Устройство для измерения градиента магнитного поля

 

С} П И С А Н И Е 1ц769469

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 16.12.76 (21) 2429520/18-25 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет (51) М Кл

G 01Ч 3 08

Государственный комитет

СССР (43) Опубликовано 07.10.80. Бюллетень № 37 (53) УДК 550.83 (088.8) по делам изобретений и открытий (45) Дата опубликования описания 07.10.80 (72) Автор изобретения

В. И. Степанов (71) Заявитель

Томский ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового

Красного Знамени политехнический институт им. С. М. Кирова (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГРАДИЕНТА

МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Изобретение относится к магнитометрии и может быть использовано для полевых измерений градиента магнитного поля Земли, для обнаружения затонувшей техники, поиска трубопроводов и определения намагниченности образцов горных пород.

Известен феррозондовый магнитометр, работающий на сумме четных гармоник (1).

К недостаткам указанного магнитометра относится его невысокая чувствительность, так как при усилении сигнала широкополосный усилитель, перегружаясь нечетными гармониками, вырабатывает ложные четные гармоники и становится менее чувствительным к полезному сигналу, вырабатываемому феррозондовыми датчиками.

Известно также устройство для измерения градиента магнитного поля, содержащее два разнесенных друг от друга дифференциальных феррозондовых датчика, генератор переменного напряжения, подключенный к обмоткам возбуждения датчиков и управляющим входам синхронных детекторов, резонансные усилители, подключенные входами к сигнальным обмоткам датчиков, а выходами — к синхронным детекторам (2).

Одновременное сочетание двух методов выделения сигналов — селективного и фазочувствительного приводит при построении градиентометра к необходимости применения селективных элементов из высокостабильных индуктивностей и емкостей, поскольку нестабильность последних искажает фазовую характеристику элемента, что фиксируется при сравнении двух сигналов; необходимости стабилизации частоты генератора возбуждения датчиков, поскольку изменение этой частоты приводит к фазо1ð вым искажениям сигнала второй гармоники, что также фиксируется при сравнении сигналов;необходимости стабилизации амплитуды возбуждающего поля, так как чувствительность по второй гармонике не имеет

15 пологий характер от изменения поля возбуждения.

Кроме того, фаза, приходящих с датчиков сигналов, зависит не только от амплитуды и частоты напряженности возбуждения, но

20 и от напряженности постоянного магнитного поля.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости и упрощение устройства.

25 Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения градиента магнитного поля, содержащее разнесенные друг от друга феррозондовые датчики, генератор переменного напряжения, подклю30 ченный к входу датчиков. последовательно

769469 соединенные усилитель и электроизмерительный прибор, к каждому из датчиков подключены дополнительно введенные трансформатор и выпрямитель, включенные последовательно, причем выходы выпрямителей включены между собой встречно-параллельно, и к иим подключены усилитель и электроизмерительный прибор.

На фиг. 1 изображена электрическая схема устройства; иа фиг. 2 — эквивалентная схема измерительной цепи устройства.

Устройство состоит из феррозондовых датчиков 1 и 2, генератора переменного тока 3, повышающих трансформаторов 4 и 5, выпрямительных диодов 6 — 9, конденсаторов 10 и 11, усилителя постоянного тока 12 и электроизмерительного прибора 13.

Устройство работает следующим образом.

Возбуждение феррозондовых датчиков 1 и 2 производится генератором переменного тока 3. Сигналы, снимаемые с датчиков, трансформируются повышающими трансформаторами 4 и 5. Коэффициент трансформации рассчитывается для получения на выходе трансформатора ЭДС 10 — 30 В. При выпрямлении напряжений таких величин падение напряжения в прямом направлении мало влияет на относительную погрешность измерений. Сигнал с датчика 1 выпрямляется при помощи диодов 6 и 7 и конденсатора 10, а сигнал с датчика 2 — при помощи диодов 8 и 9 и конденсатора 11. Выпрямленные сигналы, имеющие разные полярности относительно общего провода, замыкаются между собой. Ввиду такого соединения выпрямленные напряжения падают, резко уменьшаются напряжения на обмотках трансформаторов и на выходных .обмотках феррозондовых датчиков. Для феррозондовых датчиков создается режим, близкий к режиму короткого замыкания.

