Градиентометр

 

ГРАДИЕНТОМЕТР по авт.св. № 789949, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности определения координат магнитного диполя , его магнитного момента и параметров магнитного поля, он снабжен дополнительными синхронными детекторами и группами дополнительных магнитометрических преобразователей, размещенных на жесткой немагнитной опоре по два дополнительньк преобразователя в группе, ось одного из дополнительных магнитометрических преобразователей в каждой группе параллельна , а ось другого перпендикулярна той оси пространственной прямоугольной системы координат, с которой совпадают оси основных магнитометрических преобразователей, группы дополнительных магнитометрических преобразователей расположены симметрично относительно упомянутой оси, с которой совпадают оси основных магнитометрических преобразователей, так, что дополнительные магнитометрические преобразователи одной группы симметричны дополнительным магнитометрическим преобразователям другой группы, а плоскость, в которой расположены параллельные оси дополнительных магнитометрических преобразователей любой из двух симметрично расположенных групп, ортогональна по крайней мере одной из плоскостей, в которой расположены параллельные оси дополнительных магнитометрических преобразователей двух других симметрично расположенных групп, выходы (Л каждых двух симметрично расположенных дополнительных магнитометрических преобразователей подключены к первым двум входам одного из дополнительных синхронных детекторов, выходы всех дополнительных синхронных детекторов подключены к вычислительному блоку , а входы коммутации этих детексо ел торов - к источнику переменного тока, выходы которого подключены к входам .дополнительных магнитометрических преобразователей .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3(5в G 01 R 33/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCMOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 789949 (21) 2782184/18-21 (22) 25.06.79 (46) 30.05.84. Бюл. Р 20 (72) Б.М. Смирнов (53) 621.3 17.44(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N 789949. (54)(57) ГРАДИЕНТОМЕТР по авт .св .

Ф 789949, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности определения координат магнитного диполя, его магнитного момента и параметров магнитного поля, он снабжен дополнительными синхронными детекторами и группами дополнительных магнитометрических преобразователей, размещенных на жесткой немагнитной опо" ре по два дополнительных преобразователя в группе, ось одного из дополнительных магнитометрических преобразователей в каждой группе параллельна, а ось другого перпендикулярна той оси пространственной прямоугольной системы координат, с которой совпадают оси основных магнитометрических преобразователей, группы дополнительных магнитометрических преобразователей расположены симмет„„SU„„1095117 A рично относительно упомянутой оси, с которой совпадают оси основных магнитометрических преобразователей, так, что дополнительные магнитометрические преобразователи одной группы симметричны дополнительным магнитометрическим преобразователям другой группы, а плоскость, в которой расположены параллельные оси дополнительных магнитометрических преобразователей любой иэ двух симметрично расположенных групп, ортогональна по крайней мере одной из плоскостей, в которой расположены параллельные оси дополнительных магнитометрических преобразователей двух других симмет- Е рично расположенных групп, выходы каждых двух симметрично расположенных дополнительных магнитометрических преобразователей подключены к первым двум входам одного из дополнительных Я синхронных детекторов, выходы всех дополнительньм синхронных детекторов подключены к вычислительному блоку, а входы коммутации этих детекторов — к источнику переменного тока, выходы которого подключены к входам дополнительных магнитометрических преобразователей.

1095117

Изобретение относится к измерительи параметров магнитного поля, создан- 5 ных этим диполем в точках пространст10

20

25 пространственной прямоугольной систе- 40 мы координат, ось второго параллель45

55 ной технике и может быть использовано для определения координат магнитного диполя, его магнитного момента ва, например, в геофизике для проведения наземных магниторазведочных работ, в навигации для обеспечения безаварийного плавания, в медицине для определения координат инородных металлических предметов в теле человека, для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, в промышленности для автоматизации производственных процессов и т.д.

