Изобретение отиоситс к магнитным измерени м и может быть использовано при построении высокочувствительных навигационных и геофизических ферроэондовых магнитометров. Известен- способ измерени магнитного пол с помощью феррозондов, при котором сердечник феррозонда перемаг ничивают вспомогательным гармоническим полем, а в выходной цепи феррозо да выдел ют (с помощью частотно-изби рательных узлов), детектируют и регистрируют сигнсш одной из четных, как правило второй, гармоник частоты перемагничивани , пропорциональный измер емому полю р:3. Устройство дл реализации известного способа содержит последовательно соединенные генератор синусоидального тока, дифференциальный феррозонд, избирательный усилитель , синхронный детектор и регистри рующий прибор, причем синхронный детектор соединен также через удвоитель частоты с генератором синусоидального тока } Однако повышение точности измерени известными устройствами по этому способу ограничиваетс частотной нестабильностью генератора синусоидаль ного тока и избирательных узлов (фильтрата), а также шумами перемагничивани сердечника. Известен способ измерени параметров магнитного пол с помощью феррозондов , при котором сердечник (его центральную, часть) феррозонда перемагничивают по повтор ющейс программе, включающей намагничивание до состо ни насыщени , размагничивание (посредством дополнительного экспоненциально затухающего высокочастотного пол ) до установившегос магнитного состо ни , повторное, но в противоположном направлении , намагничивание и повторное размагничивание до установившегос магнитного состо ни . Величину измер емого пол определ ют по амплитуде гармонической ЭДС удвоенной частоты на выводах настроенной в резонанс приемной (выходной; обмотки феррозонда 2 . Известное устройство дл измерени парс1метров магнитного пол по этому способу содержит феррозонд и св занный с ним источник знакопеременных импульсов тока насыщени , разделенных промежуточными интервалами нулевого тока. В устройстве применен дифференциальный феррозонд, выполненный на сердечнике с центральным отверстием, причем обмотка перемагничивани размещена в данном отверсии , а приемна обмотка - на участках сердечника вне центральной зоны перемагничивани сердечника. На сердечнике по всей его длине размещена размагничивающа обмотка, соединенна с генератором экспоненциально затухающего высокочастотного тока размагничивани сердечника. Этот генератор синхронизирован от источника знакопеременных импульсов тока (включаетс в моменты окончани импульсов токаГ 2 ,, Однако известные способ и устройство не обеспечивают необходимой точ ности измерени и сложны в реализаци Цель изобретени - повышение точности измерени . Указанна цель достигаетс тем, что в способе, включающем намагничивание сердечника до состо ни .насыще ни , размагничивание его до установи шегос магнитного состо ни , повторное , но в противоположном направле-. НИИ, намагничивание сердечника до со то ни насыщени и повторное размагн чивание его до установившегос магни ного состо ни , выходной сигнал феррозонда интегрируют, фиксируют установившиес уровни полученного сигнал дл каждого из четырех установившихс магнитных состо ний сердечника, суммируют два зафиксированные уровн си нала, соответствующие состо нием намагниченного сердечника, два зафиксированные уровн сигнала, соответствующие состо ни м размагниченного сердечника, наход т разность получен ных суммарных значений сигнала и по величинеИ пол рности разностного си нала суд т о величине и направлении измер емого пол . Причем устройство дл осуществлени способа, содержащее феррозонд и св занный с ним источник знакопеременных импульсов тока, снабжено также интегрирующим усилителем, подключенным к выходу феррозонда.дифференциальным усилителем и двум управл е мыми сумматорами , соединенными сигнальными входами с выходом интегрирующего усилител , управл ющими входами - с упом нутым источником, а выходами - со входами дифференциального усилител , прл.; этом выход одного из управл емых сумматоров соедине со входом интегрирующего усилител , а выход дифференциального усилител с дополнительным входом феррозонда. При этом каждый из управл емых сумматоров выполнен в виде четырех управл емых ключевых элементов, соединенных в мостовую схему, два проти воположных выхода которой соединены через конденсатор, а два других со входом и выходом сумматора относител но шины нулевого потенциала, причем параллельно выходу сумматора включен второй конденсатор, а управл ющие входы накрест лежащих ключевых элементов попарно объединены. На фиг. 1 изображена структурна схема устройства дл измерени магнитного пол ; на фиг. 2 - принципиальна электрическа .схема управл емого сумматора; на фиг. 3 - схема подключени дифференциального феррозонда, на фиг. 4 - временна диаграмма тока перемагничивани ; на фиг. 5 - временные диаграммы работы устройства. Устройство содержит феррозонд 1 с обмотками перемагничивани 2, компенсации 3 и сигнальной 4, соединенный с источником 5 знакопеременных импульсов тока, а выход феррозонда 1 подключен к интегрирующему усилителю б.. Выход интегрирующего усилител 6 соединен с с.