ЭЛЕКТРОННЫЙ МАГНИТНЫЙ КОМПАС

Полезная модель относится к электронным магнитным компасам, а точнее к геологическим компасам и может быть использована для определения параметров характеризующих массивы горных пород.
Известен электронный компас, содержащий акселерометры и индукционный чувствительный элемент, неподвижный относительно системы координат, связанной с судном. Влияние углов качки судна учитывается в вычислителе компаса с использованием сигналов акселерометров (Кардашинский-Брауде Л.А. Современные судовые магнитные компасы. - Санкт-Петербург, ГНЦРФ ЦНИИ «Электроприбор», 1999, с.78, 81.).
Недостатком этого решения является необходимость участия оператора в процессе определения девиационных поправок, громоздкость и невозможность определения параметров характеризующих массивы горных пород.
Известен также электронный магнитный компас, содержащий средства измерения магнитных параметров и ускорения по трем ортогональным осям чувствительности, выполненный с возможностью преобразования измерительных сигналов в цифровую форму, средство их вычислительной обработки, средство индикации ее результатов и блок электропитания (см. RU №2331843, G01C 17/30, G01C 17/32, 2006).
Недостатком этого решения является громоздкость устройства и невозможность его использования как горного компаса, для определения параметров залегания плоскостей напластования пород и/или тектонических трещин в их массивах.
Задачей полезной модели является обеспечение компактности устройства и возможности его использования как горного компаса, для определения параметров залегания плоскостей напластования пород и/или тектонических трещин в их массивах.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи выражается в обеспечение компактности устройства и его малом весе. При этом, устройство можно использовать как горный компас, для определения углов залегания плоскостей отдельности в массивах горных пород (плоскостей напластования и тектонических трещин), а именно, азимута падения плоскости и угла наклона плоскости. При этом обеспечивается возможность определения углов залегания плоскостей отдельности в массиве горных пород с точностью до±3 градусов и высокая оперативность замеров (время измерения не более 5 сек на одну плоскость).
Задача решается тем, что электронный магнитный компас, содержащий средства измерения магнитных параметров и ускорения по трем ортогональным осям чувствительности, выполненный с возможностью преобразования измерительных сигналов в цифровую форму, средство их вычислительной обработки, средство индикации ее результатов и блок электропитания, отличается тем, что в качестве средства измерения магнитных параметров использован электронный трехкомпонентный магнитометр, в качестве средства измерении ускорения использован электронный трехкомпонентный акселерометр, выполненные с возможностью выдачи результатов измерений в цифровой форме, при этом в качестве средства вычислительной обработки использовано оперативное запоминающее устройство ноутбука, снабженное программным средством преобразования результатов измерений в углы залегания плоскости напластования горных пород и/или тектонических трещин и управления работой элементов устройства, причем в качестве средства индикации результатов вычислительной обработки измерительных сигналов использован монитор ноутбука, при этом электронный магнитный компас снабжен USB-портом выполненным с возможностью обмена данными по USB кабелю с ноутбуком и приема электропитания от блока электропитания ноутбука. Кроме того, корпусу компаса придана форма уплощенного параллелепипеда.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков полезной модели обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, обеспечивает компактность устройства и возможность его использования как горного компаса, для определения параметров залегания плоскостей напластования пород и/или тектонических трещин в их массивах.
На фиг.1 дана схема компаса; на фиг.2 показано положение измеряемой площадки относительно внешних полей (магнитного и силы тяжести); на фиг.3 показан общий вид компаса; на фиг.4 показана работа компаса в полевых условиях, на фиг.5 дан график средней квадратической погрешности измерений электронным магнитным компасом; на фиг.6 дана прямоугольная диаграмма распределения плотности результатов измерений системы разно-ориентированных площадок тестового полигона.
На чертежах показаны корпус 1 компаса, электронный трехкомпонентный магнитометр 2, электронный трехкомпонентный акселерометр 3, мост 4, USB-порт 5, USB кабель 6, средство 7 вычислительной обработки результатов измерений, оперативное запоминающее устройство ОЗУ 8 ноутбука 9, его монитор 10, блок питания 11 и его USB-порт 12. Кроме того, на чертежах показаны направление вектора магнитного поля 13 и направление вектора поля силы тяжести 14, линии подачи питания 15.
Корпус 1 выполнен в форме уплощенного параллелепипеда с габаритами 140×80×12 мм. Внутри корпуса 1, на монтажной плате установлены электронный трехкомпонентный магнитометр 2, электронный трехкомпонентный акселерометр 3, при этом на одну из стенок корпуса выведен разъем USB-порта 4.
