Феррозондовый магнитометр

 

Феррозондовый магнитометр, содержащий генератор возбуждения, включающий формирователь напряжения треугольной формы, одноэлементный феррозонд, формирователь временных интервалов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, он содержит делитель частоты, фазосдвигающую цепь, дифференцирующую цепь, резонансный контур, усилитель, аналоговый инвертор, цифровой инвертор, синхронный детектор, интегратор, резистор обратной связи, при этом в состав генератора возбуждения входят задающий генератор, второй делитель частоты и формирователь напряжения треугольной формы, включенные последовательно, причем обмотка одноэлементного феррозонда соединена с входом формирователя временных интервалов через дифференцирующую цепь, соединена с выходом формирователя напряжения треугольной формы через фазосдвигающую цепь, соединена с выходом интегратора через резистор обратной связи, выход формирователя временных интервалов соединен с входом усилителя через резонансный контур, выход усилителя соединен с сигнальными входами синхронного детектора непосредственно и через аналоговый инвертор, выход задающего генератора соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с управляющими входами синхронного детектора непосредственно и через цифровой инвертор, выход синхронного детектора соединен с входом интегратора, выход которого является выходом устройства.

Устройство предназначено для измерения магнитной индукции постоянных и низкочастотных полей. Оно может быть использовано при проведении геофизических исследований, разведке полезных ископаемых и в других случаях, когда требуется измерение слабых магнитных полей. В практике магнитных измерений наибольшее распространение получили дифференциальные и одноэлементные феррозонды. В высокочувствительных магнитометрах наибольшее применение находят дифференциальные феррозонды с выходом на четных гармониках, главным образом на второй. Недостатком дифференциальных феррозондов является сложность их конструкции, что не позволяет создать малогабаритный магнитометр, способный работать, например, в геологоразведочной скважине. От этого недостатка свободен одноэлементный феррозонд. В магнитометре с одноэлементным феррозондом в качестве параметров, несущих информацию об измеряемом поле, могут быть использованы амплитуды четных гармоник сигнала, а также временной или фазовый сдвиги импульсов в измерительной обмотке феррозонда. Коэффициент преобразования одноэлементного феррозонда с выходом на второй гармонике может быть всего лишь вдвое ниже коэффициента преобразования аналогичного дифференциального феррозонда. Однако высокий уровень содержания нечетных гармоник затрудняет использование одноэлементного феррозонда в высокочувствительных магнитометрах с выходом на второй гармонике. Выделение слабого сигнала второй гармоники на фоне нечетных гармоник связано с применением сложных избирательных усилителей (Семенов Н.М. Яковлев Н.И. Цифровые феррозондовые магнитометры. Л. Энергия, 1978, с.10). Известен магнитометр с одноэлементным феррозондом, содержащий генератор возбуждения, формирователь временных интервалов, детектор скважности, генератор счетных импульсов, схему совпадения и реверсивный счетчик (там же, с. 97). Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является магнитометр с временным способом выделения полезного сигнала, содержащий последовательно соединенные генератор возбуждения, состоящий из генератора напряжения треугольной формы и преобразователя напряжение-ток, формирователь временных интервалов, состоящий из дифференциального усилителя и триггера Шмитта, и одноэлементный феррозонд с одной обмоткой, которая подключена к общей точке генератора возбуждения и формирователя временных интервалов (международная заявка N 85/02912, опублик. 04.07.85, МКИ G 01 R 33/04). Этот магнитометр принят за прототип. Отличительными особенностями магнитометра являются использование одной и той же обмотки феррозонда для создания поля возбуждения и измерительного сигнала; использование тока возбуждения феррозонда треугольной формы; использование дифференциального усилителя, один вход которого подключен к выходу генератора напряжения треугольной формы, а другой к обмотке феррозонда; использование триггера Шмитта в качестве формирователя импульсов прямоугольной формы. Работа магнитометра основана на формировании из полуволн выходного сигнала феррозонда прямоугольных импульсов с последующим изменением длительности Δt = Tʹ - T", где Т' и Т" длительность полуволн выходного сигнала феррозонда. Цель изобретения повышение точности и расширение диапазона измерений. Указанная цель достигается тем, что в магнитометр, содержащий генератор возбуждения, включающий формирователь напряжения треугольной формы, одноэлементный феррозонд и формирователь временных интервалов, дополнительно введены делитель частоты, фазосдвигающая цепь, дифференцирующая цепь, резонансный контур, усилитель, аналоговый инвертор, цифровой инвертор, синхронный