Градиентометр Советский патент 1988 года по МПК G01R33/22 

СО

ел

05

ел

Изобретение относится к магнитометрии и предназначено для измерения величины и определения знака пространственной производной (гради- екта) одновременно двух компонент полного вектора магнитной индукции постоянного и низкочастотного магнитного поля, а также определения квадранта или направления месТопо- ложения источника возмущения магнит™ кого поля.

Цель изобретения - повьшение точ ности измерения и расширение функциональных возможностей путем изме- рения направления местоположения источника возмущения магнитного поля и индукции одновременно в двух взаимно ортогональных направлениях,

На фиг, 1 изображена функцио- нальная схема устройстваj на фиг.2 - расположение датчиков при измерениях; фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит че- тыре феррозондовых датчика 1.1, 1.2, 2о1, 2,2, четыре усилителя 1.3, 1.4, 2,4 напряжения, четыре синхронных детектора 1.5, 1,6., 2.5, 2.6, четыре низкочастотных усилителя 1.7, 1„8э 2„7, 2,85 четыре формирователя 1,9 1,10, 2.9, 2.10 импульсов, два элемента ИСКЛЮЧАМЦЕЕ ИЛИ 1 .11 и 2.11, четьфе элемента 2И 1,12, 1.13, 2.12, 2 ИЗ, четыре RS-триггера 1.14, 1.15, 2о145 2,155 генератор 3 низкочастотных модулирующих линейно изменяющихся колебаний, генератор 4 возбуждения, формирователь 5 импульсов сброса, дешифратор 6 и блок 7 индикаций. Феррозондовые датчики включают в свой состав следующие обмотки: измерительные 1Л6, 1.17, 2.16, 2.17, возбуждения 1.18, 1,19, 2,18, 2.19, модулирующие 1.20, 1.21, 2.20, 2.21. Отрезки, соединяющие феррозондовые датчики 1,1 и 1,2, а также 2.1 и 2.2 (фиг 2) являются базами,. Вазы датчиков взаимно ортогональны и, пересекаясь, образуют симметричный крест (на фиг, 2 показано положение креста в прямоугольной системе координат XOY и принятая н 1ерация квадрантов) о Попарно расположенные датчики 1.1, 1,2 и 2.1, 2.2 (фиг. 2) и обведенные на фиг. 1 гатрихпунктирны- ми контурами электронные схемы образуют независимые измерители градиен- тов неоднородного магнитного поля

в двух взаимно ортогональных направлениях. Генераторы 3 и 4, формирователь 5, дешифратор 6 и блок 7 явля- 1ются общими для этих двух измерителей. В каждом из двух градиентомет- рических измерителей для получения информации о величине и знаке измеряемого неоднородного магнитного поля в цифровом виде используется способ времяимпульсной модуляции низкочастотной сгибающей несущей частоты, позволяющий преобразовать измеряемую аналоговую величину в пропорциональный временной интервал.

Рассмотрим работу анализируемого объекта на примере работы одного из идентичных по устройству и принципу действия градиентометрических измерителей на датчиках 1.1 и 1.2.

На разнесенные в пространстве датчики 1.1 и 1.2 действует неоднородное внешнее магнитное поле, соответственно В и 5 (фиг. За, б). С помощью генератора 4 возбуждения и обмоток 1.18 и 1.19 возбуждения фер- |розондовые датчики возбуждаются с частотой F. С генератора 4 также выдаются сигналы с частотой 2F для управления синхронными детекторами 1.5 и 1,6. С помощью специального модулирующего генератора 3 и модулирующих обмоток 1.20 и 1.21 в объемах феррозондовых датчиков 1.1 и 1.2 создаются переменные линейно изменяющиеся во времени магнитные поля B(t) (фиг. За, б), модулирующие измеряемые магнитные поля В и В. С измерительных обмоток 1.16 и 1.17 датчиков на входы усилителей 1.3 и 1.4 напряжения поступает сигнал частотой 2F (фиг, Зв, г), пропорциональный величине измеряемого в объеме каждого датчика неоднородного магнитного поля, С выхода каждого усилител 1.3 (1.4) напряжения сигнал поступает на синхронный детектор 1.5 (1,6) и через низкочастотный усилитель 1,7 (1.8) на вход формирователя прямоугольных импульсов 1.9 (1.10). Формирователи 1.9 и 1.10 вырабатывают импульсные сигналы (фиг. Зд, е) при переходе действующих на датчики полей В;, + B(t) и В1 + B(t) через нулевые значения. Разность длительности этих сигналов (фиг. Зж) dT Т - Т -(Т + d Т/2) пропорциональна разности величин магнитной индукции полей BY - в в точках расположения феррозондов 1.1 и 1.2.

