SU883835A1 - Протонный магнитометр с автоматическим поиском сигнала прецессии - Google Patents

Description

Изобретение относится к геофизическому Приборостроению и может быть использовано в устройствах для измерения модуля полного вектора напряженности магнитного поля Земли или околоземного пространства. ^S

Известен протонный магнитометр, в котором использован эффект свободной прецессии протонов жидкости в магнитном поле и зависимость частоты ¹⁰ этой прецессии от напряженности измеряемого магнитного поля. Магнитометр содержит датчик, состоящий из катушки индуктивности, в которой находится ампула с рабочей жидкостью, конденсатор, подключенный параллельно выводам катушки, последовательно соединенных переключателя, подключенного к выходу датчика, усилителя сигнала и частотомера, а также источника постоянного тока, который подключают к катушке индуктивности на время поляризации рабочего вещества.

_ ' · ·

Поиск сигнала в данном устройств ве осуществляется ручным переключением поддиапазонов усилителя и входного контура датчика, образованного из катушки индуктивности и конденсаторов. Поиск осуществляется с точностью до полосы пропускания усилителя и его входного контура [1].

Недостатком устройства является ручной поиск сигнала прецессии.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является протонный магнитометр с автоматическим поиском сигнала прецессии, содержащей датчик с рабочей жидкостью, катушка индуктивности которого с параллельно подключенной постоянной емкостью образует резонансный приемный контур и соединена с входом усилителя, схему поляризации протонов жидкости, а также последовательно соединенные усилитель, подключенный к приемному контуру, управляемый ключ и частотомер и программное уст3 роиство, первый вход которого соединен со схемой поляризации раб/эчего вещества, а второй - с управляемым входом ключа [2].

В известном магнитометре поиск частоты прецессии, соответствующей измеряемому магнитному полю, осущестт вляется ступенчато с точностью до полосы пропускания узкополосного резонансного усилителя и его входного контура, образованного индуктивностью катушки датчика и подключаемой постоянной емкостью, выбираемой из магазина емкостей. Возможная расстройка контура датчика относительно частоты прецессии, уменьшая .отношение сигнал/шум на входе усилителя, увеличивая скорость .затухания сигнала прецессии и приводя к смещению частоты прецессии протонов в связанной с ¹ контуром спиновой системе, увеличивает погрешность измерения.

При изменении ориентации датчика в пространстве в сторону от оптимального по амплитуде снимаемого с него сигнала, последний уменьшается, что приводит к необходимости снижения уровня порога, которым определяются границы полосы пропускания каждого из узкополосных поддиапазонов. Последнее обстоятельство приводите к увеличению возможной расстройки контура дат^йка относительно частоты прецессии и увеличению погрешности измерения.

Целью изобретения является повышелов и дополнительная емкость, причем выход усилителя соединен со входом схемы обнаружения максимальной амплитуды сигнала, выход которой сое5 динен с одним из входов формирователя напряжения поиска, выход формирователя соединен с одним из входов аналогового перемножителя сигналов, второй вход которого соединен с 10 выходом усилителя, выход аналогового перемножителя соединен через дополнительную емкость с входом усилителя, а третий выход программного устройства соединен со вторым входом фор15 мирователя напряжения поиска.

В предложенном магнитометре настройка контура датчика в резонанс с частотой прецессии осуществляется за счет эффекта управления умноже20 нием емкости С₍ , включенной между выходом аналогового перемножителя сигналов и входом усилителя. Возникающая при этом динамическая емкость Сд присоединяется параллельно началь25 ной емкости контура С_о, с помощью которой он был настроен на высшую частоту рабочего диапазона искомых частот ^Сд = С₍ (К·К, + 1)_? где К коэффициент передачи усили³⁰ теля, К 1;

К, - коэффициент передачи аналоговым перемножителем напряжения с выхода усилителя, Ι^Κ,ϊΟ.

Резонансная частота оГ_р настройки 35 контура датчика, таким образом, равна ние точности измерения путем плавного поиска сигнала прецессии и уменьшения времени измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в протонный магнитометр с автоматическим поиском сигнала прецессии, содержащий датчик с рабочим веществом, состоящий из ампулы (ячейки) с рабочим веществом, индуктивной катушки, емкости, которая совместно с катушкой образует резонансный приемный контур, и схемы поляризации рабочего вещества, последовательно соединенные усилитель, подключенный к приемному контуру, управляемый ключ и частотомер, а также программное устройство, первый выход которого соединен с схемой поляризации рабочего вещества, второй выход - с управляемым входом ключа, введены схема обнаружения максимальной амплитуды сигнала, формирователь напряжения поиска, аналоговый перемножитель сигна40

СсГрх—— -----------, »

VLg [С₀ + С,(КК,Н) где Lg - индуктивность катушки измерения датчика.

