СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2006 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к геофизическим измерениям, в частности, при инклинометрии скважин.

Известен способ измерения [1], где используют классический феррозонд, состоящий из двух одинаковых и параллельно расположенных ферромагнитных сердечников, где на каждом сердечнике расположены обмотки возбуждения, а третья обмотка намотана на сложенных вместе первых двух катушках.

Этот классический феррозонд используют в технических решениях геофизических инклинометров.

Наиболее близким техническим решением использования способа измерения направления магнитного поля является представленная конструктивная схема феррозондового магнитоприемника [2].

Способ реализован схемой, содержащей: феррозонд, генератор возбуждения, удвоитель частоты, усилитель, детектор синхронный, интегратор и компенсатор постоянного магнитного поля.

Феррозонд состоит из двух ферромагнитных сердечников, на которых намотаны обмотки возбуждения, на сложенных вместе катушках намотаны третья обмотка связи с избирательным усилителем и четвертая обмотка компенсации магнитного поля.

На обмотку возбуждения поступает синусоидальный ток заданной частоты от генератора возбуждения. С третьей обмотки выходной сигнал через избирательный усилитель поступает на детектор синхронный.

Обмотки возбуждения и ферромагнитные сердечники должны быть идентичны, и при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные потоки наводят в измерительной обмотке равные и противоположные по фазе э.д.с. с частотой, удвоенной частоте возбуждения. Поскольку амплитуда тока возбуждения значительно больше порога магнитного насыщения сердечника, то при изменении внешнего магнитного поля в одном сердечнике поле уменьшается, а в другом увеличивается.

В измерительной обмотке наводится напряжение разбалансировки удвоенной частоты. Это напряжение усиливается избирательным усилителем, выпрямляется синхронным детектором и интегрируется интегратором. С выхода интегратора квазипостоянное напряжение поступает на измерительную систему и, через компенсатор магнитного поля, ток, пропорциональный напряжению, поступает на четвертую обмотку феррозонда.

Таким образом, феррозонд охвачен отрицательной обратной связью по постоянному магнитному потоку, вследствие чего температурная стабильность и чувствительность достаточно высоки.

Недостатки известного способа:

- феррозонд с двумя ферромагнитными сердечниками и тремя-четырьмя обмотками довольно сложный и дорогой прибор. Изготовление двух идентичных катушек малых габаритов (например, диаметром 2,5-3 мм и длиной 30-50 мм) с помещенным внутри ферромагнитным сердечником весьма не простая задача. Ферромагнитный сердечник изготовлен из материалов (пермаллой, аморфное железо) с высокой магнитной проницаемостью, которая зависит от технологии изготовления материала, от механических воздействий при креплении и от температуры, изменение проницаемости ведет к изменению индуктивности, что приводит к разбалансу в схеме отработки сигнала и, в итоге, к ошибкам измерения магнитного поля;

- электрическая схема узлов обработки сигнала с возбуждением феррозонда синусоидальным током, заданной частоты, с выделением второй гармоники сигнала, с избирательным узкополосным фильтром и УПТ усложняет систему, требует увеличения последовательно соединенных операционных усилителей, что приводит к повышению погрешностей за счет, например, изменения температуры и дрейфа входных характеристик операционных усилителей.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения и упрощение реализации способа.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения направления магнитного поля, включающем феррозондовый датчик, генератор возбуждения и синхронизации и интегратор, согласно изобретению, феррозонд изготавливают на одном ферромагнитном сердечнике с одной обмоткой, на которую подают короткие положительные и отрицательные импульсы возбуждения от генератора возбуждения и ток компенсации магнитного поля от интегратора, с этой же обмотки информационные импульсы подают на детектор синхронный и далее на интегратор, с выхода интегратора снимают квазипостоянное напряжение, пропорциональное измеряемому магнитному полю.

Для улучшения согласования детектора синхронного, в зависимости от схемы детектора, может возникнуть необходимость трансформаторной связи, для чего на феррозонде наматывают вторую обмотку.

Предлагаемый способ измерения представлен на фиг.1а, b и фиг.2.

На фиг.1а представлена функциональная схема реализации предлагаемого изобретения.

