Способ синхронизации момента включения поляризующего поля протонного магнитометра Советский патент 1990 года по МПК G01R33/24 

Изобретение относится к магнитным измерениям с помощью протонного магнитометра, используемого, например, при поиске и разведке полезных ископаемых.

Целью изобретения является повышение точности синхронизации.

На фиг.1 приведена фазочастотная характеристика колебательного контура и аппроксимирующая функция; на фиг.2 - фазочастотная характеристика усилителя и аппроксимирующая функция; на фиг.З - зависимость полосы расстройки колебательного контура от значений резонансной частоты при выбранном относительном снижении уровня сигнала и среднем значении добротности колебательного контура; на

фиг.4 - блок-схема варианта устройства для реализации способа.

Способ включает следующие операции.

Рабочий диапазон частот прецессии разбивают на поддиапазоны, выбирают для каждого поддиапазона центральную резонансную частоту, подбирают для каждой ре- зонансной частоты конденсатор с емкостью, необходимой для настройки колебательного контура в резонанс.

При конкретной реализации способа для вычисления фазовых сдвигов, создаваемых колебательным контуром и усилителем с полосовым фильтром, их реальные фазоча- стотные характеристики, представляющие собой обратные тригонометрические функCJ

ю

OJ

о

.

НИИ вида (ff arctgF-(Tnp), аппроксимируют отрезками прямых. При этом учитываются следующие услооил.

Допустимая абсолютная погрешность вычисления фазовых сдвигов и ус не превышает

Изобретение относится к магнитным измерениям с помощью протонного магнитометра, например, при поиске полезных ископаемых. Способ синхронизации момента включения поляризующего поля протонного магнитометра реализован в устройстве, содержащем датчик 1, блок (Б) 2 конденсаторов настройки, усилитель 3 сигнала, преобразователь 4 частота - код, генератор 5 эталонной частоты, схему (С) 6 синхронизации, пересчетную С 7, формирователь 8 тока поляризации, Б 9, 10 постоянной памяти, регистр 11 кода настройки, вычислительный Б 12 и командный Б 16. Включают ток поляризации с задержкой по отношению к нулевой фазе сигнала прецессии и устанавливают длительность задержки, кратной целому числу периодов прецессии, измеряют фазовые сдвиги, создаваемые колебательным контуром и усилителем сигнала, запоминают измеренное в данном цикле значение периода прецессии и задерживают включение поляризующего поля на время, пропорциональное измеренным фазовым сдвигам в каждом цикле и разности между значениями периода прецессии, измеренного в данном и в предыдущем циклах измерения. Способ имеет высокую точность синхронизации. 4 ил.

(Тпр|-Тр) при |Тпр|-Тр| ЬТпр1,

yv.

пр1

(Тпр1 - Тр) +. VVo slgn(Tnpi - Тр) при I Tnpi - Тр bTnpi. Tnpl

С1 + с При Tnpl Тпр.гр.,

с

Tnpl 27Г

Iripl

с2 при Tnpl S Тпр.гр, Tnpl

Tnpl-1 , Ти

Тз-пТпр,- - (У к V yc)Tnp,(

п.

цикла

где р - фазовый сдвиг, создаваемьи колебательным контуром,

( - фазовый сдвиг, создаваемый усилителем; п 1, 2, 3.,.:

a1, а2 - коэффициенты, характеризующие наклон аппроксимирующей функции к;

b - коэффициент, определяющий положение точки изменения наклона аппроксимирующей функции ук;

С1, С2 - коэффициенты, характеризую- щие наклон аппроксимирующей функции

У ус;

р (СО, у ус - значения аппроксимирующих функций (pк. ус при нулевом значении аргументов;

Тз - длительность интервала задержки;

Tnpl - средняя длительность периода прецессии, измеренного в текущем цикле;

Тпр.гр. граничное значение периода прецессии, определяющее положение точки изменения наклона аппроксимирующей функции У ус;.

Тр- значение периода резонансной частоты выбранного рабочего поддиапазона;

Тизмер - длительность времени измерения периода прецессии;

Тцикла длительность цикла работы магнитометра.

Изменение добротности колебательного контура в рабочем диапазоне частот не превышает 10-15%, что приводит к изменениям уз к, не превышающим 3°.

Фазовый сдвиг (f к, соответствующий максимальной частотной расстройке контура при изменении частоты, не превышает 60-70°. .

Требуемая крутизна скатов амплитудо-частотной характеристики усилителя беспечивается с помощью фильтров 2-го орядка.,.

Tnpl-1 , Ти

п.

