Протонный магнитометр с автоматическим поиском сигнала прецессии

 

(72) Автор. изобретений

И.И. Чинчевой (71) Заявитель (54) ПРОТОННИЙ ИАГНИТОМЕТР С АВТОМАТИЧЕСКИМ

ПОИСКОВ СИГНАЛА ПРЕЦЕССИИ

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и может быть использовано в устройствах для измерения модуля полного вектора напряженности магнитного поля Земли или околоземного пространства.

Известен протонный магнитометр, в котором использован эффект свободной прецессии протонов жидкости в магнитном поле и зависимость частоты !

9 этой прецессии от напряженности измеряемого магнитного поля. Магнитометр содержит датчик, состоящий из катушки индуктивности, в которой находит35 ся амгула с рабочей жидкостью, конденсатор, подключенный параллельно выводам катушки, последовательно соединенных переключателя, подключенного . к выходу датчика, усилителя сигнала

20 н частотомера, а также источника постоянного тока, который подключают к катушке индуктивности на время поляризации рабочего вещества.

Поиск сигнала в данном устройс ве осуществляется ручным переключением поддиапазонов усилителя и входного контура датчика, образованного из катушки индуктивности н конденсаторов. Поиск осуществляется с точностью до полосы пропускания усилителя и его входного контура (!).

Недостатком устройства является ручной поиск сигнала прецессии.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является протонный магнитометр с автоматическим поиском сигнала прецессии, содержащей датчик с рабочей жидкостью, катушка индуктивности которого с параллельно подключенной постоянной емкостью образует резонансный приемный контур и соединена с входом усилителя, схему поляризации протонов жидкости, а также последовательно соединенные усилитель, подключенный к приемному контуру, управляемый ключ и частотомер и программное уст883835

30 ройство, первый вход которого соединен со схемой поляризации раб,очего вещества, а второй — с управляемым входом ключа (2).

В известном магнитометре поиск

5 частоты прецессии, соответствующей измеряемому магнитному полю, осущест-. вляется ступенчато с точностью до полосы пропускания узкополосного резонансного усилителя и его входного 10

° контура, образованного индуктивностью катушки датчика и подключаемой постоянной емкостью, выбираемой из магазина емкостей. Возможная расстройка контура датчика относитель- 15 но частоты прецессии, уменьшая .отношение сигнал/шум на входе усилителя, увеличивая скорость затухания сигнала прецессии и приводя к смещению частоты прецессии протонов в связанной с контуром спиновой системе, увеличивает погрешность измерения.

При изменении ориентации датчика в пространстве в сторону от оптимального по амплитуде снимаемого с него сигнала, последний уменьшается, что приводит к необходимости снижения уровня порога, которым определяются границы полосы пропускания каждого из узкополосных поддиапазонов. Последнее обстоятельство приводит11к увеличению возможной расстройки контура дат Фка относительно частоты прецессии и увеличению погрешности измерения.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем плавного поиска сигнала прецессии и уменьшения времени измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в протонный магнитометр с автома 40 тическим поиском сигнала прецессии, содержащий датчик с рабочим веществом, состоящий из ампулы (ячейки) с рабочим веществом, индуктивной катушки, емкости, которая совместно с катушкой образует резонансный приемный контур, и схемы поляризации рабочего вещества, последовательно соединенные усилитель, подключенный к приемному контуру, управляемый ключ 50 и частотомер, а также программное устройство, первый выход которого сое" динен с схемой поляризации рабочего вещества, второй выход — с управляемым входом ключа, введены схема обна" 55 ружения максимальной амплитуды сигнала, формирователь напряжения поиска, аналоговый перемножитель сигналов и дополнительная емкость, причем выход усилителя соединен со вхоцом схемы обнаружения максимальной амплитуды сигнала, выход которой соединен с одним из входов формирователя напряжения поиска, выход формирователя соединен с одним из входов аналогового перемножителя сигналов, второй вход которого соединен с выходом усилителя, выход аналогового перемножителя соединен через дополнительную емкость с входом усилителя, а третий выход программного устройства соединен со вторым .входэм формирователя напряжения поиска.

