Градиентометр Советский патент 1979 года по МПК G01R33/02 

I

Изобретение относится к. измерительной технике и предназначено для измерения параметров магнитного поля (составляющих вектора индукции магнитного поля, градиента индукции магнитного поля и т. д.).

Известно устройство для измерения градиента индукции магнитного поля, содержащее два основных феррозонда и один дополнительный феррозонд, вырабатывающий регулируемую поправку к показаниям устройства l}. Поправка эта равна величине ложного градиента, обусловленного влиянием однородного магнитного поля при непараллельности магнитных осей основных феррозондов.

Недостатком этого устройства является появление ложного градиента индукции магнитного поля, обусловленного непостоянством угла между магнитными осями основных феррозондов. При изменении угла между магнитными осями основных феррозондов регулировку, связанную с компенсацией ложного градиента, .необходимо производить заново.

Известны градиентометры с компенсацией несоосности, в которых осуществлена электрическая компенсация ложного градиента, обусловленного наличием поперечного однородного магнитного поля и непараллельностью осей феррозондов 2 . Устройство- содержит два основных феррозонда, оси которых приблизительно параллельны выбранной оси, и два дополнительных феррозонда, оси которых перпендикулярны друг к другу и к выбранной оси. Основные и дополнительные феррозонды плотно прикреплены к жесткой немагнитной опоре. К феррозондам (основным или дополнительным) подведены возбуждающие колебания от источника переменного тока. Выходы основных феррозондов подключены к входу основной усилительно-преобразовательной схемы, выход которой подсоединен к регистрирующему прибору. Показания регистрирующего прибора соответ-. ствуют измеряемому градиенту индукции магнитного поля. Выходы дополнительных феррозондов подключены к входам двух дополнительных усилительнопреобразовательных схем, выходы которых подключены через переменные резисторы к компенсационным обмоткам ложного градиента, расположенным на основных феррозондах. Регулировкой переменных резисторов компенсируется величина ложного градиента, обусловленного поперечным однородным магнитным полем при непараллельности осей феррозондов. Недостатком этого устройства являет ся непостоянство угла между магнитным осями основных феррозондов, что при нали чии поперечного магнитного поля приводит к появлению ложного градиента и, следова тельно, снижает точность измерения. Цель изобретения - повышение точнос ти измерения параметров магнитного поля. Для этого предлагаемый градиентометр, содержащий два основных ферромодуляционных преобразователя, оси которых параллельны выбранной оси, жестко прикрепленных к немагнитной опоре, два дополнительных ферромодуляционных преобразователя, оси которых перпендикуляр ны друг к другу и к выбранной оси, источник переменного тока, подключенный к основным и дополнительным ферромо- дуляционным преобразователям, два усилительно-преобразовательных блока, подключенных первыми входами и выходами к дополнительным ферромодуляционным преобразователям, две компенсационные обмотки ложного градиента, ова переменных резистора и регистрирующий прибор, снабжен двумя парами последовательно соединенных обмоток, переменной ЭДС, оси которых параллельны осям -дополнительных ферромоду.яционных преобразователей, двумя управляемыми аттенюаторами, выходы которых подключены к ком пенсационным обмоткам ложного градиен та через переменные резисторы, а первы входы - к выходам усилительно-преобраз вательных блоков, парой последовательно соединенных усилителей и синхронных де TeicropoB, второй вход которых соединен с выходом источника переменного тока, блоком сложения градиента магнитного поля, к входу которого подключены выходы синхронных детекторов, а к выходу регистрирующий прибор, генератором пе254ременной ЭДС, генератором тактовых импульсов, подключенным к выходам упомянутых генераторов,, распределительным блоком, вторые входы которого подклю- чены к выходам обоих синхронных детекторов и к первым входам основных ферромодуляционных преобразователей, двумя