По основному авт.св. № 789949, известен градиентометр, содержащий жесткую немагнитную опору, основные однокомпонентные магнитометрические преобразователи, синхронные детекторы, источник опорного напряжения, источник переменного тока, регистрирующие приборы дальности, направления, магнитного момента и магнитного поля, поворотную систему, соединенную с жесткой немагнитной опорой,и вычислительный блок, входы которого подключены к выходам синхронных детекторов и источника опорного напряжения, а выходы — к регистрирующим приборам, при этом все основные магнитометрические преобразователи расположены на жесткой немагнитной опоре группами, каждая из которых состоит из трех основных магнитометрических преобразователей, ось одного из которых совпадает с одной из осей на второй оси, и ось третьего параллельна третьей оси этой системы координат. Основные магнитометрические преобразователи каждой группы расположены симметрично основным магнитометрическим преобразователям любой другой группы. Выходы основных магнитометрических преобразователей каждых двух групп, оси которых параллельны или соосны, подключены к первым двум входам синхронных детекторов. Входы коммутации синхронных детекторов подключены к источнику переменного тока, выходы которого подключены к входам основных магнитометрических преобразователей 11.

Недостатком известного градиентометра является низкая точность опре30

35 деления направления на магнитный диполь. Эта точность тем меньше,чем больше расстояние от градиентометра до магнитного диполя.

Цель изобретения — повышение точности определения координат магнитного диполя, его магнитного момента и параметров магнитного поля.

Эта цель достигается тем, что градиентометр, содержащий однокомпонентные магнитометрические преобразователи, расположенные на жесткой не магнитной опоре группами, одни из которых содержат основные магнитометрические преобразователи по три преобразователя в группе, а другие— дополнительные магнитометрические преобразователи по два преобразователя в группе, оси одних основных магнитометрических преобразователей в группах параллельны, а оси других соосны, основные магнитометрические преобразователи каждой группы расположены симметрично магнитометрическим преобразователям любой другой группы, включающей основные преобразователи, .при этом дополнительные магнитометрические преобразователи в каждой группе расположены так, что ось одного из них параллельна, à ocb другого перпендикулярна той оси пространственной прямоугольной системы координат, с которой совпадают оси основных магнитометрических преобразователей, группы дополнительных магнитометрических преобразователей расположены симметрично упомянутой оси, с которой совпадают оси основных магнитометрических преобразователей, основные и дополнительные магнитометрические преобразователи, расположенные группами на жесткой немагнитной опоре с возможностью ее вращения в двух ортовональных плоскостях, снабжен дополнительными синхронными детекторами и группами дополнительных магнитометрических преобразователей, размещенных на жесткой немагнитной опоре по два дополнительных преобразователя в группе, ось одного из,дополнительных магнитометрических преобразователей в каждой группе параллельна, а ось другого перпендикулярна той оси пространственной прямоугольной системы координат, с которой совпадают оси основных магнитометрических преобразователей, группы дополнительных магнитомет95117 4 преобразователей 1, 2, 7 и 8 совпадают с осью OZ,,ïðoñòðàíñòâåííoé пря моугольной системы координат X,Y, °

Z с осями ОХ, ÎY, OZ при этом упомянутая система координат жестко связана с немагнитной опорой 38.

Оси основных преобразователей 5 и 6, 11 и 12 параллельны оси ОХ, а оси преобразователей 3 и 4, 9 и 10 па10 раллельны оси OY . Оси дополнитель,I ных преобразователей 13 и 14, 17 и

18 параллельны, а оси преобразователей 15 и 16, 19 и 20 перпендикулярны оси OZ . Выходы преобразователей 1 и 2 соединены с двумя первыми входами синхронного детектора

21, выходы преобразователей 3 и 4 соединены с двумя первыми входами детектора 22, выходы преобразователей 5 и б соединены с двумя первыми входами детектора 23, выходы преобразователей 7 и 8 соединены с двумя первыми входами детектора 24, выходы преобразователей 9 и 10 соединены с двумя первыми входами детектора 25, выходы преобразователей 11и 12 соединены с двумя первыми входами детектора 26, выходы преобразователей 13 и 14 соединены с двумя пер-. выми входами детектора 27, выходы преобразователей 15 и 16 соединены с двумя первыми входами детектора ,28, выходы преобразователей 17 и 18 соединены с двумя первыми входами детектора 29, выходы преобразователей t9 и 20 соединены с двумя первыми входами детектора 30. Выходы з 10 рических преобразователей расположены симметрично относительно упомянутой оси, с которой совпадают оси основных магнитометрических преобразователей, так, что дополнительные магнитометрические преобразователи одной группы симметричны дополнительным магнитометрическим преобразователям другой группы, а плоскость, в которой расположены параллельные оси дополнительных магнитометрических преобразователей любой из двух симметрично расположенных групп, ортогональна по крайней мере одной из плоскостей, в которой расположены параллельные оси дополнительных магнитометрических преобразователей двух других симметрично расположенных групп, выходы каждых двух симметрично расположенных дополнительных магнитометрических преобразователей подключены к первым двум входам одного из дополнительных синхронных детекторов, .выходы всех дополнительных синхронных детекторов подключены к вычислительному блоку,а входы коммутации этих детекторов — к источнику переменного .,тока, выходы которого подключены к входам дополнительных магнитометрических преобразователей.

