Устройство для измерения индукции переменного магнитного поля

(51)01 33/07 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКЦИИ ПЕРЕМЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Дорошкевич Евгений Адамович Овчинников Владимир Ильич Коваль Ольга Игоревна Шмурадко Валерий Трофимович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Устройство для измерения индукции переменного магнитного поля, содержащее датчик, выполненный в виде трех установленных во взаимно перпендикулярных плоскостях одинаковых преобразователей Холла, блок усиления выходных сигналов указанных преобразователей, соединенный с ним посредством аналого-цифровых преобразователей компьютер блока управления с программным обеспечением для регистрации и обработки полученных сигналов, а также блок питания устройства, отличающееся тем, что блок усиления выходных сигналов содержит три одинаковых двухкаскадных канала усиления,соответствующих указанным преобразователям Холла и выполненных на основе широкополосных многокаскадных усилителей, преобразователи Холла выполнены из и с входным электросопротивлением менее 8 Ом, аналого-цифровые преобразователи установлены в системном блоке указанного компьютера на не менее чем 16-разрядной шине, а датчик помещен во взрывозащищенный герметичный корпус из ненамагничиваемого материала. 9111 1 2007.04.30 Изобретение относится к информационно-измерительной технике, а именно к магнитометрии и предназначено для измерения и визуализации на экране дисплея компьютера трехмерных составляющих вектора индукции магнитного поля от времени в режимеи дальнейшей обработки полученной информации. Проблема измерения магнитных полей как в статике, так и в динамике их развития часто встречается и в технике, и в медицине, и в экологии. Причем в нашем случае требуется определение трехмерных составляющих вектора индукции магнитного поля и их динамики в условиях одиночных или групповых измерений, в широком временном диапазоне общей длительностью до 1 миллисекунды и быстроизменяющимися значениями измеряемых величин с характерными временами порядка 1-10 микросекунд, т.е. полная информация о конфигурации магнитного поля в данный момент времени. И эти задачи уже не могут быть решены на уровне цифровых приборов, широкая номенклатура которых на разных эффектах представлена на потребительском рынке 1. Известно устройство для измерения напряженности магнитного поля, содержащее первый генератор прямоугольных импульсов, феррозонд с сердечником из пермолоя, интегратор, усилитель, пороговый блок, счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, источник тока, ключ 2. Однако вследствие исполнения датчиков в виде феррозондов с сердечником из пермолоя и обмотки, высокая инерционность системы и характер сравнительных измерений компенсирующего поля, вырабатываемого генератором и измеряемого, устройство не позволяет проводить измерения индукции переменного магнитного поля в условиях высокоскоростных процессов с длительностью электромагнитного импульса 1-100 мкс. В силу своего исполнения и отсутствия защиты, устройство не может быть мобильным и использоваться при измерении индукции магнитного поля в условиях взрывной обработки материалов. Известно также устройство 3, содержащее феррозонд, в цепь намагничивающей обмотки которого включен генератор прямоугольных импульсов и последовательно соединены переменный и эталонный резисторы, параллельно которым включен измерительный прибор, а в цепь выходной обмотки феррозонда включены усилитель, интегратор, пороговый блок, и индикаторный прибор. Устройство позволяет измерять постоянные поля ферромагнитных тел в статике, также компенсационным методом. Недостатком устройства является большое время процесса измерения, связанное с ручной регулировкой амплитуды компенсирующего поля, а также невозможность измерять переменные магнитные поля. Еще одним известным устройством является измеритель напряженности переменного магнитного поля 4, содержащий измерительную катушку, соединенную со входом усилителя, выход которого подключен к последовательному соединению катушки отрицательной обратной связи и сопротивления нагрузки, нагруженного на апериодическое звено первого порядка. Выход апериодического звена подключен ко второму входу усилителя. Апериодическое звено состоит из резисторов и конденсатора. Недостатком данного устройства является неустойчивость работы из-за наличия положительной обратной связи усилителя и неравномерность амплитудно-частотных характеристик. Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, к заявляемому является устройство для измерения индукции переменного магнитного поля 5, содержащее датчик,выполненный в виде трех установленных во взаимно перпендикулярных плоскостях одинаковых преобразователей Холла, блок усиления выходных сигналов указанных преобразователей, соединенный с ним посредством аналого-цифровых преобразователей компьютер блока управления с программным обеспечением для регистрации и обработки полученных сигналов и блок питания устройства. Однако данное устройство требует проведения многократных измерений в каждой точке, а это трудоемкий процесс и требует больших временных затрат. Кроме того, используемая методика статистического анализа не позволяет получать распределений, характеризующих мгновенное состояние переменного магнитного поля в динамике взрывной обработки материалов. Сложная механическая система устройства не позволяет использовать его при измерениях индукции магнитного поля вблизи эпицентра взрыва в режиме реального времени. 2 9111 1 2007.04.30 В основу изобретения положена задача упрощения устройства и технического контроля за развитием взрыва при динамической обработке материалов энергией взрыва, измерением составляющих индукции магнитного поля вблизи эпицентра взрыва в реальном времени комплектом миниатюрных датчиков Холла, расположенных во взрывозащищенном, ненамагничиваемом корпусе по трем взаимно перпендикулярным плоскостям, упрощение и создание мобильного устройства. Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения индукции переменного магнитного поля, содержащем датчик, выполненный в виде трех установленных во взаимно перпендикулярных плоскостях одинаковых преобразователей Холла, блок усиления выходных сигналов указанных преобразователей, соединенный с ним посредством аналого-цифровых преобразователей компьютер блока управления с программным обеспечением для регистрации и обработки полученных сигналов и блок питания устройства, согласно изобретению, блок усиления выходных сигналов содержит три одинаковых двухкаскадных канала усиления, соответствующих указанным преобразователям Холла и выполненных на основе широкополосных многокаскадных усилителей, преобразователи Холла выполнены из и с входным электросопротивлением менее 8 Ом, аналого-цифровые преобразователи установлены в системном блоке указанного компьютера на не менее чем 16-разрядной шине, а датчик помещен во взрывозащитный герметичный корпус из ненамагничиваемого материала. Выбор датчиков и схемы регистрации обусловлены, как диапазоном индукции магнитных полей, возникающих при взрыве на расстоянии 10 см от эпицентра взрыва взрывчатки массой 100-200 грамм аммонита, который составляет до 100 мТл в пике, так широкими возможностями регистрации процессов в динамике. Небольшое входное электросопротивление (менее 8 ом) и высокая магнитная чувствительность преобразователей Холла из специально разработанных в сочетании с миниатюрностью (магниточувствительная область 0,10,10,003 мм и размер кристалла 0,50,50,3 мм) позволяют упростить устройство и обеспечить необходимую точность измерений в микросекундном диапазоне интервалов времени. Анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство принципиально отличается как по исполнению - наличием новых блоков коммутации, аналого-цифровых преобразователей (АЦП), их связями с остальными элементами, компьютерной обработкой сигналов, так и датчиками Холла специального исполнения для решения конкретных задач. Эффект Холла и датчики на его основе широко известны. Однако их оригинальное исполнение с использованием новых полупроводниковых материалов и применение в сочетании с остальными элементами схемы, позволяют получать новые результаты измерения приводящие к повышению быстродействия измерения за счет высокой чувствительности датчиков компьютерной обработки сигналов. Анализ сферы применения данного устройства в условиях взрывной обработки материалов, позволяет сделать вывод об отсутствии устройств аналогичного применения. На фигуре представлена структурная схема устройства для измерения индукции магнитного поля. Устройство для измерения индукции переменного магнитного поля (фигуре) содержит блок 1 первичных преобразователей (датчиков) Холла в количестве трех штук, размещенных в трех взаимно перпендикулярных плоскостях , , , в герметичном ненамагничиваемом корпусе, выход которых соединен с блоком усиления выходных сигналов первичных преобразователей 2, содержащий четыре двухкаскадных широкополосных усилителя, питающихся от аккумуляторного блока питания 3, через разветвительную коробку 4, связывающую блок коммутации 5 с платами АЦП, системным блоком 6 с выходом на монитор 7 и управлением мышкой 8 и с клавиатуры 9 программой запуска и обработки сигналов. Питание устройства осуществляется от сети через блок питания 10. Устройство работает следующим образом. Измерения составляющих вектора индукции переменного магнитного поля В, т.е. Вх, ,в декартовой системе координат , ,3 9111 1 2007.04.30 осуществляются с использованием блока - 1 первичных преобразователей Холла, размещенных в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, нормаль к которым проходит по осям , ,соответственно. Датчики размещены в центре защитного корпуса в форме куба, в соответствие с указанными осями , , . Датчики Холла, выбирались (разбраковывались) из партии с близкими характеристиками по магнитной чувствительности, разброс которой не превышал 1 . Сигналы по каждому из каналов , ,подаются соответственно на первый и второй каскады соответствующего блока усиления 2, питание которых осуществляется от аккумуляторного блока питания 3. Далее сигналы с выхода усилителя каналов , ,через разветвительную коробку 4 и блоки коммутации и сопряжения 5 подаются на соответствующие входы плат АЦП системного блока компьютера-6, с которого сигналы в графическом виде регистрируются на мониторе 7 компьютера. Управления запуском программы регистрации и обработки данных осуществляется с помощью клавиатуры 9 и мышки 8. Основная погрешность измерения не превышает 5 . Параметры блока усилителей. Блок усилителей состоит из трех каналов , и , усиливающих входные сигналы от датчиков Холла. Токовые выводы датчиков Холла соединены последовательно. Каждый канал , ивыполнен двухкаскадным. В основе первого каскада лежит дифференциальный усилитель, выполненный на основе ОУ типа 5442 в бескорпусном варианте исполнения. Коэффициент усиления первого каскада - (10 0,2). Второй каскад усилителя функционирует с использованием такого же ОУ. Коэффициент усиления второго каскада (9,43 0,2). При наладке усилителей использовалась разбраковка и подгонка резисторов, с целью обеспечения идентичности всех каналов усиления. Параметры платы АЦП. Количество разрядов - 10 (или 12) частота выборок - 10 МГц количество каналов - 2 объем буферного ОЗУ - 64 К слов на канал внешняя/внутренняя синхронизация вход/выход синхроимпульса прерывание по готовности массива 4 линии цифрового ввода и вывода тип используемой шины -(шестнадцатиразрядная). Основой платы является микросхема АЦП 802 фирмы -. Аналоговая часть платы содержит буферный усилитель типа 830 фирмы. По устойчивости к воздействию атмосферного давления комплекс соответствует группе Р 1, в соответствии с ГОСТ 12997-84. Таким образом, экспериментальные исследования по измерению индукции переменного магнитного поля, индуцируемого в результате взрывной обработки металлов показали, что по сравнению с прототипом, устройство позволяет измерять индукцию переменного магнитного поля по трем его направлениям одновременно в любой точке вблизи от эпицентра взрыва и в любой момент времени в широком диапазоне частот и обеспечивает повышение быстродействия измерений за счет регистрации импульсов в реальный момент времени, избежав при этом трудоемкого процесса обработки информации в результате прямой передачи ее в персональный компьютер и использования программного обеспечения. Источники информации 1. Чечурина Е.Н. Приборы для измерения магнитных величин. - М. Энергия, 1969. 2. Патент РФ 2154280, МПК 01 33/02, 1998. 3. А. с. СССР 525902, МПК 01 33/02, 1976. 4. Патент РФ 2178570, МПК 01 33/02, 2000. 5. Патент США 6611142 В 1, 2003. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4