Цифровой феррозондовый магнитометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 114 97 зов Г 01 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ОСУДАРС О ДЕЛАМ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 35. Г.И. Соборов в Н,М Яковл ые маг с. 13 етельс 33/02(54) (57) ЦИФРОВОЙ ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОИ.ТР, содержащий последовательносоединенные генератор, феррозонд скомпенсационной обмоткой и избирательный усилитель, пороговый элемент, а также источник компенсирующего поля, выполненный в виде последовательно соединенных первого реверсивного счетчика, вход разрешениясчета которого соединен с выходомпорогового элемента, и цифроаналоговый преобразователь, выход которогосоединен с компенсационной обмоткой феррозонда, а выход первого реверси ного счетчика соединен с первым вхо дом цифрового вычислителя, о т л ич а ю щ и и с я тем, что, с целью повьшения точности измерения, в него введены второй реверсивный счетчик и преобразователь амплитудных значений.напряжения в частоту следования импульсов, состоящий из последовательно соединенных аналогового интегратора и блока сравнения, вторые входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходамиге. нератора, а первый и второй выходы - соответственно с входами суммироваР ния и вычитания реверсивных счетчикоь Я и входами начальной установки аналогового интегратора, вход которого соединен с выходом избирательного усилителя и входом порогового элемента, выход второго реверсивного счетчика соединен с .вторым входом цифрового вычислителя, а вход разрешения счета - с четвертым выходомного вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ).Известны цифровые ферроэондовые магнитометры, содержащие последовательно соединенные генератор, феррозонд, избирательный усилитель, демодулятор, Фильтр низкой частоты, формирователь импульсов, выполненный по схеме преобразования напряжения в частоту следования импульсов, цифровое интегрирующее устройство на реверсивном счетчике, цифроаналоговый преобразователь, выход которого сое" 0 15 динен с компенсационной обмоткой феррозонда, В устройствах с помощью феррозонда, возбуждаемого генератором, соединенного с избирательным усилителем, фильтром низкой частоты осуществляется соответственно ферромоцуляционное преобразование индукции 20 магнитного поля, выделение полезного сигнала (например, частоты второйгармоники), демодуляция и преобразованне переменного тока, Затем это напряжение с помощью преобразователя напряжения в частоту преобразуется в 30 импульсную последовательность, преобразуемую в реверсивном счетчике в код, подаваемый на вход цифроаналогового преобразователя, В послеДнемкод преобразуется в ток, подаваемыйв компенсационную обмотку феррозонда. Тем самым осуществляется процесс 35 следящего уравновешивания измеряемой индукции ИПЗ в феррозонде. Код в реверсивном счетчике соответствует величине индукции измеряемого поля 11 . Наличие аналоговых фильтров, преобразователя напряжения в частоту (например, интегрирующего типа) и реверсивного счетчика обеспечивает высокую помехоустойчивость и чувст 45 вительность преобразования, свойственные следящим аналого-цифровым интегрирующим преобразователям,но инерционностьперечиспенных э лементов сильно сникает быстродействие магнитометра. Поэтому недостатком данного устройства является низкое быстродействие.Наиболее близким к изобретению является цифровой феррозондовый магнитометр, содержащий последовательно соединенные генератор, феррозонд,55 1 11149Изобретение относится к геофизическому приборостроению, в частности к магнитометрам, предназначенным для измерения модуля и компонент пол 97 3аналоговый преобразователь, аналогоцифровой преобразователь и цифровойвычислитель, причем выход аналоговогопреобразователя подключен к входупорогового элемента и дискриминатора знака, выходы которых соединеныс управляющими входами источника компенсирующего поля, аналоговый выходкоторого соединен с компенсационнойобмоткой феррозонда, а цифровой -с другим входом цифрового вычислитеЛЯ еУстройство работает следующим образом.