающего тока выполнен двуполярным. Технический результат – повышение точности измерений индукции постоянного магнитного поля. Преимущество прототипа перед аналогом объясняется общими преимуществами цифровой обработки сигналов перед аналоговой, а именно, стабильностью работы.The prototype is an invention according to patent RU2782984, IPC G01R33/07, 2022, in which a dc magnetic field induction meter based on the Hall effect and its variants are claimed. The permanent magnetic field induction meter based on the Hall effect additionally contains a time selection device, a digital storage device and a Hall sensor temperature meter, while the ADC output is connected to the input of the time selection device, its control input is connected to the third output of the timing device, and the output is connected to one from the inputs of a digital multiplier, the second input of which is connected to the fourth output of the timing device, and the output is connected to the input of a digital storage device, to the output of which a microprocessor computing device is connected, to which a Hall sensor temperature meter is also connected, and the excitation current source is made bipolar. The technical result is an increase in the accuracy of measurements of the induction of a constant magnetic field. The advantage of the prototype over the analog is explained by the general advantages of digital signal processing over analog, namely, stability.
Предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что датчик Холла питается током не прямоугольной формы, а синусоидальной, что позволяет применять квадратурную обработку сигнала. Как следствие, повышается отношение сигнал/шум, уменьшается время получения результата, что необходимо для дальнейшего управления магнитной системой. Для генерации тока синусоидальной формы узел управления синтезирует цифровую синусоиду, которая посредством ЦАП преобразуется в аналоговую и далее дифференциальным усилителем в ток. Также изобретение включает в себя узел управления магнитной системой через аналоговый выход. От магнитной системы требуется, чтобы источник питания электромагнита имел аналоговое управление.The present invention differs from the prototype in that the Hall sensor is powered by a sinusoidal rather than a rectangular current, which allows the use of quadrature signal processing. As a result, the signal-to-noise ratio increases, the time for obtaining the result decreases, which is necessary for further control of the magnetic system . To generate a sinusoidal current, the control unit synthesizes a digital sinusoid, which is converted into an analog one by means of a DAC and then into a current by a differential amplifier. The invention also includes a magnetic system control unit via an analog output. The magnetic system is required to supply the electromagnet with analog control.
Задача изобретения заключается в стабилизации магнитного поля на длинных интервалах времени для экспериментов, проходящих от нескольких часов до нескольких суток, с возможностью разворачивания магнитного поля со скоростью около 20 Гс/с в широком динамическом диапазоне. В качестве элемента преобразования индукции магнитного поля в электрический сигнал для этой задачи наиболее подходит датчик Холла, обеспечивающий точность измерения 10-5.The objective of the invention is to stabilize the magnetic field over long time intervals for experiments ranging from several hours to several days, with the possibility of deploying the magnetic field at a rate of about 20 gauss/s in a wide dynamic range. As an element for converting the magnetic field induction into an electrical signal, the Hall sensor is most suitable for this task, providing a measurement accuracy of 10 -5 .
