Компонентный дифференциальный магнитометр

 

(iii 739454

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советски к

Социалмстическик

Республик (6l ) Дополнительное к авт. свил-ву— (22) Заявлено 09,01,78 (21) 2570130/18-25 с присоединением заявки ¹(23) ПриоритетОпубликовано05.06,80. Бюллетень № 21

Дата опубликования описания 05 06,80 (51)М. Кл.

С 01Ч 3/16

Государствеииый камитет

СССР (53) УДК 550. ,538(088 8) по делам иэобретеиий и открытий

С, Н, Гузевич, Б. Н. Демин, B. П. Лен

К. Г, Ставров, А, П, Филимонов и Е, вский, (72) Авторы изобретения,"f лэ (7!) Заявитель (54) КОМПОНЕНТНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬН ЫЙ

МАГНИТОМ ЕГР

Изобретение относится к магнитомет= рической технике, а точнее, к устройствам для измерения на подвижном основании составляющих вектора геомагнитного поля и их градиентов по направлению дви же ния.

Известны устройства для измерения на подвижном основании составляющих вектора геомагнитного поля, содержащие компонентные магнитометры, в которых

10 измерительным элементом является система рртогонально направленных магнитометрических датчиков, привязка которых относительно опорной системы координат осуществляется с помощью системы ста15 билизации и ориентации в пространстве или магнитометры,содержащие и качестве измерительного элемента один или несколько ме ятометрических датчиков и средство для задания вспомогательного магнитного поля по одной из осей в опорной системе координат, приияэки которых в пространстве задаются с помощью системы стабилизации и ориентации (lj

Укаэанные устройства имеют ряд существенных недостатков. Точность изме рения составляющих вектора геомагнит-. ного поля существенно зависит от точности привязки измерительного элемента относительно. опорной системы координат, что обусловливает высокие требования к точности системы стабилизации и ориентации в пространстве, Кроме того, не исключено влияние на результаты измерений, а, следовательно, и на точность измерений, вариаций. геомаг нитного поля, Известны также дифференциальные маг нитометры (градиентометры) для. измерения модуля вектора геомагнитного поля и разности его значений в 2-х точках вдоль направления движения, содержащие 2 системы магнитометрических датчиков, разнесенные на фиксированное расстояние вдоль направления движения $2)

Данные магнитометры-градиентометры позволяют исключить влияние вариа9454 4 мерений, однако цля измерения составляющих геомагнитного поля они непригодны, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является компонентный дифференциальный магнитометр для измерения в, движении составляюших вектора геомагнитного поля и их градиентов по направлению движения, содержащий систему ортогонально направленных магнитометрических датчиков и системы стабилизации и ориентации датчиков 3)

К недостаткам известного магнитометра относятся высокие требования, предъявляемые к системам стабилиза-, ции и ориентации, которые и определяют точность измерений, 11елью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитометр введены последовательно соединенные дополнительное уст- . ройство измерения вектора геомагнитного поля в системе коорцинат подвижного основания и устройство для создания магнитного поля равного по величине и противоположного по направлению полю,измеренному дополнительным устройством, а магнитометрические датчики установлены в магнитном поле, создаваемом указанным устройством, Дополнительное устройство измерения вектора геомагнитного поля в. системе координат . цодвижного основания выполнено в ви1 де магнитометра, измеряющего модуль вектора геомагнитного поля, и указателя направления вектора геомагнитного поля, Дополнительное устройство измерения вектора геомагннтного поля выполнено в вице трех ортогональных направленных магнитометрических датчиков, помещенных соосно в поле трех жестко связанных с подвижным основанием катушек и включенных с ними по компенсационной схеме.

Устройство для создания дополнительного магнитного поля выполнено в виде катушки, например колец Гельмгольца, электрически связанной с магнитометром, измеряющим модуль вектора геомагнит-. ного поля и механически — с указателем направления вектора геомагнитного поля.

Устройство .для создания дополнительного магнитного поля выполнено в вице трех ортогональных- катушек, жестко установленных на подвижном Основании и

3 73 ций геомагнитного поля на точность изалектрически связанных через вычислительное и согласующее устройства с дополнительным устройством измерения вектора геомагнитного поля, На фиг. 1 приведена блок-схема ком понентного дифференциального магнитометра, на фиг, 2-4 блок-схема одного из возможных вариантов выполнения магнитом етра.

