Компонентный дифференциальный магнитометр Советский патент 1980 года по МПК G01V3/16 

Изобретение относится к магнитомет- рической технике, а точнее, к устройствам для и;змерения на подвижном основании составляющих вектора геомагннгного поля и их градиентов по направлени Движения. Известны устройства для измерения на подвижном основании составляющих вектора геомагнитного поля, содержащие компонентные магнитометры, в которых измерительным элементом является система ортогонально направленных магнитометрических датчиков, привязка которых относительно опорной системы координат, осуществляется с помощью системы стабилизаш1И и ориентации в пространстве или маг нитометры,содержащие в качестве измери)гельного элемента один или несколько мг штометрических датчиков и средство для задания вспомогательного магнитного поля по одной из осей в опор ной системе координат, привйзки которых в пространстве задаются с помощью системы стабилизации и ориенташти ij . Указанные устройства имеют ряд существенных недостатков. Точность измв рения составляющих вектора геомагнит ного поля существенно зависит от точности привязки измерительного элемента относительно опорной системы координат, что обусловливает высокие требования к точности системы стабилизации и ориентации в пространстве. Кроме того, не исключено влияние на результаты измерений, а, следовательно, и на точность измерений, вариаций, геомагнитного поля. Известны также дифференциальные магнитометры (градиентометры) для. измерения модуля вектора геомагнитного поля и рйзности его значений в 2-х точках вдоль направления движения, содержащие 2 системы магнитометрических датчиков, разнесенные на фиксированное расстояние вдоль направления движения 2 . Данные магнитометры-градиентометры позволяют исключить влияние вариа37шй геомагнитного поля на точность измерений, однако пля измерения составляющих геомагнитного поля они непригодны. Наиболее близким по технической сущ ности к предлагаемому устройству являе ся компонентный дифференциальный магнитометр для измерения в. движении составляющих вектора геомагнитного поля , к их градиентов по направлению движени содержащий систему ортогонально направ /ленных магнитометрических датчиков и системы стабилизации и ориентации датчиков В .. К недостаткам известного магнитометра относятся высокие требования, предъявляемые к системам стабйлИаа-, ции и ориентации, которые и опреде- . ляЮт точность измерений. Целью изобретения является повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в магнитометр введены последовательно соединенные дополнительное устройство измерения вектора геомагнитного поля в системе координат подвижного основания и устройство для создания магнитного поля равного по величине и противоположного по направлению полю измеренном у дополнительным усГройством, а магнитометрические датчики установлены в магнитном поле, создава емом указанным устройством. Дополнительное устройство измерения вектора г магнитного поля в системе координат . подвижного основания выполнено в виде магнитометра, измеряющего модуль вектора геомагнитного поля, и указателя направления вектора геомагнитного поля Дополнительное устройство измерения ве тора геомагнитного поля выполнено в ви де трех ортогональных иаправленньЬс маг нитометрических датчиков, помещенных соосно в поле трех жес-псо связанных с подвижным рснованием катушек и включенных с ними по компенсационной схег ме. Устройство для создания дополнитель ного ма.гнитного поля вьшолнено в виде катушки, например колец Гельмгольпа, электрически связанной с магнитометром измеряющим модуль вектора геомагнитного поля и механически - с указателем направления вектора геомагнитного поля Устройство для создания дополнител ного магнитного поля выполнено в виде трех ортогональных-катушек,жестко установленных на подвижном бсновании и 4 электрически связанных через вычислительное и согласующее устройства с дополнительным устройством измерения вектора геом агнитного поля. На фиг. 1 приведена блок-схема компонентного дифференциального магнитометра, на фиг. 2-4 блок-схема одного из возможных вариантов выполнения