Магнитометрическое устройство

МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
Полезная модель относится к области геофизических исследований скважин и может быть использовано для построения преобразователей магнитного азимута в инклинометрах, а также для построения магнитометров различного назначения.
Известен преобразователь азимута для инклинометра, содержащий генератор, подключенный первым выходом через делитель частоты к цепям возбуждения феррозондов, семь ключей, усилитель, первый и второй интеграторы и коммутатор, при этом входы первых трёх ключей подключены соответственно к сигнальным обмоткам феррозондов и через резистор к общему проводу схемы, а выходы объединены и через цепь, состоящую из последовательно соединённых усилителя, четвёртого ключа, первого интегратора и пятого ключа, соединены со входом второго интегратора, щестой и седьмой ключи подключены параллельно конденсаторам интеграторов, входы управления четвёртого и пятого ключей соединены со вторым и третьим выходами генератора, а входы управления остальных ключей - с выходами коммутатора  Патент РФ №2018645, Е 21 В 47/02, опубл. в БИ №16, 1994 .
Недостатком преобразователя азимута является сложность его схемы, обусловленная применением семи ключей и двух интеграторов, сложность коммутатора, вызванная необходимостью управления пятью ключами, а также низкая стабильность работы и, соответственно, низкая точность в связи с отсутствием отрицательной обратной связи в канале преобразования сигналов феррозондов.
Известен также преобразователь азимута для инклинометра, содержащий генератор, подключенный первым и вторым выходами к обмоткам возбуждения дифференциальных феррозондов, последовательно соединённые полосовой фильтр, синхронный детектор, усилитель постоянного тока и аналого-цифровой преобразователь, аналоговые ключи, вход одного из котоЕ 21 в 47/02
рых подключен к общему проводу схемы, а входы остальных ключей через резисторы соединены с сигнальными обмотками феррозондов, блок управления, вход которого подключен к третьему выходу генератора, а выходы - ко входам управления ключей, синхронного детектора и аналого-цифрового преобразователя, а также резистор, включенный между выходом усилителя постоянного тока с общей точкой соединения входа полосового фильтра и объединённых выходов аналоговых ключей  Свидетельство на полезную модель №21418, Е 21 В 47/02, опубл. в БИ №2, 2002 .
По сравнению с предыдущим аналогом данный преобразователь обладает большей стабильностью и точностью, т.к. в нём организована обратная связь, компенсирующая нелинейность феррозондов. Однако его недостаток, как и у рассмотренного выше преобразователя, состоит в использовании сравнительно сложных по конструкции и настройке дифференциальных феррозондов. Благодаря своему принципу действия эти феррозонды позволяют увеличить относительный уровень информационных гармоник в составе своих сигналов, но требуют применения для преобразования сигналов таких сравнительно сложных функциональных элементов, как полосовые фильтры и синхронные детекторы. Это ведёт также к усложнению генераторов, которые в данном случае должны обладать высокой стабильностью частоты и формировать специальные сигналы для обеспечения работы синхронных детекторов.
Таким образом, применение дифференциальных феррозондов усложняет конструкции известных преобразователей не только само по себе, но и в связи с использованием необходимых для обработки сигналов этих феррозондов сложных функциональных элементов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому магнитометрическому устройству является устройство для измерения магнитных полей, которое принято в качестве прототипа и содержит магнитомодуляционный преобразователь, выполненный в виде пермаллоевого стержня с намотайными поверх него обмоткой возбуждения и сигнальной обмоткой, генератор, подключенный к обмотке возбуждения преобразователя, линию задержки, вход которой соединён с выходом сигнальной обмотки преобразователя, а также сумматор, входы которого подключены ко входу и выходу линии задержки, а выход через резонансный усилитель и детектор соединён с измерительным прибором Авторское свидетельство №1078368, G 01 R 33/02, опубл. в БИ№9, 1984.
