ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПАС

Полезная модель относится к электронный магнитный компасам, а точнее к геологическим компасам и может быть использована для определения параметров характеризующих массивы горных пород.
Известен геологический компас, содержащий магнитный компас, смонтированный на прямоугольной пластине, включающий лимб с делениями от 0° до 360° в направлении против движения часовой стрелки, вертикальную ось и стрелку снабженную с делениями от 0° до 90° в обе стороны (Кардашинский-Брауде Л.А. Современные судовые магнитные компасы. - Санкт-Петербург, ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 1999, с.78, 81.).
Недостатком этого решения является то, что при массовом замере трещиноватости (обычно это 100 и более плоскостей) работа с геологическим компасом является очень трудоемкой (до 2-х часов на одно обнажение). Это связано с тем, что на каждое измерение необходимо сначала привести компас в горизонтальное положение, дождаться успокоения стрелки, измерить азимут падения плоскости, развернуть компас, измерить угол падения плоскости, отложить компас, взять журнал или полевой дневник, записать измерения, и на измерение одной плоскости уходит до двух минут. Таким образом, основную часть времени, проведенную в полевом маршруте геолог тратит на сбор первичных данных об ориентировке трещин, теряя при этом время которое он мог бы потратить на детальное описание обнажения, или на переход от одного обнажения к другому. А в камеральный период, геолог дополнительно затрачивает время на переписывание данных из полевого журнала в компьютер.
Известен также электронный геологический компас, содержащий корпус в котором установлены электронный трехкомпонентный магнитометр и электронный трехкомпонентный акселерометр, выполненные с возможностью преобразования измерительных сигналов в цифровую форму, средство их вычислительной обработки, средство индикации ее результатов и блок электропитания (см. RU №121565, G01C 17/00, 2012).
Недостаток известного технического решения громоздкость измерительного устройства (которое включает в себя, как непосредственно электронный геологический компас, так и ноутбук без которого компас не работает) его низкая приспособленность для использования в полевых условиях, поскольку ноутбук требует достаточно бережного отношения и неудобство работы при описании обнажения поскольку необходимо не только манипулировать компасом на обнажении, но и управлять ноутбуком который сообщен с компасом шлейфом и удерживается второй рукой.
Задача на решение которой направлено заявленное решение снижение массогабаритных характеристик устройства и упрощение процедуры измерений.
Технический результат получаемый при решении задачи выражается в снижении массогабаритных характеристик устройства (за счет исключения необходимости использовать в процессе измерений ноутбук) и упрощение процедуры измерений (за счет концентрации средств контроля и управления непосредственно на корпусе компаса). При этом отказ от большинства функций реализуемых ноутбуком позволяет минимизировать и потребности в электропитании и снизить массогабаритные параметры блока питания при обеспечении возможности более длительной работы устройства.
Для решения поставленной задачи электронный геологический компас, содержащий корпус в котором установлены электронный трехкомпонентный магнитометр и электронный трехкомпонентный акселерометр, выполненные с возможностью преобразования измерительных сигналов в цифровую форму, средство их вычислительной обработки, средство индикации ее результатов и блок электропитания, отличается тем, что, на корпусе компаса размещены жидкокристаллический графический дисплей разрешением не менее 128×64 точки и размером не менее 70×50 мм, выполненный с возможностью отображения результатов измерений и кнопочная клавиатура, выполненная с возможностью ввода, по меньшей мере, управляющих команд, при этом в качестве средства вычислительной обработки цифровых измерительных сигналов использован микроконтроллер, по меньшей мере 32 битный, размещенный в полости корпуса, снабженный программным средством преобразования результатов измерений в углы залегания плоскости напластования горных пород и/или тектонических трещин, выполненный с возможностью управления работой элементов устройства, при этом электронный магнитный компас снабжен разъемом для подключения флеш-накопителя SD-card, при этом, в качестве блока электропитания использован, по меньшей мере один, аккумуляторный элемент питания, выполненный с возможностью размещения в полости корпуса. Кроме того, использована по меньшей мере, 12-кнопочная клавиатура, выполненная с возможностью ввода, управляющих команд и текстовых данных. Кроме того, корпус снабжен USB-портом, выполненным с возможностью подключения к компьютеру. Кроме того, трех-компонентный магнитометр и электронный трехкомпонентный акселерометр реализованы в одной микросхеме.
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 возможность снижения массогабаритных характеристик устройства и упрощения процедуры измерений.
На фиг.1 показана схема компаса; на фиг.2 показано положение измеряемой площадки относительно внешних магнитного поля и поля силы тяжести; на фиг.3 показан общий вид компаса.
На чертежах показаны корпус 1 компаса, электронный трехкомпонентный магнитометр 2, электронный трехкомпонентный акселерометр 3, блок электропитания 4, USB-порт 5, жидкокристаллический графический дисплей 6, микроконтроллер 7, кнопочная клавиатура 8, разъемом 9 для подключения флеш-накопителя SD-card 10, линии подачи питания 11. Кроме того, на чертежах показаны направление вектора магнитного поля 12 и направление вектора поля силы тяжести 13.
