Канал вимірювання електронного компаса

Канал вимірювання електронного компаса, який складається з давача Холла, стабілізатора струму, перший і другий виходи якого ВІДПОВІДНО з'єднані з струмовими входами давача Холла, підсилювача, входи якого з'єднані з "холлівськими" виходами давача Холла, перетворювача "напругакод", вхід якого з'єднано з виходом підсилювача, пристрою індикації, який відрізняється тим, що введено резистор, ключ, послідовно з'єднані резистор і ключ, підключені поміж струмовим і "холлівським" входами давача Холла, два пристрої віднімання, пристрій ділення, пристрій запам'ятовування, перший вихід якого з'єднано з першим входом пристрою ділення, вихід перетворювача "напруга-код" з'єднано з першим і другим входами першого пристрою віднімання, з першим входом другого пристрою віднімання, другий вхід якого з'єднано з виходом пристрою ділення, другий вхід якого з'єднано з виходом першого пристрою віднімання, вихід другого пристрою віднімання з'єднано з першим входом пристрою індикації, формувач керуючих сигналів, перший вихід якого з'єднано з третім входом пристрою ділення, третіми входами пристроїв віднімання, другий вихід формувача керуючих сигналів з'єднано з запускаючим входом перетворювача "напруга-код", третій, четвертий, п'ятий, шостий, сьомий, восьмий і дев'ятий виходи формувача керуючих сигналів ВІДПОВІДНО з'єднані з четвертим входом першого пристрою віднімання, з п'ятим входом першого пристрою віднімання, з шостим входом першого пристрою віднімання, з четвертим входом пристрою ділення, з четвертим входом другого пристрою віднімання, другим входом пристрою індикації, керуючим входом ключа Винахід, що пропонується, належить до галузі навігаційних та радіолокаційних вимірювань і може бути використаний для створення навігаційних приладів, заснованих на використанні магнітного поля Землі Ці прилади можуть бути застосовані на рухомих платформах (об'єктах), які переміщуються на водній поверхні (кораблі, катера, яхти, лодки), у повітряному просторі (літаки, вертольоти, повітряні кулі), на земній поверхні (автомашини, танки) ВІДОМІ канали вимірювання, які призначені для вимірювання магнітного поля Землі [1] Канал вимірювання складається з давача Холла, підсилювача, джерела живлення і вимірювального приладу Вхідний сигнал давача Холла, пропорційний магнітний індукції, після підсилювача надходить на вимірювальний прилад Недоліком цього вимірювального каналу є низька точність вимірювання магнітної індукції, яка обумовлена наявністю у вихідному сигналі давача Холла паразитного сигналу Паразитний сигнал давача Холла в основному залежить від напруги нееквопотенціальності З відомих каналів вимірювання, призначених для вимірювання магнітного поля Землі, найбільш близьким по технічній суті є канал вимірювання, який наведено у роботі [2] і який вибрано за прототип Канал вимірювання складається з давача Холла, стабілізатора струму (джерела живлення), підсилювача, перетворювача "напруга-код", блока керування і пристрою індикації Перший і другий виходи стабілізатора струму з'єднані з агрумовими входами давача Холла, потенціальні виходи якого, з'єднані з підсилювачем Вихід підсилювача через перетворювач "напруга-код" з'єднано з пристроєм індикації Виходи блока керування з'єднані ВІДПОВІДНО з запускаючим входом перетворювача "напруга-код'4 і керуючим входом пристрою індикації Вихідний сигнал давача Холла, пропорційний магнітній індукції, підсилюється підсилювачем і кодується перетворювачем "напруга-код" Результат вимірювання відображається пристроєм індикації Недоліком цього каналу вимірювання є низька 00 о со ю 53084 точність вимірювання магнітної індукції, що обумовлено наявністю у вихідному сигналі давача Холла паразитного сигналу, який в основному залежить від напруги нееквопотенціальності U| = BSIo cos a + ІоГне = Ux cos а + u