Устройство для воспроизведения заданных значений магнитной индукции

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЗАДАННЫХ ЗНАЧЕНИЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ, содержащее ориентированную по магнитному полю Земли эталонную катутку с двумя последовательно согласно включенными секциями, первую катушку компенсации, две секции которой включены последовательно согласно , расположены между секциями эталонной катушки и соосны им, вторую катушку компенсации с двумя секциями, включенными последовательно согласно, распол-оженными на заданном расстоянии от секций эталонной катушки и соосьыми им, токозадающую катушку с двумя встречно-последовательно включеннымисекциями, расположенными между секциями второй катушки компенсации и соосными им, первый и второй регулируемые источники тока, идентичные первый и второй квантовые преобразователи, сумматор частот, первый и второй фазовые детекторы , а также синтезатор частот. при этом выход синтезатора частот соединен с первым входом второго фазового детектора, выходы первого и второго квантовых преобразователей соединены с входами сумматора частот и первого фазового детектора, при этом выход сумматора частот соединен с вторым входом второго фазового детектора , а выход первого фазового детектора соединен с входом второго регулируемого источника тока, при этом эталонная и токозадающая катушки соединены последовательно и образуют цепь первого регулируемого источника тока, а первая и вторая катушки-компенсации образуют цепь второго Q регулируемого источника тока, отличающееся тем, что, с целью повышения точности в условиях интенсивных промьшшенных помех, устройство содержит третий квантовый § преобразователь, идентичный первому и второму, устройство управления и измерения разностей частот первый Nnoi и второй ключи, устройство сравненения и сигнализации, при этом третий квантовый преобразователь расположен на расстоянии от 0,2 до 1,2 ;о 4 радиуса эталонной катушки от ее геометрического центра, при этом выхо ды квантовых преобразователей соединены с входами устройства управления и измерения разностей частот, кодовый выход которого соединен с входом устройства сравнения и сигнализации , а выход управления соединен с управляющими входами первого и второго ключей, включенных в цепи соответственно первого и второго регулируемых . источников тока .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

MWI

РЕСГ1УБЛИК .

3(59 G 01 V 3/4g

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТСИСИСМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3382318/18-25 (22) 13.01.82 (46) 23.04.84. Бюл. В 15 (72) А.И. Иваница (71) Специальное конструкторское бюро физического приборостроения

АН СССР (53) 621.31 ° .421(088.8) (56) 1. Алексеев В.В., Никонов А.И.

Основные результаты по усовершенствованию и созданию геофизической аппаратуры. В сб. "Геофизическая аппаратура", Л. "Недра", 1968, вып. 36, с. 16.

2. Авторское свидетельство СССР

У 811187, кл. G 01 V 3/40, 1981 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЗАДАННЫХ ЗНАЧЕНИЙ МАГНИТНОЙ

ИНДУКЦИИ, содержащее ориентированную по магнитному полю Земли эталонную катушку с двумя последовательно согласно включенными секциями, первую катушку компенсации, две секции которой включены последовательно согласно, расположены между секциями эталонной катушки и соосны им, вторую катушку компенсации с двумя секциями, включенными последовательно согласно, расположенными на заданном расстоянии от секций эталонной катушки и соосьыми им, токозадающую катушку с двумя встречно-последовательно включенными. секциями, расположенными между секциями второй катушки компенсации и соосными им, первый и второй регулируемые источники тока, идентичные первый и второй квантовые преобразователи, сумматор частот, первый и второй фазовые детекторы, а также синтезатор частот, „„SU„„1087943 А при этом выход синтезатора частот соединен с первым входом второго фазового детектора, выходы первого и второго квантовых преобразователей соединены с входами сумматора частот и первого фазового детектора, при этом выход сумматора частот соединен с вторым входом второго фазового детектора, а выход первого фазового детектора соединен с входом второго регулируемого источника тока, при этом эталонная и токозадающая катушки соединены последовательно и образуют цепь первого регулируемого источника тока, а первая и вторая катушки компенсации образуют цепь второго регулируемого источника тока, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности в условиях интенсивных промьппленных помех, устройство содержит третий квантовый преобразователь, идентичный первому и второму, устройство управления и измерения разностей частот, первый и второй ключи, устройство сравненения и сигнализации, при этом третий квантовый преобразователь расположен на расстоянии от 0,2 до 1,2: радиуса эталонной катушки от ее геометрического центра, при этом выходы квантовых преобразователей соединены с входами устройства управления и измерения разностей частот, кодовый выход которого соединен с входом устройства сравнения и сигнализации, а выход управления соединен с управляющими входами первого и второго ключей, включенных в цепи соответственно первого и второго регулируемых .источников тока..