Корпус 1 выполнен в форме уплощенного параллелепипеда с габаритами не более 15×8×4 см, внутри корпуса на монтажной плате (на чертежах не показана) установлены электронный трехкомпонентный магнитометр 2, электронный трехкомпонентный акселерометр 3, и микроконтроллер 7. Кроме того, на одну из стенок корпуса выведен разъем USB-порта 5 и разъем 9 для подключения флеш-накопителя SD-card. Кроме того, на верхней плоскости корпуса размещены жидкокристаллический графический дисплей 6 (разрешением не менее 128×64 точки и размером не менее 70×50 мм) и кнопочная клавиатура 8
Корпус может быть выполнен из металла или прочной 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 I2C-шине.
В качестве электронного трехкомпонентного акселерометра 3 может быть использована микросхема kxps5-2050 являющаяся 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. Кроме непосредственно датчиков микросхема обеспечивает цифровой интерфейс, выполняющий функции усиления, управления, 12-разрядное аналогово-цифрового преобразования и обмен цифровыми данными по I2C-шине или SPI.
Однако наиболее целесообразно, чтобы функции электронных трехкомпонентных магнитометра 2 и акселерометра 3 были реализованы в составе одной микросхемы, например такой, как 6-осевой магнитометр повышенной точности bosh bmc 050. Эта микросхема - последнее поколение полностью компенсированного электронного компаса с отличными характеристиками и ультракомпактным корпусом. ВМС050 позволяет определить точное направление на север с учетом наклона изделия, а также имеет встроенный точный датчик ускорения. Шестиосевой цифровой электронный компас ВМС050 выпускается в чип-корпусе LGA с размерами 3×3×0,95 мм. Магнитный датчик работает на проприетарной технологии FlipCore, а интегрированный акселерометр изготовлен по современной MEMS-технологии, запатентованной Bosch Sensortec.
Функции микросхемы:
- по трем осям измеряет магнитное поле Земли и контролирует динамическое и статическое ускорение, а также угол наклона (эти данные требуются, для реализации функций геологического компаса, когда компас не расположен параллельно земной поверхности).
- после анализа всех измеренных параметров, микропрограмма компаса выдает точное направление на север, независимо от ориентации конечного изделия, куда встроена микросхема ВМС050.
- измерение ускорения выполняет встроенный 10-разрядный цифровой акселерометр ВМА250.
USB-порт 5 и разъем 9 (для подключения флеш-накопителя SD-card) корпуса 1 не отличаются от известных подобных устройств.
В качестве средства вычислительной обработки результатов измерений используется выполненный известным образом микроконтроллер 7, по меньшей мере 32-х битный, например, ARM32 32-bit, например stm32f1, обеспечивающий реализацию пакета программного обеспечения, предназначенного для 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 4 компаса выполнен известным образом и работает на стандартных элементах питания (например, аккумуляторных), размеры которых обеспечивают возможность размещения в полости корпуса. Линии подачи питания 11 условно показаны штриховыми стрелками.
Кнопочная клавиатура 8 может быть реализована в двух вариантах:
- «упрощенный», всего с несколькими кнопками (минимум четырьмя) - сделать замер; удалить данные на флеш-накопитель SD-card; перевести в другой режим измерений; вкл./выкл.;
- «усложненный», с дополнительной «телефонной» 12-кнопочной клавиатурой, выполненной с возможностью ввода числовых данных и, возможно, и текстовых данных, способом подобным набору смс в телефонах.
Описание работы с компасом:
Для обеспечения высокой точности измерений необходимо избавиться от наводок электромагнитного поля на сенсоры соседствующих с ними электронных компонентов (главным образом элемента питания). Для этого проводят процедуру калибровки компаса. Она представляет собой вращение собранного компаса в трех осях, в однородном магнитном поле Земли, с накоплением измерений акселерометра и магнитометра. После этого производят расчет параметров калибровки по известному и детально описанному алгоритму вычислений этих параметров.
Нами сконструирована установка для равномерного вращения компаса. Представляющая собой штангу длинной более 1 м, один конец которой снабжен фиксатором компаса, а другой конец закреплен на платформе, выполненной с возможностью вращения (с помощью двух шаговых двигателей) по двум осям. Третий двигатель расположен на штанге и вращает компас в его рабочей плоскости относительно самой штанги. Двигатели управляются компьютером с помощью специально написанной программы, которая позволяет ориентировать компас в пространстве под углами с точностью до десятых долей градуса. Такая установка позволяет с предельной точностью подобрать параметры калибровки.
Включают компас в работу (клавишей «вкл./выкл.» клавиатуры 8), вставляют флеш-накопитель SD-card 10 в разъем 9 и активируют программное обеспечение компаса. Для измерения элементов залегания плоскости -рабочая площадка (плоская сторона корпуса 1 компаса) прикладывается к измеряемой плоскости. Далее нажимают (клавишу «сделать замер» клавиатуры 8). 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 - рабочая площадка (плоская сторона компаса) прикладывается к измеряемой плоскости, длинная сторона компаса ставится параллельно измеряемой линии. На клавиатуре 8 нажимают клавишу «перевести в другой режим измерений», а затем нажимают клавишу «сделать замер» клавиатуры 8. После накопления достаточного количества данных и их обработки звучит звуковой сигнал, после которого компас можно переместить для замера другой линии.
Результаты серии измерений автоматически сохраняются на флеш-накопитель SD-card, что обеспечивается работой микроконтроллера 7.
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 на флеш-накопитель SD-card;
- Предельная погрешность измерений ±1° (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 - более 10 часов (в зависимости от емкости элементов питания);
максимальная скорость измерений - 30 плоскостей в минуту.