Градиентометр Советский патент 1984 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к измерител ной технике и может быть использовано для олределения координат магнитного диполя, его магнитного момента и параметров магнитного поля, создан ных этим диполем в точках пространст ва, например, в геофизике для проведения наземных магниторазведочных работ, в навигации для обеспечения безаварийного плавания, в медицине для определения координат инородных металлических предметов в те.пе человека, для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, в промьшленности для автоматизации производственных процессов и т.д По основному авт.св. № 789949, известен градиентометр, содержащий жесткую немагнитную опору, основные однокомпонентные магнитометрические преобразователи, синхронные детекторы, источник опорного напряжения, источник переменного тока, регистрирующие приборы дальности, направления, магнитного момента и магнитного поля, поворотную систему, соединенную с жесткой немагнитной опорой, и вычислительный блок, входы которого подключены к выходам синхронных детекторов и источника опорного напряжения, а выходы - к регистрирующим приборам, при этом все основные магнитометрические преобразователи расположены на жесткой немагнитной опоре группами, каждая из которых состо ит из трех основных магнитометрических преобразователей, ось одного из которых совпадает с одной из осей пространственной прямоугольной систе мы координат, ось второго параллель на второй оси, и ось третьего параллельна третьей оси этой системы коор динат. Основные магнитометрические преобразователи каждой группы расположены симметрично основным магнитометрическим преобразователям любой другой группы. Выходы основных магни тометрических преобразователей кажды двух групп, оси которых параллельны или соосны, подключены к первым двум входам синхронных детекторов. Входы коммутации синхронных детекторов подключены к источнику переменного тока, выходы которого подключены к входам основных магнитометрических преобразователей ClJНедостатком известпого градиентометра является низкая точность определения направления на магнитный диполь. Эта точность тем меньше,чем больше расстояние от градиентометра до магнитного диполя. Цель изобретения - повьшение точности определения координат магнитного диполя, его магнитного момента и параметров магнитного поля. Эта цель достигается тем, что градиентометр, содержащий однокомпонентные магнитометрические преобразователи, расположенные на жесткой немагнитной опоре группами, одни из которых содержат основные магнитометрические преобразователи по три преобразователя в группе, а другие дополнительные магнитометрические преобразователи по два преобразователя в группе, оси одних основных магнитометрических преобразователей в группах параллельны, а оси других соосны, ocHoBHbie магнитометрические преобразователи каждой группы расположены симметрично магнитометрическим преобразователям любой другой группы, включающей основные преобразователи, при этом дополнительные магнитометрические преобразователи в каждой группе расположены так, что ось одного из них параллельна, а ось другого перпендикулярна той оси пространственной прямоугольной системы координат, с которой совпадают оси основных магнитометрических преобразователей, группы дополнительных магнитометрических преобразователей расположены симметрично упомянутой оси, с которой совпадают оси основных магнитометрических преобразователей, основные и дополнительные магнитометрические преобразователи, расположенные группами на жесткой немагнитной опоре с возможностью ее вращения в двух ортогональных плоскостяхj снабжен дополнительными синхронными детекторами и группами дополнительных магнитометрических преобразователей, размещенных на жесткой немагнитной опоре по два дополнительных преобразователя в группе, ось одного из.дополнительных магнитометрических преобразователей в каждой группе параллельна, а ось другого перпендикулярна той оси пространственной прямоугольной системы координат, с которой совпадают оси основных магнитометрических преобразователей, группы дополнительных магнитомет3рических преобразователей расположены симметрично относительно упомянутой оси, с которой совпадают ос основных магнитометрических преобразователей, так, что дополнительные магнитометрические преобразователи одной группы симметричны допол нительным магнитометрическим преобразователям другой группы, а плоскость, в которой расположены параллельные оси дополнительных магнитометрических преобразователей любой из двух симметрично расположенных групп, ортогональна по крайней мере одной из плоскостей, в которой расположены параллельные оси дополнительных магнитометрических преобразователей двух других симметрично расположенных групп, выходы каждых двух симметрично расположенных дополнительных магнитометрических преобразователей подключены к первы .