FI67963B

FI67963B - KOPPLINGSARRANGEMANG FOER ATT REGLERA MAGNETISERINGSSTROEM

Info

Publication number: FI67963B
Application number: FI830368A
Authority: FI
Inventors: Hannu Laamanen
Original assignee: Hannu Laamanen
Priority date: 1983-02-02
Filing date: 1983-02-02
Publication date: 1985-02-28
Also published as: FI830368L; FI67963C; FI830368A0

Description

, 67963, 67963

Kytkentäjärjestely magnetointivirran säätelemiseksi . Flux-gate magnetometri on magneettisen kenttävoimakkuuden mittauslaite. Suuren herkkyytensä ansiosta flux-gate magnetometriä käytetään heikon magneettikentän, kuten maan mag-5 neettikentän, mittaamiseen. Niinsanottu rengassydäminen flux-gate magnetometri soveltuu symmetrisen rakenteensa ansiosta maan magneettikentän suunnan mittaamiseen. Flux-gate kompassin eräs rakenne on esitetty julkaisussa WIRELESS WORLD October 1982, sivut 49...64.Switching arrangement for regulating the excitation current. A flux-gate magnetometer is a device for measuring magnetic field strength. Due to its high sensitivity, a flux-gate magnetometer is used to measure a weak magnetic field, such as the earth's mag-5 rivet field. Due to its symmetrical structure, the so-called ring-core flux-gate magnetometer is suitable for measuring the direction of the earth's magnetic field. A structure of a flux-gate compass is shown in WIRELESS WORLD October 1982, pages 49 ... 64.

10 Keksintö koskee flux-gate magnetometrin magnetointivirtaa ohjaavaa elektronista kytkentäjärjestelyä. Keksinnön mukainen kytkentäjärjestely parantaa flux-gate magnetometrin mittaustuloksen tarkkuutta, tekee mittaustuloksen riippumattomaksi ympäristön lämpötilan vaihtelusta ja alentaa flux-gate 15 magnetometrin tehontarvetta. Keksinnön mukainen järjestely alentaa flux-gate kompassin valmistuskustannuksia. Flux-gate kompassin ferromagneettisena rengassydämenä voidaan keksinnön mukaisella järjestelyllä käyttää valmistuskustannuksiltaan halpaa ferriittirengasta aikaisemmin käytettyjen valmistus-20 kustannuksiltaan kalliitten Permalloy- tai Mu-metallirenkait-ten asemesta.The invention relates to an electronic switching arrangement for controlling the excitation current of a flux-gate magnetometer. The switching arrangement according to the invention improves the accuracy of the measurement result of the flux-gate magnetometer, makes the measurement result independent of the variation of the ambient temperature and reduces the power requirement of the flux-gate 15 magnetometer. The arrangement according to the invention reduces the manufacturing costs of the flux-gate compass. With the arrangement according to the invention, a low-cost ferrite ring can be used as the ferromagnetic ring core of the Flux-gate compass instead of the previously used Permalloy or Mu metal rings.

Rengassydämisen flux-gate magnetometrin on ensimmäisenä esittänyt William A. Geyger julkaisussa AIEE Transactions, pt. I (Communication and Electronics) March 1962 sivut 63... 25 73. Tämän jälkeen on aihetta käsitelty mm. seuraavissa jul kaisuissa: IEEE Transactions on Magnetics, December 1965 ja IEEE Transactions on Geoscience Electronics, October 1969.The ring-core flux-gate magnetometer was first presented by William A. Geyger in AIEE Transactions, pt. I (Communication and Electronics) March 1962 pages 63 ... 25 73. Since then, the topic has been discussed e.g. in the following publications: IEEE Transactions on Magnetics, December 1965, and IEEE Transactions on Geoscience Electronics, October 1969.

Rengassydämisen flux-gate magnetometrin periaatteellinen kytkentäjärjestely on esitetty kuvassa 1.The basic connection arrangement of a ring core flux-gate magnetometer is shown in Figure 1.

