SU885941A2 - Device for measuring alternating magnetic induction - Google Patents

Description

(5А) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕННОЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ(5A) DEVICE FOR MEASURING VARIABLE MAGNETIC INDUCTION

Изобретение относитс  к магнитным измерени м и может быть использовано дл  прецизионного измерени  в широком частотном диапазоне индукции переменных магнитных полей. По основному авт.св. If 811161 известно устройство, которое состоит из датчика Холла, источника переменного тока дл  питани  датчика Холла, катушки, в поле которой находитс  датчик Холле, стабилизатора посто нного тока дл  питани  обмотки катушки , переключателей, преобразовател  напр жение-код, делительного устройства , цифрового отсчетного устройства , устройства управлени , изме рител  частоты, формировател  опорно частоты, схемы анализа, формирователей низкочастотной и высокочастотной составл ющих, синхронных детекторов, реверсивного счетчика и амплитудного детектора l , Недостатком данного устройства  вл етс  невысока  точность измерени , когда значени  частот измер емой магнитной индукции (SJ и тока питёг-: ни  51 отличаютс  друг от друга меньше , чем в 100 раз. В этом- случае выделение огибающей выходного сигнала датчика Холла Dy..CoslW: cosatlj S амплитудным детектором происходит с невысокой точность. Эта точность уменьшаетс  с приближением частоты Шк частоте Й- . Цель изобретени  - повышение точности измерени  индукции переменных магнитных полей. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство дл  измерени  переменной магнитной индукции, содержащее датчик Холла, источник переменного тока дл  питани  датчика Холла, катушку, в поле которой находитс  датчик Холла, стабилизатор посто нного тока дл  питани  обмотки катушки, три переключател , преобразователь н-апр жение-код, делительное устройство, цифровое отсчетное устройство, устройство управлени , измеритель частоты, формирователь опорной частоты, схему анализа , формирователи низкочастотной и высокочастотной составл ющих, два синхронных детектора, амплитудный детектор и реверсивный счетчик, вход которого соединен с выходом преобразовател  напр жение-код и первым входом делительного устройства, а выход - через делительное устройство с цифровым счетным устройством, выI ход датчика Холласоединен с формировател ми низкочастотной и высокочастотной составл ющих и измерителем частоты, выход которого через схему анализа соединен с входом устройства управлени , формирователь опорной частоты соединен с вторым входом схемы анализа, выход формировател  низкочастотной составл ющей через первый синхронный детектор и первый переключатель соединен с первым входом преобразовател  напр жение-код, выход формировател  высокочастотной составл ющей через второй переключатель и второй синхронный детектор соединен с вторым входом первого переключател , амплитудный детектор включен между выходом формировател  высокочастотной составл ющей и втооым входом второго переключател , источник переменного тока подключен к датчику Холла, катушка подсоединен к стабилизатору посто нного тока, вход которого подключен к третьему Гереключателю, выход устройства упралени  подключен к второму входу реЕерсивного сигнала, второму входу цифрового отсчетного устройства, третьему входу делительного устройства , иторому входу преобразовател  напр жение-код, третьим входам первого и второго переключателей и второму входу третьего переключател , дополнительно введены последовательно соединенные формирователь граничной частоты, измеритель поддиапазона управл ющий триггер и частотно-зависимый элемент, выход которого подключен ко входу источника переменного тока, а второй вход измерител  поддиапазона подключен к выходу измерител  частоты.The invention relates to magnetic measurements and can be used for precision measurement in a wide frequency range of induction of alternating magnetic fields. According to the main auth. If 811161 a device is known which consists of a Hall sensor, an alternating current source for powering a Hall sensor, a coil in which field there is a Hall sensor, a DC regulator for powering a coil winding, switches, a voltage-code converter, a dividing device, a digital reference devices, control devices, frequency meter, reference frequency generator, analysis circuits, low-frequency and high-frequency components, synchronous detectors, reversible counter and amplitude l detector. The disadvantage of this device is the low measurement accuracy when the frequencies of the measured magnetic induction (SJ and current of the power supply: no 51 differ from each other by less than 100 times. In this case, the selection of the envelope of the output signal of the Hall sensor Dy..CoslW: cosatlj S with an amplitude detector occurs with a low accuracy. This accuracy decreases as the frequency Sc is approached to the frequency H. The aim of the invention is to improve the measurement accuracy of the induction of alternating magnetic fields. The goal is achieved in that a device for measuring variable magnetic induction, containing a Hall sensor, an alternating current source for powering a Hall sensor, a coil in which there is a Hall sensor, a DC regulator for powering a coil winding, three switches, a converter april-code, dividing device, digital reading device, control device, frequency meter, frequency reference shaper, analysis circuit, low-frequency and high-frequency shapers Two synchronous detectors, an amplitude detector and a reversible counter, the input of which is connected to the output of a voltage-code converter and the first input of a dividing device, and an output through a dividing device with a digital counting device, the Hall sensor connected to the low-frequency and high-frequency drivers frequency meter, the output of which is connected to the control device through the analysis circuit, the reference frequency driver is connected to the second input of the analysis circuit, the output of the driver The frequency component is connected via the first synchronous detector and the first switch to the first input of the voltage-code converter, the output of the high frequency component generator is connected via the second switch and the second synchronous detector is connected to the second input of the first switch, the amplitude detector is connected between the output of the high frequency component generator and the second one the input of the second switch, the AC source is connected to the Hall sensor, the coil is connected to the DC regulator, the input connected to the third key switch, the output of the control device is connected to the second input of the reversal signal, the second input of the digital reading device, the third input of the separating device, the second input of the voltage-code converter, the third inputs of the first and second switches and the second input of the third switch are additionally entered sequentially connected edge frequency driver, a subrange meter, a control trigger and a frequency-dependent element, the output of which is connected to the input from AC power source, and a second input subband meter connected to the output of frequency meter.