1087943!

5!

Изобретение относится к геофизике, в частности к метрологическому обеспечению геофизических измерений, и может быть использовано для получения эталонных значений магнитной индукции слабых магнитных полей.

Известно устройство для воспроизведения заданных значений магнитной индукции, содержащее регулируемый источник, эталонную катушку, исполь- 10 зуемую при поверке геофизической аппаратуры (1 5.

Недостатком данного устройства является низкая точность.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство .для воспроизведения заданных значений магнитной индукции, содержащее ориентированную по

20 магнитному полю Землю эталонную катушку с двумя последовательно согласно включенными секциями, первую катушку компенсации, две секции которой включены последовательно-соглас25 но, расположены между секциями эталонной катушки и соосны им, вторую катушку компенсации с двумя секциями, включенными последовательно согласно, расположенными на заданном

30 расстоянии от секций эталонной катушки и соосными им, токозадающую катушку с двумя встречно-последовательно включенными секциями, расположенными между секциями второй катушки компенсации и соосными им, пер З5 вый и второй регулируемые источники тока, идентичные первый и второй квантовые преобразователи, сумматор частот, первый и второй фазовые детекторы, а также синтезатор час- 40

О 40 тот, при этом выход синтезатора частот соединен с первым входом второго фазового детектора, выходы первого и второго квантовых преобразо- . вателей соединены с входами сумма- 45 тора частот и первого фазового детек тора,при этом выход, сумматора частот соедйнен с вторым входом второго фазового детектора, а выход первого фазового детектора соединен с входом 50 второго регулируемого источника тока, при этом эталонная и токозадающая катушки соединены последовательно и образуют цепь первого регулируемого источника тока, а первая и вто-55 рая катушки компенсации образуют цепь второго регулирующего источника тока (23.

Недостатком известного устройства является низкая точность в условиях интенсивных промьпил нных помех, обусловленная нестабильностью неском пенсированного остатка магнитного поля Земли (ИПЗ) в рабочем объеме эталонной катушки.

Цель изобретения — повышение точности в условиях интенсивных промыш- . ленных помех.

Указанная цель достигается тем, что устройство для воспроизведения заданных значений магнитной индукции, содержащее. ориентированную по магнитному полю Земли эталонную катушку с двумя последовательно соглас но включенными секциями, первую катушку компенсации, две секции которой включены последовательно согласно, расположены между секциями эталонной катушки и соосны им, вторую катушку компенсации с двумя секциями, включенными последовательно согласно, расположенными на заданном расстоянии от секций эталонной катушки и соосными им, токозадающую катушку с двумя встречно-последовательно включенными секциями, расположенными между секциями второй катушки компенсации и соосными им, первый и второй регулируемые источники тока, идентичные первый и второй квантовые преобразователи, сумматор частот, первый и второй фазовые детекторы, а также синтезатор частот, при этом выход синтезатора частот соединен с первым входом второго фазового детектора, выходы первого и второ" го квантовых преобразователей соединены с входами сумматора частот и первого фазового детектора, при этом выход сумматора частот соединен с вторым входом второго фазового детектора, а выход первого фазового детектора соединен с входом второго регулируемого источника тока, при этом эталонная и токозадающая катушки соединены последовательно и образуют цепь первого регулируемого источника тока,а первая и вторая катушки компенсации образуют цепь второго регулируемого источника тока, содержит третий квантовый преобразователь, идентичный первому и второму, устройство управления и измерения разностей частот, первый и второй ключи, устройство сравнения и сигнализации, при этом третий квантовый пре1087943 образователь расположен на расстоянии от 02 до 1,2 радиуса эталонной катушки от ее геометрического центра, при этом выходы квантовых преобразователей соединены с входами устройства управления и измерения разностей частот, кодовый выход которого соединен с входом устройства срав чения и сигнализации, а выход управления соединен с управляющими входами первого и второго ключей, включен ных в цепи соответственно первого и второго регулируемых источников тока.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит эталонную катушку 1 магнитной индукции, соосную с первой катушкой 2 компенсации магнитного поля Земли, ориентированные по его направлению. Две идентичные встречно-последовательно включенные секции 3 и 4 токоэадающей катушки, соосные с второй катушкой 5 компенсации, ориентированы по ИПЗ и удалены от эталонной катушки 1 и первой катушки 2 компенсации на расстояние, обеспечивающее исключение влияния системы секции 3 и 4 токозадающей катушки и второй катушкой

5. Устройство содержит также два регу лируемых источника тока 6 и 7.Внутри рабочих объектов секций 3 и 4 токозадающих катушек помещены идентичные квантовые преобразователи 8 и.