магнитометра. Компонентный дифференциальный магнитометр (см. фиг, 1) содержит систему 1 трех ортогонально направленных мапштометрических датчиков, систему 2 стабилизации датчиков, систему 3 ориентации датчиков, устройство 4 для создания дополнительного магнитного поля, дополнительное устройство 5 измерения вектора геомагнитного поля, согласующее устройство б и вычислительное устройство 7. Устройство 4 и дополнительное устройство 5 установлены на подвижном основании на фиксированном (равном базе) расстоянии друг от друга вдоль направления движения и функционально через согласующее устройство 6 связаны друг с другом. Основная измерительная система 1 помещена во вспомогательное магнитное поле и электрически связана с вычислительным уст{юйствЬм 7.В процессе измерения дополнительное устройство 5, помещенное в опорной точке, для которой значения составляющих вектора геомагнитного поля Т в опорной системе координат (xofVo,) известны, соответственно хоЛурДго ® ряют вектор геомагнитного поля в системе координат подвижного основания, например модуль вектора и направление вектора. Устройство 4 для создания вспомогательного магнитного поля воспро1агзводит с обратным знаком это магнитное поле в точке, в которой расположена система 1 магнитометрических датчиков, Таким образом, в этой точке создается магнитное поле , где Т геомагнитное оле в расположения системы 1 магнитометрических датчиков аТд. -геомагнитное поле в точке расположения дополнительного средства 5, причемТд.Тд (Т, -геомагнитное поле в опорной точке) .Составляющие этого магнитного поля,измеренные системой 1 трех ортогонально направленных магнитометрических датчиков в опорной системе координат будут соответственно . Значение составляющих вектора геомагнитного поля и их градиентов по направпению движения в точке расположения си темы 1 магнитометрических датчиков вычисляются с помощью вычислительного устройства 7 и определяются выражениями:-,-V TV -v ЛТ l5i. - длина базы (расстояние меж где Е ду системой 1 датчиков и дополнительным средством 5). +1 если система 1 датчиков расположена впереди по направлению движения и К если впереди расположено дополнительное средство 5. При перемещении подвижного основани на расстояние, равное длине базы С,про изводится очередное измерение системой 1 датчиков составляющих приращения век тора магнитного поля tqj. соот ветственноа,йТу,г,лТ1,.Спомощьювычис лительного устройства 7 производится вы числение значений составляющих вектора геомагнитного поля и их градиентов в направлении движения в новой точке и т.д. Значения составляющих вектора геомагнитного поля и их градиентов в направлении движения для каждого очередного измерения определяются следующими вьфаже киями: п Тч„ йТ ЬЛ Ту -V йТ п .д 1 TX Т, ьТ.,., о ьт, .. - порядковый номер измерения, an- номер очередного измерения. Средние квадратические погрешности каждого измерения составляющих приращения вектора геомагнитного поля неза симы и определяются выражением е .c2-- c-2-j cе- .,- где в. - средняя квадратическая погрешность измерения дополнительным устройством; - средняя квадратическая погрешность устройства для создания вспомогательного магнитного поля; - средняя квацратическая погрешность измерения основной измерительной системы; - средняя к,вадратическая пог. решность измерения, обусловленная системами стабилизации и ориентации. Дополнительное устройство измерения вектора геомагнитного поля 5 (см. фиг,2) вьшолнено в виде установленного на подвижном основании магнитометра, иэмеряющего модуль вектора геомагнитного поля, например квантовый магнитометр, и указателя направления вектора геомагвдтного поля 5, например самоориентирующийся феррозовд. Устройство для созДания дополнительного магнитного поля выполнено в виде катушки 4, например колец Гельмгодьца. Положение основной измерительной системы 1 в опорной системе координат за дается системой 2 стабилизации и системой 3 ориентации. Катушка 4 связана электрически через согласующее устройство 6 с магнитометром 5а и механически - с указателем направления 56. Основная измерительная система 1 электрически связана с вычислительным