Устройство для измерения градиента магнитного поля Советский патент 1980 года по МПК G01V3/08 

1

Изобретение относится к магнитометрии и может быть иснользовано для полевых измерений градиента магнитного поля З.емли, для обнаружения затонувшей техники, поиска трубопроводов и определения намагниченности образцов горных пород.

Известен феррозондовый магнитометр, работающий на сумме четных гармоник 1.

К недостаткам указанного магнитометра относится его невысокая чувствительность, так как при усилении сигнала широкополосный усилитель, перегружаясь нечетными гармониками, вырабатывает ложные четные гармоники и становится менее чувствительным к полезному сигналу, вырабатываемому феррозондовыми датчиками.

Известно также устройство для измерения градиента магнитного поля, содержащее два разнесенных друг от друга дифференциальных феррозондовых датчика, генератор переменного напряжения, подключенный к обмоткам возбуждения датчиков и управляющим входам синхронных детекторов, резонансные усилители, подключенные входами к сигнальным обмоткам датчиков, а выходами - к синхронным детекторам

2.

Одновременное сочетание двух методов выделения сигналов - селективного и фазочувствительного приводит при построении

градиентометра к необходимости применения селективных элементов из высокостабильных индуктивностей и емкостей, поскольку нестабильность последних искажает фазовую характеристику элемента, что фиксируется при сравнении двух сигналов; необходимости стабилизации частоты генератора возбуждения датчиков, поскольку изменение этой частоты приводит к фазовым искажениям сигнала второй гармоники, что фиксируется при сравнении сигналов;необходимости стабилизации амплитуды возбуждающего поля, так как чувствительность но второй гармонике не имеет

15 пологий характер от изменения поля возбуждения.

К.роме того, фаза, приходящих с датчиков сигналов, зависит не только от амплитуды и частоты напряженности возбуждения, но

20 и от напряженности постоянного магнитного поля.

Целью изобретения является повыщение помехоустойчивости и упрощение устройства.

25 Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения градиента магнитного поля, содержащее разнесенные друг от друга феррозондовые датчики, генератор переменного напряжения, подклю30 ченный к входу датчиков, последовательно

соединенные усилитель и электроизмерительный нрибор, к каждому из датчиков подключены дополнительно введенные трансформатор и выпрямитель, включенные носледовательно, нричем выходы выпрямителей включены между собой встречно-параллельно, и к ним подключены усилитель н электрор|змерительный прибор.

На фнг. 1 изображена электрическая схема устройства; на фиг. 2 - эквивалентная схема измерительной цепи устройства.

Устройство состоит из феррозондовых датчиков 1 и 2, генератора неременного тока 3, повышающих трансформаторов 4 и 5, выпрямительных диодов 6-9, конденсаторов 10 и И, усилителя постоянного тока 12 и электроизмерительного прибора 13.

Устройство работает следующим образом.

Возбул дение феррозондовых датчиков 1 и 2 производится генератором переменного тока 3. Сигналы, снимаемые с датчиков, трансформируются повышающими трансформаторами 4 и 5. Коэффициент трансформации рассчитывается для получения на выходе трансформатора ЭДС 10-30 В. При выпрямлении напряжений таких величин падение напряжения в прямом направлении мало влияет на относительную погрешность измерений. Сигнал с датчика 1 выпрямляется при иомощи диодов 6 и 7 и конденсатора 10, а сигнал с датчика 2 - ири помощи диодов 8 и 9 и конденсатора 11. Выпрямленные сигналы, имеющие разные полярности относительно общего провода, замыкаются между собой. Ввиду такого соединения выпрямленные напряжения падают, резко уменьщаются напряжения на обмотках трансформаторов и на выходных .обмотках феррозондовых датчиков. Для феррозондовых датчиков создается режим, близкий к режиму короткого замыкания. На конденсаторе 14 появится ЭДС, величина и полярность которой зависит от разности напряжений, возникающих в трансформаторах, или соответственно от разности магнитных полей в датчиках, причем направление магнитного поля не влияет на полярность этой ЭДС. Так, например, если датчики находятся в магнитном ноле и ферромагнитное вещество находится ближе к датчику 1, чем к датчику 2, то сигнал в проводнике а будет больще сигнала в проводнике Ь. Через конденсатор 10 пройдет ток большей величины, чем через конденсатор 11. На конденсаторе 14 появится ЭДС с полярностью с плюсом в проводнике d н минусом в проводнике с. Для измерения ЭДС, возникающей на конденсаторе 14, предназначен усилитель постоянного напряжения 12 и электроизмерительный прибор 13. При данном способе используется сумма четных и нечетных гармоник, приходящих с датчиков. Если не учитывать сопротивл.ения диодов

