SU1437811A1 - Digital ferroprobe magnetometer - Google Patents

Description

О5O5

ЧH

0000

Изобретение относитс  к измерительной технике 5 предн азиачено дл  измерени  параметров магнитных полей, например, Земли, и может быть использовано в системах автоматического контрол  и регулировани .The invention relates to measuring equipment 5 for measuring magnetic field parameters, such as the earth, and can be used in automatic control and regulation systems.

Пель изобретени  - повышение точности измерейи .Pel invention - improving the accuracy of measurement.

На фиг.1 представлена схема устройства} аа фиг,2 - диaгpaм iЫ; по сн ющие его работу.Figure 1 presents the diagram of the device} aa FIG; 2 - diagrams iY; on his work.

Цифровой феррозондовый магнитометр содержит генератор 1 возбужазни , феррозонд 2з снабженный обмоткой 3 возбуждени  и двум  измерительными обмотками 4 и 5, электронный переключатель 6j блок 7 суммировани  сигналов j избирательньш усилитель 8 амплитудный детектор 9,, формирователь 10, генератор 11 тактпзых импульсов, триггер 12. элемент И1Ш 13, элемент 14 задержкиJ п-разр дньй реверсивный счетчик 15, (n-i)-канальный коммутатор 16,- цифроаналоговый преобразователь (IIAII) 17 и цифровой регистр 18 индикации..The digital fluxgate magnetometer contains a generator of 1 excitation, a flux probe 2h equipped with excitation winding 3 and two measuring windings 4 and 5, electronic switch 6j block 7 summing signals j selective amplifier 8 amplitude detector 9, driver 10, pulse generator 11, trigger 12. element I1Sh 13, element 14 delayJ p-ra dny reversible counter 15, (ni) -channel switch 16, - digital-to-analog converter (IIAII) 17 and digital register 18 of the display ..

Магнитометр работает следующим образом,The magnetometer works as follows

С первого выхода генератора 1 возбуждени  сигнал с частотой fg поступает на обмотку возбуждени  3 феррозонда 2 и .периодически насыщает его магнитопровод, С второго выхода генератора 1 возбуждени  сигнал с частотой 2fg поступает на вход опорного сигнала 17,From the first output of the generator 1, the signal with frequency fg is fed to the excitation winding 3 of the fluxgate 2 and periodically saturates its magnetic circuit. From the second output of the generator 1 of the excitation 1, the signal with a frequency of 2fg is fed to the input of the reference signal 17,

Феррозонд 2 снабжен двум  идентичными измерительными обмотками 4 и 5, намотанными на сердечник бифл рно и имеющими между собой тесную индуктивную св зь. Начало обмотки 4 и конец обмотки 5 подключены к общей шине магнитометраэ а другие их концы подключены к входам электронного переключател  6. С измерительной обмотки 4 или 5 (в зависимости от положени  переключател  6) сигнал U переменного тока с частотой 2fg и амплитудой, пропорциональной величине магнитного пол , воздействующего на феррозонд 2 поступает на первый вход блока 7 суммировани  сигналов, на второй вход которого с выхода ЦАП 17 поступает компенсирующий сигнал U i-, с частотой 2fJ, Амплитуда компенсирующего сигна ла зависит от значени  кода на цифровых входах, постз пающего с соответствующих выходов реверсивногоThe flux probe 2 is provided with two identical measuring windings 4 and 5 wound on the core biflr and having close inductive coupling between them. The beginning of the winding 4 and the end of the winding 5 are connected to the common bus magnetometer and their other ends are connected to the inputs of the electronic switch 6. From the measuring winding 4 or 5 (depending on the position of the switch 6), the AC signal U with a frequency of 2fg and an amplitude proportional to the magnetic the field acting on the flux probe 2 is fed to the first input of the signal summing unit 7, the second input of which from the output of the DAC 17 receives the compensating signal U i-, with a frequency of 2fJ, the amplitude of the compensating signal depends on and the digital inputs, with postz Payuschie respective reverse outputs

