Протонный магнитомер Советский патент 1977 года по МПК G01R33/08 

(54) ПРОТОННЫЙ МАГНИТОМЕТР

1

Устройство предназначено для измерения модуля напряженности магнитного поля, может быть использовано при измерении геомагнитного поля и полей других объектов.

Известен протонный магнитометр, основными узлами которого являются датчик свободной процессии, многодиапазонный перестраиваемый ступенями уси;штель, схема поиска частоты, программное устройство, цифровой периодометр и вычислитель 1.

Отсутствие в такой схеме плавной перестройки усилителя и необходимость в узкой полосе пропускания усилителя при измерении приводит к увеличению числа ступеней перестройки до 20. Погрешность измерения этих магнитометров- iTIif эрстед и обусловлена отсутствием системы фазовой автоподстройки частоты (ФАЛЧ).

Наиболее близок к предлагаемому протонный магнитометр, предназначенный для работы в режиме автоматического поиска в узком диапазоне полей, устанавливаемом вручную. Он содержит датчик свободной процессии, соединенный через коммутирующее устройство, перестраиваемый по частоте усилитель и систему ФАПЧ с электронным частотометром, снабженным кварцевым генератором и

делителями частоты, цифро-аналоговый преобразователь и самописец 2.

Структура магнитометра не позволяет производить автоматический поиск частоты прецессии во всем диапазоне полей, так как он предназначен д.ля длительной работы в условиях слабо изменяющихся полей. Описанные магнитометры не позволяют пол чить приближенную информацию о величине измеряемого поля до начала работы частотомера или при его отказе.

Наряду с постоянно pacTymHNm требованиями к точности, динамическому диапазону и уровню автоматизации в настоящее время особое внимание уделяется повыщенной информативности и живучести средств, т.е. способности работать при частичных отказах (возможно с меньшей точностью).

Цель изобретения - новыщение надежности устройства, точности измерения во всем диапазоне полей и получение приближенной информации о величине поля в щ фровой и аналоговой форме до начала работы системы ФАПЧ и частотомера или при их отказе.

В предлагаемом протонном магнитометре, содержащем датчик сигналов свободной прецессии, коммутирующее устройство, блок управления, перестраиваемый по частоте усилитель и электронный частотомер, в качестве перестраиваемого усилителя использовано устройство с элементами дискретной и линейной сопряженной электронной перестройки (например, активные фильтры с управляемыми параметрами), система ФАПЧ снабжена дополнительным входом линейной перестройки генератора, кроме того, в магнитометр введена цепь

контура автоматического поиска частоты прецессии, состоящая из последовательно соединенных амплитудного детектора, элемента совпадения, счетчика импульсов и цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен со входом линейной перестройки усилителя и с дополнительным входом системы ФАПЧ; один из разрядов счетчика соединен с элементом дискретной перестройки усилителя, вход амплитудного дискриминатора соединен с выходом усилителя, второй вход элемента совпадения соединен с источником тактовой частоты, а стробируемый вход счетчика - со схемой запуска блока управления.

На фиг. 1 представлена блок-схема магнитометра; на фиг. 2 - вариант системы ФАПЧ с дополнительным входом перестройки генератора.

Протонный магнитометр содержит датчик свободной прецессии 1, коммутирующее устройство 2, перестраиваемый по частоте усилитель 3 с элементами 4 и 5 дискретной и линейной сопряженной перестройки (например, активные фильтры с управляемыми параметрами), систему ФАПЧ 6 с дополнительным входом линейной перестройки генератора, цифро-аналоговый преобразователь 7, блок управления 8, амплитудный дискриминатор 9, счетчик 10, элемент совпадения 11 и электронный частотомер 12.

Система ФАПЧ б с дополнительным входом (фиг. 2) состоит из фазочувствительного детектора 13 с фильтром нижних частот, суммирующего усилителя 14, второй вход которого является дополнительным, генератора управляемой частоты 15 и делителя частоты 16.

В схеме магнитометра приняты следующие количественные соотношения и зависимости:

0. F

N:

2-tH др

где N - число ступеней дискретной перестройки элемента 4 усилителя 3;

Q - емкость счетчика 10;

i - номер разряда счетчика 10, управляющего схемой дискретной перестройки блока управления 8;

F - полоса частот прецессии в диапазоне измеряемых полей;

Л F - щирина поддиапазона дискретной перестройки усилителя по уровню 0,7-0,9.

Кроме того, характеристики преобразования преобразователя 7, элемента линейной перестройки 5 усилителя 3 и генератора 15 системы ФАПЧ 6 должны быть линейными во всем диапазоне измеряемых полей, а амплитудный дискриминатор 9 безынерционное звено.Системы кодирования счетчика 10 и преобразователя 7 одинаковы.