фильтрами переменной ЭДС, входы которых соединены с выходами усилителей и с выходами распределительного блока, а выходы фильтров - со вторыми входами основных ферромодуляционных преобразователей, двумя синхронными детекторами ложного градиента, входы которых подключены к выходам фильтров переменной ЭДС и генератора переменной ЭДС, блоком сложения основных ферромодуляционных преобразователей, входы которого подключены к выходам двух синхронных детекторов ложного градиента, элементом сравнения, первый вход которого подключен к выходу блока сложения, второй вход - к выходам распределительного блока, а третий и четвертый входы - к выходам управляемых аттенюаторов, двумя запоминающими элементами, входы которых подключены к выходам элемента сравнения, а выходы - ко вторым входам управляемых аттенюаторов, жестко прикрепленных к немагнитной опоре вспомогательным ферромодуляционным преобразователем, ось которого параллельна выбранной оси, вспомогательным усилительно-преобразовательным блоком, один из входов которого подключен к выходу вспомогательного преобразователя, а другой - к источнику переменного тока, и двумя вспомогательными обмотками, расположенными на основных ферромодуляционных преобразователях так, что оси их параллельны выбранной оси, а обмотки соединены последовательно согласно и подключены к выходу вспомогательного усилительно-преобразовательного блока, выход которого подсоединен также к вспомогательному ферромодуляционному преобразователю, при этом основные фер- фомодуляционные преобразователи установлены в центре взаимно перпендикулярных обмоток переменной ЭДС, расположенных на жесткой немагнитной опоре, вторые входы усилительно-преобразовательных блоков соединены- с источником переменного тока, а входы усилителей связаны с основными ферромодуляционными преобразователями. На чертеже изображена структурная схема предлагаемого устройства. 56 Гридиентометр содержит два основных 1 и 2 и два дополнительных 3 и 4 фер- ромодуляционных преобразователя. Входы основных и дополнительных ферромодуляционных преобразователей подключены к источнику переменного тока 5. Выходы дополнительных ферромодуляционных преобразователей 3 и 4 подключены к первым входам усилительно-преобразовательных блоков 6 и 7, вторые входы которых соединены с источником переменного тока 5. Выхойы усилительно-преобразовательных блоков подключены к первым входам управляемых аттенюаторов 8 и 9, выходы которых соединены через переменные резисторы 10 и 11 с компенсационными обмотками 12 и 13 ложного градиента. Выходы основных преобразователей 1 и 2 подключены к входам усилителей 14 и 15, выходы которых соединены с первыми входами синхронных детекторов 16 и 17. Вторые входы синхронных детекторов подключены к выходу источника переменного тока 5. Выходы синхронных детекторов подключены к бло ку 18 сложения градиента магнитного поля, выход которого соединен с регистрирующим прибором 19. Выходы синхронных детекторов 16 и 17 подключены также к двум входам распределительного блока 20. Два других входа распределительного блока 20 подключены к генераторам тактовых импульсов 21 и переменной ЭДС 22. Выходы распределительного блока 20 подключены к последовательно соединенным обмоткам 23, 24, 25 и 26 переменной ЭДС. Выходы усилителей 14 и 15 подключены к первым входам фильтров 27 и 28 переменной ЭДС, вторые входы которых соединены с выходами распределительного блока 20 Выходы фильтров 27 и 28 подключены к основным ферромодуляционным преобразователям 1 и 2 и к первым входам синхронных детекторов 29 и 30 ложного градиента, вторые входы которых сое динены с выходом генератора 22 переме ной ЭДС. Выходы детекторов 29 и 30 подключены к входам блока 31 сложения основных ферромодуляционных преобразователей, выход которой соединен с элементом сравнения 32. Другие входы эле мента сравнения 32 соединены с выходами управляемых аттенюаторов 8 и 9 и распределительного блока 2О. Выходы элемента сравнения 32 подключены к входам запоминающих элементов 33 и 5 34, выходы которых соединены со вторыми входами аттенюаторов 8 и 9. Выходы усилительно-преобразовательных