Спосіб вимірювання магнітної індукції

Спосіб вимірювання магнітної індукції, який засновано на перетворенні давачем Холла магнітної індукції в електричний сигнал, використанні наявності напруги нееквопотенціальності у сигналі давача Холла, підсилюванні сигналу, аналого-цифровому перетворенні сигналу, який відрізняється тим, що запроваджено змінення напруги нееквопотенціальності шляхом підключення резистора з частотою тактового генератора поміж струмовим і холлівськими входами Винахід, відноситься до області магнітних вимірювань і може бути використаний для прецизійного вимірювання у широкому діапазоні індукцій постійних магнітних полів ВІДОМІ способи вимірювання індукції постійних магнітних полів [ 1 ] Даний спосіб вимірювання магнітної індукції засновано на перетворенні магнітної індукції давачем Холла в електричний сигнал, підсилюванні цього сигналу і його вимірюванні Недоліком даного способу 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 нееквіпотенціальності З відомих способів вимірювання магнітної індукції, найбільш близьким по технічній суті спосіб, який [2] і який вибрано за прототип Цей спосіб засновано на перетворенні магнітної індукції давачем Холла в електричний сигнал, підсилюванні цього сигналу і його аналого - цифровому перетворенні Недоліком цього способу є низька точність ви давача Холла, попереднє визначення коефіцієнта де іінеі, иНЄ2 - напруга нееквопотенціальності при підключенні і відключенні резистора, виділення постійної складової вихідного сигналу давача Холла u cosa + n + l)u H 2 , виділення змінної скла дової вихідного сигналу давача Холла \ п визначення сигналу корекції шляхом змінної складової на коефіцієнт п + ^Янег ; 2 множення 1 , віднімання п-1 сигналу корекції із постійної складової вихідного сигналу давача Холла мірювання магнітної індукції, яка обумовлена наявністю у вихідному сигналі давача Холла паразитного сигнала, який в основному залежить від напруги нееквіпотенціальності Ui=BSIo cosa+lorHe=ux cosa+uHe Де BSIo=Ux, ІоГне-иНе, lo - постійний струм живлення давача Холла, S - чутливість давача Холла до індукції, В - постійна магнітна індукція, a - кут поміж перпендикуляром до грані перетворення ( а х в) і напрямком магнітної індукції В, Г е - опір нееквіпотенціальності, н их - напруга Холла, uHe - напруга нееквіпотенціальності Точність вимірювання магнітної індукції залежить від співвідношення сигналів напруги Холла ux cosa і напруги нееквіпотенціальності и н е У давачів Холла, які використовуються для вимірювання магнітного поля Землі, значення цих сигналів можуть відрізнятися на порядок і більше При uHe,-0,5uxcosa, додаткова похибка вимірювання магнітної індукції дорівнює 50%, при ю 1 ю 4 57215 u He -0,01u x cosa додаткова похибка вимірювання магнітної індукції - 1 % Задачею винаходу є підвищення точності вимірювання магнітної індукції, яка пропорційна напрузі Холла Поставлена задача вирішується таким чином, що в способі вимірювання магнітної індукції, заснованому на перетворенні давачем Холла магнітної індукції в електричний сигнал, використанні наявності напруги нееквіпотенціальності у сигналі давача Холла, підсилюванні сигналу, аналогоцифровому перетворенні сигналу додатково запроваджено змінення напруги нееквіпотенціальності шляхом підключення резистора з частотою тактового генератора поміж струмовим і холлівськими входами давача Холла, попереднє визначення коефіцієнта п = не1 и U|+U| и = и„ cosa + не1 и не2 Змінна складова вихідного сигнала давача Холла дорівнює U u _ 3M i ~ UII _ ~ Якщо п = и не1 ~ и н е 2 ~ го сигналу давача Холла ( u v c o s a + 2 змінної складової вихідного сигналу давача Холла (n-i)u визначення сигналу ковиділення рекції шляхом множення змінної