На фиг.1b представлена схема, где феррозонд с дополнительной обмоткой.

На фиг.2 показана форма импульсов на феррозонде.

Сущность реализации предложенного способа заключается в том, что при использовании феррозонда с одним ферромагнитным сердечником и одной обмоткой на феррозонд подают не синусоидальное, а импульсное возбуждение и измеряют энергию заряда (или разряда) индуктивности феррозонда.

Техническое решение способа состоит из: феррозонда L₁, генератора возбуждения и синхронизации 1, детектора синхронного 2, интегратора 3, резистора R.

Генератор 1 формирует короткие разнополярные импульсы, следующие с определенной частотой.

Короткий положительный (отрицательный) импульс заряжает индуктивность L₁ до порога насыщения. После прекращения заряда накопленная энергия в индуктивности разряжается, возникает колебательный процесс (фиг.2).

Напряжение на феррозонде L₁ падает до нулевого потенциала, переходит в отрицательное (положительное) значение и, разряжаясь, стремится к нулевому потенциалу.

Если магнитное поле (например, поле земли) перпендикулярно оси магнитометра, направленной по линии "восток-запад", то внешнее поле равно нулю, положительные и отрицательные импульсы зарядов феррозонда равны.

Постоянная составляющая после синхронного детектирования равна нулю, и на выходе интегратора 3 напряжение равно "ноль вольт".

При отклонении оси феррозонда L₁ от "нулевого поля", например, в сторону севера поле земли будет складываться в феррозонде с собственным полем при положительном импульсе возбуждения и вычитаться - при отрицательном, отсюда энергия, накопленная в индуктивности, будет больше при положительном импульсе и меньше - при отрицательном.

Постоянная составляющая после детектора синхронного 2 будет отличаться от нуля, интегратор 3 выделит постоянную составляющую и на выходе интегратора 3 появится напряжение, которое через резистор R поступит на феррозонд L₁, возбуждая в обмотке L₁ электромагнитное поле, компенсирующее поле земли.

Предлагаемый способ измерения направления магнитного поля позволяет повысить точность измерения и упростить устройство реализации этого способа за счет:

- упрощения изготовления феррозонда с одним ферромагнитным сердечником и одной обмоткой;

- уменьшения количества активных компонентов электронной схемы.

Источники информации

1. Н.Н. Кривко, В.Д. Шароварин, В.Н. Широков. Промыслово-геофизическая аппаратура и оборудование. М.: Недра, 1981 г.

2. Л.З. Бобриков, И.Н. Кадыров, В.А. Попов. Электроразведочная аппаратура и оборудование. М.: Недра, 1979 г.

Изобретение относится к феррозондовым измерителям, в частности к геофизическим методам, например, при инклинометрии скважин. Способ измерения направления магнитного поля заключается в том, что используют феррозонд с одним ферромагнитным сердечником и одной обмоткой, на которую подают короткие положительные и отрицательные импульсы возбуждения, следующие с заданной частотой, и подают квазипостоянный ток компенсации измеряемого магнитного поля с выходного интегратора, а информационные импульсы с этой обмотки подают на детектор синхронный. Детектор преобразует информационный сигнал, а интегратор выделяет постоянную составляющую и в виде квазипостоянного напряжения выдает на феррозонд и на измерительное устройство. Использование только одной обмотки, только одной цепи возбуждения и разряда, практически исключает разбаланс обработки сигнала и снижает требования к идентичности элементов системы обработки, что повышает температурную стабильность и точность измерения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения направления магнитного поля, реализованный электронными узлами: датчик феррозондовый, генератор возбуждения и синхронизации, детектор синхронный и интегратор, отличающийся тем, что датчик феррозондовый изготавливают на одном ферромагнитном сердечнике с одной обмоткой, на которую подают короткие положительные и отрицательные импульсы возбуждения от генератора возбуждения, подают ток компенсации магнитного поля от интегратора, с этой же обмотки информационные импульсы подают на детектор синхронный и далее на интегратор, с выхода интегратора снимают квазипостоянное напряжение, пропорциональное измеряемому магнитному полю.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для согласования с детектором синхронным на ферромагнитном сердечнике может быть намотана вторая обмотка.