Устройство для измерения переменного магнитного поля

 

р 4th сф у сного нова у

Ленинградский ордена Ленина и орд

Знамени государственный универск (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО

МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Изобретение относится к магнитным юме рениям и может быть использовано дпя измерения искусственных и естественных переменных магнитных полей на движущихся носите лях приемно-измерительной аппаратуры: само-. летах, вертолетах, надводных и подводных кораблях и платформах — при геофизическйх съемках и приеме радиосигналов в условиях вибрации первичных преобразователей переменного магнитного поля в постоянном магнитном ноле Земли (МПЗ).

Известно устройство для приема и юмерения переменного магнитноп> поля в условиях вибрации первичного преобразователя в МПЗ, содержащее узлы дпя подавления помехи вибрационного происхождения, в которых две по ловины обмотки преобразователя на гибком сердечнике включены в противоположных направлениях, обеспечивая статистическую компенсацию вибропомех, возникающих в разных направленных частях обмотки (1).

Недостатком данного устройства является нюкая точность.

Известно устройство для юмеренияспере аенного магнитного поля, содержащее соединенные последовательно датчик переменного магнитного поля, полосовой фильтр, усилитель, а также регистратор (2).

5 Недостатком данного устройства является его низкая точность.

Цель юобретения — новышение точности устройства Поставленная цель достигается тем, что в устройство дпя измерения переменного маг нитного поля, содержащее соединенные последовательно датчик переменного магнитного поля полосовой фильтр, усилитель, а также ре-" гистратор, введены синхронный фильтр, преобразователь скорости вибрационных смещений и избирательный усипителЬ, причем выход усилителя через синхронный фильтр подключен к регистратору, управляющий вход синхронного

20 фильтра через избирательный усилитель соединен с выходом преобразователя скоросп виб. рационных смещений, жестко скрепленного с корпусом датчика переменного магнитного поля.

3 1004925 4

На фнг. 1 представлена схема устройства от времени и пропорциональной амплитуды для намерения переменного магнитного поля; измеряемого поля. Если измеряется естественна фнг. 2 — эпюры напряжений на элементах ное переменное магнитное поле, то К (т) устройства. .представляет собой переменное напряжение, Устройство для юмерения переменного а юменявщееся во времени по случайному замагнитного поля состоит ю первичногопре-. кону, определяемому законом изменения во обраэователя — датчика 1 переменного маг-, времени огибающей случайного процесса на нитного поля, подключенного к полосовому частоте спектральной составляющей поля, рав фильтру 2, причем датчик 1 переменного маг-:ной частоте настройки Loo полосового нитного поля является активным элементом о фильтра 2. полосового фильтра 2,, включенного. на вход Й (т) представляет собой случайную усилителя 3. Выход усйпителя 3 соединен с величину, пропорциональную мгновенному входом синхронного фильтра 4, прерназначен. значению огибающей кваэигармонического ного дпя подачи фнльтруемого сигнала, а к процесса, описывающего закон изменения его днфференцирующему выходу подключены 1 во времени скорости вибрационного смещения .регистратор 5 и 3вдикатор 6. Преобразователь вибропреобразователя, а следовательно и жест7 скорости внбрационных смещений, механичес - ко скрепленного с ним датчика 1 переменно. ки жестко скрепленный е датчиком 1 пере- го магнитного поля, на частоте юбирательного менного магнитного поля, подключен на вход усилителя 8, как и частота полосового фильтнэбнрательного усилителя 8, частота и полоса ра 2, равной частоте юмеряемого поля (мо. пропускания которого всегда равны частоте В сину того, что закон изменения во времени и полосе.пропускания полосового фильтра 2, И2(т) определяется только вибрацией носителя

Избирательный усилитель 8 подключен к ком. и свойствами подвески датчика (переменного мутатору синхронного фильтра 4. Блок 9, магнитного поля, укаэанные в формуле 1) перестройки частоты подключен к полосовому эч составляющие процесса Й (t)=E(t)c6s(ulpt+Ч9 фильтру 2 и юбирательному усилителю 8. некогерентны и не совпадают по фазе, при этом проУстройство, работает следующим образом. цесс ф(Ц=Е2(ф cps(uip4+V). :представляет

Напряжение с датчика 1 переменного собою вибрационную помеху на частоте а0о, а магнитного поля, пройдя лолосовой фильтр 2, процесс 4(4)--f. (4)casus 4 полезный сщ » о, настРоенный на частотУ Cup, и Усилитель 3, 3О нал, хаРактеРизУющий юмеРЯемое пеРеменное представляет собой квазигармоиический про- магнитное поле на частоте ьоо, причем частотцесс в виде суммы ные полосы этих процесСов одинаковы в силу

g(g)p (gf $ Q) f 1 0 бд>ваковы» лопос пропуекзняя фииьтра 2 н . избирательного усилителя 8. Эпвры напряжений y(<}Co (@<+<) (1} полезного сигнала, помехи и суммарного про где ф (т) cos щ т — юпряженн нав щен цйса приведены иа фиг. 2 (а, 6, в) .