00

5five

0 5 0 5

00

5five

00

5five

счетчика 15 через коммутатор 16. Р блохе 7 су1-1мировани  сигналы U и поступающие на его входы, вычитаютс  и с выхода этого блока сигнал разбаланса через избирательный усилитель 8, настроенный на частоту 21 поступает ка вход амплитудного детектора 9. На выходе детектора 9 напр женке Ug соответствует модулю напр жени  разбаланса на выходе избирательного усилител  8 - Шд I причем модуль (Ug(зависит от напр жени  компенсации U,.,no кривой fU у( f (.)l -const, показанной на фиг,2. Крива  (U)U2 const имеет минимум (экстремум) в точке О, соответствующей полной компенсапии измер емого сигнала U сигналом U в блоке 7 сум- мироегзни р В момент компенсации измер емого сигнала код N на цифровых входах ПАИ 17 соответствует (с погрешностью квантовани  dL%i компенсирующего сигнала U ,-, амплитуде измер емого сигнала. По значению этого кода N в момент равновеси  сигналов U . и UIT суд т о значении измер емой величины . Код с цифровых входов ДАЛ 17 поступает в цифровой регистр 18 индикации . Состо ние (единичное или нулевое ) триггера 12 задает режим работы реверсивного счетчика 15 - суммирование или вычитание импульсов, поступающих на его счетный вход с выхода элеманта ИЛИ 13 через элемент 14 задержки.the counter 15 through the switch 16. For the flea 7 SU1-1 world, the signals U and the inputs to its inputs are subtracted and the output of this block is unbalanced through the selective amplifier 8 tuned to frequency 21 and fed to the input of the amplitude detector 9. At the output of the detector 9 Ug corresponds to the voltage unbalance module at the output of the selective amplifier 8 - Shd I, with the module (Ug (depending on the compensation voltage U,., By the curve fU y (f (.) L -const shown in FIG. 2. Curve (U ) U2 const has a minimum (extremum) at the point O, corresponding to the full compensation At the time of compensation of the measured signal, code N on the digital inputs of PAI 17 corresponds (with the quantization error dL% i of the compensating signal U, -, to the amplitude of the measured signal. By the value of this code N at the moment of equilibrium of the signals U. And UIT is judged on the value of the measured value. The code from the digital inputs of the GAL 17 enters the digital register 18 of the display. The state (single or zero) of the trigger 12 sets the operation mode of the reversible counter 15 — summation or subtraction of pulses arriving at its counting input from the output of the OR 13 element through the delay element 14.

Управление работой магнитометра осуществл етс  импульсами, последовательно подаваемыми с первого, второго и третьего выходов генератора t1 тактовых импульсов на вторые входы элемента ИЛИ 13 и формировател  10, а также на вход синхронизации цифрового регистра 18 индикации.The operation of the magnetometer is controlled by pulses sequentially supplied from the first, second and third outputs of the clock generator t1 to the second inputs of the OR element 13 and the driver 10, as well as to the synchronization input of the digital display register 18.

Если в момент включени  питани  магнитометра значени  измер емого U и компенсирующего U сигналов, например , таковы, что амплитуда напр лсе- ни  разбаланса блока суммировани  сигналов 7 соответствует точке б на кривой (U JUj const (фиг,2), а триггер 12 находитс  в нулевом состо нии, при котором реверсивный счетчик 15 работает в режиме вычитани , то с первого выхода генератора 11 тактовых импульсов импульс U через элемент И.ПИ 13 поступает на счет- ньй вход счетчика 15 и уме гьшает его выходной код на 1. В результатеIf at the moment of turning on the power of the magnetometer, the values of the measured U and the compensating U signals, for example, are such that the amplitude of the unbalance direction of the summing unit of signals 7 corresponds to point b on the curve (U JUj const (FIG. 2)), and the trigger 12 is in the zero state, in which the reversible counter 15 operates in the subtraction mode, then from the first generator output 11 clock pulses the pulse U through the element I.PI 13 enters the counter input of the counter 15 and its output code decreases by one. As a result