Технический результат достигается благодаря конструктивному решению контроллера магнитного поля, содержащего источник питания электромагнита; средства измерения электромагнитной индукции постоянного магнитного поля на эффекте Холла, включающие термостат с датчиком температуры и датчик Холла; средства вычисления и управления, связанные со средствами измерения электромагнитной индукции и источником питания электромагнита, включающие источник тока для датчика Холла и инструментальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), источник опорного напряжения и согласователь уровня управляющего сигнала и микропроцессорное вычислительное устройство, выполненное в виде микроконтроллера, к которому также подключен измеритель температуры датчика Холла и процессорное устройство для взаимодействия с оператором. Согласно изобретению микроконтроллер связан посредством ЦАП и генератора тока с токовыми контактами входа датчика Холла, а выходные контакты датчика Холла соединены через инструментальный усилитель и АЦП с входом микроконтроллера с программно реализованными в нём квадратурной обработкой, цифровой фильтрацией поступающего сигнала, при этом для управления электромагнитиом в микроконтроллер программно интегрирован пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор), который реализует обработку поступившего сигнала ошибки в виде широтно-импульсной модуляции (ШИМ), и соединен выходом управляющего сигнала для стабилизации магнитного поля через фильтр низкой частоты (ФНЧ) и согласователь уровня со входом источника питания электромагнита.The technical result is achieved due to the constructive solution of the magnetic field controller containing the electromagnet power source; means for measuring the electromagnetic induction of a constant magnetic field on the Hall effect, including a thermostat with a temperature sensor and a Hall sensor; computing and control means associated with means for measuring electromagnetic induction and an electromagnet power source, including a current source for a Hall sensor and an instrumental amplifier, an analog-to-digital converter (ADC), a digital-to-analog converter (DAC), a reference voltage source and a control signal level matcher and a microprocessor computing device made in the form of a microcontroller, to which a Hall sensor temperature meter and a processor device are also connected for interaction with the operator. According to the invention, the microcontroller is connected by means of a DAC and a current generator to the current contacts of the input of the Hall sensor, and the output contacts of the Hall sensor are connected through an instrumental amplifier and ADC to the input of the microcontroller with software-implemented quadrature processing in it, digital filtering of the incoming signal, while controlling the electromagnet in the microcontroller A proportional-integral-differential controller (PID controller) is software-integrated, which implements the processing of the received error signal in the form of pulse-width modulation (PWM), and is connected to the control signal output for stabilizing the magnetic field through a low-frequency filter (LPF) and a level matcher with electromagnet power supply input.
Контроллер магнитного поля, дополнительно характеризующийся тем, что ЦАП и АЦП имеют общий источник опорного напряжения.Magnetic field controller, additionally characterized by the fact that the DAC and ADC have a common reference voltage source.
На рисунке изображена схема устройства - контроллера магнитного поля на эффекте Холла, которая включает: микроконтроллер 1, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 2, генератор тока 3, датчик Холла 4, инструментальный усилитель 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6 , источник опорного напряжения 7, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД) 8, источник питания 9, управляемый напряжением, электромагнит 10, фильтр низкой частоты (ФНЧ) 11, согласователь уровня управляющего сигнала 12, термостат 13, процессорное устройство 14.The figure shows a diagram of a device - a Hall effect magnetic field controller, which includes: a
Отличие предлагаемого изобретения от известных аналогов заключается в том, что на токовые контакты датчика Холла подаётся ток не в виде меандра (прямоугольная форма), а в синусоидальной форме, в результате чего исчезает генерация дополнительного шума, возникающего за счёт коммутации ключей генератора тока, добавляется возможность квадратурной обработки синусоидального сигнала.The difference between the proposed invention and the known analogues lies in the fact that the current contacts of the Hall sensor are supplied with current not in the form of a meander (rectangular shape), but in a sinusoidal form, as a result of which the generation of additional noise that occurs due to the switching of the current generator keys disappears, the possibility is added quadrature processing of a sinusoidal signal.
Предлагаемое изобретение использует эффект Холла для преобразования величин и отличается простотой реализации. The present invention uses the Hall effect to convert values and is easy to implement.
С генератора тока на датчик Холла поступает ток в дифференциальном виде, а значит симметрично относительно токовых контактов датчика Холла, за счёт чего идёт большее накопление полезного сигнала, улучшается соотношение сигнал/шум, лучшая фильтрация постоянных смещений.Current is supplied from the current generator to the Hall sensor in a differential form, which means it is symmetrical with respect to the current contacts of the Hall sensor, due to which there is a greater accumulation of the useful signal, the signal-to-noise ratio improves, and better filtering of constant offsets.
Важной составляющей изобретения является введение цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) для формирования синусоидального тока, питающего датчик Холла. При этом ЦАП и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), необходимый для оцифровки напряжения, снимаемого с датчика Холла, имеют один общий источник опорного напряжения, что так же повышает стабильность измерений.An important component of the invention is the introduction of a digital-to-analog converter (DAC) for generating a sinusoidal current that feeds the Hall sensor. At the same time, the DAC and the analog-to-digital converter (ADC), necessary for digitizing the voltage taken from the Hall sensor, have one common reference voltage source, which also increases the measurement stability.
