Результат интеллектуальной деятельности: ЦИФРОВОЙ ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР

Изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам и может быть использовано для измерения трех ортогональных компонент вектора индукции магнитного поля Земли и выдачи сигналов, пропорциональных измеренным компонентам в виде цифрового кода.

Известно устройство для измерения напряженности магнитного поля по RU 2155968 C2 от 10.09.2000 г., МПК: G01R 33/02, содержащее генератор прямоугольных импульсов, феррозонд с сердечником, выполненным из пермаллоя с петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности, близким к единице, к выходной обмотке которого подключен интегратор. Выход интегратора соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом порогового блока. Первый логический элемент И последовательно соединен с первым реверсивным счетчиком импульсов, цифроаналоговым преобразователем, управляемым источником тока, ключом и обмоткой возбуждения феррозонда. Второй вход первого реверсивного счетчика импульсов и первый вход первого логического элемента И соединены с выходом порогового блока, второй логический элемент И и второй реверсивный счетчик импульсов. Выход генератора подключен к первым входам второго логического элемента И и второго реверсивного счетчика импульсов, выход второго логического элемента И подключен к вторым входам первого логического элемента И, второго реверсивного счетчика импульсов и ключа, третий вход второго реверсивного счетчика импульсов присоединен к выходу первого реверсивного счетчика импульсов, а выход - ко второму входу второго логического элемента.

Недостатком данного устройства является, несмотря на дополнительные элемент И и реверсивный счетчик, сложная схема преобразования и отсутствие возможности настройки нуля для измерения абсолютного значения компонент вектора индукции магнитного поля.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является феррозондовый магнитометр по RU 2316781 С1, 10.02.2008, МПК: G01R 33/02, включающий в себя задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока, первый выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех устройств выборки-хранения, выходы которых соединены с входами трех аналого-цифровых преобразователей. Этот феррозондовый магнитометр выбран в качестве прототипа.

Недостатком данного магнитометра является низкая скорость измерения компонент вектора индукции магнитного поля.

Задачей настоящего изобретения является повышение быстродействия цифрового феррозондового магнитометра.

Для достижения поставленной задачи в цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока, выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех избирательных усилителей, выходы которых соединены с входами трех устройств выборки-хранения, первые выходы которых соединены со вторыми входами трех феррозондов, введены три мультиплексора и три инвертора входы которых соединены с третьими выходами трех устройств выборки-хранения, а выходы соединены со вторыми входами трех мультиплексоров, первые входы которых соединены со вторыми выходами трех устройств выборки-хранения, а выходы соединены с входами трех аналого-цифровых преобразователей.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема цифрового феррозондового магнитометра, на фиг.2 - эпюры напряжений схемы одного канала цифрового феррозондового магнитометра.

Цифровой феррозондовый магнитометр состоит из формирователя 1 синусоиды (ФС), феррозондов 2, 3, 4 (ФЗ), избирательных усилителей 5, 6, 7 (ИУ), устройств выборки-хранения 8, 9, 10 (УВХ), аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13 (АЦП), логического блока 14 (ЛБ), задающего генератора 15 (ЗГ), инверторов 16, 17, 18 (И) и мультиплексоров 19, 20, 21 (М). Формирователь 1 синусоиды, логический блок 14 и задающий генератор 15 являются общими для всех трех измерительных каналов.

Устройство работает следующим образом.

Измерение трех компонент вектора индукции магнитного поля производится тремя независимыми каналами X, Y и Z. Все каналы выполнены по идентичным схемам. Рассмотрим работу одного канала X. Частота с задающего генератора 15 поступает на логический блок 14, в котором формируются сетки частот, поступающие на формирователь синусоиды 1 и на управление устройством выборки хранения 8. В логическом блоке 14 также формируется сигнал для управления аналого-цифрового преобразователя 11 и мультиплексора 19. В формирователе 1 цифровым способом формируется синусоидальное напряжение Uв с частотой fв=10 кГц, которое подается на обмотку возбуждения феррозонда 2. Феррозонд преобразовывает воздействующий на него внешний сигнал (проекцию вектора индукции магнитного поля на его продольную ось) в э.д.с. переменного тока, содержащую четные гармоники частоты сигнала возбуждения. Амплитуда этой э.д.с. пропорциональна значению индукции магнитного поля, а фаза изменяется на π радиан при изменении направления вектора индукции поля на 180°. В выходной э.д.с. феррозонда присутствует также помеха, имеющая в спектре нечетные гармоники.