Компонентный дифференциальный магнитометр (см. фиг. 1) содержит систему 1 трех ортогонально направленных магнитометрических датчиков, систему 2 стабилизации датчиков, систему 3 ориентации датчиков, устройство 4 для создания дополнительного магнитного поля, дополнительное устройство 5 измерения вектора геомагнитного поля, согласующее уст ройство 6 и вычислительное устройство 7.

Устройство 4 и дополнительное устройство 5 установлены на подвижном основании на фиксированном (равном базе) расстоянии друг от друга вдоль направления движения и функционально через согласующее устройство 6 связаны друг с другом, Основная измерительная система 1 помешена во вспомогательное магнитное поле и электрически связана с вычислительным устройством 7.

В процессе измерения дополнительное устройство 5, помещенное в опорной точке, для которой значения составляющих вектора геомагнитного поля Т в опорной системе координат (X,чо,t ) из3S вестны, соответственно Тхо,Т Т иэмео о о ряют вектор геомагнитного поля в системе координат подвижного основания, например модуль вектора и направление век- . тора, Устройство 4 для создания вспо4О могательного магнитного поля воспройзводит с обратным знаком это магнитное поле в точке, в которой расположена система 1 магнитометрических датчиков, Таким образом, в этой точке создается

45 магнитное поле ь 4= Тм4 — То„, где TM,- геомагнитное поле в точке расположения системы 1 магнитометрических датчиков аТ -геомагнитное поле в точке распо94 ложения дополнительного средства S, причем7у.= То (Т„-геомагнитное поле в

4 опорной точке), Составляющие этого магнитного поля, измеренные системой 1 трех ортогонально направленных магнитометрических цатчиков в опорной системе координат будут соответственно

ЬТх4, ЬТУ4, ЬТхи

Значение составляющих вектора геомагнитного поля и их градиентов по направ5,,7394 лению движения в точке расположения системы 1 магнитометрических датчиков . вычисляются с помощью вычислительного устройства 7 и определяются выражениями

Т„«TK +AT

Хл хо

Ty Ty + 6 Ту

"o т =Т +a, л

Средние квадратические погрешности каждого измерения составляющих приращения вектора геомагнитного поля независимы и определяются выражением

« л 2 3 4 где Р„- средняя квадратическая погрешность измерения дополнительным устройством;!

Т„ Т = —" к ахл Р атул

-Т ЬТ хл

1S где t — длина базы (расстояние между системой 1 датчиков и дополнительным средством

5), К = +1 если система. 1 датчиков расположена впереди по направлению движения и К -1, если впереди расположено дополнительное средство 5, При перемещении подвижного основания на расстояние, равное длине базы 0,производится очередное измерение системой

1 датчиков составляющих приращения век- ЗО тора магнитного поля а T<= T < Т соответственно аТхе аТх,ьГр, С помощью вычислительного устройства 7 производится вычисление значений составляющих вектора геомагнитного поля и их градиентов в направлении движения в новой точке и т,д, Значения составляющих вектора геомагнитного поля и их градиентов в направлении движения для каждого очередного измерения определяются следуюшими выражениями: и т„=Т„л. X 6Т

n o., „, х; и

T„=T„+ Ь аТ„. ил и

tz=T +> т и о;л

"о

Т с Ть и= дТ

Мд

gT„= — к и

2д

T у,„= к дковый номе и циального магнитометра заключается в том, что в процессе измерения магнито4> метр 5а измеряет модуль вектора геомагнитного поля 1 7, а указатель 5б. lmределяет направление вектора геомагнитного поля относительно подвижного ос-нования, Благодаря механической связи с указателем направления 5б катушка 4 устанавливается так, что ее магнитная ось располагается параллельно направлен- . ному вектору магнитного поля, измеренному указателем 5б, На вход катушки 4 от магнитометра Sa через согласующее устройство 6 подается такое напряжение. которое вызывает в катушке 4 электри- . ческий ток, создающий магнитное поле, где поря р змерения, а и- номер очередного измерения.

g — средняя квадратическая пог

l решность устройства для создания вспомогательного магнитного поля;

Я вЂ” средняя квадратическая погз решность измерения основной измерительной системы, Я4- средняя квадратическая погрешность измерения, обусловленная системами стабилизации и ориентации.