блоков 6 и 7 соединены с дополнительными ферромодуляционными преобразователями 3 и 4, а выходы синхронных детекторов 16 и 17 - с основными преобразователями 1 и 2. Вход вспомогательного ферромодуляционного преобразователя 35 подключен к источнику переменного тока 5, а выход - к первому входу вспомогательного усилительно -преобразовательного блока 36, второй вход которого соединен с выходом источника 5, а выход - с входом последовательно соединенных вспомогательных обмоток 37 и 38. Выход вспомогательного усилительно-преобразовательного блока 36 подключен к вспомогательному преобразователю 35. Градиентометр работает следующим образом. Основные ферромодуляционные преобразователи 1 и 2 измеряют продольные составляющие вектора индукции, а дополнительные преобразователи 3 и 4 его поперечные составляющие. К основным 1 и 2 и дополнительным 3 и 4 ферромодуляционным преобразователям подводятся возбуждающие колебания от источника переменного тока 5. Выходные сигналы с дополнительных преобразователей 3 и 4 поступают на входы усилительно-41реобразовательных блоков 6 и 7, каждый из которых коммутируется сигналами от источника переменного тока 5. С выходов усилительно-преобразовательных блоков сигналы, пропорциональные поперечным составляющим вектора индукции магнитного поля, поступают на первые входы управляемых аттенюаторов 8 и 9, с выхода которыхчерез переменные резисторы 10 и 11 к компенсационным обмоткам 12 и 13 ложного градиента. Регулируя переменные резисторы 10 и 11, можно скомпенсировать влияние поперечной составляющей однородного магнитного поля при непараллельности магнитных осей основных ферромодуляционных преобразователей 1 и 2. С выходом основных преобразователей 1 и 2 сигjjналы, пропорциональные продольным составляющим вектора индукции магнитного поля, подаются на усилители 14 и 15, а с их выходов - на синхронные детекторы 16 и 17. Последние коммутируются сигналами от источника переменного тока 5. Выпрямленные сигналы с синхронных детекторов Ьоступают на блок 18 сложения градиента магнитного поля. При воздействии продольной составляющей однородного магнитного поля HS основные преобразователи 1 и 2 сигналы на выходах синхронных де«. TQKTOpOB 16 и 17 равны по модулю, но противоположны по знаку, В таком случае сигнал на выходе: блока сложв«ния 18 равен нулю. С выхода блока сложения 18 сигнал поступает на регистрирующий прибор 19, показания которого пропорииональны несянородности индукции магнитного поля в пространстве между ос новными ферромсщуляпионнымв преобразователями 1 и 2. Сигналы с выходов синхройЕных детекторов 16 и .17 подаются на два входа распредвлиятельного блока 20. На две других входараспределительного блока поступают сигналы с генераторов 21 и 22. Через распределительный блок 2О в определенные интервалы времени генератор. 22 подключается то s одной пара последовательно соединенных обмоток 23 и 24, то к другой паре обмоток 25 в 26. При протекаииа токов по об моткам 23 и 24, 25 в 26 на «:ноаные преобразователи 1 и 2 аейстэз ют попереч ные магнатаые пола. Если магнитные оси осноБНык преобразователей 1 и 2 не перпендикулярны осям обмотшс 23 а 24, 25 и 26, то на гыкоааз тфеобразователвй i и и возникают аМ1титувно«.«одулиро«ванные аолебанйз. Изменение угла между магнитными осями основные {реобрвго вателей 1 и 2 правоййт к иамененшо аоэффнциентов модуладий ампиитудно-моду ированнь : ксшебаияй. С коэ фицие&та модуляции одного из амш1итудн€ - 4одулнрованнык колебаний) на выходах преобразователей 1 а 2. Фазы огибающих ампли тудно модулирован-ых колебаиий могут изменяться скачком от О до 18О при изменении угла между магнитными осями основных преобразователей 1 и -2. Для выделения переменных ЭДС,. несущих информацию о изменении угла между магнитными осями основных преобразователей 1 и 2, применяются фильтры 27 и 28 переменных ЭДС. На входы этих фильтров подаются сигналы с распределительного блока 20 и амплитудно- модули- рованные сигналы с усилителей 14 и 15, С распределительного блока 20 на фильтры 27 и 28 поступают такие электрические сигналы, чтобы фазы переменных ЭДС с фильтров 27 и 28 не зависели от изменения фаз и несущей частоты амплитудно-моаулированных колебаний с усилителей 14 и 15, С выходов фильтров 27 и 28 сигналы, частота которых равна: частоте переменной ЭДС генератора 22, поступают на синхронные детекторы 29 и 30 ложного градиента. Последние коммутируются сигналами с генератора 22„ В блоке 31 сложения основных прэобра.