В предложенном магнитометре настройка контура датчика в резонанс с частотой прецессии осуществляется за счет эффекта управления умножением емкости С1, включенной мекду выходом аналогового перемножитепя сигналов и входом усилителя. Возникающая при этом динамическая емкость

Cg присоединяется параллельно начальной емкости контура С, с помощью которой он бып настроен на высшую частоту рабочего диапазона искомых частот

С9 С1(К К(1) где К - коэффициент передачи усилителя, К ))1;

К вЂ” коэффициент передачи аналого-! вым перемножителем напряжения с выхода усилителя, 1 > К,>0.

Резонансная частота аГ, настройки контура датчика, таким образом, равна где L - индуктивность катушки измере9 ния датчика.

При изменении коэффициента передачи аналогового перемножителя К1 от нуля до единицы резонансная час",.ота контура датчика изменяется от pmax—

: до

Изменение коэффициента передачи К1 аналового перемножителя сигналов осуществляется плавно путем подачи на его второй вход изменяющегося по величине однополярного напряжения поиска. Нулевое значение напряжения поиска с.оответствует значению К, =0. Для тсго, 883835 чтобы в перестраиваемый контур не вносилось заметное дополнительное затухание, достаточно обеспечить условие

4гР па„С, был.п >

)) Я где R>ы„п — выходное сопротивление ан ало гово го пере множителя.

На чертеже представлена блокгсхема !

О протонного магнитометра с автоматическим поиском сигнала прецессии.

Иагнитометр содержит датчик l.c рабочей жидкостью (газом), находя35 щийся в ампуле (ячейке) 2, индуктивная катушка 3 которого, подключенная вместе с постоянной емкостью 4 параллельно инвертирующему входу широкополосного усилителя 5 постоянного тока, образует резонансный !С контур, 20 схему б поляризации рабочей жидкости (газа), соединенную с одним из выходов программного устройства 7, и частотомер 8, подключенный к выходу уси25 лителя через ключ 9, вход управления которого соединен со вторым выходом программного устройства 7.

Выход усилителя 5 соединен со входом схемы 10 обнаружения максимальной амплитуды сигнала. Выход схемы

10 обнаружения максимальной амплитуды сигнала соединен с одним из входов формирователя 11 напряжения поиска.

Выход формирователя 11 соединен с од55 ним из входов аналогового перемножи- теля 12 сигналов. Второй вход аналогового перемножителя 12 соединен с выходом усилителя 5. Выход аналогово40

ro перемножителя 12 соединен через дополнительную емкость 13 с инвертирующим входом усилителя 5. Третий выход программного устройства ? соединен со вторым входом формирователя

11 напряжения поиска.

Протонный магнитометр работает следующим образом.

По команде программного устройства

7 схема 6 поляризации производит поля- . ризацию рабочей жидкости (газа). После выключения поляризации вектор суммарной намагниченности рабочей жидкости (газа) совершает прецессионное дви55 жение вокруг вектора измеряемого поля, индуцируя при этом в индуктивной катушке 3 ЭДС с частотой прецессии, имеющую форму затухающей синусоиды. Частота прецессии равна <йп . При этом выполняется условие p .,„<« 6 с. р ъах

В исходном состоянии напряжение с выхода фоомирователя 11 напряжения поиска равно нулю. Ключ 9 закрыт. Поэтому коэффициент передачи К1 аналогового перемножителя 12 также равен нулю, так как выходное напряжение аналогового перемножителя 12 пропорцио- нально произведению напряжения с выхода усилителя 5 и напряжения поиска с выхода формирователя 11. Резонансный контур, образованный индуктивностью катушки 3 и емкостями 4 и 13, настроен на частоту 4>рщ,, По команде программного устройства

7 формирователь 11 напряжения поиска начинает формировать монотонно нарастающее по абсолютной величине однополярное напряжение. В качестве формирователя 1! напряжения поиска может быть использован, например, RC-интег-, ратор, на вход которого по команде программного устройства подключается постоянное напряжение. При этом на выходе интегратора будет линейно нарастающее напряжение. Возрастание напряжения на выходе формирователя

ll напряжения поиска, приводя к увеличению коэффициента передачи аналогового перемножителя 12, вызывает пере-.. стройку резонансной частоты контура датчика в сторону более низких частот за счет увеличения динампческой емкости С путем умножения емкости 13.