30 Renkaan muotoiselle ferromagneettisesta aineesta valmistetulle sydämelle A sijoitetun toroidikäämin ja S2 kautta kulkeva vaihtovirta i, jonka tuottaa virtalähteen B, käämin Si ja S2, takaisinkytkentäkäämin ja R2 sekä transistori-kytkimien M ja N muodostama magneettinen multivibraattori, 35 aikaansaa sydämen A vuorottaisen, magneettisen kyllästymisen. Rengassydämen lävistäjän suuntaisesti sijoitettuun toisio-käämiin T indusoituu jännite u, jossa esiintyvien jännite-huippujen v^, u^, v2 ja u2 amplitudi on verrannollinen ulkoisen, mitattavan magneettikentän voimakkuuteen ja suuntaan 40 rengassydämen tasossa. Jännitehuiput v^ ja v2 muodostuvat 2 67963 virran i kasvunopeuden muuttuessa, sydämen kyllästyessä, aikaväleillä t^...t2 ja t^...t(.. Jännitehuiput u^ ja muodostuvat vastaavasti virran i nopeasti pienentyessä, kytkimien M tai N aukeamisen jälkeen, aikaväleillä t2.-.t2 ja 45 t,-...tg. Mitattavan magneettikentän suuntaan ja voimakkuu teen verrannollinen tasajännite aikaansaadaan huipputasasuun-taamalla jännitehuiput u^ ja u2 sekä muodostamalla tasasuun-nattujen jännitteiden geometrinen summa.An alternating current i passing through a toroidal coil and S2 placed on a ring-shaped ferromagnetic material core A, produced by a power supply B, a coil S1 and S2, a feedback coil and R2 and a magnetic multivibrator formed by transistor switches M and N, causes the core A to alternate. A voltage u is induced in the secondary winding T arranged parallel to the diagonal of the ring core, the amplitude of the voltage peaks v1, u1, v2 and u2 being proportional to the strength and direction of the external, measurable magnetic field in the plane of the ring core 40. Voltage peaks v1 and v2 are formed as the rate of growth of current i changes, the heart becomes saturated, at time intervals t ^ ... t2 and t ^ ... t (.. Voltage peaks u ^ and are formed, respectively, when current i decreases rapidly, after switches M or N are opened , at time intervals t2 .-. t2 and 45 t, -... tg The DC voltage proportional to the direction and intensity of the measured magnetic field is obtained by peak rectification by guaranteeing the voltage peaks u1 and u2 and forming a geometric sum of the rectified voltages.

Edellä esitetyissä tutkimuksissa on osoitettu, että flux-50 gate magnetometrin herkkyys kasvaa, kun toimintataajuus kasvaa, joka on itseasiassa seurausta magnetointivirran nopeutuneesta muutoksesta katkaisun jälkeen. Herkkyyttä voitaisiin siis parantaa huolehtimalla siitä, että katkaisu ja sitä seuraava virran aleneminen tapahtuvat suurella nopeudella.The above studies have shown that the sensitivity of a flux-50 gate magnetometer increases as the operating frequency increases, which is in fact the result of an accelerated change in the excitation current after disconnection. Thus, the sensitivity could be improved by ensuring that the cut-off and the subsequent current drop occur at a high rate.

55 Edelleen voidaan siihen nojautuen, että mittaustulos syntyy huippujännitteiden geometrisen yhteenlaskun tuloksena, kytkentäjärjestelylle asettaa vaatimus, että vuorottaisiin suuntiin kulkevan virran voimakkuus saavuttaa ennen virran katkaisua saman voimakkuuden molemmissa magnetoinnin suunnissa 60 ja, että virta katkaisun jälkeen alenee samalla nopeudella molemmissa suunnissa. Viimeksi mainittu vaatimus on asetettava erikoisesti silloin, kun ferromagneettisen sydämen magneettiset ominaisuudet riippuvat lämpötilasta. Lämpötila vaikuttaa tuntuvasti esimerkiksi ferriitin magneettisiin omi-65 naisuuksiin.55 Furthermore, based on the fact that the measurement result is the result of geometric summation of peak voltages, the switching arrangement may be required to have the same current in the alternating directions before the current in both directions 60 and to decrease at the same rate in both directions. The latter requirement must be imposed in particular where the magnetic properties of the ferromagnetic core depend on temperature. Temperature has a significant effect on, for example, the magnetic properties of ferrite.

Magneettista multivibraattoria käytettäessä ei asetettuja vaatimuksia voida täysin tyydyttää ja pyrkimys yleensä johtaa tehontarpeen kasvuun.When using a magnetic multivibrator, the requirements cannot be fully met and the effort usually leads to an increase in power demand.

Kirjassa, Nonlinear-Magnetic Control Devices (William A.In the book, Nonlinear-Magnetic Control Devices (William A.

70 Geyger, Mc Graw-Hill Book Company, New York) sivut 328...363, on esitetty kytkentäjärjestely, jossa ulkoisella generaattorilla ohjataan kytkimet M ja N vuorottain ja magnetointivir-ran huippuarvon määrittelee magnetointivirtapiiriin sijoitettu vastus. Tällä kytkentäjärjestelyllä voidaan magneet-75 tisen multivibraattorin puutteet välttää, mutta keskimääräinen virta ja edelleen tehontarve kasvavat lämpötilan kasvaessa .70 Geyger, Mc Graw-Hill Book Company, New York) pages 328 to 363, a switching arrangement is shown in which switches M and N are alternately controlled by an external generator and the peak value of the excitation current is determined by a resistor placed in the excitation circuit. With this switching arrangement, the disadvantages of a magnetic multivibrator can be avoided, but the average current and further the power requirement increase as the temperature increases.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut haitat ja erikoisesti aikaansaada sellainen kytken- 80 täjärjestely, että flux-gate magnetometrin rengassydämenä 3 67963 voidaan käyttää ferriittirengasta.The object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks and in particular to provide such a coupling arrangement that a ferrite ring can be used as the ring core 3 67963 of the flux-gate magnetometer.

