ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 6, с. 119-120
ПРИБОРЫ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ В ЛАБОРАТОРИЯХ
УДК 681.518.5
ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОЛЯ МАГНИТОВ
© 2012 г. В. Н. Алферов, Ю. В. Бордановский, Д. А. Васильев, А. В. Лутчев, В. А. Соловьев,
В. Н. Федорченко, А. Н. Холкин
Поступила в редакцию 26.03.2012 г. После доработки 18.04.2012 г.
Система предназначена для измерения гармонических коэффициентов поля магнитов ускорителей. В состав измерительного стенда входят источник питания магнита постоянным или импульсным током, индукционный датчик — штанга с вмонтированными в нее измерительными рамками, измерительная система. Штанга с рамками приводится во вращение в обоих направлениях шаговым двигателем с редуктором. При вращении рамок в магнитном поле в них возбуждается э.д.с. Сигналы с рамок поступают в измерительные каналы системы.
Традиционно сигнал с рамок, возникающий при изменении магнитного потока при их повороте на фиксированный угол, подается на интегратор [1]. Интегрирование суммарного напряжения за время поворота на заданный угол (интервал интегрирования) осуществляется с помощью преобразователя напряжение—частота или быстрого высокоразрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП). При этом значительный вклад в погрешность измерения вносит фактор несинхронности работы измерительных каналов и датчика угла.
В описываемой системе используется синхронизация работы шагового двигателя и высокоразрядного дельта-сигма-АЦП от единого тактового генератора. Это обеспечивает целое число преобразований на каждый шаг двигателя, позволяет варьировать интервал интегрирования при обработке массива данных, менять частоту дискретизации, добиваясь наилучшего отношения сигнал/шум, измерять магнитное поле, а не только изменение потока, усредняя данные измерений за один шаг.
На рисунке приведена структурная схема системы, где показаны основные узлы.
Шаговый двигатель ШД с редуктором (коэффициент редукции 128) и 15-разрядным преобразователем угол—код (при принятой методике используется только при наладке) вращает рамку. Генератор синхроимпульсов предназначен для синхронизации процессов вращения ШД и измерений дельта-сигма-АЦП, обеспечивая частоту 6.144 МГц, которая делится на 512 для тактирова-
ния дельта-сигма-АЦП и синхронизации контроллера управления шаговым двигателем. Контроллер обеспечивает параметры разгона и торможения, направление, скорость вращения рамок, число оборотов и задержку измерения после выхода двигателя на постоянную скорость вращения. Скорость вращения может меняться от 1/15 до 1/2 с-1, число шагов за 1 оборот определяется размером шага (1.5°) и коэффициентом редукции редуктора 128 и равно 30720.
Усилитель-сумматор сигналов собран на базе микросхем ОР37 фирмы Analog Devices и LTC 6912 фирмы Linear Technology с регулируемым коэффициентом усиления. Синхронный 24-разрядный четырехканальный дельта-сигма-АЦП выполнен на базе микросхемы ADS 1274 фирмы Texas Instruments. Установлены частота преобразования 12 кГц и опорное напряжение 2.5 В.
Контроллер, осуществляющий управление генератором синхроимпульсов и АЦП и передачу потока данных измерения в э.в.м., выполнен на базе микроконтроллера ATmega 128 фирмы Atmel. Он связан с э.в.м. по каналу USB через двунаправленный приемопередатчик USB и параллельное FIFO.
Рамки
V V >Г
ШД
Датчик
Усилитель-сумматор
л
Контроллер ШД
А—
Синхронный дельта-сигма-АЦП
1
ж
Генератор синхроимпульсов
ж
Контроллер управления ATmega 128
CAN/USB Э.в.м
I
Структурная схема системы.
120
АЛФЕРОВ и др.
Была проведена проверка линейности зависимости показаний датчика угла поворота измерительной штанги от числа шагов ШД. Отклонение не превышает одной единицы из 32764, соответствующих одному обороту 15-разрядного преобразователя угол-код.
Система испытана при измерениях гармонических коэффициентов поля (до 18-й гармоники включительно) квадрупольных магнитов ускорителя SIS 300 [2]. Измерения проводились при различных значениях токов. Штанга с рамками поворачивалась в режиме разгон — вращение с постоянной скоростью на один оборот — торможение, и обратно. Анализ результатов магнитных измерений проводился методом быстрого фурье-преобразования (FFT).
Работа была проведена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (государственный контракт № 16.518.11.7005 от 12 мая 2011 г.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Billan J. // Proceedings of Magnet Measurement Workshops, IMMW 11. Brookhaven National Laboratory (BNL), Brookhaven, October 1999.
2. Tkachenko L, Bogdanov I., Kozub S. et al. // IEEE Trans. Appl. Superconductivity. 2010. V. 20. Issue 3. Part 1. P. 159.
Адрес для справок: Россия, 142281, Протвино Московской обл., ул. Победы, 1, Институт физики высоких энергий. Тел. 8-909-943-7759. E-mail: Vladimir.Alferov@ihep.ru
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 6 2012
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.