Цифровой феррозондовый магнитометр Советский патент 1984 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к геофизическому приборостроению, в частности к магнитометрам, предназначенным для измерения модуля и компонент полного вектора индукции магнитного по- s ля Земли (МПЗ).

Известны цифровые феррозондовые магнитометры, содержащие последовательно соединенные генератор, феррозонД, избирательный усилитель, демо- Ю дулятор, фильтр низкой частоты, формирователь импульсов, выполненный по схеме преобразования напряжения в Частоту следования импульсов, цифровое интегрирующее устройство на ре- 15 версивном счетчике, цифроаналоговый преобразователь, выход которого сое- . динен с компенсационной обмоткой феррозонда. В устройствах с помощьюферрозонда, возбуждаемого генератором, 20 соединенного с избирательным усилителем, фильтром низкой частоты осуществляется соответственно ферромодуляционное преобразование индукции магнитного поля, выделение полезного 25 сигнала (например, частоты второй гармоники), демодуляция и преобразо.вание переменного тока. Затем это напряжение с помощью преобразователя напряжения в частоту преобразуется в ЗО импульсную последовательность, преобразуемую в реверсивном счетчике в код, подаваемый на вход цифроаналргового преобразователя. В последнем код преобразуется в ток, подаваемый jj в компенсационную обмотку феррозонда. Тем самым осуществляется процесс следящего уравновешивания измеряемой индукции МПЗ в феррозонде. Код в реверсивном счетчике соответствует ве- до личине индукции измеряемого поля lj.

Наличие аналоговых фильтров, преобразователя напряжения в частоту (например, интегрирующего типа) и реверсивного счетчика обеспечивает высокую помехоустойчивость и чувствительность преобразования, свойственные следящим аналого-цифровьм интегрирующим преобразователям,но инерционность перечисленных 3 лементов силь- 50 но снижает быстродействие магнитометра. Поэтому недостатком данного устройства является низкое быстродействие.

Наиболее близким к изобретению 55 является цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий последовательно соединенные генератор, феррозонд.

аналоговый преобразователь, аналогоцифровой преобразователь и цифровой вычислитель,причем выход аналогового преобразователя подключен к входу порогового злемента и дискриминатора знака, выходы которых соединены с управляющими входами источника компенсирующего поля, аналоговый выход которого соединен с компенсационной обмоткой феррозондй, а цифровой с другим входом цифрового вычислителя.

Устройство работает следующим образом,

В обмотку возбуждения феррозонда подается напряжение возбуждения, поступающее от генератора. Выходное напряжение феррозонда, содержащее полезный сигнал и сигнал помехи, подается на аналоговый преобразователь в котором осуществляется вьщеление полезного сигнала в виде напряжения второй гармоники частоты возбутедения феррозонда и преобразование в напряжение постоянного тока. В дискриминаторе знака определяется знак измеряемого поля. Если выходной сигнал аналогового преобразователя превышает порог срабатывания порогового элемента, то с аналогового, выхода источника компенсирующего поля задается .в компенсационную обмотку феррозонда возрастающий или убывающий в зависимости от знака измеряемого поля, ступенчатый ток, создающий в феррозонде компенсирующее магнитное поле, направленное противоположно измеряемому магнитному полю. Работа источника компенсирующего поля прекращается, когда сигнал на выходе аналогового преобразователя становится меньше порога срабатывания порогового элемента и в регистре (реверсивном счетчике) источника компенсирующего поля фиксируется код N. Остаточный выходной сигнал аналогового преобразователя, соответствующий разности индукции измеряемого и компенсирующего полей, преобразуется в аналого-цифровом преобразователе в код числа N.j. Коды чисел NI и Nii подаются с их знакгми в цифровой вычислитель, где осуществляется их алгебраическое суммирование. Результат суммирования соответствует измеряемой напряженности магнитного поля 2.

Недостатком известного устройства является низкая помехоустойчивость.

вызванная недостаточным подавлением нестабильным демодулятором н аналоговым фильтром нечетных гармоник, квадратурной составляющей помехи и сетевых помех с частотами, кратными часто те второй гармоники в условиях сильного воздействия дестабилизирующих температурных и временных факторов. Кроме того, известный магнитометр обладает низким быстродействием из-за необходимости применения в нем пналоговых фильтров низкой частоты с большой постоянной времени.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет повышения помехоустойчивости магнитометра при высоком быстродействии в широком динамическом, диапазоне.

