Магнитный компас-инклинатор

 

МАГНИТНЫЙ КОМПАС- ИНКЛИНАТОР , содержащий магнитометрический преобразователь, выполненный в виде постоянного магнита стержневого типа с закрепленными на нем зеркалами, поворотное устройство и измерительное устройство, закрепленное на поворотном устройстве, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения точности измерения, в него введены плоский конденсатор с двумя пластинами, две центрирующие вставки, каждая из которых расположена на соответствующей пластине конденсатора, пробное тело, расположенное между пластинами конденсатора с возможностью свободного перемещения между ними, устройство индикации расположения пробного тела и регулируемый источник напряжения , подключенный к пластинам конден (Л сатора. о N9 si to

„„SU„„1012172

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

gr50 6 01 Ч 3/40

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУгаваи

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3327575/18-25 (22) 13. 08.81 (46) 15.04.83. Бюл. Н 14 (72) Л.И.Князев (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт геофизических методов разведки (53) 621.317.39(088.8) (56) 1. Афанасьев lO.Â. и др. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. Л., "Энергия", 1972, с. 214".215.

2, Патент США И 4110914, кл. G 01 Ч 3/00, опублик. 1978 (прототип), (54) (57) МАГНИТНЫЙ КОМПАС- ИНКЛИНАТОР,, содержащий магнитометрический преобразователь, выполненный в виде, постоянного магнита стержневого типа. с закрепленными на нем зеркалами, поворотное устройство и измерительное устройство, закрепленное на поворотном устройстве, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения точности измерения, в. него введены плоский конденсатор с двумя пластинами, две центрирующие вставки, каждая из которых расположена на соответству" ющей пластине конденсатора, пробное тело, расположенное между пластинами конденсатора с возможностью свободно"

ro перемещения между ними, устройство индикации расположения пробного тела и регулируемый источник напряже- Я ния, подключенный к пластинам конденсатора.

1012172

2. Компас-инклинатор по п. 1, отличающийся тем, что, измерительное устройство выполнено в виде двухкоординатного позиционно-чувст вительного фотоприемника, источника света и оптической системы, ось кото-рой проходит через центр плоского конденсатора.

3. Компас-инклинатор..по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что пробное тело выполнено в виде полого шара с внешней зеркальной злектропроводящей поверхностью и прозрачным злектропроводящим окном, а внутри пробного тела жестко укреплен постоянный магнит с закрепленными на нем зеркалами, ориентированный вдоль оси

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и может быть использовано при измерениях склонения .и наклонения магнитного поля

Земли.

Известен магнитный компас-инкли- натор, содержащий магнитометрический преобразователь, кольца Гельмгольца, генератор низкой частоты, поворотное устройство с лимбами и измерительное устройство, Магнитометрический преобразователь представляет собой датчик квантового магнитометра (ядернопрецессионного или с оптической накачкой ) и укреплен в центре колец

Гельмгольца. Кольца Гельмгольца установлены на поворотном устройстве и могут поворачиваться относительно преобразователя вокруг горизонтальной и вертикальной оси. Измерительное устройство содержит частотный детектор, усилитель низкой частоты, амплитудный детектор и регистрирующий прибор.

В кольца Гельмгольца подают от ге нератора переменный ток низкой частоты. С магнитометрического преобразователя на вход измерительного устройства поступает сигнал, частота которого меняется пропорционально модулю суммарного геомагнитного поля и наложенного поля колец Гельмгольца. В измерительном устройстве в спектре сигнала выделяют первую гармонику низпрозрачного окна, причем центр тяжести пробного тела с магнитом и зеркапами совмещен с геометрическим центром шара.

4. Компас-инклинатор по и. 1, отличающийся тем, что устройство индикации расположения пробного тела выполнено в виде однокоординатного позиционно-чувствительного фотоприемника, усилителя, подключенного входом к выходу. фотоприемника и выходом - к пластинам плоского конденсатора, источника света и оптической системы, ось которой проходит через центр плоского конденсатора и перпендикулярна к нормали, соединяющей пластины Щнденсатора. кой частоты. Кольца Гельмгольца вращают в двух взаимно перпендикулярных плоскостях до тех пор, пока сигнал перпервой гармоники не станет равным нулю. В этом положении ось колец Гельмгольца перпендикулярна вектору геомагнитного поля, направление. которого таким образом определяется. Отсчеты производятся по горизонтальному и вертикальному лимбам поворотного устройства. Пределом, ограничивающим точность измерения склонения и. наклонения, являются флуктуационные шумы, присутствующие в спектре частот сигнала, формируемого датчиком магнитометра (1 ), Устройство характеризуется недостаточно высокой точностью измерений магнитного склонения и наклонения, зависящей от отношения полезного сигнала к шуму и не превышающей 2-3 угловых секунд, Наиболее близким к изобретению техническим решением является магнитный компас-инклинатор, содержащий магнитометрический преобразователь, выполненный в виде постоянного магнита стержневого типа с закрепленными на нем зеркалами, поворотное устройство и измерительное устройство, закрепленное на поворотном устройстве °

