Способ минимизации погрешностей в переносном дифференциальном магнитометре

Использование: в области измерения приращения магнитной индукции с помощью компонентных преобразователей, укрепленных на подвижной штанге. Технический результат заключается в измерении слабых приращений индукции в движении и переменных низкочастотных приращений на фоне поля Земли. С помощью 4-х поворотов штанги относительно поля Земли измеряют 9 элементов матрицы неидентичности измерительного и компенсационного каналов, с помощью которых устраняют влияние неидентичности каналов на результаты измерения приращений индукции, а также устраняют уходы нулей измерительного канала. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области измерения приращения индукции магнитного поля с помощью компонентных преобразователей, укрепленных на подвижной штанге.

Эта область измерения освоена в меньшей степени, чем измерение самой индукции и, как следствие, в ней еще не установилась правильная терминология. Часто в литературе вместо естественного термина измерение компоненты “приращения магнитной индукции” используется термин “градиент магнитной индукции”, что представляется неправильным, так как градиент магнитной индукции - это совокупность девяти пространственных производных индукции, из которых, как правило, 5 независимы. Соответственно, часто переносной дифференциальный магнитометр в литературе именуют градиентометром, продольным градиентометром, поперечным градиентометром, тогда как градиентометр должен быть пятикомпонентным прибором. Ниже наряду с правильной терминологией “приращение магнитной индукции, дифференциальный магнитометр...” используются термины градиент и градиентометр в связи с их распространенностью в отечественной и зарубежной литературе.

В монографии [Ю.В.Афанасьев. Феррозонды. Энергия, 1969 г., стр.152-153] отмечается изобретение [Ю.В.Афанасьев и Ю.В.Алексеев. Устройство для измерения градиента магнитного поля. А.С. №160596, опубликовано 31.1.1964, Бюллетень №4] и аналог этого изобретения [Э.Д.Гриньков и др. Компенсация погрешностей феррозондового градиентометра. Геофизическая аппаратура, вып.26, Недра, 1965 г., стр.29-32], как направленные на решение “основной проблемы, с которой приходится сталкиваться при проектировании градиентометров” - проблемы соосности магнитных осей феррозондов. С упомянутым изобретением связывались большие надежды и ссылки на это изобретение и его аналог продолжались и позже [Ю.В.Афанасьев и др. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. Энергия, 1972 г., стр.223].

Монография [Ю.В.Афанасьев, 1969 г., стр.156] завершается следующим абзацем:

"Нет сомнений в том, феррозондовые приборы будут использованы и при изучении лунной поверхности... достаточно простые феррозондовые градиентометры с чувствительной системой, выполняемой в виде тонкой трости-щупа, могут быть с успехом использованы космонавтами, впервые вступающими на поверхность Луны.”.

Через 17 лет в другой монографии того же автора [Ю.В.Афанасьев. Феррозондовые приборы. Л., Энергоатомиздат, 1986, стр.140] анализируются причины, почему переносные градиентометры так и не были разработаны и вновь указывается на трудности обеспечения высокой степени параллельности магнитных осей феррозондов, установленных на штанге, как на главную проблему, препятствующую разработке и использованию градиентометров в земных условиях. Это свидетельствует о том, что упомянутое изобретение и его аналог не оправдали надежд в решении проблемы соосности феррозондов на штанге. Впрочем со временем это стал признавать и сам автор: “Минимизация погрешностей от непараллельности осей феррозондов частично*⁾ достигается за счет автоматического ввода поправок от третьего феррозонда, установленного в плоскости угла непараллельности перпендикулярно первым двум феррозондам [10]**⁾ Однако такой способ не является надежным и требует периодических регулировок*⁾. Более надежным представляется способ “окраски” ложного сигнала за счет вращения чувствительной системы градиентометра вокруг базовой оси либо осуществление компенсации не только продольной, но и поперечных компонент магнитного поля Земли в объеме системы.” [Ю.В.Афанасьев и др. Средства измерений параметров магнитного поля. Энергия, 1979 г., стр.228].

*) Курсив авторов заявки.