зователей выпрямленные сигналы пере менных ЭДС, подающиеся с синхронных детекторов 29 и 30, складываются и далее поступают на апемент сравнения 32, На другие входы элемента сравнения подаются сигналы с управляемых аттенюаторов 8 и 9 и распределительного бло ка 20. Сигналы с распределительного блока 20 осуществляют управление срав- ниваемых сигналов в элементе 32, поступающих с аттенюатора .:9 или 8 и : блока 31 сложения основных преобразователей, и передачу выходного сигнала с элемента сравнения 32 к запоминающему элементу 33 или 34. Выходные сигналы с запоминающих элементов 33 и 34 поступают на вторые входы уп- ; равляемых аттенюаторов 8 и 9. Работу элемента сравнения 32 можно представить следующим образом. Если в один интервал времени распределитель ный блок 20 к обмоткам катушек 23 и 24 подключается генератор 22 переменней ЭДС, то в элементе 32 осуществляется сравнение сигналов с выхода аттенюатора 8 и с бло1Ш сложения 31. При STCW с элемента сравнения 32 сигнал через запоминающий элемент 34 поступает ва аттенюатор 8. Выходной сигнал с запоминающего элемента 34 изменяет сопротивление управляемого аттенюатора 8 до тех пор, пока выходной сигнал с элемента сравнения , поступающий на запоминаюгций элемент 34 не будет равен минимальному остаточному или нулю. В следующий интбрвап времени через распределительный блок 2О к обмоткам катушек 25 и 26 подключается генератор 22. В элементе 32 осуществляется сравнение сигналов с выхода аттенюатора 9 и с блока сложения 31. В этом случае сигнал с элемента сравнения 32 через запоминающий элемент . 33 поступает на аттенюатор 9.. Выходной сигнал с запоминающего элемента 33 изменяет сопротивление управляемого аттенюатора 9 до тех пор, пока выходной сигнал элемента сравнения 32, поступающий на запоминающий элемент 33, не будет равен минимальному остаточному или нулю. Токи в обмотках 12 и13 ложного градиента изменяются пропорционально изменениям сопротивлений управляемых аттенюаторов 8 и 9. Таким образом, в предлагаемом градиентометре осуществляется не только автоматическая компенсация ложного градиента, оёусловленн го непараллельностью осей основных пре образователей 1 и 2, но и автоматическая компенсация ложного градиента, обус ловленного непостоянством угла между магнитными осями преобразователей 1 и 2, что позволит измерять градиент индукции магнитного поля с высокой точностью при наличии однородного попереч ного магнитного поля. Вспомогательнь й преобразователь 35 измеряет, так же как и основные преобразователи 1 и 2 продольную составляющую вектора индукции магнитного поля. К вспомогательному преобразователю 35 подводятся возбуждающие колебания от источника переменного тока 5. С выхода вспомогательного преобразователя 35 сигнал поступает на вспомогательный усилительно-преобразовательный блок 36, который ком лутируется сигналами от источника переменного тока 5. С выхода блока 36 сигнал поступает на вход последовательно соединенных вспомогательных сймоток 37 и 38. В резуль тате этого продольная составляющая век тора индукции магнитного поля, действую щая на основные преобразователи 1 и 2, компенсируются. Применение вспомогательного магнитометра, состсящего ИЗ вспомогательного преобразователя 35 вспомогательного усилительно-преобра- зевательного блока 36 и обмоток 37 и 38, устраняет в выходном сигнале появление ложного градиента, обусловленного продольной составляющей однородного магнитного поля при неидентичности чувствительностей основных преобразователей 1 и 2 и их.