Устройство для воспроизведения заданных значений магнитной индукции Советский патент 1984 года по МПК G01V3/40 

Изобретение относится к геофизике, в частности к метрологическому обеспечению геофизических измере ний, и может быть использовано для получения эталонных значений магнит ной индукции слабых магнитных полей Известно устройство для воспроиз ведения заданных значений магнитной индукции, содержащее регулируемый источник, эталонную катушку, исполь зуемую при поверке геофизической аппаратуры С 1 . Недостатком данного устройства является низкая точность. Наиболее близким к изобретению по технической с тциости является устройство для воспроизведения заданньк значений магнитной индукции, содержащее ориентированную по магнитному полю Землю эталонную катушку с двумя последовательно соглас но вю1юченными секциями, первую катушку компенсации, две секции которой включены последовательно-соглас но, расположены между секциями эталонной катзтики и соосны им, вторую катушку компенсации с двумя секциями, включенными последовательно согласно, расположенными на заданном расстоянии от секций эталонной катушки и соосными им, токозадающую катушку с двумя встречно-последовательно включенными секциями, расположенными между секциями второй катушки компенсации и соосными им, пе вьш и второй регулируемые источники тока, идентичные первый и второй квантовые преобразователи, сумматор частот, первый и второй фазовые детекторы, а также синтезато1э час- ° тот, при этом выход синтезатора частот соединен с первым входом вто рого фазового детектора, выходы пер вого и второго квантовых преобразователей соединены с входами сумматора частот и первого фазового дете тораJпри этом выход сумматора часто соединен с вторым входом второго фа зового детектора, а выход первого фазового детектора соединен с входо второго регулируемого источника то ка, при этом эталонная и токозадающая катушки соединены последователь но и образуют цепь первого регулиру емого источника тока, а первая и вт рая катушки компенсации образуют це второго регулирующего источника тока С 21. Недостатком известного устройства является низкая точность в условиях интенсивных промьшшенньк помех, обусловленная нестабильностью неском пенсированного остатка магнитного поля Земли (МПЗ) в рабочем объеме эталонной катушки. Цель изобретения - повышение точности в условиях интенсивных промьш - ленных помех. Указанная цель достигается тем, что устройство для воспроизведения заданных значений магнитной индукции, содержащее ориентированную по магнитному полю Земли эталонную каТУ1ЛКУ с двумя последовательно соглас но включенными секциями, первую катушку компенсации, две секции которой включены последовательно согласно, расположены между секциями эталонной катушки и соосны им, вторую катушку компенсаций с двумя секциями, включенньми последовательно согласно, расположенными на заданном расстоянии от секций эталонной катушки и соосными им, токозадающую катушку с двумя встречно-последовательно включенными секциями, расположенными между секциями второй катушки компенсации и соосными им, первьй и второй регулируемые источники тока, идентичные первьй и второй квантовые преобразователи, сумматор частот, первый и второй фазовые детекторы, а также синтезатор частот, при этом выходсинтезатора частот соединен с первым входом второго фазового детектора, вькоды первого и второго квантовьк преобразователей соединены с входами сумматора частот и первого фазового детектора, при . этом выход сумматора частот .соединен с вторым входом второго фазового детектора, а выход первого фазового детектора соеди«ен с входом второго регулируемого источника тока, при этом эталонная и токозадающая катушки соединены последовательно и образуют цепь первого регулируемого источника тока,а первая и втррая катушки компенсации образуют цепь второго регулируемого источника тока, содерит третий квантовый преобразователь, идентичный первому и второму, устройство управления и измерения разностей частот, первый и второй ключи, устройство сравнения и сигнализации, при этом третий квантовый преобразователь расположен на расстоянии от 02 до 1,2 радиуса эталонной катушки от ее геометрического центра, при этом выходы квантовых преобразователей соединены с входами устройства управления и измерения разностей частот, кодовый выход которого соединен с входом устройства сравнения и сигнсшизации, а выход управления соединен с управляющими входами первого и второго ключей, включен ньк в цепи соответственно первого и второго регулируемых источников тока.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит эталонную катушку 1 магнитной индукции, соосную с первой катушкой 2 компенсации магнитного поля Земли, ориентированные по его направлению. Две идентичные в.стречно-последовательно включенные секции 3 и 4 токозадающей катушки соосные с второй катушкой 5 компенсации, ориентированы по МПЗ и удалены от эталонной катушки 1 и первой катушки 2 компенсации на расстояние, обеспечивающее исключение влияния системы секции 3 и 4 токозадающей катушки и второй катушкой 5. Устройство содержит также два раг лируемых источника тока б и 7.Внутри рабочих объектов секций 3 и 4 токозадающих катушек помещены идентичные квантовые преобразователи 8 и 9 магнитной индукции в частоту. Кроме того, устройство включает сумматор 10 частот, первый и второй фазовые детекторы 11 и 12, синтезатор 13 частот, квантовый преобрази ватель 14, устройство 15 управления .и измерения разностей частот, ключи 16 и 17, устройство 18 сравнения и сигнализации.