цикла

20

25

Исходя ИЗ указанных условий при формировании аппроксимирующих функций сделаны следующие допущения: добротность колебательного контура считают постоянной и равной ее среднему значению в рабочем диапазоне частот; фазочастотную характеристику усилителя формируют с по- мощь ю одинакового числа дифференцирующих и интегрирующих RC-цепей, при этом все частоты среза дифференцирующих цепей совмещают в общую частоту среза fi, а все частоты среза интегрирующих цепей совмещают в общую частоту среза f2, гфичем f2 fi. Частоты среза fi и f2 выбирают такими, чтобы на граничных частотах рабочего диапазона уровень сигнала по напряжению уменьшался не более, чем на 50% относи- 2g тельно уровня на центральной рабочей частоте.

30

0

0

5

Учитывая сделанные допущения, фазо- частотные-характеристики колебательного контура и усилителя аппроксимируют двумя отрезками прямых, причем одна из прямых проходиУ через начало координат(фиг.1 и 2). Угол наклона аппроксимирующих прямых выбирают таким образом, чтобы их макси- 5 мальное отклонение от реальной фазоча- стотной характеристики не превышало 5°.

Затем определяют частотные границы поддиапазонов, на которые разбивают область рабочих частот магнитометра. Для этого, подбирая емкость конденсатора настройки, настраивают колебательный контур в резонанс на отдельных выбранных из рабочего диапазона постепенно возрастающих по значению частотах, определяют на этих частотах добротность колебательного контура и выбирают среднее значение добротности Qcp. Затем, задаваясь допустимым значением относительного снижения уровня сигнала rj при отклонении частоты

от резонансной, например ;/ 0.95. определяют зависимость значений частотных расстроек Af от значений резонансной частоты fo при выбранных Qcp и Af по формуле Д f fp /-Т

-п / После этого, выбирая дискретность изменения Af, например. 1 Гц, разбивают всю область рабоч1)х частот, считая, что любая из рабочих частот может оказаться резонансной, на одинаковые по протяженности уча- стки-диапазоны, ширина которых определяется в соответствии с выбранной дискретностью Л f (фиг.З). Каждый из диа- пазонов, в свою очередь, разбивают на рав- ныепопротяженности

участки-поддиапазоны, причем ширина поддиапазона, лежащего внутри данного диапазона, равна (или не превышает) значе- нию Л f, определяющему этот диапазон.

Внутри каждого поддиапазона выбирают центральную частоту и подбирают для каждой из зтих частот конденсатор с емкостью, необходимой для настройки колеба- тельного контура в резонанс. Затем нумеруют одинаковыми номерами нижние частотные границы поддиапазонов, соседние с ними резонансные частоты и выбранные для этих частот и настроечные конденсаторы и записывают в память значения граничных частот поддиапазонов и периоды резонансных частот, а также коэффициенты, характеризующие углы наклона аппроксимирующих прямых, коэффициен- ты и значения аргументов, определяющих положение точек изменения наклона аппроксимирующих функций и значения аппроксимирующих функций при нулевом значении аргумента. Вместе с этими постоян- ными в память заносятся значения длительности времени измерения периода, значение длительности цикла работы магнитометра и число п целых периодов прецессии, укладывающихся в интервале задержки Тз. Послед- ние три постоянные позволяют учесть влияние изменения частоты, выражающееся в отличии измеренного среднего за время Тизмер значения периода прецессии от мгновенного значения, предшествующего момен- ту включения тока поляризации.

Указанное отличие в длительности периодов Д Т представляет собой выраженный в единицах времени фазовый сдвиг, накапливающийся за один период прецес- сии при формировании интервала задержки. Если изменение частоты происходит с

ПОСТОЯННОЙ скоростью k -г- , то отличие

в длительности периодов Д Т определяется выражением ДТ- Ивычися - Тмгн. I

1

I ВЫЧИСЛ.

1

, . Iизмер К - 2 - Твычисл

где Твычисл. Тпр1 - вычисленное в текущем цикле среднее значение периода прецессии.

Тмгн. мгновенное значение периода прецессии, предшествующее моменту начала формирования интервала Тэ.

РQ

IВЫЧИСЛ

Поскольку

выраДТ преобразовывается к виду

kT.

измер

IВЫЧИСЛ

За п вычисленных периодов прецессии, укладывающихся на интервале задержки, набег фаз составит п Д Т. Число п определяется, исходя из несбходимой длительности задержки Тэ, определяемой временем срабатывания реле, отключающего усилитель и конденсатор настройки магнитометра от катушки датчика на время действия тока поляризации. Типовое значение необходимой длительности задержки составляет 5-10 мс. Значение п определяют как целую часть отношения необходимой длительности задержки к значению периода прецессии, вычисленного в текущем цикле работы магнитометра. При необходимом времени задержки 5 мс число п в диапазоне рабочих частот лежит в пределах от 5 до 25. Таким образом, учитывая, что

k ° т( - - а ) , набег фаз,

цикла I пр1 I пр1 - 1

накапливающийся за время формирования интервала задержки ДТ п. определяется выражением

Тизмер

ДТп СТпр1 -Тпр|-1)

П.

