Способ магнитной геодезии в. м. юровицкого

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик 1949559 ии г)М Кп 3С 01 й 33/02 0 01 С 19/02 с присоединением заявки М Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий.М.10 ровицкого Из зии и ном д и подь Рр 2 9:агссс4-1 1 пСОВ 25 дения, т места Радиус места набл геодезический ази наблюдениями меридианальный уг наблюдения; д л мест обретение относится к геодеможет быть использовано в гореле и строительстве наземныхземных сооружений.Известен способ магнитной геодезии, основанный на измерении направления с помощью магнитного поля Земли. Способ относится к пассивнымгеодезическим методам, так как испольэуется естественное магнитное полеЗемли, Достоинствами его являютсяпростота и возможность производстваизмерений в условиях, когда никакиедругие геодезические методы непримениьат - внутри непрозрачных в оптичес 1ком и радиодиапаэоне сред - в туман,под землей и т,д. (13,Недостатком известного способаявляется низкая точность измерений,Цель изобретения - повышение точности измерения в немагнитных средах.Поставленная цель достигается тем,что посредством источника создаютвращающееся магнитное поле и определяют место расположения точки наблюдения зв системе отсчета, начало которойсовпадает с местом расположения источника, одна из осей координат совпадает с осью вращения магнитного поля,а две лочгие совпадают с направления ми, вдоль которых измеренные в точке,расположенной на оси вращения поля,компоненты вращающегося магнитногополя имеют минимальное и максимальноезначения, определяют коэффициент эллиптичности врашающегося магнитногополя в точке, расположенной на осивращения магнитного поля, измеряютвеличину магнитной бикомпоненты, совпадающей по направлению с минимальнойкомпонентой вращающегося магнитногополя, измеряют главный зенитный уголсистемы отсчета и местный зенитныйугол в точке наблюдения, а полноегеодезическое описание точки наблюде,ния определяют по соотношениямг - радиус вектор точки наблюденияр - временная функция.На фиг. 1 изображена геометрия измерений. Плоскость вращения диполя будем называть экваториальнОй плоскостью, ось врашения - главной полярной осью, совпадающей с осью 07. Точка А изображает точку наблюдения. Плоскость, проходящую через главную полярную ось, будем называть меридиональной плоскостью; меридиональную плоскость, проходящую через место наблюдения - местной меридиональной плоскостью; угол между радиус-вектором точки наблюдения и главной полярной осью - местным геодезическим азимутом; ось, проходящую через точку наблюдения, параллельно главной полярной оси - местной полярной осью. Ввиду аксизльной симметрии задачи проведем лдс 1 сность хО через точку наблюгде заданный магнитоиндукцион=ный момент источника вращающегося магнитного поля,В- величина магнитной бикомпоненты;К - коэффициент эллиптичности, 5Е- главный зенитный угол системы отсчетаместный зенитный угол.Теоретические основы способа магнитной геодезии заключаются в следующем.Рассматривается точечный магнитный диполь, вращающийся в плоскости.В качестве меры интенсивности используют магнитоиндукционный момент, рав 15ный интегралу от индукции внешнего ивнутреннего .поля по объему магнетика,Магнитоиндукционный момент отличается от обйчио используемого магнитогомомента множителем ,мо 20Пусть диполь с магнитоиндукционным моментом ио находится в началекоординат и вращается в плоскости хОу, Тогда вектор магнитоиндукционного момента имеет составляющиепо осямых = /и,о с 05 ш с)(и =,и.о 61 пю т; Р 7 Оф (1)где ш - угловая частотавращенияди поля,ЗССобственное электромагнитное полеможно представить в виде суперпозицииполей двух диполей с осциллирукщимимоментами одинаковой частоты со сдвигом фаз 900 . Решение для осциллирующего магнитного,диполя известно.3Если пренебречь эффектами нестационарности в областях пространства,где магнитная энергия диполя значи .тельно превышает его электрическуюэнергию, то для поля диполя справвдливо следующее выоажение:ь 1 д 1 г Ф41 (В 4 Л )1дения, Подставляя в уравнение (.2)значения дипольного момента (1), получаем значение вектора магнитной индукции в проекциях на оси прямоугольной системы координатВх = Вр(3 п 1 0 1) с 05 шЙВ = ВО 51 п шй,В 7 = Во 3 соьоь 1 л 9 сбвщ сВФОЬ)О 1,;,аПо каждой из осей имеем осцилли"рующее магнитное поле. Поле вдольпроизвольного направления, задаваемого направляющими косинусами ( д о(,д) определяетсяВрЦВОЩЪБе 8-)Й+ЬМп 9 совэй 1 ас 05 ш 1-сС 81 л шФ,Амплитуда этого выражения естьмагнитная компонента по соответству.