этого компенсирующее напр жение U скачкообразно уменьшаетс  на один- квант на выходе детектора 9 возрастает амплитуда напр жени  Uj (точка а на кривой IU 0 (U)U2 const. Блок 10 служит дл  формировани  единичного сигнала только при положительном приращении амплитуды выходного сигнала детектора 9 (при пололдательном приращении lUgl). Затем с второго выхода генератора 11 тактовых импульсов иьшульс U ,, поступает на второй вход формировател  10 и разрешает подачу единичного сигна- ла на вход триггера- 12 и на счетный вход реверсивного счетчика 15 через элемент ИЛИ 13 и элемент 14 задержки. При этом триггер 12 мен ет свое состо ние, а единичный сигнал Uj, поступающий через элемент ИЛИ 13 в реверсивный счетчик 15, увеличивает его код на единицу и возвращает значение сигнала разбаланса в предыдущее состо ниеS соответствующее точ- ке б. После этого импульс U „.,с третьего выхода генератора 11 тактовых импульсов поступает на вход синхронизации регистра 18 индикации, где отсчитываютс  показани  входного кода.In this case, the compensating voltage U jumps by one quantum at the output of the detector 9 and the voltage amplitude Uj increases (point a on the curve IU 0 (U) U2 const. Block 10 serves to generate a single signal only when the amplitude of the output signal of the detector 9 is positive) at a consecutive increment lUgl.) Then, from the second generator output, 11 clock pulses, U pulse U, goes to the second input of the imaging unit 10 and allows the single signal to be fed to the trigger input-12 and to the counting input of the reversible counter 15 via elec the ent OR 13 and the delay element 14. In this case, the trigger 12 changes its state, and the single signal Uj, coming through the element OR 13 to the reversible counter 15, increases its code by one and returns the value of the unbalance signal to the previous state S ke b. After this, the pulse U "., from the third generator output 11 clock pulses is fed to the synchronization input of the display register 18, where the readings of the input code are counted.

Б следующем такте работы генератора 11 тактовых импульсов импульс uJ, с первого его выхода через элемент ИЛИ 13 и элемент 14 задержки поступает на счетный вход реверсиниого счет- чика 5 и увеличивает его код на едкииду, напр жение разбаланса мает зпачение, соответствующее точке в. Это вызывает отрицательный перепад аъгплитуды напр жени  U на выходе детектора 9, вслед ствие чего в формирователе Ш не происходит фclp иpoвa- ние единичного сигнала. Таким образом , последую;дие тактовые импульсы и, с первого выхода генератора 1 1 тактовых импульспв через элемент ИЛ1-1 IB и элемент 14 задержки поступают на вход реверсивного счетчиь;г 15, увеличинают его выходной код и уменьшают амплитуду напр  се.ни  разбаланса на выходе блока 7 суммировани  до значени , соответствующего г, которое  вл етс  самым близким к состо нию равновеси  (к точке 0)„In the next clock cycle of the generator 11 clock pulses, the pulse uJ, from its first output through the element OR 13 and the delay element 14 is fed to the counting input of the reversing counter 5 and increases its code by the magnitude, the voltage unbalance passes the corresponding point. This causes a negative differential voltage U at the output of the detector 9, as a result of which a single signal does not occur in the driver Sh. Thus, the subsequent clock pulses and, from the first output of the generator 1 1 clock pulses through the element IL1-1 IB and the delay element 14 are fed to the input of the reversible counter, g 15, increase its output code and reduce the amplitude for example. the output of summation block 7 to a value corresponding to r, which is closest to the equilibrium state (to point 0) „

При удалении амплитуды сиг-нала разбаланса на выходе блока 7 сумь нро- вапи  от точки г в любом направлении происходит увеличение амплитудыWhen the amplitude of the signal of the imbalance at the output of block 7 is removed, then the amplitude increases from any point in any direction.

g 5 g 5

0 0

5 five

00

00

сигнала разбаланса, а значит, увеличение амплитуды напр жени  Ug-на выходе детектора 9, что вызывает формирование единичного сигнала Ц в формирователе 10. Этот единичный сигнал поступает на вход триггера 12 и измен ет его состо ние, через элемент IVM 13 и элемент 14 задержки он поступает на вход реверсивного счетчика 15 и измен ет его код, что влечет за собой изменени  компенсирующего напр жени  U, в таком направлении, чтобы амплитуда сигнала разбаланса на выходе блока 7 суммировани  снова соответствовала точке г.the unbalance signal and, therefore, an increase in the voltage amplitude Ug at the output of detector 9, which causes the formation of a single signal C in the shaper 10. This single signal enters the input of the trigger 12 and changes its state through the IVM element 13 and the delay element 14 it enters the input of the reversible counter 15 and changes its code, which entails changes in the compensating voltage U, in such a direction that the amplitude of the unbalance signal at the output of summation unit 7 again corresponds to the point r.