При изменении коэффициента передачи аналогового перемножителя К, от нуля до единицы резонансная частота .

контура датчика изменяется от ^ртах до ^pmin

VL_g(C_o+C,)^b

VUgLCo^CiCK+l)]

Изменение коэффициента передачи К₍ аналового перемножителя сигналов осу• ществляется плавно путем подачи на его второй вход изменяющегося по величине однополярного напряжения поиска. Нулевое значение напряжения поиска соответствует значению K_t =0. Для того, чтобы в перестраиваемый контур не вносилось заметное дополнительное затухание, достаточно обеспечить условие ^pmaxC, ^R6bix.n 5 где R_{Bba п} - выходное сопротивление аналогового перемножителя.

На чертеже представлена блок-схема протонного магнитометра с автоматическим поиском сигнала прецессии.

Магнитометр содержит датчик 1. с рабочей жидкостью (газом), находящийся в ампуле (ячейке) 2, индуктивная катушка 3 которого, подключенная вместе с постоянной емкостью 4 параллельно инвертирующему входу широкополосного усилителя 5 постоянного тока, образует резонансный LC контур, схему 6 поляризации рабочей жидкости (газа), соединенную с одним из выходов программного устройства 7, и частотомер 8, подключенный к выходу усилителя через ключ 9, вход управления которого соединен со вторым выходом программного устройства 7.

IS

IS

Выход усилителя 5 соединен со входом схемы 10 обнаружения максимальной амплитуды сигнала. Выход схемы обнаружения максимальной амплитуды сигнала соединен с одним из входов формирователя 11 напряжения поиска. Выход формирователя 11 соединен с одним из входов аналогового перемножителя 12 сигналов. Второй вход аналогового перемножителя 12 соединен с выходом усилителя 5. Выход аналогового перемножителя 12 соединен через дополнительную емкость 13 с инвертирующим входом усилителя 5. Третий выход программного устройства 7 соединен со вторым входом формирователя напряжения поиска.

ЭО ss

4S

Протонный магнитометр работает следующим образом)

По команде программного устройства 7 схема 6 Поляризации производит поля-¹· ризацию рабочей жидкости (газа). После выключения поляризации вектор суммарной намагниченности рабочей жидкости (газа) совершает прецессионное дви-$$ жение вокруг вектора индуцируя при этом в шке 3 ЭДС с частотой щую форму затухающей измеряемого поля, индуктивной катупрецессий, имеюсинусоиды. Часто« та прецессии равна <v'_n . При этом выполняется условие ^^ρνη’ιη крепах ·

В исходном состоянии напряжение с выхода формирователя 11 напряжения поиска равно нулю. Ключ 9 закрыт. Поэтому коэффициент передачи К^ аналогового перемножителя 12 также равен нулю, так как выходное напряжение аналогового перемножителя 12 пропорционально произведению напряжения с выхода усилителя 5 и напряжения поиска с выхода формирователя 1I. Резонансный контур, образованный индуктивностью катушки 3 и емкостями 4 и 13, настроен на частоту ифтад.

По команде программного устройства 7 формирователь 11 напряжения поиска начинает формировать монотонно нарастающее по абсолютной величине однополярное напряжение. В качестве формирователя 11 напряжения поиска может быть использован, например, RC-интег-. ратор, на вход которого по команде программного устройства подключается постоянное напряжение. При этом на выходе интегратора будет линейно нарастающее напряжение. Возрастание напряжения на выходе формирователя 1 Г напряжения поиска, приводя к увеличению коэффициента передачи аналогового перемножителя 12, вызывает пере-..· стройку резонансной частоты контура датчика в сторону более низких частот за счет увеличения динамической емкости С$ путем умножения емкости 13.

При приближении частоты й/ρ настройки контура к частоте на выходе усилителя 5 появляется сигнал, превышающий некоторый, установленный в схеме ^: 10 обнаружения максимальной амплитуды сигнала, порог. Сигнал включает схему 10 и отключает постоянное напряжение со входа интегратора формирователя 11. В качестве схемы 10 обнаружения максимальной амплитуды сигнала может быть использован известный амплитудный выпрямитель, накопительная ёмкость которого подзаряжается лишь до тех пор, пока амплитуда сигнала в последующем периоде повторения синусоидального сигнала с выхода усилителя 5 больше, чем в предыдущем. Достижение максимальной амплитуды на выходе усилителя 5 соответствует резонансу в контуре датчика по отношению к частоте сигнала прецессии.

Импульсы тока подзаряда накопительной емкости используются для управле883835

ДО ния подачей на вход формирователя 11 напряжения поиска в виде импульсов постоянного напряжения, что приводит к дальнейшему, нарастанию напряжения на выходе формирователя 11 до тех пор, пока существуют импульсы подзаряда накопительной емкости, т.е. выполнения условия

После прекращения управляющих .пульсов со схемы 10 прекращается растание напряжения на выходе формирователя 11 и, таким образом, прекращается перестройка резонансного контура датчика. После этого по команде программного устройства 7 открывается ключ 9, и сигнал с выхода усилителя 5 поступает в частотомер 8 для измерения частоты сигнала прецессии.

Повторение цикла поиска и измерения производится по команде от программного устройства 7, которое сбрасывает в исходное состояние формирователь 11 и закрывает ключ 9.

Предложенный магнитометрпозволяет произвести плавный поиск частоты Прецессии и настроить резонансный входной контур точно на частот?, сигнала прецессии (с:точностьюдо чувствитель ности амплитудного выпрямителя сиге—: мы 10) независимо от ориентации датчика. За счет этого уменьшается общая погрешность измерения. ; /

Действительно, при индуктивности катушки измерения датчика, равной 0,03 Гн, для перестройки его резонансной частоты, например, от 4000Гц до 750 Гц, что соответствует диапазону земных магнитныхполей, требуется изменять емкость контура ,0т 53000 пФ до 1,5 мкФ.

Плавно изменяемой емкости в таком I· диапазоне емкостей не существует.. В этом случае используется ступенчато коммутируемый магазин постоянных емкостей.

В предложенном магнитометре вместо магазина постоянных емкостей используется лишь одна постоянная емкость величиной, например 1000 пФ при К = 1500.

Благодаря исключению времени, необходимого для коммутации магазина емкостей, сокращается время поиска сигнала. Это время сокращается до вре^ Мени, определяемого лишь параметрами динамической частотной характеристики колебательного контура, т.е, определяемого соотношением добротности ,Λ.

(30 контура и скорости изменения жения поиска.

напряВ диапазоне частот от 750 возможно осуществить плавный и настройку контура датчика на низшую частоту сигнала прецессии за 100-150 мс.

до 4б0 Гц поиск

Claims (2)