ющей оси и равна(Из выражения 14 ) легко определяется направление, вдоль которого магнитная ;омпонента обращается в нуль. Это направление будем называть местной магнитной осью (АМО) она ле жит в местной меридиональной плоскос ти (ММП) и угол Ч между АМО и полярной осью равенЗебр ВсозбЬЮ:1- 3 е 1 л 8Этот угол будем называть местным маг нитным азимутальным углом, а плоскость, перпендикулярную к АМО, - с ной магнитной плоскостью, Годогр магнитной компоненты в этой плос ти представляет собой эллипс. Ма ную компоненту вдоль большой оси го эллипса будем называть главной магнитной компонентой, соответствующую ось - главной магнитной осью 1 магнитную компоненту вдоль малой оси этого эллипса - бикомпонентой магнитного поля, а соответствукщую ось - биомагнитной осью 1 отношение к главяой магнитной компоненты и бикомпоНенты - местным коэффициентом эллипйичности. меаф косгнит" этоестГлавная магнитная осьной меридиональной плоскомым углом к амагнитной оная ось расположена в перк ММП направленииглавная магнитная иобразуют ортогональнынитный базис. Главнаяонента равна лежит в мсти под пряи. Бимагнитпендикуляр.е. амагнитбимагнитнаяй местныймагнитная ном ная оси маг комп В- ВОокомпрнента рави о О 4 Г949559 поверхностьопреип- ние места выхода трубопроводов через стены и т.п. Для этого в одной из точек заданного направления помещают магнитогеодезический генератор, созданщий вращакщееся магнитное поле, ось которого выставляют вдоль заданного направления. Если это направление известно, например оно вертикально либо перпендикулярно плоскости стен и т.д., выход его в точке Наблюдения ищут с помощью измерения магнитной компоненты вдоль этого направления и место, в которрм эта компонента обращается в нуль, является местом выхода нашего направления. Действительно, при нулевом геодезическом азимуте угол магнитогеодезической аберации равен нулю и главная полярная ось есть также и амагнитная ось.Решение других геодезических задач требует использования более сложных магнитоприемных систем.Обратимся к выражению 4 для компоненты магнитного поля вдоль произвольного. направления. Эта величина зависит от трех направляющих косинусов, геодезического азимута и радиуса. Между тремя направляющими коси" нусами имеется одно известное соотношение, что понижает общее число переменных до четырех, Следовательно, имея четыре измерения в различных направлениях, мы получаем четыре уравнения для четырех неизвестных и неизвестные могут быть определены с точностью до некоторого множества вариантов, Таким Образом, использование магнитоприемной системы с числом магнитоприемников не менее четырех со случайной ориентацией этой магнитоприемной системы относительно сис" темы отсчета позволяет получить полное геодезическое описание точки наблюдения;Достоинством неподвижной магнитоприемной системы с неподвижными магнитоприемниками является отсутствие всякой кинематики, простота установки, возможность производства длительных измерений. Такие магнитоприемные системы удобно использовать при предельно .возможных расстояниях геодезических измерений. увеличение расстояний требует понижения чаетот и, следовательно, увеличение времени наблюдения. Недостатком является необходимость большого числа магнито,приемников и сложность решения уравнения, требующих для этого использова-, ния ЭВМ.Другой вариант, позволяющий уменьшить число магнитоприемников до трех, есть использование подвижной магнитоприемной системы, причем процесс измерения включаетв себя пространственную настройку магнитоприемной системы. Путем этой а так как 2 О есть известная величина- константа системы отсчета, отсюда легко определяется и местный меридиан, а следовательно, полностью решается задача полного геодезического описания места наблюдения.Рассмотрим некоторые из геодезических задач и способы их решения.Простейшей, но важной задачей является создание в среде прямолинейного направления. К этой задаче сводится, например, нахождение места выхода вентиляционного колодца из тон Фи коэфФициент эллиптичностиВ1+ ь 1 Ре. (8)=еПроизошло важное разделение переменных. Коэффициент эллиптичности зави"5сит только от геодезического азимутаместа, бикомпонента - только от радиуса места.