(54) ГРАДИЕНТОМЕТР
1
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения местоположения и «агнитного момента магнитного диполя.
Известно устройство, содержащее жесткое немагнитное основание, два квантовых магниточувствительных преобразователя, разнесенных в пространстве и установленных на жестком немагнитном основании, электронный блок, входы которого подключены к выходам упомянутых преобразователей, а выход - к регистрирующему прибору riJНедостатком известного устройства является то, что при наличии геомагнитного поля и его вариаций им невозможно определить магнитное поле магнитного диполя, местоположение этого диполя и его магнитный момент, так как выходной сигнал с электронного блока пропорционален не разнЬсти магнитных полей созданных только магнитным диполем в месте измерения, а разности модулей сумм векторов геомагнитного поля к полей магнитного диполя в двух точках пространства, т.е.
Л8«/В в9
где ЬВ - разность модулей векторов индукций магнитных полей в двух точках пространства; В - вектор индукции геомагнитного поля г 8 и §а -
5 векторы магнитных индукций магнитного диполя в двух точках пространства.
Наиболее близким к предлагаемому яйляется устройство, которое содержит жесткую немагнитную опору, два
10 основных однокомпонентных магниточувствительных преобразователя, расположенных на этой опоре, оси которых совпадают с одной из осей прямоугольной пространственной системы координат, неподвижной относи.тельно жесткой немагни.тной опоры, основной синхронный детектор, источник переменного тока, выходы которого подключены к входу коммутации
20 синхронного детектора и входам магниточувствительных преобразователей, три параллельных LC - контура, включенные между выходами источника переменного тока и входами магнито25 чувствительных преобразователей. Входы основного синхронного детектора подключены к выходам магниточувствительных преобразователей. В известном устройстве магниточувстви30 тельные преобразователи снабжены
двумя сердечниками с последовательно соединенными обмотками компенсации и последовательно соединенными обмотками возбуждения, при этом обмотки возбуждения зашунтированы двумя последовательно соединенными практически равными резисторами, а между общими контактами последоваTej bHO соединенных резисторов и обмоток возбуждения включена первичная обмотка трансформатора магнитного поля. Концы последовательно соединенных обмоток возбуждения являются входами и выходами магниточувствительных преобразователей 2 Недостатком предлагаемого устройстве является то, что оно не обеспечивает высокой точности определения магнитного поля магнитного диполя, местоположения магнитного диполя и его магнитного момента.
Цель изобретения - повышение точности определения магнитного поля магнитного диполя, его местоположеНИН и магнитного момента.
Указанная цель достигается тем, что градиентометр, содержащий жесткую немагнитную опору, два основных однокомпонентных магниточувотвительных преобразователя, расположенных на этой опоре, оси которых совпадают с одной из осей прямоугольной пространственной системы координат, неподвижной относительно жесткой немагнитной опоры, основной синхронный детектор, регистрирующие прибор и источник переменного тока, снабже дополнительными однокомпонентными магниточуветвительными преобразователями , дополнительными синхронными детекторами, источником опорного напряжения, поворотной системой, соединенной с жёсткой немагнитной опорой, и вычислительным блоком, входы которого подключены к выхода синхронных детекторов и источника опорного напряжения,.а выходы--.к входам регистрирующих приборов, при этом все магниточувствительные преобразователи расположены на жесткой немагнитной опоре группами, каждая из которых состоит из трех магниточувствительных преобразователей,ось одного из которых совпадает с одной из осей упомянутой системы координат, ось второго параллельна второй ее оси, а ось третьего параллельна третьей ее оси, магниточувствительные преобразователи каждой группы расположены симметрично магниточувствительным преобразователям любой другой группы, выходы преобразователей каждых двух групп, оси которых параллельны или соосны подключены к первым двум входам синхронных детекторов, а выходы коммутаций дополнительных синхронных детекторо Лодключены к источнику переменного тока, выходы которого подключены к
входам дополнительных преобразова.телей .
На чертеже изображена структурна схема градиентометра.