устройством 7. В дш1жешш особенность работы компонентного дифференциального магнитометра заключается в том, что в процессе измерения магнитометр 5а измеряет модуль вектора геомагнитного , а указатель 56. определяет направление вектора геомагнит ного поля относительно подвижного основания. Благодаря механической связи с указателем направления 56 катушка 4 устанавливается так, что ее магнитная ось располагается параллельно направлен- . ному вектору магнитного поля, измеренному указателем 56. На вход катушки 4 от магнитометра 5а через согласующее устройство 6 подается такое напряжение, которое вызывает в катушке 4 электрический ток, создающий магнитное поле. равное по величине и противоположное по направлению магнитному полю, измеренному дополнительным устройством 5. Во втором варианте (см. фиг. 3) до-, полнительное устройство измере шя вектора гермаг1штного поля 5 вьшолнено в виде установленных на подвижном основании магнитометра для измерения модуля вектора геомагнитного поля 5а и указателя направления вектора геомагнитного поля 5 б. Устройство для создания вспрмог ательнрго магнитног р поля выполнено в виде трех ортогональных катушек 4, жестко установленных на подвижном основании так, что основная измерительная система 5 при всехколебаниях подвижного основания находится вполе катушек. Поло жеше основной измерительной системы 5 в опорной системекоордякатзадаётсясистемой 2 стабняизапии и системой 3 ориен тации. Катушка 4 через вычислительное устройство 6а IT согласующее .устройство 66 эиБктрически связаны с магнитометром 5а и указателем направления 56. Основная, измерителышя система 1 электрически связана с вычислительным устройством 7. В движении ;х;обенность работы данного компонентного дифференниarfbiroro магнитометра заключается в том что в процессе измерения магнитометр 5 измеряет модуль вектора геомагнитного поля it Г, а указатель 56 определяет направление вектора геомагнитного поля ol носительно подвижногооснования. Магнитометр 5а и указатель направления 66 электрически связаны с вычислительным устройством 6 а. Вычислительное устройст во 6а производит вычисление значений составляюцшх магнитного поля, измеренного магнитометром 5а и указателем направления 56, вдоль магнитных осей катушек 4. На входы катушек 4 от вычислительного устройства 6а через согласующее устройство 66 подаются такие напряжения, которые вызывают в катушках 4 электрические токи, создающие магнитные полч, равные по величине и противоположные по направлению соответствующим составляющим магнитного поля, измерен ного дополнительным средством 5. А это ра вносятельно тому, что катушки 4 в целом создают магнитное поле, равное по величине и противоположное по направлению магнитному полю в точке расположения до полнительного средства 5. В одном из вариантов (см. фиг. 4) до полнительное устройство измерения вектора геомагнитного поля 5 вьшоЛнёно Ъ ви8де трех ортогонально направленных магнитометрических датчиков 5в, например феррозондовых, помещенных сорсно в поле трех жестко связанных с подвижным основанием катушек 5 г, причем магнитометрические датчики 5а включены попарно с соответствующими соосными ка- . тушками 5г по компенсационной схеме 5д. Устройство для создания дополнительного магнитного поля выполнено в виде трех ортогональных катушек 4,жесткоустанов ленных на подвижном основании, причем оси катушек 4 расположены параллельно (коллинеарно) сооответствуюшим катушкам 5г, а основная измерительная система 1 находится в поле катушек 4. Положение основной измерительной системы 1 в опорной системе координат задается системой 2 стабилизации и системой 3 ориентации. Катушки 4 через согласующее устройство 6 электрически связаны с соответствующими коллинеарными катушками 5г. Основная измерительная система 1 электрически связана с вычислительным устройством 7., -В движении особенность работы Tajforo компонентного дифференциального магнитометра, заключается в том, что в процессе измерения благодаря компенсационной схеме включения ристемы датчиков 5в и катушек 5г, в катушках 5 г возникают электрические токи, создающие магнитные поля, равные по