Отсюда для геодезического азимутаместа получаем выражение10а 1 в: "(9)Ф-КИтак, исходя из этого описания,мы можем получить две характеристики 15места наблюдения - радиус и геодезический азимут места наблюдения, Дляполного геодезического описания не-обходимо иметь еще третью характеристику, Ее несложно получить, используя линии отвеса,На фиг. 2 изображена схема решения этой задачи. Здесь 6 - вертикаль,О ц, - главная полярная ось системы отсчета, проходящая под углом 2,к вертикали, который мы будем называть главным зенитным углом системыотсчета, В качестве главной меридиональ ной плоскости примем меридиональную плоскость, след которой наэкваториальной плоскости горизонтален,10Если А - точка наблюдения, местная меридиональная плоскость точки А может быть охарактеризована меридиональным углом между главной меридиональной плоскостью и местной мери иональной плоскостью - углом 1,Совокупность чисел (г, 9,1) характеризует положение точки А в магнитной системе отсчета, по крайней мере,с точностью до некоторых альтернатив. 40Местная меридиональная плоскостьлегко определяется по местным наблюдениям как плоскость амагнитной иглавной магнитной осей либо как плоскость, перпендикулярная бимагнитной 45оси. Легко может быть определен иместный зенитный угол между этойплоскостью и вертикалью. Тогда изФормул сферической геометрии связьмежду углами 1., 2 и 2 О дается уравнениемь 1 п 2совьп 20 , (10)йастройки определяется местный магнитный базис, представленный осями АМО, ГМО и БМО, т.е. с помощью одного магнитоприемника мы ищем обращение, а нуль магнитной компоненты (настраиваем его на АМО). С помОщью 5 второго магнитоприемника настраиваемся на максимум магнитной компоненты. причем поиск ограничиваем мест ной магнитной плоскостью, перпендикулярной АМО. Наконец, третий магии топриемник устанавливаем перпендикулярно первым двум,дополнительно определяем местный коэффициент эллиптичности, равный отношению главной ,магнитной и бимагнитной компонент, 15 причем в этом случае абсолютная эталонировка магнитоприемников не требуется. На основании этой магнитоприемной системы можно решать геодезические задачи. ОНаиболее общей задачей является задача получения полного геодезического описания места наблюдения в системе отсчета генератора. Для этой цели кроме определения местного магнитного базиса и коэффициента эллиптичности необходимо определить абсолютную величину бикомпоненты и местный зенитный угол, т.е. угол между ИМП и вертикалью. После этого характеристики ( г, 9,) места наблюдения в системе отсчета генератора определяет по соотношениям Однако на самом деле полученные во всех предыдущих случаях решения 40 имеют лишь альтернативную точность. Так, мы говорили о повороте АМО в ММП, но в какую из двух возможных сторон необходимо осуществлять поворот - ничего не говорилось. Аналогич 5 но, когда мы указывали линию, на ксторой лежит генератор, мы не могли указать каждое из двух возможных направление на этой линии необходимо принять.50Однако, как правило, мы всегда имеем определенную априорную информацию о предлагаемом месте нашего нахождения и по этой априорной информации несложно осуществить выбор места измерения. Однако вполне возможны случаи, когда эта информация отсутствует либо ее оказывается недостаточно. В этом случае уточнение может быть произведено на основе производства измерений в соседних ф точках и на основе анализа изменений тех или иных параметров,Рассмотрим.применение предлагае- мого способа магнитной геодезии в маркшейлсрии. Примем чувствительность 65 по измерению магнитного поля 10 Т.Такие сигналы с помощью феррозондовыхмагнитоприемников улавливаются с достаточной точностью. Учтем, что мы имеем сигнал фиксированной частоты и засчет их чувствительность фактическиможет быть повышена на 2-3 порядка по сравнению с чувствительностью к постоянному магнитному полю. Радиус геодезических измерений принимаем по рядка 1000 м . Необходимый магнитоиндукционный момент генератора составитР, =айтеэ:ЕЗ.ЮЙО Ра 4 ТитТакой магнитодипольный момент может быть осуществлен железным сердечникам с объемом железа 0,5 мыс индукцией 2 Т. Вес его составит около 5 т, что вполне приемлемо для маркшейдерского магнитогеодезического генератора. Принимаем удельное сопротивление среды 1000 Ом м, что характерно для плотных песчанников с малой обводненностью. Магнитную проницаемость принимаем равной единице, диэлектрическую проницаемость также равной эдинице, тогда для электромагнитногоРадиуса среды имеемД 4 щВ 4000-%,5 мй этОтсюда частота вращения поля 9щ 4 С ,б 10400 фПринймаем частоту вращения 30 Гц. Эту частоту вращения можно легко обеспечить как механическим вращением,так и электротехнически. Считаем, что цикл измерения составляет 5 мин, Это отвечает числу периодов изменения осциллирующего сигнала 5 юб 0309000 периодов.