Дополнительное устройство измерения вектора геомагнитного поля 5 (см. фиг,2) выполнено в виде установленного на подвижном основании магнитометра, измеряющего модуль вектора геомагнитного поля, например квантовый магнитометр, и указателя направления вектора геомагнитного поля 5, например самоориентирующийся феррозоид. Устройство для создания дополнительного магнитного поля выполнено в виде катушки 4, например .колец Гельмгольца. Положение основной измерительной системы 1 в опорной системе координат задается системой 2 стабилизации и системой 3 ориентации, Катушка 4 связана электрически через согласующее устройство 6 с магнитометром

Sa и механически — с указателем направления 5б. Основная измерительная система 1 электрически связана с вычислительным устройством 7. В движении особенность работы компонентного дифферен"7 l394 равное по величине и противоположное по направлению магнитному полю, измеренному дополнительным устройством S.

Во втором варианте (см. фиг, 3) до-, полнительное устройство измерения вектора геомагнитного поля 5 выполнено в виде установленных на подвижном осно вании магнитометра для измерения модуля вектора геомагнитного поля 5а и указателя направления вектора геомагнитно- >р

ro поля 5 б, Устройство для создания вспомогательного магнитного поля выполнейо в виде трех ортогональных катушек 4, жестко установленных на подвиж- . ном основании так, что основная измеритель- > 5 ная система 5 при всехколебаниях подвижного основания находится вполе катушек, Положение основной измерительной системы 5 в опорной системе координат задается системой 2 стабилизации и системой 3 ориен- 20 тации, Катушки 4 через вычислительное устройство 6а к согласующее устройство 66 электрически связаны с магнкто"метром Ва и указателем направления 56.

Основная, „измерительная система 1 элек- 25 трически связана с вычислительным устройством 7. В движении;особенность работы данного компонентного дифференциального магнитометра заключается в том, что в процессе измерения магнитометр 5а Зо измеряет модуль вектора геомагнитного поля Т1, а указатель 56 определяет направление вектора геомагнитного поля относительно подвижного основания. Магнитометр 5а и указатель направления 66 35 элек рическисвязаны с вычислительным устройством, ба, Вычислительное устройство ба производит вычисление значений составляющих магнитного поля, измеренного магнитометром 5а и указателем направления 56, вдоль магнитных осей катушек 4, На входы катушек 4 от вычислительного устройства ба через согласующее устройство 66 подаются такие напряжения, которые вызывают в катушках 45

4 электрические.токи, создающие магнит- .ные поае, равные по величине и противоположные по направлению соответствующим составляющим магнитного поля, измере нного дополнительным средством 5, А это ра вносктельно тому, что катушки 4 в целом создают магнитное поле, равное по величине и противоположное по направлению магнитному полю в точке расположения дополнительного средства 5.

В одном из вариантов (см. фиг, 4) до- полнительное устройство измерения вектора геомагнитного поля 5 выполнено в ви54 8 де трех ортогонально направленных магнитометрических датчиков 5в, например феррозондовых, помещенных соосно в поле трех жестко связанных с подвижным основанием катушек 5 г, причем магнитометрические датчики Sa включены попарно с соответствующими сооснымк катушками 5г по компенсационной схеме 5д.

Устройство для создания дополнительного магнитного поля выполнено в виде трех ортогональных катушек 4, жестко установленных на подвижном основании, причем оси катушек 4 расположены параллельно (коллинеарно) сооответствующим катушкам 5г, а основная измерительная система 1 находится в поле катушек 4, Положение основной измерительной системы 1 в опорной системе координат задается системой 2 стабилизации и системой 3 ориентации, Катушки 4 через согласующее уст ройство 6 электрически связаны с со.ответствующими коллинеарными катушками 5г. Основная измерительная система

1 электрически связана с вычислительным устройством 7, - В движении особенность работы такого компонентного дифференциального магнитометра, заключается в том, что в процессе измерения благодаря компенсационной схеме включения системы датчиков 5в и катушек

Gr, в катушках 5 r возникают электрические токи, создающие магнитные поля, равные по величине и противоположные по направлению соответствующим составляющим геомагнитного поля в точке расположения дополнительного средства 5. Электрические токи, возникающие в катушках

5 г через согласующее устройство 6 передаются на соответствующие катушки 4.