игнальными входами управл емых сумматоров 7,7-1, дополнительные управл ющие входы которых св заны с источником 5. Выходы управл емых сумматоров 7 соединены с разнопол рными входами дифференциального усилител 8. Выход 9 вл етс выходом устройства и может быть непосредственно подключен к регистрирующему прибору, или ко входу системы дистанционной-передачи данных. Выход управл емого сумматора 7 соединен со входом интегрирующего усилител 6. Соединение осуществлено через согласующий элемент 10. Кроме этого, показано также целесообразное соединение выхода дифференциального усилител 8 обмоткой компенсации 3 феррозонда 1. Управл емый сумматор 7 содержит чётааре управл емых ключевых элемента 11 (в данном случае полевые транзисторы ) , соединенные в мостовую схему. В диагональ моста включен коммутируемый конденсатор 12. Два свободных вывода мо.ста образуют сигнальный вход 13 и выход 14 сумматора, причем на выходе сумматора включен накопительный конденсатор 15. Входы управлени (затворы полевых транзисторов) накрест лежащих ключевых элементов попарно объединены и образуют управл ющие входы 16 и 17 управл емого сумматора. Дифференциальный феррозонд (фиг. 3) выполнен на двух с.тержневых сердечниках с дифференциальной обмоткой перемагничивани 2 обмоткой компенсации . 3, сигнальной обмоткой 4. Устройство работает следующим образом. На сердечник феррозонда 1 (фиг. 1) воздействует знакопеременное поле тока на входе .обмотки перемагничивани 2 и измер емое поле. Временна диаграмма 18 тока показана на фиг. 4. В каждый из интервалов времени ци t, сердечник намагничиваетс до состо ни насыщени вспомогательным полем в силу чего магнитный поток в сердечнике дл данных интервалов.(искл ча переходной процесс) определ етс индукцией насыщени материала серде ника и не зависит от величины измер мого пол . В интервалы времени t и t ток на обмотке перемагничивани 2 ферро зонда (и вспомогательное поле) раве нулю, и сердечник саморазмагничивает . -с до устойчивых- магнитных состо ни определ емых величиной остаточной и дукции материала сердечника и индук цией измер емого пол в сердечнике. Установившиес в интервалы t... времени значени Ф . . . с} 4магнитного потока Ф(1)в сердечнике могут быть записаны в виде V-Фост о Фг-Фн 4-VT c где фц , (Qj. и фр - соответственно маг нитные потоки насы щени остаточной индукции и. измер е мый . На выходе феррозонда 1 под действием данного потока наводитс по закону электромагнитной индукции, ЭДС е(t) M«-w. где W - число витков выходной (сиг нальной) обмотки 4 феррозои да .1. В результате интегрировани ЭДС e(t) на выходе интегрирУкадего усилит тел 6 образуетс ЭДС ) e..(.t1- JVKy « W -Koeo, где Кд - посто нна интегрировани , Кд - статический коэффициент передачи по напр жению интегр рующего усилител , вр - ЭДС смещени (дрейфа) нул на входе интегрирующего уси лител 6. В соответствии с значени ми Ф{ . .. Фд магнитного потока ф (t), ЭДС e(t в интервалы времени t . t. также д достигает установившихс уровней а,... ) % К С-Фост- ФоНКовоОнисанные преобразовани по сн ютс фиг. 5, где показана замкнута Kp за 19 предельной петли перемагничивани сердечника, временна диаграмма 20вспомогательного пол перемагничивани сердечника при нулевом измер емом поле и та же диаграмма 20-1, смещенна на величину .измер емого пол с напр женностью f J диагргиимы 21и 21-1 изменени в сердечнике магнитного потока 0(t). Аналогичный вид - 21 и 21-1 имеет ЭДС e(t) без учета посто нного смешени на величину дрейфа нул . Дл выделени полезного сигнала и эффективного подавлени составл ющих ЭДС е(t), не несущих информации об измер емом поле, дальнейшее преобразование уровней е. ,. . ведетс по выражению (ед+ез-е2-ед), где т - напр жение на выходе 9 или ток в выходной цепи устройства , К - коэффициент пропорциональности . Данное преобразование технически наиболее просто и целесообразно осуществить посредством раздел1ьных операций сложени и вычитани с помощью решающего устройства, включающего два управл емых сумматора 7 и дифференциальный усилитель 8 .te,ej), . )-2KcCwiC4(i)o vCoeo) P K(02-U,)--2KK NWC))o, где и, и Urt - просто нные напр жени соответственно на выходах сумматоров 7 J Kj. - коэффициент передачи каждого из сумматоров; Kft - коэффициент передачи дифференциального усилител , причем Kj... Дл фиксации (измерени и запоминани ) необходимых, чередующихс во времени уровней е...