**) Ссылка на описание изобретения в работе [Ю.В.Афанасьев, 1969 г.].

В чем заключается способ “окраски” и как осуществляется компенсация поперечных компонент автор не разъясняет.

Далее Ю.В.Афанасьев [1986, стр.140] в разделе "Магнитные градиентометры" упоминает “приемы минимизации погрешностей от непараллельности осей”, связанные с “поворотами штанги на 180° вокруг продольной оси и вокруг ее центра”, называет эти приемы “наиболее эффективными”, но не рекомендует их к применению, по крайней мере, в подвижном градиентометре. Т.е. фактически он предлагает использовать переносной градиентометр в стационарном режиме. Опять автор не разъясняет в чем заключаются сами приемы минимизации, а отсылает читателя к своей более ранней монографии [Ю.В.Афанасьев и др., 1972 г.].

Совокупность этих приемов образует известный способ минимизации погрешностей в переносном дифференциальном магнитометре, который принят в качестве ближайшего аналога заявляемому способу.

Известный способ [Ю.В.Афанасьев, 1986 г., стр.140 и 1972 г., стр.224-225] включает ориентацию штанги двухкомпонентного градиентометра продольной осью точно вдоль базовой горизонтальной оси и последовательные повороты штанги: поворот вокруг базовой вертикальной оси точно на 180° поворот вокруг базовой горизонтальной оси точно на 180° и поворот вокруг базовой вертикальной оси точно на 180°, при этом после первичной ориентации и каждого поворота измеряют две компоненты приращения магнитной индукции, а результирующие приращения определяют как средние от результатов измерения при исходной ориентации и трех поворотах.

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, является необходимость точной привязки осей штанги к неподвижной системе базовых осей, исключающей возможность использования способа при движении штанги, либо при измерении переменных приращений магнитной индукции.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является минимизация группы аддитивных погрешностей в переносном дифференциальном магнитометре за счет компенсации погрешностей от неидентичности измерительного и компенсационного каналов градиентометра, включая погрешности от непараллельности магнитных осей одноименных преобразователей, а также за счет компенсации погрешностей от уходов нулей измерительного канала.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в снижении порога чувствительности дифференциального магнитометра и в обеспечении возможности измерения слабых приращений магнитной индукции в движении штанги на фоне магнитного поля Земли, а также измерения слабых переменных низкочастотных приращений.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом способе минимизации порога чувствительности в переносном дифференциальном магнитометре, включающем повороты штанги на 180° вокруг ее оси и центра с последующей регистрацией соответствующих результатов измерения приращений, в отличие от известного способа, в условиях однородного магнитного поля, например поля Земли, В, измеряют в системе координат штанги три компоненты приращения и дополнительно три компоненты поля, штангу трижды ориентируют осями по полю и один раз против поля, например осью 1, так, чтобы обратить две компоненты поля в нуль:

и соответственно измеряют приращения:

, , и

по которым находят все компоненты уходов нулей В₀ и матрицу неидентичности каналов дифференциального магнитометра в системе координат штанги θ по формулам:

а в последующие результаты измерения приращений непрерывно вводят коррекцию по формуле:

ΔB’-θ·B’-B₀,

где ΔВ’ - последующие некорректированные результаты измерения приращения индукции магнитного поля;

В’ - последующие результаты измерения индукции магнитного поля.

На фиг.1 изображена штанга схематически с системой координат наблюдения и с осями трехкомпонентных преобразователей.

На фиг.2 изображена одна компонента функциональной схемы реализации заявляемого способа минимизации погрешностей в переносном дифференциальном магнитометре.

Штанга имеет оси 1, 2, 3, образующие систему координат штаги или систему координат наблюдения, эти оси также являются осями измерительного преобразователя в точке А и осями компенсационного преобразователя в точке В.

Функциональная схема включает измерительный преобразователь 4 компоненты 1 (оси 1) в точке А и компенсационный преобразователь 5 компоненты 1 в точке В, выход преобразователя 4 связан со входом измерительного канала 6, а выход преобразователя 5 со входом компенсационного канала 7. Измерительный канал 5 охвачен отрицательной обратной связью через сопротивление 8 по цепи 9 к преобразователю 4, а компенсационный канал через сопротивление 10 по цепи 11 к входу преобразователя 5 и ко второму входу преобразователя 4. На выходе канала 7 установлен прибор 12 для измерения компоненты 1 магнитной индукции в точке В, а на выходе канала 6 прибор 13 для измерения компоненты приращения магнитной индукции между точками штанги А и В. Выходы каналов также связаны с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя 14, выход которого подключен к компьютеру 15.