детектор, интегратор, резистор обратной связи, при этом в состав генератора возбуждения входят задающий генератор, второй делитель частоты и формирователь напряжения треугольной формы, включенные последовательно, причем обмотка одноэлементного феррозонда соединена с входом формирователя временных интервалов через дифференцирующую цепь, соединена с выходом формирователя напряжения треугольной формы через фазосдвигающую цепь, соединена с выходом интегратора через резистор обратной связи, выход формирователя временных интервалов соединен с входом усилителя через резонансный контур, выход усилителя соединен с сигнальными входами синхронного детектора непосредственно и через аналоговый инвертор, выход задающего генератора соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с управляющими входами синхронного детектора непосредственно и через цифровой инвертор, выход синхронного детектора соединен с входом интегратора, выход которого является выходом устройства. Введение в схему магнитометра резонансного контура, настроенного на частоту, кратную частоте тока возбуждения феррозонда, и возбуждаемого формирователем временных интервалов, в сочетании с синхронным детектором позволило эффективно решить задачу преобразования временного интервала в ток, что, в свою очередь, дало возможность построить измерительную цепь магнитометра по автокомпенсационной схеме, обеспечивающей при сохранении высокой чувствительности расширение диапазона измерения и снижение погрешности, обусловленной нелинейностью коэффициента преобразования феррозонда. На фиг. 1 изображена схема магнитометра; на фиг. 2 диаграммы, поясняющие принцип работы магнитометра. Магнитометр состоит из генератора 1, двух делителей частоты 2 и 3, формирователя 4 напряжения треугольной формы, фазосдвигаюшей цепи 5, одноэлементного феррозонда 6, дифференцирующей цепи 7, формирователя 8 временных интервалов, резонансного контура 9, усилителя 10, аналогового инвертора 11, цифрового инвертора 12, синхронного детектора 13, интегратора 14, состоящего из операционного усилителя 15 и конденсатора 16, включенного между выходом операционного усилителя и его инвертирующим входом, и резистора 17 обратной связи, включенного между выходом интегратора 14 и обмоткой феррозонда 6. Сигнальные входы синхронного детектора 13 соединены с выходом усилителя 10 и аналогового инвертора 11, а управляющие входы с выходами делителя 3 частоты и цифрового инвертора 12. Выход делителя 2 частоты соединен с входом формирователя 4 напряжения треугольной формы, выход которого через фазосдвигающую цепь 5 подключен к обмотке феррозонда 6. Феррозонд 6 имеет один сердечник и одну обмотку, которая выполняет функции возбуждения, измерения и компенсации. Для нормальной работы синхронного детектора необходимо, чтобы на всех его входах были сигналы одинаковой частоты. Это достигается за счет выбора соответствующих коэффициентов деления делителей частоты 2 и 3 и частоты настройки контура 9. Они должны удовлетворять следующим условиям: К₂ f_о/f_в; f_к n · f_в; к₃ f_о/f_к, где К₂ коэффициент деления делителя 2 частоты; f_о частота генерации генератора 1; f_в частота тока возбуждения феррозонда 6; f_k резонансная частота контура 9; n натуральное число; K₃ коэффициент деления делителя 3 частоты. Наличие делителя 2 частоты позволяет получить ток возбуждения феррозонда 6 со строго равными полупериодами. Резонансный контур 9 должен быть настроен на частоту, кратную частоте тока возбуждения феррозонда 6. Конкретное значение резонансной частоты контура зависит от его добротности и должно быть в 10-15 раз выше частоты тока возбуждения феррозонда 6. Коэффициент деления частоты делителя 3 должен быть таким, чтобы частота следования импульсов на его выходе была равна резонансной частоте контура 9 ударного возбуждения. Делитель 3 частоты и инвертор 12 формируют два противофазных сигнала коммутации для синхронного детектора 13. Усилитель 10 и инвертор 11 формируют два противофазных информационных сигнала для синхронного детектора 13. Работа магнитометра поясняется диаграммами, изображенными на фиг. 2. Диаграммы построены для статического режима работы. Прямоугольные импульсы с выхода делителя 2 частоты, имеющие частоту следования f_в и строго равные по длительности полупериоды (диаграмма 1), поступают на вход формирователя 4 треугольного напряжения, который может быть выполнен, например, на базе интегратора с операционным усилителем. Форма напряжения на выходе формирователя 4 показана на диаграмме 2. Треугольная форма волны поля возбуждения обеспечивает высокую стабильность нулевого уровня и повышенную точность измерения. Фазосдвигающая цепь 5 позволяет установить оптимальный ток возбуждения феррозонда 6 и фазу полезного сигнала на его обмотке. Под действием поля возбуждения сердечник феррозонда 6 перемагничивается до насыщения и при отсутствии измеряемого поля или в установившемся режиме компенсации форма сигнала на его обмотке будет симметричной (диаграмма 