На конденсаторе 14 появится ЭДС, величина и полярность которой зависит от разности напряжений, возникающих в трансформаторах, или соответственно от разности магнитных полей в датчиках, причем направление магнитного поля не влияет на полярность этой ЭДС. Так, например, если датчики находятся в магнитном поле и ферромагнитное вещество находится ближе к датчику 1, чем к датчику 2, то сигнал в проводнике а будет больше сигнала в проводнике b. Через конденсатор 10 пройдет ток большей величины, чем через конденсатор

11. На конденсаторе 14 появится ЭДС с полярностью с плюсом в проводнике d и минусом в проводнике с. Для измерения ЭДС, возникающей на конденсаторе 14, предназначен усилитель постоянного напряжения

12 и электроизмерительный прибор 13. При данном способе используется сумма четных и нечетных гармоник, приходящих с датчиков.

Если не учитывать сопротивления диодов

25 зо

65 в прямом направлении тока, активные сопротивления обмоток трансформаторов, сопротивления конденсаторов 10 и 11 для переменного тока и принять коэффициент связи между обмотками трансформатора, равным единице (торроидальные сердечники), то получим эквивалентную схему измерительной цепи градиентометра, показанную на фиг. 2, где: Š— ЭДС на выходе датчика (Е, — первого, Е, — второго); Z-„„— внутреннее сопротивление датчика; С„р— суммарные емкости проводов, межвитковых емкостей обмотки трансформатора; L — индуктивность обмотки трансформатора;

R„., — приведенное входное сопротивление усилителя постоянного напряжения.

Сигналы с выхода датчиков состоят из множества гармоник. Амплитуда каждой гармоники изменяется при изменениях напряженности магнитного поля, амплитуды и частоты напряжения возбуждения датчиков. Возможно уменьшение одной гармоники при увеличении другой. Причем изменения в обоих датчиках происходят неравнозначно. Сопротивления C „ L зависят от частоты. Поэтому сравнивать сигналы с двух датчиков на одной частоте сравнительно трудно.

Из эквивалентной схемы измерительной цепи также видно, что режим работы феррозондовых датчиков близок к короткому замыканию. Выпрямленные сигналы датчиков имеют противоположные полярности относительно общего провода и соединены между собой параллельно. Тем самым для датчиков обеспечивают режим, близкий к короткому замыканию. Вследствие этого режима при однородном магнитном поле напряжения между проводами g u f равно нулю. При этом сопротивления С р и L не оказывают большого влияния на величину сигналов, приходящих с датчиков.

Практически невозможно создать режим, при котором напряжение на выходе датчиков равнялось нулю из-за невыполнения принятых выше условий. Однако, ввиду высокого коэффициента трансформации трансформаторов 4, 5 и малого сопротивления диодов 6 — 9, происходит значительное снижение указанного напряжения и уменьшение влияний С„р и L.

Усилитель постоянного тока должен иметь большое входное сопротивление, так как ЭДС, возникающая на конденсаторе 14, больше разности напряжений, приходящих с датчиков, в 2К раз, где К вЂ” коэффициент трансформации трансформаторов 4 и 5.

Присутствие нечетных гармоник в датчиках несколько ограничивает область магнитного поля, в котором возможно измерение его разности. Однако отсутствие избирательности по нечетным гармоникам не ухудшает остальные параметры устройства, так как среднее значение сигнала суммы четных и нечетных гармоник почти не зави5 сит от небаланса феррозонда, в области магнитного поля, где среднее значение суммы четных гармоник значительно больше среднего значения суммы нечетных гармоник.

Формула изобретения

Устройство для измерения градиента магнитного поля, содержащее разнесенные друг от друга феррозондовые датчики, генератор переменного напряжения, подключенный к входу датчиков, последовательно соединенные усилитель и электроизмерительный прибор, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и упрощения конструкции, к каждому из дат769469 чиков подключены дополнительно введенные трансформатор и выпрямитель, включенные последовательно, причем выходы выпрямителей включены между собой встречно-параллельно и к ним подключены усилитель и электроизмерительный прибор.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1О

1. Афанасьев Ю. В. О возможности построения феррозондового магнитометра, работающего на сумме четких гармоник. «Геофизическое приборостроение», ОКБ, МГ

15 СССР, 1959, вып. 3, с. 113 — 124.

2. Афанасьев Ю. В. Феррозонды. Л., «Энергия», 1969, с. 109 †1 (прототип).

769469

Составитель В. Майоршин

Редактор О. Филиппова Техред О. Павлова Корректор Т. Трушкина

Заказ 2264/15 Изд. № 511 Тираж 649 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Типография, пр. Сапунова, 2