Устройство для измерения магнитного поля Советский патент 1984 года по МПК G01V3/40 G01R33/00 

Изобретение относится к геофизике, а именно к технике измерения магнитного поля, и может быть исполь зовано при геофизической разведке полезных ископаемых. Известно устройство для измерения магнитного поля Земли, содержащее ферромагнитный датчик, генератор воз буждения, узкополос ый усилитель, настроенный на вторую гармонику, синхронный детектор, фильтр низкой частоты и измеритель l . Недостатком этого устройства является низкая точность, обусловленная наличием магнитного фликкер-нгума вблизи второй гармоники выходного сигнала ферромагнитного датчика. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является уст ройство для измерения магнитного поля, содержащее первый и второй сердечники, выполненные из ферромагнитного материала, общую для обоих сердечников обмотку возбуждения, соединенную с генератором, первую и вторую измерительные обмотки, помеи ен иые соответственно на первый и второй сердечники и соединенные с входа ми первого блока вычитания, выход ко торого соединен с входами резонансны усилителей, а также первый и второй фильтры низкой частоты измеритель 2 Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная мультипликативной компонентной магнитного фликкер-шума. Цель изобретения - повышение точности путем подавления мультипликативной комп,оненты магнитного фликкер юума. Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения магнитного поля, содержащее первый и вто рой сердечники,, вьшолненные из ферромагнитиого материала, общую для обоих сердечников обмотку возбуждения, соединенную с генератором, первуй и вторую измерительные обмотки, помещенные соответственно на первый и второй сердечники и соединенные с входами первого блока вычитания, выход которого соедйнен с заходами усилитепей, а также первый и второй фильтры низкой частоты5 измеритель, содерлшт первый и второй синхронные детекторы, удвоитель .частоты, первы и второй фазовращатели, умножитель, второй блок вычитания, причем управ ляющ1п выход генератора соединен через первый фазовращатель с опорным входом первого синхронного детектора и через удвоитель частоты и второй фазовращатель - с опорным входом второго синхронного детектора, выход первого усилителя соединен через первый синхронный детектор и первьй фильтр низкой частоты с -первым входом умножителя, выход второго усилителя соединен через второй синхронный детектор и второй фильтр низкой частоты - с вторым входом-умножителя и вторым входом второго блока вычитания,, вход которого соединен с выходом умножителя, а выход соединен с входом измерителя, при этом коэффициент усиления умножителя К и величина амплитуды опорных сигналов синхронных детекторов UQ связаны соотношениемгде С - постоянный коэффициент, характеризующий величину преобразования сердечников по второй гармонике. Кроме того, для обеспечения подстройки умножитель выполнен с регулируемь м коэффициентом усиления „ На фиг,1 представлена блок-схема устройства, на фиг,2 - вариант блоксхемы умножителя. Измерительное устройство содержит (фиг.1) генератор 1 тока, ферромагнитный датчик, состоящий из обмотки 2 возбуждения3 двух измерительных обмоток 3 и 4 и двух сердечников 5 и 6,, также содержит блок 7 вычитания, первый 8 и второй 9 усилители, удвоитель 10 частоты, первый 11 и второй 12 синхронные детекторы, первый 13 и второй 14 фазовращатели, первый 15 и второй 16 фильтры низкой частоты, умножитель 17, второй блок 8 вычитания и измеритель 19. Кроме того, умножитель 17 содержит (фиг.2) первый 20 и второй 21 инверторы, блок 22 вьщеления знака, амплитудный умнозкитель 23, первый 24 и второй 25 KOMJ iyTaTopfcr и масштабирующий усилитель 26. Устройство работает следующим обрнзом. Генератор задает переменный ток частотой (г). порядка 1 кГц, который проходит через обмотку 2 возбуждения,, в результате