СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2007 года по МПК G01V3/08 

Изобретение относится к области подводной добычи полезных ископаемых и обнаружения подводных объектов по искусственно созданным и естественным магнитным полям и может быть использовано для обеспечения навигационной безопасности при подходе нефтеналивных судов и газовозов при подходе к беспричальным морским загрузочно-разгрузочным буйковым терминалам типов BTL и STL, а также для обнаружения намагниченных навигационных опасностей (мели, банки, подводные скалы и т.п.).

Известен способ подводной добычи полезных ископаемых [1], включающий передвижение по ориентиру подводного добычного агрегата по дну параллельными полосами и сбор полезных ископаемых, в котором задание границ производят путем рассеивания ферромагнитного материала, а на агрегате устанавливают устройство для контроля наличия ферромагнитного материала и измерения величины магнитного поля, при этом при передвижении агрегата задание границы очередной полосы производят с борта агрегата одновременно со сбором ферромагнитного материала и полезного ископаемого на предыдущей полосе.

Недостатком известного способа является малая ширина полосы обследования, что существенно увеличивает технологический процесс, а соответственно и материальные затраты.

Известен также способ обнаружения подводных объектов из ферромагнитных материалов, основанный на измерении напряженности магнитного поля вдоль полосы обследования с помощью магнетометра [2]. Данный способ также имеет малую ширину обследования, в частности при поиске ферромагнитных объектов, имеющих незначительное собственное поле.

Для обнаружения и измерения полезного сигнала в известных способах используется магнитная система [3], содержащая трехкомпонентный преобразователь магнитного поля, блок питания, блок усиления и преобразования сигнала, исполнительный блок, второй трехкомпонентный преобразователь магнитного поля, два источника магнитного поля, блок управления и вычислительный блок, в котором выходы первого и второго источников магнитного поля и выходы первого и второго трехкомпонентных преобразователей магнитного поля через блок управления соединены соответственно с блоком питания и блоком усиления и преобразования сигнала, выход которого через вычислительный блок соединен с входом исполнительного блока. При этом трехкомпонентные преобразователи и источники магнитного поля расположены в вершинах углов прямоугольника, ориентированного поперек полосы обследования, нижняя сторона которого образована источником и трехкомпонентным преобразователем магнитного поля.

Данная система по сравнению с известными способами [1, 2] за счет применения двух трехкомпонентных преобразователей магнитного поля повышает точность обнаружения подводных объектов и увеличивает ширину полосы обследования. Однако при поиске ферромагнитных объектов с незначительным собственным полем ширина полосы обследования характеризуется незначительной величиной. Кроме того, данная система практически неприменима для обнаружения слабонамагниченных объектов.

Из теории постоянных магнитов известно (см. например: Гордин В.М., Розе Е.Н., Углов Б.Д. Морская магнитометрия. М., Недра, 1986, с.232), что одной из основных характеристик постоянных магнитов является удельная магнитная энергия

W=В·Н/2, (Дж/м³),

где В - магнитная индукция, Н - напряженность магнитного поля.

Данная энергия характеризует потенциальные возможности магнита накапливать магнитную энергию.

При этом

(ВН)max≅В_r ²/4_r ²μ₀,

где В_r - остаточная магнитная индукция, μ₀ - магнитная проницаемость породы магнита.

Исходя из значений максимальной удельной энергии, которую могут создавать те или иные магниты, можно оценить величину магнитного момента. С учетом того, что магнитный момент прямо пропорционален объему ферромагнитного материала, то результаты оценки для одного кубического метра магнитного материала с учетом, что и то где - намагниченность, М - магнитный момент, ν - объем магнитного материала.

При ν=1м³ где μ₀=4π·10^-7.

Результаты расчета максимального магнитного момента, который может быть создан одним кубическим метром ферромагнитного материала, имеют следующие значения:

- для сплавов Fe-Al-Ni-Co (Wmax=40·10³ Дж/м³; Mmax=500 кА/м²; К=2·10^-8);

- для редкоземельных соединений типа SmCo (Wmax=72·10³ Дж/м³; Mmax=670кА/м²; К=1,5·10^-8);

- соединений на основе Fe, Fe-Co (Wmax=26·10³ Дж/м³; Mmax=400 кА/м²; К=2,5·10^-8);

- различные стали типа ЕХЗ, Е7В6 и другие

(Wmax=1÷2·10³ Дж/м³; Mmax=80÷110 кА/м²; К=9÷12·10^-8).

