УСТРОЙСТВО ИНДИКАЦИИ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ

Полезная модель относится к метеорологическим средствам контроля (здравоохранение, безопасность и защита населения, сейсмология, приборы для научных исследований, приборы для медицины) и предназначена для индикации геомагнитных возмущений в реальном времени в общедоступных условиях эксплуатации.
Известно устройство для определения индукции геомагнитного поля с подвижного объекта [Патент RU №2096818 от 20.11.1997, МПК G05D 1/08, G01R 33/00, G01V 3/00], которое состоит из размещенных на подвижном объекте трехкомпонентного магнитометрического датчика с взаимно ортогональными осями, трех усилительно-преобразовательных блоков, первые входы которых подключены к выходам упомянутого датчика, генератора переменных напряжений, первый выход которого подключен к входу трехкомпонентного датчика, а второй выход - к вторым входам усилительно-преобразовательных блоков, регистрирующего блока, входы которого подключены к выходам усилительно-преобразовательных блоков, углоизмерительного устройства, выходы которого подключены к трем дополнительным входам регистрирующего блока, выполненного с возможностью регистрации сигналов, пропорциональных значениям проекций векторов магнитной индукции и углов курса, крена, тангажа объекта, устройства обработки информации, подключенного к выходу регистрирующего блока.
Недостатком устройства является отсутствие функции определения возмущенной геомагнитной обстановки.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для определения индукции геомагнитного поля с подвижного объекта [Патент RU №2204851 от 20.05.2003, МПК G01V 3/40, F01R 33/02], включающее размещенные на объекте трехкомпонентный магнитометрический датчик с взаимно-ортогональными осями, три усилительно-преобразовательных блока, первые входы которых подключены к соответствующим выходам трехкомпонентного магнитометрического датчика, генератор переменных напряжений, первый выход которого подключен к первому входу трехкомпонентного магнитометрического датчика, а второй выход - к вторым входам усилительно-преобразовательных блоков, регистрирующий блок, первые три входа которого подключены к соответствующим выходам первого, второго и третьего усилительно-преобразовательных блоков, углоизмерительное устройство, три выхода которого подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому входам регистрирующего блока, выполненного с возможностью синхронной регистрации сигналов, пропорциональных значениям проекций векторов магнитной индукции и углов курса, крена, тангажа объекта, и устройство обработки информации, подключенное к выходу регистрирующего блока, также устройство снабжено сумматором, у которого первый, второй и третий входы подключены к соответствующим выходам первого, второго и третьего усилительно-преобразовательных блоков, четвертый, пятый и шестой входы подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам устройства обработки информации, а три выхода подключены соответственно к второму, третьему и четвертому входам трехкомпонентного датчика, при этом устройство обработки информации выполнено с возможностью определения параметров Пуассона, проекций вектора магнитной индукции от жесткой намагниченности объекта, индукции геомагнитного поля и формирования сигналов, пропорциональных проекциям вектора магнитной индукции от намагниченности объекта.
Недостатком устройства является отсутствие функции определения возмущенной геомагнитной обстановки.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства индикации геомагнитных возмущений.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности информирования в реальном времени о наступлении геомагнитного возмущения, вне зависимости от географического расположения устройства.
Технический результат достигается за счет того, что устройство индикации геомагнитных возмущений содержит трехкомпонентный магнитометрический датчик с взаимно ортогональными осями, регистрирующий блок, три усилительно-преобразовательных блока, входы которых подключены к соответствующим выходам трехкомпонентного магнитометрического датчика с взаимно ортогональными осями, первый сумматор и дополнительно содержит квадраторы сигналов, устройство извлечения квадратного корня, вычитающее устройство, блок уставок, семь компараторов, блок ввода, четыре генератора синусоидального напряжения, второй и третий сумматоры, источник опорного напряжения и усилитель постоянного напряжения, причем выходы усилительно-преобразовательных блоков подключены соответственно к входам первого, второго и третьего квадраторов сигнала, выходы каждого из которых подключены к первому, второму и третьему соответственно входам первого сумматора, выход которого подключен к входу устройства вычисления квадратного корня, выход которого подключен к первому входу регистрирующего блока и к первому входу вычитающего устройства, выход которого подключен к первым входам семи компараторов, ко вторым входам компараторов подключены с первого по седьмой выходы соответственно блока уставок, к третьим входам семи компараторов подключены с восьмого по четырнадцатый соответственно выходы блока уставок, каждый из выходов компараторов подключен соответственно к семи входам регистрирующего блока, начиная со второго, блок ввода, первый выход которого подключен к входам первого, второго и третьего генераторов синусоидального напряжения и к первому входу усилителя постоянного напряжения, выходы генераторов синусоидального напряжения соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами второго сумматора, выход которого соединен с первым входом усилителя напряжения, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход усилителя напряжения подключен к выходу четвертого генератора синусоидального напряжения, второй выход блока ввода соединен с вторым входом усилителя постоянного напряжения и с третьим входом усилителя напряжения, к третьему входу усилителя постоянного напряжения подключен выход источника образцового напряжения, выход усилителя постоянного напряжения соединен с вторым входом третьего сумматора, выход которого подключен к второму входу вычитающего устройства.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства индикации геомагнитных возмущений.