Таким образом, работа устройства основана на принципе экстремального регулировани  с поиском экстремума (с уравновешиванием измер емого сигнала ) по направлению изменени  огибающей амплитуды сигнала разбаланса блока 7 суммировани .Thus, the operation of the device is based on the principle of extreme regulation with the search for an extremum (with balancing the measured signal) in the direction of changing the envelope of the amplitude of the unbalance signal of the summation unit 7.

Под воздействием измер емого магнитного пол  фаза выходного сигнала феррозонда 2 (фаза сигнала в обмотках 4 и 5) может мен тьс  на 180 . Введенные в феррозонд 2 втора  измерительна  обмотка, идентична  первой (которые включены встречно), и переключатель 6, подключающий эти об-- мотки к входу блока 7 суммировани , дают возможность измен ть фазу выходного сигнала сЬеррозонда в блоке 7 суммировани  на 180. Причем- положение переключател  6 в процессе урав- новеЕшвани  измен етс  сигналаш, снимаемыми с п-го (старшего) разр да реверсивного счетчика 15, остальные разр ды которого подключаютс  к цифровым входам IIAII 17 через (п-1)-канальный коммутатор 16. Коммутатор 16 может быть выполнен, например, на логических элементах 2И-ИЛИ и преду- . смотрен дл  того, чтобы в момент замещени  единиц младших разр дов единицей п-го (старшего) разр да, и наоборот (01.... 1 10.,..0), сохран лась плавность изменени  напр жени  компенсации U,. Входы коммутатора 16 соединены с входами счетчика 15 согласно логической функции ,,-а. +а.а;, где Ь,- - логическ Й сигнал на выходе i-ro канала (на выходе i-ro элемента 2И-ИЛИ); а; и выходные сигналы соответствующих разр дов реверсивного счетчика 15. :Under the influence of the measured magnetic field, the phase of the output signal of the fluxgate 2 (the phase of the signal in the windings 4 and 5) can change by 180. The second measuring winding introduced into the flux probe 2, identical to the first one (which are switched on oppositely), and the switch 6 connecting these windings to the input of the summation unit 7, make it possible to change the phase of the output signal of the carbon probe in the summation unit 7 by 180. Moreover the switch 6 in the process of balancing changes the signal taken from the n-th (senior) bit of the reversible counter 15, the remaining bits of which are connected to the digital inputs IIAII 17 via the (n-1) -channel switch 16. The switch 16 can be completed, for example, on logical elements 2I-OR and pred. is considered so that at the moment of substitution of the lower-order bits by the unit of the n-th (senior) bit, and vice versa (01 .... 1 10., .. 0), the smoothness of change of the compensation voltage U, is maintained. The inputs of the switch 16 are connected to the inputs of the counter 15 according to a logic function, - a. + а.а ;, where L, - is the logical signal at the output of the i-ro channel (at the output of the i-ro element 2И-OR); but; and output signals of the corresponding bits of the reversible counter 15.:

В этом случае при единичном значении п-го (старшего) разр да на цифровые входы ПАП 17 подаетс  пр мой код а при ттулевом значении pa зp дa инверсный код, в результате чего при изменении положени  переключателг: б (при изменении фазы измер емого сигнала ) амплгт З уда компенсируюп его сиг-нала происходит через нулевое значение , что обеспечивает устойчивость процесса след щего уразковешивани .In this case, with a single value of the n-th (most significant) bit, the digital inputs of the VAP 17 are supplied with a direct code, and with a full value of pa, the inverse code, which results in a switch (b) with a change in the phase of the measured signal Amplitude control removes its signal through a zero value, which ensures the stability of the process of tracking.

По окончани  процесса уравь овешь - ванг-:  логическое зн ачаниа п-го (старшего ) разр да реверсивного счетчика 15 указывает положение переключател  б, а следовательно указывает фазу (знак фазы) выходного сигнала фер розовда 2, код на цифровых входах соответствует амплитуде этого смг-- нала.At the end of the process, equip - wang -: the logical knowledge of the nth (senior) bit of the reversible counter 15 indicates the position of switch b, and therefore indicates the phase (phase sign) of the output signal of ferrous 2, the code on the digital inputs corresponds to the amplitude of this smg - Nala.

