Цифровой измеритель магнитной индукции

 

ССЮ3 СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

09) (11) ($y)$ G 01 R 33/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61 ) 15680 1 1, (21) 4677117/21 (22) 11.04.89 (46) 15. 12.91 Бюл. Р 46 (71) Научно-исследовательский институт "Квант" (72) И.П.Смирнов, А.А.0стапов, 0.Т.Чигирин и В).Т.Чигирин (53) 621,317.44(088.3) (56) Авторское свидетельство СССР

К 1568011, кл. G 01 Е 33/06, 1988. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ 21АГНИТНОЙ

ИНДУКЦИИ (57), Изобретение относится к технике . магнитных измерений и может быть ис- пользовано для прецизионного иямерения постоянной магнитной индукции

Изобретение относится к технике магнитных измерений и может быть ис—

;пользовано для прецизионного измерения в широком диапазоне индукции постоянных магнитных полей.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет определения направления магнитной индукции.

На чертеже приведена блок-схема цифрового измерителя магнитной индукции.

Цифровой измеритель магнитной йндукции состоит из датчика 1 Холла, )вирокополосного усилителя 2, источника 3 питания, двух избирательных усилителей 4 и 5, амплитудного детектора 6, сумматора 7, прерывателя 8, делителя 9, блока 10 вычитания, синхронногс детектора 11, формирователя 12, независимо от е "-,;- ения относитьы-с; расположения дат;ик . Холла при одновременном опрей-,-ленни напраaлення магнитной инд.„ .кци . Это позволяет автаматиз.ровать :-gone.ñc измерения и значительно повысить .производительность труд» при снятии топографии устройств сл-.жной конфигурации, когда в процессе измерения изменяется напрявленке ма1нитного поля °

Полоъительньгй зффе ;:т дс.;игаетсг путем введения в устройство форкирователя, двух элементов задержки, четырех триггеров, формирователя длительности,. коммутатора, семи схем И, триггера направления, блока управления

O с соответс".вуюшнми связями. 1 ил. 8 формирователя 13 длительности, триггера 14 напра.аления, злементов 15 ,и 16 задержки„ элементов,И !7 и 18, коммутатора 19, преобразователя 20 напряжение — код, деиифратора 21, цифрового. индикатора 22, блока 23 управления, элементов И ?4 — 30, триггеров 31 - 34, злементов Ш)И 35 и индикаторных ламп 36„. 37 и 38.

Токовье электродь датчика 1 Холла соединены с измерительными выходами коммутатора,9, измерительные входы которого †. ".,инены с сигнальными выходами н,то:;-.ика 3 питания. Потенциальные влек.- оды датчика 1 Холла соединены с широко ::олосным усилителем

2, выход которог=- — с входом первого избирательного усилителе. 4 и вторым входом блока 10 вычитания. Выход пер- вого избирательного усилителя 4 сое1698858

Динен с входом формирователя 12 и входом амплитудного детектора 6, выход которого соединен с первым входом сумматора 7, второй вход которого соединен с выходом синхронного

5 детектора 11.

Сигнальный вход синхронного детектора 11 соединен с выходом второго избирательного усилителя 5, вход кото-1О рого соединен с выходом блока 10 вычитания. Первый вход блока 10 вычитания соединен с выходом делителя 9, вход которого соединен с выходом прерывателя 8, сигнальный нхад которого соединен с нь|ходом сумматора 7.

Управляющий вход прерывателя Я соЕдинен с управляющим входом синхронного детектора 11, упранляющим выходом источника 3 питания и вторыми входами элементов И 17 и 13.

Выход формирователя 12 соединен а входом формирователя 13 длительности, выход которого соединен с третьиМи входами элементов И 17 и 18. 25

Первый вход элемента И 17 соединен с выходом элемента 15 задержки, вход которого соединен с управляющим входом коммутатора 19 и первым выходом триггера 14 направления. Второй

ЗО выход триггера 14 направления соединен с входом элемента 16 задержки, выход которого соединен с пери м входом элемента И 18. Нулевой вход триггера 14 направления соединен с выходом элемента И 17, а единичный вход — 35 выходом элемента И 18.

Нормальнозамкнутый контакт первой группы коммутатора 19 соединен с нормальноразомкнутым контактом второй 40 группы и первым измерительным входом коммутатора 19. Иормально-замкнутый контакт второй группы коммутатора 19 соединен с нормально-разомкнутым контактом первой группы и вторым изме- 45 рительным входом коммутатора 19. 06щий контакт первой группы коммутатора 19 соединен с первым измерительным выходом коммутатора 19. Общий контакт второй группы коммутатора сое- 50 динен со вторым измерительным выхо- . дом коммутатора 19.