9 магнитной индукции в частоту.

Кроме того, устройство включает сумматор 10 частот, первый и второй фазовые детекторы 11 и 12, синтезатор 13 частот, квантовый преобразо ватель 14, устройство 15 управления .и измерения разностей частот, ключи

16 и 17, устройство 18 сравнения и сигнализации.

Устройство работает. следующим об" разом.

Значение тока б эталонной катушки ", при замкнутом первом ключе 16 стабилизируется первой цепью автоматического регулирования; состоящей из первого регулируемого источника

6 тока, эталонной катушки 1, секций

3 и 4 токозадающей катушки, квантовых преобразователей 8 и 9, сумматора 10 частот, второго фазового детектора 12 и синтезатора 13 частот

В основу воспроизведения магнитной индукции положено соотношение

В = K J+BBt где К - постоянная эталонной катушЭ ки, в рабочем объеме кото5 рой создается заданное значение магнитной индукции;

- сила тока, поддерживаемая с высокой точностью на заданном определенном

10 уровне;

Ь — нескомпенсированный остаток

МПЗ в рабочем объеме эталонной катушки.

Благодаря идентичности и встречному включению секций 3 и 4 токозадающей катушки в рабочих объемах послед. них создается магнитное поле:

В„= K„3+5B В = KJ-ЬВ, 20 где К,- — постоянная секций 3 и 4 токозадающей катушки. Квантовые преобразователи 8 и 9 вырабатывают сигналы с частотами:

Е„ГВ иf, =ГВз, где à — фундаментальная константа атомов рабочего-вещества пре

30 образователей.

На выходе сумматора 10 частот выделяется сигнал, частота которого во втором фазовом детекторе 12 сравнивается с опорной частотой, постуЗ5 пающей с синтезатора 13 частот. С вы. хода второго фазового детектора 12 вырабатывается сигнал, управляющий первым регулируемым источником 6 то-. ка таким образом, чтобы выполнялось .10 условие f = f0, багодаря чему значение частоты f определяет значение тока:

2ГК

Значение, коэффициента пропорциональ„Х ности .2,„ определяется при аттестации устройства.

50 Магнитное поле Земли компенсирует ся при замкнутом втором ключе 17 > второй цецью автоматического регулирования, состоящей из первой и второй катушек компенсации 2 и 5 втор го регулируемого источника 7 тока, секций токозадающей катушки 3 и 4, квантовых преобразователей 8 и 9 и первого фазового детектора 11. Благо

1087943

ЬВ13 В1

ЬВ1 = В1 — В2

Устройство 15 управления и измере ния разности частот измеряет с достаточной точностью разность частот

f — f u f — f за время, пропор3 1

1 циональное коэффициенту —, получая

Э таким образом отсчеты значений ЬВ„ и д В1g в единицах магнитной индукции. С выхода цифрового кода устройства 15 управления и измерения разности частот кода значений ДВ15 и

hB поступают в устройство 18 сравнения и сигнализации, где они сравниваются с кодами ЬВ„ иЛВ., полученными ранее.

% даря ориентации всех катушек по МПЗ и эквивалентности катушек 2 и 5 компенсации последними создаются одинаковые поля, равные и направленные противоположно МПЗ. Сигнал с выхода 5 первого фазового детектора 11 следит эа изменениями МПЗ, управляя током второго регулируемого источника 7 таким образом, что выполняется условие равенства частот Е„ = f, с выходов квантовых преобразователей 8 и

9, что равносильно полной компенсации МПЗ. В рабочем объеме эталонной катушки 1 компенсируется та часть

МПЗ, информация о которой получена в области расположения квантовых пре.образователей 8 и 9.

В отсутствие промышленных помех изменение МПЗ в рабочем объеме эталонной катушки 1 идентично с достаточной точностью измерению МПЗ в области расположения квантовых преобразователей 8 и 9 (расстояиие между эталонной катушкой 1 и секциями

3 и 4 токозадающей катушки достигает 10 и 25 м).