Погрешности, связанные с температурной зависимостью крутизны преобразования и остаточного напряжения датчика Холла, минимизируются за счёт термостатирования датчика Холла и дальнейшей калибровки преобразования для фиксированной температуры. Для исключения постоянных смещений напряжения, снимаемого с датчика, применяется переменный ток, питающий датчик.The errors associated with the temperature dependence of the conversion slope and the residual voltage of the Hall sensor are minimized by temperature control of the Hall sensor and further calibration of the conversion for a fixed temperature. To avoid permanent voltage offsets taken from the sensor, an alternating current is used to feed the sensor.
Контроллер магнитного роля на эффекте Холла работает следующим образом.The Hall effect magnetic role controller works as follows.
Команда микроконтроллеру 1 для выставления требуемого значения индукции магнитного поля поступает из процессорного устройства 14, в качестве которого может выступать компьютер, ноутбук, гаджет или другое процессорное устройство с возможностью взаимодействия с пользователем. Микроконтроллер 1 синтезирует цифровой синусоидальный сигнал, который с помощью ЦАП 2 преобразуется в аналоговый и далее поступает на генератор тока 3 питающий датчик Холла 4 током синусоидальной формы. С датчика Холла 4 снимается напряжение инструментальным усилителем 5, имеющий коэффициент усиления такой, чтобы весь диапазон управляемого магнитного поля перекрывался динамическим диапазоном АЦП 6 с необходимым запасом. С АЦП 6 данные снимаются микроконтроллером 1 с частотой достаточной для дальнейшей цифровой квадратурной обработки и, путём ресурсо-малозатратных математических операций, включающих сдвиг частоты, децимацию, цифровую фильтрацию квадратурного потока данных, выдаётся огибающая модулированного измеренного сигнала, пропорционального величине измеряемого магнитного поля электромагнита 10. Положительной особенностью является то, что помимо оцифрованного измеряемого сигнала микроконтроллер 1 имеет также цифровые синус и косинус , используемые как для генерации синусоидального тока в ЦАП 2, так и для цифровой квадратурной обработки, в результате чего отсутствуют лишние преобразования, и, как следствие, фазовые шумы, т.к. загрузка данных в ЦАП 2 и снятие данных с АЦП 6 происходят синхронно. Опорное напряжение для ЦАП 2 и АЦП 6 поступает от одного источника опорного напряжения 7.The command to the
Далее полученное значение магнитного поля электромагнита 10 поступает на вход пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД-регулятора) 8, интегрированного в микроконтроллере 1. ПИД-регулятор 8 также является важной составляющей изобретения, он реализован программно в микроконтроллере 1 и предназначен для управления источником питания 9 электромагнита 10. Коэффициенты ПИД-регулятора 8 подбираются к существующей системе (источник питания 9 плюс электромагнит 10), так же как и коэффициенты калибровки датчика Холла 4. Next, the obtained value of the magnetic field of the
Особенностью ПИД-регулятора 8 является простота реализации выхода. Чтобы обеспечить стабилизацию магнитного поля с точностью 10-5 , достаточно реализовать выход сигнала управления в виде широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с достаточно высокой (50-100 кГц) частотой, чтобы ПИД-регулятор 8 мог работать на частоте (0,5-3 кГц) превышающей инерцию магнитной системы в 103 раз (постоянная времени около 1 с). Сигнал ШИМ от ПИД-регулятора 8, проходя через фильтр низкой частоты (ФНЧ) 11 и согласователь уровня управляющего сигнала 12, подаётся на вход источника питания 9 электромагнита 10. Для измерения индукции магнитного поля датчик Холла 4 в составе термостата 13 помещается в зазор электромагнита 10. A feature of the
Источник питания 9 электромагнита 10 может быть промышленным или самодельным регулируемым устройством с аналоговым управлением по напряжению, перекрывающий необходимый диапазон величин на выходе.The