Выход сумматора 7 соединен с сигнальным входом преобразователя 20 напряжение - код, выход которого (параллельный код) соединен с вход )11 дешифратора 21 и третьими входами многовходовых элементов И ?4 — 27.

Управляющий вход дешифратора 21 соединен с третьим вых<:дом блока 23 управления и первыми входами элементов И 28, 29 и 30. Вь ход дешифратора 21 (параллельный код) соединен с цифровым индикатором 22, Второй выход блока 23 управления соединен с первыми входами элементов

И 24 — 27, а третий выход — с запускающим входом преобразователя 20 напряжение - код и нулевыми входами триггеров 3 1 — 34.

Второй вход элемента И 24 соединен с вторым выходом триггера 14 направления. Вторые входы элементов И 25,26 и 27 соединены с первым выходом триггера 14 направления.

Выход элемента И 24 соединен с единичным входом триггера 31, выход элемента И 25 — с единичным входом триггера 32, выход элемента И 26 — с единичным входом триггера 33, а выход элемента И 27 — с единичным входом триггера 34.

Выход триггера 31 соединен с первым входом элемента ИЛИ 35, второй вход которого соединен с выходом триггера 32, а выход — с вторым входом элемента И 28. Выход триггера 33 соединен со вторым входом элемента

И 29, Выход триггера 34 соединен с вторым входом элемента И 30.

К элементам И 28 — 30 подсоединены соответственно лампочки 36 — 38.

Работа устройства происходит следующим образом.

Выходной сигнал датчика 1 Холла, усиленный широкополосным усилителем 2 и выделенный избирательным усилителем

4, преобразуется в постоянный сигнал амплитудным детектором 6 и поступает на сумматор 7, к выходу которого подключен преобразователь 20 напряжение— код. о

Кроме того, выходкой сигнал сумматора 7 после преобразования пцерывателем 8 в переменный сигнал с частотой тока питания датчика 1 Холла через делитель 9 поступает на первый вход блока 10 вычитания.

На второй вход блока 10 вычитания поступает сигнал с широкополосного усилителя 2. Разностный сигнал блока

10 вычитания выделяется избирательным усилителем 5 и преобразуется в постоянный сигнал синхронным детектором 11 и поступает на второй (управляющий) вход сумматора 7.

1698858

При изменении коэффициента передачи измерительного тракта, состоящего из избирательного усилителя 4 и амплитудного детектора 6, от номиналь5 ного значения вследствие временной и температурной нестабильности параметров схемы появляется сигнал рассогласования, который суммируется с сигналом амплитудного дегектора 6, либо вычитается из него в сумма-;îðå 7. Т:"..ким образом, тзосстанавливается тсминальнсе значение коэффициента пер:= дачи измерительного тракта,, состся.::: — ;-из избирательно О усилителя 4 и амп::=-.. тудного детектора 6.

При изменении вазы выходного сиI h. ла датчика 1 Холл.-.-. на 18(1 -, форм; ровгатель 12 и форм:.рователь 13 дл .-.ел:-:— ности вырабатывает управляющий сигнал., который изменяет состояние тр;.г-гера 14. Триггер !4 переключает коя. ;1 9, IT 0 IIp di3 r HT к изменению направления (фа зь:) тока питания дат.-:тт— ка 1 Холла, поступающего на токовые элекгроды датчика ": Холла. Изменение направления (фаз=l) тока питания обу:"" ловлено тем, что меняются местами TOковые электроды датчика 1 "îëëà отн-сительно их точек пддключення к вь:-::сд-30

HbIM зажимам источника 3 пита-ия. Изменение направления > (фазы) тока п.--тт- ;— ния датчика 1 Холла приводит к нзм;:. †:ению Лазы выходного сигнала дат-ика

Холла на 183, т.е. к восстановлению

О. фазы выходного cIII нала датчика 1 Холла относительно опорного сигнала.

Таким образом, на входы блока 10 вычитания сигналы поступают в противофазе, что необходимо для нормально- ф го функционирования устройства.

