Способ синхронизации момента включения поляризующего поля протонного магнитометра
Изобретение относится к магнитным измерениям с помощью протонного магнитометра , например, при поиске полезных ископаемых. Способ синхронизации момента включения поляризующего поля протонного магнитометра реализован в устройстве, содержащем датчик 1, блок (Б) 2 конденсаторов настройки, усилитель 3 сигнала , преобразователь 4 частота - код, генератор 5 эталонной частоты, схему (С) 6 синхронизации , пересчетную С 7, формирователь 8 тока поляризации, Б 9, 10 постоянной памяти, регистр 11 кода настройки , вычислительный Б 12 и командный Б 16. Включают ток поляризации с задержкой по отношению к нулевой фазе сигнала прецессии и устанавливают длительность задержки, кратной целому числу периодов прецессии, измеряют фазовые сдвиги, создаваемые колебательным контуром и усилителем сигнала, запоминают измеренное в данном цикле значение периода прецессии и задерживают включение поляризующего поля на время, пропорциональное измеренным фазовым сдвигам в каждом цикле и разности между значениями периода прецессии , измеренного в данном и в предыдущем циклах измерения. Способ имеет высокую точность синхронизации. 4 ил.
- СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕНЮЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3920247/21 (22) 28.06.85 (46) 23.05.93. Бюл. hL 19 (71) Научно-производственное объединение "Рудгеофиэика" (72) Б.И.Смирнов, Н.Б.Клепер и Г.Я.Яковлев (56) Авторское свидетельство СССР ЬЬ 705989. кл. G 01 R 33/00, 1979. Патент США NÜ 3443207, кл. G 01 R 33/24, 1969. (54) СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ МОМЕНТА ВКЛЮЧЕНИЯ ПОЛЯРИЗУЮЩЕГО ПОЛЯ ПРОТОННОГО МАГНИТОМЕТРА (57) Изобретение относится к магнитным измерениям с помощью протонного магнитометра, например, при поиске полезных ископаемых. Способ синхронизации момента включения поляриэующего поля протонного магнитометра реализован s устройстве, содержащем датчик 1, блок(Б) 2 конденсаторов настройки, усилитель 3 сигИзобретение относится к магнитным измерениям с помощью протонного магнитометра, используемого, например, при поиске и разведке полезных ископаемых. Целью изобретения является повышение точности синхронизации. На фиг.1 приведена фаэочастотная характеристика колебательного контура и anи роксимирующа я фун кция; на фиг.2фазочастотная характеристика усилителя и аппроксимирующая функция; на фиг.3- зависимость полосы расстройки колебательного контура от значений резонансной частоты при выбранном относительном снижении уровня сигнала и среднем значении добротности колебательного контура; нв ЬЦ 1393104 А1 нала, преобразователь 4 частота — код, генератор 5 эталонной частоты, схему (С) 6 синхронизации, пересчетную С 7, формирователь 8 тока поляризации, Б 9, 10 постоянной памяти, регистр 11 кода настройки, вычислительный Б 12 и командный Б 16. Включают ток поляризации с задержкой по отношению к нулевой фазе сигнала прецессии и устанавливают длительность задержки, кратной целому числу периодов прецессии, измеряют фазовые сдвиги, создаваемые колебательным контуром и усилителем сигнала, запоминают измеренное в данном цикле значение периода прецессии и задерживают включение поляризующего поля на время, пропорциональное измеренным фазовым сдвигам в каждом цикле и разности между значениями периода прецессии, измеренного в данном и в предыдущем циклах измерения. Способ имеет высокую точность синхронизации. 4 ил. фиг.4 — блок-схема варианта устройства для реализации способа. еЛ Способ включает следующие операции. () Рабочий диапазон частот прецессии ц) разбивают на поддиапаэоны, выбирают для каждого поддиапазона центральную резонансную частоту, подбирают для каждой резонансной частоты конденсатор с емкостью, необходимой для настройки ко- .