Калибровка изобретения осуществляется при установившейся температуре в термостате 13, применяя внешний измеритель индукции магнитного поля, например на основе ЯМР преобразования.The calibration of the invention is carried out at a steady temperature in the
Термостат 13 осуществляет термостатирование датчика Холла 4, который позволяет упростить калибровку устройства по предлагаемому изобретению и может осуществляться любым доступным способом, как внешним терморегулятором, так и встроенной программной функцией микроконтроллера 1, описываемого изобретения с дополнительным драйвером. Температура термостатирования выбирается заведомо выше температуры окружающей среды и ярма электромагнита, к которому крепится термостат 13 с датчиком Холла 4.The
Управление контроллером для стабилизации магнитного поля может осуществляться компьютером, ноутбуком или другим процессорным устройством 14, способным осуществить взаимодействие оператора и устройство по описываемому изобретению. Интерфейс связи любой, поддерживаемый микроконтроллером 1 напрямую или через адаптер.The control of the controller for stabilizing the magnetic field can be carried out by a computer, laptop or
Пример реализации устройства контроллера магнитного поля на эффекте Холла. Были проведены экспериментальные исследования в МТЦ СО РАН г. Новосибирск на разработанном оборудовании со следующими параметрами. An example of the implementation of a magnetic field controller device based on the Hall effect. Experimental studies were carried out at the ITC SB RAS, Novosibirsk, on the developed equipment with the following parameters.
• Микроконтроллер STM32F103C8T6 с тактовой частотой 72 МГц.• Microcontroller STM32F103C8T6 with a clock frequency of 72 MHz.
• АЦП 18 бит с частотой выборок 100 квыб/с.• 18-bit ADC with 100 kS/s sampling rate.
• ЦАП 16 бит с частотой выставления данных синхронно с АЦП, синтезируется сигнал частотой 1 кГц синусоидальной формы.• DAC 16 bits with a data setting frequency synchronously with the ADC, a signal with a frequency of 1 kHz sinusoidal is synthesized.
• Датчик Холла с сопротивлением 500 Ом и рабочим током 2 мА напрямую нагружает операционный усилитель. Низкоомные датчики Холла можно подключать через согласующий трансформатор.• A 500 ohm Hall effect sensor with 2 mA operating current drives the op-amp directly. Low-resistance Hall sensors can be connected via a matching transformer.
• На вход ПИД-регулятора сигнал огибающей подаётся с частотой 2500 Гц с дополнительным скользящим сглаживанием последних 5 значений.• The envelope signal is applied to the input of the PID controller at a frequency of 2500 Hz with additional sliding smoothing of the last 5 values.
• ШИМ 10 бит 72кГц на одном из каналов одного из таймеров микроконтроллера с частотой корректировки скважности 2500 Гц.•
• Термостат реализован в виде медной подложки, на которой размещаются датчик Холла, транзистор в качестве нагревателя и NTC терморезистор. Напряжение на терморезисторе оцифровывается АЦП, встроенным в микроконтроллер, а нагревом управляет ШИМ 10 бит 72 кГц другого канала того же таймера микроконтроллера. Реализовано ПИД-регулирование температуры.• The thermostat is implemented as a copper substrate, on which the Hall sensor, a transistor as a heater and an NTC thermistor are placed. The voltage on the thermistor is digitized by the ADC built into the microcontroller, and the heating is controlled by
• Связь с компьютером осуществляется через адаптер USB-UART, где USB на стороне компьютера, а UART на стороне микроконтроллера.• Communication with the computer is carried out through the USB-UART adapter, where USB is on the computer side, and UART is on the microcontroller side.
• Питание поступает от USB компьютера, что позволяет использовать устройство как автономный измеритель магнитного поля запитывая его от внешнего аккумулятора 5 вольт (Power Bank).• Power is supplied from a USB computer, which allows the device to be used as a stand-alone magnetic field meter by powering it from an external 5 volt battery (Power Bank).