H e де S - чутливість давача Холла до магнітної індукції, Іо - постійний струм живлення стабілізатора струму, а - кут поміж перпендикуляром до грані перетворення (а х в) і напрямком вектора магнітної індукції В, В - постійна магнітна індукція, их - напруга Холла, Гне - опір нееквопотенціальності, и н е - напруга нееквопотенціальцості, и х = BSIo ине - ІО Гне Точність вимірювання магнітної індукції залежить від співвідношення сигналів напруги Холла их cos а і напруги нееквопотенціальності и н е У давачів Холла, які використовуються для вимірювання магнітного поля Землі, значення цих сигналів можуть відрізнятися на порядок При и н е - 0,5 ux cos а, додаткова похибка вимірювання магнітної індукції дорівнює 50%, при и н е - 0,01 ux cos a - додаткова похибка вимірювання магнітної індукції - 1 % Задачею винаходу є підвищення точності вимірювання магнітної індукції Для підвищення точності вимірювання магнітної індукції у канал вимірювання, який складається з давача Холла, стабілізатора струму, перший і другий виходи якого ВІДПОВІДНО з'єднані з струмовими входами давача Холла, підсилювача, входи якого з'єднані з холлівськими виходами давача Холла, перетворювача "напруга-код" вхід якого з'єднано з виходом підсилювача, пристрою індикації, який відрізняється тим, що запроваджено резистор, ключ, послідовно з'єднані резистор і ключ, підключені поміж струмовим і холлівським входами давача Холла, два пристрої віднімання, пристрій ділення, пристрій запам'ятовування, перший вихід якого з'єднано з першим входом пристрою ділення, вихід перетворювача "напруга-код" з'єднано з першим і другим входами першого пристрою віднімання, з першим входом другого пристрою віднімання, другий вхід якого з "єднано з виходом пристрою ділення, другий вхід якого з'єднано з виходом першого пристрою віднімання, вихід другого пристрою віднімання з'єднано з першим входом пристрою індикації, формувач керуючих сигналів, перший вихід якого з'єднано з третім входом пристрою ділення, третіми входами пристроїв віднімання, другий вихід формувача керуючих сигналів з'єднано з запускаючим входом перетворювача "напруга-код", третій, четвертий, п'ятий, шостий, сьомий, восьмий і дев'ятий виходи формувача керуючих сигналів ВІДПОВІДНО з'єднані з четвертим входом першого пристрою віднімання, з п'ятим входом першого пристрою віднімання, з шостим входом першого пристрою віднімання, з четвертим входом пристрою ділення, з четвертим входом другого пристрою віднімання, другим входом пристрою індикації, керуючим входом ключа Підвищення точності вимірювання магнітної індукції В досягається за рахунок автоматичного виключення із вихідного сигналу давача Холла напруги нееквопотенціальності и не , яка змінюється в залежності від температури середовища При ПОСТІЙНІЙ магнітній індукції В і постійному струмі живлення давача Холла Іо вихідний сигнал давача Холла є простим і його складові (напругу Холла их cos а і напругу нееквопотенціальності ине) неможливо розділити, тому що вони є складовими одного виду, в даному випадку постійного струму При ЗМІНІ структури вихідного сигналу давача Холла, коли він з простого перетворюється в складний, який має декілька складових, виникає можливість шляхом обробки цих складових виділити складову, яка залежить тільки від напруги Холла ux cos a або від напруги нееквопотенціальності и н е Складним є сигнал, який має дві, або більше, складових різного виду, простим є сигнал, який має одну складову [9] Для зміни структури вихідного сигналу давача Холла одноразово проводиться підключення резистора поміж струмовим і холлівськими входами давача Холла При підключенні резистора вихідний сигнал давача Холла дорівнює U| = u x c o s a + иНЄ2 (1) а при його відключенні вихідний сигнал давача Холла дорівнює и,, = u x c o s a + uHei (2) де u He i, иНЄ2 - напруга нееквопотенціальності