двум входам одного из дополнительны синхронных детекторов, выходы всех дополнительных синхронных детекторов подключены к вычислительному блоку,а входы коммутации этих детекторов - к источнику переменного .тока, выходы которого подключены к входам дополнительных магнитометрических преобразователей. На чертеже изображена структурна схема градиентометра. Градиентометр содержит-основные магнитометрические преобразователи 1 - 12, дополнительные магнитометри ческие преобразователи 13 - 20, син хронные детекторы 21 - 26, дополнительные синхронные детекторы 27 - 3 истопник переменного тока 31, выход которого подключены к входам преобразователей 1 - 20, источник опорного напряжения 32, регистрирующие приборы дальности 33, направления 34, магнитного момента 35 и магнитного поля 36, вычислительный блок 37, входы которого подключены к выходам детекторов 21 - 30, а выходы к регистрирующим приборам 33 - 36, жесткую немагнитную опору 38, поворотную систему 39, соединенную с оп рой 38 в точке О, которая является началом пространственной прямоуголь ной системы координат X,Y,Z с осями ОХ, OY, OZ, при этом жесткая немагнитн-ая опора 38 выполнена с возможностью вращения относительно упомян той системы координат. Оси основных 74 преобразователей 1, 2, 7 и 8 совпадают с осью OZ,, пространственной пря моугольной системы координат x,Y, Z с осями ОХ , OY, OZ, при этом упомянутая система координат жестко связана с немагнитной опорой 38. Оси основных преобразова гелей 5 и 6, 11 и 12 параллельны оси ОХ, а оси преобразователей Зи4, 9и10 параллельны оси OY. Оси дополнительных преобразователей 13 и 14, 17 и 18 параллельны, а оси преобразователей ,, 19 и 20 перпендикулйрны оси OZ . Выходы преобразователей 1 и 2 соединены с двумя пер- выми входами синхронного детектора 21, выходы преобразователей 3 и 4 соединены с двумя первыми входами детектора 22, выходы преобразователей 5 и 6 соединены с двумя первыми входами детектора 23, выходы преобразователей 7 и 8 соединены с двумя первыми входами детектора 24, выходы преобразователей 9 и 10 соединены с двумя первыми входами детектора 25, выходы преобразователей 11 и 12 соединены с двумя первыми входами детектора 26, выходы преобразователей 13 и 14 соединены с двумя перг выми входами детектора 27, выходы преобразователей 15 и 16 соединены с двумя первыми входами детектора 28, выходы преобразователей 17 и 18 соединены с двумя первыми входами детектора 29, выходы преобразователей 19 и 20 соединены с двумя первыми входами детектора 30. Выходы коммутации синхронных детекторов 21-30 подключены к источнику переменного тока 31. Все магнитометрические преобразователи расположены на жесткой немагнитной опоре 38 группами. Одни из групп содержат основные магнитометрические преобразователи по три магнитометрические преобразователя в группе (1,3,5), (2,4,6), (7,9,11) и (8,10,12), другие - дополнительные магнитометрические преобразователи по два преобразователя в группе (13, 15), (14, 16),(17,19) и (18, 20). На чертеже изображены только четыре группы, содержащие дополнительные магнитометрические преобразователи. Группы, содержащие основные преобразователи (1,3,5), (2,4,6), (7,9,11) и (8,10,12), измеряют параметры магнитного поля в объемах, ограниченных одинаковыми геометрическими фигурами, центры которых .К, L, М и N расположены на оси OZ . Длина каждого из отрезков KL и MN имеет значение равное S, Расстояние между точками А и Р, расположенными на серединах отрезков KL и MN, имеет значение равное Ь, а расстояние межд точками О и Р - d. Группы дополнителных- преобразователей (13,15), (14,16 (17,19) и (18,20) расположень симметрично относительно оси OZ так, что преобразователи 13 и 14, 15 и 16 17 и 18, 19 и 20 симметрично расположены относительно оси OZ. Оси преобразователей 15 и 16 расположены в плоскости YOZ , а оси преобразователей 19 и 20 - в плоскости XOZ.