Достоинством данного устройства является использование более простого по сравнению с дифференциальными феррозондами магнитомодуляционного преобразователя, содержащего только две обмотки и не требующего настройки. Однако оно обладает и существенными недостатками, К ним относятся низкие стабильность и точность в связи с отсутствием отрицательной обратной связи в канале преобразования сигнала магнитомодуляционного преобразователя, сложность и невысокая стабильность, обусловленная применением линии задержки и резонансного усилителя, параметры которых имеют высокую чувствительность к изменению температуры окружающей среды, а также необходимость применения высокостабильного генератора для обеспечения естественных функций линии задержки и резонансного усилителя. К существенным недостаткам устройства относится также то, что оно не позволяет определить направление (знак) измеряемого магнитного поля, т.к. в его схеме отсутствуют фазочувствительные элементы.
Предлагаемая полезная модель решает задачу упрощения конструкций, увеличения его точности и стабильности. В сравнении с прототипом она решает также задачу определения знака проекции вектора измеряемого магнитного поля на ось чувствительности магнитомодуляционного преобразователя.
К производным результатам, которые могут быть получены при использовании модели, относятся отсутствие настроек и возможность микроминиатюрного исполнения конструкций магнитометрических устройств.
Решение указанных задач достигается тем, что в магнитометрическое устройство, содержащее магнитомодуляционный преобразователь, включающий в себя ферромагнитный стержень с намотанными поверх него обмоткой возбуждения и сигнальной обмоткой, генератор, подключенный к обмотке возбуждения магнитомодуляционного преобразователя, а также сумматор и первый детектор, в отличие от прототипа введены второй детектор и резистор, при этом выходы детекторов соединены со входами сумматора, выход которого через резистор подключен к общей точке соединения выхода сигнальной обмотки магнитомодуляционного преобразователя и входов детекторов, детекторы выполнены по схемам, обеспечивающим выпрямление положительных полупериодов сигналов с помощью первого детектора и отрицательных полупериодов сигналов с помощью второго детектора, а сумматор обладает свойствами фильтра низких частот.
В предлагаемом устройстве формирование полезного сигнала и подавление ненужных нечётных гармоник в составе сигнала магнитомодуляционного преобразователя осуществляется путём раздельного детектирования положительной и отрицательной составляющих сигнала магнитомодуляционного преобразователя посредством линейных однополупериодных детекторов и сложения результирующих сигналов посредством сумматора. Таким образом в устройстве отсутствуют элементы с ярковыраженными частотноизбирательными свойствами. Это является существенным отличием предлагаемого устройства от известных устройств, поскольку в них указанные операции осуществляются с помощью частотно-избирательных элементов - полосовых фильтров, избирательных усилителей, синхронных детекторов и схем, образованных комбинированием линий задержки и сумматоров.
Отметим также и то, что знак сигнала на выходе предлагаемого магнитометрического устройства, соответствующий знаку проекции вектора измеряемого магнитного поля на ось чувствительности магнитомодуляционного преобразователя, формируется за счёт сравнения амплитуд положительных И отрицательных составляющих сигнала первичного магнитомодуляционного преобразователя. Это также обуславливает существенное отличие предлагаемого устройства от известных устройств, в которых знак информационного сигнала формируется путём синхронного детектирования сигналов, вырабатываемых дифференциальными датчиками (феррозондами).
На фиг.1 представлена функциональная схема магнитометрического устройства, а на фиг.2 - временная диаграмма сигнала на выходе сигнальной обмотки магнитомодуляционного преобразователя.
Магнитометрическое устройство содержит магнитомодуляционный преобразователь (ММП) 1, включающий в себя ферромагнитный стержень с намотанными поверх него обмоткой возбуждения и сигнальной обмоткой, генератор 2, подключенный к обмотке возбуждения ММП 1, однополупериодные амплитудные детекторы 3,4, объединённые входы которых соединены с выходом сигнальной обмотки ММП 1, сумматор 5, подключенный входами к выходам детекторов 3,4, а также резистор 6, включенный между выходом сумматора 5 и общей точкой соединения сигнальной обмотки ММП 1 и входов детекторов 3,4.
Устройство работает следующим образом. Генератор 2 запитывает обмотку возбуждения ММП 1 переменным током, сила которого достаточна для насыщения ферромагнитного стержня преобразователя. В результате этого сигнал, действующий на выходе сигнальной обмотки ММП 1, представляет собой последовательность коротких импульсов (фиг.2), передние фронты которых формируются в моменты перехода через ноль тока в обмотке возбуждения ММП 1.