Форму л а и 3 о 6 р е т е н и  Formula l and 3 about 6 times e and

Цифровой феррозондовый магнитометр , содержащий феррозонд,, снабжегн- НБй измерительной обмоткой, а также обмоткой возбу щени ,, соединенной с первым выходом генератора всзбу эде- ни , избирательный усилитель, цифро- аналоговый преобразователь и цифровой регистр индикации, цифровые входы которых соответственно соединены собой, реверсивный п-разркд ный счетчт 5 элемент задержки., триггер , элемент ШШ перньп гзход KOi o- рого соединен с входом тр -гггера, ь выход чррез элемент задерлжи с первым пхгщоМ п-разр дпого ре вер сив-- него счетчика, о т л и ч а ю ш и и - с   тем, что. d целью повышекн A digital fluxgate magnetometer, containing a flux probe, is supplied with a measuring winding and an excitation winding, connected to the first generator output of the generator, a selective amplifier, a digital-to-analog converter and a digital display register, the digital inputs of which are respectively connected by themselves, reversible p-razkad ny chycht 5 delay element., trigger, element shsh pnp kzhod KOi orogo connected to the input of the tr-hggera, output output through the element of the decelerator with the first nth pn of the counter of its counter, about l and h and w and w, and - in that. d aim to improve

точности измерени , он дополнительно снабжен блоком суммировани  сигналов, формирователем, генератором тактовыхmeasurement accuracy; it is additionally equipped with a signal summation unit, a driver, a clock generator

импульсов,, (п 1)-KBiiajibHiiiM коммутатоpoi-jj амплитудны:- детектором5 второйimpulses, (n 1) -KBiiajibHiiiM commutating topoi-jj amplitude: - by detector 5 second

измер)-1 гельной обмоткой, эле строинымmeasure) -1 gel winding, ele stroy

переключателем, причем к первому иswitch, and to the first and

второму входам электронного пераключател  присоединен соответстпеглГ о перва  и втора  параллельио-зстречио Бключенглзе измеглгтельньге обмотки, выход электронного переключател  через су1- матор, узкопс лог.мый усилитч.льThe second inputs of the electronic switch are connected to the first and second parallel switches of the coil, the output of the electronic switch through the device, narrowly narrowed

V. aMnji -jTynnbP-i дате.-; гор присоединен к зхо, у формлрователл3 ь ьгход которого через три-ггер соедз-шен с вторым рходом п-разр дного реверсив.юго счетчика, пр мо -; выход п-го разр даV. aMnji -jTynnbP-i date.-; The mountains are attached to the pits, for which the form-shifter, through three years, connects to the second rohod of the n-discharge reversible counter, right; output n-th bit

icoToporo соединен с управл ющим нхо- до; злектроппого перетслючгл ел , а (.п-1) разр дь - с сос-гветствуюшими (п-1) -канального ког гмутатора - два входа ка) канала г-готорогоicoToporo is connected to the controlling nhoda; electrically pegged, and (.n-1) discharge - with the corresponding (n-1) -channel channel switch - two inputs k) of the r-h channel

соединвны соотзетствемно с npKNrbiM и кпЕерсньш иыходами (п-1) разр дов рСБерС ЛБНОго счетчика, а два других Ехода зсех каналов с прлмьгм и кн- ве.рсным Б.-.пХодом каг/алов с п-го разр да реверсивного ечет ;чка, BTOpoii выход генератора возбуткдени  соединен с входом опорного напр жени  дифроаналогового преобразовател , ль гход которого соединен с вторьгм входом сумматора 5 выходы генератора тактовых импульсов соединень с / Topsir-i -/ходом форг- нповател ., вторы;- входом элемен ; а Ю1И и синхронизирующим входом цифрового регистра индикации.Connected respectively with npKNrbiM and kPeersh iyhody (p-1) of the pSBers of the LB counter, and the other two Ehoda of all the channels with prgmg and Kveve.rsnyy B.-. , BTOpoii, the output of the excitation generator is connected to the input voltage of the reference voltage of the diffraction converter, which is connected to the second input of the adder 5, the outputs of the clock generator, connected to the / Topsir-i - / forwarder stroke, and the second; and Ю1И and the synchronizing input of the digital display register.