Напряжение с преобразователя 7 скорости вибрацнонных смещений после усиления юбирамагнитным нолем, пропорциональное его ам лигу eatastM усилителем 8 представляет собою ква ли мгнове,,н, . эигармонический случайный процесс, характеривремени дорости тко свя „ное с по амбр дион щей д 1 п ременного фазе; магнитного поля, и может быть представлен

Е2(т) cosset +Ч -напряжение, наведенное за счет вЫрации gpeo5. разователя поля в МПЗ 4(4)=13(t)con(up+4+9), (2) . на частоте во и имеющее относительно юмеряемого ще В (t) — случайная .величина, пропорциополя случайную фазу g; нальная мгновенному значению огибающей скоMlo — частота настройки поло- рости вибрационного.смещения иа частоте Uq. сового фильтра 2 а ю- При этом вследствие того что напряжение . бивательного усилителя 8; вибрационной помехи g (t) в соответствии с

9 — результирующая фаза законом индукции связано по фазе со скороспроцесса относительно тью изменения магнитного потока через сечение, фазы измеряемого поля. охватываемое витками первичного преобраэовате.

В случае, когда измеряемое поле создает- ля поля, а следовательно, и со скоростью его ся искусственным источником, работающим в смещений в МПЗ,.: то процессы g (t) и т (t) периодическом режиме с частотой повторения синхронны (с точностью до постоянных сдви LOg, Е (t) постоянная величина, не зависящая гов фазы в преобразователях поля и вибрации

5, 1004925 6 которые могут быть скомпенсированы при на- -рующем выходе произойдет его существенное стройке устройства и в дальнейшем изложении подавление. Таким образом, на днфференцине рассматриваются). Эпюра процесса f(t), . Рующем выходе синхронного фильтра 4 прояприведена на фиг. 2 (г). вится полезный сигнал h(t) = К h(t), а

Таким образом, одна из составляющих 3 на интегрирующем — асинхронная помеха процесса 8(t), а именно h (t), является жест- . g(t) = К „с д(т), вызванная вибрацией преко связанной по фазе и интенсивности со образователя переменного магнитного поля спектральной составляющей измеряемого пере- в постоянном МПЗ в рабочей полосе нзмеременного магнитного поля с центральной часто- .ннй дж(эпюры фиг. 2 r, д). На фиг. 2 r u той tAJorr полосой, соответствующей полосе 10 2 д наличие высокочастотной составляющей, пропускания полосового фильтра g uJ, а вто- наложенной на процессы, характеризутщие рая — g (t) жестко связанной по фазе ео полезный сигнал и помеху, отражает процесс скоростью вибрационного смещения преобразова- работы коммутатора синхронного фильтра, . теля поля в МПЗ f (t), являющегося причиной . которая может быть сглажена обычным филь возникновениявибрациониойпомехиивыделеи- 13:ром низкой частоты и не имеет существенного ной в устройстве на частоте tvÎ в той же . влияния на точность измерений, так как ее полосе дса Следовательно, если подать про- /,частота существенно выше частоты измеряецесс 8(т) на вход синхронного фильтра 4, jaroro полл. Следовательно, подавая процесс предназначенный для фильтруемого сигнала,- h(t) с дифференцнрующего выхода синхрона процесс f(t) -- на вход, предназначенный з0 ного фильтра 4 на регистратор S í индикасигнала, управляющего его коммутацион- - тор 6, можно нойучить н» них процесс, лиЖМ н gecõåìoé то он начнет поочередно, цикли- пенно связанныи с измеряемым в полосе

ДШ ее переменным магнитным полем частоты и)0 .. чески, с периодомТО - — нередавать процесс При ззом коэффициент линейной связи онреце2я

О цу

33 ляется при калибровке устройства. При неS(t), на конденсатоРы фильтРа емкостью С . 06xor о оц н и характера и ин енснвноскаждый, составлиющие его интегратор где про- ти вибрации преобразователя поля в увиси ходит накопление мгновенных значений . мо от типа движущегося носителя мепроцесса 8(т), синфазных процессу Ф (t). т.е. Рительной аппаратуры и режима его движе-- значений его составляющей 9(т), - В то же . ния на вход регистратора 5 и, н икатр 6

30 времн значениЯ составллющей п(т) процесса может бьг,ь подан процесс y(t) - с интегри8(т) на интегРатоРе фильтРа не накапливают- р г ф 4. Р сЯ, а выделлютсЯ в его дифференцирующей индикация могут вестись либо в оговой цепи, представлнющей вкпюченное последова- либо в цифровой ф р е тельно с интегР»тоРом активное сопротивле- опократного мли многократного (например, .ние R. В соответствии с теорией синхронного 33 п и подаче на магнитный носитель информ»щи) фильтра выбором величины воспроюведения для многоцелевого ан»лиза ь- M-, QC, и ля. о где и t — время подключения процесса 8 (t) Как следует из принципа синхронного к каждому нэ конденсаторов интегратора 40 фильтра, разделение исследуемого процесса в течение одного цйкла коммутации То, так, на синхронную и асинхронную относительно чтобы удовлетворялась соощотпение процесса, управляющего коммутатором фильтЬ ((1 (3) ра, саставляю.цие реализуется при условии, можно добиться, чта коэффициент передачи что зги процессы являются периодическими фильтра для составляющей процесса 8 (t), 4> и в рассматриваемом случае квазигармоничес синхронной с процессом f(t), т. e. g(t), кими, т. е. на выходе интегратора 4 и фильтра — К.