Наиболее высокую энергоемкость имеют соединения редкоземельных металлов (коэффициент 1,5·10^-8) и стали (коэффициент 9÷12·10^-8).

Оценка объема ферромагнитного материала, необходимого для создания на различных расстояниях r от центра источника магнитного поля, имеющего значения 1,10 и 100 НТл, выполненного на основании зависимости ν≅10^-5·В/М·r³=kBr³, k=10^-5/M - коэффициент, зависящий от используемого магнитного материала, показала (табл.1), что для создания постоянного магнитного поля с необходимой напряженностью 10 НТл на расстоянии от центра источника порядка 200 м необходимо, примерно, десять кубических метров стали или два кубических метра редкоземельных металлов.

Таблица 1.r, мВ=1НТлВ=10НТлВ=100НТлВ=1НТлВ=10НТлВ=100НТл500010000010000001000000020002000020000010001001000100002020020005001010010002202002001101000,22201000,11100,020,22500,010,110,0020,020,2

С учетом того, что средняя длина добычного агрегата или танкера составляет порядка 150 м, а погрешность модульных магнитных датчиков составляет 0,1-0,01 НТл (см. например - Семевский Р.Б., Аверкиев В.В., Яроцкий В.А. Специальная магнитометрия. С-П., Наука, 2002, с.164), то протяженность ферромагнитного материала вдоль рекомендованного курса движения для обнаружения полезного сигнала составит порядка 300 м. При этом значение ширины полосы обследования при использовании магнитометра вычисленное по формуле:

В=[(10¹⁰M²/σ₁ ²+σ₂ ²)^1/3-Z²]^1/2, где М - магнитный момент ферромагнитного материала, σ₁ - чувствительность магнитометра, σ₂ - уровень магнитных шумов, Z - глубина под первичным преобразователем магнитометра (при М=50 Э/м, Z=50 м, σ₁=0,001 гаммы, σ₂=1,73 гаммы) составит 214 м.

Сооружение такого искусственного ферромагнитного поля в морских условиях сопряжено с существенными материальными затратами, что в сочетании с малой шириной полосы обследования существенно сужает фукциональные возможности известных способов.

Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей известных способов.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе подводной добычи полезных ископаемых и обнаружения подводных объектов по магнитным полям, включающем передвижение по ориентиру носителя измерения магнитного поля, с заданием границ путем рассеивания ферромагнитного материала или по естественном источникам магнитного поля с последующим измерением величины магнитного поля с созданием попеременного магнитного поля в двух диагонально расположенных вершинах четырехугольника, ориентированного поперек полосы обследования, образованной границами, нижняя сторона которого образована источником магнитного поля и измерителем и расположена на горизонте обследования, а верхняя сторона образована первичными трехкомпонентными преобразователями магнитометра - перед заданием границ путем рассеивания ферромагнитного материала, из ферромагнитного материала формируют массы объемом в один кубический метр, которые размещают на расстояниях 80÷170 м друг от друга по оси границы.

В отличие от известных способов в заявляемом способе, перед заданием границ области обследования путем рассеивания ферромагнитного материала из него формируют массы объемом в один кубический метр, которые размещают на расстояниях 80÷170 м друг от друга по оси границы.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1 и 2). Фиг.1 - блок-схема измерительной системы магнитного поля, которая включает два буксируемых источника магнитного поля 1 и 2, подключенных посредством кабель-тросов 3 и 4 соответственно к блоку питания 5 через блок управления 6, два буксируемых первичных трехкомпонентных преобразователя магнитного поля 7 и 8, подключенных посредством кабель-тросов 9 и 10 соответственно ко вторичному преобразователю 11 через блок управления 6, вычислительный блок 12, вход которого подключен к выходу вторичного преобразователя 11, а выход подключен ко входу исполнительного блока 13. Фиг.2 - экспозиция полосы обследования. Массы ферромагнитного материала 14, ось границы 15, носитель 16 измерительной системы магнитного поля.