При приближении частоты ð настройки контура к частоте crfq на выходе усилителя 5 появляется сигнал, превышающий некоторый, установленный в схеме 10 обнаружения максимальной амплитуды сигнала, порог. Сигнал включает схему !О и отключает постоянное напряжение со входа интегратора формирователя ll. В качестве схемы 10 обнаружения максимальной амплитуды сигнала может быть использован известный амплитудный выпрямитель, накопительная 4мкость которого подзаряжается лишь до тех пор, пока амплитуда сигнала в последующем периоде повторения синусоидального сигнала с выхода усилителя 5 больше, чем в предыдущем. Достижение максимальной амплитуды на выходе усилителя 5 соответствует резонансу в контуре датчика по отноше-! нию к частоте сигнала прецессии.

Импульсы тока подзаряда накопительной емкости используются для управлеФормула изобретения

Протонный магнитометр с автоматическим поиском сигнала прецессии, содержащий датчик с рабочим веществом, состоящий иэ ампулы и ячейки с рабочим веществом, индуктивной катушки, емкости, которая совместно с катушкой образует резонансный приемный контур, и схемы поляризации рабочего вещества, последовательно . соединенные усилитель, подключенный к приемному контуру, управляемый ключ и частотомер, а также программное устройство, первый выход которого соединен с схемой поляризации рабочего вещества, второй выход — с управляемым входом ключа, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения путем плавнога поиска сигнала прецессии и уменьшения времени измерения, в него введены схемы обнаружения максимальной амплитуды сигнала, формирователь напряжения поиска, аналоговый йеремножитель сигналов и дополнктельная емкость, причем выход усилителя соединен..со входом схемы обнаружения максимальной .амплитуды сигнала, выход которой соединен с одним из входов формирователя напряжения поиска, выход формирователя соединен с одним из вхо-. дов аналогового перемножителя сигналов, второй вход которого соединен свыходом усилителя, выход аналогового перемножителя соединен через дополни- тельную емкость с входом усилителя,а третий выход программного усгройства соединен со вторым входом формирователя напряжения поиска.!

7 88383 ния подачей на вход формирователя ll напряжения поиска в виде импульсов постоянного напряжения, что приводит к дальнейшему, нарастанию напряжения на выходе формирователя 11 до тех пор, пока существуют импульсы подзаряда накопительной емкости, т.е. до выполнения условия

"Р = П

После прекращения управляющих им.пульсов со схемы IO прекращается нарастание напряжения на выходе формирователя ll и, таким образом, прекращается перестройка резонансного контура датчика. После этого по команде программного устройства 7 открывается ключ 9, и сигнал с выхода усилителя

5 поступает в частотомер 8 для измерения частоты сигнала прецессии.

Повторение цикла поиска и измеренйя производится по команде от программнога устройства 7, которое сбра сывает в исходное состояние формирователь 11 и закрывает ключ 9.

Предложенный магнитометр позволяет произвести плавный поиск частоты прецессии и настроить резонаисный вхадной контур точно на частоту сигнала прецессии (с точностью до чувствитель ности амплитудного выпрямителя схе» мы 10) независимо от ориентаци@ дат чика. За счет этого уменьшается об" щая ногрешность измерения. действительно, при индуктивности катушки измерения датчика, равной

0,03 Гн, для перестройки вга резонансной частоты, например, ат 4ОООТц до 750 Гц, что соответствует диапазону земных магнитных полей, требуется изменять емкост контура от .53000 пф до 1,5 мкФ. 40 . Плавно изменяемой емкости в такам диапазоне емкостей не существует. В этом случае используется ступенчато коммутируемый магазин постоянных:емкостей.

В предложенном магнитометре вместо магазина постоянных емкостей используется лишь одна постоянная емкость величиной, например 1000 пФ при

К = 1500.

Благодаря исключению времени, не" обходимого для коммутации магазина емкостей, сокращается время поиска сигнала. Это время сокращается до вре мени, определяемого лишь параметрами динамической частотной характеристики .колебательного контура, т. е, определяемого соотношением добротности контура и скорости изменения напряжения поиска.

В диапазоне частот от 750 до 400 Гц возможно осуществить плавный поиск и настройку контура датчика на низшую частоту сигнала прецессии за

100-150 мс.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СС."Р

Р 405097, кл. G 01 V 3/14, 1973.

3 Авторское свидетельство СССР

9 64137В кл. G 01 Ч 3/14, 1979 (прототип) 883835

tl It х 8

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель В. Майоршин

Редактор О. Половка Техред Э.Фечо Корректор Гмфазарова

Заказ 10224770 Тираж 735 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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