При наличии промышленных помех, вызванных, например, передвижением магнитных масс (автомобили, приборы) изменением нагрузки в силовых кабелях, изменением во времени растекания земных токов, и т.д., в рабочем объеме эталонной катушки 1 будет компенсироваться только та

35 часть помехи, амплитуда которой воздействовала на квантовые преобразователи 8 и 9. Вследствие того, что помеха, вызванная, например, магнитной массой, затухает в кубической зависимости от расстояния, то она по разному проявляется в рабочем объеме эталонной катушки 1 и области расположения квантовых преобразователей 8 и 9 ° Изменение помехи в точках расположения квантовых преобразователей 8 и 9 тоже приведет к ошибке воспроизведения, хотя вероятность появления такой помехи меньше иэ-за малого расстояния между преоб50 разователями 8 и 9 (оно лежит в пределах 0,4 и 4 м).

Слежение за магнитной обстановкой заключается в измерении раэнос55 ти магнитной индукции между точками расположения квантовых преобразователей 8 и 14, 8 и 9 в режиме отключенных токов компенсации МПЗ и эталонного в соответствии с соотношениями где ЬВ„и Ю В вЂ” разность значения магнитной индукции . МП между 8 и 14 и 8 и

9 преобразователями соответственно;

ВЗ,В2,В3 - значения МПЗ в точках расположения квантовых преобразователей

8, 9, 14 соответственно.

В отсутствие помех величины В., В2 будут изменяться одинаково,а зна-. чения ЬВ„ иЬВ„ будут неизменны во времени.

Наличие помех приведет к неодинаковому изменению величины B В, и

В» что:в свою очередь приведет к из. менению значений ЬВ„ иЬВ1>.,Измеряя периодически значения Ь В иьВ„ и сравнения их с измеренными ранее зна. чениями, например при аттестации, предупреждают ошибки в воспроизведении заданных значений магнитной ин дукции, вызванные промышпенными помехами.

По заданному циклу устройство 15 управления и измерения разности частот вырабатывает по управляющему выходу сигнал на размыкание первого и второго ключей 16 и 17, в результате чего каждый из квантовых преобразователей находится под воздействием МПЗ и возможной помехи. Частота на выходе каждого из преобразователей равна:

2 2 3 3

7 108

Если значения В„ nhB отличаются от ранее измеренйых более, чем на заданный предел (предел обычно равен единице младшего разряда кодов hB и в В ), устройство 18 сравнения и сигнализации выг-. атывает сигнал об изменившейся магнитной обстановке, указывающей оператору на появление эшибки в значении магнитной индукции, воспроизводимой устройством.

Коды ранее измеренных значений йВ1 и Л В1 набираются в устройстве 18 сравнения и сигнализации при помощи, например, программных переключателей

Использование трехквантовых преоб разователей позволяет повысить точность воспроизведения значений и индукции, поскольку расстояние между эталонной катушкой 1 и токоэадающимн катушками 3 и 4 лежит в пределах от 10 до 25 м, а расстояние между квантовыми преобразователями 8 и 9 — от 0,4 до 4 м. Магнитная помеха затухает пропорционально кубу расстояния от источника, поэтому, на базе 0,4 м она может быть не зарегистрирована, а на базе 10.м она

7943 8 будет превышать допустимый предел.

Пусть, например, помеха затухает на

0,1 нТл на расстоянии 1 м, разрешающая способность измерения разности равна О, 1 нТл. При базе в 0,4 м помеха вызовет изменение на 0,04 нТл, а на базе 10 м она вызовет изменение в 1 нТл, что приведет к ее регистрации при изменении раэнос10 ти QB .

Возможны случаи возникновения помехи, которая.эквидистантна к квантовым преобразователям 8 и 9 и неэк15 видистантна к квантовому преобразователю 1.4, или же помехи, которая эквивалентна квантовым преобразователям 8 и 14, но затухает в направлении расположения квантовых преоб20 разователей 8 и 9.

Изобретение позволяет повысить точность воспроизведения заданных значений магнитной индукции в усло" виях интенсивных промышленных помех

25 благодаря использованию. трех квантовьм преобразователей для слежения за магнитной обстановкой.

1087943

Составитель В. Попадько

Техред Т.Фанта Корректор О. Тигор

Редактор С. Лыжова

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 26б?/43 Тираж ?11 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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