Число групп, содержащих основные магнитометрические преобразователи, в предлагаемом устройстве зависят от того, движется магнитный диполь 40 или нет. Для определения координат движущегося диполя 40, его магниного момента и магнитной индукции этого диопля необходимы четыре групп содержащие основные магнитометрические преобразователи, а дли определения тех же параметров неподвижного диполя 40 достаточны две группы, состоящие из упомянутых преобразователей.

Для определения направления на магнитный диполь 40 достаточно четырех групп (13,15), (14,16), (17,19) к (18,20),содержащих дополнительные преобразователи. Однако для обеспечения повышения точности определения направления на магнитный диполь 40 целесообразно применять несколько таких групп. При этом каждая упомяну тая четверка групп дополнительных преобразователей отличается одна от .другой только расстояниями между симметрично расположенными относительно оси OZ группами дополнительных преобразователей. Чем дальше магнитньй диполь 40 удален от градиентометра, тем точнее определить направление на него той четверкой групп дополнительных магнитометрических преобразователей, которая имеет большие расстояния между симметричшэ расположенными относительно оси OZ группами дополнительных магнитометрических преобразователей.

Градиентометр работает следующим образом.

Каждый из магнитометрических преобразователей 1 - 20 реагирует только на проекцию вектора магнитной индукции на свою ось. С выходов каждой пары преобразователей 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14, 15 и 16, 17 и 18, 19 и 20 поступают сигналы на первые входы синхронных детекторов 21 - 30, пропорциональные разностям проекций векторов магнитных индукций на оси упомянутых преобразователей. В таком случае на первые входы синхронного детектора 21 поступает сигнал, пропорциональный ЛВ,, на первые входы синхронного детектора 22 поступает сигнал, пропорциональный ЛВ|у,., на первые входы детектора 23 поступает сигнал, пропорциональный IB/y. , на первые входы синхронного детектора 24 поступает сигнал, пропорциональный . на первые входы детектора 25 поступает сигнал, пропорциональный ДВ2у| на первые входы детектора 26 поступа;ет сигнал, пропорциональный , на первые входы детектора 27 поступает сигнал, пропорциональный 4B,iyi, на первые входы детектора 28 поступает сигнал, пропорциональный дВуЧ на первые входы детектора 29 поступает сигнал, пропорциональный 4 , |И на первые входы детектора 30 п ступает сигнал, пропорциональный . Выходные сигналы с синхронных детекторов 21-30 поступают на магнитометрические преобразователи 1 - 20 для обеспечения .отрицательной обратной связи по измеряемым разностям магнитных индукций (не показано). С выходов синхронных детекторов 21 30 сигналы в виде постоянных или медленно изменяющихся напряжений поступают на вычислительный блок 37. С выхода источника опорного напряжения 32 на вход блока 37 поступают сигналы, пропорциональные значениям постоянных коэффициентов. С вычислительного блока 37 сигналы, пропорциональные зн чениям модулеиIД X Д I и I X , поступают на регистрирующий прибор направления 34. Поворотная система 39 обеспечивает вращение жесткой немагнитной опоры 38 относительно точки О в двух ортогональных плоскостях XOZ и YOZ пространственной прямоугрльной си стемы координат с осями ОХ , OY, OZ, осуществляя поиск такого 71 направления оси OZ, когда значения и Vzl нимальные, при этом максимальные значения |лВу|(ХДВ |2||и I х соответствуют наименьшему угловому перемещению жесткой немагнитной опоры 38 от занимаемого ею положения, когда ось OZ направлена на диполь 40. Отклонение оси OZ , неподвижной относительно опоры 38, от направления на диполь 40, приводит к увеличению значений I ДВу1у(.