Устройство индикации геомагнитных возмущений содержит трехкомпонентный магнитометрический датчик с взаимно ортогональными осями 1, регистрирующий блок 2, три усилительно-преобразовательных блока 3-5, входы которых подключены к соответствующим выходам трехкомпонентного магнитометрического датчика 1, выходы усилительно-преобразовательных блоков 3-5 подключены соответственно к входам первого, второго и третьего квадраторов сигнала 6-8, выходы каждого из квадраторов подключены к первому, второму и третьему соответственно входам первого сумматора 9, выход которого подключен к входу устройства вычисления квадратного корня 10, выход которого подключен к первому входу регистрирующего блока 2 и к первому входу вычитающего устройства 11, выход которого подключен к первым входам семи компараторов 12-18, ко вторым входам компараторов подключены с первого по седьмой выходы соответственно блока уставок 19, к третьим входам семи компараторов подключены с восьмого по четырнадцатый соответственно выходы блока уставок 19, каждый из выходов компараторов подключен соответственно к семи входам регистрирующего блока 2, начиная со второго, блок ввода 20, первый выход которого подключен к входам первого, второго и третьего генераторов синусоидального напряжения 21-23 и к первому входу усилителя постоянного напряжения 24, выходы генераторов синусоидального напряжения соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами второго сумматора 25, выход которого соединен с первым входом усилителя напряжения 26, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора 27, второй вход усилителя напряжения 26 подключен к выходу четвертого генератора синусоидального напряжения 28, второй выход блока ввода 20 соединен с вторым входом усилителя постоянного напряжения 24 и с третьим входом усилителя напряжения 26, к третьему входу усилителя постоянного напряжения 24 подключен выход источника образцового напряжения 29, выход усилителя постоянного напряжения 24 соединен с вторым входом третьего сумматора 27, выход которого подключен к второму входу вычитающего устройства 11. Устройство работает следующим образом.
При воздействии геомагнитного поля (ГМП) на трехкомпонентный магнитометрический датчик с взаимно ортогональными осями 1 на его выходах появляются три напряжения, пропорциональные измеряемому ГМП. Далее они подаются соответственно на входы трех усилительно-преобразовательных блоков 3-5, усиленные напряжения подаются соответственно на три квадратора сигнала 6-8, и далее на первый сумматор 9, после чего суммированный сигнал подается на устройство вычисления квадратного корня 10. В результате этих преобразований на выходе устройства вычисления квадратного корня получается напряжение, пропорциональное модулю вектора напряженности магнитного поля Земли (МПЗ)
где  - модуль вектора напряженности ГМП,  - северная составляющая напряженности ГМП,  - восточная составляющая напряженности ГМП,  - вертикальная составляющая напряженности ГМП.
Этот сигнал подается для отображения на регистрирующий блок 2, а также на вычитающее устройство 11.
Сигнал с выхода блока ввода 20, полученный вводом данных пользователем, задает начальную фазу колебаний генераторов синусоидальных сигналов 21-23, характеризуя местоположение устройства индикации магнитных бурь на Земном шаре, так как форма переменной составляющей магнитного поля Земли (МПЗ) зависит от его географического положения. Генераторы синусоидального напряжения 21-23 формируют колебания, соответствующие слагаемым в математической модели, описывающей периодическую составляющую ГМП, полученной в результате спектрального анализа Фурье. Сумма всех составляющих ряда Фурье получается в результате сложения сигналов на втором сумматоре 25. Полученный сигнал умножается усилителем напряжения 26, коэффициент усиления которого зависит от сигнала с блока ввода 20, характеризующим зависимость периодической составляющей от географической широты, на которой производятся измерения, а также от сигнала, подаваемого на третий вход усилителя напряжения 26 с выхода четвертого генератора синусоидального напряжения 28, характеризующего влияние времени года на периодическую составляющую ГМП.