2 Тцикпа

В процессе функционирования магнитометра поиск номера поддиапазона, соответствующего измеряемому значению индукции, сопровождается последовательным перебором номеров поддиапазонов соответствующих конденсаторов, настройки контура и частотных границ поддиапазонов. При этом возможны два варианта.

Сигнал прецессии отсутствует. В этом случае перебор номеров поддиапазонов, их нижних частотных границ и конденсаторов настройки конгура производят с изменением МП единицу раз в цикле и продолжают до пояпления сигнала на выходе усилителя,

Сигндл прецессии найден и измерено знампнир индукции в предыдущем интервале измерения. В этом случае перебор номеров поддиапазонов, их частотных границ и

конденсаторов настройки производят в каждом цикле до начала измерения до тех пор, пока значение индукции, соответствующее одной из нижних частотных границ поддиапазонов, не превышает значения индукции, измеренного в предыдущем интервале измерения. По найденному номеру поддиапазона выбирают из памяти соответствующее значение периода резонансной частоты найденного поддипазона. после чего измеряют среднее значение периода пре-, цессии Тпр| и записывают его в оперативную память с целью определения значений ДТ в следующем цикле измерения, а затем, извлекая из постоянной памяти пара иетры аппроксимирующих функций, а также значение периода прецессии, измеренного U предыдущем цикле, вычисляют фазовый сдвиг, создаваемый колебательным контуром (р к, фазовый сдвиг, создаваемый усилителем (. набег фаз. определяемый градиентом индукции п АТ, и значение длительности Тз.

Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.4). содержит датчик 1. блок 2 конденсаторов настройки, усилитель 3. преобразователь 4 частота-код, генератор 5 эталонной частоты, схему G синхронизации, пересчетмую схему 7. формирователь 8 тока поляризации, первый блок 9 постоянной памяти, второй блок 10 постоянной памяти, регистр 11 кода настройки, вычислигельный блок 12. содержащий блок 13 ввода-вывода, блок 14 оперативной памяти и арифметический блок 15. и командный блок 16.

В первый блок постоянной памяти 9 предварительно запись1вают нижние частотные границы поддиапазонов настройки, периоды резонансных частот поддиапазонов настройки, постоянные аппрок симиру- ющих функций, значения длительностей времени цикла, времени измерения, необходимого времени задержки. Во второй блок 10 постоянной памяти записывают коды настройки, с помощью которых включают группу из ряда конденсаторов блока 2 конденсаторов настройки. Причем коды нижних частотных границ поддиапазонов, периоды резонансных частоты и коды настройки записывают по одноименным адресам, коды которых совпадают с кодами их порядковых номеров. Коду нижней частотной границы N-ro поддиапазона соответствует N-й период резонансной частоты и N-й код настройки, которые записывают в соответствующие блоки памяти по адресу номер N. Командный блок 16 производит последовательный перебор номеров адресов в обоих 9 и 10 блоках постоянной памяти, по

которым записаны коды нижних частотных границ поддиапазонов, периоды резонансных частот и коды настройки. Этот перебор производится до тех пор. пока код одной из

нижних частотных границ поддипазона не превысит значение кода поля, измеренного в предыдущем цикле работы магнитометра и записанного в блок 14 оперативной памяти. В результате сравнения арифметический

0 блок 15 вырабатывает сигнал, пересылаемый через блок 13 ввода-вывода в командный блок 16, который вызывает остановку переключения адресов постоянной памяти. При этом код настройки, соответствующий

5 последнему перед остановкой перебора адресу, переписывается в регистр 11 кода настройки. В соответствии с .этим кодом в блоке2 конденсатороо настройки включается набор конденсаторов, суммарная ем0 кость которых необходима для настройки образованного с катушкой датчика 1 входного контура в резонанс на резонансной частоте выбранного частотного поддиапазона. Код периода этой резонансной часто5 ты в соответствии с выбранным адресом поступает из блока 9 постоянной памяти в вычислительный блок 12. Таким образом, к моменту начала измерения в текущем цикле работы магнитометра произведена на0 стройка входного колебательного контура на ожидаемую частоту прецессии и получена информация о периоде резонансной частоты выбранного поддиапазона измерения. На следующем этапе производят измерение

5 периода выделенного колебательным контуром и усиленного усилителем 3 сигнала прецессии. При этом по сигналу командного блока 16 включается преобразователь 4 частота-код, вырабатывающий коды числа пе0 риодов прецессии и числа периодов эталонной частоты, .формируемых генератором 5. прошедших на вход преобразователя 4 за время измерения. Коды, вырабатываемые преобразователем 4. поступают через

5 блок 13 ввода-вывода в арифметический блок 15. где производится вычисление периода прецессии. Измеренное значение периода запоминается в блоке 14 оперативной памяти для использования в следующем

0 цикле работы, а также обрабатывается в арифметическом блоке 15. где производится вычисление фазовых сдвигов, создаваемых колебательным контуром и усилителем, а также длительности интервала задержки.