({ ии В.,(/х и xz I В вычислительном блоке 37 осущест ляется также определение модулей разностей векторов магнитных индукций, созданных диполем 40 между точками К и L, М и N. При угловом перемещении жесткой немагнитной опоры 38 в вычислительном блоке 37 осуществляется сравнение значений сигналов дВ-, и ДВ . Как только 4Bj становится равным или превосходит ДВ.,, на регистрирующий прибор направления 34 вместо сигнало ДВу|уХ и|/1В. ) поступают сигналы определенных значений, например равные нулю. Это позволяет получить в плоскости, проходящей через ось OZ, направленной на диполь 40, двухлепестковую диаграмму направ ленности системы градиентометр магнитный диполь, что значительно облегчает определение направления на диполь 40 по сравнению с тем, если бы упомянутые сигналы определен ных значений, например равные нулю, не поступали на прибор 34 и диаграмма направленности системы градиентометр - магнитный диполь была бы четырехлепестковой. Регистрирующий прибор направления 34 показывает кроме I Byiyx Byr i I и I 4Bj((i X t также угловое положение оси OZ в пространственной прямоугольной системе координат с осями ОХ, OY, OZ. Для этого с выхода поворотной системы 39 поступают на блок 37 сигналы (не показано), пропорциональные положению опоры 38 (осей ОХ, ) в системе координат с осями ОХ, OY, OZ. В вычислительном блоке 37 осуще отеляется определение расстояния до диполя 40. При этом за истинное значение расстояния до диполя 40 от точки Р принимается значение г , т.е. расстояние, когда ось OZ напра 78 лена на упомянутый диполь. Вектор магнитного момента Р|, магнитного диполя 40 можио заменить тремя егр составлянмцими P,, и , п&пучеи- . ными при разложении упомяйутого вектора Р по осям ОХ, OY, OZ; В этом случае, когда ось OZ-направлена на диполь 40, на вектор ют из основных магнитометрических прег образователей только преобразователи 1, 2, 7 и 8, на BeKtop только преобразователи 3 4, 9 ir 10, а на вектор Pttix только преобразователи 5, 6, 11 и 12. Предполагая вначале наличие только вектора потом вектора , а затем вектора (по принципу суперпозиции), рассмотрим их действия на основные магнитометрические преобразователи градиентометра. При наличии только вектора при условии, 4to ось OZ направлена на диполь 40, значение расстояния от точки Р до диполя 40 равно При наличии только вектора P.,iiH при условии, что ось OZ направлена на диполь 40, значение расстояния от точки Р до диполя 40 равно При наличии только вектора и при условии, что ось OZ направлена на диполь 40, значение расстояния от точки Р до диполя 40 равно 1mih „ т|дВ2х где Е V -- . Из полученных выражений значения видно, что коэффициенты при b 4Вл„| Е, или равны, т.е. x 2Z ж о ло. в том случае, когда ;Д6, ОСЬ направлена на диполь 40. Это условие вьшолнимо при соблюдении, например, ряда условий: строгой ортогональности осей преобразователей 1-12, совмещенном магнитном центре каждой тройки преобразователей

ГРАДИЕНТОМЕТР по авт.св. № 789949, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности определения координат магнитного диполя, его магнитного момента и параметров магнитного поля, он снабжен дополнительными синхронными детекторами и группами дополнительных магнитометрических преобразователей, размещенных на жесткой немагнитной опоре по два дополнительньк преобразователя в группе, ось одного из дополнительных магнитометрических преобразователей в каждой группе параллельна, а ось другого перпендикулярна той оси пространственной прямо- угольной системы координат, с которой совпадают оси основных магнитометрических преобразователей, группы дополнительных магнитометрических преобразователей расположены симметрично относительно упомянутой оси, с которой совпадают оси основных магнитометрических преобразователей, так, что дополнительные магнитометрические преобразователи одной группы симметричны дополнительным магнитометрическим преобразователям другой группы, а плоскость, в которой расположены параллельные оси дополнительных магнитометрических преобразователей любой из двух симметрично расположенных групп, ортогональна по крайней мере одной из плоскостей, в которой расположены параллельные оси дополнительных магнитометрических преобразователей двух других симметрично расположенных групп, выходы (Л каждых двух симметрично расположенных дополнительных магнитометрических преобразователей подключены к первым двум входам одного из дополнительных синхронных детекторов, выходы всех дополнительных синхронных детекторов подключены к вычислительному блоку, а входы коммутации этих детексо ел торов - к источнику переменного тока, выходы которого подключены к входам .дополнительных магнитометрических преобразователей .