усилительно-преобразова тельных схем, которые включают усилите ли 14 и 15 и синхронные детекторы 16 и 17. Применение вспомогательного маг нитометра устраняет также ложное изменение маг}1итного поля, обусловленное, например , различным временем установления переходных процессов в каждой ос новной усилительно-преобразовательной схеме при различной ориентации градиентометра в однородном магнитном поле. Автокомпенсация ложного градиента, обусловленного наличием поперечной составляющейоднородного магнитного полЯ; и автокомпенсация продольной Составляющей однородного магнитного поля снижают порог чувствительности градиентометра, т. е. точность измерения параметров магнитного поля в предлагаемом градиентометре повышается. Формула изобретения Градиентометр, содержащий два основных фарромодуляционных преобразователя, оси которых параллельны выбранной оси, жестко прикрепленных к немагнитной опоре, два дополнительных ферромодуляционных преобразователя, оси которых перпендикулярны друг к другу и к выбранной оси, источник переменного тока, подключенный к основным и дополнительным ферромсауляаишшым преобразователям, два ус1тнтельнонпреобразова- тельных блока, подключенных первыми входами и выходами к дополнительным ферромодуляционным преобразователям, две компенсационные обмотки ложного градиента, два переменных резистора и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения параметров магнитного поля, сш снабжен двумя парами последовательно соединенных обмоток переменной ЭДС, оси которых параллельны осям дополнительных ферромоду- ляционных преобразователей, двумя управляемыми аттенюаторами, выходы которых подключены к компенсационным обмоткам ложного градиента через переменные резисторы, а первые входы - к выходам усилительно-преобразовательных блоков, парой последовательно соединенных усилителей и синхронных детекторов, второй вход которых соединен с выходом источника переменного тока, блоком сложения градиента магнитного поля, к входу которого подключены выходы синхронных детекторов, а к выходу - регистрирующий прибор, генератором переменной ЭДС, генератором тактовых импульсов, подключенным к выходам упомянутых генераторов, распределительным блоком, вторые входы которого подключены к выходам обоих синхронных детекторов и к первым входам основных ферромоауляционных преобразователей, двумя фильтрами переменной ЭДС, входы которых соединены с выходами усилителей и с выходами рас пределительного блока, а выходы фильтров - со вторыми входами основных ферромодуляционных преобразователей, двумя синхронными детекторами ложного градиента, входы которых подключены к выхо дам фильтров переменной ЭДС и генератора переменной ЭДС, блоком сложения основных ферромодуляционных преобразователей, входы которого подключены к выкодам двух синхронных детекторов ложного градиента, элементом сравнения, первый вход которого подключен к выходу блока сложения, второй вход- к выходам распределительного блока, а третий и чет вертый входы - к выходам управляемых аттенюаторов, двумя запоминающими элементами, входы которых подключены к вЬ1ходам элементов сравнения, а выходы ко вторым входам управляемых аттенюаторов, жестко прикрепленным к немагнитной опоре вспомогательным ферромодуляционным преобразователем, ось которого параллельна выбранной оси, вспомогатель ным усилительно-преобразовательным бло ком, один на вкодов которого подключен 6 2512 к выходу вспомогательного преобразователя, а другой - к источнику переменного тока, и двумя вспомогательными обмотками, расположенными на основных ферромодуляционных преобразователях так, что оси их параллельны выбранной оси, а обмотки соединены последовательно согласно и подключены к выходу вспомогательного усилительно-преобразовательного блока, выход которого подсоединен также к вспомогательному ферромбдуля-. ционному преобразователю, при этом основные ферромодуляционные преобразователи установлены в центре взаимно перпендикулярных обмоток переменной ЭДС, расположенных на жесткой немагнитной опоре, вторые -входы усилительнопреобразовательных блоков соединены с источником переменного тока, а выходы усилителей связаны с основными ферромодуляционными преобразователями. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Заявка № 2064713, М. Кл Q 011 33/О2, 1974, по которой принято решение о выдаче авторского свидетельства. 2.Патент США № 3488579. 324-43, опубл. 197О.