складової на коефіцієнт п + 1 віднімання сигналу корекції із поп-1 стійної складової вихідного сигналу давача Холла Підвищення точності вимірювання магнітної індукції В досягається за рахунок автоматичного виключення із вихідного сигналу давача Холла напруги нееквіпотенціальності 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 u x cosa і напругу нееквіпотенціальності 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 u x cosa або від напруги нееквіпотенціальності и н е Складнім є сигнал, який має дві, або більше складових різного виду, простим є сигнал, який має одну складову [10] Для зміни структури вихідного сигналу давача Холла з частотою тактового генератора проводиться підключення резистора поміж струмовим і холлівським входами даваха Холла При відключенні резистора вихідний сигнал давача Холла дорівнює UFU x cosa+u He i (1) При підключенні резистора вихідний сигнал давача Холла дорівнює UiFUxcosa+uHe2 (2) Оскільки u H e i^u Не2, то сумарний вихідний сигнал давача Холла uE=U|+un змінює свою структуру - він тепер має постійну і змінну складові Постійна складова вихідного сигнала давача Холла дорівнює (41 > ' • не1 , то вирази для постійної і змінне2 ноі складових вихідного сигналу давачі мають вии гляд При Une1>Une2 = и„ cosa + П-К J He2 (5) (6) де и н е і, иНЄ2 - напруга неек не2 віпотенціальності при підключенні і відключенні резистора, виділення постійної складової вихідно (3) Із (6) маємо и не2 2 и = зм П-1 з урахування (7) вираз (5) буде І U) (8) Аналіз виразу (8) показує, щоб вихідний сигнал давача Холла иВИх не залежав від напруги нееквіпотенціальності, потрібно із виразу (8) відняти (п + 1) (п1) зм = u x c o s a (9) iu п-1) -u (п-1) Застосування названих ВІДМІТНИХ ознак зі зв'язками поміж ними в інших аналогічних способах авторам невідомо, тому відповідає критерію "новизна" Забезпечення запропонованого способу новою сукупністю ознак для виконання поставленої задачі дозволяє стверджувати, що вони є необхідними і достатніми для досягнення нового технічного результату, а запропонований спосіб відповідає умовам патентоздатності, так як він є новим, має винахідницький рівень та промислове застосування Винахід пояснюється кресленнями, де - на фіг 1 наведена блок-схема вимірювача магнітної індукції, - на фіг 2 наведена часова діаграма роботи формувача керуючих сигналів, - на фіг 3 наведена блок-схема формувача керуючих сигналів, - на фіг 4 наведена часова діаграма роботи давача Холла при підключенні і відключенні резистора, - на фіг 5 наведена блок-схема формувача змінної складової, - на фіг 6 наведена блок-схема формувача постійної складової У запропонованому способі реалізуються операції в такій ПОСЛІДОВНОСТІ = u v cosa + и - попереднє визначення коефіцієнта п = не1 и не2 - перетворення магнітної індукції давачем Холла в електричний сигнал, - використання наявності напруги нееквіпотен 57215 ціальності у сигналі давача Холла, - підсилювання сигналу, - аналого-цифрове перетворення сигналу, - змінення напруги нееквіпотенціальності шляхом підключення резистора з частотою тактового генератора поміж струмовим і холлівськими входами давача Холла, - виділення постійної складової вихідного сиг = UV COSa + - ^ — = UV COSa + u x cosa+ 2uHe2 а змінна складова вихідного сигналу давача Холла и и не1 ~ н е 2 Зи 2 П+ н налу давача Холла и cosa+ ^ ^ х { 2 - виділення змінної складової вихідного сигна(n-i)uue9 v Hez лу давача Холла ^ ' , - визначення сигналу корекції шляхом мно2 ження змінної складової вихідного сигналу давача Холла на коефіцієнт п + n-1 - віднімання сигналу корекції із постійної складової вихідного сигналу давача Холла Пристрій в якому реалізовано запропонований спосіб вимірювання магнітної індукції (фиг 1) складається з давача Холла 1, стабілізатора струму 2, підсилювача 3, формувача змінної складової 4, формувача постійної складової 5, перетворювачів "напруга-код" 6,7, пристрою множення 8, пристрою запам'ятовування 9, пристрою віднімання 10, пристрою індикації 11, формувача керуючих сигналів 12, ключа 13, резистора 14 Перший і другий струмові входи давача Холла 1 з'єднані ВІДПОВІДНО з першим і другим виходами стабілізатора струму 2 Послідовно з'єднані ключ 13 і резистор 14 підключені поміж струмовим і холлівським входами давача Холла 1 Входи підсилювача 3 з'єднані з холлівськими виходами давача Холла 1 Перший вихід пристрою запам'ятовування 9 (паралельний код) з'єднано з першим входом пристрою множення 8 Перший вихід підсилювача З через формувач змінної складової 4 з'єднано з першим входом перетворювача "напруга-код" 6 Другий вихід підсилювача 3 через формувач постійної складової з'єднано з першим входом перетворювача "напруга-код" 7 Вихід перетворювача "напруга-код" 6 з'єднано з другим входом пристрою множення 8, вихід якого з'єднано з першим входом пристрою віднімання 10 Другий вхід і вихід пристрою віднімання 10 з'єднані ВІДПОВІДНО з виходом перетворювача "напруга-код" 7 і входом пристрою індикації 11 Перший вихід 15 формувача керуючих сигналів 12 з'єднано з третіми входами пристрою множення 8 і пристрою віднімання 10 Другий вихід 16 формувача керуючих сигналів 12 з'єднано з запускаючими входами перетворювачів "напруга-код" 6,7 Третій 17, четвертий 18, п'ятий 19, шостий 20 виходи формувача керуючих сигналів 12 ВІДПОВІДНО з'єднані з четвертим входом пристрою множення 8, з четвертим входом пристрою віднімання 10, з другим входом пристрою індикації 11, керуючим входом ключа 13 У даному пристрої реалізується умова не1 п= и = 3 При цьому постійна складова вихід не2 ного сигналу давача Холла 1 дорівнює и не2 ~ н е 2 = U не2 2 Таким чином, сигнал корекції дорівнює 2u 3H 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 паралепипеда, з трьома парами взаємно - перпендикулярних граней Сторони паралепипеду а, в, с, де а - довжина, в - ширина, с -товщина вибираються із умов а»с, в»с Виводи 1,2 давача Холла називаються струмовими і призначені для підключення зовнішнього джерела живлення, підключаються до граней (а х с) паралепипеду Виводи 3, 4 давача Холла називаються холлівськими, з яких знімається напруга их при внесені давача Холла в магнітне поле з індукцією В, підключаються до граней (в х с) паралепипеду Грані (а х в) паралепипеду 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 ux, яка дорівнює ux=SloBcosa, Де S - чутливість до індукції давача Холла, Іо - струм живлення давача Холла, В - індукція магнітного поля, a - кут поміж перпендикуляром до грани перетворення (а х в) і напрямком вектора магнітної індукції В В якості давача Холла можуть бути використані промислові давачі Холла Х21, ЦВТУ-0,5-71678, Х201, Х211, Х501 й ІНШІ Блок 2 (див фіг 1) - стабілізатор струму, є звичайним стабілізованим джерелом живлення змінного струму, наприклад, по [ 4 ] Може застосуватися джерело живлення давача Холла приладу Щ4310, Рб 2 729 002 335 Блок 3 (див фіг 1) - підсилювач, є типовим радіоелектронним пристроєм з трансформаторним входом, наприклад, по [5] Блок 4 (див фіг 5) - формувач змінної складової, призначено для виділення змінної складової вихідного сигналу давача Холла 1 Формувач змінної складової (фіг 5) складається з ємкості 41 і перетворювача змінного сигналу в постійний 42 Через ємкість 41 проходить тільки змінна складова вихідного сигналу давача Холла 1, яка надходить на перетворювач 42, який перетворює м в сигнал постійного струму Блок 41 - ємкість, є типовим елементом вимірювальних схем, наприклад, по [5] Блок 42 - перетворювач змінного сигналу в сигнал постійного струму, є типовим елементом вимірювальної техніки, наприклад, по [6] Блок 5 (див фіг 6) - формувач постійної складової, є звичайним фільтром нижніх частот, наприклад, по [4] призначено для виділення із вихідного 8 57215 сигналу давача Холла 1 постійної складової Формувач постійної складової (фіг 6) складається з ємкості 51 і резистора 52 Блок 51 - ємкість, є типовим елементом вимірювальних схем, наприклад, по [5] Блок 52 - резистор, є типовим елементом вимірювальної техніки, наприклад, по [5] Блок 6,7 (див фіг 1) - перетворювач "напругакод", є стандартним перетворювачем .наприклад, по [7] Може застосовуватись перетворювач "напруга-код" приладу Щ-4310, Рб 729 002 33 12, перетворювач "напруга-код" приладу АІ710 фірми Rochaz Electromque Блок 8 (див фіг 1)- пристрій множення, є стандартним пристроєм, може бути виконаний, наприклад, по [8] Блок 9 - 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 і другим виходами пристрою запам'ятовування 9 За допомогою цих ключів формується коди (п-1) і (п+1), які ВІДПОВІДНО надходять на перший і другий виходи пристрою запам'ятовування 9 Блок 10 (див фіг 1) - пристрій віднімання, є типовим пристроєм цифрової техніки, наприклад, [9] Може бути застосована мікросхема ЛАЗ Блок 11 (див фіг 1) - пристрій індикації є загальновідомим типовим пристроєм радіонавігаційних та радіолокаційних систем, наприклад , по [7] Блок 12 (див фіг 1)- формувач керуючих сигналів формує керуючі сигнали, які синхронізують роботу всього електронного компасу 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 [9] 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 виходах дешифратора 123 формуються ВІДПОВІДНО сигнали початкової установки ПУ, імпульс запуску Імп запуску, перший, другий, третій, четвертий керуючі сигнали Кер 1, Кер 2, Кер 3, Кер 4, які надходять ВІДПОВІДНО на перший вихід 15, другий вихід 16, третій вихід 17, четвертий вихід 18, п'ятий вихід 19 і шостий вихід 20 формувача керуючих сигналів 12 Блок 13 (див фіг 1) - ключ, є типовим пристроєм цифрової техніки, наприклад, по [5] Блок 14 (див фіг 1) - резистор, є типовим пристроєм цифрової техніки, наприклад, по [5] Робота вимірювача магнітної індукції (фіг 1) проходить в такій ПОСЛІДОВНОСТІ Резистор 14 че рез ключ 13 з частотою керуючого сигналу, який надходить з виходу 20 формувача керуючих сигналів 12 на керуючий вхід ключа 13, підключається до струмового входа давача Холла 1 На виході давача Холла 1 з'являється сигнал, який пропорційний магнітній індукції В, який надходить на підсилювач З При відключенні резистора 14 від струмового входу давача Холла 1 вихідний сигнал давача Холла 1 ui=u x cosa+u H e i, при підключенні резистора вихідний сигнал давача Холла 1 U2=u x cosa+u He 2 Часова діаграма роботи давача Холла 1 приведена на фіг 4 Оскільки uHei^uHe2, то ui^U2 Після надходження сигналу з виходу 16 формувача керуючих сигналів 12 на запускаючий вхід перетворювач "напруга-код" 6 перетворювач 6 спрацьовує На виході перетворювача "напруга-код" 6 установлюється код k-^Ux c o s a + k 1 k 2 u H e 1 k.,k2 к 1 к 2( и не1 " и не2 к 1 к 2 ( Ш не2 J He2 ki - коефіцієнт перетворення підсилювача З, кг - коефіцієнт перетворення формувача змінної складової Значення коефіцієнта пе1 п= и для кожного пе2 давача Холла 1 установлюється попередньо і заноситься в пристрій запам'ятовування 9 В данному пристрої п=2 Для цього вимірюються ВИХІДНІ сигнали давача Холла 1, який розміщується в екрані (В=0) При підключенні резистора поміж струмовим і холлівськими входами давача Холла 1 вихідний сигнал давача Холла 1 буде иНЄ2 при відключенні резистора вихідний сигнал давача Холла 1 - u H e i При ЦЬОМУ UHe1> UHe2 