Keksinnölle on tunnusomaista, että ferromagneettisen sydämen magnetointivirta kulkee vastuksen kautta, jonka navoissa syntyvä jännite viedään jännitevertaimelle, jonka anto 85 liipaisee 2-jakajaks.i kytketyn kiikkupiirin, jonka annot ohjaavat transistorikytkimiä, jolloin magnetointivirta katkeaa ja vaihtaa suuntaa aina magnetointivirran saavutettua sellaisen arvon, että magnetointivirran sarjavastuksessa aikaansaama jännitehäviö vastaa jännitevertaimen vertailujän-90 nitettä.The invention is characterized in that the excitation current of the ferromagnetic core passes through a resistor, the voltage generated at the terminals of which is applied to a voltage comparator whose output 85 triggers a 2-divider connected flip-flop circuit, the outputs of which control transistor switches, the excitation current is interrupted and changes direction the voltage drop caused by the series resistor corresponds to the reference voltage-90 of the voltage comparator.

Kuva 2. esittää keksinnönmukaista kytkentäjärjestelyä sekä jännite- ja virtamuotoja aika-akselilla.Figure 2. shows the switching arrangement according to the invention and the voltage and current modes on the time axis.

Kuvassa 2. esitetyn keksinnönmukaisen kytkentäjärjestelyn toiminta on seuraava: Oletetaan, että kiikkupiiri F on aluk- 95 si tilassa, jossa ulostulo Q on 1 ja 5 on 0. Virta i kulkee virtalähteen tnavasta kytkimen , magnetointikäämin S, kytkimen M2 ja mittausvastuksen R kautta virtalähteen -napaan. Aluksi virta kasvaa hitaasti, mutta ferromagneettisen sydämen kyllästyessä virran nousunopeus kasvaa. Kun vastuksen R 100 navoissa syntyvä, magnetointivirtaan suoraan verrannollinen jännitehäviö saavuttaa jännitevertaimen K. asetusarvon Uv nousee jännitevertaimen K ulostulo positiiviseksi liipaisten kiikkupiirin F toiseen tasapainoasentoon, jolloin Q on 0 ja Q on 1.The operation of the switching arrangement according to the invention shown in Figure 2 is as follows: Assume that the flip-flop circuit F is initially in a state where the output Q is 1 and 5 is 0. The current i flows from the current source via the switch, the excitation coil S, the switch M2 and the measuring resistor R terminal. At first, the current increases slowly, but as the ferromagnetic core becomes saturated, the rate of current rise increases. When the voltage drop in the terminals of the resistor R 100, directly proportional to the excitation current, reaches the set value Uv of the voltage comparator K., the output of the voltage comparator K rises positive to the second equilibrium position of the flip-flop circuit F, where Q is 0 and Q is 1.

105 Kiikkupiirin ohjaamista kytkimistä ja M2 aukeavat, magnetointivirta alenee nopeasti, kytkimet ja ^ sulkeutuvat ja magnetointivirta käämin S kautta alkaa uudelleen kasvaa edelliselle päinvastaisessa suunnassa, kunnes virta uudelleen saavuttaa asetusarvoa Uv vastaavan voimakkuuden, jännitever-110 taimen K ulostulopulssi liipaisee kiikkupiirin, virta alenee nopeasti ja vaihtaa suuntaansa.105 From the switches controlled by the flip-flop circuit and M2 open, the excitation current decreases rapidly, the switches and ^ close and the excitation current through the winding S starts to increase again in the opposite direction until the current again reaches the set value Uv, the output pulse of voltage V-110 change direction.

Kuvan 2 mukaisen kytkentäjärjestelyn ansiosta huippuvirta saadaan yhtäsuureksi molemmissa magnetoinnin suunnissa, virran aleneminen tapahtuu nopeasti, koska transistorikytkimet 115 , M2, ja N2 eivät ole kyllästystälassa katkaisuhetkellä ja keskimääräinen virrankulutus, jota edustaa pinta-ala W, on pieni.Thanks to the switching arrangement according to Fig. 2, the peak current is equal in both directions of magnetization, the current decreases rapidly because the transistor switches 115, M2, and N2 are not in the saturation state at the time of disconnection and the average current consumption represented by area W is small.

Claims

k Claim 6 V 9 6 3 A switching arrangement for controlling the excitation current of a flux-gate magnetometer, the connection comprising a voltage transducer (K), the output of which is connected to the input (C) of a flip-flop circuit (F) connected as a 2-divider, the outputs (Q, Q) of which transistor switches (, ^) connected to the terminals of the excitation coil (S) such that the direction of the excitation current in the winding (S) changes when the outputs (Q, Q) of the flip-flop circuit (F) change state, characterized in that the excitation coil of the current source (B) S) and a resistor (R) connected in series with the circuit formed by the transistor switches, the terminals of which are connected to the input of the voltage comparator (K) so that the excitation current is interrupted and reversed whenever the voltage drop (U = ix R) in the resistor (R) reaches voltage comparator reference value (U).