В циклическом режиме схема работает следующим образом. К началу цикла измерения элемент совпадения 11 открыт, а счетчик 10 установлен в нулевое состояние. По команде с блока управления 8 коммутирующее устройство 2 переключает датчик 1 в режим поляризации. По истечении цикла поляризации датчик подключается ко входу усилителя 3, после чего из блока 8 подается сигнал разрешения на заполнение счетчика 10 импульсами с делителя частотомера 12. При добавлении, в счетчик каждой последовательности из 2 импульсов переключается элемент 4 дискретной перестройки усилителя 3. Одновременно линейно изменяющееся напряжение на выходе преобразователя 7 производит сопряженную по частоте перестройку элемента 5 усилителя 3 и генератора 15 системы ФАПЧ 6. В процессе перестройки (поиска) при совпадении линии частоты свободной прецессии с полосой прозрачности перестраиваемого усилителя 3 сигнал на его выходе превышает уровень срабатьгвания амплитудного дискриминатора 9. Уровень срабатывания дискриминатора рассчитывается на минимальный уровень сигнала усилителя 3, величина которого зависит от ориентации оси датчика относительно вектора измеряемого поля. В то же время уровень срабатывания дискриминатора выбирается выше уровня помех в рабочей полосе частот на выходе усилителя 3.

При срабатывании дискриминатора 9 с его выхода на схему совпадения 11 поступает сигнал запрета, прекращающий заполнение счетчика 10. Система ФАПЧ 6, будучи подведена к частоте сигнала прецессии, производит его захват и слежение, так как выходное напряжение преобразователя 7 на дополнительном входе системы с данного момента остается неизменным. Поскольку между кодом счетчика 10, установившемся к моменту запрета поиска, выходным напряжением преобразователя 7 и положением полосы прозрачности перестраиваемого усилителя 3 существует однозначная связь (точность которой определяется только технологическими вoзмoжнocтя л), код счетчика 10 и выкодное напряжение преобразователя 7 являются приближенными цифровым и аналоговым эквивалентами напряженности измеряемого поля. Через некоторое время, необходимое для захвата системь; ФАПЧ 6, устанавливаемое экспериментально, блок управления В запускает частотомер 12 на измерение абсолютного значения частоты свободной прецессии, пропорциональной величине измеряемого поля. После этого по команде блока управления 8 узлы устанавливаются в исходное состояние до начала следующего цикла.

Таким образом введение в магнитометра усилителя с комбинированной дискретной и линейной перестройкой, контура автоматической сопряженной электронной перестройки усилителя и сиетемы ФАПЧ приводит к повышению избирательности и улучшению условий захвата частоты прецессии во всем диапазоне полей, что повышает точность измерения. Поскольку в процессе поиска в счетчике и дополнительном преобразователе одновременно протекают процессы кодирования и декодирования, результат которых однозначно связан с величиной измеряемого поля, схема обеспечивает получение приближенной информации о величине поля в цифровой и аналоговой форме до участия в работе частотомера и системы ФАПЧ или при их отказе, что повышает информативность и надежность устройства. Формула изобретения Протонный матнитометр, содержащий датчик свободной прецессии, коммутирующее устройство, блок управления, перестраиваемый по частоте усилитель, систему фазовой автопгодстройки частоты и электронный частотомер, отличаюшийся тем, что, с целью повышения его надежности и точности измерения, усилитель содержит элементы

ОН

П

I дискретной и линейной сопряженнон электронной перестройки (например, активные фильтры с управляемыми параметрами), система фазовой автоподстройки частоты снабжена дополнительным входом перестройки генератора, в магнитометр введена цепь контура автоматического поиска частоты прецессии, состоящая из последовательно соединенных амплитудного дискри и1натора. элемента совпадения, счетчика импульсов и цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со входом линейной перестройки усилителя и с дoпoлнитeJiьным входом системы фазовой автоподстройки частоты, один из разряд1 в счетщ1ка соединен с элементом дискретной перестронк усилителя, вход амплитудного дискр1 минагора соединен с выходом усилителя, вхо.д элемента совпадеш1я соединен с тактовым в:пхол(1м частотомера, а стробируемый вход счетчика со схемой запуска блока тгравлепия. Источники информации, цри;ш11 1с во внимание при экспертизе: 1.Авторское свидетельство СССР № 405097. G01 V3/J4, 1973. 2.Померанцев Н.М. и .чр. Физические основы квантовой магнитометрии, изд. . М.. 1972, стр. 378.