Поворотное устройство указанного компаса-инклинатора представляет собой два герметичных соосных цилиндра, 10123 72

3 .меньший из которых размещен внутри . большего, а пространство между ци- . линдрами заполнено жидкостью. Внутренний цилиндр имеет возможность вращаться с помощью соответствующих, механических опор относительно внешнего цилиндра вокруг общей оси цилиндров. Внутри меньшего цилиндра размещен постоянный магнит стержневого типа, который имеет возможность вра- я щаться с помощью соответствующих ме" ханических опор относительно мень- 4 шего цилиндра вокруг оси, перпендикулярной оси цилиндров- и оси магни" та. Измерительное устройство выпол-нено в виде круговой шкалы с делени- . ями, размещенной на верхней крышке внутреннего.. цилиндра. Для измерения магнитного склонения .ось цилинд- ров ориентируют вертикально, а для измерения наклонения - перпендикуляр:,но плоскости магнитного меридиана.

В результате силового взаимодействия ,постоянного магнита с геомагнитным . полем магнит заставляет вращаться внутренний цилиндр относительно оси цилиндров до тех пор, пока магнит нв будет сориентирован в первом случае вдоль горизонтальной компоненты

: поля и во. втором случае ". вдоль пол; ного вектора поля. Отсчет производит- . ся с помощью круговой шкалы измерйтельного устройства,.занимающей определенное гЮложение относительно вйешнего цилиндра. Жидкость между цилиндрами слюнит для уменьшения трения в механических опорах при вращении внутреннего цилиндра относительно внешнего и для демпфирования чувствительной системы. Возмржность пово40 рота магнита относительно внутреннего цилиндра-предусмотрена для того, . .чтобы дополнительно уменьшить трение в механических опорах, связывающих внутренний и внешний цилиндры, которое в противном случае возраста45 ло бы эа счет воздействия на магнит, а следовательно и на внутренний цилиндр, вертикальной компоненты поля при измерении магнитного склонения 2 .

Однако это устройство характеризуется недостаточно высокой точностью измерений магнитного .склонения и на" клонения, которая .обусловлена достаточно большим противодействующим мо- $$ ментом, создаваемым силами трения в механических опорах, и также не пре. вышает 2-3 угловых секунд.

Цель изобретения — увеличение точности измерений магнитного склонения и наклонения.

Указанная цель достигается тем, что в магнитный компас-инклинатор, содержац ий магнитометрический преобразователь, выполненный s виде постоянного магнита стержневого типа с закрепленными на нем зеркалами, поворотное устройство и измерительное устройство ° закрепленное на поворотном устройстве, введены плоский конденсатор с двумя пластинами,,две центрирующие вставки, каждая из которых расположена на соответствующей пластине кон-. денсатора, пробное тело, расположенное между пластинами конденсатора с возможностью свободного перемещения между ниии, устройство индикации расположения пробного тела и регулируемый источник напряжения, подключенный к пластинам конденсатора, а также тем,. что его измерительное устройство выполнено в виде двухкоординатного позиционно-чувствительного фотоприемника, источника света и оптичес- . кой системы, ось которой. проходит через центр плоского"конденсатора, Пробное тело выполнено в виде полого шара с внешней зеркальной элек-. тропроводящей поверхностью и проэрачным электропроводящим окном, а внутри пробного тела жестко укреплен постоянный магнит с закрепленными на . нем зеркалами, ориентированный вдоль оси прозрачного окна, причем центр тяжести пробного тела с магнитом и зеркалами .совмещен с геометрическим центром шара.

Устройство индикации расположения пробного тела выполнено в виде однокоординатного позиционного чувствительного фотоприемника, усилителя, подключенного входом K выходу фотоприемника и выходом - к пластинам плоского конденсатора, источника света и оптической систеьы, ось которой проходит через центр плоского конденсатора и перпендикулярна к нормали, соединя ощей пластины конденсатора.

