Прямоотсчетный протонный магнитометр Советский патент 1984 года по МПК G01V3/14 

Изобретение относится к магнитометрической технике и преднйзначено для высокоточных абсолютных измерений магнитной индукции, прежде всего земного поля, и может применяться для -изучения строения земной коры, : околоземного пространства, в промы еловой и разведочной геофизике. Известны прямортсчетные протонные магнитометры,например,ЯМР-гауссметр с прямым отсчетом поля в гаус-, сах ij и магнитометр (Yj, содержащие датчик свободной прецессии,коммутирующее устройство, усилитель, умножитель частоты, счетчик поля,опорный генератор и формирователь интервала измерения частоты, построенный как многоразрядный делитель частоты на.триггерах с обратной связью. Недостатком указанных магнитометров. является невозможность использования формируемых интервалов времени измерения частоты 2,34865 с и 65,536 мс для получения интервалов дискретизации, кратньк 1 с,которые нужны для учета текущего времени Дл построения таймера дискретизации и часов в этих приборах требуется параллельно работающий Делитель -, . ., с другим коэффициентом деления, что сопряжено со значительной избыточностью оборудования. Наиболее близким к предлагаемому является прямоотсчетный протонный ма нитометр, содержащий датчик, блок управления, усилитель,умножитель час- тоты, счетчик поля, таймер дискретиз ции, формирователь интервала измерения частоты и опорный генератор, выход которого подключен к тактовым входам таймера и формирователя, вход разрешения последнего соединен с управляющим выходом таймера, а выход с входом разрешения счетчика поля1з Недостатком такого магнитометра является наличие двух параллельно : включенных каналов: таймера дискретизации и формирователя интервала из мерения частоты. Формирователь вьшол нен на 22 триггерах, что .повьш1ает стоимость прибора, снижает его надежность и увеличивает потребление .электроэнергии. Цель изобретения - повышение надежности и снижение знepгoпotpeблeнйя Поставленная цель достигается тем что в прямоотсчетном протонном магни метре, содержащем датчик, блок управ ления, усилитель умножитель частоты, счетчик поля, таймер дискретизации, формирователь интервала измерения частоты И опорный генератор, выход которого подключен к тактовым | .входам таймера и формирователя, в1ход разрешения последнего соединен с управляющим выходом таймера, а выход - с входом разрешения счетчика поля, формирователь интервала измерения частоты состоит из счетчика с переключаемым основанием счета, пер-, вого И второго ЗК -триггеров, входы синхронйзахщи которых объединены между собой и со счетным входом счетчика и подключены к тактовому входу формирователя, вход опорного интервала формирователя соединен с входами установки в нуль счетчика и первого триггера и с промежуточным выходом таймера, инверсный выход первого триггера подключен к входу разрешения счетчика, ОК -входа обоих триггеров подключены к выходу переполнения счетчика, управляющий вход которого соединен с прямым выходом второго триггера и с выходом формирователя, вход установки в нуль второго триггера соединен с входом разрешения формирователя. На чертеже изображена структурная схема магнитометра. Магнитометр содержит последовательно соединенные датчик 1 свободной ядерной прецессии, блок 2 управления, усилитель 3,. умножитель 4 частоты прецессии, счетчик 5 поля и устройство 6 регистрации, опорный генератор 7, таймер 8 и формирователь 9 интервала измерения частоты. Формирователь включен так, что его тактовый вход 10 объединен с такто 1м входом таймера 8 и .с выходом опорного генератора 7,опорный вход 11 .формирователя 9 соединен с промежуточным выходом таймера 8, выход 11Г формирователя 9 подключен к входу разрешения счетчика поля, а вход 13 разрешения формирователя 9 соединен с управляющим выходом таймера 8. Формирователь 9 интервала измерения содержит счетчик 14 с переключаемым основанием счета первый JK -триггер 15 и второй JK -триггер 16, входы синхронизации которых объединены между собой и.сосчетным входом счетчика 14 и подключены к тактовому входу 10 формирователя 9, вход 11 опорного интервала формирователя соединен с входами установки в нуль счетчика 14 и первого триггера 15 и с промежуточным выходом таймера 8, инверсный вы ход первого триггера 15 подключен к входу разрешения счетчика 14, ЗК-входы обоих триггеров 15 и 16 подключены к выходу переполнения счетчика 14, управляющий вход которого соединен с прямым выходом второго триггера 16 и с выходом 12 формирователя 9, вход установки в нуль, второго триггера 16.соединен с входом 13 разрешения формирователя 9. ГГрямоотсчетный протонный магнито метр работает следующим образом. Наличие в составе магнитометра таймера дискретизации позволяет ему работать автоматическиi т.е. через заданный промежуток времени осущест ляется полный цикл операций по пре образованию измеряемого поля в цифровой эквивалент в единицах магнитной индукции. По истечении заданног интервала времени таймер 8 вьщает команду запуска блока 2 управления, который обеспечивает необходимый цикл операций. Датчик 1 свободной прецессии отключается от входа усилителя 3 и подключается к источнику тока поляризации. По истечении времени необходимого для намагничи вания протонного вещества датчика, ток выключается и датчик подключается к входу усилителя 3. Усиленный сигнал свободной прецессии умножается в k раз с помощь умножителя 4 частоты, выходной сигнал последнего поступает на счетный вхо счетчика 5 поля. На вход разрешения счетчика 5 ;поля поступает сигнал с выхода формирователя 9, длительност которого обеспечивает измерение умноженной частоты в единицах магни ной индукции. Зависимость между инт валом измерения частоты и коэффициентом, умножения частоты устанавлива ется соотношением И-| , где it - интервал измерения час тоты; у -гидромагнитное отношение протона, физическая константа; If 0,2 X X 6,751301 (с-нТлГ ; К коэффициент умножения частоты прецессии m - цена младшего разряда число-, вого эквивалента измеряемого поля. Для сокращения емкости счетчика с переключаемым основанием счета и тем самым минимизации его оборудования необходимо задаться таким коэффициентом умножения k , чтобы At вычисленный по формуле, был максимально близок к выбранному опорному интервалу, равному или кратному 1 с. Вычисленный интервал может быль большим или меньшим опорного интервала. В качестве примера примем m 100, т.