Устройство работает.следующим образом. .

Значение тока 3 эталонной катушки 1 при замкнутом первом ключе 16 стабилизируется первой цепью автоматического регулирования, состоящей из первого регулируемого источника 6 тока, эталонной катушки 1, секций 3 и 4 токозадающей катушки, квантовьк преобразователей 8 и 9, сумматора 10 частот, JBToporo фазового детектора.12 и синтезатора 13 частот

В основу воспроизведения магнитной индукции положено соотношение

К.У + йЪ,

где Kj - постоянная эталонной катушки, в рабочем объеме которой создается заданное значение магнитной индукции; 3 - сила тока, поддерживае.мая с высокой точностью на заданном определенном уровне;

ДБ - нескомпенсированный остаток МПЗ в рабочем объеме эталонной катушки.

Благодаря идентичности и встречному включению секций 3 и 4 токозадающей катушки в рабочих объемах последних создается магнитное поле:

K.J..3 +ДБ, Bj .3f-ДБ,

В,

где постоянная секций 3 и 4 токозадающей катушки. Квантовые преобразователи 8 и 9Вырабатывают сигналы с частотами:

и f.

ГБ

ГБ.

2

где Г - фундаментальная константа

атомов рабочего вещества пре образователей

На выходе сумматора 10 частот выделяется сигнал, частота которого во втором фазовом детекторе 12 сравнивается с опорной частотой, поступающей с синтезатора 13 частот. С вы хода второго фазового детектора 12 вьфабатывается сигнал, управляющий первым регулируемым источником 6 то-, ка таким образом, чтобы выполнялось условие f 0, багодаря чему значение частоты f- определяет значение тока:

3

Значение.коэффициента пропорциональности. 2rK/ определяется при аттесt

тации устройства.

Магнитное поле Земли компенсирует ся при замкнутом втором ключе 17 второй цецью автоматического регулирования, состоящей из первой и второй катушек компенсации 2 и 5 второго регулируемого источника 7 тока, секций токозадающей катушки 3 и 4, квантовых преобразователей 8 и 9 и первого фазового детектора 11. Благо даря ориентации всех катушек по МПЗ и эквивалентности катушек 2 и 5 ком пенсации последними создаются одина ковые поля равные и направленные противоположно МПЗ. Сигнал с выхода первого фазового детектора 11 следи за изменениями МПЗ, управляя током второго регулируемого источника 7 таким образом, что выполняется усло вие равенства частот f:, - f с выхо дов крантовьк преобразователей 8 и 9, что равносильно полной компенсации МПЗ. В рабочем объеме эталонной катушки 1 компенсируется та часть МПЗ, информация о которой получена в области расположения квантовых пр образователей 8 и 9. В отсзпгствие промышленных помех изменение МПЗ в рабочем объеме эталонной катушки 1 идентично с дос таточной точностью измерению МПЗ в области расположения квантовых преобразователей 8 и 9 (расстояние меж ду эталонной катушкой 1 и секциями 3 и 4 токозадающей катушки достигает 10 и 25 м). При наличии промышленных помех, вызванных, например, передвижением магнитных масс (автомобили, приборы) измeнeниe f нагрузки в силовьк кабелях, изменением во времени растекания земных токов, и т.д., в рабочем объеме эталонной катушки 1 будет компенсироваться только та 4aqTb помехи, амплитуда которой воз действовала на квантовые преобразователи 8 и 9. Вследствие того, что помеха, вызванная, например, магнит ной массой, затухает в кубической зависимости от расстояния, то она по разному проявляется в рабочем объеме эталонной катушки 1 и области расположения квантовых преобразо вателей 8 и 9. Изменение помехи в точках расположения квантовых преоб разователей 8 и 9 тоже приведе к ошибке воспроизведения, хотя вероят ность появления такой помехи меньше из-за малого расстояния между преоб р азователями 8 и 9 (оно лежит в пределах 0,4 и 4 м). Слежение за магнитной обстановкой заключается в измерении разности магнитной индукции между точками расположения квантовых преобразователей 8 и 14, 8 и 9 в режиме отключенных токов компенсации МПЗ и эта лонного в соответствии с соотноше ннями -ДВ в, - Вз |лв,, в, - в. где 4 разность значения магнитной индукции . МП между 8 и 14 и 8 и 9 преобразователями соответственно; ,Bj значения МПЗ в точках расположения квантовых преобразователей 8, 9, 14 соответственно. В отсутствие помех величины В, Bj будут изменяться одинаково,а значения ЛВ будут неизменны во времени. Наличие помех приведет к неодинаковому изменению величины В, В и Bj, что в свою очередь приведет к изменению значений .Измеряя периодически значения B jHuBjjj и сравнения их с измеренными ранее значениями, например при аттестации, предупреждают ошибки в воспроизведении заданных значений магнитной ин дукщет, вызванные промьштенными помеха1 ш;По заданному циклу устройство 15 управления и измерения разности частот вьфабатывэет по управляющему выходу сигнал на размыкание первого и второго ключей 16 и 17, в результате чего каждый из квантовых преобразователей находится под воздействием МПЗ и возможной помехи. Частота на выходе каждого из преобразователей равна: f, ГВ Устройство 15 управления и измере нияразности частот измеряет с достаточной точностью разность частот f - fj и f - fj за время, пропорциональное коэффициенту -р-, получая таким образом отсчеты значений ДВ 3 единицах магнитной индукции. С выхода цифрового кода устройства 15 управления и измерения разности частот кода значений поступают вустройство 18 срав нения и сигнализации, где они сравниваются с кодами ЙВ полученными ранее.