При отсутствии подмагничивания стержня внешним измеряемым магнитным полем положительные и отрицательные импульсы имеют одинаковые амплитуды и формы. Однако под воздействием внешнего магнитного поля амплитуды импульсов изменяются. При этом величина и знак разности амплитуд положительных и отрицательных импульсов изменяются в соответствии с изменениями величины и знака нроекции вектора измеряемого магнитного поля на ось чувствительности ММП 1.
Амплитуды положительных и отрицательных импульсов сигнала ММП 1 могут быть выражены в виде (фиг.2)
Ui  U(0) + 5Ub
U2  - U(0) + 5U2.(1)
где U(0) - значения амплитуд импульсов при отсутствии внешнего измеряемого поля, а 5Ui,5U2 - приращения амплитуд импульсов, вызванные внешним магнитным полем, подмагничиваюш;им стержень ММП 1. Максимальные значения относительных прираш;ений амплитуд импульсов 5Ui/U(0) и 5U2/U(0) зависят от величины измеряемых полей и магнитной проницаемости материала, из которого изготовлен стержень ММП 1, и составляют 0,05 0,25.
Посредством детекторов 3,4, имеюш;их одинаковые коэффициенты передачи К, амплитуды импульсов преобразуются в пропорциональные напряжения постоянного тока
которые суммируются с помош,ью сумматора 5. В результате на выходе сумматора, который является выходом магнитометрического устройства, действует сигнал, пропорциональный сумме прираш;ений амплитуд положительных и отрицательных импульсов сигнала ММП 1, т.е.
Us  ICKi(U, + U2)  KKi(6U, + 5U2),(3)
где К - коэффициент передачи сумматора 5.
Благодаря тому, что сумматор 5 обладает характеристикой фильтра низких частот, он осуш;ествляет сглаживание возможных пульсаций напряжений на выходах детекторов 3,4 и тем самым обеспечивает необходимое качество сигнала на выходе магнитометрического устройства.
U3  KUi,
U4  KU2,(2)
Вследствие нелинейности характеристики перемагничивания стержня ММП 1 зависимость сигнала Us на выходе сумматора от величины измеряемого магнитного ноля является нелинейной и описывается нечётной функцией. Поэтому для уменьшения нелинейности этой зависимости и повышения точности измерения магнитного поля в магнитометрическом устройстве посредством резистора 6 организуется отрицательная обратная связь. При этом статическая характеристика устройства имеет вид
где R - сопротивление резистора 6, А - коэффициент прямого преобразования ММП 1, В - коэффициент обратного преобразования ММП 1, характеризующий собой величину магнитного поля, создаваемого в ферромагнитном стержне протекающим по сигнальной обмотке ММП 1 током I  Us/R, Н  измеряемое магнитное поле, т.е. проекция вектора внешнего магнитного поля на ось чувствительности ММП 1.
В магнитометрическом устройстве целесообразно использовать генератор прямоугольного напряжения, поскольку в этом случае форма импульсов на выходе сигнальной обмотки ММП 1 практически не зависит от периода их повторения Т (фиг.2). Это позволяет снизить требования к стабильности частоты генератора и расширить диапазон рабочих частот от нескольких десятков герц до нескольких сотен килогерц, а также существенно расширить частотный диапазон измеряемых магнитных полей.
Заметим, что при использовании генератора прямоугольного напряжения, скважность вырабатываемых генератором импульсов напряжения может быть установлена в широких пределах. При этом достаточно лишь не допустить перекрытия положительных и отрицательных импульсов на выходе сигнальной обмотки ММП 1.
KKiAR R + KKiAB
мер, аморфные сплавы. Это  позволяет получить такую чувствительность ММП 1, которая делает возможным применение магнитометрического устройства для построения чувствительных магнитометров или датчиков ориентации подвижных объектов относительно геомагнитного поля, например, датчиков магнитного азимута инклинометров. В последнем случае могут использоваться два или три магнитометрических устройства, что обуславливается выбором конструкции датчика азимута, и один общий генератор для возбуждения всех ММП,
Предлагаемое магнитометрическое устройство реализуется на основе широко распостранённых компонентов, выпускаемых отечественной промышленностью.