Пусть в момент t направление магнитной индукпии положительное +Б„

Триггер 14 находится в нулевом сос— тоянии. Д

При таком состоянии триггера 14 коммутатор 19 находится в обесто.:енном состоянии. При этом первый выхсдт положительное направление (Aaза) -.îêE

:3G источника 3 питания через нормально— замкнутый контакт второй группы коммутатора 19 соединен с вторым входом датчика 1 Холла, а первый выход — отрицательное направление (ваза) тока

55 истсчника 3 питатп я через нормальнозамкнутый контакт гервой группы коммутатора 19 соединен с первым токовым входом датчика t Холла.

Б этом случае выходной сигнал датчика 1 Холла ла выходе будет

U:l = 1 ..„" àsI := (F .,„c0swt-U c0swt) П ттнэ Т т л тт

ЯДС датчика Холла;

ЗттС датчика Холла; — 1j з1

- " э

1.т:--: „(л напряжение неэквипотенци— алbHO(TH", —.-Ок питания датчика Холла; ч ув =т внт ель но с т ь к индукции,т станка Холла; м;:..-и. - ная индукция; кс эффи циент неэквипстенци\э с г,, фаза Бь|хсдного сигнала датчика

Хо. †.Ля с-,впадает с фазой опорного сиг .а R на упр= -Dля/0. +I"- выходы истйчни

:.са 3 т-..нт,. ния,:-а„=а в,-:;коллег: сигнала ппироконо:.с":того тснтгн-еля 2 и ваза избира—

".ельного ус- =л-ит= .я 2 совпадают по фазе с фазой выходного сигнала датчиm ..-i-.Iирователь .:" .из переменного снг :; †:.E -избирательного усилителя 4 фо! " û:.ует ПОло: II=TEI!ÜIIûé имп5тльc. НОр

J lI,-, Ва Ой- аиплнтзтДЫ. OOHIIßÄSIOÙHÄ HO ф ="-= с О-:.ри:.,—. T;:-. ьной полуволной.

Формирователь . 3 длительности из

Втт1 СКОГО Пслож т:-EЛЬНОГО ИМПУЛЬСа фОР мирует узкий импульс и задерживает

ЕГC СтисоитСЛЬНО т-.ЕРЕДНЕГО фРОНта ШИроксгс импул с.-- Ha время ь < (примерно равно 1/6 ":., периода переменного выходного сигнала датчика Холла), который поступает на вход элементов

И !7 и 18.

Ка вход элементов И 17 и 18 поступает опорный c:II Hàll с источника Э пи--ания. На вход "-лемента И 17 поступа— ..-т разревающий нулевой потенциал с триггера 14. а На вход элемента И 18— разреттающ и единичньгй потенциал с триггера 14. Триггер 14 не изменяет

СВОЕГО Сс=тОЯ ЬИЯ т ПОСКОЛЬКУ На ЕГО входы .не гост=;-sac;- „правляющие сигна-= ". ргвет--в -. - "- e ет- "в И 17 и 18

9л -ме т l",. i 7;-:: —.,".рабатывает поскольку =,.а его в..-эд поступает запрещающий потенциал с триггера 14. Элемент И 18

HE срабатывает; пОсксльку при наличии разрешающего потенциала на его входы

СИ На;тЫ Г ССЭ" УГ авт:- РаЗНОЕ ВР ЕМЯ .

Такое состояние триггер- 14 сохра:.-:=:. тся дс т -.:мента t„ изменения фазы выходно.-с сигнала датчика 1 Холла

1698858 на 180, например, из-за изменения о направления магнитной индукции

Б „=Б cos (wt- и) = (— Е >coswt5

-13мн,сoswt) т. е. фаза выходного сигнала датчика 1

Холла находится в противофазе с опорным сигналом на выходе источника 3 питания .

Таким образом, в момент форми" рователь 13 длительности выдает узкий г1гмпульс на вход элемента И 18. Поскольку на второй вход элемента И 18 в это время поступает опорный сигнал, 15 на третий вход разрешающий потенциап то элемент И 18 срабатывает и выдает сигнал на первый вход триггера 14. Триггер 14 переходит в единичное состояние и включает коммута- -, тор 19.

В этом случае второй выход источНика питания — положительное направ ление тока источника 3 питания подклю-„ чается к первому токовому входу дат- 25 чика 1 Холла, а первый выход — отри гательное направление источника 3 питания подключается к второму токовоМу входу датчика 1 Холла. Таким об разом, выходной сигнал датчика 1 Хол- 30 да на выходе будет

Ц „=U coswt=(F. „созыв+О „ coswt).

