Способ магнитных измерений и устройство для его осуществления

(5)3 0 01 3/00 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР.тт ИСАНИЕ ИЗО ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ юл. %24структорское бюро Научно- ного .обьединения "РудгеоМ. Компонентн стема на осно вых магнитомет ап-ра вып.84 ито- моСб, дра,ая маг е тре в. ВЛ.:Не /РЕНЕСТ ЙИ ЛЕ АГНИТНЫХ ИЗМДЛЯ ЕГО ОСУ(57) Использование: в области измерений при геомагнитных по магнитных сках и разИзобретениенитных измеренийомагнитных поискископаемых и обьехождения.Цель иэобретести.На чертежах пма координат и сфиг,2 - функционвозможных вариаществления спасоНа фиг,1 иэобправая система к относится к области маги предназначено для геов и разведки полезных ктов техногенного происния - повышение точ риведены: фиг,1 - ема расположенильная схема одн тов устройства д систея ММ,ого из ля осумоугольная У 2, ось 02 ражена п ординат О(54) СПОСОБ МУСТРОЙСТВО О. гпрогтапт бездп Ьоагб агЬогпе тадпетс удсз, 1984, ч,45, М 11. Ж, 1824612 А 1 ведке полезных ископаемых и обьектов техногенного происхождения. Сущность изобретения: в трех точках. не лежащих на одной прямой, измеряют ортогональные компоненты магнитной индукции (КМИ) пб сигналам модульных магнитометров (ММ) с одновременной компенсацией неизмеряемых КМИ, аналогично в каждой точке измеряют последовательно две другие КМИ и модуль вектора магнитной индукции, проводя в целом серию из четырех измерений, Путем совместной обработки информации определяют три КМИ и пять независимых элементов тензора градиента. Устройство содержит три ММ, три трехкомпонентные колечные системы, блок коммутации, три преобразователя кода в силу тока, блок синхронизации и блок, обработки. Компенсационные кольца подключены через блок коммутации и преобразователи кода в силу тока к вйходам ММ, 2 с.п. ф-лы, 5 табл, 2 ил,которой ориентир вертикали.Три ММ 1,2 и координатами 31 о, о), т.е. в верши моугольного треу тройство содер системы 4, 5 и 6, жит по три комп коммутации 7, пр лу тока 8, 9 и 10, ЭВМ 12. ММ 1, 2 колечных систем пенсационныхко и ориентированы ована по гравитационнои 3 расположены в точках с (а, о, о), 52 (О, а, о) и Бз (о, нах равнобедренного пря гольника с катетами "а" .Усжит также три колечные каждая из которых содеренсационных кольца, блок еобраэователи кодов в сиблок синхронизации 11 и и 3 расположены внутри 4, 5 и 6, Причем оси комлец взаимно ортогональны параллельно осям систе 1824612мы координат ОХИ. Входы блока коммутации 7 подключены через преобразователи кодов в силу тока 6. Р и 10 к выходам ММ 1, 2 и 3 соответственно. Управляющий вход блока 7 соединен с выходом блока симхрониээции 11, е выходы соедимены с компенсационными кольцами колечных систем 4, 5 и 6. Входы ЭВМ 12 совдимемы б выходами ММ 1, 2 и 3, управляющий вход соединен с выходом блока симхромизации 11,выход ЭВМ служит выходом всего устройства.Операции способа характериэуютса следующими математическими зависимостями и расчетными соотношениями.Измерения выполняют. по сигналам каждого иэ трех ММ одновременно, причем в объеме каждого из ММ компенсируют по две нвиэмеряемыв КМИ по сигналами двух других ММ.Обозначим Вх значение модула ВМИ, измеренноу по сигналу ММ 1 при компенсации КМИ Ву, и Йд по сигналам ММ 2 и 3 соответственно, Значения скомпенсированных КМИ устанавливают автоматически, равными соответгтвующим значениям модулен ВМИ бу 2 и Вдз.Поочередно выполняют три серии измерений, в каждой иэ которых компенсируют по двв КМИ. В четвертой серии измерений компенсацию КМИ не выполняют, э измеряют полные значения модула ВМИ 81, 82 и Вз. Обозначения измеряемых величин и компенсируемых КМИкаждой иэ четырех серий измерений приведвмы а табл.1.Ввиду неоднородности магнитной индукции и размещения ММразличных точках пространства значения КМИ в точках их компенсвции отличвютса от их значенийточках измерения. Компенсация неизмераемых КМИ оказываается неполной. Выражения для векторов суммарного магнитного поля, соответствующие режимам измерения согласно таблице 1, приведенытабл.2,8 табл.3 приведены соответствующие выражения для квадратов модулей измеряемых величин,Для полноты информации о магнитмом попе измерения КМИ недостаточны. Необходима также информация о неоднородности магнитной индукции, чтобы по результатам измерений можно было рассчитать магнитное поле в любой точке ближней зоны окружающего пространства. Такой обобщенной характеристикой неоднородности служит .тензор градиента магнитной индукции, представленной матрицей С9 х 9 ху 9 г9 ух 9 уу руд (1) 9 дх 9 гу 9 и Элементами которой служат пространственные производные КМИ0 =-дВР 1Вследствие потенциального характерамагнитостетического пола б 1 чВ- О и го В О.связи с чем матрице твнзоре симметричнаи сумма ев диагональных элементов равнанулю. В результате полной характеристи 1 О кой неоднородности магнитной индукциислужат значения пяти независимых элемемтов матрицы, например, рхх, ру, рдх. руу, рду.Матрице 6 приобретает видрхх 9 ух 9 дх6 рух руу 9,(3)рдх Оду ( рххуу)Приращение ВМИ для точки с координатами 8, относительно ВМИ в точке О (начале координат) может быть представлено,2 О с точностью до вторых производных. а аидепроизведения матрицы 6 на вектор 8ЬВ 0 (4)8 соответствии с этим известным соотношением, ВМИ а точках иэмврвмий В , 8225 и Вз могут быть представленывида суммывектора В (Вх. Ву и Вд) а точке О и приращений Ь В, как функции градиента и коорди.нат,Поскольку 3" 1 а. 32-)э. Яэ"О,В(В+9 х а)+1 (Ву +Ру а)+ К(8+Рд э)Ьг- (В+рух а)+ЯВу+р уу э)+К(Вд+рду а) (5)83- В+) ВуКВд.В соответствии с зависимостями (5), выражениядля квадратов модулей иэмеряв 35 мых величин, приведенные а таблице 3.также могут быть представлены в виде функции вектора В, градиента 6 и расстояния"а"между ММ (см.табл.4).После группировки квадратов измеряв 4 О мых величин в левой части зависимостей.получема система иэ девяти уравнений, сааэывэюцрч измеренные величины с неизвестными значениями КМИ 8, Ву и Вд. иэлементов матрицы тензора градиента45 (см.табл,5),Приведенные соотношения служат дляописания способе, сущность которого характеризуется следующими операциями иих последовательностью:5 О 1. Измеряют значения этих ортогональных КМИ по сигналам разнесенных в пространстве трех ММ, е точках, не лежащих наодной прямой, мапример. в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника, с одновременной компенсацией аобъеме каждого ММ нвизмеряемых КМИ посигналам двух других ММ (опервция прототипа, дополненная требованием х нзлимному расположению ММ).10 15 Подробное содержание операций спосаба приведено в описании принципа рабо 25 2. Аналогичным образом (см.п.1) измеряют в каждой точке две другие КМИ,(операция новая),3. Измеряют в тех же точках значения модуля ВМИ при нескомпенсированных КМИ (операция новая).4. Выполняют совместную обработку всей полученной информации: составляют систему линейных уравнений, свободные члены которых включают квадраты измеренных величин,и, решая упомянутую систему уравнений, с учетом известного расстояния между точками измерений, определяют значения трех ортогональных КМИ и пяти независимых элементов тензора градиента магнитной индукции (операция новая),ты одного из конкретных вариантов устройства для его реализации (фиг,2),Модульные магнитометры 1,2 и 3 выполнены в виде квантовых магнитометров с оптической накачкой самогенерирующего типа и подключенных к их выходам преобразователей частоты и код. На выходах ММ формируются электрические сигналы в виде кодов модуля ВМИ суммы измеряемого магнитного поля и магнитного поля компенсационных колец, С выходов ММ 1,2 и 3 сигналы поступают на входы ЭВМ 12, выполненной в виде микроконтроллера на базе микропроцессорной 580 серии. (Н.Н,Щелкунов, А,П.Дианов. Универсальный одноплатный микроконтроллер. "Микропроцессорные средства и системы", М., М 5, 1986 гс 65-69), а также через преобразователи кодов в силу тока 8, 9 и 10 и блок распределительных устройств 7 в компенсационные кольца Х, У и Е колечных систем 4,5 и 6. Переключение компенсационных колец блоком коммутации 7, а также запоминание кодов измеренных значений ЭВМ 12 осуществляется по сигналам блока синхронизации, также выполненного на основе микропроцессора 580 серии, Программа работы ЭВМ определяется алгоритмами, приведенными в тексте описания и таблицах. В соответствии с программой работы блока синхронизации с его выходов на входы блока коммутации 7 и ЭВМ 12 через фиксированные промежутки времени, определяемые с учетом длительности переходного процесса, поочередно поступают синхроимпульсы, управляющие поочередным переключением компенсационных колец в соответствии с четырьмя режимами, приведенными в табл,1 При первом измерении с помощью блока коммутации 7 в Объеме ММ 1 коь 1 пенсируют КМИ Йуг и Вгз 30 35 40 45 50 55 и на выходе ММ 1 формируется сигнал В, аналогичным образом в обьеме ММ 2 компенсируют КМИ бх и Вдз и на его выходе формируется сигналйу 2, в объеме ММ 3 компенсируют КМИ В и Ву 2 и на его выходе формируется сигнал В дз, После окончания переходного процесса по сигналу блока синхронизации 11, поступающему на синхронизирующий вход ЭВМ, измеренные значения Ух 1, Вр и Вэ заносятся в память ЭВМ и с выхода блока синхронизации на управляющий вход блока коммутации поступает синхроимпульс на очередное переключение компенсационных колец. Аналогичным образом выполняются второе, третье и четвертое измерения, в результате чего в память ЭВМ заносятся двенадцать измеренных значений модуля. После этого по команде блока синхронизации блок коммутации устанавливается в выходную позицию первого измерения, а ЭВМ переключается в режим обработки информации. По программе, записанной в.