Заявляемый способ минимизации погрешностей переносного дифференциального магнитометра осуществляется следующим способом.

В условиях отсутствия неоднородных магнитных помех ориентируют штангу вдоль однородного магнитного поля, например поля Земли, В, так чтобы показания приборов в компенсационных каналах компонент 2 и 3 (аналогичных прибору 12 для компоненты 1) были бы равны нулю, т.е. В этом положении штанги измеряют прибором 13 измерительного канала 7 компоненту 1 приращения магнитной индукции, аналогичными приборами в каналах компонент 2 и 3 измеряют соответствующие компоненты приращения магнитной индукции, т.е. Затем штангу поворачивают на 180° так, чтобы компоненты поля 2 и 3 были бы нулями, т.е. в этом положении измеряют соответствующие три компоненты приращения магнитной индукции, т.е. . Результаты измерения индукции и ее приращений через аналого-цифровой преобразователь 14 регистрируют компьютером 15. Затем штангу ориентируют так, чтобы получить вектор-столбцы по отношению к компоненте 2 и по отношению к компоненте 3. При этом измеряют соответствующие вектор-столбцы приращения магнитной индукции и и регистрируют результаты в цифровом коде компьютером 15. По измеренным приращениям и индукции определяют компоненты уходов нулей измерительного канала

и матрицу неидентичности измерительного и компенсационного каналов θ в системе координат штанги

Элементы матрицы неидентичности и компоненты ухода нулей хранят в памяти компьютера 15, и в последующие результаты измерения приращений непрерывно вводят коррекцию по формуле:

ΔB’-θ·B’-B₀,

где ΔВ’ - последующие некорректированные результаты измерения приращения индукции магнитного поля;

В’ - последующие результаты измерения индукции магнитного поля.

Покажем как формируется матрица неидентичности измерительного и компенсационного каналов и как она влияет на образование порога чувствительности измерительного канала. Для этого рассмотрим сначала модель статической погрешности измерения трехкомпонентным магнитометром. Результат измерения B_u индукции магнитного поля В с помощью трехкомпонентного преобразователя, отягощенный статической погрешностью, можно представить с помощью некоторой искажающей 3×3 матрицы и как

B_u=и·В,

откуда статическая погрешность выражается как (и-I)·В. Чем точнее измерение, тем ближе искажающая матрица к единичной. Диагональные элементы искажающей близки к единице, а боковые элементы близки к нулю. В этом соотношении матрица и и вектор-столбец В должны рассматриваться в одной и той же системе координат, от которой вектор-столбец B_u не зависит, будучи просто тремя числами, тремя результатами измерения. Применяя вышеприведенное соотношение к измерениям приращений между точками А и В, запишем в условиях однородного поля В_A=В_B=В

(и_А-и_В)·В или и_А-и_В=θ

Как показано в работе [Г.А.Внучков и др. Угловые погрешности измерения магнитной индукции. В сб. Методы и средства исследований структуры геомагнитного поля. М., ИЗ-МИРАН, 1989 г., стр.161-168], боковым элементам искажающих матриц и матрицы неидентичности каналов можно было бы придать угловую интерпретацию, но она здесь нам не потребуется. Здесь нам достаточно знать, что все элементы матрицы неидентичности θ, включая и диагональные элементы - какие-то безразмерные положительные и отрицательные числа, близкие к нулю, постоянные, которые могут быть определены в системе координат штанги. Диагональные элементы - в основном, результат неодинаковости постоянных по магнитной индукции обмоток компенсационного и измерительного канала в цепи продольной связи каналов 11 (см. фиг.2). При движении/повороте штанги в магнитном поле Земли составляющая θ·В проявляется в измерительном канале как весьма значительная аддитивная погрешность, определяющая порог чувствительности измерительного канала, поскольку эта погрешность на несколько порядков превышает уровень собственных шумов феррозондов (~0.01 нТ). Здесь необходимо пояснить, почему мы называем эту погрешность аддитивной, так как в литературе ее именуют мультипликативной. Она аддитивна потому, что действует даже тогда, когда измеряемое приращение магнитной индукции равно нулю.