Код Ni надходить на перший вхід пристрою множення 8, на другий вхід якого надходить код коефіцієнта 2 з першого виходу пристрою запам'ятовування 9 Після надходження керуючого сигналу з виходу 17 формувача 12 на виході пристрою множення 8 буде код N 2 =Nr2=2kik2U H e2 Код N2 надходить на перший вхід пристрою віднімання 10 Сигнал з другого виходу підсилювача 3 через формувач постійної складової 5 надходить на перший вхід перетворювача "напруга-код" 7 Після надходження сигналу з виходу 16 формувача керуючих сигналів 12 на запускаючий вхід перетворювача "напруга - код" 7, перетворювач 7 спрацьовує На виході перетворювача "напругакод" 7 установлюється код c o s a + к-]кзи н е 1 N3 = + k1k3cosa + 57215 10 вимірювача магнітної індукції, в якому реалізован запропонований спосіб вимірювання магнітної іні і 1 3 не2( ) і і дукції Технічна документація виготовлена на рівні k k u cosa + = k k u cosa + ескізних креслень, які дозволяють відтворити запропонований вимірювальний канал електронного = k k u cosa + 2k k u компасу ЛІТЕРАТУРА Де 1 Кобус А , Тушинский Я Датчики Холла и кз - коефіцієнт перетворення формувача помагниторезистроры «Энергия», М , 1971,454стр стійної складової 5 При кг=кз, код N3 дорівнює 2 Подольский И Д , Кривов А А Цифровой измеритель магнитной индукции с датчиком ХолКод N3 надходить на другий вхід пристрою ла Сб "Методы и аппаратура для измерения павіднімання 10 раметров магнитних полей", Л 1972, стр 35 -41 Після надходження керуючого сигналу з вихо3 Богомолов В И Устройства с датчиками ду 18 формувача керуючих сигналів 12 на виході Холла и датчиками магнитосопротивления, М-Л , пристрою віднімання по буде код 1961 4 Таранов С Г Самонастраивающиеся приборы Киев, Наукова Думка, 1981 Код N4 , пропорційний тільки магнітной індукції, 5 Мелешко Е А Интегральные схемы в нановідображується пристроєм індикації 11 секундной ядерной электронике -Изд 2-е, доп М Об'єкт, що заявляється має переваги перед Атомиздат, 1978, -216с прототипом У ньому автоматично, в кожен поточ6 Мартяшин А И Шахов А К , Шляндин В М ний момент часу, із вихідного сигналу давача ХолПреобразователи электрических параметров для ла віднімається сигнал корекції, який дорівнює систем контроля и измерения - М Энергия, 1978 напрузі нееквіпотенціальності, що підвищує точ7 Хлистунов В Н Основи цифровой электроність вимірювання Часова і температурна нестаизмерительной техники и цифровые преобразовабільність давача Холла не приводить до виниктели М-Л Энергия, 1966 нення адитивної похибки, оскільки напруга 8 Фойда А И , Чигирин О Т , Чигирин ЮТ нееквіпотенціальності і сигнал корекції змінюються Множительно-делительное устройство Авторское на однакову величину і взаємно компенсуються свидетельство СССР №830379, БИ №18, 1981 Це особливо важливо при вимірюванні дава9 Ричарде Р К Арифметические операции на чем Холла магнітної індукції их полів у діапазоні до цифровых вычислительных машинах - М ИЛ , ЮмТ, (магнітна індукція Землі дорівнює 0,07мТ) 1957 -458с коли напруга Холла несуттєво відрізняється від 10 Шпаньон П А , Петров Н Б Измерение панапруги нееквіпотенціальності раметров характеризующих форму и спектр элекНа державному підприємстві "Фінмаш" спільно трических сигналов , М , Машиностроение, 1976 з ІЕД НАН України виготовлено макет цифрового к 1 3 к и п x + 1 1 1 3 x 3 1 x 3 H e 2 . . і Перетворює *•и ап руга-код [ ^ _ n+1 ! Пристрій 8 I ci и ґ - множення Фїі 1 116 11 57215 Фіг 2 ФОРМУВАЧ КЕРУЮЧИХ СИГНАГ Э >ІГ З Фіг 4 Вхід С 41 перетворювач змінного сигнала в постійний 42 Формувач ЗМІННОЇ складової Фіг. 5 Вихід 13 57215 ач постійної скг здової Зхід 14 Вихід 52 51 ФІГ-6 Комп'ютерна верстка Н Лисенко Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна