Способ синхронизации момента включения поляризующего поля протонного магнитометра

.СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК 1301 В 3 ВУ СВИДЕТ АВТОР анта ст ойств ГОСУДАРСТВЕНЮЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(72) Б.И.Смирнов, Н.Б.Клепер и Г.Я.Яковлев (56) Авторское свидетельство СССР ЬЬ 705989, кл. 0 01 В 33/00, 1979,Патент США 1 Ф 3443207, кл. 6 01 В ЗЗ/24, 1969.(54) СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ МОМЕНТА ВКЛЮЧЕНИЯ ПОЛЯРИЗУЮЩЕГО ПОЛЯ ПРОТОННОГО МАГНИТОМЕТРА (57) Изобретение относится к магнитным измерениям с помощью протонного магнитометра, например, при поиске полезных ископаемых. Способ синхронизации момента включения поляриэующего поля протонного магнитометра реализован в устройстве, содержащем датчик 1, блок(Б) 2 конденсаторов настройки, усилитель 3 сигИзобретение относится к магнитным измерениям с помощью протонного магнитометра, используемого, например, при поиске и разведке полезных ископаемых.Целью изобретения является повышение точности синхронизации.На фиг.1 приведена фаэочастотная характеристика колебательного контура и аппроксимирующая функция; на фиг,2- фазочастотная характеристика усилителя и аппроксимирующая функция; на фиг.З- зависимость полосы расстройки колебательного контура от значений резонансной частоты при выбранном относительном снижении уровня сигнала и среднем значении добротности колебательного контура; нв нала, преобразователь 4 частота - код, генератор 5 эталонной частоты, схему (С) 6 синхронизации, пересчетную С 7, формирователь 8 тока поляризации, Б 9, 10 постоянной памяти, регистр 11 кода настройки, вычислительный Б 12 и командный Б 16. Включают ток поляризации с задержкой по отношению к нулевой фазе сигнала прецессии и устанавливают длительность задержки, кратной целому числу периодов прецессии, измеряют фазовые сдвиги, создаваемыеколебательным контуром и усилителем сигнала, запоминают измеренное в данном цикле значение периода прецессии и задерживают включение поляризующего поля на время, пропорциональное измеренным фазовым сдвигам в каждом цикле и разности между значениями периода прецессии, измеренного в данном и в предыдущем циклах измерения. Способ имеет з высокую точность синхронизации, 4 ил. фиг.4 - блок-схема вари у р а для реализации способа. Еюаей Способ включает следующие операции. ( ) Рабочий диапазон частот прецессии ц ) разбивают на поддиапаэоны, выбирают для каждого поддиапазона центральную резонансную частоту, подбирают для каждой резонансной частоты конденсатор с емкостью, необходимой для настройки ко- Ь лебательного контура в резонанс.При конкретной реализации способа для вычисления фазовых сдвигов, создавае- а мых колебательным контуром и усилителем с полосовым фильтром, их реальные фаэочастотные характеристики, представляющие собой обратные тригонометрические функ3 1393104ции вида г- агс 19 Г(Тпр), аппРаксимиРУют Допустимая абсолютная погрешность отрезками прямых. При этогл учитываются вычисления фазовых сдвигов уЪ и рус не следующие условия. превышает 5.1 а 1(Тп р 1 - Тр)2 кпр 1 при 1 Тпр 1 - ТрЬТпр 1,а 2(Тпр - Тр) +, у ко 39 п(Тпр 1 Тр)Тпрс 1+ грус при Тпр 1Тпр,гр.,2 лТпр) ПРИ 1 Тпр ТрЬТпр 1,2 л- - - с 2 пр 1 л Тпр 1 Тпр.гр,г 1 рТа =- иТпр 1 - (ф к + ус) + Тпр 1(Тп 1 ТпрТмэмер- 1) и,ТциклаИзменение добротности колебательного контура в рабочем диапазоне частот не превышает 10-15, что приводит к изменениям р, не превышающим Зо.Фазовый сдвиг р к, соответствующий лаксимальной частотной расстройке контура при изменении частоты, не превышает где рк - фазовый сдвиг, создаваемый колебательным контуром,20рус - фазовый сдвиг, создаваемый усилителем; п = 1. 2, 3;а 1, а 2 - коэффициенты, характеризующие наклон аппроксимирующей функцииОук,Ь - коэффициент, определяющий положе 11 ие точки изменения наклона аппроксимирующей функции О ук,С 1, С 2 - коэффициенты, характеризую, щие наклон аппроксимирующей функцииф ус, ЭОР ко, Р ус - ЗНаЧЕ 11 ИЯ аППРОКСИМИРУЮщих функций р к и р ус при нулевом значении аргументов;Та - длительность интервала задержки;Тпр - средняя длительность периода35прецессии, измеренного в текущем цикле;Тпр.гр, - граничное значение периодапрецессии, определяющее положение точки изменения наклона аппроксимирующейфункцииус,40Тр - значение периода резонансной частоты выбранного рабочего поддиапазона;Тизцар - длительность времени измерения периода прецессии;Тцикаа - длительность цикла работы магнитометра. 