Повышение точности измерени  обусловлено тем, что при приближении частоты Ш измер емой магнитной индукции Влхк частоте тока питани  5t производитс  изменение частоты тока питани  на 51The increase in the measurement accuracy is due to the fact that, as the frequency измер of the measured magnetic induction Vlhk approaches the frequency of the supply current 5t, the frequency of the supply current is changed by 51

. Так как частоты 51 и SLn. Since frequency 51 and SLn

разнесены на несколько пор дков, то частоты тока питани  и измер емой индукции в процессе измерени  такжеseparated by several orders of magnitude, the frequencies of the supply current and the measured induction in the measurement process also

всегда будут отличатьс  на несколько пор дков.will always differ by several orders of magnitude.

На чертеже представлена блок-схема устройства.The drawing shows the block diagram of the device.

Устройство состоит из датчика Холла 1, источника 2 переменного тока, катушка 3, стабилизатора посто нного тока, формировател  5 низкочастотной составл ющей, формировател  6 высокочастотной составл ющей, переключател  7 преобразовател  8 нап1р жение-код , реверсивного счетчика 9 делительного устройства 10, цифрового отсчетного устройства 11, устройства 12 управлени ,синхронных детекторов 13 и Н, амплитудного детектора 15, переключателей 16 и 17, измерител  частоты 18, формировател  опорной частоты 19, блока 20 анализа, формировател  21 граничной частоты,The device consists of a Hall sensor 1, an AC power source 2, a coil 3, a DC stabilizer, a low frequency component shaper 5, a high frequency component shaper 6, a voltage-code converter switch 7, a reversible counter 9 of the dividing device 10, a digital reference devices 11, control devices 12, synchronous detectors 13 and H, amplitude detector 15, switches 16 and 17, frequency meter 18, reference frequency generator 19, analysis unit 20, time generator 21 then you,

измерител  22 поддиапазона , управл ющего триггера 23 и частотнозависимого элемента 2.meter 22 subband, control trigger 23 and frequency-dependent element 2.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

Выходной сигнал U(B Cosytt4-BiQp,) U output (B Cosytt4-BiQp,)