е ЭДС e(t) сум маторы 7 синхронизированы от источника 5 и имеют в своем составе накопительные (запоминающие) элементы. На конденсаторе 12 (фиг. 2) фиксируетс выбранный с помощью ключевых элементов 11 необходимый уровень сигнала ex(t), а на конденсаторе 15 результат сложени в виде посто нного напр жени . Как видно из последнего выражени , выходной сигнал Р устройства пропорционален измер емому магнитному потоку в сердечнике и свободен от составл ющих обрабатываемого сигнала, ие несущих информации об измер емом параметре, в том числе от ЭДС ео дрейфа иул интегрирующего усилител . Однако нёшичие посто нной составл ющей дрейфа нул , усиленной на выходе интегрирующего усилител , может нарушить режим его работы и, в общем случае, требует применени специапьных мер балансировки усилител , зачастую не обладающих необходимой эффективностью ., Дл устранени д&нного недостатка достаточно произвести подачу напр жени Щ или и 2. на вход интегрирующего усилител . Например, показанной на фиг. 1 св зью выхода сумматора 7 через согласующее устройство 10 (инвертирующий усилитель) с положительным входом интегрирующего усилител 6 обеспечиваетс точна прив зка выходного сигнала интегрирующего усилител к нулю измерительной схемы по уровню и посто нного напр жени .The invention of magnetic measurements and can be used in the construction of highly sensitive navigation and geophysical ferroend magnetometers. A known method for measuring a magnetic field using ferrosonde, in which the core of the ferrosonde is remapped with an auxiliary harmonic field, and in the output circuit of the ferroso is isolated (using frequency-selective nodes), the signal of one of the even ones, usually the second, is detected and recorded harmonics of the frequency of magnetization reversal, proportional to the measured field p: 3. A device for implementing the known method comprises a series-connected sinusoidal current generator, a differential ferrosonde probe, a selective amplifier, a synchronous detector and a recording device, the synchronous detector also connected via a frequency doubler to a sinusoidal current generator} However, the increase in measurement accuracy by known devices according to this method is limited by frequency instability generator of sinusoidal current and selective nodes (filtrate), as well as noise pemagnitic vani core. There is a method of measuring magnetic field parameters using ferrosonde, in which the core (its central, part) of the ferrosonde is re-magnetized by a repetitive program, including magnetization to saturation, demagnetization (by means of an additional exponentially decaying high-frequency field) to a steady state, repeated, but in the opposite direction, magnetization and re-demagnetization to an established magnetic state. The magnitude of the measured field is determined by the amplitude of the harmonic emf of doubled frequency at the outputs of the receiving tuned to resonance (output; windings of the fluxgate 2. The known device for measuring magnetic field parsmitters and a source of alternating current pulses connected with it are intermediate intervals of zero current. The device uses a differential ferrosonde probe, made on a core with a central hole, and the magnetization reversal winding is placed in d On the core along its entire length there is a demagnetizing winding connected to a generator of an exponentially decaying high frequency demagnetizing current of the core. current 2, However, the known method and device do not provide the necessary accuracy of measurement and are difficult to implement. increase measurement accuracy. This goal is achieved by the fact that in a method involving magnetization of a core to a saturation state, demagnetizing it to a magnetic state, repeated, but in the opposite direction. The scientific research institutes, the magnetization of the core before saturation and its repeated demagnetization to the steady-state magnesium state, integrate the output of the fluxgate, fix the steady-state levels of the received signal for each of the four established magnetic states of the core, sum up the two fixed levels of the wave, corresponding to the magnitude of the magnetized core, two fixed signal levels corresponding to the states of the demagnetized core, find the difference between the obtained total signal values la and largest polarity difference signal reading is judged on the magnitude and direction of the sensed field. Moreover, a device for carrying out the method comprising a flux probe and a source of alternating current pulses associated with it is also equipped with an integrating amplifier connected to the output of the flux probe. A differential amplifier and two control adders connected by signal inputs to the output of the integrating amplifier, the control inputs with the aforementioned source, and the outputs with the inputs of the differential amplifier, pr .; This output is one of the controlled adders connected to the input of the integrating amplifier, and the output of the differential amplifier with an additional input of the fluxgate. In addition, each of the controlled adders is made in the form of four controlled key elements connected to a bridge circuit, two opposite outputs of which are connected through a capacitor, and the other two to the input and output of the adder relative to the zero potential bus, and the second the capacitor, and the control inputs crosswise the underlying key elements are pairwise combined. FIG. 