• Для контроля состояния реализован вывод информации на графический дисплей 128x128 пикселей, где отображаются текущее измеренное магнитное поле и осциллограмма сигнала ошибки (отклонение от требуемой величины)• To control the state, information is output to a 128x128 pixel graphic display, which displays the current measured magnetic field and an oscillogram of the error signal (deviation from the required value)
• Источник питания промышленный 1000 Вт с аналоговым управлением, входное напряжения управления 0-5 вольт, выходное напряжение – 0-60 вольт, что соответствует для имеющегося электромагнита диапазону 0-6000 Гс (0-0,6 Тл).• Industrial power supply 1000 W with analog control, control input voltage 0-5 volts, output voltage 0-60 volts, which corresponds to the range of 0-6000 gauss (0-0.6 T) for the existing electromagnet.
Технические характеристики устройства:Device Specifications:
• Диапазон величин возможных магнитных полей 0-5кГс и 0-15кГс для разных магнитных систем (10кГс = 1Тл).• Range of values of possible magnetic fields 0-5kGs and 0-15kGs for different magnetic systems (10kGs = 1Tl).
• разрешение 0,001 Гс.• Resolution 0.001 gauss.
• погрешность около 0.03 Гс.• error about 0.03 gauss.
• Максимальная скорость развёртки поля 20 Гс/с• Maximum field sweep rate 20 gauss/s
• Одна ось, чувствительность к направлению.• One axis, direction sensitive.
• Термостабилизация датчика Холла с точностью 0.1С.• Thermal stabilization of the Hall sensor with an accuracy of 0.1C.
• Питание датчика Холла модулированным током при помощи ЦАП.• Hall sensor power supply with modulated current using DAC.
• Чтение модулированного напряжения с датчика Холла посредством АЦП.• Reading the modulated voltage from the Hall sensor via the ADC.
• По результату измерения контроллер корректирует выходной ток блока питания и соответственно величину магнитного поля.• According to the measurement result, the controller corrects the output current of the power supply and, accordingly, the magnitude of the magnetic field.
• Корректировка происходит с частотой 2500 Гц.• Correction occurs at a frequency of 2500 Hz.
• Точность удержания поля: 50мГс в течение минуты и 100мГс в течение часа.• Field hold accuracy: 50mGs for a minute and 100mGs for an hour.
Положительным результатом использования изобретения является следующее:The positive result of using the invention is the following:
1. ЦАП и АЦП привязаны к одному источнику опорного напряжения, что снимает требование высокой стабильности опорного напряжения, т. к. в постоянном магнитном поле значения, снимаемые с АЦП, не изменятся относительно значений, выставляемых на ЦАП, при небольшом дрейфе опорного напряжения.1. The DAC and ADC are tied to the same reference voltage source, which removes the requirement for high stability of the reference voltage, since in a constant magnetic field the values taken from the ADC will not change relative to the values set on the DAC, with a slight drift of the reference voltage.
2. Датчик Холла питается током модулированный синусом, который даёт меньше помех в отличии от меандра, используемым в других патентах, улучшается соотношение сигнал/шум. Меньше зависимость от реактивной составляющей проводов в схеме соединений, т.к. всего одна линия в частотном спектре.2. The Hall sensor is powered by a sine-modulated current, which gives less interference than the meander used in other patents, the signal-to-noise ratio is improved. Less dependence on the reactive component of the wires in the wiring diagram, because only one line in the frequency spectrum.
3. Синтезируемый синус для питания датчика Холла также используется как опорный сигнал для квадратурного преобразования снимаемого с датчика Холла напряжения при цифровой обработке.3. The synthesized sine to power the Hall sensor is also used as a reference signal for the quadrature conversion of the voltage taken from the Hall sensor during digital processing.
4. Использование ШИМ для управления электромагнитом с гораздо меньшей разрядностью, чем разрядность величины магнитного поля, которую требуется стабилизировать, что обеспечивается благодаря высокой частоте подстройки скважности и большой инертности электромагнита. Отсутствуют требования к стабильности опорного напряжения ШИМ.4. The use of PWM to control an electromagnet with a much smaller capacity than the capacity of the magnetic field that needs to be stabilized, which is ensured by the high frequency of duty cycle adjustment and the large inertness of the electromagnet. There are no requirements for the stability of the PWM reference voltage.