Рь лебательного контура в резонанс. При конкретной реализации способа для вычисления фазовых сдвигов, создавае- з мых колебательным контуром и усилителем с полосовым фильтром, их реальные фаэочастотные характеристики, представляющие собой обратные тригонометрические функ3 1393104 4 ции вида p=- агсщГ(Т 1р), аппраксимируют Допустимая абсолютная погрешность отрезками прямых. При этом учитываются вычисления фазовых сдвигов + и гл „, не следующие условия. превышает 5. - 31(Tnpl Тр) 2 л npl р ITnpi T, (Ьт.р а2(Тпр1 Tp) +. p(p slgrl{Tnpl —. Tp) Tnpl с1 + pic npu Tnpl > Тпр.гр., 2л Тпр! при (Тпр - Tp I > bTnpl, 2 тг — — с2 при Tnpl — Tnp.гр, ( npl Та =- BTnpi (у » + (1 Ус) Тпр1(Тп i Тпр!-1 Тмзмер — 1) . n, Tnpl Тцикла Изменение добротности колебательного контура в рабочем диапазоне частот не превышает 10-15 („что приводит к изменениям гл», не превышающим Зо. ФаЗОВЫй СДВИГ Г1Р к, СООтВЕтСтВУЮЩИй максимальной частотной расстройке контура при изменении частоты, не превышает 60-70 .. где фк — фазовый сдвиг, создаваемый колебательным контуром, 20 с — фазовый сдвиг, создаваемый усилителем; п = 1. 2, 3...; а1, а2 — коэффициенты, характеризующие наклон аппроксимирующей функции фук, Ь вЂ” коэффициент, определяющий положение точки изменения наклона аппроксимирующей функции py», С1, С2 — коэффициенты, характеризую, щие наклон аппроксимирующей функции P yc, ЭО ,л ко, p yc - значения аппроксимируюЩИХ фУНКЦИй P к И P yC ПРИ НУЛЕВОЛ1 ЗНаЧЕнии аргументов; T — длительность интервала задержки; Tnpl — сРеДнЯЯ ДлитЕльность пеРиоДа прецессии, измеренного в текущем цикле; Тпр,гр. — граничное значение периода прецессии, определяющее положение точки изменения наклона аппроксимирующей функции(ус Тр значе1111е г1еР!1оДа Рвзонансной частоты выбранного рабочего поддиапазона; Тизмар — длительность времени измерения периода прецессии; Тцикаа длительность цикла работы магнитометра. и Требуемая крутизна скатов амплитудно-частотной характеристики усилителя обеспечивается с помощью фильтров 2-го порядка. Исходя из указанных условий при формировании аппроксимирующих функций сделаны следующие допущения: добротность колебательного контура считают постоянной и равной ее среднему значению в рабочем диапазоне частот; фазочастотную характеристику усилителя формируют с помощью одинакового числа дифференцирующих и интегрирующих RC-цепей, при этом все частоты среза дифференцирующих цепей совмещают в общую частоту среза f1, а все частоты среза интегрирующих цепей совмещают в общую частоту среза fz, причем fz > fi Частоты среза f> и fp выбирают такими, чтобы на граничных частотах рабочего диапазона уровень сигнала по напряжению уменьшался не более, чем на 50 относительно уровня на центральной рабочей частоте. Учитывая сделанные допущения, фазочастотные характеристики колебательного контура и усилителя аппроксимируют двумя отрезками прял1ых, причем одна иэ прямых проходит через начало координат(фиг.1 и 2). Угол наклона аппроксимирующих прямых выбирают таким образом, чтобы их максимальное отклонение от реальной фазочастотной характеристики не превышало 5О. Затем определяют частотные границы поддиапазонов, на которые разбивают область рабочих частот магнитометра. Для этого, подбирая емкость конденсатора настройки, настраивают колебательный контур в резонанс на отдельных выбранных из рабочего диапазона постепенно возрастающих по значению частотах. определяют на этих частотах добротность колебательного контура и выбирают среднее значение до, бротности Qcp. Затем. задаваясь допустимым значением относительного снижения уровня сигнала и при отклонении частоты 1393104 от резонансной, например - 0.95. определяют зависимость значений частотных расстроек hf от значений резонансной частоты f0 при выбранных Qep u hf по формуле Л f - ter После этого. выбирая дискретность