В результате этого катушки 4 создают магнитное поле, равное по величине и противоцоложное по направлению магнитному полю в, точке расположения дополнительного устройства 5, Если в качестве магнитометрических о датчиков 1 и 5 используются индукционные датчики, то средняя квадратическая погрешность Я и в выражении 5 мо4 3 -2 жет быть получена ие хуже 1Q нТ. Кроме того, примем, что средняя квадратическая погрешность создания вспомогательного поля с в выражении 5 также L -т не превышает Е„и С, т.е, равна 10 нТ.

Рассмотрим на примере измерения вертикальной составляющей вектора геомагнитного поля, насколько снижаются требования к точности систем отабклиэации к ориентации, Положим, что средне9 7394 квадратическая погрешность Е,1, обусловленная погрешностью системы стабилиэа3

-2 ции не должна превышать Я, т.е, 10 нТ, Погрешность Я определяется выражением

F„=a%

Е4 -2 l

g -I000HT/ d й= = 10 rpag30

В соответствии с выражейием 5 средняя квадратическая погрешность измерения каждого, измерения составляющих прираще- 15 ния вектора геомагнитного поля будет

-2 равна K =2 10 нТ. Если требуется проводить измерения составляющих геомагнитного поля с погрешностью. 10 нТ, то в соответствии с выражением 6 такая. пог-0 решность накопится только за 500 измерений, начиная от опорной точки, 25 формула изобретения

1, Компонентный дифференциальный магнитометр для измерения в движении составляющих вектора геомагнитного поля и их градиентов по направлению движения, содержащий систему ортогонально

3 направленных магнитометрических датчиков и системы стабилизации и ориентации датчиков, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены последовательно соединенные дополнительное устройство измерения вектора геомагнитного поля в системе координат подвижного основания и устройство для создания маг- 4О нитного поля, равного по величине и противоположного по направлению полю, измеренному дополнительным устройством, а магнитометрические датчики установлены в магнитном поле, создаваемом ука- 45 эанным устройством.

54 10

2, Магнитометр по и, 1, о т л ич а ю шийся тем, что дополнительное устройство измерения вектора геомагнитного поля выполнено в виде магнитометра измеряющего модуль векгора геомагнитного поля, и указателя направления вектора геомагнитного поля.

3, Магнитометр по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что дополнительное устройство измерения вектора геомагнитного поля выполнено в вице трех ортогонально направленных магнитометрических датчиков, помещенных соосно в поле трех жестко связанных с подвижным основанием катушек и включенных с ними по компенсационной схеме.

4. Магнитометр по пп. 1, 2,о т л и - ч а ю шийся тем, что устройство для создания дополнительного магнитного поля выполнено в виде катушки, например, колец Гельмгольца, электрически связан-. ной с магнитометром, измеряющим модуль вектора геомагнитного поля; и механи-. чески — с указателем направления вектора геомагнитного поля.

5. Магнитометр по пп, 1, 2, о т л ич а ю шийся тем, что устройство для создания дополнительного магнитного поля выполнено в виде трех ортогональньас катушек, жестко установленных на подвижном основании и электрически связанных через вычислительиое и согласующее устройства с дополнительным устройством измерения вектора геомагйитного поля.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Афанасьев Ю. В. и др,.Магнитомстрические преобразователи, приборы, установки. Л„Энергия, 1972.

2. Патент США N 3490032, кл. 324-0,5 опублик. 1967.

3. Русанова H. В. Двухкомпонентный магнитометр для морской магнитной съемки, ГеофизичесКая аппаратуры, Л., "Недра", 1966, вып. 30, с. 74-81 (прототип).

739454

Составитель В. Майоршин

Редактор С, Тараненко Техред Л. Теслюк Корректор И. Муска

Заказ 3044/7 Тираж 649 Подписное

IIHHHFIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„д. 4/5 филиал ППП Патенг, r. Ужгород, ул, Проектная, 4