Измерительная система работает следующим образом. В процессе буксировки вдоль полосы обследования посредством блока управления 6 осуществляется попеременная работа источников магнитного поля 1 и 2. Суммарное магнитное поле источника 1 и ферромагнитных масс 14 воздействует на первичный трекомпонентный преобразователь магнитного поля 8, а суммарное магнитное поле источника 2 и ферромагнитных масс 14 воздействует на первичный трекомпонентный преобразователь магнитного поля 7. Сигналы, возникающие при этом, поступают на вход вторичного преобразователя 11, который усиливает и преобразует сигналы. Из вторичного преобразователя 11 сигналы попеременно поступают в вычислительный блок 12, который определяет сигнал, обусловленный наличием ферромагнитных масс или подводного ферромагнитного объекта (при поиске подводных объектов). Далее сигнал поступает на исполнительный блок 13, где он регистрируется и транслируется на систему управления носителя 16, обеспечивающую движение носителя в заданных границах области обследования (производства работ). При поиске подводных объектов сигнал поступает в навигационный модуль, где определяются его координаты.

Чувствительность данной измерительной системы к обнаружению магнитных полей ферромагнитных источников характеризуется погрешностью определения сигнала m_c, которая определяется в соответствии с выражением

где m₁, m₂ - погрешности определения чувствительности первичных трехкомпонентных преобразователей магнитного поля 7 и 8 соответственно, m_Δс - погрешность определения величины сигнала, характеризующего наличие ферромагнитных масс или подводного объекта, обусловленная изменением начального приращения между расстояниями от источника магнитного поля 1 до первичного трехкомпонентного преобразователя 8 и от источника магнитного поля 2 до первичного трехкомпонентного преобразователя 7. Значение m_Δс можно определить по формуле m_Δс=3M/S×m_Δс, где М - магнитный момент источника магнитного поля, S - расстояние от источника магнитного поля 2 до первичного трехкомпонентного преобразователя 7, m_Δс - погрешность определения изменения начального приращения расстояний от источника магнитного поля 1 до первичного трехкомпонентного преобразователя 7.

Для частного случая, когда оси Х первичных трехкомпонентных преобразователей магнитного поля 7 и 8 ориентированы вдоль полосы обследования, значение m_Δs определяется по формуле

где m_Δу'; m_Δу" - погрешности определения приращения координаты У источника магнитного поля 1 относительно первичного трехкомпонентного преобразователя 7 и источника магнитного поля 2 относительно первичного трехкомпонентного преобразователя 8 соответственно.

Значения m_Δу определяются по формулам

где m_y1, m_y2 - погрешности определения координаты У источника магнитного поля 1 относительно первичного трехкомпонентного преобразователя магнитного поля 7 в начале и в процессе движения носителя соответственно, m_y1, m_y2 - погрешности определения координаты У источника магнитного поля 2 относительно первичного преобразователя магнитного поля 3 в начале и в процессе движения носителя. Значения m_y1, m_y2, m_y1, m_y2 определяются по формуле

где А - амплитуда напряженности источника магнитного поля, измеренная в месте нахождения первичного трехкомпонентного преобразователя магнитного поля, ΔА - погрешность измерения A, ΔM - погрешность определения М, D - расстояние между источником магнитного поля 1 и первичным трехкомпонентным преобразователем магнитного поля 8, Dx - проекция D на ось X. Например, для случая, когда m1, m2=0,0001 гаммы, М=1000 Э/м, S-500 м, А=10 Э, ΔА=10 Э ΔМ=0,5 Э/м, Dx=100 м, D=150 м, погрешность определения составит m_c=0,002 гаммы. При М равном 1000 эм и m_c равной 0 002 гаммы ширина полосы обследования В, рассчитанная по формуле составит 4000 м, что более чем в 10 раз выше, чем у известных способов (В=300 м).

Создание магнитного поля в двух диагонально расположенных вершинах четырехугольника, ориентированного поперек полосы обследования, образованной границами, нижняя сторона которого образована источником магнитного поля 1 и первичным трехкомпонентным преобразователем 8 с расположением ее на горизонте обследования, а верхняя сторона образована источником магнитного поля 2 и первичным трехкомпонентным преобразователем 7 с образованием границ путем рассеивания ферромагнитного материала объемом один кубический метр на расстоянии 80÷170 м друг от друга по оси границы, позволяет создать постоянное магнитное поле с напряженностью 10 НТл с использованием магнитометров с чувствительностью 0,001÷0,0001 гаммы, что позволяет осуществлять обнаружение ферромагнитных объектов при ширине полосы обследования до 5000 м и маломагнитных объектов с шириной полосы обследования 1000 м и более.