изменения Af, например, 1 Гц, разбивают всю область рабочих частот, считая, что любая иэ рабочих частот может оказаться резонансной, на одинаковые по протяженности участки-диапазоны. ширина которых определяется в соответствии с выбранной дискретностью Л f (фиг,3). Каждый из диапазонов. в свою очередь, разбивают на равные по протяженности участки-поддиапаэоны. причем ширина поддиапазона. лежащего внутри данного диапазона. равна (или не превышает) значению Л f, определяющему этот диапазон. Внутри каждого поддиапазона выбирают центральную частоту и подбирают для каждой иэ этих частот конденсатор с емкостью, необходимой для настройки колебательного контура в резонанс. Затем нумеруют одинаковыми номерами нижние частотные границы поддиапазонов, соседние с ними резонансные частоты и выбранные для этих частот и настроечные конденсаторы и записывают в память значения граничных частот поддиапазонов и периоды резонансных частот, а также коэффициенты, характеризующие углы наклона аппроксимирующих прямых, коэффициенты и значения аргументов, определяющих положение точек изменения наклона аппроксимирующих функций и значения аппроксимирующих функций при нулевом значении аргумента. Вместе с этими постоянными в память заносятся значения длительности времени измерения периода, значение длительности цикла работы магнитометра и число и целых периодов прецессии, укладывающихся в интервале задержки Тз. Последние три постоянные позволяют учесть влияние изменения частоты, выражающееся в отличии измеренного среднего эа время Тизыфр значения периода прецессии от мгновенного значения, предшествующего моменту включения тока поляризации. Указанное отличие в длительности периодов A Т представляет собой выраженный в единицах времени фазовый сдвиг, накапливающийся за один период прецессии при формировании интервала задержки. Если изменение частоты происходит с Af постоянной скоростью k - -, то отличие съем 55 в длительности периодов AT. определяется выражением A T Твычиса — Тмгн. I Твычисл. I. 1 + Тизмер Твычисл где Твычисл. Tnpl вычисленное в текущем цикле среднее значение периода прецессии. Тмги, мгновенное значение периода прецессии, предшествующее моменту начала формирования интервала Тз. 1 !с 1 изме Поскольку » вЂ” -, выравычисл 2 жение для AT преобраэовывается к виду Ьт — -КТО- т,„„в За пвычисленных периодов прецессии,,укладывающихся на интервале задержки, набег фаз составит n b Т. Число и определяется, исходя из нес5ходимой длительности задержки Тз, определяемой временем срабатывания реле, отключающего усилитель и конденсатор настройки магнитометра от катушки датчика на время действия тока поляризации. Типовое значение необходимой длительности задержки составляет 5 — 10 мс. Значение и определяют как целую часть отношения необходимой длительности задержки к значению периода прецессии, вычисленного в текущем цикле работы магнитометра. При необходимом времени задержки 5 мс число и в диапазоне рабочих частот лежит в пределах от 5 до 25. Таким образом, учитывая, что k - — (— — — — - ), набег фаз, 1 1 1 Тцикла пр! пр1:1 накапливающийся эа время формирования интервала задержки AT n, определяется выражением Тизмер B процессе функционирования магнитометра поиск номера поддиапаэона, соответствующего измеряемому значению индукции, сопровождается последовательным перебором номеров поддиапазонов соответствующих конденсаторов, настройки контура и частотных границ поддиапаэонов. При этом возможны два варианта. Сигнал прецессии отсутствует. В этом случае перебор номеров поддиапазонов, их нижних частотных границ и конденсаторов настройки контура производят с изменением на единицу раз в цикле и г родолжают до появления сигнала на выходе усилителя, Сигнал прецессии найден и измерено значение индукции в предыдущем интервале измерения. 