чего пере гагничиваются 31 сердечники 5 и 6, изготовленные из ферромагнитного материала, наводится сигнал в измерительных обмотках 3 и 4, после,чего сигнал поступает на входы блока 7 вычитания, В блоке 7 вычитания осуществляется фазовая компенсация средних значений нечетных гармоник сигнала, позволяющая практически полностью подавить средние значения нечетных гармоник и флуктуационные компоненты четных и нечетных гармоник тока возбуждения (шумы генератора возбуждения), трансформируемых в измерительные обмот-. ки 3 и А, так как в измерительных обмотках 3 и 4 обоих сердечников 5 и 6 средние значения нечетных гармоник и флуктуационные компоненты четных и нечетных гармоник тока возбуждения полностью коррелированы. С выхода блока 7 вычитания через первый 8 и второй 9 усилители, настро енные, например, на выделение магнит ного фликкер-шума в области первой U и второй U2гармоник тока возбуждения сигналы и, и Un поступают на входы соответственно первого 11 и второго 12 синхронных детекторов. Выражения ДЛ9 поступающих сигналов U (t) ,U(t) можно представить в виде ),lt)Co5lCJot + U2Ul V2rua.a)vej(.t)V xcos(.2coob tf), где a, (.tljCl lt и 2. U) -медленные no сравнению с. периодом перемагничивания T 2u/СОо (Wo - частота перемагничивания) флуктуационные уходы амплитуды соответственно первой а /Ь и второй аiit) и t-t) гармоник, возникающие вследствие медленных случайных изменений магнитных свойст ферромагнитных сердечников 5 и 6 и называемые магнитным фликкер-шумом соответственно первой и второй гармоник, 2 среднее значение амплиту ды второй гармоники, величина и знак которбй пропорциональны соответственно значению и полярности воздействующего на сердечники 5 и 6 постоянного или медленно меняющегося магнитного поля HQ, q и Cf2 фазы сигналов соответственно первой и второй гармоник. На опорные входы первого 11 и второго 12 синхроннык детекторов по- 1 ступают сигналы с вчорого выхода генератора 1 тока соответственно через первый фазовращатель 13 и последовательно соединенные удвоитель 10 частоты и второй фазовращатель 14. Выражения для опорных сигналов и и. первого 11 и второго 12 синхронных детекторов можно представить в виде U -UoC06(a)ot + 4,V, U2(.--UoC o5( + 47, где DO значение амплитуды опорных сигналов, фазы Ср и (р которых соответственно равны фазам сигналов (J,t) ) . В результате синхронного детектирования и подавления высокочастотных компонент, имекидгх частоту, например, свыше 10 Гц, осуществляемого с помощью первого 15 и второго 16 фильтров низкой частоты на их выходах формируются сигналы )-, ,.a2W+,(t), где предполагается, что общий коэффициент амплитудного преобразования медленных флуктуации при фильтрации равен единице. После умножения сигналов {Jm, и Urn-, осуществляемом в умножителе 17, на первый вход второго блока 18 вычитания поступает сигнал Uy выражение для которого имеет вид г --Ьг01г) гс-ltha t e,(t или с учетом малости флуктуации, когда справедлтиво условие ol(i(al( ,.a,(tHa.,W-e,a) О) где К - коэффициент усиления умножителя 17, В случае, когда значение напряже ности Нр измеряемого магнитного пол превышает значение порогового папя ферр омягнитного датчика, т.е. (t) выражение (1) можно представить в виде ,,7 .-5-.V.c.(tb В результате вычитания сигнала Ui из поступающего на второй вход второ го блока 18 вычитания сигнала Umj на вход измерителя 19 поступает сигнал,va,wv,(i..)4e,(i). Величина коэффициента усиления К умножителя 17 выбрана из условия поэтому на входе измерителя 19 имеет ся сигнал с полностью подавленной мультипликативной компонентной магнитного фликкер-шума U,-UyS:- Vj ezW, вследствие чего повышается точность измерения постоянных или медленно меняющихся магнитных полей в широком диапазоне их изменения. Возможны варианты устройства, когда выделяются флуктуации третьей пятой и т.