Избирательный усилитель 5 предназначен для выделения из общего спектра сигнала, поступающего с измерительной обмотки феррозонда 2, напряжения второй гармоники и усиления его до требуемого значения. Коэффициент усиления на резонансной частоте (fp=20 кГц)-Кр=5000. Полоса пропускания - 2Δf=1800 Гц. Коэффициент передачи на частотах первой и третьей гармоник частоты возбуждения феррозонда 2 не более 30 и 10 соответственно.

Таким образом, избирательным усилителем 5 из выходной э.д.с. феррозонда выделяется вторая гармоника 2fв=20 кГц, которая усиливается до значения Uф и затем подается на устройство выборки-хранения 8.

С помощью логического блока 14 в устройстве выборки-хранения 8 четыре раза за период происходит запоминание определенного значения Uф, пропорционального соответствующей проекции вектора индукции магнитного поля. Увеличение количества циклов записи в устройстве выборки-хранения стало возможным благодаря введению в схему канала, показанную на фиг.2, инвертора и мультиплексора. На фиг.2 показано, что измерение происходит четыре раза в течение одного периода измеряемого напряжения U_ф. В конкретном случае - первый раз на отрицательной полуволне измеряемого напряжения U_ф в момент t, второй раз на отрицательной полуволне измеряемого напряжения U_ф в момент T/2-t, третий раз на положительной полуволне измеряемого напряжения U_ф в момент T/2+t и четвертый раз на положительной полуволне измеряемого напряжения U_ф в момент T-t, где Т - период измеряемого напряжения U_ф. Измеренные напряжения U_t и U_T/2-t, в моменты времени t, T/2-t поступают на первый вход мультиплексора 19, а напряжения U_T/2+t и U_T-t в моменты времени T/2+t и T-t поступают на вход инвертора 16. С выхода инвертора 16 напряжения -U_T/2+t и -U_T-t поступают на второй вход мультиплексора 19. Первый вход мультиплексора открыт в течение первой полуволны измеряемого напряжения U_ф, а второй вход мультиплексора открыт в течение второй полуволны измеряемого напряжения U_ф. В результате, на вход аналого-цифрового преобразователя 11 в течение первой полуволны измеряемого напряжения U_ф с выхода мультиплексора 19 поступают напряжения U_t и U_T/2-t в моменты времени t, T/2-t, а в течение второй полуволны измеряемого напряжения U_ф, проинвертированные напряжения -U_T/2+t и -U_T-t в моменты времени T/2+t и T-t. В аналого-цифровом преобразователе 11 эти напряжения преобразуются в цифровые коды Nx, пропорциональные соответствующей компоненте вектора индукции магнитного поля в моменты времени t, T/2-t, T/2+t и T-t.

Принцип работы канала Y, состоящего из феррозонда 3, избирательного усилителя 6, устройства выборки-хранения 9, инвертора 17, мультиплексора 20, аналого-цифрового преобразователя 12 и канала Z, состоящего из феррозонда 4, избирательного усилителя 7, устройства выборки-хранения 10, инвертора 18, мультиплексора 21 и аналого-цифрового преобразователя 13, аналогичен принципу работы канала X.

Таким образом, измерение компонент векторов индукции магнитного поля происходит четыре раза за период измеряемого напряжения, что в четыре раза чаще, чем в прототипе.

Процессы формирования напряжения питания, выборки-хранения и аналого-цифрового преобразования синхронизированы частотой задающего генератора 15.

Введение трех мультиплексоров и трех инверторов позволило в четыре раза повысить частоту измерения напряжений, пропорциональных компонентам вектора индукции магнитного поля.

Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.

Выполнено электронное моделирование схемы устройства в среде пакета OrCAD 16.3. Результаты моделирования свидетельствуют о достижении поставленной задачи. ОАО «ИСС» предполагает использовать это техническое решение на штатных изделиях.