1 shows a block diagram of a device for measuring a magnetic field; in fig. 2 - principle electric circuit of the controlled adder; in fig. 3 is a circuit for connecting a differential flux-gate, FIG. 4 is a timing diagram of the magnetization reversal current; in fig. 5 - timing charts of the device. The device contains a flux probe 1 with reversal biasing windings 2, a compensation 3 and a signal 4, connected to a source of 5 alternating current pulses, and the output of the flux probe 1 is connected to an integrating amplifier b. The output of the integrating amplifier 6 is connected to the signal inputs of controlled adders 7.7 -1, the additional control inputs of which are connected to the source 5. The outputs of the controlled adders 7 are connected to the opposite-polar inputs of the differential amplifier 8. The output 9 is the output of the device and can be directly connected chen to the recording device, or to the input data of remote transmission system. The output of the controlled adder 7 is connected to the input of the integrating amplifier 6. The connection is made through the matching element 10. In addition, the expedient connection of the output of the differential amplifier 8 to the compensation winding 3 of the fluxgate 1 is also shown. The controlled adder 7 contains four key controlled elements 11 (in this case of field-effect transistors) connected in a bridge circuit. The bridge diagonal includes a switched capacitor 12. Two free motor terminals form a signal input 13 and an output 14 of an adder, with a storage capacitor 15 connected at the output of the adder. The control inputs (gates of field-effect transistors) crosswise lie the key elements in pairs and form control inputs 16 and 17 controlled adder. Differential ferrosonde (Fig. 3) is made on two core rod cores with a differential winding of magnetization reversal 2 compensation winding. 3, the signal winding 4. The device operates as follows. The core of the fluxgate 1 (Fig. 1) is affected by an alternating current field at the input of the magnetization reversal 2 and the field being measured. A current timeline 18 is shown in FIG. 4. At each of the time intervals qi t, the core is magnetized to the saturation state by an auxiliary field, by virtue of which the magnetic flux in the core for these intervals (except the transition process) is determined by the saturation induction of the core material and . At the time intervals t and t, the current on the magnetic reversal winding 2 of the ferro probe (and the auxiliary field) is zero, and the core self-dissolves. -c to stable- magnetic states determined by the value of the residual and duction of the core material and the induction of the measured field in the core. Established in the t ... time intervals are the values of Φ. . . c} 4 magnetic flux F (1) in the core can be written in the form V-Fost о Fg-Fn 4-VT c where fz, (Qj. and fr are the residual induction saturation magnetic fluxes and measured. The output of the fluxgate 1 is induced by this flux according to the law of electromagnetic induction, EMF e (t) M "-w. where W is the number of turns of the output (signal) winding 4 of the ferrosoid and .1 The UF-integrator will amplify the tel 6. forms an emf) e .. (. t1-JVKy "W -Koeo, where cd is the integration constant, cd is the static gain for the voltage the integration amplifier, BP - EMF of the displacement (drift) zero at the input of the integrating amplifier 6. In accordance with the values of F {... Ff of the magnetic flux φ (t), EMF e (t at time intervals t. t. also e reaches the established levels a, ...)% K C-Fost-FNK Newly expanded transformations are illustrated in Fig. 5, where the closed Kp is shown for the 19 ultimate core magnetization reversal loop, the time diagram 20 in the auxiliary field of the magnetization reversal of the core with a zero measurable field and the same diagram 20-1 offset by the size of the field to be measured field intensity f J diagrgiimy 21I 21-1 varying magnetic flux in the core 0 (t). A similar form — 21 and 21–1 has an emf e (t) without constant mixing by the value of the zero drift. In order to isolate the useful signal and effectively suppress the EMF components e (t) that do not carry information about the measured field, further conversion of levels e.,. . leads by the expression (unit + ez-e2-unit), where t is the voltage at output 9 or the current in the output circuit of the device, k is the coefficient of proportionality. This transformation is technically the most simple and expedient to carry out by means of separate operations of addition and subtraction with the help of a resolver, including two controlled adders 7 and a differential amplifier 8 .te, ej),. ) -2KcCwiC4 (i) o vCoeo) P K (02-U,) - 2KK NWC)) o, where and, and Urt are simply given voltages respectively at the outputs of the adders 7 J Kj. - transfer coefficient of each of the adders; Kft is the