при відключенні і підключенні резистора Після проходження вихідного сигналу давача Холла через підсилювач і перетворювач "напругакод" на виході останнього у першому випадку установлюється код N2 = k| ux cos a + к| иНЄ2 (3) і у другому випадку - код N1 = k| Ux cos a + k| uHei (4) де k| - коефіцієнт перетворення підсилювача Різниця КОДІВ (N1 - N2) дорівнює N3 = Ni - N2 = k| ux cos a + k| uHei) - (ki ux cos a + k, uHe2) = k, (uHei - uHe2) (5) и Якщо п = не1 и не2 , TO ріЗНИЦЯ КОДІВ При UHe1 > UHe2 має вигляд N 3 = к, п иНЄ2 - к, иНЄ2 = к,(п -1) иНЄ2 Із виразу (6) маємо _ i U H e 2 = (6) N3 r^1 (7) Аналіз виразу ( 3 ) показує, щоб вихідний сигнал давача Холла не залежав від напруги нееквопотенціальності, потрібно із виразу (3) відняти вираз (7) N 4 = N 2 - к, иНЄ2 = к, u x cos a + k, uHe2 - k, uHe2 = k| Ux cos a (3) Сутність винаходу пояснюється кресленнями, де - на фіг 1 наведена блок-схема каналу вимірювання електронного компаса, - на фіг 2 наведена часова діаграма роботи формувача керуючих сигналів 12, - на фіг 3 наведена блок-схема формувача керуючих сигналів 12, - на фіг 4 наведена часова діаграма роботи давача Холла 1 при підключенні резистора, 53084 Канал вимірювання елеісгронного компаса (фіг 1) складається з давача Холла 1, стабілізатора струму 2, підсилювача 3, перетворювача "напруга - код" 4, пристрою віднімання 5, пристрою ділення 6, пристрою віднімання 7, пристрою запам'ятовування 8, пристрою індикації 9, ключа 10, резистора 11 і формувача керуючих сигналів 12 У каналі вимірювання електронного компаса перший і другий струмові виходи давача Холла 1 з'єднані ВІДПОВІДНО з першим і другим виходами стабілізатора струму 2 Послідовно з'єднані ключ 10 і резистор 11 підключені поміж струмовим і холівськом входами давача Холла 1 Входи підсилювача 3 з'єднані з холівськими виходами давача Холла 1 Перший вихід пристрою запам'ятовування 8 (паралельний код) з'єднано з першим входом пристрою ділення 6 Вихід підсилювача 3 через перетворювач "напруга - код" 4 з'єднано з першим і другим входами пристрою віднімання 5, з першим входом пристрою віднімання 7 Вихід пристрою віднімання 5 з'єднано з другим входом пристрою ділення 6, вихід якого з'єднано з другим входом пристрою віднімання 7 Вихід пристрою віднімання 7 з'єднано з першим входом пристрою індикації 9 Перший вихід 13 формувача керуючих сигналів 12 з'єднано з третіми входами пристрою ділення 6, з третім входом пристрою віднімання 5, з третім входом пристрою віднімання 7 Другий вихід 14 формувача керуючих сигналів 12 з'єднано з запускаючим входом перетворювача "напруга - код" 4, Третій 15, четвертий 16, п'ятий 17, шостий 18, сьомий 19, восьмий 20, дев'ятий 21 виходи формувача керуючих сигналів 12 ВІДПОВІДНО з'єднані з четвертим входом пристрою віднімання 5, з п'ятим входом пристрою віднімання 5, з шостим входом пристрою віднімання 5, з четвертим входом пристрою ділення 6, з четвертим входом пристрою віднімання 7, другим входом пристрою індикації 9, керуючим входом ключа 10 Блок 1 (див фіг 1) - давач Холла, є первинним перетворювачем магнітної індукції, наприклад, по [3] Давач Холла представляє собою чотирьохполюсник, виконаний у вигляді тонкої пластинки з напівпровідника у вигляді паралепіпеда, з трьома парами взаємно - перпендикулярних граней Сторони паралепипеда а, в, с, де а - довжина, в - ширина, с - товщина вибираються із умов а » с Виводи 1,2 давача Холла називаються струмовими і призначені для підключення зовнішнього джерела живлення, підключаються до граней (а х с) паралепипеда Виводи 3,4 давача Холла називаються холлівськими, з яких знімається напруга мг при внесені давача Холла у магнітне поле з індукцією В, підключаються до граней (в х с) паралепипеда Грані (а х в) паралепипеда називаються гранями перетворення, в які входить вектор індукції В магнітного поля При внесені давача Холла в магнітне поле на виводах 3,4 (холлівських) виникає напруга Холла u x , яка дорівнює u x = SloB cos a, Де S - чутливість до індукції давача Холла, І о - струм живлення давача Холла, В - індукція магнітного поля, а - кут поміж перпендикуляром до грані перетворення (а х в) і напрямком вектора магнітної індукції В В якості давача Холла можуть бути використані промислові давачі Холла Х 2 1 , ЦВТУ - 0,5 - 71 - 678, Х 2 0 1 , Х211, Х501 та ІНШІ Блок 2 (див фіг 1) - стабілізатор струму, є звичайним стабілізованим джерелом живлення змінного струму, наприклад, по [4] Може застосуватися джерело живлення давача Холла прилада Щ4310, Рб 2 729 002 335 Блок 3 (див фіг 1) - підсилювач, є типовим радіоелектронним пристроєм з трансформаторним входом, наприклад, по [5] Блок 4 - перетворювач "напруга-код", є стандартним перетворювачем, наприклад, по [6] Може застосовуватись перетворювач "напруга-код" приладу Щ4310, Рб 729 002 33 12, перетворювач "напруга-код" приладу А1710 фірми Rochaz Electronique Блок 5 - пристрій віднімання, є типовим пристроєм цифрової техніки, наприклад, по [7] Блок 6 - пристрій ділення, є стандартним пристроєм, може бути виконаний, наприклад, по [8] Блок 7 - пристрій віднімання, є типовим пристроєм цифрової техніки, наприклад, по [7] Блок 8 - пристрій запам'ятовування, є типовим елементом цифрової техніки Може складатися з ключів, наприклад, по [6] Перші входи ключів з'єднані з одиничним потенціалом " 1 " джерела живлення Другі входи ключів з'єднані ВІДПОВІДНО З першим виходом пристрою запам'ятовування 8 За допомогою цих ключів формується код (п + 1), який надходить на перший вихід пристрою запам'ятовування 8 Блок 9 - пристрій індикації, є загальновідомим типовим пристроєм радіонавігаційних та радіолокаційних систем, наприклад, по [9] Блок 10 - ключ, є типовим пристроєм цифрової техніки, наприклад, по [5] Блок 11 - резистор, є типовим пристроєм цифрової техніки, наприклад, по [5] Блок 12 (див фіг 1) - формувач керуючих сигналів 12 формує керуючі сигнали, які синхронізують роботу канала вимірювання електронного компаса Блок 12 може складатися з послідовно з'єднаних генератора імпульсів, лічильника і дешифратора На фіг 3 наведена блок-схема формувача керуючих сигналів 12, на фіг 2 наведені часові діаграми роботи формувача керуючих сигналів 12 Блок 12 складається з генератора імпульсів 121 лічильника 122 і дешифратора 123 Блок 121 - генератор імпульсів, блок 122- лічильник, блок 123 - дешифратор, є типовими елементами цифрової техніки, наприклад, по [7] Можуть бути використані мікросхеми ВІДПОВІДНО мультивібратор 224ГГ2, лічильник 155ИЕ2, дешифратор 155ИД1 Формувач керуючих сигналів 12 працює таким чином Сигнали генератора імпульсів 121 підраховуються лічильником 122 3 виходу лічильника 122 паралельний код надходить на дешифратор 123 На першому, другому, третьому, четвертому, п'ятому, шостому, сьомому, восьмому і дев'ятому виходах дешифратора 123 формуються ВІДПОВІДНО 53084 сигнали початкової установки ПУ, імпульс запуску Імп запуску, перший, другий, третій, четвертий, п'ятий, шостий, сьомий керуючі сигнали Кер 1, Кер 2, Кер 3, Кер 4, Кер 5, Кер 6, Кер 7, які надходять ВІДПОВІДНО на перший вихід 13, другий вихід 14, третій вихід 15, четвертий вихід 16, п'ятий вихід 17, шостий вихід 18, сьомий вихід 19, восьмий вихід 20 і дев'ятий вихід 21 формувача керуючих сигналів 12 Робота канала вимірювання електронного компаса виконується таким чином Сигналом початкової установки ПУ, який надходить з першого виходу 13 формувача керуючих сигналів 12, установлюються в початковий (нульовий) стан пристрої з запам'ятовуванням пристрій відніманні 5, пристрій ділення 6, пристрій віднімання 7 Резистор 11 через ключ 10 по сигналу, який надходить з дев'ятого виходу 21 формувача керуючих сигналів 12 на керуючий вхід ключа 10, одноразово підключається до струмового входу давача Холла 1 Після закінчення сигналу резистор 11 відключається від струмового входу давача Холла 1 На виході давача Холла 1, з'являється сигнал, пропорційний магнітній індукції В При відключенні резистора 11 від струмового входу давача Холла 1 вихідний сигнал давача Холла 1 буде U| = ux cos a + u H e i, а при підключенні резистора - U2 = ux cos a + иНЄ2 Вихідний сигнал давача Холла 1 надходить через підсилювач 3 на перетворювач "напруга - код» 4 Часова діаграма роботи давача Холла 1 приведена на фіг 4 Оскільки и н е і Ф иНЄ2, иі Ф \\J ПІСЛЯ надходження сигналу з виходу 14 формувача керуючих сигналів 12 на запускаючий вхід перетворювача "напруга-код" 4 перетворювач 4 спрацьовує, При підключенні резистора 11 до струмового входу давача Холла 1 на виході перетворювача "напруга - код" 4 установлюється код N1 = kiUxcos a + k|UHe2 де k| - коефіцієнт перетворення підсилювача З, При відключенні резистора 10 від струмового входу давача Холла 1 на виході перетворювача "напруга - код" 4 установлюється код N2 = kiUxcos a + k|UHei - kuxcos а + k|UHei и Значення коефіцієнта п = не1 для кожного и не2 давача Холла 1 установлюється попередньо і заноситься в пристрій запам'ятовування 8 Для цього вимірюються ВИХІДНІ сигнали давача Холла 1, який розміщується в екрані (В = 0) При підключенні резистора поміж струмовим і холлівським входами 8 давача Холла 1 вихідний сигнал давача Холла 1 буде иНЄ2, при відключенні резистора вихідний сигнал давача Холла 1 - u H e i При цьому u H e i > иНЄ2 По сигналу, який надходить з виходу 15 формувача 12, код N2 надходить на перший вхід пристрою віднімання 5 По сигналу , який надходить з виходу 16 формувача 12 код N-i, надходить на другі входи пристроїв віднімання 5, 7 Після надходження керуючого сигналу з виходу 17 формувача 12 на виході пристрою віднімання 5 буде код N 3 = м 2 _ N-I = (kiu x cos a + кіпи Н Є 2) - (kiu x cos а + кі UHe2) = кі (П - 1) UHe2, Код N3, надходить на перший вхід пристрою ділення 6 На другий вхід якого надходить коефіцієнт (п - 1) з першого виходу пристрою запам'ятовування 8 Після надходження керуючого сигналу з виходу 18 формувача 12 на виході пристрою ділення 6 буде код КІ _ N3 _k1(n-iK e 2 Код N4 надходить на другий вхід пристрою віднімання 7, на перший вхід якого надходить код Ni Після надходження керуючого сигналу з виходу 19 формувача 12 на виході пристрою віднімання 7 буде код N 5 = N1 - N4 = (ki u x cos a + ki uHe2) - ki uHe2) = ki u x cos a Код N5, пропорційний тільки магнітній індукції, відображається на пристрої індикації 9 Об'єкт, що заявляється, має переваги перед прототипом В ньому автоматично, в кожен поточний момент часу, із вихідного сигналу давача Холла віднімається сигнал корекції, який дорівнює напрузі нееквопотенціальності, що підвищує точність вимірювання Часова і температурна нестабільність параметрів давача Холла не приводить до виникнення аддитивної похибки, оскільки напруга нееквопотенціальності і сигнал корекції змінюються на однакову величину і взаємно компенсуються Це особливо важливо при вимірюванні давачем Холла магнітної індукції у діапазоні до Ю м Т , (магнітна індукція Землі дорівнює 0,07мТ) коли напруга Холла несуттєво відрізняється від напруги нееквопотенціальності На державному підприємстві "Фінмаш" спільно з ІЕД НАН України виготовлено елементи макета каналу вимірювання електронного компаса Технічна документація виготовлена на рівні ескізних креслень, які дозволяють відтворити запропонований канал вимірювання електронного компасу 10 53084 Фіг1 з1 1 4t 5 8 7 I 8 9 I — 2 0 2 1 M _ M ! і і -И , t ^ t ПЫ ІМП Kepi ^ і Kep 3 — ^ _ і *.t Kep 4 1 і * . t Kep 5 ^t і Фіг.2 « см те -я1 ш — о. а. а. о. о. a. a. ш Ф Ф Ф Ф Ф Ф Фіг З Kep 6 *.t Kep 7 11 53084 t 1 . t H a 12 at ФЇГ.4 TOB "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24