(В обмотку возбуждения феррозондаподается напряжение возбуждения, поступающее от генератора. Выходноенапряжение феррозонда, содержащееполезный сигнал и сигнал помехи, по-дается на аналоговый преобразователь,в котором осуществляется выделениеполезного сигнала в виде напряжениявторой гармоники частоты возбужденияферрозонда и преобразование в напряжение постоянного тока. В дискриминаторе знака определяется знак измеряемого поля. Если выходной сигналаналогового преобразователя превышает порог срабатывания пороговогоэлемента, то с аналогового выхода источника компенсирующего поля задаетсяв компенсационную обмотку ферроэондавозрастающий или убывающий в зависимости от знака измеряемого поля, ступенчатый ток, создающий в феррозондекомпенсирующее магнитное поле, направленное противоположно измеряемому магнитному полю. Работа источника компенсирующего поля прекращается, когдасигнал на выходе аналогового преобразователя становится меньше порогасрабатывания порогового элемента и врегистре (реверсивном счетчике) источника компенсирующего поля фиксируется код Й 4. Остаточный выходнойсигнал аналогового преобразователя,соответствующий разности индукцииизмеряемого и компенсирующего полей,преобразуется в аналого-цифровомпреобразователе в код числа Й Кодычисел М и Й подаются с их знакамив цифровой вычислитель, где осуществляется их алгебраическое суммирование, Результат суммирования соответствует измеряемой напряженности магнитного поля 21,Недостатком известного устройства является низкая помехоустойчивость,вызванная недостаточным подавлением нестабильным демодулятором и аналоговым фильтром нечетных гармоник, квадратурной составляющей помехи и сетевых помех с чаСтотами, кратными частоте второй гармоники в условиях сильного воздействия дестабилизирующих температурных и временных факторов, Кроме того, известный магнитометр обладает низким быстродействием из-эа 10 необходимости применения в нем аналоговых фильтров низкой частоты с большой постоянной времени.Целью изобретения является повышение точности измерения за счет повы щения помехоустойчивости магнитометра при высоком быстродействии в широком динамическом. диапазоне.Поставленная цель достигается тем, что в цифровой феррозондовой магнито,метр, содержащий последовательно соединенные генератор, феррозонд с компенсационной обмоткой и избирательный усилитель, пороговый элемент, а также источник компенсирующего поля, 25 выполненный в виде последовательно соединенных первого реверсивного счетчика, вход разрешения счета которого соединен с выходом порогового зле 1 мента, и цифроаналоговый преобразова- З 0 тель, выход которого соединен с компенсационной обмоткой феррозонда, авыход первого реверсивного счетчика соединен с первым входом цифрового вычислителя, введены второй реверсив-З 5 ный счетчик и преобразователь амплитудных значений напряжения в частоту следования импульсов, состоящий иэ последовательно соединенных аналогового интегратора и блока сравнения, 40 вторые входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами генератора, а первый и второй выходы - соответственно с входами сумми. рования и вычитания реверсивных счетчиков и входами начальной установки аналогового интегратора, вход которого соединен с выходом избирательного усилителя и входом порогового элемента, Выход второго реверсивного счет чика соединен с вторым входом цифрового вычислителя, а вход разрешения счета - с четвертым выходом генератора.5На фиг.1 представлена структурная ,схема магнитометра; на фиг.2 - временные диаграммы его работы. УстроЙс"но (фи .1) содекит иоследовательио соединенные генератор 1,феррозонд 2, иэбирательиый усилитель3, пороговый элемент 4, источник 5компенсирующего поля, содержащий последовательно .соединенные первый реверсивный счетчик 6 и цифроаналоговый преобразователь 7, выход которогосоединен с компенсационной обмоткойферраэонда, цифровой вычислитель 8,второй реверсивный счетчик 9, преобразователь 1 О амплитудных значенийнапряжения в частоту следования им"пульсов, содержащий последовательносоединенные аналоговый интегратор 1и блок 12 сравнения.Устройство работает следующимобразом,В обмотку возбуждения феррозонда2 подается напряжение возбуждениячастоты с 0, поступающее с первого Явыхода генератора 1. Выходное напряжение феррозонда 2, содержащее полезный сигнал и сигнал помехи, подаетсяна вход избирательного усилителя 3,в котором осуществляется выделениеполезного сигнала в виде напряжениявторой гармоники 2 ы частоты возбуждения феррозонда аналоговым избирательным фильтром. Затем это напряжение преобразуется преобразователем10 в частотно-импульсную последовательность, частота следования которойпропорциональна амплитудному значениювыходного напряжения избирательногоусилителя 3.