На чертеже изображена структурная . схема градиентометра.

Градиентометр содержит основные магнитометрические преобразователи

1 — 12, дополнительные магнитометрические преобразователи 13 — 20, синхронные детекторы 21 — 26, дополнительные синхронные детекторы 27 — 30, источник переменного тока 31, выходы которого подключены к входам преобразователей 1 — 20, источник опорного напряжения 32, регистрирующие приборы дальности 33, направления

34, магнитного момента 35 и магнит- 4

45 ного поля 36, вычислительный блок

37, входы которого подключены к выходам детекторов 21 - 30, а выходык регистрирующим приборам 33 — 36, жесткую немагнитную опору 38, поворотную систему 39, соединенную с опо" рой 38 в точке О, которая является началом пространственной прямоуголь- ной системы координат X Y Z с осями

ОХ, OY, OZ, при этом жесткая немаг55 нитная опора 38 выполнена с возможностью вращения относительно упомянутой системы координат. Оси основных коммутации синхронных детекторов

21 — 30 подключены к источнику переменного тока 31. Все магнитометрические преобразователи расположены на жесткой немагнитной опоре 38 группами.

Одни из групп содержат основные магнитометрические преобразователи по три магнитометрических преобразователя в группе (1,3,5), (2,4,6), (7,9, 11) и (8, 10, 12), другие — дополнительные магнитометрические преобразователи по два преобразователя в группе (13, 15), (14, 16),(17, 19) и (18, 20). На чертеже изображены только четыре группы, содержащие дополнительные магнитометрические преобразователи. Группы, содержащие основные преобразователи (1,3,5), (2,4,6), (7, 9, 11) и (8, 10, 12), измеряют параметры магнитного поля в объемах, ограниченных одинаковыми геомет1095117 рическими фигурами, центры которых .К, Ь, М и N расположены на оси OZ .

Длина каждого из отрезков KL u MN имеет значение равное 3. Расстояние между точками А и Р, расположенными на серединах отрезков KL и MN, имеет значение равное b а расстояние между точками О и P — й. Группы дополнительных. преобразователей (13, 15), (14, 16), (17, 19) и (18,20) расположены симметрично относительно оси OZ так, I что преобразователи 13 и 14, 15 и 16, 17 и 18, 19 и 20 симметрично распо1 ложены относительно оси OZ . Оси преобразователей 15 и 16 расположены в 15 плоскости Y OZ а оси преобразователей l9 и 20 — в плоскости Х OZ

Число групп, содержащих основные магнитометрические преобразователи, в предлагаемом устройстве зависят 20 от того, движется магнитный диполь

40 или нет. Для определения координат движущегося диполя 40, его магнитного момента и магнитной индукции этого диопля необходимы четыре группы/5 содержащие основные магнитометрические преобразователи, а для определения тех же параметров неподвижного диполя 40 достаточны две группы, состоящие из упомянутых преобра- ЗО эователей.

Для определения направления на магнитный диполь 40 достаточно четырех групп (13, 15), (14,16), (17, 19) и (18,20),содержащих дополнительные преобразователи. Однако для обеспечения повышения точности определения направления на магнитный диполь 40 целесообразно применять несколько таких групп. При этом каждая упомяну-4р тая четверка групп дополнительных преобразователей отличается одна от ! другой только расстояниями между симметрично расположенными относительно оси 07 группами дополнитель- .4S ных преобразователей. Чем дальше магнитный диполь 40 удален от градиентометра, тем точнее определить направление на него той четверкой групп дополнительных магнитометрических преобразователей, которая имеет большие расстояния между симметрично расположенными относительно оси OZ

I группами дополнительных магнитометрических преобразователей ° 55

Градиентометр работает следующим образом.