transfer coefficient of the differential amplifier, moreover, Kj ... For fixing (measuring and memorizing) the necessary, time-alternating levels of e ... e EMF e (t), the sums of matrices 7 are synchronized from source 5 and contain accumulative (memorizing ) items. The capacitor 12 (Fig. 2) records the required signal level ex (t) selected by the key elements 11, and the result of the addition in the form of a constant voltage on the capacitor 15. As can be seen from the last expression, the output signal P of the device is proportional to the measured magnetic flux in the core and is free from the components of the signal being processed, not carrying information about the measured parameter, including from the EMF of its drift or integrator amplifier. However, the presence of a constant component of the zero drift, amplified at the output of the integrating amplifier, can disrupt its mode of operation and, in general, requires the use of special measures of balancing the amplifier, which often do not have the necessary efficiency. To eliminate this lack of W or U or 2. to the input of the integrating amplifier. For example, shown in FIG. 1, by connecting the output of the adder 7 through the matching device 10 (inverting amplifier) to the positive input of the integrating amplifier 6, the output signal of the integrating amplifier is accurately linked to zero of the measuring circuit by level and constant voltage.
Из полученного выражени дл выходного сигнала устройства видно, чт нестабильность по усилению интегрирующего усилител б и дифференциального усилител 8 непосредственно отражаетс на результатах измерений, особенно при точных измерени х широкого диапазона магнитных полей, дл чего весь измерительный тракт охватывают цепью дополнительной обратной св зи. Выходной сигнал устройства в этом случае в виде пропорционального тока поступает в обмотку компенсации 3. С помощью данной обратной св зи осуществл етс приемлемый в предлагаемом устройстве известный режим автокомпенсации измер емого пол полем тока в обмотке компенсации, за счет чего исключаетс вли ние нестабильности коэффи циентов передачи активных элементов устройства на результаты измерений в широком диапазоне измер емого пол .From the resulting expression for the output signal of the device, the instability of the amplification of the integrating amplifier b and the differential amplifier 8 directly reflects on the measurement results, especially for accurate measurements of a wide range of magnetic fields, for which the entire measurement path is covered with additional feedback. In this case, the output signal of the device in the form of a proportional current enters the compensation winding 3. With this feedback, the known automatic compensation of the field-measured current in the compensation winding is acceptable in the proposed device, thereby eliminating the influence of transmission coefficient instability active elements of the device on the results of measurements in a wide range of the measured field.
Работа устройства по фиг. 1 в случае применени дифференциального феррозонда по фиг. 3 аналогична вышеизложенной. Представив дифференциальный феррозонд как два одноэлементных феррозонда, встречно включенных по входу перемагничивани и согласно по остальным цеп М (см. фиг. 3), нетрудно убедитьс , что различи сводитс к иному количественному соотношению между полезным сигналом и помехой. В качестве помехи и в данном случае рассматрива1ютс уровни сигнала е и e-jf пропорциональные потоку насыщени , и составл ющие уровней е и пропорционал ные остаточной индукции, сердечника, а в качестве полезного сигнала - составл ющие уровней е и е, пропорциональные измер емому магнитному потоку в сердечнике.The operation of the device of FIG. 1 in the case of the use of the differential ferrosonde of FIG. 3 is similar to the above. Representing a differential ferrosonde as two single-element ferrosonde, switched on at the magnetic reversal input and according to the rest of the strand M (see Fig. 3), it is easy to see that the difference reduces to a different quantitative ratio between the useful signal and interference. As an interference, in this case, the signal levels e and e-jf are proportional to the saturation flow, and the components of the levels e and proportional to the residual induction of the core, and as a useful signal - the components of the levels e and e proportional to the measured magnetic flux. in the core.
Так как упом нутое соотношение синала и помехи всегда более выгодно в случае применени дифференциальных феррозондов, применение последних предпочтительно, но должно соразмер Since the mentioned ratio of synil and disturbance is always more advantageous in the case of the use of differential flux-probes, the use of the latter is preferable but must be commensurate
с с повышенной сложностью их реализации и задачами измерени .with increased complexity of their implementation and measurement tasks.