Триггер 14 не изменяет своего состояния, поскольку на егo входы не IIo З,г ступают управляющие сигналы с элементов И 17 и 18. Элемент И 18 не срабатывает, поскольку на его вход поступает запрещающий потенциал с тригге— ра 14. Элемент И 17 не срабатывает, 10 поскольку на его входы сигнальг поступают в разное время.

Такое состояние триггера 14 сохраняется до момента t3 изменения фазы выходного сигнала датчика 1 Холла на

180 из-за изменения направления магнитной индукции, + В.

U =U cos(wt-и)=(-К coswt rr гг Щ(П„,н, совыС)

5О т.е. фаза выходного сигнала датчика,1

Холла находится в противофазе с опорным сигналом на выходе источника 3 питания.

Таким образом, в момент t формирователь 13 длительности выдает узкий импульс на третий вход элемента И 17.

Поскольку на второй вход элемента И

17 поступает в это время опорный сигнал, на первый вход — разрешающий потенциал, то элемент И 17 срабатывает и выдает сигнал на второй вход триггера 14. Триггер 14 переходит в нулевое состояние и отключает коммутатор 19.

В этом случае второй выход — положительное направление (фаза) тока источника 3 питания — подклгочается к второму входу датчика 1 Холла, а первый выход — отрицательное направление (фаза) тока источника 3 пптания подкгючается к первому токовому входу датчика 1 Холла. Такгггг образом, выходной сигнал датчика 1 Холла на выходе будет

U <=U coswt=E coswt-U Ä coswt.

61 )(Триггер 14 не изменяет своего сос.тояния, поскольку на его входы не поступают управляющие сигналы с элементов И 17 и 18. Элемент И 17 не срабатывает, поскольку на его вход поступает запрещающий потенциал с триггера 14. Элемент И 18 не срабатывает, поскольку при наличии разрешающего потенциала на его входы сигналы поступают в разное время.

Такое состояние триггера 14 сохраняется до момента t; изменения фазы выходного сигнала датчика Холла на

180 и т.д..

Результат преобразования, храня— щийся в сумматоре 7, поступает на преобразователь 20 напряжение — код.

В преобразователе 20 при поступлении запускающего сигнала с первого выхода блока .?3 управления начинается кодирование поступающего сигнала.. Результат кодирования в виде параллель,ного кода поступает на дешифратор 21 г многовходовые элементы И 24 — 27.

При поступлении управляющего сигнала с третьего выхода блока 23 управления срабатывает дешифратор 21, и результат кодирования считывается цифровым индикатором 22.

Определение направления магнитной индукции производится следующим образом.

Сигналом> поступающим с первого выхода блока 23 управления в нуле ое состояние, устанавливаются тригг ры

31 — 34.

Дальнейшая работа схемы определенггя направления зависит от направления магнитной индукции и соотношения

ЭДС Холла и напряжения неэквипотенциальности, 1698858

1О

При + В, Е„„„оП цэ. При положительном направлении магнитной индукции

+ В, когда (Г,„--1)ш „, ) >,, т. е. при

Е <>U, триггер 14 находится в таком состоянии, что сигнал на его первом выходе является единичным "1", а на. втором выходе — нулевым 0". Поэтому сигнал, поступающий с первого выхода триггера 14 íà элемент И 24, являет— ся разрешающим, а сигнал, поступающий со второго выхода триггера 14 на элемент И 2=, 26 и 27, является запрещающим, При поступлении управляющего сигна-15 ла с второго выхопа блока 23 управления срабатывает многовходовой эле-. мент И 34, настроенный на величину

Е „-U о ). Выходной сигнал многовходового элемента И 24 поступает на еди-20 ничный вход триггера 31 и переводит его в единичное состояние. Выходной сигнал триггера 31 через элемент ИЛИ

35 поступает на элемент И 28. При поступлении управляющего сигнала с 2» третьего выхода блока 23 управления. элемент И 28 срабатывает и .подключает лампочку 36, что соответствует положительному направлению магнитной ии— дукции + В ° ;0

При + В, E „(Б „ . При положитель— ном направлении магнитной индукции

+ В, когда Ещ„(П и, триггер 14 нахо— дится в таком поло><ении, что сигнал на его первом выходе является нулевьЫ ;

"0", а на втором выходе — единичным

"1". Поэтому сигнал, поступающий с первого выхода триггера 14 на элемент

И 24 является запрешающим, а сигнал, поступающий со второго выхода триг- 10 гера 14 на элементы И 25,. 26 и 2?, является разрешающим.