Каждый из магнитометрических преобразователей 1 — 20 реагирует только на проекцию вектора магнитной индукции на свою ось. С выходов каждой пары преобразователей 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12, 13 и

14, 15 и 16, 17 и 18, 19 и 20 поступают сигналы на первые входы синхронных детекторов 21 — 30, пропорциональные разностям проекций векторов магнитных индукций на оси упомянутых преобразователей. В таком случае на первые входы синхронного детектора

21 поступает сигнал, пропорциональный В,, на первые входы сннхрон-! г ного детектора 22 поступает сигнал, пропорциональный дВ <- на первые входы детектора 23 поступает сигнал, пропорциональный Д В,, на первые входы синхронного детектора 24 поступает сигнал, пропорциональный QBZZ на первые входы детектора 25 поступает сигнал, пропорциональный ЛВ2,, на первые входы детектора 26 поступает сигнал, пропорциональный >B r на первые входы детектора 27 поступает сигнал, пропорциональный ДВ«у, на первые входы детектора 28 поступает сигнал, пропорциональный йВ, на первые входы детектора 29 поступает сигнал, пропорциональный Л В„у, р на первые входы детектора 30 поступает сигнал, пропорциональный ЬВХ

Выходные сигналы с синхронных детек,торов 21 — 30 поступают на магнитометрические преобразователи 1 — 20 для обеспечения .отрицательной обратной связи по измеряемым разностям магнитных индукций (не показано). С выходов синхронных детекторов 21

30 сигналы в виде постоянных или медленно изменяющихся напряжений поступают на вычислительный блок 37. С выхода источника опорного напряжения

32 на вход блока 37 поступают сигналы, пропорциональные значениям постоянных коэффициентов. С вычислительного блока 37 сигналы, пропорциональные значениям моцуней l!В х х Ь В, z l и 1Ь В у х ДВ z, поступают на регистрирующйй прибор направления

34. Поворотная система 39 обеспечивает вращение жесткой немагнитной ! опоры 38 относительно точки 0 в двух ортогональных плоскостях XOZ и YOZ пространственной прямоугольной системы координат с осями OX

OY, OZ, осуществляя пои<..к такого

10951

7 направления оси OZ когда значейий

)бв „„, дВ,, дв „дв нимальные, при этом максимальйые ее дВУ Y хдВ, i2 !и дВХ Х х Л В 1 Zi соответствуют наименьшему угловому - 5 перемещению жесткой немагнитной опоры 38 от занимаемого ею положения, когда ось OZ направлена на ди1 поль 40. Отклонение оси OZ, неподвижной относительно опоры 38, от

10 направления на диполь 40, приводит к увеличению значений дВ ухдВ и дВ t x d B>i>i

В вычислительном блоке 37 осуществляется также определение модулей 15 разностей векторов магнитных индукций, созданных диполем 40 между точками К и L, M u N.

При угловом перемещении жесткой немагннтной опоры 38 в вычислитель- _#_ ном блоке 37 осуществляется сравнение значений сигналов дВ 1 и Ь В2 .

Как только дВ, становится равным или превосходит дВ., на регистрирующий прибор направления 34 вместо сигналов 25 (аВ лт,x аВ, ы,! «(dB>

40, двухлепестковую диаграмму направленности системы градиентометр— магнитный диполь, что значительно облегчает определение направления на диполь 40 по сравнению с тем, если бы упомянутые сигналы определенных значений, например равные нулю, не поступали на прибор 34 и диаграмма направленности системы градиентометр — магнитный диполь была бы че- 40 тырехлепестковой.

Регистрирующий прибор направления

34 показывает, кроме dBxr xdB

3 положение оси OZ в пространственной 45 прямоугольной системе координат с осями ОХ, OY, OZ. Для этого с выхода поворотной системы 39 поступают на блок 37 сигналы (не показано), пропорциональные положению опоры 38 (осей ОХ, OY, OZ ) в системе координат с осями ОХ, OY, OZ.

