Магнитометр

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Матюк Владимир Федорович Пинчуков Дмитрий Анатольевич Кратиров Валерий Борисович Бурак Вероника Анатольевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Магнитометр, содержащий феррозондовый преобразователь, последовательно соединенную цепочку из первого усилителя, первого фильтра, синхронного детектора и первого интегратора, индикатор и источник питания, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен источником тока, подсоединенным между выходом первого интегратора и первым выводом измерительной обмотки феррозондового преобразователя, между которым и входом первого усилителя подсоединен конденсатор, микроконтроллером, первый выход которого подсоединен к последовательно соединенной цепочке из усилителя-ограничителя, второго интегратора, обмотки возбуждения феррозондового преобразователя и первого резистора, последовательно соединенной цепочкой из второго резистора, второго фильтра, второго усилителя, аналого-цифрового преобразователя, выход которого подсоединен к первому входу микроконтроллера, второй выход которого подсоединен к индикатору, а вход второго фильтра подсоединен ко второму выводу измерительной обмотки феррозондового преобразователя, цепочкой из последовательно соединенных между собой и подключенных к источнику питания третьего и четвертого резисторов, общая точка соединения которых подключена ко второму входу микроконтроллера, блоком -выхода и блоком памяти, соединенными соответственно с первым и вторым портами обмена информацией микроконтроллера, панелью управления, соединенной с третьим входом микроконтроллера,третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены с управляющими входами соответственно второго усилителя, аналого-цифрового преобразователя, синхронного детектора и первого интегратора, а третий резистор совмещен с феррозондовым преобразователем.(56) 1. Комаров Е.В., Покровский А.Д., Сергеев В.Г., Шихин А.Я. Испытания магнитных материалов и систем / Под ред. А.Я. Шихина. - М. Энергоатомиздат, 1984. - С. 93. 2. Комаров Е.В., Покровский А.Д., Сергеев В.Г., Шихин А.Я. Испытания магнитных материалов и систем / Под ред. А.Я. Шихина. - М. Энергоатомиздат, 1984. - С. 94. 3. А.с. СССР 998934, 1983. Полезная модель относится к области измерения магнитных полей и, в частности, может быть использована на машиностроительных и металлургических предприятиях для неразрушающего контроля механических свойств и для определения степени намагниченности ферромагнитных материалов и изделий. Известно устройство 1 для измерения индукции магнитного поля, содержащее феррозондовый преобразователь, обмотка возбуждения которого соединена с генератором переменного тока, а измерительная обмотка соединена с избирательным усилителем, настроенным на вторую гармонику питающего напряжения и соединенному через детектор к регистрирующему прибору. Недостатком данного устройства является его низкие метрологические характеристики и необходимость использования отдельных каналов измерения для каждого типа преобразователя. Известно также устройство 2 для измерения индукции магнитного поля, содержащее феррозондовый преобразователь, задающий генератор, первый выход которого через последовательно соединенные делитель частоты и генератор переменного синусоидального тока соединен с обмоткой возбуждения феррозондового преобразователя, измерительная обмотка которого соединена с избирательным усилителем, настроенным на вторую гармонику питающего напряжения и соединенным через фазочувствительный детектор,управляющий вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, и регистрирующий прибор с обмоткой отрицательной обратной связи, намотанной поверх измерительной обмотки феррозондового преобразователя. Недостатком данного устройства является необходимость использования специальной обмотки отрицательной обратной связи и отдельных каналов измерения для каждого типа преобразователя. Наиболее близким по технической сущности к настоящей полезной модели является импульсный магнитный анализатор 3, измерительный блок которого содержит генератор, соединенный с ним феррозонд-градиентометр, подключенный к селективному усилителю, выход которого соединен со входом синхронного детектора, управляющий вход которого связан с генератором, интегратор, вход которого соединен с выходом синхронного детектора, а выход через индикатор соединен с двумя соединенными последовательновстречно идентичными катушками, расположенными соосно и симметрично относительно феррозонда-градиентометра. Недостатком данного устройства являются большие размеры преобразователя и большая потребляемая мощность цепи компенсации ввиду наличия дополнительных катушек,охватывающих феррозонд-градиентометр, необходимость отдельных каналов измерения при использовании нескольких типов преобразователей, например при использовании преобразователя для измерения нормальной и преобразователя для измерения тангенциальной составляющих градиента магнитного поля, а также отсутствие автоматического и дистанционного выбора поддиапазона измерения и дистанционного съема результатов измерения. Задачей настоящей полезной модели является снижение габаритов феррозондового преобразователя и потребляемой мощности, автоматический и дистанционный выбор поддиапазона измерения, дистанционный съем результатов измерения и возможность 2 42952008.04.30 подключения различных типов феррозондовых преобразователей без введения дополнительных каналов измерения. Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что она содержит феррозондовый преобразователь, последовательно соединенную цепочку из первого усилителя,первого фильтра, синхронного детектора и первого интегратора, индикатор, источник питания, источник тока, подсоединенный между выходом первого интегратора и первым выводом измерительной обмотки феррозондового преобразователя, между которым и входом первого усилителя подсоединен конденсатор, микроконтроллер, первый выход которого подсоединен к последовательно соединенной цепочке из усилителя-ограничителя, второго интегратора, обмотки возбуждения феррозондового преобразователя и первого резистора, последовательно соединенную цепочку из второго резистора, второго фильтра, второго усилителя, аналого-цифрового преобразователя, выход которого подсоединен к первому входу микроконтроллера, второй выходкоторого подсоединен к индикатору, а вход второго фильтра подсоединен ко второму выводу измерительной обмотки феррозондового преобразователя, цепочку из последовательно соединенных между собой и подключенных к источнику питания третьего и четвертого резисторов, общая точка соединения которых подключена ко второму входу микроконтроллера, блок -выхода и блок памяти, соединенные соответственно с первым и вторым портами обмена информацией микроконтроллера, панель управления, соединенную с третьим входом микроконтроллера, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены с управляющими входами соответственно второго усилителя, аналого-цифрового преобразователя,синхронного детектора и первого интегратора, а третий резистор совмещен с феррозондовым преобразователем. В отличие от известного в предлагаемом устройстве дополнительно введены источник тока, подсоединенный между выходом первого интегратора и первым выводом измерительной обмотки феррозондового преобразователя, между которым и входом первого усилителя подсоединен конденсатор, микроконтроллер, первый выход которого подсоединен к последовательно соединенной цепочке из усилителя-ограничителя, второго интегратора, обмотки возбуждения феррозондового преобразователя и первого резистора, последовательно соединенная цепочка из второго резистора, второго фильтра, второго усилителя, аналого-цифрового преобразователя, выход которого подсоединен к первому входу микроконтроллера, второй выход которого подсоединен к индикатору, а вход второго фильтра подсоединен ко второму выводу измерительной обмотки феррозондового преобразователя, цепочка из последовательно соединенных между собой и подключенных к источнику питания третьего и четвертого резисторов, общая точка соединения которых подключена ко второму входу микроконтроллера, блок -выхода и блок памяти, соединенные соответственно с первым и вторым портами обмена информацией микроконтроллера, панель управления, соединенная с третьим входом микроконтроллера, третий,четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены с управляющими входами соответственно второго усилителя, аналого-цифрового преобразователя, синхронного детектора и первого интегратора, а третий резистор совмещен с феррозондовым преобразователем, что позволило уменьшить размеры феррозондового преобразователя и снизить потребляемую мощность цепи компенсации, устранило необходимость отдельных каналов измерения при использовании нескольких типов преобразователей, обеспечило автоматический и дистанционный выбор поддиапазона измерения и дистанционный съем результатов измерения. На фигуре представлена функциональная схема устройства по заявке. Магнитометр содержит феррозондовый преобразователь 1, первый резистор 2, второй резистор 3, третий резистор 4, второй фильтр 5, четвертый резистор 6, второй интегратор 7, конденсатор 8, первый усилитель 9, второй усилитель 10, усилитель-ограничитель 3 42952008.04.30 11, первый фильтр 12, аналого-цифровой преобразователь 13, синхронный детектор 14,блок 15 -выхода, микроконтроллер 17, блок 18 памяти, источник 19 тока, индикатор 20, панель 21 управления и блок 22 питания. Первый вывод измерительной обмотки феррозондового преобразователя 1 подсоединен к последовательно соединенной цепочке из конденсатора 8, первого усилителя 9, первого фильтра 12, синхронного детектора 14, первого интегратора 16 и источника 19 тока и к выходу этого источника. Первый выход микроконтроллера 17 подсоединен к последовательно соединенной цепочке из усилителя-ограничителя 11, второго интегратора 7, обмотки возбуждения феррозондового преобразователя 1 и первого резистора 2. Второй резистор 3, второй фильтр 5, второй усилитель 10, аналого-цифровой преобразователь 13 и первый вход микроконтроллера 17 соединены последовательно, второй выход микроконтроллера 17 соединен с индикатором 20, а вход второго фильтра 5 подсоединен ко второму выводу измерительной обмотки феррозондового преобразователя 1. Третий резистор 4 и четвертый резистор 6 соединены между собой последовательно и подключены к источнику 22 питания, а их общая точка соединения подключена ко второму входу микроконтроллера 