При поступлении управляющего сигнала с второго выхода блока 23 управления срабатывает многовходовый элемент И 25, настроенный на величину

0<(Ещ„-Um<>)(Um< . Выходной сигнал многовходового элемента И 25 поступает на единичный вход триггера 3? и переводит его в единичное состояние.

Выходной сигнал триггера 3? через эле— мент ИЛИ 35 поступает на элемент И 28.

При поступлении управляющего сигнала с третьего выхода блока 23 управления элемент И 28 срабатывает и подключает

° лампочку 36, что соответствует положительному направлению магнитной индукции + В.

При триггер 14 находится в таком положении, что сигнал на его первом выходе является нулевым "J, а на втором выходе — единичным "1". Поэтому сигнал, поступающий с первого выхода триггера 14 на элемент И ?4 является запрещающим, а сигнал, поступающий с второго выхода триггера 14 на элементы

И 25, 26 и 27 — разрешающим.

При поступлении управляющего сигнала с вторсго выхода блока 23 управления срабатывает многовходовой злемен-,. И ?6,: встроенный на величину

U ц>. Выходной сигнал многов ходового элемента И 26 поступает на единичный вход триггера 33 и переводит его в единичнбе состояние. Вьмодной сигнал триггера 33 поступает на элемент И 29.

При поступлении управляющего сигнала с. третьего выхода блока 23 управления элемент И ?9 срабатывает и подключает лампочку 3?, что соответствует условию

В=О.

При — В, (F. +Уши ) Г,„„,. Hpè отрицательном направлении магнитной индукции — В незави-имо от соотношения Е„,), и U<<>, т е. при F.„,„>1)п,„,, и при Е„„ (Ы„,н, триггер 14 находится в таком положении, что сигнал на его первом выходе является нулевым " .)", a. на втором выходе — единичным 1". Поэтому сигнал, поступающий с первого выхода триггера 14 на элемент И ?4, является запрещающим, а сигнал, лов ступающий с второго выхода триггера

14 на элементы И 25, "6 и "7 — разрешающим . о При поступлении управляющего сигнала с второго выхода блока 23 управления срабатывает мн говходовой элемент И 25, настроенный на величину (Е „,+1)„)нз) >U> Выходной сигнал многовходового элемента И 227 поступает на единичный вход триггера 34 и переводит его в единичное состояние. Вы-. ходной сигнал триггера 34 поступает на элемент И 30. При поступлении управляющего сигнала с третьего выхода блока 23 управления элемент И 30 срабатывает и подключает лампочку 38. что соответс.твует отрицательному направлению ма. нитной индукции — В.

Управляющий сигнал на третьем вы ходе блока 23 управления формируется после окончания кодирования в преобразователе 20 напряжение — код.

1698853

Формула изобретения ! цифровой измеритель магнитной индукции по авт. св. 9 1568011, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью

5 расширения функциональных возможностей за счет определения направления магнитной индукции, в него дополнительно введены блок управления, семь элементов И, четыре триггера, элемент 1О и три индикаторные лампы, при э ом первый выход блока управления с единен с входом запуска преобразователя напряжение — код и нулевыми в одами первого, второго, третьего и четвертого триггеров, второй выход блока управления соединен с первыми входами третьего, четвертого, пятого и шестого элементов И, третий выход ! блока управления соединен с управ-! лающим входом дешифратора и первыми входами седьмого, восьмого и девятого элементов И, выходы которых соответственно соединены с индикаторными лампочками, второй вход третьего эле- 25 мента И соединен с вторым выходом триггера направления, вторые входы четвертого, пятого и шестого элементов И соединены с первым выходом триг— гера направления, третьи входы третьего, четвертого, пятого и шестого эле— ментов И соединены с выходом преобразователя напряжение — код, выход третьего элемента И соединен с единичным ! входом первого триггера, выход кото— рого подключен к первому входу элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго триггера, единичный вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, выход элемента ИЛИ соединен с вторым входом седьмого элемента И, выход пятого элемента И соединен с единичным входом третьего триггера, выход которого соединен с вторым входом восьмого элемента И, выход шестого элемента И соединен с единичным входом четвертого триггера, выход, которого соединен с вторым входом девятого элемента И, 1698858

Составитель В.Величкин

Редактор А. Каленнченко Техред А.Кравчук Корректор A.Îáðó÷àð

Заказ 4395 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государствевного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Ио< ква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101