На чертеже схематически представлен магнитный компас"инклинатор. Устройство содержит пробное тело 1 с окнами 2 и 3, постоянным магнитом 4, стойкой 5 и зеркалами 6 и 7, а также плоский конденсатор с пластинами 8 и

9 и центрируащими вставками, выполненными в виде электропроводящих- конических насадки 10 и выемки 11,. верS 10121 шины которых направлены в одну сторону, устройство индикации расположения пробного тела с источником света

12, оптической системой 13, однокоординатным позиционночувствительным фотоприемником (ПЧф ) 14 и усилителем .

15, измерительное, устройство с источником света 16, оптической системой

17 и двухкоординатным ПЧФ 18. Пово" ротное устройство на чертеже не пока- 1в зано.

Пробное тело 1 представляет собой полый шар, выполненный из стекла с внешним прозрачным электропроводящим покрытием. Для удобства изображения - - часть шара на чертеже не по8 казана. Внутренняя поверхность оболочки шара имеет светоотражающее покрытие, за исключением двух диаметрально противоположных круглых окон

2 и 3, вследствие чего шаровая поверхность является зеркальной, кроме прозрачных окон 2 и 3. Внутри пробного тела 1 укреплен постоянный маг"

3S нит 4 с помощью жесткой стойки 5, 2$ причем ось магнита 4 совпадает с ocRми окон 2 и 3. Северный полюс Й магнита 4 обращен к окну 2, а южный полюс S магнита 4 - к окну 3. На торцах центре между пластинами 8, 9 плоского конденсатора. Пластины 8 и 9 перпендикулярны оси ZZ которая является

f осью плоского конденсатора, Оси конической насадки 10 и конической выемки 11 совпадают с осью плоского конденсатора. Ось оптической системы

13 ориентирована вдоль оси УУ! . Од" нокоординатный ЛЧФ, 14 выполнен в ви-. де двухплощадочного дифференциального фоторезистора, плоскость чув-. ствительного слоя которого пррпендикулярна оси УУ, а граница разде" ла площадок ориентирована параллельно оси ХХ и пересекает ось УУ . Ось оптической системы 17 проходит через начало координат и может быть ориентирована в пространстве произвольно с помощью поворотного устройства.

Двухкоординатный ПЧф 18 представляет собой фотоприемник с радиальным элекмагнита 4 укреплены идентичные зерка- зв ла 6 и 7, плоскости которых перпен" дикулярны оси магнита 4. Центр тяжести закрепленных вместе магнита 4, стойки 5, зеркал 6 и 7 совпадает с геометрическим центром шара.

Геометрические оси устройства ХХ .

УУ, ZZ взаимно перпендикулярны, Нача" ло координат 0 системы ХУ2 задано в

72 6 трическим полем. Плоскость чувствительного слоя фотоприемника 18 нерпе дикулярна оси оптической системы 17, а центральный модулирующий электрод расположен на оси оптической системы 17.

Пробное тело 1 и пластины 8 и 9 плоского конденсатора размещаются в прозрачном вакуумированном баллоне (на чертеже не показан).

Ось ZZ устройства ориентируют вер тикально таким образом, чтобы вершины конусов насадки 10 и выемки ll были обращены .вниз. Тогда пластина

8 является верхней, а пластина 9 нижней. Пробное тело 1 размещают на нижней пластине 9 в конической выемке

11, при этом геометрический центр шара совпадает с осью ZZ . Ha пластины

8 и 9 плоского конденсатора подают определенную разность потенциалов от регулируемого источника напряжения, не показанного на чертеже. Так как внешняя электропроводящая поверхность пробного тела 1 приобретает потенциал нижней пластины 9 плоского конденсатора, то на пробное тело

1, помимо силы тяжести, направленной вертикально вниз, действует кулоновская сила, направленная вертикально вверх. Разность потенциалов на пластинах 8 и 9 плоского конденсатора задают такой величины, чтобы эти две силы уравновешивали друг друга.

Луч света от источника света 12, пройдя через оптическую систему 13 и отверстие в центре фотоприемника

14, падает на зеркальную шаровую поверхность пробного тела .1 и, отразившись от нее, попадает на чувствительный слой фотоприемника 14, Так как в исходной позиции центр шара находится ниже начала координат, то отраженный луч света смещен вверх относительно границы раздела площадок фотоприемника 14, включенных по дифференциальной схеме, и фотоприемник 14 формирует электрический сигнал рассогласования положительного знака по координате Z. Этот сигнал подается на вход усилителя 15, который преобразует сигнал во вспомогательную разность потенциалов и подает ее на пластины 8 и 9 плоского конденсатора, Суммарная разность потенциалов на пластинах 8 и 9 возрастает, кулоновская сила превосходит силу тяжести, и пробное тело 1 начинает перемещаться вверх. Когда