17. Блок 15 -выхода и блок 18 памяти соединены соответственно с первым и вторым портами обмена информацией микроконтроллера 17, а панель управления 21 соединена с его третьим входом. Третий, четвертый, пятый и шестой выходы микроконтроллера 17 соединены с управляющими входами соответственно второго усилителя 10, аналого-цифрового преобразователя 13, синхронного детектора 14 и первого интегратора 16, а третий резистор 4 совмещен с феррозондовым преобразователем 1. Работает магнитометр следующим образом. При включении блока 22 питания микроконтроллер 17 определяет тип преобразователя по величине напряжения, снимаемого с третьего резистора 4, вырабатывает импульсы заданной частоты, из которых усилитель-ограничитель 11 формирует прямоугольные импульсы этой же частоты и требуемой амплитуды, которые интегратор 7 преобразует в импульсы треугольной формы для питания обмотки возбуждения феррозондового преобразователя 1. Первый резистор 2 служит для контроля необходимого тока возбуждения феррозондового преобразователя 1. При помещении феррозондового преобразователя 1 в магнитное поле в его измерительной обмотке возникает измерительный сигнал, который подается через конденсатор 8 на первый усилитель 9, где усиливается до требуемого для дальнейшей обработки уровня. Первый фильтр 12 из усиленного сигнала выделяет вторую гармонику, амплитуда которой прямо пропорциональна напряженности или градиенту напряженности измеряемого магнитного поля. Отфильтрованный сигнал поступает на вход синхронного детектора 14, который управляется сигналом с пятого выхода микроконтроллера 17. Импульсы управления имеют прямоугольную форму, а их частота равна частоте второй гармоники измеряемого сигнала. После детектирования сигнал интегрируется первым интегратором 16 и регулирует величину постоянного тока источника 19 тока, который поступает в измерительную обмотку феррозондового преобразователя 1. Конденсатор 8 служит для развязки цепей переменного и постоянного токов. При таком включении измерительной обмотки за счет отрицательной обратной связи происходит компенсация измеряемого магнитного поля, причем ток компенсации пропорционален величине этого поля (или, в зависимости от типа преобразователя, величине градиента этого поля). На управляющий вход первого интегратора 16 подается сигнал с шестого выхода микроконтроллера 17, который при необходимости переключает диапазон измерения или блокирует канал измерения. 4 42952008.04.30 При протекании тока через второй резистор 3 на нем выделяется напряжение, пропорциональное величине напряженности измеряемого магнитного поля (или, в зависимости от типа преобразователя, величине градиента этого поля), которое поступает на вход второго фильтра 5, усиливается вторым усилителем 10 и далее поступает на аналогоцифровой преобразователь 13, где преобразуется в цифровой код и поступает на первый вход микроконтроллера 17, который определяет требуемый поддиапазон измерения и устанавливает соответствующий коэффициент усиления второго усилителя 10. После соответствующего преобразования микроконтроллером 17 измеренный сигнал поступает на индикатор 20, блок 15 -выхода для передачи информации на персональный компьютер и блок 18 памяти, который хранит режим измерения и параметры измеряемого поля. Требуемый диапазон измерения может устанавливаться и в ручном режиме с панели 21 управления. Сброс результатов измерения осуществляется подачей соответствующих сигналов на управляющие входы аналого-цифрового преобразователя 13 и первого интегратора 16. Источник 22 питания 22 формирует необходимых уровней напряжений питания для работы магнитометра. Эффективность предлагаемой полезной модели обусловлена тем, что за счет использования в качестве источника компенсирующего поля вместо дополнительных катушек,охватывающих феррозондовый преобразователь 1, его измерительной обмотки, питаемой от источника 19 тока, включенного в цепь отрицательной обратной связи, позволило снизить размеры (диаметр) феррозондового преобразователя и потребляемую им мощность. Введение последовательно соединенной цепочкой из второго резистора 3, второго фильтра 5, второго усилителя 10, аналого-цифрового преобразователя 13 и микроконтроллера 17 позволило автоматически устанавливать требуемый диапазон измерения, введение блока 15 -выхода позволило осуществлять дистанционный выбор поддиапазона измерения и дистанционный съем результатов измерения, а введение блока 18 памяти позволило хранить режим измерения и параметры измеряемого поля требуемое время. Благодаря использованию цепочки из последовательно соединенных между собой и подключенных к источнику 22 питания третьего 4 и четвертого 6 резисторов, общая точка соединения которых подключена ко второму входу микроконтроллера 17, и совмещению третьего резистора 4 с феррозондовым преобразователем 1 отпала необходимость в использовании отдельных каналов измерения для каждого типа преобразователя. Применение заявляемой полезной модели для измерения градиентов магнитных полей с помощью феррозондовых преобразователей длиной 30 мм и диаметром 4,5 мм в диапазоне 0-105 А/м 2 позволило в 2 раза уменьшить диаметр преобразователя и снизить примерно в 4 раза потребляемую мощность. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5