55Требуемая крутизна скатов амплитудно-частотной характеристики усилителя обеспечивается с помощью фильтров 2-гопорядка. Исходя из указанных условий при формировании аппроксимирующих функций сделаны следующие допущения: добротность колебательного контура считают постоянной и равной ее среднему значению в рабочегл диапазоне частот; фазочастотную характеристику усилителя формируют с помощью одинакового числа дифференцирующих и интегрирующих ВС-цепей, при этом все частоты среза дифференцирующих цепей соомещают в общую частоту среза 1, а осе частоты среза интегрирующих цепей совмещают в общую частоту среза 12, причем т 2т 1. Частоты среза т 1 и т 2 выбирают такими, чтобы на граничных частотах рабочего диапазона уровень сигнала по напряжению уменьшался не более, чем на 50 относительно уровня на центральной рабочей частоте. учитывая сделанные допущения, фазочастотные характеристики колебательного контура и усилителя аппраксимируют двумя отрезками прямых, причем одна иэ прямых проходитчерез начало координат(фиг.1 и 2). Угол наклона аппроксимирующих прямых выбирают таким образом, чтобы их максимальное отклонение от реальной фазочастотной характеристики не превышало 5 о.Затем определяют частотные границы поддиапазонов, на которые разбивают область рабочих частот магнитометра. Для этого, подбирая емкость конденсатора настройки, настраивают колебательный контур в резонанс на отдельных выбранных из рабочего диапазона постепенно оозрастающих по значению частотах. определяют на этих частотах добротность колебательного контура и выбирают среднее значение до, бротности Оср. Затем. задаваясь допустимым значением относительного снижения уровня сигнала и при отклонении частотыот резонансной, например - 0.95. определяют зависимость значений частотных расстроек Ь от значений резонансной частоты1 о при выбранных О,р и Ю по формуле Ь к После этого, выбирая дискретность изменения Ьт, например, 1 Гц, разбивают всю область рабочих частот, считая, что любая иэ рабочих частот может оказаться резонансной, на одинаковые по протяженности участки-диапазоны. ширина которых определяется в соответствии с выбранной дискретностью Ь(фиг,3). Каждый из диапазонов. в свою очередь, разбивают на равные по протяженности участки-поддиапаэоны. причем ширина поддиапазона. лежащего внутри данного диапазона, равна (или не превышает) значению Ь , определяющему этот диапазон.Внутри каждого поддиапазона выбирают центральную частоту и подбирают для каждой иэ этих частот конденсатор с емкостью, необходимой для настройки колебательного контура в резонанс. Затем нумеруют одинаковыми номерами нижние частотные границы поддиапазонов, соседние с ними резонансные частоты и выбранные для этих частот и настроечные конденсаторы и записывают в память значения граничных частот поддиапазонов и периоды резонансных частот, а также коэффициенты, характеризующие углы наклона аппроксимирующих прямых, коэффициенты и значения аргументов, определяющих положение точек изменения наклона аппроксимирующих функций и значения аппроксимирующих функций при нулевом значении аргумента. Вместе с этими постоянными в память заносятся значения длительности времени измерения периода, значение длительности цикла работы магнитометра и число и целых периодов прецессии, укладывающихся в интервале задержки Тз. Последние три постоянные позволяют учесть влияние изменения частоты, выражающееся в отличии измеренного среднего эа время Тизыер значения периода прецессии от мгновенного значения, предшествующего моменту включения тока поляризации.Указанное отличие в длительности периодов Ь Т представляет собой выраженный в единицах времени фазовый сдвиг, накапливающийся за один период прецессии при формировании интервала задержки. Если изменение частоты происходит сЬ 1постоянной скоростью 1 - -т - , то отличие 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 в длительности периодов ЬТ.определяетсявыражением ЬТ- Твычиса - Тмгн.1Твычисп. .1 + ТизмерТвычисп 2где Твычисп. - Тпр - вычисленное в текущемцикле среднее значение периода прецессии,Тмги, - мгновенное значение периодапрецессии, предшествующее моменту начала формирования интервала Тз.1 С 1 измеПоскольку- -, вырввычисп2жение для ЬТ преобраэовывается к видуМ Тизмер . 2За и вычисленных периодов прецессии, укладывающихся на интервале задержки, набег фаз составит и Ь Т. Число иопределяется, исходя из нес 5 ходимой длительности задержки Тз, определяемой временем срабатывания реле, отключающегоусилитель и конденсатор настройки магнитометра от катушки датчика на время действия тока поляризации. Типовое значениенеобходимой длительности задержки составляет 5 - 10 мс. Значение и определяюткак целую часть отношения необходимойдлительности задержки к значению периода прецессии, вычисленного в текущем цикле работы магнитометра. При необходимомвремени задержки 5 мс число и в диапазонерабочих частот лежит в пределах от 5 до 25.Таким образом, учитывая, что(у -- у -- ), набег фаз,1 1 1Тцикпа пр пр 1:1накапливающийся эа время формированияинтервала задержки ЬТ и, определяетсявыражениемТизмерЛТЛ Тпр - Тпр 1) -р-уцикааВ процессе функционирования магнитометра поиск номера поддиапаэона, соответствующего измеряемому значениюиндукции, сопровождается последовательным перебором номеров поддиапазонов соответствующих конденсаторов, настройкиконтура и частотных границ поддиапаэонов.При этом возможны два варианта.Сигнал прецессии отсутствует. В этомслучае перебор номеров поддиапазонов, ихнижних частотных границ и конденсаторовнастройки контура производят с изменением на единицу раз в цикле и гродолжают допоявления сигнала на выходе усилителя,Сигнал прецессии найден и измеренозначение индукции в предыдущем интервале иэмерения. В этом случае перебор номеров поддиапазонов, их частотных границ и5 10 20 ды настройки, с помощью которых включа 50 конденсаторов настройки производят в каждом цикле до начала измерения до тех пор, пока значение индукции, соответствующее одной из нижних частотных границ поддиапазонов, не превышает значения индукции, измеренного в предыдущем интервале измерения. По найденному номеру поддиапазона выбирают иэ памяти соответствующее значение периода резонансной частоты найденного поддипаэона, после чего измеряют среднее значение периода пре-,цессии Тпр и записывают его в оперативнуюпамять с целью определения значений ЬТв следующем цикле измерения, а затем, извлекая из постоянной памяти параметры аппроксимирую.цих функций, а также значение периода прецессии, измеренного в предыдущем цикле, вычисляют фазовый сдвиг, создаваемый колебательным контуром р к, фазовый сдвиг, создаваемый усилителем ру,набег фаз, определяемый градиентом индукции п ЛТ, и значение длительности Т.Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.4), содержит датчик 1, блок 2 конденсаторов настройки, усилитель 3, преобразователь 4 частота-код, генератор 5 эталонной частоты, схему б синхронизации, пересчетную схему 7, формирователь 8 тока поляризации, первый блок 9 постоянной павторой блок 0 постоянной памяти, регистр 11 кода настройки, вычислительный блок 12, содержащий блок 13 ввода-вывода, блок 14 оперативной памяти и арифметический блок 15, и командный блок 16.В первый блок постоянной памяти 9 предварительно записывают нижние частотные границы поддиапазонов настройки, периоды резонансных частот поддиапаэонов настройки, постоянные аппроксимирующих функций, значения длительностей времени цикла, времени измерения, необходимого времени задержки. Во второй блок 10 постоянной памяти записывают коют группу из ряда конденсатооов блока 2 конденсаторов настройки. Причем коды нижних частотных границ поддиапазонов, периоды резонансных частоты и коды настройки записывают по одноименным адресам, коды которых совпадают с кодами их порядковых номеров. Коду нижней частотной границы М-го поддиапазона соответствует гч-й период резонансной частоты и Й-й код настройки, которые записывают в соответствующие блоки памяти по адресу номер й. Командный блок 16 производит последовательный перебор номеров адресов в обоих 9 и 10 блоках постоянной памяти, по 25 30 35 40 которым записаны коды нижних частотных границ поддиапазонов, периоды резонансных частот и коды настройки. Этот перебор производится до тех пор, пока код одной из нижних частотных границ поддипазона не превысит значение кода поля, измеренного д предыдущем цикле работы магнитометра и записанного в блок 14 оперативной памяти, В результате сравнения арифметический блок 15 вырабатывает сигнал, пересылаемый через блок 13 ввода-вывода в командный блок 16, который вызывает остановку переключения адресов постоянной памяти. При этом код настройки, соответствующий последнему перед остановкой перебора адресу, переписывается в регистр 11 кода настройки. В соответствии с.этим кодом в блоке 2 конденсаторов настройки включается набор конденсаторов, суммарная емкость которых необходима для настройки образованного с катушкой датчика 1 входного контура в резонанс на резонансной частоте выбранного частотного поддиапаэона. Код периода этой резонансной частоты в соответствии с выбранным адресом поступает из блока 9 постоянной памяти в вычислительный блок 12, Таким образом, к моменту начала измерения в текущем цикле работы магнитометра произведена настройка входного колебательного контура на ожидаемую частоту прецессии и получена информация о периоде резонансной частоты выбранного поддиапазона измерения. На следующем этапе производят измерение периода выделенного колебательным контуром и усиленного усилителем 3 сигнала прецессии. При этом по сигналу командного блока 16 включается преобразователь 4 частота-код, вырабатывающий коды числа периодов прецессии и числа периодов эталонной частотыформируемых генератором 5, прошедших на вход преобразователя 4 за время измерения. Коды. вырабатываемые преобразователем 4, поступают через блок 13 ввода-вывода в арифметический блок 15, где производится вычисление периода прецессии. Измеренное значение периода запоминается в блоке 14 оперативной памяти для использования в следующем цикле работы, а также обрабатывается в арифметическом блоке 15, где производится вычисление фазовых сдвигов, создаваемых колебательным контуром и усилителем, а также длительности интервала задержки, код которой записывается в пересчетную схему 7. По разрешающему сигналу командного блока 16 синхронно с нулевой фазой выходного сигнала усилителя 3 схема 6 синхронизации начинает пропускать импульсы эталонной частоты генератора 5 на вход пересчетной схемы 7, При этом начинает формироваться временной интервал задержки вычисленной длительности, Сигнал переполнения пересчетной схемы 7, свидетельствующий об окончании интервала задержки, включает формирователь 8 тока поляризации, вырабатывающий ток поляризации, который поступает в катушку дат Ька 1. После окончания поляризации командный блок 16 выключает формирователь 8, после чего начинается новый цикл работы магнитометра,Предлагаемый способ измерения индукции геомагнитного поля по сравнению со способом, использованным в прототипе, позволяет определять и учитывать фазовые сдвиги, создаваемые колебательным контуром р и усилителем р ус с малой погрешностью, определяемой точностью аппроксимации, формировать интервал времени задержки с учетом изменения частоты прецессии и включать ток поляризации практически одновременно с истинной фазой сигнала прецессии, в результате чего достигается максимальная эффективность использования остаточной намагниченности рабочего вещества датчика магнитометра при включении тока поляризации и неизменность отношения сигнал/шум при любых реальных изменениях индукции магнитного поля, что обеспечивает повышение точности измерений.Указанные преимущества позволяютпри работе в быстроиэменяащемся пол, 5 повысить чувствительность магнитаметрапрактически вдвое, не ухудшая при этом точность измерений, что в конечном итоге повышает достоверность получаемой геофизической информации.10 Формула изобретенияСпособ синхронизации момента включения поляризующего поля протонного магнитометра, согласно которому включают ток поляризации с задержкой по отношению к 15 нулевой фазе сигнала прецессии и устанавливают длительность задержки, кратной целому числу периодов прецессии, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности синхронизации, измеряют в каж дом цикле период сигнала прецессии, измеряют фазовые сдвиги, создаваемые колебательным контуром и усилителем сигнала прецессии, запоминают измеренное в данном цикле значение периода прецессии 25 и задерживают включение поляризующегополя на время, пропорциональное измеренным фазовым сдвигам в каждом цикле и разности между значением периода прецессии, измеренного в данном и в предыдущем 30 циклах измерения.1393104 едактор Т.Лощкаре рректор А.Обру аказ 1977 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного. комитета по изобретениям и открцтиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Составите Техред М.