Постоянная составляющая ГМП формируется генератором образцового напряжения 29, выходной сигнал которого подается на усилитель постоянного напряжения 24, величина коэффициента которого зависит от входных сигналов с блока ввода 20.
Слагаемое, характеризующее постоянную составляющую ГМП, складывается со слагаемым, характеризующим переменное ГМП с помощью третьего сумматора 27. Полученный сигнал характеризует невозмущенное магнитное поле Земли.
Сигнал с третьего сумматора 27 подается на вычитающее устройство 11, на выходе которого в результате действия, описываемого формулой
,
пост
формируется сигнал, пропорциональный единичным возмущениям ГМП, где H - измеренная напряженность ГМП, H - постоянная составляющая напряженности ГМП и  - переменная составляющая ГМП.
Этот сигнал подается на семь компараторов 12-18, на которых сравнивается с образцовыми напряжениями, формирующимися в блоке уставок 19 и характеризующими граничные уровни значения напряженности единичных возмущений для семи уровней возмущенности ГМП, приведенных в таблице 1, полученной в результате экспериментальных исследований.
Таблица 1
Граничные уровни значения напряженности единичных возмущений ГМП
K - индекс, Состояние ГМП
k<sub>гр1</sub>,мА/м
k<sub>гр2</sub>,мА/м
0÷2
7,9
20,8
Спокойное
3÷4
20,9
54,2
Возмущенное
5
54,3
149,7
Геомагнитная буря силы G1
6
149,8
302,6
Геомагнитная буря силы G2
7
302,7
520,5
Геомагнитная буря силы G3
8
520,6
770,5
Геомагнитная буря силы G4
9
770,6
1190,0
Геомагнитная буря силы G5
Каждый из семи уровней возмущенности характеризуется верхним и нижним пределами, поэтому блок уставок 19 снабжен семью парами источников постоянного напряжения, каждая из которых характеризует верхний и нижний уровни значения напряженности единичных возмущений.
При этом выделяется семь возможных состояний магнитного поля Земли: спокойное (K=0÷2, возмущенное (K=3÷4), геомагнитная буря (ГБ) силы G1(K=5), ГБ силы G2(K=6), ГБ силы G3(K=7), ГБ силы G4(K=8), ГБ силы G5(K=9).
С помощью регистрирующего блока 2 полученное значение состояния ГМП запоминается и предоставляется для наблюдения, тем самым достигается технический результат, заключающийся в обеспечении возможности информирования в реальном времени о наступлении геомагнитного возмущения, вне зависимости от географического расположения устройства.
Блоки, входящие в состав устройства индикации геомагнитных возмущений могут быть выполнены, например:
- трехкомпонентный магнитометрический датчик с взаимно ортогональными осями 1 - любой трехкомпонентный магнитометрический датчик с взаимно ортогональными осями и чувствительностью не ниже 1 нТл;
- усилительно-преобразовательные блоки 3-5 - любой усилитель напряжения на операционном усилителе К140УД24;
- квадраторы сигналов 6-8 - любой одноквадрантный умножитель напряжения на операционном усилителе с параллельно соединенными входами (интегральный перемножитель 140МА1);
- сумматоры сигналов 9, 25, 27 - любой аналоговый сумматор напряжения на операционном усилителе К140УД17;
- устройство извлечения квадратного корня 10 - перемножитель 525ПС2, включенный в режиме извлечения квадратного корня;
- вычитающее устройство 11 - разностный усилитель на операционном усилителе К140УД17;
- компараторы 12-18 на микросхеме К553СА1, включенные по двухпороговой схеме;
- регистрирующий блок 2 - любое цифровое электронное устройство регистрации, имеющее на входе АЦП;
- блок уставок 19 - четырнадцать регулируемых источников постоянного напряжения;
- блок ввода 20 - любой аналоговый блок ввода данных;
- генераторы синусоидального напряжения 21-23, 28 на микросхеме NE5532, обеспечивающие получение синусоидального напряжения с заданной начальной фазой;
- усилители напряжения 24 и 26 на микросхеме ПГА2004АП с регулируемым коэффициентом усиления;
- источник образцового напряжения 29 на микросхеме 28LM113.