3). Подмагничивающее измеряемое поле смещает рабочую точку сердечника феррозонда 6 таким образом, что его перемагничивание в одном полупериоде ускоряется, а в другом задерживается, и симметричность сигнала на обмотке феррозонда нарушается. Сигнал с обмотки феррозонда 6 через дифференцирующую цепь 7 поступает на вход формирователя 8 временных интервалов. Благодаря дифференцированию сигнала улучшаются условия работы формирователя 8, так как он переключается в моменты изменения направления тока, которые совпадают по времени с максимумами напряжения на обмотке феррозонда 6, но имеют большую крутизну фронта. На диаграмме 4 показана форма напряжения на выходе формирователя временных интервалов. К выходу формирователя 8 подключен контур 9, настроенный на частоту, кратную частоте тока возбуждения феррозонда 6. При переходе формирователя 8 из одного состояния в другое контур 9 ударно возбуждается, и в нем возникают затухающие колебания, которые усиливаются усилителем 10 (диаграмма 5) и инвертируются повторителем (диаграмма 6). Эти два противофазных сигнала подаются на информационные входы двухтактного синхронного детектора 13. Управляющие сигналы для синхронного детектора 13, формируемые с помощью делителя 3 частоты и инвертора 12, показаны на диаграммах 7 и 8 соответственно. Форма сигнала на выходе синхронного детектора показана на диаграмме 9. Импульсы тока с выхода синхронного детектора 13 сглаживаются активным интегратором 14, состоящим из операционного усилителя 15 с высокоомным входом, в цепь обратной связи которого включен конденсатор 16 с малым током утечки. Постоянный ток с выхода интегратора 14 через резистор 17 обратной связи поступает в обмотку феррозонда 6, создавая в ней поле обратной связи, направленное встречно измеряемому полю H_о. Благодаря использованию интегратора 14 на операционном усилителе 15 в статическом режиме погрешность компенсации не зависит от диапазона измерения, так как входной ток операционного усилителя 15 и ток утечки конденсатора 16 пренебрежимо малы. Выходным сигналом магнитометра могут быть ток обратной связи I_о.с или напряжение на выходе интегратора 14 U_вых=I_o.c·R_o.c, где R_o.с сопротивление резистора 17 обратной связи. Резонансная частота контура 9 выбирается из следующих соображений. С точки зрения преобразования временного интервала Δt в постоянный ток выгодно увеличивать отношение f_к/f_в. Однако при этом падает амплитуда колебаний и требуется соответствующее увеличение коэффициента усиления усилителя 10. Экспериментально установлено, что оптимальные результаты получаются, если резонансная частота f_к контура 9 в 10-15 раз выше частоты f_в тока возбуждения феррозонда 6. Чувствительность известных время-импульсных магнитометров с одноэлементным феррозондом не превышает 100 нТл, что обусловлено недостаточной разрешающей способностью схем формирования и измерения временного интервала, а диапазон измерения ( H₀ макс/Н₀мин) меньше 10³-10⁴ из-за нелинейности коэффициента преобразования феррозонда. Интегратор, содержащий операционный усилитель с конденсатором в цепи обратной связи, включенный между выходом синхронного детектора и обмоткой феррозонда, увеличивает коэффициент передачи цепи обратной связи, что ведет к существенному расширению динамического диапазона и к увеличению линейности характеристики преобразования магнитометра. На макете автокомпенсационного время-импульсного магнитометра с одноэлементным феррозондом, выполненного по предлагаемой схеме, была достигнута отсчетная точность 10 нТл в диапазоне + 200 мкТл.

Формула изобретения

Феррозондовый магнитометр, содержащий генератор возбуждения, включающий формирователь напряжения треугольной формы, одноэлементный феррозонд, формирователь временных интервалов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, он содержит делитель частоты, фазосдвигающую цепь, дифференцирующую цепь, резонансный контур, усилитель, аналоговый инвертор, цифровой инвертор, синхронный детектор, интегратор, резистор обратной связи, при этом в состав генератора возбуждения входят задающий генератор, второй делитель частоты и формирователь напряжения треугольной формы, включенные последовательно, причем обмотка одноэлементного феррозонда соединена с входом формирователя временных интервалов через дифференцирующую цепь, соединена с выходом формирователя напряжения треугольной формы через фазосдвигающую цепь, соединена с выходом интегратора через резистор обратной связи, выход формирователя временных интервалов соединен с входом усилителя через резонансный контур, выход усилителя соединен с сигнальными входами синхронного детектора непосредственно и через аналоговый инвертор, выход задающего генератора соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с управляющими входами синхронного детектора непосредственно и через цифровой инвертор, выход синхронного детектора соединен с входом интегратора, выход которого является выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1