Эффективность частотной селекции прямо пропорциональна числу периодов. В данном случае имеем достаточно большое число периодов, С помощью фурьеанализа определяем полосу пропускания, она равна 30 1 0,003 Гц. Известны следующие естественные источники магнитных помех: магнитные вариации с периодом около суток, магнитные бури, магнитные микропульсации с амплитудой 10 Т и частотой 10 " - 10 ЗГцВсе они достаточно далеко отстоятот нашего диапазона, а данной полосечастот их интенсивность ничтожна,за исключением, возможно, помех отмагнитных бурь. Но их остается толькопереждать. Фактически наибольшую опасность могут представлять помехи промышленного характера на частоте 50 Гц,Но от них также удается отстроитсяпо частоте. Таким образом, разработка оборудования для магнитной геодезии для маркшейдерских целей с радиусом действия 1 км возможна, хотяи представляет достаточно сложнуюаблюази ия; мест 35 "де ы формула изобретения спертизе ова А.М. с,22 1. Сп нованный магнитно ся тем, ности из б магнит определ поля о то, с ренийсона ой геодезии, оснии параметров лич ающийю повышения точмагнитных средах пО цел в н техническую задачу, Следовательно, доказана и осуществимость самого способа при современном состоянии науки и техники.Для инженерной геодезии, например в строительстве, достаточна во многих 5 случаях дальность измерений 100 м. Так как вес магнитогеодезического генератора пропорционален кубу радиуса измерений, здесь имеем уменьшение в тысячу раз, т.е. необходимо 1 О всего 5 кг железа. Это уже может быть вполне портативное и удобное устройство. Частота может быть увеличина в 10 раз, а на этой частоте (300 Гц) чувствительность существенно выше, 15 Таким образом, для инженерной геодезии способ также применим.Предлагаемый способ должен служить не заменой классической маркшейдерии, а дополнением к ней. На больших расстояниях используют оптическую геодезию, на малых расстояниях - магнитную, Так как это прямой способ, его точность возрастает по мере сближения в проти воположность современно маркшейдерии и на этих последних этапах его применение наиболее эффективно. Это позволит. полностью решить проблему сооружения сколь угодно сложных под 30 земных сооружений и проблему сбойки в любом месте.с любой точностью с любыми условиями сопряжения не будет представлять вообще никакой проблемы. ТаКим образом, в области горного дела мы можем иметь существенное повышение скорости проходческих работ, уменьшение их объемов, улучшение их органиэации эа счет возможности начи- . нать эти работы сразу же каким угодно количеством проходческих бригад (в 40 настоящее время сложность проблемы сбойки ограничивает их практически до двух). посредством источника создают вращающееся магнитное поле и определяют место расположения точки, наблюдения в системе отсчетаНачало .которой совпадает с местом расположения источника, одна из осей координат совпадает с осью вращения магнитного поля, а две другие совпадают с направлениями, вдоль которых измеренные в точке, расположенной на оси вращения поля, компоненты вращающегося магнитного поля имеют минимальное и максимальное значения, определяют коэффициент эллиптичности вращающегося магнитного поля в точке, расположенной на оси вращения магнитного поля, измеряют величину магнитной бикомпоненты, совпадающей по направлению с минимальной компонентой вращающегося магнитного поля, измеряют главный зенитный угол систеьы отсчета - угол между линией отвеса, и осью вращения, магнитного поля - и местный зенитныйугол в точке наблюдения , а полное геодезическое описание точки наблюдения определяют по соотношениям радиус места н ден6 - геодезический мут анаблюдения;ф( - меридианальн й угол местанаблюдения,и. - заданный магнитоиндукционцоный момент источ,ника вращающегося маг нитного поляВ - величина магнитной бикомпоЕ.нентыК - коэффициент эллиптичности,1 - главный зенитный угол сисотерзаю отсчета;Е - местный зенитный угол.Источники информации, ринятые во внимание при эк949559 оставитель В,Майо ехредЕ.Харитончик Редакто 717 Подписноого комитета СССРйй и открытий,Раушская наб д. аз 5742 иал ППП "Патент",ород, ул.Проектная,34 тираж ИИПИ Государствен по делам изобрете 3035, москва, Жктор у.пономаренко