1. 3 ройство, пергзый вход которого соединен со схемой лол ризации вещества, а второй - с управл емым входом ключа 2. В известном магнитометре поиск частоты прецессии, соответствующей измер емому магнитному полю, осущест вл етс  ступенчато с точностью до по лосы пропускани  узкополосного резонансного усилител  и его входного контура, образованного индуктивностью катушки датчика и подключаемой посто нной емкостью, выбираемой из магазина емкостей. Возможна  расстройка контура датчика относительно частоты прецессии, уменьша  .отношение сигнал/шум на входе усилител , увеличива  скорость .затухани  сигнал прецессии и привод  к смещению част ты прецессии протонов в св занной с контуром спиновой системе, увеличива ет погрешность измерени . При изменении ориентации датчика в пространстве в сторону от оптималь ного по амплитуде снимаемого с него сигнала, последний уменьшаетс , что приводит к необходимости снижени  уровн  порога, которым определ ютс  границы полосы пропускани  каждого из узкополосных поддиапазонов. Последнее обсто тельство приводитО к увеличению возможной расстройки контура дат1Й1ка относительно частоты прецессии и увеличению погрешности измерени .. Целью изобретени   вл етс  повьш1ение точности измерени  путем плавног поиска сигнала прецессии и уменьшени времени измерени . Поставленна  цель достигаетс  тем что в протонный магнитометр с автома тическим поиском сигнала прецессии, содержащий датчик с рабочим веществом , состо щий из ампулы ( чейки) с рабочим веществом, индуктивной катушки , емкости, котора  совместно с катушкой образует резонансный приемный контур, и схемы пол ризации рабочего вещества, последовательно соединенные усилитель, подключенный к приемному контуру, управл емый клю и частотомер, а также программное устройство, первый выход которого со динен с схемой пол ризации рабочего вещества, второй выход - с управл емым входом ключа, введены схема обна ружени  максимальной амплитуды сигнала , формирователь напр жени  поиска , аналоговый перемножитель сигна5 ЛОВ и дополнительна  емкость, причем усилител  соединен со входом схемы обнаружени  максимальной амплитуды сигнала, выход которой соединен с одним из входов формировател  напр жени  поиска, выход формировател  соединен с одним из входов аналогового перемножител  сигналов , второй вход которого соединен с выходом усилител , выход аналогового перемножител  соединен через дополнительную емкость с входом усилител , а третий выход программного устройства соединен со вторым входом формировател  напр жени  поиска. В предложенном магнитометре настройка контура датчика в резонанс с частотой прецессии осуществл етс  за счет эффекта управлени  умножением емкости С включенной мевду выходом аналогового перемножител  сигналов и входом усилител . Возникающа  при этом динамическа  емкость Сд присоедин етс  параллельно начальной емкости контура Ср, с помощью которой он бып настроен на высшую частоту рабочего диапазона искомых частот , Сд с,(:к-к,-1), где К - коэффициент передачи ycliлител , К 1; К, - коэффициент передачи аналоговым перемножителем напр жени  с выхода усилител , ,0. Резонансна  частота оГр настройки контура датчика, таким образом, равна ,(KK,ti) где La - индуктивность катушки измерени  датчика. При изменении коэффициента передачи аналогового перемножител  К, от нул  до единицы резонансна  частота . контура датчика измен етс  от ,) Изменение коэффициента передачи К, аналового перемножител  сигналов осуществл етс  плавно путем подачи на его второй вход измен ющегос  по величине однопол рного напр жени  поиска. Нулевое значение напр жени  поиска соответствует значению К, 0. Дл  того. 5 чтобы в перестраиваемый не вносилось заметное дополнительное за тухание, достаточно обеспечить условие ртацС, бых.п 5 Вых.п выходное сопротивление аналогового перемножител  На чертеже представлена блокгсхем протонного магнитометра с автоматиче ким поиском сигнала прецессии. Магнитометр содержит датчик 1, с рабочей жидкостью (газом), наход щийс  в ампуле ( чейке) 2, иьщуктивна  катушка 3 которого, подключенна  вместе с посто нной емкостью 4 парал лельно инвертирующему входу широкополосного усилител  5 посто нного тока, образует резонансный LC контур схему 6 пол ризации рабочей жидкости (газа), соединенную с одним из выходов программного устройства 7, и час тотомер 8, подключенный к выходу уси лител  через ключ 9, вход управлени  которого соединен со вторым выходом программного устройства 7. Йыход усилител  5 соединен со вхо дом схемы 10 обнаружени  максимальной амплитуды сигнала. Выход схемы 10обнаружени  максимальной амплитуды сигнала соединен с одним из входо формировател  11 напр жени  поиска. Выход формировател  11 соединен с од ним из входов аналогового перемножител  12 сигналов. Второй вход аналогового перемножител  12 соединен с выходом усилител  5. Выход аналогово го перемножител  12 соединен через дополнительную емкость 13 с инвертирующим входом усилител  5. Третий вьтход программного устройства 7 с,оединен со вторым входом формировател  11напр жени  поиска. Протонный магнитометр работает следующим образом; По команде программного устройства 7 схема 6 пол ризации производит пол - ризацию рабочей жидкости (газа). После выключени  пол ризации вектор суммарной намагниченности рабочей жидкости (газа) совершает прецессионное движение вокруг вектора измер емого пол , индуциру  при этом в индуктивной катушке 3 ЭДС с частотой прецессий, имеющую форму затухающей синусоиды. Часто5 та прецессии равна При этом выполн етс  условие е ц $ та X В исходном состо нии напр жение с выхода формировател  11 напр жени  поиска равно нулю. Ключ 9 закрыт. Поэтому