8 этом случае перебор номеров поддиапазонов, их частотных границ и 1393104 10 20 ды настройки, с помощью которых включа- 45 50 конденсаторов настройки производят в каждом цикле до начала измерения до тех пор, пока значение индукции, соответствующее одной из нижних частотных границ поддиапазонов, не превышает значения индукции, измеренного в предыдущем интервале измерения. По найденному номеру поддиапазона выбирают иэ памяти соответствующее значение периода резонансной частоты найденного поддипаэона, после чего измеряют среднее значение периода пре-, цессии Т р и записывают его в оперативную память с целью определения значений ЛТ в следующем цикле измерения, а затем, извлекая из постоянной памяти параметры аппроксимирую.цих функций, а также значение периода прецессии, измеренного в предыдущем цикле, вычисляют фазовый сдвиг, создаваемый колебательным контуром р <, фазовый сдвиг, создаваемый усилителем ру,„набег фаз, определяемый градиентом индукции п ЛТ, и значение длительности Т>. Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.4), содержит датчик 1, блок 2 конденсаторов настройки, усилитель 3, преобразователь 4 частота-код, генератор 5 эталонной частоты, схему 6 синхронизации, пересчетную схему 7, формирователь 8 тока поляризации, первый блок 9 постоянной памяти, второй блок 10 постоянной памяти, регистр 11 кода настройки, вычислительный блок 12, содержащий блок 13 ввода-вывода, блок 14 оперативной памяти и арифметический блок 15, и командный блок 16. В первый блок постоянной памяти 9 предварительно записывают нижние частотные границы поддиапазонов настройки, периоды резонансных частот поддиапаэонов настройки, постоянные аппроксимирующих функций, значения длительностей времени цикла, времени измерения, необходимого времени задержки. Во второй блок 10 постоянной памяти записывают коют группу из ряда конденсатооов блока 2 конденсаторов настройки. Причем коды нижних частотных границ поддиапазонов, периоды резонансных частоты и коды настройки записывают по одноименным адресам, коды которых совпадают с кодами их порядковых номеров. Коду нижней частотной границы N-го поддиапазона соответствует N-й период резонансной частоты и N-й код настройки, которые записывают в соответствующие блоки памяти по адресу номер N. Командный блок 16 производит последовательный перебор номеров адресов в обоих 9 и 10 блоках постоянной памяти, по 40 которым записаны коды ньикних частотных границ поддиапазонов, периоды резонансных частот и коды настройки. Этот перебор производится до тех пор, пока код одной из нижних частотных границ поддипазона не превысит значение кода поля, измеренного в предыдущем цикле работы магнитометра и записанного в блок 14 оперативной памяти. В результате сравнения арифметический блок 15 вырабатывает сигнал, пересылаемый через блок 13 ввода-вывода в командный блок 16, который вызывает остановку переключения адресов постоянной памяти. При этом код настройки, соответствующий последнему перед остановкой перебора адресу, переписывается в регистр 11 кода настройки. В соответствии c ..этим кодом в блоке 2 конденсаторов настройки включается набор конденсаторов, суммарная емкость которых необходима для настройки образованного с катушкой датчика 1 входного контура в резонанс на резонансной частоте выбранного частотного поддиапаэона. Код периода этой резонансной частоты в соответствии с выбранным адресом поступает из блока 9 постоянной памяти в вычислительный блок 12. Таким образом, к моменту начала измерения в текущем цикле работы магнитометра произведена настройка входного колебательного контура на ожидаемую частоту прецессии и получена информация о периоде резонансной частоты выбранного поддиапазона измерения. На следующем этапе производят измерение периода выделенного колебательным контуром и усиленного усилителем 3 сигнала прецессии. При этом по сигналу командного блока 16 включается преобразователь 4 частота-код, вырабатывающий коды числа периодов прецессии и числа периодов эталонной частоты,.