Градиентометр вариаций компонент магнитного поля Советский патент 1991 года по МПК G01R33/00 

сл

С

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для измерения градиента вариаций компонент магнитного полч, в частности магнитного поля Земли, а также для проведения градиентного магнитного зондирования Земли.Целью изобретения является повышение точности измерений, что достигается благодаря наличию цепочек компенсации влияния вариаций неизмеряемой компоненты и возможности уравнивания чувствительности рабочих датчиков. 2 з.п. ф-лы 1 ил.

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для измерения градиента вариаций компонент магнитного поля, в частности магнитного поля Земли.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На чертеже приведена структурная блок-схема устройства.

Градиентометр состоит из двух расположенных на концах базовой линии датчиков 1 и 2 вариаций измеряемой компоненты магнитного поля,выходы которых подключены через элементы 3 и 4 регулировки коэффициентов преобразования к входам разностного блока 5, выход которого связан с регистратором 6.

К каждому датчику 1 и 2 вариаций измеряемой компоненты подключены цепочки компенсации влияния вариаций компоненты магнитного поля, перпендикулярной измеряемой, состоящие из последовательно

соединенных датчиков 7 и 10 вариаций неизмеряемой компоненты, элементов 8 и 11 регулировки коэффициентов преобразования этих датчиков и катушек 9 и 12 компенсации, связанных с датчиками 1 и 2 вариаций измеряемой компоненты по магнитному полю таким образом, что магнитные оси катушек 9 и 12 компенсации проходят через центр датчиков 1 и 2 вариаций измеряемой компоненты и ориентированы вдоль направления компоненты магнитного поля, перпендикулярном измеряемой. При этом все датчики 1. 2, 7 и 10 вариаций компонент магнитного поля являются магнитостатическими. Разностный блок 5 может быть выполнен в виде астатического гальванометра по мостовой схеме или по известным схемам дифференциального усилителя. К противоположным катушкам разностного блока 5 встречно через соответствующие элементы 3 и 4 регулирово

fO

о го э

vj

ки коэффициента преобразования подключены выходы датчиков 1 и 2 вариаций измеряемой компоненты.

Разностный блок 5 осуществляет вычитание выходных сигналов датчиков 1 и 2 вариаций измеряемой компоненты. Цепочки компенсации предназначены для исключения погрешности, связанной с влиянием на результаты измерений вариаций неизмеряемой компоненты - при отклонении индикаторного магнита датчика от положения равновесия на него, помимо измеряемой компоненты магнитного поля, начинает действовать и компонента, перпендикулярная измеряемой (неизмеряемая компонента), из-за чего в результате измерения вариаций вносится ошибка. Выбор параметров цепочки компенсации (число витков катушки компенсации, величина и направление выходного тока датчика вариаций неизмеряемой компоненты) производится таким образом, чтобы эта цепочка создавала в районе индикаторного магнита датчика вариаций измеряемой компоненты магнитное поле, равное по величине и направленное противоположно полю вариации неизмеряемой компоненты. Настройка цепочек компенсации производится путем регулировки выходных токов датчиков 7 и 10 вариаций неизмеряемой компоненты с помощью элементов 8 и 11 регулировки коэффициента преобразования таким образом, чтобы при воздействии на выведенные на некоторый угол из положения равновесия датчики 1 и 2 вариаций измеряемой компоненты с подключенными к ним цепочками компенсации магнитного поля, направленного вдоль неизмеряемой компоненты (создаваемого, например, с помощью внешней коленной системы, внутри которой размещены оба датчика), выходной сигнал датчиков 1 и 2 вариаций измеряемой компоненты не изменялся.

Необходимость использования двух цепочек компенсации влияния вариаций неизмеряемой компоненты вызвана тем, что при значительном пространственном удалении датчиков 1 и 2 вариаций измеряемой компоненты друг от друга величины вариаций неизмеряемой компоненты, действующие на каждый из этих датчиков, могут существенно отличаться. Катушки 9 и 12 компенсации связаны ответственно с датчиками 1 и 2 вариации измеряемой компоненты по магнитному полю таким образом, что магнитные оси катушек проходят через продольные оси находящихся в положении равновесия индикаторных магнитов и ориентированы вдоль направления неизмеряемой компоненты. Точность установки

катушек 9 и 12 компенсации проверяется по отсутствию отклонения индикаторных магнитов датчиков при подаче в катушки 9 и 12 компенсации сколь угодно большого тока,

т.е. создании сколь угодно большого поля вдоль направления неизмеряемой компоненты. Регистратор б служит для получения записи выходного сигнала разностного блока 5 и может быть выполнен, например, на

0 основе самопишущего потенциометра.