Импульсы положительной полярности с длительностями Т и Т (фиг. 3 д,е) поступаюп;ие с выходов формирователей 1,9 и 1.10, подвергаются дальнейшей обработке в знакочувствительном вычитающем функциональном узле, который формирует импульсы лТ, и jT раз- |Q нести длительностей (фиг. Зж) и определяет знак разности.

В процессе измерений в знакочувствительном функциональном узле возможизображенными на фиг. 6, и таблицей истинности на фиг. 7. При этом с выхода элемента ИСКЛЮЧАЩЕЕ КПИ 1.11 на вход блока 7 индикации поступают два импульса /iT, и ДТ (фиг. 6, Из), сумма длительностей которых равна разности длительностей Т, и т импульсов и и и г (фиг. 6). На вход 2 ° дешифратора 6 с прямого выхода RS-триггера 1.14 поступает единичный сигнал (фиг. 6, U); констатирующий соотношение Т 7 Т . Задний фронт этого сигнала формируется

ны следующие соотношения длительное- 5 момент прихода импульса Ug (фиг.Зз)

тей Т и т импульсов положительной

полярности:

на установочный вход RS-триггера 1.14 с формирователя 5.

J-1

-Тт Т .1 1

пп гр у

-i,- i,.

Рассмотрим случай, когда Т f Для этого воспользуемся временными 25 диаграммами (фиг. 4) и таблицей истинности (фиг. 5), описывающей все возможные комбинации сигналов U и и с выходов формирователей 1.9 и 1.10 (фиг. 1) и возникающие при этом ,Q комбинации на выходах других логи- .ческих элементов. За 1 принят положительный потенциал импульсов с формирователей 1.9, 1.10 и 5 или положительный уровень логической едиСлучай равенства временных интервалов Т и Т (измеряемый градиент равен нулю) и работу знакочувстви- тельного вычитающего узла отражают временные диаграммы на фиг. 8 и таблица на фиг. 9. В рассматриваемом случае на выходе элемента 1.11 ИСК- ЛННАЮЩЕЕ ИЛИ (фиг. 8, Uj) нет импульсов разности временных интервалов Т и Т . На прямых выходах RS- триггеров 1.14 и 1.15 (фиг. 1) нулевые потенциалы - нет информации о знаке разности.

Следовательно, выходные сигналы Uj, и, U-7 (фиг. 1) знакочувстви- тельного функционального узла на элементах первого градиентометричес- кого измерителя несут информацию о

нйцы элементов ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ 1.11, . величине измеряемого градиента и уст- 2И 1.12, 1.13 и RS-триггеров 1.14, раняют неоднозначность определения 1.15. Из таблицы (фиг. 5) видно, положения источника возбуждения маг- что с выхода элемента ИСКЛЮЧАЮТ1ЕЕ ИЛИ нитного поля относительно датчиков 11.11 на первый вход блока 7 индикации 1.1 и 1.2. Информация о величине поступает два импульса (фиг. 4, Uj),