Появление частоты на соответствую-. щем выходе преобразователя 10 определяется знаком (фазой выходного напряжения избирательного усилителя 3) 1индукции измеряемого поля. Если ампли,туда выходного сигнала избирательного усилителя 3 превышает порог срабатывания порогового элемента 4, то выходной потенциал последнего разрешает осуществление последовательного счета выходных импульсов преобразоЬателя 1 О и, следовательно, преобразования частоты в код. Код первого реверсивного счетчика 6 преобразуется в цифроаналоговом преобразователе 7 в ступенчатый ток, подаваемый в компенсационную обмотку ферроэонда 2, возрастающий или убывающий в зависимости от знака измеряемого поля (кода), создающий В феррозонде компенсирующее магнитное поле, направленное противоположно измеряемому.Работа источника 5 компенсирующего поля прекращается, когда амплитудное значение сигнала на выходе избирательного усилителя 3 становится меньше порога срабатывания порогового 5 элемента и, следовательно, в реверсивном счетчике б Фиксируется код М, пропорциональный индукции измеряемого поля,Остаточный выходной сигнал усилителя 3 представляет смесь полезного сигнала и неподавленной помехи, причем полезный сигнал соответствует разности измеряемого и компенсирующего полей.Во втором реверсивном счетчике 9 после изменения потенциала на 5 Результат суммирования соответствует измеряемой величине индукции магнитного поля. входе установки счетчика в нулевое состояние, подаваемого с выхода порогового элемента 4, осуществляется 2 О периодическое интегрирование выходной частоты импульсов преобразователя 10 амплитудных значений напряжения в частоту и тем самым преобразование амплитудных значений выходного напряжения усилителя 3 в код Ч. В процессе интегрирующего преобразования осуществляется подавление помех, содержащихся в спектре выходного сигнала усилителя 3, и выделение по- ЗО лезного сигнала в виде кода Й за время интегрирования 1 0 частоты Г во втором реверсивном счетчике 9.Интервалы периодического измерения (интегрирования) формируются генератором 1 в виде периодической последовательности импульсов, подаваемых с второго выхода на вход разрешения счета второго реверсивного счетчика 9, и задаются кратным периоду измене- )О ния пороговых синусоидальных напряжений О 1 и О , подаваемых с третьего и четвертого выходов генератора на входы блока 12 сравнения частоты, равной частоте второй гармоники 2 сд выходного сигнала О (Фиг, 2) Феррозонда 2, при этом процесс интегрирования начинается с предварительного обнуления второго реверсивного счетчика 9. Выходные коды чисел Й и Й реверсивных счетчиков 6 и 9 поступают соответственно на первый и второй входы цифрового вычислителя 8, где осуществляется их алгебраическое суммирование. 55В предлагаемом магнитометре нижнее граничное значение величины порога срабатывания магнитометра О ир порогового элемента 4 задается максимальным значением диапазона изменения при Т =О при 1 =Т,Он =)3,: 0 где тО: ; Ой:ОцтоО)= О и(асм 1+ Г)9 - фаза выходного напряженияусилителя 3,Таким образом, из выражений слеирйЕВВыходной сигнал усилителя 3 запи сывают с учетом помех, пренебрегая высшими гармониками ци ь 1 фОщз)и 1 ы 1+Оа к 8 5 аыС )О МЗ3 амплитудного значения сигнала помехиОи, содержащейся н спектре выходногосигнала Оусилителя, т.е,Оиор 1" и щах .Преобразование амплитудных значе-ний выходного напряжения усилителя 3в частоту следования импульсов в случае отсутствия помех осуществляетсяследующим образом.Противофазные напряжения О,- Ба з 1 п 2 ой и О = Оо з 1 п (2 ис +1 р),поступающие с соответствующих вы-ходов генератора 1 (фиг. 2 о и 8 ) навходы блока сравнения, задают порогисрабатывания последнего.В моменты достижения выходным напряжением О (фиг. 21) интегратора 11соответствующих по Фазе пороговых напряжений происходит срабатывание блока 12 сравнения, формирующего в этимоменты импульсы напряжений О . или Ор(фиг. 2 3, е ), соответствующие положительному или отрицательному знакувыходного эквивалента преобразователя 10 и поступающие на входы установки в начальное состояние аналоговогоинтегратора 11, сбрасывающие его внулевое состояние. Условия равенствапорогового и выходного напряженияаналогового интегратора 11 в моментысрабатывания устройства сравнения приотсутствии помех определяют выражениями)Т - период повторения напряженияФ второй гармоники.Таким образом,в предлагаемоммагнитометре по сравнению с известнымосуществляется подавление помех вспектре преобразуемого сигнала безснижения быстродействия. Применение 10 магнитометра способно значительноповысить характеристики измерительныхсистем, использующих цифровые феррозонловые магнитометры.1114997 и Составитель В. Шульгина Техред И.Астапов Корректор Е. Сирохм акто з 67 дК Филиа ПП "Патент", г. Ужгород, .ул. Проектная,2. Тира ВНИИПИ Гос по делам 113035, Мо71 ар зо Подписноетвенного комитета СССРретений и открытийЖ, Раушская наб.,