Подготовка к измерениям осуществляется следующим образом. Датчики 1, 2, 7 и 10 вариаций устанавливают на концах базовой линии и ориентируют относительно

5 горизонтальной плоскости и направления магнитного меридиана. Через элементы 3 и 4 регулировки коэффициента преобразования выходы датчиков 1 и 2 вариаций измеряемой компоненты подключают к входам

0 разностного блока 5. Базовую линию при измерении градиента вариации Н компоненты магнитного полюса Земли (МПЗ) располагают вдоль магнитного меридиана, при измерении градиента вариации D компо5 ненты располагают базовую линию перпендикулярно магнитному меридиану, а при измерении градиента вариации Z компоненты - вдоль вертикали. Величину базовой линии выбирают исходя из соотношения

0 величин градиента вариаций и чувствительности датчиков вариаций. Например, если чувствительность лучших образцов кварцевых магнитостатических датчиков находится на уровне 10 нТл, а наименьшие

5 величины градиентов вариаций МПЗ - на уровне 10е нТл/м, то для регистрации таких градиентов необходимо разнести датчики на расстояние не менее 1 км. Затем уравнивают чувствительности датчиков 1 и 2 вари0 аций измеряемой компоненты таким образом, чтобы градиентометр регистрировал действительный градиент вариаций, а не разность, вызванную различной реакцией каждого из датчиков на действующие

5 одновременно на оба датчика вариации одной и той же величины и направления, которая может быть ошибочно приниматься за градиент вариаций. Для этого проводят подстройку чувствительности одного из датчи0 ков (1 или 2) вариаций измеряемой компоненты посредством соответствующего элемента (3 или 4) регулировки, контролируя момент достижения равенства чувствительностей датчиков по достижению

5 нулевого сигнала на выходе разностного блока 5 при одновременной подаче в катушки чувствительности датчиков 1 и 2 вариацийизмеряемойкомпонентыкалибровочного тока одинаковой величины и направления (чем больше величина калибровочноготока, тем точнее выполнено уравнивание чувствительности датчиков).

Градиентометр работает следующим образом.

Датчики 1, 2, 7 и 10 вариаций регистрируют градиент вариаций магнитного поля. Выходные сигналы датчиков 1 и 2 вариаций измеряемой компоненты, пропорциональные вариациям, действующим на каждый датчик, поступают через элементы 3 и 4 регулировки на разностный блок 5, где они вычитаются, и разностный сигнал, пропорциональный градиенту вариаций магнитного поля, поступает на регистратор 6. Одновременно с отим датчики 7 и 10 вариаций неизмеряемой компоненты регистрируют вариации неизмеряемой компоненты магнитного поля и выходные сигналы с их выходов через элементы 8 и 11 регулиропки поступают на кагушки 9 и 12 компенсации. В этих катушках создаются магнитные поля. которые равны по величине и противоположно направлены полям вариаций неизмеряемой компоненты, действующим на датчики 1 и 2 вариаций измеряемой компоненты. В результате датчики 1 и 2 работают в нулевых полях вариаций неизмеряемой компоненты, а значит и с нулевой погрешностью, возникающей за счет вариаций неизмеряемой компоненты.

Оптимальным является выполнение разностного блока 5 в виде астатического гальванометра. По углу поворота подвижной системы гальванометра судят о величине и направлении измеряемого тока. Если катушки гальванометра включить встречно, то подвижная система гальванометра будет поворачиваться на угол, пропорциональный разности токов, подаваемых на каждую из катушек. В этом случае выход первого датчика 1 вариаций измеряемой компоненты через элемент 3 регулировки подключается к одной из катушек гальванометра, а выход второго датчика 2 вариаций измеряемой компоненты через элемент 4 регулировки - к другой катушке гальванометра. Регистратор 6 содержит осветитель, свет которого направлен на зеркало подвижной системы гальванометра, и фоторегистратор.

В лаборатории геомагнитных приборов и измерений проводят опытное макетирование градиентометра, Все датчики вариаций выполнены кварцевыми с отрицательной обратной связью по магнитному полю, В качестве осветителей используют сверхминиатюрные лампочки СМИ С-20 (6В 20 мА). Фотоэлектрические преобразов -тепи выполнены на дифференциальной паре фотодиодов типа ФД-8К с последующим

усилением с помощью усилителей фототока, выполненного на операционных усилителях 140УД13 и 140УД14, включенных по типовым схемам дифференциального усилителя с последующим усилением на втором каскаде. Цена деления градиентометра не менее 0,01 нТл/мм.

Формула изобретения

магнитного поля, содержащий два расположенных на концлх базовой линии датчика вариаций магнитного поля, выходы которых подключены к входам разностного блока,

выход которого связан с регистратором, о т- личающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет компенсации г н и я н и я вариации компоненты магнитного поля, перпендикулярной измерясмой, к каждому датчику подключена цепочка из последовательно соединенных датчиков вариаций неизмеряемой компоненты, элемента регулировки коэффицизн- та преобразования и катушки

компенсации,связанной с датчиком вариаций измеряемой компоненты по магнитному полю, при этом катушка компенсации расположена так, что ее магнитная ось проходит через центр датчика вгриации измеряемой компоненты и ориентирована вдоль направления компоненты поля, перпендикулярной измеряемой, а все датчики вариаций компонент магнитного поля выполнены магнитостатическими.

в виде астатического гальванометра, к противоположным катушкам которого встречно через соответствующие элементы регулировки коэффициентов преобразования под- ключены выходы датчиков вариаций

измеряемой компоненты.

Катушиа ойратной связи

Индикаторный Нагнит с зеркалон

Фотоэлектри чесни и преобразователь

Катушка

обратной связи