40

измеряемого градиента содержится в сигнале Uj и заключена в величине разности длительностей Т llj МТ + ЛТ импульсов и и Ui (фиг. 4д, е, ж). При этом единичный сигнал Ug с прямого выхода RS-тригй и ЛТ, несзтцие информацию о величине измеряемого градиента. На вход 2 дешифратора 6 поступает единичный сигнал (фиг. 4, U i) с прямого выхода RS-триггера 1.15. Задний фронт этого сигнала формируется в момент прихода импульса U. (фиг. 4) на установочный R-вход триггера 1.15 с формирователя 5 (фиг. 1). Импульс Ug (фиг. Зз) формируется в момент перехода из положтельной полуплоскости в отрицательную сигнала B(t) с генератора низко частотных линейно изменяющихся модулирующих колебаний (фиг. За, б). Рассмотрим случай, когда Т 7Т, Работа схемы происходит в соответствии с временными диаграммами.

изображенными на фиг. 6, и таблицей истинности на фиг. 7. При этом с выхода элемента ИСКЛЮЧАЩЕЕ КПИ 1.11 на вход блока 7 индикации поступают два импульса /iT, и ДТ (фиг. 6, Из), сумма длительностей которых равна разности длительностей Т, и т импульсов и и и г (фиг. 6). На вход 2 ° дешифратора 6 с прямого выхода RS-триггера 1.14 поступает единичный сигнал (фиг. 6, U); констатирующий соотношение Т 7 Т . Задний фронт этого сигнала формируется

на установочный вход RS-триггера 1.14 с формирователя 5.

Случай равенства временных интервалов Т и Т (измеряемый градиент равен нулю) и работу знакочувстви- тельного вычитающего узла отражают временные диаграммы на фиг. 8 и таблица на фиг. 9. В рассматриваемом случае на выходе элемента 1.11 ИСК- ЛННАЮЩЕЕ ИЛИ (фиг. 8, Uj) нет импульсов разности временных интервалов Т и Т . На прямых выходах RS- триггеров 1.14 и 1.15 (фиг. 1) нулевые потенциалы - нет информации о знаке разности.

Следовательно, выходные сигналы Uj, и, U-7 (фиг. 1) знакочувстви- тельного функционального узла на элементах первого градиентометричес- кого измерителя несут информацию о

. величине измеряемого градиента и уст- раняют неоднозначность определения положения источника возбуждения маг- нитного поля относительно датчиков 1.1 и 1.2. Информация о величине

величине измеряемого градиента и уст- раняют неоднозначность определения положения источника возбуждения маг- нитного поля относительно датчиков 1.1 и 1.2. Информация о величине

измеряемого градиента содержится в сигнале Uj и заключена в величине разности длительностей Т llj МТ + ЛТ импульсов и и Ui (фиг. 4д, е, ж). При этом единичный сигнал Ug с прямого выхода RS-тригIгера 1.14 указывает, что в точках расположения датчиков индукция измеряемых полей удовлетворяет усло ВИЮ В в , т.е. датчик 1.1, измеряющий поле В, расположен ближе к источнику возмущения магнитного поля. Если единичный сигнал поступает с прямого выхода триггера 1.15, то индукция измеряемых полей удовлетворяет условию В В, т.е. источник

,возмущения расположен со стороны датчика 1.2, измеряющего поле В. Отсутствие единичных сигналов U 3,

и

и.

, и указывает, что измеряемый градиент имеет нулевое значение, а источник возмугчения расположен в плоскости, перпендикулярной к линии базы датчиков и проходящей через ее середину,

Аналогично работает второй гра- диентометрический измеритель с феррозондами 2.1, 2.2 и электронной схемой. Прямые выходы триггеров 2„14 и 2.15 соединены соответственно с входами 2 и 2 дешифратора 6.

Таким образом, информация о положении источника возмущений магнит- Hdro поля по результатам градиенто- метрических измерений в двух взаимно ортогональных направлениях содер- йсится в поступающих на дешифратор 6 сигналах с RS-триггеров 1.14,1.15 2,14, 2.15. При расположении датчиков устройства в соответствии с фиг, 2 с выхода дешифратора 6 снимается информация о положении источника возмущения магнитного поля в соответствии с шестнадцатью теоретически возможными комбинациями сигналов, с четырех триггеров, из которых физический смысл имеют только девять комбинаций. Остальных сочетаний на входе дешифратора 6 быть не может, так как 1 не может появиться на обоих выходах любого из двух градиентометрических измерителей.