Для иллюстрации технического результата, обеспечиваемого заявляемым способом, к заявляемому способу рассчитаны контрольные примеры с помощью системы автоматизации вычислений MatLab. Штанга с трехкомпонентными преобразователями, характеризуемая матрицей неидентичности каналов

поворачивается на угол α вокруг своей оси 1 в поле Земли В, ось 1 расположена перпендикулярно полю Земли. Тогда в системе координат штанги поле выражается как Собственными шумами преобразователей, а также уходами нулей компенсационного и измерительного каналов пренебрегаем. При таких условиях вычислен размах нулевого (ложного) сигнала в измерительном канале, образующего порог чувствительности, без коррекции и при коррекции с различной тщательностью ориентации штанги на этапе нахождения матрицы неидентичности каналов. Результаты расчета сведены в таблицу.

Таблица
Степень тщательности ориентации штанги на этапе нахождения матрицы неидентичности каналов по конечным отсчетам показаний приборов компенсационного канала, нТ.	Размах ложного сигнала в измерительном канале при повороте штанги на 2π в поле Земли, нТ
	Компон. 1	Компон. 2	Компон. 3
Без минимизации погрешностей	±375	±726	±625
С минимизацией при небрежной ориентации (52118, -100, 100); (100, 52118, -100); (-100, 100, 52118)	±1.1	±2.6	±1.2
С минимизацией при умеренной тщательности ориентации (52118, -10, 10); (10, 52118, -10); (-10, 10, 52118)	±0.11	±0.26	±0.12
Коррекция при тщательной ориентации (52118, -2, 2); (2, 52118, -2); (-2, 2, 52118)	±0.022	±0.052	±0.024

Результаты расчетного эксперимента свидетельствуют, что заявляемый способ позволяет существенно снизить порог чувствительности дифференциального магнитометра при измерении в движении на фоне магнитного поля Земли.

Обратим внимание на то, что расчеты проведены для плохо сбалансированной (или существенно неидентичной) дифференциальной пары преобразователей магнитометра. Максимальный элемент матрицы неидентичности -0.013 эквивалентен угловой погрешности в -46 угловых минут. Разумеется, при предварительной настройке дифференциальной пары результаты по снижению порога чувствительности были ли бы еще лучше.

Заявляемый способ позволяет обойтись без фактического (механического, традиционного) снижения элементов матрицы неидентичности θ благодаря измерению этих элементов и организации последующей непрерывно действующей коррекции, компенсирующей вредное действие матрицы неидентичности, что удешевляет технологию изготовления преобразователей для дифференциальных магнитометров. Матрицу θ определяют заблаговременно в благоприятных (статических) условиях, а последующую коррекцию осуществляют в рабочих условиях, в том числе и при измерении слабых приращений в движении и при измерении слабых переменных низкочастотных приращений магнитной индукции на фоне магнитного поля Земли.

Способ минимизации погрешностей в переносном дифференциальном магнитометре, включающий повороты штанги на 180° вокруг ее оси и центра с последующей регистрацией соответствующих результатов измерения приращений магнитной индукции, отличающийся тем, что штангу трижды ориентируют осями по полю и один раз против поля, например осью 1, измеряя в каждом положении три компоненты поля, причем штангу ориентируют так, чтобы обратить две компоненты в нуль:

и соответственно измеряя три компоненты приращения, получают приращения магнитной индукции

, , и

по которым находят все компоненты уходов нулей В₀ и матрицу неидентичности каналов дифференциального магнитометра в системе координат штанги θ по формулам

а в последующие результаты измерения приращений непрерывно вводят коррекцию по формуле

ΔB’-θ·B’-B₀,

где ΔВ’ - последующие некорректированные результаты измерения приращения индукции магнитного поля;

В’ - последующие результаты измерения индукции магнитного поля.