В предлагаемом способе исключаются из результатов обработки систематические погрешности и погрешности, обусловленные магнитным полем Земли и его вариациями за счет компенсационного принципа функционирования измерительной системы в сочетании с расположением ферромагнитного материала, образующего границы области обследования в определенном порядке, что повышает достоверности результатов обследования. Создание искусственного магнитного поля из масс ферромагнитного материала, расположенного в определенном порядке, позволяет при подходах к беспричальным морским загрузочно-разгрузочным буйковым терминалам типа BTL и STL обеспечить навигационную безопасность судов и снижает время выхода на эти станции. В этом варианте использования предлагаемого способа магнитометры могут быть установлены в подводной части шахты лага или гидроакустической аппаратуры в носовой части судна. При расположении магнитометров в судовых условиях созданное искусственное магнитное поле из масс ферромагнитного материала может быть также использовано в качестве кабельной мерной линии для проведения натурных испытаний судовых технических средств навигации (см., например, Кораблев А.Е., Массаров В.Ф. Электромагнитные навигационные системы и приборы. Л., ВМА, с.9).

Кроме того, посредством предлагаемого способа может осуществляться поиск и обнаружение подводных объектов, состоящих из ферромагнитных материалов (железо, сталь и т.п.), подводных опасностей (банки, рифы, скалы), имеющих в своем составе маломагнитные материалы (песок, глина, галька и т.п.).

Источники информации

1. Патент РФ №2030583.

2. Системы, приборы и устройства подводного поиска/Жуков Р.Ф., Кондратович А.А., Могильный С.Д., Ципко Б.И. - М., Военное издательство МО СССР, 1972, с.7-9, с.114-120.

3. Авторское свидетельство СССР №727007.

Изобретение относится к разведке с использованием магнитных полей и может быть использовано для обнаружения подводных ферромагнитных объектов. Сущность: буксируют два источника магнитного поля вдоль полосы обследования. Причем границы полосы обследования задают путем рассеивания ферромагнитного материла, сформированного в виде масс в 1 м³, размещенных на расстоянии 80-170 м друг от друга вдоль оси границы с образованием четырехугольника. Осуществляют посредством блока управления попеременной работы буксируемых источников магнитного поля регистрацию суммарного магнитного поля буксируемых источников и ферромагнитных масс первичным трехкомпонентным преобразователем магнитного поля. Усиливают и преобразуют зарегистрированные сигналы суммарного магнитного поля буксируемых источников и ферромагнитных масс вторичным преобразователем. Передают усиленные и преобразованные сигналы суммарного магнитного поля буксируемых источников и ферромагнитных масс в вычислительный блок. В вычислительном блоке определяется сигнал, обусловленный наличием ферромагнитных масс или подводного ферромагнитного объекта. Передают сигнал с вычислительного блока на исполнительный блок с последующей его ретрансляцией в блок управления. Блок управления обеспечивает движение буксируемых источников магнитного поля в заданных границах полосы обследования путем определения координат сигнала в навигационном модуле. Технический результат: расширение полосы обследования. 2 ил.

Способ обнаружения подводных ферромагнитных объектов, включающий буксировку двух источников магнитного поля вдоль полосы обследования с заданием ей границ путем рассеивания ферромагнитного материала, сформированного в виде масс в один кубический метр, размещенных на расстоянии 80-170 м друг от друга вдоль оси границы с образованием четырехугольника, осуществление посредством блока управления попеременной работы буксируемых источников магнитного поля, регистрацию суммарного магнитного поля буксируемых источников и ферромагнитных масс первичным трехкомпонентным преобразователем магнитного поля, усиление и преобразование зарегистрированных сигналов суммарного магнитного поля буксируемых источников и ферромагнитных масс вторичным преобразователем, передачу усиленных и преобразованных сигналов суммарного магнитного поля буксируемых источников и ферромагнитных масс в вычислительный блок, определяющий сигнал, обусловленный наличием ферромагнитных масс или подводного ферромагнитного объекта, передачу сигнала с вычислительного блока на исполнительный блок с последующей его ретрансляцией в блок управления, обеспечивающий движение буксируемых источников магнитного поля в заданных границах полосы обследования путем определения координат сигнала в навигационном модуле.