е. погрешность дискретизации магнитометра 0,01 нТл, при 1(1 2348, 1,0003152 с, 2 2349, Atg 0,9998893 с. Принцип работы формирователя 9 заключается в деформировании-опорно го интервала в большую или меньшую cjopoHy. При этом емкость счетчика 14 и реализующее его оборудование оказываются тем меньшими, чем ближе формируемый интервал к опорному. Величина деформации равна суммарной длительности ( hj ) периодов тактовых импульсов, где п и Пд значения оснований счета счетчика 14, переключаемых управляющим сигналом. Работа формирователя 9 начинается после перевода сигнала разрешения на входе 13 разрешения на нулевой уровень. При наличии единичного уровня на входе 11 опорного интервала формирователя счетчик 14 и первый триггер 15 удерживаются в нулевом состоянии. После перехода этого сигнала на нулевой уровень счетчик 14 считает тактовые интервалы, поступающие на вход 10. По приходе импульса на выходе р счетчика появляется сигнал переполнения единичного уровня, который разрешает изменение состояний триггеров на противоположные. В данном случае триггеры переходят s единичные состояния. Первый триггер 15 нулевым сигналом на инверсном выходе останавливает счетчик 14 в состоянии О, а рто- рой триггер единичным сигналом на прямом выходе второго триггера по управляющему входу счетчика 14 переключает его основание счета на П; одновременно этот сигнал разрешает работу счетчика 5 поля. Такое i1 состояние элементов формирователя сохраняется до изменения состояния сигнала опорного интервала на входе 11 . В результате перехода сигнала в единичное состояние первьй триггер принимает нулевое состояние, разрешая тем самым работу счетчика 14 по входу V , состод:рия счетчика и второго триггера при этом не изменяются. Опорный интервал заканчивается повторным переходом сигнала на входе 11 в нулевое состояние, в резуль тате чего счетчик 14 досчитывает до состояния У12 1 в котором вновь формируется сигнал переполнения, ра решакиций изменение состояний тригге ров по DK -входам. Первый триггер 15 останавливает счетчик 14, а второй триггер 16 переходит в нулевое состояние и заканчивает форми рование сигнала на выходе 12, чем останавливает счетчик 5 поля. Сигналы на тактовом входе 10 сфазированы относительно сигналов опорного интервала на входе 11, поэтому удлинение и укорочение опорного инт вала происходит точно на (n,-nj) та товых интервала с точностью до разности времени включения и выключения триггера 16. Дпя рассмотренного вьше примера длительность периода тактовых импульсов на входе 10 должна быть 5 МКС, а емкость счетчика 14 П П2 65 для.л1 1,0003152 с. Таким образом, предлагаемое реше ние позволяет значительно упростить формирователь интервала измерения частоты за счет отказа от многЬра:эрядного делителя, выполненного с использованием быстродействующих и поэтому потребляющих значительную мощность логических элементов. Использование многоразрядных делителей предполагает прямую зависимость между точностью формирователя и частотой тактовых импульсов. Серьезным ограничением точности выступает при таком подходе возможность выполнения временных соотношений при построении обратной связи для организации сложных коэффин 1ентов делений. Предлагаемое решение позволяет также разрешить противоречие между ; точностью и частотой тактовых импульсов. Так, в примере использование частоты 200 кГц позволяет измерять магнитную индукцию с погрешностью, не превьш1ающей 0,01 нТл, за счет точности формирования интервала измерения. Тактовая частота для формирователя на делителе при равной точ- ности должна быт. не ниже 5 мГц. Изобретение обеспечивает сокращение количества используемых быст- родействующих интегральных схем, печатных плат и разъемов для их включения в прибор, удешевление источников питания за счет снижения их мощности, снижение потребления электроэнергии, что особенно важно при использовании автономных источников, / аккумуляторов и батарей, а также снижение трудоемкости изготовления прибора. Экономический эффект за счет снижения себестоимости прибора и годовой экономии в процессе эксплуатации составляет 1 тыс. руб.

ПРЯМООТСЧЕТНЫЙ ПРОТОННЫЙ МАГНИТОМЕТР, содержащий датчик,блок управ,ления, усилитель, умножитель частоты, счетчик поля, таймер дискретизации, формирователь интервала измерения частоты и опорный генератор, выход которого подключен к тактовым входам таймера и формирователя, вход разрешения последнего соединен с управляющим выходом таймера, а выход с входом разрешения счетчика поля, отличающийся тем, что, с целью повьппения надежности и снижения энергопотребления, формирователь интервала измерения частоты состоит из счетчика с переключаемым основанием счета, первого и второго 3 К -триггеров, входы синхронизации которых объединены между собой и со счетным входом счетчика и подключены к тактовому входу формирователя, вход опорного интервал формирователя соединен с входами установки в нуль счетчика и первого триггера и с промежуточным выходом таймера, инверсный выход первого триггера подключен к входу разрешения счетчика, JK -входы обоих триггеров подключены к выходу переполнения счетчика, управляющий вход которото соединен с прямым выходом второi го триггера и с выходом формирователя, вход установки в .нуль второго триггера соединен с входом разрешения формирователя.