Корпус может быть выполнен из металла или пластмассы. В качестве электронного трехкомпонентного магнитометра 2 может быть использована микросхема НМС5843 (производство Honeywell) являющаяся экономичным 3-осевым интегральным цифровым компасом, содержащим в одном низкопрофильном корпусе (габаритами 4×4×1,3 мм) кристалл из серии НМС1043 высокочувствительных магниторезистивных датчиков и цифровой интерфейс, выполняющий функции усиления, управления, компенсации сдвига, 12-разрядное аналогово-цифрового преобразования и обмена цифровыми данными по 12С-шине.
Компас НМС5843 обладает прецизионной чувствительностью, линейностью, монолитностью конструкционного исполнения и очень низкими перекрестными наводками. Компас специально предназначен для измерения направления и величины магнитного поля Земли от нескольких микро гауссов до 6 гауссов в температурном диапазоне -30°C…+85°C.
В качестве электронного трехкомпонентного акселерометра 3 использована микросхема kxps5-2050 являющаяся экономичным 3-осевым интегральным цифровым акселерометром, содержащим в одном низкопрофильном корпусе (габаритами 3×5×0,9 мм), сенсорные элементы чувствительностью от ±1.5 g до ±6 g. Полоса пропускания датчика задается пользователем. Кроме непосредственно датчиков микросхема обеспечивает цифровой интерфейс, выполняющий функции усиления, управления, 12-разрядное аналогово-цифрового преобразования и обмен цифровыми данными по 12С-шине или SPI. Электронный трехкомпонентный акселерометр обеспечивает возможность измерения углов наклона сторон корпуса компаса в состоянии покоя.
Мост 4 - стандартная микросхема обеспечивающая перевод сигнала поступающего по шине 12С в форму пригодную для передачи через USB-порт 5.
USB-порт 5 корпуса 1, USB кабель 6 и USB-порт 12 ноутбука не отличаются от известных подобных устройств.
В качестве средства 7 вычислительной обработки результатов измерений используется пакет программного обеспечения, выполненный известным образом с возможностью преобразования результатов измерений в углы залегания плоскости напластования горных пород и/или тектонических трещин и управления работой элементов устройства. При этом программная часть состоит из двух блоков. Один из которых отвечает за получение «сырых» данных с сенсоров компаса и акселерометра, и преобразование их в величины проекций векторов магнитного и гравитационного полей на две оси, совмещенные с рабочей площадкой и одной, направленной перпендикулярно ей (см. фиг..2). Второй блок отвечает за вычисление азимута и угла падения.
Блок питания ноутбука выполнен известным образом. Линии подачи питания 15 условно показаны штриховыми стрелками.
К ноутбуку 9 предъявляются следующие требования:
- минимальные массогабаритные характеристики при желательно максимально большой производительности;
- как можно больший объем жесткого диска (10 ГБ и более);
- емкость аккумулятора блока питания обеспечивающая максимально возможную продолжительность автономной работы;
- наличие операционной системы Ubuntu.
Описание работы с компасом:
USB-порт 5 корпуса 1 компаса известным образом подключают посредством USB кабеля 6 к USB-порту 12 ноутбука 9. Включают ноутбук в работу и активируют программное обеспечение компаса. Для измерения элементов залегания плоскости - плоскую сторону корпуса 1 компаса прикладываем к измеряемой плоскости. На ноутбуке 9, соединенном USB кабелем 6 с компасом, нажимаем клавишу начала измерений. После накопления достаточного количества данных и их обработки звучит звуковой сигнал, после которого компас можно переместить для замера другой плоскости. Для измерения элементов залегания линии на плоскости - плоскую сторону компаса прикладываем к измеряемой плоскости, длинную сторону компаса ставим параллельно измеряемой линии. На ноутбуке 9, соединенном USB кабелем 6 с компасом, нажимаем клавишу начала измерений. После накопления достаточного количества данных и их обработки звучит звуковой сигнал, после которого компас можно переместить для замера другой линии.
Для определения точности измерений устройства была выполнена серия из 105 измерений на тестовом полигоне. Полигон представляет собой систему жестко закрепленных в пространстве площадок наклоненных к горизонту под фиксированными углами: 83, 78, 58, 48, 28, 18, 0.
Результаты оценки средней квадратической погрешности для разных углов наклона измеряемой площадки представлены на фиг.5. При наклоне площадки под углом близким к 90 градусам погрешность измерений составляет 0.5 градусов, и увеличивается с уменьшением угла наклона измеряемой площадки. Наибольшая погрешность измерения в 3.09 градуса была получена на площадке с углом наклона в 18 градусов.