VosSlt S датчика Холла 1 поступает на формирователи 5 и 6 и измеритель частоты 18. Дальнейша  работа устройства зависит от частоты измер емой магнитной индукции Вл/, Если U) У GL , блок 20 анализа устанавливает устройство 12 управлени  в такое состо ние, при котором процесс измерени  состоит из двух тактов. Сигналом начальной установки, поступающим из устройства 12 управлени  на блоки 8, 10, 7 и 16 схема подготавливаетс  к циклу измерени . В первый такт на преобразователь 8 напр жение-код, через переключатель 7 поступает высокочастотна  составл юща  B Costyt у cosfilt Sln/выходного сигнала датчика Холла 1. Она выдел етс  формирователем 6 и через переключатель 16 поступает на синхронный детектор , где преобразуетс  в посто нное напр жение . Код N;«| выходного регистра преобразовател  8 напр жение-код соответствующий измер емой магнитной индукции переменного магнитного пол  В, переписываетс  в делительное устройство 10VosSlt S of the Hall sensor 1 is fed to the formers 5 and 6 and the frequency meter 18. Further operation of the device depends on the frequency of the measured magnetic induction Vl /, If U) Y GL, the analysis unit 20 sets the control device 12 to the state where measurement consists of two cycles. The initial setup signal from control device 12 to blocks 8, 10, 7, and 16 prepares the circuit for the measurement cycle. In the first clock cycle, voltage-voltage transducer 8 transmits through the switch 7 the high-frequency component B Costyt at the cosfilt Sln / output signal of the Hall sensor 1. It is allocated by the driver 6 and through the switch 16 it arrives at the synchronous detector. living Code N; "| the output register of the voltage-code converter 8 corresponding to the measured magnetic induction of an alternating magnetic field B, is copied into a separating device 10

Claims (1)