..

(pus.2(pus.2

Составитель В.Шульгин Редактор Л.Пчелинска  Техред Л.СердюковаCompiled by V.Shulgin Editor L.Pchelinska Tehred L.Serdyukova

Заказ 5890/А6Order 5890 / A6

Тираж 772Circulation 772

ВПИИПИ Государственного комитета СССРVPIIPI USSR State Committee

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5for inventions and discoveries 113035, Moscow, Zh-35, Raushsk nab., 4/5

Корректор А.ОбручарProofreader A. Obruchar

ПодписноеSubscription

Claims (1)

Цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий феррозонд,, снабженный измерительной обмоткой, а также обмоткой возбуждения, соединенной я первым выходом генератора возбуждения, избирательный усилитель, цифроаналоговый преобразователь и цифровой регистр индикации, цифровые входы которых соответственно соединены меаду собой, реверсивный п-ра-зрядный счетчик, элемент задержки, триггер, элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с входом триггера, а выход через элемент задержки с первым входом п-разрядлого реверсивного счетчика, о т л и ч а ю ш и й с я тем, что. d целью повышения точности измерения, он дополнительно снабжен блоком суммирования сигналов, формирователем, генератором тактовых импульсов, (п~1)-канальным коммутатором, амплитудным детектором, второй измерительной обмоткой, электронным переключателем, причем к первому и второму входам электронного переклю10 чателя присоединены соответственно первая и вторая параллельно-встречно включенные измерительные обмотки, выход электронного переключателя через сумматор, узкополоскый усилитель ц; и амплитудный детектор присоединен к входу формирователя, выход которого через триггер соединен с вторым входом п-разрядного реверсивного счетчика, прямой выход η-го разряда эп которого соединен с управляющим входом электронного переключателя, а фм-1) разряды - с соответствующими входами (п- 1)-канального коммутатора два входа кахщого канала которого 25 соединены соответственно с прямым и инверсным выходами (п-1) разрядов реверсивного счетчика, а два других входа всех каналов - с прямым и инверсным выходом каналов с η-го раз3'1 ряда реверсивного счетчика, второй выход генератора возбуждения соединен с входом опорного напряжения .цифроаналогового преобразователя, пыход которого соединен с вторым входом сумматора, выходы генератора тектовых импульсов соединены с вторым входом формирователя, вторым входом элемента ИЛИ и синхронизирующим входом цифрового регистра индикации.A digital fluxgate magnetometer containing a fluxgate equipped with a measuring winding as well as an excitation winding connected to the first output of the excitation generator, a selective amplifier, a digital-to-analog converter, and a digital display register, the digital inputs of which are respectively connected to each other, a reversible n-bit counter, delay element, trigger, OR element, the first input of which is connected to the trigger input, and the output through the delay element with the first input of the n-digit reversible counter, and sh and th with that. d in order to increase the accuracy of measurement, it is additionally equipped with a signal summing unit, a shaper, a clock generator, (n ~ 1) -channel switch, an amplitude detector, a second measuring winding, an electronic switch, and the first and second inputs of the electronic switch 10 are connected respectively to the first and the second parallel-counter-connected measuring windings, the output of the electronic switch through the adder, narrow-band amplifier c; and the amplitude detector is connected to the input of the shaper, the output of which through the trigger is connected to the second input of the n-bit reverse counter, the direct output of the ηth discharge ep of which is connected to the control input of the electronic switch, and fm-1) discharges - with the corresponding inputs (p- 1) -channel switch two inputs of the tilted channel of which 25 are connected respectively with direct and inverse outputs (n-1) of the bits of the reversible counter, and the other two inputs of all channels with direct and inverse output of the channels from the η-th time3'1 row of the reverse about the counter, the second output of the excitation generator is connected to the reference voltage input of the digital-to-analog converter, the output of which is connected to the second input of the adder, the outputs of the tekt pulse generator are connected to the second input of the shaper, the second input of the OR element, and the synchronizing input of the digital display register.