Градиентометр содержит основные магниточувствительные преобразователи 1 и 2, дополнительные магниточувствительные преобразователи 3-12 основной синхронный детектор 13 и дополнительные синхронные детекторы 14-18, источник 19 переменного тока выходы которого подключены к входам преобразователей 1-12, источник
20опорного напряжения, регистрирующие приборы дальности 21, направления 22, магнитного момента 23 и магнитного поля 24, вычислительный блок 25, входы которого подключены
к выходам детекторов 13-18, а выходы - к регисторирующим приборам
21- 24, жесткую немагнитную опору 26, поворотную систему 27, соединенную с опорой 26 в точке О, которая является началом прямоугольной пространственной системы J oopдинaт X, у, Z с осями Ох, (Ту, Ог при этом упомянутая система координат неподвижна относительно жесткой немагнитной опоры 26. Оси основных преобразователей 1 и 2 и дополнителных преобразователей 7 и 8 совпадаю с осью Ог прямоугольной пространственной сисгемы координат х , у г
с осями Ох, Оу , Ог , при этом упомянутая система координат неподвижна относительно жесткой немагнитной опоры 26. Оси дополнительных преобразователе й 5 и 6, 11 и 12 параллельны оси Ох , а оси преобразовател ей 3 и 4, 9 и 10 параллельны оси Оу. Все магниточувствительные преобразователи расположены на жесткой немагнитной опоре 26 группами. Все группы магниточувствительных преобразователей (1,3,5), (2,4,6), (7,9,11) и (8,10,12). измеряет магнитное поле в объемах, ограниченных одинаковыми геометрическими фигурами, центры которых К, L, М, N расположены на оси Oz. Длина каждого из отрезков KL и MN имеет значение равное 1. Расстояние между точками Л и Р, расположенными на серединах отрезков KL и MN имеет значение равно Ь, а расстояние между точкой О и Р d. Минимальное расстояние между магнитным диполем 28 и точкой Р равно значению
,(d4e),
где
гтж
Число групп магниточувствительных преобразователей в предлагаемом устройстве зависит от того, движется ли диполь 28 или нет.- Для определения местоположения движущегося магнитного диполя 28, его магнитного момента и магнитного поля этого диполя необходимо четыре группы магни точувствительных преобразователей, а для определения тех же параметров неподвижного диполя 28 достаточно две группы упомянутых преобразователей.
Градиентометр работает следующим образом.
Каждый из магниточувствительных преобразователей реагирует только на проекцию вектора магнитной индукции на CBOFO ось. С выходов каждой пары преобразователей 1 и 2, 3 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12 поступают сигналы на первые входы синхронных детекторов 13 - 18, пропорциональные разностям проекций векторов индукций магнитных полей
лв...
на оси упомянутых преобразователей. В таком случае на первые входы синхронного детектора 13 поступает сигнал пропорциональный &8| , на первые входы синхронного детектора 14 поступает сигнал пропорциональный , на первые входы синхронного детектора 15 поступает сигнал пропорциональный . на первые входы синхронного детектора 16 поступает сигнал пропорциональный на первые входы синхронного детектора 17 поступает сигнал пропорциональный и на первые входы синхронного детектора 18 поступает сигнал пропорциональный В2х С выхода источника опорного напряжения 20 подаются постоянные сигналы, на вход блока 25. В вычислительном блоке 25 осуществляется определение модуля разности вектор ров индукции магнитного поля магнитного диполя 28 между точками К и L по формуле
/
ДВ
Значения ДВ с блока 25 подаются на регистрирующий прибор направления 22. Показания прибора 22 пропор циональны ДВ. Поворотная система . 27 обеспечивает вращение жесткой немагнитной опоры 26 относительно точки О в двух ортогональных плос.костях xOz и yOz прямоугольной про,странственной системы координат с осями Oz, Оу, Oz, осуществляя при этом поиск такогр направления оси Oz, когда значение ДВ будет .наибольшим. В этом случае направление на магнитный диполь 28 совпадает с направлением оси Oz , так как
%i.-(
)He/d
Если расстояние от магнитного диполя 28 до точки Р выбрать из соотношения
;«i..
е ТО максимальное значение модуля градиента магнитного диполя 28 в точке Р будет в том случае, когда ось Oz проходит через упомянутый диполь,
На практике градиент магнитного поля определяют путем деления разoности измеренных магнитных полей в двух точках пространства К и L на расстояние t между ними. Выбор значения 1 определяется порогом чувствительности преобразователей требуеS мым порогом чувствительности градиентометра, степенью неоднородности вариаций магнитного-поля, обусловленных, например, промышленными помехами и т.д. Поэтому в градиентометре для повышения точности определения направления на магнитный диполь 28 выбирают минимальное расстояние от упомянутого диполя до точки Р из соотношения
-Ш.)25
При этом точка К удалена от диполя 28 на расстоянии
..d .
30
fm/M
в устройстве оси преобразователей 1 и 2, 7 и 8 (ось 6z ) совпадают с направлением градиента диполя 28 в точке Р лишь в тех случаях, когда н аправление магнитного момента Диполя 28 совпадает, противоположно или ортогонально оси Oz.
Как уже было замечено ранее, угол между направлением оси Oz на диполь 28 не превышает 14 , поэтому при
. .т/Т{о(+ - i максимальное М
чение АВ будет также в том случае, когда ось Oz направлена на магнитный диполь 28.