5 код которой записывается в пересчетную схему 7. По разрешающему сигналу командного блока 16 синхронно с нулевой фазой выходного сигнала усилителя 3 схема 6 синхронизации начинает пропускать импульсы эталонной частоты генерэгора 5 на вход пересчетиой схемы 7. При этом начинает формироваться временной интервал задержки вычисленной длительности, Сигнал переполнения пересчетной схемы 7, свидетельствующий об окончании интервала задержки, включает формирователь 8 тока поляризации, вырабатывающий ток поляризации, который поступает в катушку 1. После окончания поляризации командный блок 16 выключает формирователь 8, после чего начинается новый цикл работы магнитометра.

Предлагаемый способ измерения индукции геомагнитного поля по сравнению со способом, использованным в прототипе, позволяет определять и учитывать фазовые сдвиги, создаваемые колебательным контуром и усилителем ус с малой погрешностью, определяемой точностью аппроксимации, формировать интервал времени задержки с учетом изменения частоты прецессии и включать ток поляризации практически одновременно с истинной фазой сигнала прецессии, в результате чего достигается максимальная эффективность использования остаточной намагниченности рабочего вещества датчика магнитометра при включении тока поляризации и неизменность отношения сигнал/шум при любых реальных изменениях индукции

70

БО

50

I о

)| ;. .fill I {НЧЛШВИ , I . гас- 71- - .,; . .-Г| -l.-l ,; ,;, ЯГ.; : -,.1 ;-: J.r. ., P ii lur.,

О I; , ,н г I-M.1 sr jq-nn

.ro T.t 1: иг-глт-: |, ,(пу -III

- П ,1,- VV ,.;-, ,-,1л ,„ f I, .

Г .-xi Tl . .-лл

i.., ..ITIMM )

-.il , (- -1 ЛТ 11 , U - иг A,. i , i-tT - ir- ) f1n;j

.IT-.; r .lr.n-iiii- Til ,i ;.

in

9

.30 Гп .,

. 20

Ю

y

0.2 Oit 0,S 0,t jf 1,1 1,k 1,8 (.1 1 fffl 0Ut.t

нитного ПОЛИ, что обеспечивает повышение точности измерений.

Указанные преимущества позволяют при работе в быстроизменяющемся пол

повысить чувствительность магнитометра практически вдвое, не ухудшая при этом точность измерений, что в конечном итоге повышает достоверность получаемой геофизической информации.

Ф о р м у л а и 3 о б р е т е н и я

Способ синхронизации момента включения поляризующего поля протонного магнитометра, согласно которому включают ток поляризации с задержкой по отношению к

нулевой фазе сигнала прецессии и устанавливают длительность задержки, кратной целому числу периодов прецессии, отличающийся тем, что, с целью повышения точности синхронизации, измеряют в каждом цикле период сигнала прецессии, изме- ряют фазовые сдвиги, создаваемые колебательным контуром и усилителем сигнала прецессии, запоминают измеренное в данном цикле значение периода прецессии

и задерживают включение поляризующего поля на время, пропорциональное измеренным фазовым сдвигам в каждом цикле и разности между значением периода прецессии, измеренного в данном и в предыдущем

циклах измерения.

.

I yriu/q s wl

T/iirUH .

oijjrto 1

r4S;-f eq-

.. 1:., I ЛОГ.в V V

,n no/. ..: I -ЯЧЬ . .

nq-.-fJiqeri Dii I- j r..i.) с

Ч r.iv Лгс{д2 Qfb

V

- -: I.t . , ,1 r-ovi,

Э OTOHHF (Т . Л ч JO 1 .P finr.

.I.M |::- | |ц-Лт I г: n- ГС 11/1

,J..-H|0, I ,Hf. -Tfi f.t, ..f ft Э1

Т ,. . . (; t,. . -. . t- ) Ti :, . , 1

Ч. , «XJ /M

ftii4rv

y

fffl

1393104

./;

/,fni) /,-J20r«

V iarctg-j- - l rctg-j- f.32oorn

Фиг. 2 if Гц

20

flcp 30 Ч 0,95

то

. fpfil

iiOOO 5000

Фиг.