д. высших гармоник. Реализация умножения сигналов согласно выражению (1) может осуществляться следующим образом. Сигнал с выхода фильтра 16 низкой частоты через второй вход умножителя 17 поступает одновременно на вход блока 22 вьщеления знака сигнала на первый вход первого коммутатора 24 через первый инвертор 20 на второй вход первого коммутатора 24, работо которого управляет блок 22 выделени знака, который в случае положительной полярности входного сигнала подключает выход первого коммутатора 2А к его первому входу, а при отрицасельной полярности - к его второму входу,, С выхода первого комтиутатора 24сигнал поступает на второй управляющий вход амплитудного умножителя 23, величина коэффициента усиления которого пропорциональна управляющему сигналу. На первый вход амплитудного умножителя 23 поступает сигнал с выхода фильтра 15 низкой частоты, С выхода амплитудного умножителя 23 сигнал поступает одновременно на первый вход второго коммутатора 25 и через второй инвертор 21 на второй вход второго коммутатора 25, который осуществляет подключение по управля- ощим сигналам с блока 22 выделения знака своего выхода к первому своему входу при положительной полярности сигнала, поступающего на второй вход умножителя 1 либо ко второму входу, когда полярность отрицательная, С выхода второго коммутатора 25через масштабирующий усилитель 26, необходимый для подстройки коэффициента усиления умножителя 17 до значения, равного значению выражет е (2) J, сигнал поступает .на выход умножителя 17, Приведенная блок-схема умножител.ч 1.7 позволяет реализовать преобра.зо Bain-ie сигналов в соответствии с выражениями (1) и (2). Изобретение обеспечивает повышение точности измерений постоянв:ых или медленно изменяющихся магнитных полей и наиболее эффективно при измерении его малых приращений, например при измерении градиентов .магнитного поля Земли либо при измерениях производных приращений сигнала магнитных усилителей,Компенсация флуктуац:1й выходного сигнала позволяет практически полностью подавить составляющую магнитного фликкер-шума в окрестности второй фпиккер-DjyMa в окрестности второй гармоники, зависящую от напряженности измеряемого магнитного поля

Фиг.2

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕИРШ MAPHVlTHOrO ПОЛЯ, содержащее первый и второй сердечники, выполненные из ферромагнитного материала, общую для обоих сердечников обмотку возбуждения, соединенную с генератором, первую и вторую измерительные обмотки, помещенные соответственно на первый и второй сердечники и соединенные с входами первого блока вычитания, выход которого соединен с вхо дами усилителей, а также первый и второй фильтры низкой частоты и измеритель, отличающеес.я тем, что, с целью повышения точности путем подавления мультипликативной компоненты магнитного фликкер-шума, оно содержит первый и второй синхронные детекторы, удвоитель частоты, первый и второй фазовращатели, умножитель5 второй блок вычитания, причем управляющий выход генератора соединен через первый фазовращатель с опорным входом первого синхронного детектора и через удвоитель частоты и второй фазовращатель - с опорным входом второго синхронного детектора, выход первого усилителя соединен через первый синхронный детектор и первый фильтр низкой частоты с первым входом умножителя, выход второго усилителя соединен через второй синхронный детектор и второй фильтр низкой частоты - с вторым входом умножителя и вторым входом второго блока вычитания, первый вход которого соединен с выходом умножителя, а выход соединен с входом измерителя, 1три этом коэффициент усиления умножителя К и велиС чина амплитуды опорных сигналов синхронных детекторов У связаны COOTношением sf; tB«4 где С - постоянный коэффициент, ха рактеризующий величину преобразова- ОТ ния сердечнико)з по второй гармониО) ке. 2. Устройство ПОП.1, отличающееся тем, что, с целью обеспечения подстройки, умножитель выполнен с регулируемым коэффициентом уси ления.