1С О (4) близок к единице, и на этом выходе про- Условие (4) соответствует случаю приема цесе g(t) практически повторяется с извест- . и измерения переменного магнитного поля исным фазовым сдвигам Ч„,а на выходе диф- кусственного источника, юлучающего поле .ференцирующей цепи фильтра — близок к,на.частоте ю (например, при геофизической нулю, т. е. процесс g(t) здесь будет rronas- электроразведке, связанном ралиоприеме)., лен. Для составляющей процесса 8(t), асин- ипи юмерению спектральной составляющей хронной с процессом т (t) т. е. h(t), наобо- . естественного электромагнитного поля иа часрот, коэффициент передачи фильтра на вы- тоте йЭ0 в целях геоэлектроразведки, а. также

° 4 И ходе дифференцирующей цепи К 1 по ма- юучения естественных помех радиоприему и дулю блюок к единице, и процесс h(t) на их источников на частоте передатчика. м» .В ием практически воспроизводится с известным этих случаях результаты юмерения поля сво. фазовым сдвигаем 9g, тогда как на интегри- дятся либо к получению данных о детермини7. . 1004 рованных пространственно-временных вариациях амплитуды и фазы поля (относительно фазы искусственного источника) либо данных .о статистике огибающей квазигармонического процесса на частоте при относительно неболь. шой ширине полосы (при измерениях поля естественных источников).

При решении многих научных и практических задач методами измерений переменного магнитного поля в движении, естественное магнитное поле необходимо изучать в более широком диапазоне частот, т. е. удовлетворяя условиям (upi-(OH) yp hu

С )

Ю 4И Ь>8, 925 8 может быть получен его последовательный спектр (например, при применении в регистраторе или индикаторе квадратичного детектора). Таким образом, предлагаемое..устройст3 во при наличии периодически перестраивае.мых контуров, формирующих частотную полосу ймФ в цепях преобразователя поля и вибропреобразователя, синхронного фильтра, регистратора и индикатора представляют собою анализатор спектра измеряемого переменного магнитного поля, выделенный в прототипе в отдельный элемент устройства. Однако он отличается от. последнего повышенной точностью анализа спектра поля в заданном диапазоне

>:частот за счет подавления помехи не только эа его пределами, но и непосредственно на частотах измеряемого поля.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства заключается в повы26 шенин точности измерений переменного магнитного поля, за счет подавления помехи, вызванной вибрацией первичного преобразователя переменного магнитного поля в постоянном, магнитном поле Земли, независимо от частоты эя измеряемого поля и частотного диапазона из, мерений.

30 .

Устройство для измерения переменного. магнитного поля, содержащее соединенные последовательно датчик переменного магнитного поля, полосовой фильтр, усилитель, а также регистратор, о т л и ч а ю щ е е с я, тем, что, с целью повышения точности, в него введены синхронный фильтр, преобразователь скорости вибрационных смещений и " избирательный усилитель, причем выход усилителя через синхронный фильтр подключен ,к регистратору, управляющий вход синхронного фильтра через избирательный усилитель соединен с выходом преобразователя скорости вибрационных смещений, жестко скрепленного с корпусом датчика переменного магнитного поля.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США У 3913107, кл.6 01 R 33/02, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР Н 452794 кл. G 01 R 33/02, 1975. где О3 и и)м — .соответственно верхняя и нижняя граничные частоты задайного диана зона. Это требование может быть удовлетворено, если частота настройки полосового ,фильтра 2 И избирательного усилителя 8, равная Mg, изменяется, в пределах заданного частотного диапазона, давая возможносты дискретно или непрерывно с заданной детальностью измерять и проводить в нем последовательный анализ гармонических составляющих поля. С этой целью в предлагаемом устройстве может быть применен блок 9 перестройки частоты. Перестройка частоты может осуществляться путем механического ° переключения величины емкости конденсаторов в резонансных контурах фильтра 2 И избирательного усилителя 8, либо применением в этих цепях электрически управляемых конденсаторов (варикапов или варикоидов). В случае непрерывного циклического иэмененйя частоты период. перестройки частоты в пределах диапазона uJ — oJR Т должен удовлет. ворять условию т»RC . (6): где и -.- сОпротивление дифферснцирующей цепи;

С емкость каждого из конденсаторов в инте1рирующей цепи синхрон ного фильтра 4.

В обоих вариантах переключения частоты на регистраторе 5 поспедовательио регистри- руются, )а на индикаторе б йндицируются средние величины огибающей спектральных составлякицих переменного магнитного поля в диапазоне частот avR — М)Э, по которым, Формула изобретeния

1004925

1004925

Составитель Т. Краснова

Техред Л.Пекарь

Корректор Г. Огар

Редактор Н. Воловик

Заказ 1877/58 Тираж 708

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент". г. Ужгород, ул. Проектная, 4