в прямом паправлеппп тока, активные сопротивления обмоток трансформаторов, сопротивления конденсаторов 10 и 11 для переменного тока и принять коэффициент связи между обмотками трансформатора, равным единице (торроидальные сердечники), то получим эквивалентную схему измерительной цепи градиентометра, показанную на фиг. 2, где: Е - ЭДС на выходе датчика (Ei - первого, EZ - второго); ZBU - внутреннее сопротивление датчика; Спр - суммарные емкости проводов, межвитковых емкостей обмотки трансформатора; L - индуктивность обмотки трансформатора; - приведенное входное сопротивление усилителя постоянного напряжения.

Сигналы с выхода датчиков состоят из множества гармоник. Амплитуда каждой гармоники изменяется при изменениях напряженности магнитного поля, амилитуды и частоты напряжения возбуждения датчиков. Возможно уменьщение одной гармоники при увеличении другой. Причем изменення в обоих датчиках происходят неравнозначно. Сопротивления СприL зависят от частоты. Поэтому сравнивать сигналы с двух датчиков на одной частоте сравнительно трудно.

Из эквивалентной схемы измерительной цепи также видно, что режим работы феррозондовых датчиков близок к короткому замыканию. Выпрямленные сигналы датчиков имеют противоположные полярности относительно общего провода и соединены между собой параллельно. Тем самым для датчиков обеспечивают режим, близкий к короткому замыканию. Вследствие этого режима при однородном магнитном поле напряжения между проводами Я ч f равно нулю. При этом сопротивления Спр и L не оказывают больщого влияния на величину сигналов, приходящих с датчиков.

Практически невозможно создать режим, при котором напряжение на выходе датчиков равнялось нулю из-за невыполнения принятых выще условий. Однако, ввиду высокого коэффициента трансформации трансформаторов 4, 5 и малого сопротивления диодов 6-9, происходит значительное снижение указанного напряжения и уменьшение влияний СПР и L.

Усилитель постоянного тока должен иметь большое входное сопротивление, так как ЭДС, возникающая на конденсаторе 14, больше разности напряжений, приходящих с датчиков, в 2К раз, где К - коэффициент трансформации трансформаторов 4 и 5.

Присутствие нечетных гармоник в датчиках несколько ограничивает область магнитного поля, в котором возможно измерение его разности. Однако отсутствие -избирательности по нечетным гармоникам не ухудщает остальные параметры устройства, так как среднее значение сигнала суммы четных и нечетных гармоник почти не зависит от небаланса феррозонда, в области магнитного поля, где ср.еднее значение суммы четных гармоник значительно больше среднего значения суммы нечетных гармоник.

Формула изобретения

Устройство для измерения градиента магнитного поля, содержащее разнесенные друг от друга феррозондовые датчики, генератор переменного напряжения, подключенный к входу датчиков, последовательно соединенные усилитель и электроизмерительный прибор, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и упрощения конструкции, к каждому из датчиков подключены дополнительно введенные трансформатор и выпрямитель, включенные последовательно, причем выходы выпрямителей включены между собой встречно-параллельно и к ним подключены усилитель и электроизмерительный прибор.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Афанасьев Ю. В. О возможности построения феррозондового магнитометра, работающего на сумме четких гармоник. «Геофизическое приборостроение, ОКБ, МГ СССР, 1959, вып. 3, с. 113-124.

2.Афанасьев Ю. В. Феррозонды. Л., «Энергия, 1969, с. 109-110 (прототип).

/

Спр -

лр