памяти ЭВМ,составляется система из девяти линейных уравнений с восемью неизвестными в соответствии с зависимостями табл.5, Эта переопределенная система уравнений решается на основе метода поименных квадратов, в результате чего на выходе ЭВМ формируются значения кодов КМИ В, Ву и В, а также пяти независимых элементов тензора градиента магнитной индукции Яхх, Яух, Яг, Яуу и Яду На этом цикл измерения завершается и повторяется по сигналам блока синхронизации через заданные интервалы,Реализация способа повышает точность и расширяет функциональные возможности магнитных измерений,Действительно, в способе-прототипе точки измерений разнесены в пространстве, что необходимо для исключения взаимного влияния компенсирующих полей, При этом все три КМИ оказываются измерены в разных точках и возникают методические погрешности, обусловленные пространственной неоднородностью магнитного поля.В заявляемом способе благодаря расположению точек измерения не на одной прямой, введению дополнительных операций и совместной обработке всей полученной информации исключаются методические погрешности, обусловленные пространственной неоднородностЬю магнитного поля,и расширяются функциональные воэможности - обеспечиваются измерения тензора градиента магнитной индукции,Благодаря повышению точности и увеличению объема получаемой информации повышается эффективность магнитной раэ1824612 40 Таблица 1 Обозначения измеряемых значений модуля ВМИ и компенсирующих значений КМИ в четырех последовательных сериях измеренийведки, В частности, становится возможным определение координат источника магнитного поля и его магнитного момента. Для этого достаточно, чтобы в памяти ЭВМ была заложена дополнительная программа для составления и решения системы уравнений магнитной пеленгации,Формула изобретения 1. Способ магнитных измерений, включающий измерение трех ортогональных компонент магнитной индукции тремя разнесенными в пространстве модульными магнитометрами с одновременной компенсацией в объеме каждого модульного магнитометза неизмеряемых компонент магнитной индукции по сигналам двух других модульных магнитометров, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности, измерения выполняют в точках, не лежащих на одной прямой и отстоящих на заданное расстояние одна от другой преимущественно в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника, дополнительно в каждой из трех точек аналогичным образом последовательно измеряют две другие компоненты магнитной индукции, а также значение модуля вектора магнитной индукции, выполняя в целом серию из четырех измерений, проводят совместную обработку результатов измерений с использованием системы линейных уравнений, свободные члены которых включают квадраты измеренных величин, решая данную систему с учетом известных расстояний между точками измерений, определяют значения трех ортогональных компонент маг нитной индукции и пяти независимых элементов тенэора градиента магнитной индукции.2, Устройство для магнитных измерений, содержащее три размещенных на заданном расстоянии один от другого модульных магнитометра, каждый из которых установлен внутри компенсационной системы из двух взаимно ортогональных компенсационных колец, первый, второй и третий преобразователи кода в силу тока, подключенные к выходам соответствующих модульных магнитометров, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что в компенсационную систему каждого модульного магнитометра введено третье компенсационное кольцо, образующее систему иэ трех взаимно ортогональных колец, в устройство введены также блок коммутации, блок обработки и блок синхронизации, при этом первый, второй и третий входы блока коммутации соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего преобразователей кода в силу тока, выходы соединены с компенсационными кольцами каждой из трех компенсационных систем, а управляющий вход соединен с выходом блока синхронизации, первый, второй и третий информационные входы блока обработки соединены с выходами первого, второго и третьего модульных магнитометра соответственно, его управляющий вход соединен с выходом блока синхронизации, а выход блока обработки является выходом устройства. 5 10 15 20 25 30 351824612 10 Продолжение таблицыТаблице 2 Таблица Э Выражения для значений квадратов модуля вектора суммарного магнитного поля Таблице 4 ыражения для квадратов модуля вектора суммарного магнитного поля в виде функции вектора ММ и градиента 3Выражения для векторов суммарного магнитного поля при компонентных иэмерениях1824612 12 Продолжение таблицы 4 Таблица 5 Система уравнений для определения компонент вектора магнитной индукции и элементов тензора градиента,амвт ммЮкккввм тем мн Гкнт сссР 03. МоааЭЭ,Ж. УЭУВЭЭЕЭ аЮ /