формируемых генератором 5, прошедших на вход преобразователя 4 за время измерения. Коды. вырабатываемые преобразователем 4, поступают через блок 13 ввода-вывода в арифметический блок 15, где производится вычисление периода прецессии. Измеренное значение периода запоминается в блоке 14 оперативной памяти для использования в следующем цикле работы, а также обрабатывается в арифметическом блоке 15, где производится вычисление фазовых сдвигов, создаваемых колебательным контуром и усилителем, а также длительности интервала задержки, код которой записывается в пересчетную схему 7. По разрешающему сигналу командного блока 16 синхронно с нулевой фазой выходного сигнала усилителя 3 схема 6 синхронизации начинает пропускать импульсы эталонной частоты генератора 5 на вход пе1393104! 70 00,30 5y „ циг ,напр ресчетной схемы 7, При этом начинает формироваться временной интервал задержки вычисленной длительности, Сигнал переполнения пересчетной схемы 7, свидетельствующий об окончании интервала задержки, включает формирователь 8 тока поляризации, вырабатывающий ток поляризации, который поступает в катушку датФлка 1. После окончания поляризации командный блок 16 выключает формирователь 8, после чего начинается новый цикл работы магнитометра. Предлагаемый способ измерения индукции геомагнитного поля по сравнению со способом, использованным в прототипе, позволяет определять и учитывать фазовые сдвиги, создаваемые колебательным контуром р< и усилителем р у с малой погрешностью. определяемой точностью аппроксимации, формировать интервал времени задержки с учетом изменения частоты прецессии и включать ток поляризации практически одновременно с истинной фазой сигнала прецессии, в результате чего достигается максимальная эффективность использования остаточной намагниченности рабочего вещества датчика магнитометра при включении тока поляризации и неизменность отношения сигнал/шум при любых реальных изменениях индукции магнитного поля, что обеспечивает повышение точности измерений. Указанные преимущества позволяют при работе в быстроиэменяющемся пол, 5 повысить чувствительность магнитаметра практически вдвое, не ухудшая при этом точность измерений, что в конечном итоге повышает достоверность получаемой геофизической информации. 10 Формула изобретения Способ синхронизации момента включения поляризующего поля протонного магнитометра, согласно которому включают ток поляризации с задержкой по отношению к 15 нулевой фазе сигнала прецессии и устанавливают длительность задержки, кратной целому числу периодов прецессии, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности синхронизации, измеряют в каж20 дом цикле период сигнала прецессии, измеряют фазовые сдвиги, создаваемые колебательным контуром и усилителем сигнала прецессии, запоминают измеренное в данном цикле значение периода прецессии 25 и задерживают включение поляризующего поля на время, пропорциональное измеренным фазовым сдвигам в каждом цикле и разности между значением периода прецессии, измеренного в данном и в предыдущем 30 циклах измерения. <, ч На4Е н - nirr>qy,
".ч < ."гь чг,, 1:«<лб c <. ,г(зг<
-nq<» Ч <<чЧЫ! !!« I q г ° !.г<л! ° те .ч гг<г ч< 0 у «ч <г< лч! « <л "- «< Э Ь10<«<г «. Ðl ФЧ< гнО«
° . <<««.,
<<чг, у < « ч "« л! !<ч «I<×< << 1393104 + 30 +20 +10 -f0 Фии. 2 ц гц г Z0 с Яиапаэ нн Фиг. Ю 1393104 Составитель Л.Устинова Редактор Т.Лошкарева Техред М.Моргентал Корректор А.Обручар Заказ 1977 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного. комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/S Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
