Устройство для измерения напряженности магнитного поля

Авторы патента:

G01R33 - Устройства для измерения переменных магнитных величин

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для магнитных измерений, в дефектоскопии и других областях науки и техники. Техническим результатом полезной модели является снижение погрешностей измерения, достигаемое тем, что устройство для измерения напряженности магнитного поля содержит последовательно соединенные генератор возбуждения, феррозондовый преобразователь с возбуждающей и сигнальной обмотками, линию задержки, сумматор, первый вход которого соединен с выходом линии задержки, второй вход - с сигнальной обмоткой, подключенной к входу линии задержки, выход сумматора подключен к входу резонансного усилителя, делительное устройство, первый вход которого подключен к выходу резонансного усилителя, второй вход - к выходу устройства возведения в квадрат, вход которого присоединен к выходу генератора возбуждения, выход делительного устройства присоединен к детектору и измерительному прибору.

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использовано для магнитных измерений, в дефектоскопии и других областях науки и техники.

Известен феррозондовый магнитометр [Семенов И.М., Яковлев Н.И. Цифровые феррозондовые магнитометры. Л., «Энергия», 1978, с.5-10], содержащий магнитомодуляторный преобразователь, в котором используется одноэлементный феррозонд, намагничивающая обмотка которого подключена к генератору возбуждения, а измерительная обмотка - к входу избирательного (резонансного) усилителя, настроенного на вторую гармонику генератора возбуждения. Выход усилителя соединен с детектором, подключенным к измерительному прибору.

Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная необходимостью выделения сигнала второй гармоники на фоне нечетных гармоник, в частности, 1-й и 3-й, являющихся помехой, а также применение сложных избирательных усилителей.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является устройство [Авторское свидетельство СССР 1078368, кл. G01R 33/02, 1984], содержащее последовательно соединенные генератор возбуждения и магнитомодуляционный преобразователь (феррозондовый преобразователь) в виде пермаллоевого стержня с намотанными поверх него обмоткой возбуждения и сигнальной обмоткой, а также линию задержки, и сумматор, первый вход которого соединен с выходом линии задержки, второй вход - с сигнальной обмоткой, подключенной к входу линии задержки, а выход сумматора подключен к входу резонансного усилителя, к выходу которого подключен детектор и измерительный прибор.

Недостатком известного устройства является низкая точность из-за нестабильности выходного напряжения генератора возбуждения и температуры окружающей среды.

Задача, положенная в основу полезной модели состоит в повышении точности измерений.

Техническим результатом полезной модели является снижение погрешностей измерения, достигаемое тем, что устройство для измерения напряженности магнитного поля содержит последовательно соединенные генератор возбуждения, феррозондовый преобразователь с возбуждающей и сигнальной обмотками, линию задержки, сумматор, первый вход которого соединен с выходом линии задержки, второй вход - с сигнальной обмоткой, подключенной к входу линии задержки, выход сумматора подключен к входу резонансного усилителя, делительное устройство, первый вход которого подключен к выходу резонансного усилителя, второй вход - к выходу устройства возведения в квадрат, вход которого присоединен к выходу генератора возбуждения, выход делительного устройства присоединен к детектору и измерительному прибору.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, состоящего из генератора возбуждения 1, выход которого подсоединен к обмотке возбуждения феррозондового преобразователя 2, сигнальная обмотка которого подсоединена к входу линии задержки 3, сумматора 4, к первому входу которого подсоединен выход линии задержки 3, а ко второму входу - сигнальная обмотка феррозондового преобразователя 2, выход сумматора 4 соединен с входом резонансного усилителя 5, выход которого соединен с первым входом делительного устройства 6, а со вторым входом делительного устройства 6 соединен выход устройства возведения в квадрат 7, вход которого присоединен к выходу генератора возбуждения 1. Выход делительного устройства 6 последовательно соединен с детектором 8 и измерительным прибором 9.

Устройство работает следующим образом.

Генератор возбуждения 1 перемагничивает сердечник феррозондового преобразователя 2. Напряжение с сигнальной обмотки, пройдя через линию задержки 3, сумматор 4 и резонансный усилитель 5, содержит только вторую гармонику, несущую информацию об измеряемом магнитном поле H₀ [Афанасьев Ю.В. Феррозонды. Л., «Энергия», 1969, с.7-10]

e₂=6bsw₂H₀H_m²sin2t,

где e₂ -напряжение второй гармоники;

- частота генератора возбуждения;

b - коэффициент аппроксимации петли гистерезиса сердечника;

s - площадь сечения сердечника;

w₂ - число витков сигнальной обмотки;

H₀ - напряженность измеряемого поля;

H_m - амплитуда магнитного поля возбуждения.

Амплитуда второй гармоники E_2m=6bsw₂H_m²H₀ пропорциональна не только напряженности измеряемого поля H₀, но и квадрату амплитуды магнитного поля возбуждения H_m, а также зависит от частоты и параметров сердечника

где k=6bsw₂ - коэффициент пропорциональности.

Амплитуда магнитного поля возбуждения H_m, являющаяся в данном случае помехой, в свою очередь, зависит от намагничивающего тока I_m

, или

где ₁ - число витков обмотки;

l - длина сердечника;

U_m - амплитуда напряжения генератора возбуждения;

Z₁ - сопротивление обмотки возбуждения;

- коэффициент пропорциональности.

Из выражений (1) и (2) следует, что нестабильность напряжения U_m значительно влияет на погрешность измерения напряженности измеряемого магнитного поля H₀, поскольку чувствительность феррозондового преобразователя 2 зависит от квадрата напряжения генератора возбуждения U²_m.

Для снижения этой погрешности предлагается измерять не абсолютное значение амплитуды второй гармоники E_2m, а ее отношение к квадрату амплитуды напряжения генератора возбуждения U²_m, в этом случае чувствительность не будет зависеть от U_m. Для реализации этого способа измерения в схему введены делительное устройство 6 и устройство возведения в квадрат 7, вход которого присоединен к выходу генератора возбуждения 1, а выход - ко второму входу делительного устройства 6, первый вход которого соединен с выходом резонансного усилителя 5, настроенного на вторую гармонику. При этом напряжение U_d на выходе делительного устройства 6, следовательно, и результат измерений не зависит от H_m:

Напряжение U_d выпрямляется детектором 8 и подается на измерительный прибор 9.

Для выполнения устройства возведения в квадрат 7 и делительного устройства 6 могут быть использованы микросхемы КР 525ПС3, осуществляющие указанные операции с погрешностью не более 0,25%.

Устройство для измерения напряженности магнитного поля, содержащее детектор и измерительный прибор, а также последовательно соединенные генератор возбуждения, феррозондовый преобразователь с возбуждающей и сигнальной обмотками, линию задержки и сумматор, первый вход которого соединен с выходом линии задержки, второй вход - с сигнальной обмоткой, подключенной к входу линии задержки, выход сумматора подключен к входу резонансного усилителя, отличающееся тем, что введено делительное устройство и устройство возведения в квадрат, причем первый вход делительного устройства подключен к выходу резонансного усилителя, второй вход - к выходу устройства возведения в квадрат, выход которого подключен к выходу генератора возбуждения, а выход делительного устройства присоединен к детектору.