Заявленный электронный геологический компас по сравнению с простым геологическим компасом обладает следующими достоинствами:
- Возможность замерять элементы залегания плоскости без приведения компаса к горизонтальному уровню;
- Автоматическое сохранение результатов серии измерений в памяти компьютера;
- Скорость накопления данных с датчиков цифрового компаса для преобразования их в элементы залегания плоскости (азимут падения и угол падения) составляет порядка 5 сек. В связи с этим скорость выполнения массовых замеров элементов залегания плоскостей трещин составляет в среднем 15 минут / 100 плоскостей, что в десять раз выше скорости при использовании простого геологического компаса.
- Предельная точность измерений ±3° (в зависимости от угла падения плоскости) позволяет различать плоскости с близкими углами падения.
Использование заявленной конструкции позволит существенно повысить производительность работ при проведении замеров тектонической трещиноватости и при прочих структурных наблюдениях, востребованных на многих месторождениях. При этом, цена итогового устройства относительно невелика. Основной вклад в стоимость прибора вносят сами сенсоры, которые имеются в свободной продаже.
Технические характеристики устройства: вес - 225 г; время автономной работы - до 12 часов (в зависимости от типа ноутбука); максимальное количество возможных пунктов наблюдений в день - 15-20 пунктов (в зависимости от обнаженности территории), тогда как простым геологическим компасом можно в день успеть измерить не более 4 пунктов наблюдений.
Компас используют следующим образом:
USB-порт 5 корпуса 1 компаса известным образом подключают посредством USB кабеля 6 к USB-порту 12 ноутбука 9. Включают ноутбук в работу и активируют программное обеспечение компаса. Для измерения элементов залегания плоскости плоскую сторону корпуса 1 компаса прикладывают к плоскости, параметры залегания которой необходимо измерить. На ноутбуке 9, соединенном USB кабелем 6 с компасом, нажимают клавишу, соответствующую началу измерений. После накопления достаточного количества данных и их обработки звучит звуковой сигнал, после которого компас можно переместить для замеров на другой плоскости.
Для измерения элементов залегания линии на плоскости - плоскую сторону компаса прикладывают к измеряемой плоскости, ориентируя его длинную сторону параллельно измеряемой линии. На ноутбуке 9, соединенном USB кабелем 6 с компасом, нажимают клавишу начала измерений. После накопления достаточного количества данных и их обработки звучит звуковой сигнал, после которого компас можно переместить для замера другой линии.
Для определения точности измерений устройства была выполнена серия из 105 измерений на тестовом полигоне. Полигон представляет собой систему жестко закрепленных в пространстве площадок наклоненных к горизонту под фиксированными углами: 83, 78, 58, 48, 28, 18, 0.
Результаты оценки средней квадратической погрешности для разных углов наклона измеряемой площадки представлены на фиг.5. При наклоне площадки под углом близким к 90 градусам погрешность измерений составляет 0.5 градусов, и увеличивается с уменьшением угла наклона измеряемой площадки. Наибольшая погрешность измерения в 3.09 градуса была получена на площадке с углом наклона в 18 градусов.
Заявленный электронный геологический компас по сравнению с обычным геологическим компасом обладает следующими достоинствами:
- Возможность замерять элементы залегания плоскости без приведения компаса к горизонтальному уровню;
- Автоматическое сохранение результатов серии измерений в памяти компьютера;
- Скорость накопления данных с датчиков цифрового компаса для преобразования их в элементы залегания плоскости (азимут падения и угол падения) составляет порядка 5 сек. В связи с этим скорость выполнения массовых замеров элементов залегания плоскостей трещин составляет в среднем 15 минут / 100 плоскостей, что в десять раз выше скорости при использовании простого геологического компаса.
- Предельная погрешность измерений ±3° (в зависимости от угла падения плоскости) позволяет различать плоскости с близкими углами падения.
Использование заявленной конструкции позволит существенно повысить производительность работ при проведении замеров тектонической трещиноватости и при прочих структурных наблюдениях, востребованных на многих месторождениях. При этом, цена итогового устройства относительно невелика. Основной вклад в стоимость прибора вносят сами сенсоры, которые имеются в свободной продаже.
Технические характеристики устройства: вес - 225 г; время автономной работы - до 12 часов (в зависимости от емкости аккумуляторной батареи ноутбука и параметров его энергопотребления); максимальная скорость измерений - 400 плоскостей в час.