Способ контроля вариаций магнитного поля земли

Предложен cпособ контроля вариаций магнитного поля Земли. В способе измеряют напряженность магнитного поля, создают регулируемое компенсирующее магнитное поле, противоположное по направлению к измеряемому, запоминают величину компенсирующего поля при полной компенсации в установочный момент времени. При последующих измерениях вычитают из измеряемого поля запомненную величину и разницу интерпретируют как вариацию магнитного поля. В способе дополнительно создают стабильное градиентное магнитное поле, измеряют величину градиента в установочный момент времени и при последующих измерениях, корректируют передаточную характеристику измерительного устройства по результатам изменения градиента магнитного поля в сравнении с величиной, полученной в установочный момент времени. Техническим результатом является повышения объективности контроля магнитного поля Земли. 2 ил.

 

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для измерения вариаций магнитного поля, в частности, обусловленных магнитными бурями при определении наличия и интенсивности последних.

Из уровня техники известен способ контроля магнитного поля (Гаусс К.Ф., перевод Крылова А.Н. Избранные труды по земному магнетизму. - Л.: Издательство академии наук СССР, 1952, 341 с.), заключающийся в том, что измеряют период крутильных колебаний свободно вращающегося в горизонтальной плоскости магнита, прикрепляют к магниту немагнитную полоску с известным моментом инерции, повторно измеряют период колебаний, рассчитывают произведение магнитного момента на напряженность поля, измеряют отношение магнитного момента к напряженности поля и рассчитывают напряженность магнитного поля.

Недостатком известного способа является большая трудоемкость измерений и громоздкость используемой аппаратуры.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ контроля вариаций магнитного поля Земли, реализованный в известном устройстве (см. Магнитная вариационная станция. Патент Российской Федерации №14 2008702, МПК G01V3, от 26.09.1991, Любимов В.В.) и заключающийся в том, что измеряют напряженность магнитного поля, создают регулируемое компенсирующее магнитное поле, противоположное по направлению к измеряемому, запоминают величину компенсирующего поля при полной компенсации в установочный момент времени, при последующих измерениях вычитают из измеряемого поля запомненную величину и разницу интерпретируют как вариацию магнитного поля.

Недостатком известного способа является то, что он лишь частично за счет инструментальных средств решает главную проблему при измерениях временных вариаций поля, а именно проблему точного воссоздания компенсирующего поля, полученного в установочный момент времени, при измерении в последующие моменты через определенные промежутки времени (это могут быть дни, месяцы и годы). На точное воссоздание компенсирующего поля влияет возможное изменение передаточной характеристики устройства, обусловленное температурной чувствительностью датчика, температурной чувствительностью электронной схемы и временной деградацией элементов схемы.

Целью предлагаемого изобретения является повышение объективности контроля вариаций магнитного поля.

Поставленная цель достигается тем, что при использовании известного способа дополнительно создают стабильное градиентное магнитное поле, измеряют величину градиента в установочный момент времени и при последующих измерениях, корректируют передаточную характеристику измерительного устройства по результатам изменения градиента магнитного поля в сравнении с величиной, полученной в установочный момент времени.

Сущность заявляемого изобретения, поясняемая зависимостью на фиг.1 и характеризуемая совокупностью указанных признаков, представлена ниже.

При реализации предлагаемого способа, как и прототипа, измеряется величина E, являющаяся выходной характеристикой прибора, связанная с измеряемым полем соотношением E=k*H, где k - передаточная характеристика устройства.

При измерении поля в точке x1:

$$E\left(x1\right)=k1*\left(H_{з}+{Н}_{г}(х1\right)+{Н}_{в})\left(1\right)$$

При измерении поля в точке х2:

$$Е(х2)=k1*\left(H_{з}+{Н}_{г}(х2)+{Н}_{в}\right)\left(2\right)$$

где х2 - координата, в которой измеряется магнитное поле Земли Н_з и его вариация Н_в; Н_г - градиентное поле, определяющее градиент ΔH₁₂ магнитного поля между точками x1 и х2.

Величина измеряемого градиента будет определяться как

$$E(x1)-E(x2)=k1*(H_{г}(x1)-{Н}_{г}(x2))\left(3\right)$$

Видно, что при изменении вариации магнитного поля Н_в величина измеряемого градиента поля не изменяется, в то время как при изменении передаточной характеристики k происходит ее изменение и возврат характеристики к значению, имевшему место при измерении в установочный момент, приведет к получению значения градиента магнитного поля, имевшего место в установочный момент времени. Возврат имевшей место в установочный момент передаточной характеристики обеспечит объективное измерение вариации магнитного поля. Выполнение указанного алгоритма невозможно без использования хотя бы одного из отличительных признаков, что свидетельствует об их существенности.

Способ осуществляют следующим образом. На фиг.2 представлена функциональная схема устройства, по которой был реализован предлагаемый способ. Намагничивающие обмотки первого и второго датчиков 1 и 2 включены последовательно, измерительные обмотки 3 и 4 включены встречно, причем с обмотки 4 снимается сигнал, пропорциональный магнитному полю в точке х2, а с обоих включенных встречно обмоток снимается разностный сигнал, пропорциональный разнице (градиенту) магнитных полей в точках x1 и х2. При проведении измерения в установочное время в запоминающем устройстве 5 запоминается в цифровом виде уровень управляющего сигнала для компенсирующего магнитного поля, создаваемого катушками компенсации 6 и 7 поля в момент, когда сигнал с измерительной катушки 4 равен нулю, а с обеих катушек соответственно равен градиенту магнитного поля. При последующих измерениях блок управления 8 сразу инициализирует запоминающее устройство 5, включая запомненный ток компенсации, выводит на индикатор показания, пропорциональные вариации магнитного поля, и анализирует величину градиента магнитного поля. В случае ее изменения выдает сигнал о необходимости коррекции характеристики формирователя тока компенсации. Для изготовления феррозондовых преобразователей использовался малошумящий аморфный сплав 10020 на основе кобальта (состав Fe₂₈Co₇₀P₂). Функции управляющего блока и запоминающего устройства реализовывались программно на микроконтроллере типа ATMega16 с использованием его аналогово-цифрового преобразователя с переключаемыми входами, встроенного энергонезависимого ЗУ. Для изготовления формирователя тока компенсации 9 применялась известная схема управляемого напряжением источника тока. В качестве источника градиентного поля использовался высокостабильный температурно и во времени магнит из сплава SmCo₅. Моделирование вариации поля Земли производилось с помощью катушек Гельмгольца большого размера, так что система измерения градиента находилась в зоне однородного поля, моделирование ухода передаточной характеристики производилось непосредственно изменением последней. Результаты апробации полностью подтвердили достижение поставленной цели при использовании предлагаемого способа.

Способ контроля вариаций магнитного поля Земли, заключающийся в том, что измеряют напряженность магнитного поля, создают регулируемое компенсирующее магнитное поле, противоположное по направлению к измеряемому, запоминают величину компенсирующего поля при полной компенсации в установочный момент времени, при последующих измерениях вычитают из измеряемого поля запомненную величину и разницу интерпретируют как вариацию магнитного поля, отличающийся тем, что с целью повышения объективности контроля дополнительно создают стабильное градиентное магнитное поле, измеряют величину градиента в установочный момент времени и при последующих измерениях, корректируют передаточную характеристику измерительного устройства по результатам изменения градиента магнитного поля в сравнении с величиной, полученной в установочный момент времени.