Если значения 4 B,j идB„

oтличaют-

ся от ранее измеренных более, чем на заданньш предел (предел обычно равен единице младшего разряда кодов ДВ и л B-,j), устройство 18 сравнения и сигнализации выр |1атьшает сигнал об изменившейся магнитной обстановке, указывающей оператору на появление ошибки в значении магнитной индукции, воспроизводимой устройством. Коды ранее измеренных значений и Л набираются в устройстве 18 сравнения и сигнализации при помощи, например, программных переключателей Использование трехквантовых преоб разователей позволяет повысить точность воспроизведения значений и индукции, поскольку расстояние между эталонной катушкой 1 и токозадающими катушкаьш 3 и 4 лежит в пределах от 10 до 25 м, а расстояние между квантовыми преобразователями 8 к 9 - от 0,4 до 4 м. Магнитная помеха затухает пропорционально кубу расстояния от источника, поэтому , . на базе 0,4 м она может быть не запегистрирована, а на базе 10 м она

будет превьвпать допустимый цредел. Пусть, например, помеха затухает на 0,1 нТл на расстоянии 1 м, разрешающая способность измерения разности равна 0,1 нТл. При базе в 0,4 м помеха вызовет изменение на 0,04 нТл, а на базе 10 м она вызовет изменение в 1 нТл, что приведет к ее регистрации при изменении разности

Возможны случаи возникновения помехи, которая.эквидистантна к квантовым преобразователям 8 и 9 и неэквидистантна к квантовому преобразователю 14, или же помехи, которая эквивалентна квантовьм преобразователям 8 и 14, но затухает в направлении расположения квантовых преобразователей 8 и 9.

Изобретение позволяет повысить точность воспроизведения заданных значений магнитной индукции в условиях интенсивных промышпенных помех

благодаря использованию.трех квантовых преобразователей для слежения за магнитной обстановкой.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЗАДАННЫХ ЗНАЧЕНИЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ, содержащее ориентированную по магнитному полю Земли эталонную катутку с двумя последовательно согласно включенными секциями, первую катушку компенсации, две секции которой включены последовательно согласно, расположены между секциями эталонной катушки и соосны им, вто- рую катушку компенсации с двумя секциями, включенными последовательно согласно, распол-оженными на заданном расстоянии от секций эталонной катушки и соосьыми им, токозадающую катушку с двумя встречно-последовательно включенными- секциями, расположенными между секциями второй катушки компенсации и соосными им, первый и второй регулируемые источники тока, идентичные первый и второй квантовые преобразователи, сумматор частот, первый и второй фазовые детекторы, а также синтезатор частот. при этом выход синтезатора частот соединен с первым входом второго фазового детектора, выходы первого и второго квантовых преобразователей соединены с входами сумматора частот и первого фазового детектора, при этом выход сумматора частот соединен с вторым входом второго фазового детектора, а выход первого фазового детектора соединен с входом второго регулируемого источника тока, при этом эталонная и токозадающая катушки соединены последовательно и образуют цепь первого регулируемого источника тока, а первая и вторая катушки-компенсации образуют цепь второго Q регулируемого источника тока, отличающееся тем, что, с целью повышения точности в условиях интенсивных промьшшенных помех, устройство содержит третий квантовый § преобразователь, идентичный первому и второму, устройство управления и измерения разностей частот первый Nnoi и второй ключи, устройство сравненения и сигнализации, при этом третий квантовый преобразователь расположен на расстоянии от 0,2 до 1,2 ;о 4 радиуса эталонной катушки от ее геометрического центра, при этом выхо ды квантовых преобразователей соединены с входами устройства управления и измерения разностей частот, кодовый выход которого соединен с входом устройства сравнения и сигнализации, а выход управления соединен с управляющими входами первого и второго ключей, включенных в цепи соответственно первого и второго регулируемых . источников тока.