Поставленная цель достигается тем что в цифровой феррозондовой магнито.метр, содержащий последовательно соединенные генератор, феррозонд с компенсационной обмоткой и избирательный усилитель, пороговый элемент, а также источник компенсирующего поля, выполненный в виде последовательно соединенных- первого реверсивного счетчика, вход разрешения счета которого соединен с выходом порогового эле|мента, и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с компеисационной обмоткой феррозонда, а выход первого реверсивного счетчика соединен с первым входом цифрового вычислителя, введены второй реверсивный счетчик и преобразователь амплитудных значений напряжения в частоту следования импульсов, состоящ1-1й из последовательно соединенных аналогового интегратора и блока сравнения, вторые входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами генератора, а первый и второй выходы - соответственно с входами суммирования и вычитания реверсивных счетчиков и входами начальной установки аналогового интегратора, вход которого соединен с выходом избирательного усилителя и входом порогового элемента, быход второго реверсивного счетчика соединен с вторым входом цифрового вычислителя, а вход разрешения счета - с четвертым выходом генератора .

На фиг.1 представлена структурная .схема магнитометра; на фиг.2 - временные диаграммы его работы.

Устрор1Сно (ф1П.1) содержит последовательно соединенмыо гсиоратор 1 , феррозонд 2, избирательный усилитс-ль 3, пороговый элемент 4, источник 5 компенсирующего поля, содержащий последовательно соединенные первый реверсивный счетчик 6 и цифроаналоговый преобразователь 7, выход которого соединен с компенсационной обмоткой феррозонда, цифровой вычислитель 8, второй реверсивный счетчик 9, преобразователь 10 амплитудных значений напряжения в частоту следования импульсов, содержащий последовательно соединенные аналоговый интегратор 1 и блок 12 сравнения.

Устройство работает следующим образом.

В обмотку возбуждения феррозонда 2 подается напряжение возбуждения частоты 00 , поступающее с первого выхода генератора 1. Выходное напряжение феррозонда 2, содержащее полезный сигнал и сигнал помехи, подается на вход избирательного усилителя 3, в котором осуществляется вьщеление полезного сигнала в виде напряжения второй гармоники 2ы частоты возбуждения феррозонда аналоговым избирательным фильтром. Затем это напряжение преобразуется преобразователем 10 в частотно-импульсную последовательность, частота следования которой пропорциональна амплитудному зиачению выходного напряжения избирательного усилителя 3.