где К - коэффициент преобразовани  формировател  высокочастот ной составл ющей, Кл коэффициент преобразовани  синхронного детектора, Ко - коэффициент преобразовани  преобразовател  напр жени кодВо второй такт коммутации на пре образователь 8 напр жение-код чер переключатель 7 поступает низкочаст на  составл юща  ,S выход ного сигнала датчика Холла 1. Она выдел етс  формирователем 5 и преоб зуетс  синхронным детектором 13 в посто нное напр жение. Код N выхо ного регистра преобразовател  8 на р жение-код, соответствующий индук ции дополнительного магнитного пол  Вдоп1 переписываетс  в делительное устройство 10. Sl BAon 4 eS де К.- коэффициент преобразовани  формировател  низкочастотной составл ющей; К.- коэффициент преобразовани  синхронного детектора. При поступлении управл ющего си1- нала схемы 12 устройство 10 совершает операцию делени  числа N на число N. Результат делени  при К будет М 4 SK iK2Ko,Iyibyy, Вуу, -ь а5ЧК Ч1у,доп %п Ч Из последнего выражени  видно, чт устройство делени  10 зафиксирует в виде статического кода число импульсов , пропорциональное измер емой индукции магнитного пол  В и не зависит от нестабильности тока питани  датчика, параметров датчика и коэффициентов преобразовани  схемы при стабильных коэффициентах преобразовани  формирователей низкочастотной и высокочастотной составл ющих К, Кд. Если значение индукции дополнительного магнитного пол  прин ть за единицу измерени , то результат измерени  будет пропорционален измер емой индукции переменных магнитных полей. Если ш 51-| блок 20 анализа уста навливает устройство 12 управлени  в такое состо ние, при котором процесс измерени  состоит из трех тактов . Сигналом, поступающих из устройства 12 управлени  на блоки 8, i1 10, 7 и 16 схема подготавливаетс  к циклу измерени . В первый такт на преобразователь 8 напр жение-код через переключатель 7 поступает выходной сигнал датчика Холла и SIy,cosat( + + Вдор) . Он выдел етс  формирователем 6 и черезпереключатель 16 поступает на синхронный детектор 1, где преобразуетс  в посто нное напр жение . Код N выходного регистра преобразовател  8 напр жение-код, пропорциональный измер емому и дополнительному магнитным пол м (+ + Ajon поступает на реверсивный счетчик 9, считающий в пр- мом направлении N.f ( В) .. Во второй такт коммутации на датчик 1 Холла действует только измер емое магнитное поле В со scut, так как устройство 12 управлени  отключает стабилизатор посто нного тока k. Выходной сигнал датчика Холла 1 через переключатель 7 поступает на преобразователь 8 напр жениекод . Код N выходного регистра преобразовател  8 напр жение-код, соответствующий индукции измер емого магнитного пол  , поступает на реверсивный счетчик 9, считающий в обратном направлении -Н(В + Вдоп) -8„К ,К.,К,,К,Кз В третий такт коммутации выходной сигнал датчика 1 Холла B cosWtl S х ifcosSlt, выделенный формирователем 6, поступает на амплитудный детектор 15. Выходной сигнал амплитудного детектора 15, пропорциональный измер емому магнитному полю B ycosbrt, через переключатель 16 поступает на синхронный детектор 1А. Этот сигнал преобразуетс  в посто нное напр жение и через переключатель 7 поступает на преобразователь напр жение-код 8. Код Njj. выходного регистра преобразовател  8 напр жение-код равен . 4 . где Kg- коэффициент преобразовани  амплитудного детектора. При поступлении управл ющего сигнала устройства 12 на входы делительного устройства 10 поступает код NHC преобразовател  8 напр жение-код и код N 2 с реверсивного 7 9. Результат делени  N счетчика равен Nlj Вуу,1у,, Ъ 3 Из последнего выражени  видно, что устройство делени  10 зафиксирует в виде статического кода число импульсов, пропорциональное измер е мой индукции переменного магнитного пол  Вуу, и не зависит от нестабильности тока питани  датчика и коэффициента преобразовани  схемы-при стабильном коэффициенте преобразова- , ни  Kg амплитудного детектора 15 В зависимости от частоты измер е мой магнитной индукции В , определ емой измерителем 18, измеритель 22 поддиапазона выдает команд ный сигнал на управл ющий триггер 23 Если частота измер емой индукции Ш , меньше граничной частоты SL формировател  21 , измеритель 22 поддиапазона устанавливает триггер 23 в нуле вое состо ние. При этом частота источника питани  датчика Холла будет Si-fjS 7 filpp . При увеличении час тотыизмер емой индукции в момент когда U) станет больше SLre, измеритель 22 поддиапазона выдает управл ющий сигнал на единичный вход триггера 23. Последний подключает к источнику 2 переменного тока частотно; зависимый элемент 2, При этом измер етс  частота источника 2 питани . Частота источника ,Таким образом, независимо от частоты измер емой ин |укции Ш , частота источника питани  датчика Холла всегда буде на несколько пор дков отличатьс  от частоты измер емой индукции со, т.е. глубина модул ции всегда будет достаточной дл  выделени  полезного сиг нала с высокой точностью. 18 Использование новых элементов формировател  граничной частоты, измерител  поддиапазона и частотнозависимого элемента выгодно отличает предлагаемое устройство дл  измерени  переменной магнитной индукции от известного,так как позвол ет полностью исключить мультипликативную погрешность , обусловленную нестабильностью параметров датчика Холла, тока питани  и электрических параметров схемы во всем частотном диапазоне измер емой магнитной индукции , где (Ig- верхн   гранична  частота диапазона измер емой магнитной индукции . В этом случае отпадает необходимость в изготовлении высокостабильных источников питани  датчика Холла и термостабилизации датчиков Холла. Это приводит к уменьшению габаритов измерительного зонда, что позвол ет проводить измерение переменных магнитных полей в узких зазорах. Формула изобретени  Устройство дл  измерени  переменной магнитной индукции по авт. св. If 811161, о т л и ча ю щ е е с   тем, что, с целью повышени  точности измерени , в него дополнительно введены последовательно соединенные формирователь граничной частоты, измеритель поддиапазона, .управл ющий тригt ep и частотнозависимый элемент, выход которого подключен ко входу источника переменного тока, а второй вход измерител  поддиапазона подклю; чен к выходу измерител  частоты. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР W 811161, кл. G 01 R 33/06, 1979,where K is the conversion factor of the high frequency component generator, Cl is the conversion coefficient of the synchronous detector, Ko is the conversion ratio of the voltage converter, the code of the second switching cycle to the voltage converter 8, the code-cher switch 7 is supplied low-frequency to the component, S of the sensor output signal Hall 1. It is allocated by shaper 5 and is converted by a synchronous detector 13 to a constant voltage. The N code of the output register of the converter 8 to a voltage – code corresponding to the induction of an additional magnetic field Vdop1 is rewritten into a separating device 10. Sl BAon 4 eS de K. - conversion factor of the low frequency component of the driver; K. is the conversion coefficient of the synchronous detector. Upon receipt of the control signal of the circuit 12, the device 10 performs the operation of dividing the number N by the number N. The result of the division at K will be M 4 SK iK2Ko, Iyibyy, Voo, -5ChCH1u, additional% n H. From the last expression it is clear that the device division 10 will fix in the form of a static code the number of pulses proportional to the measured magnetic field induction B and does not depend on the instability of the sensor supply current, sensor parameters and circuit conversion factors with stable conversion factors of the low-frequency and high-frequency drivers components K, Kd. If the induction value of the additional magnetic field is taken as the unit of measurement, the measurement result will be proportional to the measured induction of the alternating magnetic fields. If w 51- | The analysis unit 20 sets the control device 12 to such a state that the measurement process consists of three cycles. A signal from control unit 12 to blocks 8, i1 10, 7, and 16 prepares the circuit for the measurement cycle. In the first cycle, the voltage-code transducer 8 through the switch 7 receives the output signal of the Hall sensor and SIy, cosat (+ vdor). It is allocated by the driver 6 and through the switch 16 is fed to the synchronous detector 1, where it is converted into a constant voltage. The N code of the output register of the voltage-voltage converter 8 is proportional to the measured and additional magnetic fields (+ + Ajon goes to the reversible counter 9, counting Nf (B) in the forward direction. In the second switching cycle the Hall sensor 1 acts only the measured magnetic field B with scut, since the control device 12 disconnects the dc stabilizer k. The output signal of the Hall sensor 1 through the switch 7 is supplied to the converter 8 with a voltage code. The code N of the output register of the converter 8 has a voltage-code, corresponding to induction of the measured magnetic field, is fed to the reversible counter 9, counting in the opposite direction -H (B + Wre) -8 „K, K., K ,, K, Kz V third switching time output signal of Hall sensor 1 cosWtl S x ifcosSlt, selected by the shaper 6, is fed to the amplitude detector 15. The output signal of the amplitude detector 15, proportional to the measured magnetic field B ycosbrt, through the switch 16 is fed to the synchronous detector 1A. This signal is converted to a constant voltage and through switch 7 is fed to the voltage-code converter 8. Code Njj. the output register of the voltage-code converter 8 is. four . where Kg is the amplitude conversion factor of the amplitude detector. When the control signal of the device 12 arrives at the inputs of the separating device 10, the NHC code of the voltage-code converter 8 and the N 2 code are received from the reversing 7 9. The result of dividing the N counter is Nlj Woo, 1y, b 3. division 10 will fix in the form of a static code the number of pulses proportional to the measurement of the induction of an alternating magnetic field Woo, and does not depend on the instability of the sensor supply current and the conversion coefficient of the circuit — with a stable conversion factor — nor Kg amplitude 15 detector depending on the frequency of the measured magnetic induction B determined by the meter 18, the subband meter 22 issues a command signal to the control trigger 23 If the frequency of the measured induction W is less than the cutoff frequency SL of the driver 21, the subband meter 22 sets the trigger 23 to zero state. The frequency of the power source of the Hall sensor will be Si-fjS 7 filpp. With an increase in the frequency of the measured induction at the moment when U) becomes greater than SLre, the subband meter 22 outputs a control signal to a single trigger input 23. The latter connects frequency to the AC source 2; dependent element 2, whereby the frequency of power supply 2 is measured. The source frequency, therefore, regardless of the frequency of the measured W input, the frequency of the Hall sensor power source will always be several orders of magnitude different from the frequency of the measured induction ω, i.e. the modulation depth will always be sufficient to extract a useful signal with high accuracy. 18 The use of the new elements of the cut-off frequency generator, the subband meter and the frequency-dependent element favorably distinguishes the proposed device for measuring variable magnetic induction from the known one, since it completely eliminates the multiplicative error due to instability of the Hall sensor parameters, power supply current and electrical parameters of the circuit throughout the frequency range measured magnetic induction, where (Ig is the upper limit frequency of the range of the measured magnetic induction. In this In this case, there is no need to manufacture highly stable power sources for the Hall sensor and for thermal stabilization of the Hall sensors, which leads to a reduction in the dimensions of the measuring probe, which makes it possible to measure variable magnetic fields in narrow gaps.Application The device for measuring variable magnetic induction in the If St. 811161 This is due to the fact that, in order to increase the measurement accuracy, the series connected edge frequency generator, the meter under Range, .upravl yuschy trigt ep and a frequency dependent element whose output is connected to the input of the AC power source and a second input subband Con meter; to the frequency meter output. Sources of information taken into account during the examination 1. USSR author's certificate W 811161, cl. G 01 R 33/06, 1979,