Сигнал, пропорциональный выхода блока 25 поступает на регистрирующий прибор направления 22. Мак.симальное значение дВ| на выходе прибора 22 является индикатором того, что оси преобразователей 1 и 2, 7 и 8
(ocbOz) направлены на диполь 28. Регистрирукяций прибор направления 22 показывает также угловое положение оси в прямоугольной пространственной системе координат с осями О™ , Оу и oz. Для этого с выхода поворотной системы 27 поступают на
блок 25 сигналы (на чертеже не показано) пропорциональнее положению опоры 26 (осей , Оуи бх) , в систем координат с осями Ох , Оу и
. В вычислительном блоке 25 осуществляется определение расстояния до магнитного диполя 28. При этом за истинное значение расстояния до диполя 28 от точки Р принимается значение , т.е. такое расстояние, когда ось Ozнаправлена на. упомянутый диполь. Значение определяется в вычислительном блоке 25 по значению b и по наибольшей величине одного из значений MB,,./,,/й8,,/ В случае, если значения /дВ,,/,./,/АВ,/ равны, то ,;, определяется в блок 25 по одному из значений М8 //1/л8 у;А/дб,/ и значению Ь. Если две разности проекций вектор5)В индукций иагнитных полей на оси Ох 0,или Ozмежду точками К и L равны, то расстоя 1ие г,(ц„-„ определяется в блоке 25 по одной из упомянутых разностей, которые равны, и по значению Ь. Сигнал, пропорциональный г,;, , с выхода блока 25 поступает на регистрирующий прибор дальности 21. При этом за истинное значение принимают такое расстояние от точки Р до дипо ля 28, при котором показание регистрирующего прибора направления 22 будет максимальньлм. После нахождения Г1|,щ в вычисли тельном блоке 25 осуществляется определение модулей проекций ве5.Tjopa магнитного момента на оси Ох, о у и 01. Так как с выхода поворотной сие темы 27 поступают на вход блока 25 сигналы (на чертеже не показано) пр порциональные полох ению опрры 26 ( осей dx , Оуи Oz) в системе коор динат с осями Ох, О у и Oz то в. блоке 25 осуществляется перехрд темы координат с осями , Oyji системе координат с осями б, оу и Oz. С блока 25 на вход регистр рующего прибора магнитного момента 23 поступают сигналы, пропорциональ ные модулю магнитного момента дипол 28 и значения углов направляющих ко синусов магнитного момента Рт в сис теме координат с осями Ох, Су и Oz В вычислительном блоке 25 осуще вляетсятакже определение магнитно поля диполя .28, например, в точке После определения Tfttiin и магнитно момента в вычислительном блоке 25 осуществляется нахождение модулей проекций вектора индукции магнитно поля Вр на остц Ох , (Туи Oz, а з тем координат вектора Вр в прямоугольной пространственной системе координат с осями Ох , оуи Oz. Так как с выхода поворотной системы 27 поступают на вход блока 25 сигналы (на чертеже не показано) пропорц иональные положению опоры 26 (осей Ох , в системе координат, с осями Ох, оу и , то в блоке 25 осуществляется переход от системы координат с осями О х , Оуи Oz к системе координат с осями Ох, оу и 0. С блока 25 на вход регистрирующего прибора магнитного поля 24 поступают сигналы, пропорциональные модулю вектора индукции магнитного поля /Вр/ в точке Р и значения углов направляющих косинусов вектора Вр в сист;еме к о рдинат х ,уи z с осями Ох , О у и о1. Для определения местоположения неподвижного диполя, его магнитного момента и магнитного поля зтого диполя достаточно двух магниточувствительных преобразователей, например, группы 1,3,5 и 2,4,6. В этом случае направление на диполь определяют аналогично, как и для четырех групп преобразователей. Определив направление на диполь, измеряют и запоминают разности магнитных полей , . между преобразователями 1и2,3и4, 5и6. Системой 27 осуществляют поворот опоры26 относительно точки О на 180 и вновь измеряют разности магнитных полей 2X. упомянутыми преобразователями, а затем определяют местоположение диполя, его магнитный момент и магнитное поле этого диполя, например в точке Р. Формула изобретения Градиентометр, содержащий жесткую немагнитную опору, два основных однокомпонентных магниточувствительных преобразователя, расположенных на этой опоре, оси которых совпадают с одной из осей прямоугольной пространственной системы координат, неподвижной относительно жесткой немагнитной опоры синхронный детектор, регистрирующие приборы и источник переменного тока, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения -магнитного поля магнитного диполя, его местоположения и магнитного момента, он снабжен дополнительными однокомпонентными магниточувствительньпли преобразователями , дополнительнь1ми синхронными детекторами, источником опорного напряжения, поворотной системой, соединенной сжесткой немаг-. нитной опорой, и вычислительным блоком, входы которого подключены Тс выходам синхронных детекторюв и источника опорного напряжения, а выходы - к входам регистрирукяцих приборов, при этом все магниточувствительные преобразователи расположены на жесткой немагнитной опоре группами, каждая из которых состоит из трех магниточувствитёльных преобразователей, ось одного из которых совпадает с одной из осей упомянутой системы координат, ось второго параллельна второй ее оси, а ось третьего параллельна третьей ее оси магниточувствительные преобраз эватели каждой .группы -расположеньГ симметрично магниточувствительным преобразователям любой другой группы, выходы преобразователей каждых
двух групп,оси которых параллельны или соосны подключены к первым двум входам синхронных детекторов, а выходы коммутаций дополнительных синхронных детекторов подключены к источнику переменного тока, выходы которого подключены к входам дополнительных преобразователей.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
0
1.Афанасьев Ю. В. и др. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. Л., Энергия, 1972, с, 227-228,
2,Патент США № 3286169, 324-433,
5 1973.