7 1012172 8 геометрический центр пробного тела зеркал 6, 7 - перпендикулярно векто1 достигает плоскости ХОУ, луч све- ру Т. Измерительное устройство врата от источника света l2, отраженный щают относительно начала координат от поверхности шара, попадает на гра- с помощью поворотного устройства до ницу раздела площадок фотоприемника $ тех пор, пока луч света от- источника

14 и сигнал рассогласования становит- . света 16, пройдя оптическую систему ся равным нулю. Вспомогательная раз- 17, отверстие в центре фотоприемника ность потенциалов на выходе усили- 18 и окно 2, не упадет на зеркало 6 теля 15 также равна нулю, и движе- под прямым углом. При этом луч отрание пробного тела 1 вверх прекраща- !о жается от зеркала 6 вдоль оси оптиется. Если геометрический центр шара ческой системы 17, и сигналы рассогла" находится выше плоскости ХОУ, то сования по обеим координатам в плослуч света от источника 12 отражается кости фотоприемника 18 равны нулю. вниз относительно границы раздела Это положение соответствует совпаде. площадок фотоприемника 14, и сигнал )$ нию оси оптической системы 17 с векрассогласования имеет отрицательный тором Т. Контроль осуществляют с познак. Разность потенциалов на пласти- мощью соответствующих индикаторов нах 8, 9 конденсатора уменьшается, тока, подключенных к выходам фотои это выЬывает перемещение пробного приемника 18. Величины склонения и тела 1 вниз.. Таким образом, устрой- рв наклонения считываются с помощью соство индикации расположения пробно- . ответствующих лимбов поворотного устго тела автоматически удерживает проб- ройства. Окно 3 и зеркало 7 также ное тело 1 в плоскости ХОУ. В этом позволяют осуществлять измерения с, положенйи луч света or источника 12, введением поправки на 180о, Так как как падающий, так и отраженный, пер- у$ измерения осуществляются в компенсапендикулярен к шаровой повеРхности и . ционном режиме, когда не только падане испытывает преломления в стеклян- - ющий, но и отраженный луч от источни".. ной оболочке шара. ка света 16 перпендикулярен сферичесУстойчивость пробного тела 1 or кой поверхности пробного тела, то носительно оси ZZ обеспечивается M преломления лучей в стеклянной оболочза счет аксиально-симметричного рас- ке шара в этой позиции не происходит. пределения потенциала вокруг оси. кон- С этой же целью прозрачной оболочке денсатора, пластины которого содержа1 вакуумированного баллона придают форо центрирующие насадку 10 и выемку 11., му шара, центр которого совпадает с

Центрирующее.воздействие. на пробное началом координат.

3$ тело 1 создается горизонтальными сос- Проведенные оценки показывают, что тавляющими электрического поля кон- точность измерений магнитного склонеденсатора; направленными к или от ния и наклонения с помощью рассматриоси ZZ ; учитывая, что.пробное тело ваемого устройства увеличивается в

1 имеет заряд, совпадающий по знаку 200-300 раз по сравнению с прототипом

Ю

io .с зарядом нижнеи пластины 9.. и составит 10 кругловой секунды.

В результате совместного использо. : -Предлагаемое устройство может быть вания устройства индикации расположе- использовано. в качестве приставки для ния " пробного тела и центрирующих . абсолютных. квантовых магнитометров, вставок геометрический центр. пробного с помощью которых измеряется модуль тела 1 удерживается в начале координат.» полного вектора геомагнитного поля., 4$

Так как центр тяжести пробного те- Результаты измерений в таком сочетала 1 совпадает с его геометрическим нии позволяют вычислить главные комцентром, а электрический заряд рас- -- поненты геомагнитного поля с высокой пределен на поверхности шара равно- степенью точности, пока недостижимой мерно (причем электрическое поле внут- с помощью известных типовых средств. ри шара равно нулю), то направление . Увеличение точности измерений обесориентифования свободно подвешенно- печиваемое данным предложенйем, позвого пробного тела определяется-исклю- . лит повысить эффективность поисковых чительно магнитным. полем. Ось магнита, работ на нефть, газ, и другие полез4 ориентируется вдоль полного векто- $$ ные ископаемые за счет повышения .точ" ра Т геомагнитного поля, а плоскости - ности компонентных магнитных съемок. ВНИИПИ Заказ 2754/56 Тираж 708 Подписное

Филиал ППП ".Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,