Формула изобретения

Градиентометр, содержащий два канала измерения индукции магнитного поля, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных .с измерительной обмоткой феррозон- дового датчика усилителя напряжения синхронного детектора, низкочастотного усилителя и формирователя импульсов, генератор возбуждения, генератор низкочастотных линейно изменяющихся модулирующих колебаний, формирователь импульса сброса, два элемента 2И, два RS-триггера, блок индикации, при этом феррозондовый датчик каждого из каналов выполнен в виде сердечника с обмотками воз- бу5кдения измерительной и модулирующей, отличаю щийся тем, что, с целью поБьш1ения точности измерения и расширения функционапьных возможностей путем определе

ния местоположения источника возмущения магнитного поля и измерения одновременно в двух взаимно ортогональных направлениях, в него дополнительно введены еще два канала измерения индукции магнитного поля, два элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, два элемента 2И, два RS-триггера, а также дешифратор, в каждом из каналов измерения индукции магнитного поля выход формирователя импульсов соединен с S-входом RS-триггера через элемент 2И, выходы формирователя каждого из каналов измерения ин-

ДУкции магнитного поля также подключены к входам соответствующих элементов ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ, выход . первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторыми входами элементов

2И первого и второго каналов измерения индукции магнитного поля и первым входом блока индикации, выхо-- ды формир(ователей третьего и четвер- того каналов измерения индукции

магнитного поля подключены к входам второго элемента ИСКЛЮЧАМЦЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с вторыми входами элементов 2И третьего и чет- шертого каналов и с вторым входом

блока индикации, генератор возбуждения подключен к второму входу четырех синхронных детекторов и к обмот- кам возбуждения четырех феррозон- довых датчиков, выход генератора

низкочастотных модулирующих колебаний подключен к модулирующим обмоткам четырез феррозондовых датчиков и через формирователь импульса сброса к R-входам четырех RS-триггеров,

прямые выходы RS-триггеров подключены к входам дешифратора, выходы которого параллельно соединены с соответствующими входами блока индикации, феррозондовые датчики геометрически расположены в вершинах квадрата, при этом датчики первого и второго каналов измерения индукции магнитного поля расположены по одной диагонали, а третьего и четвертого каналов - по другой диагонали квадра

та.

д

Изобретение может быть использовано для измерения величины и определения знака градиента одновременно двух компонент полного вектора магнитной индукции постоянного и низкочастотного магнитного поля. Градиентометр содержит четьфе канала измерения индукции магнитного поля, каждый из которых включает один из усилителей 1.3, 1.4, 2.3, 2.4 напряжения, .синхронных детекторов 1.5, 1.6, 2.5, 2.6, низкочастотных усилителей 1.7, 1.8, 2.7, 2.8 и формирователей. 1.9, 1.10, 2.9, 2.10 импульсов, элементы ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ 1.11,2.11, элементы 2И 1.12, 1.13, 2.12,2.13, RS-триггеры 1.14, 1.15, 2.14, 2.15, генератор 3 низкочастотных модулирующих линейно изменяющихся колебаний, генератор 4 возбуяаде- ния, формирователь 5 импульсов сброса, дешифратор 6 и блок 7 индикации. Градиентометр имеет повьш1енную точность измерения и расширенные функциональные возможности. 9 ил. с «

. ч

iv

.4/1-bs:v

ГС

. 3

Фив.

Фиг. 5

фиг.6

(Риг,7

Редактор Т.Лазоренко

Составитель Л.Устинова

Техред М.Дидык Корректор Н.Король

Заказ 3780/49

Тираж 772

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

фие.8

Фиг. 9

Подписное