5. Температура датчика Холла влияет на его коэффициент преобразования, поэтому для упрощения калибровки, используется термостатирование датчика Холла.5. The temperature of the Hall sensor affects its conversion factor, so to simplify the calibration, temperature control of the Hall sensor is used.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2799103C1 true RU2799103C1 (en) | 2023-07-04 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002016956A1 (en) * | 2000-08-22 | 2002-02-28 | Mills Randell L | 4 dimensional magnetic resonance imaging |
| RU2444743C2 (en) * | 2010-03-29 | 2012-03-10 | Государственное Учебно-Научное Учреждение Химический Факультет Московского Государственного Университета Имени М.В. Ломоносова | Vibration magnetometer |
| RU2696058C1 (en) * | 2018-05-30 | 2019-07-30 | АО "ПКК Миландр" | Device for measuring magnetic field parameters |
| RU2782984C1 (en) * | 2022-01-27 | 2022-11-08 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Hall effect constant magnetic field induction meter (options) |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002016956A1 (en) * | 2000-08-22 | 2002-02-28 | Mills Randell L | 4 dimensional magnetic resonance imaging |
| RU2444743C2 (en) * | 2010-03-29 | 2012-03-10 | Государственное Учебно-Научное Учреждение Химический Факультет Московского Государственного Университета Имени М.В. Ломоносова | Vibration magnetometer |
| RU2696058C1 (en) * | 2018-05-30 | 2019-07-30 | АО "ПКК Миландр" | Device for measuring magnetic field parameters |
| RU2782984C1 (en) * | 2022-01-27 | 2022-11-08 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Hall effect constant magnetic field induction meter (options) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2504794C2 (en) | Digital amplifier with control using direct and feedback links | |
| US9551765B2 (en) | Method for operating a hall sensor arrangement and hall sensor arrangement | |
| JPH0816622B2 (en) | Magnetic induction type flow meter | |
| JP2016102659A (en) | Hall sensor, rotation angle sensor, offset adjustment device, and offset adjustment method | |
| JP2008541404A (en) | Synchronous undersampling for high frequency voltage and current measurements | |
| TW512651B (en) | Controller for a linear accelerator | |
| WO1991002967A1 (en) | Electron spin resonance spectrometers | |
| JPS59133406A (en) | Method and device for generating positional display value | |
| CN109581010B (en) | Standard source of ac voltage | |
| CN113432517A (en) | Magnetic field gradient-based position sensor apparatus, method and system | |
| Siegenthaler et al. | A computer-controlled calibrator for instrument transformer test sets | |
| RU2799103C1 (en) | Magnetic field controller | |
| US11169223B2 (en) | Hall element signal calibrating in angle sensor | |
| Renella et al. | An overview of commercially available teslameters for applications in modern science and industry | |
| Schuster | Thermal measurement of ac power in comparison with the electrodynamic method | |
| Kampik | Comparison of nonquantum methods for calibration of the digital source of very-low-frequency AC voltage | |
| Budovsky | Standard of electrical power at frequencies up to 200 kHz | |
| RU2441250C1 (en) | Digital ferroprobe magnetometer | |
| Bergsten et al. | A Precision Current Source Using $\Delta $–$\Sigma $ Modulation | |
| RU2044274C1 (en) | Stand for testing precision angular velocity gyroscopic pickup | |
| Finardi et al. | Calibration setup for ultralow-current transresistance amplifiers | |
| CN110235219B (en) | Harmonic line noise correction for electron energy loss spectrometers | |
| Gubisch et al. | Power calibrator using sampled feedback for current and voltage | |
| Fedasyuk et al. | Signal Chain of Programmable System on Chip for Magnetic Tracking Sensors | |
| RU2311655C1 (en) | Method for reducing errors of hall magnetometer |