Появление частоты на соответствующем выходе преобразователя 10 определяется знаком (фазой выходного напряжения избирательного усилителя 3) .индукции измеряемого поля. Если ампли.туда выходного сигнала избирательного усилителя 3 превьш1ает порог срабатывания порогового элемента 4, то выходной потенциал последнего разрешает осуществление последовательного счета выходных импульсов преобразователя 10 и, следовательно, преобразования частоты в код. Код первого реверсивного счетчика 6 преобразуется в цифроаналоговом преобразователе 7 в ступенчатый ток, подаваемый в компенсационную обмотку феррозонда 2, возрастающий или убывающий в зависимости от знака измеряемого поля (кода) , создающий 6 феррозонде компенсирующее магнитное поле, направленное противоположно измеряемому. Работа источника 5 компенсирующе го поля прекращается, когда амплиту ное значение сигнала на выходе изби рательного усипителя 3 становится меньше порога срабатываний порогово элемента и, следовательно, в реверсивном счетчике 6 фиксируется код N, пропорциональный индукции измеряемого поля. Остаточный выходной сигнал усилителя 3 представляет смесь полезного сигнала и неподавленной помехи, причем полезный сигнал соответствует разности измеряемого и компенсирующего полей. Во втором реверсивном счетчике 9 после изменения потенциала на входе установки счетчика в нулевое состояние, подаваемого с выхода порогового элемента 4, осуществляется периодическое интегрирование выходно частоты импульсов преобразователя 10 амплитудных значений напряжения в частоту и тем самым преобразование амплитудных значений выходного напряжения усилителя 3 в код N. В процессе интегрирующего преобразования осуществляется подавление помех содержащихся в спектре выходного сигнала усилителя 3, и вьщеление полезного сигнала в виде кода N за время интегрирования to частоты F во втором реверсивном счетчике 9. Интервалы периодического измерени (интегрирования) формируются генератором 1 в виде периодической последовательности импульсов, подаваемых с второго выхода на вход разрешения счета второго реверсивного -счетчика 9, и задаются кратным периоду измене ния пороговых синусоидальных напряже ний и, и и , подаваемых с третьего и четвертого выходов генератора на входы блока 12 сравнения частоты, равной частоте второй гармоники 2 САЗ выходного сигнала Uy (фиг. 2) феррозонда 2, при этом процесс интегрирования начинается с предварительного обнуления второго реверсивного счетчика 9, Выходные коды чисел N4 и N в реверсивных счетчиков 6 и 9 посту пают соответственно на первый и второй входы цифрового вычислителя 8, где осуществляется их алгебраическое суммирование. Результат суммирования соответствует измеряемой величине индукции магнитного поля. В предлагаемом магнитометре нижнее граничное значение величины порога срабатывания магнитометра LI р,, порогового элемента 4 задается максимальным значением диапазона изменения амп1П1тудного значения сигнала помехи УП содержащейся в спектре выходного сигнала Uу усилителя, т.е. и пор I ( та« I . Преобразование амплитудных значеНИИ выходного напряжения усилителя 3 в частоту следования импульсов в случае отсутствия помех осуществляется следуюищм образом. Противофазные напряжения U и о sin 2wt и U(j Up sin (2ut + IT ) , поступающие с соответствующих выходов генератора 1 (фиг. 2аи S ) на входы блока сравнения, задают пороги срабатывания последнего. В моменты достижения выходным напряжением UH (фиг. 2г) интегратора 11соответствующих по фазе пороговых напряжений происходит срабатывание блока 12 сравнения, формирующего в эти моменты импульсы напряжений U j. илии,: (фиг. 2 о, Q ), соответствующие положительному или отрицательному знаку выходного эквивалента преобразователя 10 и поступающие на входы установки в начальное состояние аналогового интегратора 11, сбрасывающие его в нулевое состояние. Условия равенства порогового и выходного напряжения аналогового интегратора 11 в моменты срабатывания устройства сравнения приотсутствии помех определяют выражениямипри Y - О I н L), при f Т, UK инЛ , Uydt rUyT sinCioot.f); f - фаза выходного напряжения усилителя 3. Таким образом, из выражений (r%-.. osin (iZoat-tin u о Выходной сигнал усилителя 3 запиывают с учетом помех, пренебрегая ысшими гармониками ,q sin2oot+Un, g sin {2u)t + |) + Um,in3wt

и,„ , Uo 1 - амплитуды нечетных гар

МО ник; U иЬ амплитуда квадратурной

составляющей. а

- лUrn

f UrtiijKfc

F

UoSnfZoJt 2Uoco6UJt Uo

ZUmj.

ctq2ojt

. cobtwt Uo-2UoCO.swt

Проинтегрировавэто выражение, полуt,

чаем

TFJI . i::ii

W,

где

in nto t m

nM.-Z,... ;

U)

Т - период повторения напряжения второй гармоники. Таким образом, в предлагаемом магнитометре по сравнению с известны осуществляется подавление помех в

Ur, спектре преобразуемого сигнала без снижения быстродействия. Применение магнитометра способно значительно повысить характеристики измерительны систем, использующих цифровые феррозондовые магнитометры.

О, Vf

и.

ffmfPI

-h

lirWrrTij

гм

Ill rn I I м I

Г

I +

I I

л

1 I

MI

I I I i I I {III

Milt

I

IMilHM lilt

ЦИФРОВОЙ ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР, содержащий последовательно соединённые генератор, феррозонд с компенсационной обмоткой и избирательный усилитель, пороговый элемент, а также источник компенсирующего поля, выполненный в виде последовательно соединенных первого реверсивного счетчика, вход разрешения счета которого соединен с выходом порогового элемента, и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с компенсационной обмоткой феррозонда, а выход первого реверсивного счетчика соединен с первым входом цифрового вычислителя, отличающийся тем, что, с целью повьшгения точности измерения, в. него введены второй реверсивный счетчик и преобразователь амплитудных значений . напряжения в частоту следования импульсов, состоящий из последовательно соединенных аналогового интегратора и блока сравнения, вторые входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами генератора, а первый и второй выходы соответственно с входами суммирования и вычитания реверсивных счетчико и входами начальной установки аналоО) гового интегратора, вход которого соединен с выходом избирательного усилителя и входом порогового элемента, выход второго реверсивного счетчика соединен с .вторым входом цифрового вычислителя, а вход разрешения счета - с четвертым выходом генератора.