коэффициент передачи К аналогового перемножител  2 также равен нулю, так как выходное напр жение аналогового перемножител  12 пропорционально произведению напр жени  с выхода усилител  5 и напр жени  поиска с выхода формировател  11. Резонансный контур, образованный индуктивностью катушки 3 и емкост ми 4 и 13, настроен на частоту команде программного устройства 7 формирователь 11 напр жени  поиска начинает формировать монотонно нарастающее по абсолютной величине однопол рное напр жение. В качестве формировател  11 напр жени  поиска может быть использован, например, RC-интег-. ратор, на вход которого по команде программного устройства подключаетс  посто нное напр жение. При этом на ВБГходе интегратора будет линейно нарастающее напр жение. Возрастание напр жени  на выходе формировател  П напр жени  поиска, привод  к увеличению коэффициента передачи аналогового перемножител  12, вызывает пере-.. стройку резонансной частоты контура датчика в сторону более низких частот за счет увеличени  динамической емкости Со путем умножени  емкости 13. При приближении частоты Wp настройки контура к частоте о/п на выходе усилител  5 по вл етс  сигнал, превышаюпщй некоторый, установленный в схеме 10 обнаружени  максимальной амплитуды сигнала, порог. Сигнал включает схему 10 и отключает посто нное напр жение со входа и тегратора формировател  11. В качестве схемы 10 обнаружени  максимальной амплитуды сигнала может быть использован известный амплитудный выпр митель, накопительна  ёмкость которого подзар жаетс  лишь до тех пор, пока амплитуда сигнала в последующем периоде повто .т пчагто о ттлг-ттотплтокл гголт гч-га nrin-rr-i- рени  синусоидального сигнала с выхода усилител  5 больше, чем в предьщущем . Достижение максимальной амплитуды на выходе усилител  5 соответствует резонансу в контуре датчика по отношению к частоте сигнала прецессии. Импульсы тока подзар да накопительной емкости используютс  дл  управлени  подачей на вход формировател  11 напр жени  поиска в виде импульсов посто нного напр жени , что приводит к дальнейшему, нарастанию напр жени  на выходе формировател  11 до тех пор, пока существуют импульсы подза р да накопительной дикости, т.е. до выполнени  услови  | IV После прекращений управл ющих им .пульсов со схемы 101 прекращаетс  нарастание напр жени  на выходе формир вател  1 I и, таким образом, прекраща етс  nepiecTpoftKa резонансного контура датчика. После этого по комавде программного устройства 7 открываетс ключ 9, и сигнал с выхода усилител  5 поступает в частотомер 8 дл  й мерени  частоты сигнал прецессии. Повторение цикла йоиска и измерени  производитс  пр команде бтпрограммного устройства 7 которое ббра сывает в исходное состо кие формиро ватель Пи закрывает ключ 9. Предложенный магнитометр позвол е произвести; плавный поиск частоты Вре цессии и настроить р зОйаНсный входной контурТОЧНО на частот сигнала прецессии (с: точностью до чувствйтел ности амплитудного йьшр митёл  мы 10} незавйсимо от Ьриёнтацйф дат чика. За счет этого уменьйаетс  о6 ща  погрешность измерени i . : ; Действительно, при и щугсШзз осШ катушки измерени  датчика,фавнрй 0,03 Гн, дл  перестройки его резонансной частоты, йаприм1Вр, Ьт АОООГц до 750 Гц, что со(зтветствуетййапаз6ку земных магнитных пойей, Требуетс  измен ть емкости контура бт 53000 :пФ до 1,5 мкФ. , ; Плавно измен емой ём1сости в таком диапазоне емкостей не существует.. В этом случае используетс  ступенчато коммутируемый магазин посто нных -емкостей . В предложенном магнитомет1 е вмест магазина посто нных емкостей используетс  лишь одна посто нна  емкость величиной, например 1000 пФ при К 1500. Благодар  исключению времени, необходимого дл  коммутации магазина емкостей, сокращаетс  врем  поиска сигнала. Это врем  сокращаетс  до вр feни, определ емого лишь параметрами динамической частотной характеристики колебательного контура, т.е, определ емого соотношением добротности контура и скорости изменени  напр ж ни  поиска. В диапазоне частот от 750 до ббО Гц возможно осуществить плавный поиск и настройку контура датчика на низшую частоту сигнала прецессии за .100-150 мс. Формула изобретени  Протонный магнитометр с автоматическим поиском сигнала прецесСи), содержащий датчик с рабочим веществом , состо щий из ампулы и  чейки с рабочим веществом, индуктивной катушки, емкости, котора  совместно с катушкой образует резонансный приемный контур, и схемы пол ризации рабочего вещества, последовательно соединенные усилитель, подключенный к приемному контуру, управл емы ключ и частотомер, а также программное устройство, первый выход которого соединен с схемой пол ризации рабочего вещества, второй выход - с управл емым входом ключа, о т л и чающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени  пу;7ем гшааного поиска сигнала прецессии к уменьшени  времени измерени , в него введены схемы обнаружени  максимальной амплитуды сигнала формироваталь напр жени  поиска, аналоговый йерёмко}китель сигналов и дополш;:твльйа  емкости, причем выход усилител  соединен, со входом схемь обнарул:ени  максимальной .амплитудй сигнала выход которой соединен с одним из входов формировател  напр жени  поиска, выход формироватап  соединен с одним и:з вхот дов аналогового перемножител  сигналов , второй вход которого соединен свыходом усилител , вькод аналогового перемножител  соединен через дополнительную ёмкость с входом усилител ,а третий выход программного ус гройства соединен со вторым входом формировател  напр жени  поиска. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 405097, кл. G 01 V 3/14, 1973.
2. 2.Авторское свидетельство СССР 641378, кл. G 01 V 3/14, 1979 (проотип )

   lOi