В вычислительном блоке 37 о yale ствляется определение расстояния до диполя 40, При этом за истинное зна- 55 чение расстояния до диполя 40 от точки Р принимается значение г1 т.е. расстояние, когда ось OZ направ17 лена на упомянутый диполь. Вектор магнитного момента Р „ магнитного дипаля

40 можно заменить тремя его составляющими Р„,,, Р и P4„2l, получеиd ными при разложении упомянутого вектора Р по осям ОХ, 0Y OZ . В этом случае, когда oct OZ направлена на диполь 40, на вехтор Р11„2 реагируют из основных иагнитаиетрических пре-, образователей толька преобразователи

2, 7 и 8, на вектор Ф „„ - только ,преобразователи 3, 4, 9 и 10, а на вектор Р „Х вЂ” талька преобразователи

5, 6, 11 и 12. Предполагая вначале наличие только вектора Р,„ », потом вектора Р, а затем вектора Р,,х (по принципу суперпозиции), рассмотрим их действия на основные магнитометрические преобразователи градиентометра.

При наличии только вектора Р. 2 и при условии, что ось OZ направлена на диполь 40, значение расстояния от точки Р до диполя 40 равно с

r ° — *Ъ, 1mlh 1-с *

d53 Z l где с = д „

При наличии только вектора Р,и при условии, что ось OZ направлена на диполь 40, значение расстояния от точки Р до диполя 40 равно

r . = — ° Ь

1l1li A

ДВ2 ( где D

В гу1

При наличии только вектора Р,„Х ! и при условии, что ось ÎZ направлена на диполь 40, значение расстояния от точки P до диполя 40 равно

Е

r ° = — Ь, 1wih 1-К ав х где- Е =

1Х

Из полученных выражений значения г „,,„ видно, что коэффициенты при Ь

ЛВ2хУ равны, т.е. с = D = Е, или

2 У 22

1Х в том случае, когда

1Y 12 ось -направлена на диполь 40. Это условие выполнимо при соблюдении, например, ряда условий." строгой ортагональности осей преобразователей

1 — 12, совмещенном магнитном центре каждой тройки преобразователей

10951

ВНИИПИ

Тираж 711

Заказ 3591/28

Подписное

9 (1,3,5), (2,4,6), (7,9,11) и (8, IO>

12); идентичности чувствительностей преобразователей.

Значение r определяется в вычис141п

5 лительном блоке 37 по значению Ь и по наибольшим из значений йВ 1 и

ЬВ hB и ДВ, ДВ1 иhB2Z . В

2)(1Y случае если значения hB

AB равны, то r . определяется в бло1Х jelly

10 ке 37 по значению Ь и по одной из пар значений ДВ1„i и Д В2 „hB< Y и

ЙВ2., ЬВ1 и ЛВ2 .

Если две разности проекций векторов магнитных индукций на оси ОХ, 1 15

OY mm OZ между точками К и L не равны, то расстояние r„; определяется в блоке 37 по значеййю Ь и по той паре упомянутых разностей магнитных индукций, значения которых мак20 ьны, Сигнал, пропорциональный

r . с выхода блока 37 поступает на

1 ITlj 11 регистрирующий прибор дальности 33.

При этом за истинное значение г,1 принимают такое расстояние от точки

P до диполя 40, при котором показания регистрирующего прибора направления

34 минимальны, а отклонение оси 02 в любом направлении приводит к увеличению каждого из произведений ) ЬВ х х gBY Z t и(аВ, X tx ДВА 2

В вычислительном блоке 37 осуществляется также определение составляющих вектора магнитного момента в ч системе координат Х, Y, Z и составляющих вектора магнитной индукции в ( точке P в системе координат X „ Y „ Z .

С выхода поворотной системы 39 поступают на вход блока 37 сигналы (не показано) пропорциональные поло- . жению опоры 38 (осей OX,OY, OZ ) в системе координат с осями OX„ OY„ и OZ поэтому в блоке 37 осуществляется пересчет составляющих вектора магнитного момента и вектора магнитной индукции, измеренной в точке Р от системы координат с осями ОХ „OY

1 I

OZ к системе координат с осями OXÄ

OY OZ. С блока 37 поступают сигналы, пропорциональные составляющим вектора магнитного момента и составляющим вектора магнитной индукции, на входы регистрирующих приборов магнитного момента 35 и магнитного поля 36 в системе координат с осями OX,OY,OZ, @илиад ППП "Патент", г. ужгоррд, ул. Проектная, 4