величине и противоположные по направлению соот ветствуюшим составляк щим геомагнитного поля в точке расположения дополнительного средства 5. Электрические токи, возникающие в катушках 5 г через согласующее устройство 6 передаются на соответствующие катушки 4. В результате этого катушки 4 создают магнитное поле, равное по величине и противоположное по направлению магнитному полю в точке расположения дополнительного устройства 5. Если в качестве магнитометрических датчиков 1 и 5 используются индукционные датчики, то средняя квадратическая погрешность и , в выражении 5 может быть получена ие хуже 10 нТ. Кроме того, примем, что средняя квадратическая погрешность создания вспомогательного поля в выражении 5 также и , т.е. равна 10 нТ. не превышает . Рассмотрим на примере измерения вертикальной составляющей вектора геомагнитного поля, насколько снижаются требования к трчност систем стабилизации и ориентации. Положим, что средне973квадратическая погрешность 8 , обусловленная погрешностью системы стабилизации не должна превышать , т.е. 10 нТ, Погрешность определяется выражением . AT-j-(У ck . где дТ - приращение вертикальной составляющей вектора геомагнитного поля, cf с - средняя квадратическая погрешность системы стабилизации. Тогда, если положить А 1 нТ, а длину базы 1 м, т.е. взять случай максимальных градиентов геомагнитного поля ( 1000HT/KM,. 1(5 град«30 В соответствии с выражением 5 средняя квадратическая погрешность измерения каждого. измерения составляющих приращения вектора геомагнитного поля будет равна 21(5 иТ. Если требуется проводить измерения составляющих геомагнитного поля с погрешностью 10 нТ, то в соответствии с выражением 6 такая, п решность накопится только за 500 изме рений, начиная от опорной точки. формула изобретения 1. Компонентный дифференциальный магнитометр для измерения в движении составляющих вектора геомагнитного поля и их 1 адиенто& по направлению движ ния, содержащий систему ортогонально направленных магнитометрических датчиков и системы стабилизации и ориентации датчиков, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений в него введены последовател но соединенные дополнительное устройство измерени:я вектора геомагнитного поля в-системе координат подвижного основания и устройство для создания магнитного поля, равного по величине и про тивоположного по направлению nonfo, измеренному дополнительным устройством, а магнитометрические датчики устано&.лены в магнитном поле, создаваемом ука занным устройством.. 2 4iO 2. Магнитометр lio п. 1, о т л и чающи йся тем, что дополнительное устройство измерения вектора геомагнитного йоля выполнено в виде магнитометра. измеряющего модуль вектора геомагнитного поля, и указателя направления вектора геомагнитного поля,. 3, Магнитометр по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что дополнительное устройство измерения вектора геомагнитного поля выполнено Б виде трех ортогонально направленных магнитометрических датчиков, помещенных соосно S поле трех жестко связанных с подвижнь1м основанием катушек и включенных с ними по компенсационной схеме. 4. Магнитометр по пп. 1, 2,о т л и чающийся тем, что устройство для создания дополнительного магнитного поля выполнено в виде катушки, например, колец Гельмгольца, электрически связан ной с магнитометром, измерйЮщим модуль вектора геомагнитного поля-, и механит чески - с указателем направления вектора геомагнитного поля. 5. Магнитометр . по пп. 1, 2, о т л йча-юши йся тем, что устройство для создания дополнительного магнитного поля вьтолнено в виде трех ортогональных катушек, жестко установленных на подвиж«ом основании и электрически связанных через вычислительное и согласующее устройства с дополнительным устройством измерения вектора геомагнитного поля. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Афанасьев Ю. В. и др,. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. Л., Энергия, 1972. 2.Патент США № 3490032, кл. 324-0.5 опублик. 1967. 3.Русйнова Н. В. Двухкомпонентный магнитометр для морской магнитной съемки. Геофизическая аппаратуры, Л.,. Недра , 1966, вып. 30, с. 74-81 (прототип).