способ минимизации погрешностей в переносном дифференциальном магнитометре

Формула изобретения

Способ минимизации погрешностей в переносном дифференциальном магнитометре, включающий повороты штанги на 180° вокруг ее оси и центра с последующей регистрацией соответствующих результатов измерения приращений магнитной индукции, отличающийся тем, что штангу трижды ориентируют осями по полю и один раз против поля, например осью 1, измеряя в каждом положении три компоненты поля, причем штангу ориентируют так, чтобы обратить две компоненты в нуль:

и соответственно измеряя три компоненты приращения, получают приращения магнитной индукции

, , и

по которым находят все компоненты уходов нулей В₀ и матрицу неидентичности каналов дифференциального магнитометра в системе координат штанги по формулам

а в последующие результаты измерения приращений непрерывно вводят коррекцию по формуле

B’-·B’-B ₀,

где В’ - последующие некорректированные результаты измерения приращения индукции магнитного поля;

В’ - последующие результаты измерения индукции магнитного поля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерения приращения индукции магнитного поля с помощью компонентных преобразователей, укрепленных на подвижной штанге.

Эта область измерения освоена в меньшей степени, чем измерение самой индукции и, как следствие, в ней еще не установилась правильная терминология. Часто в литературе вместо естественного термина измерение компоненты “приращения магнитной индукции” используется термин “градиент магнитной индукции”, что представляется неправильным, так как градиент магнитной индукции - это совокупность девяти пространственных производных индукции, из которых, как правило, 5 независимы. Соответственно, часто переносной дифференциальный магнитометр в литературе именуют градиентометром, продольным градиентометром, поперечным градиентометром, тогда как градиентометр должен быть пятикомпонентным прибором. Ниже наряду с правильной терминологией “приращение магнитной индукции, дифференциальный магнитометр...” используются термины градиент и градиентометр в связи с их распространенностью в отечественной и зарубежной литературе.

В монографии [Ю.В.Афанасьев. Феррозонды. Энергия, 1969 г., стр.152-153] отмечается изобретение [Ю.В.Афанасьев и Ю.В.Алексеев. Устройство для измерения градиента магнитного поля. А.С. №160596, опубликовано 31.1.1964, Бюллетень №4] и аналог этого изобретения [Э.Д.Гриньков и др. Компенсация погрешностей феррозондового градиентометра. Геофизическая аппаратура, вып.26, Недра, 1965 г., стр.29-32], как направленные на решение “основной проблемы, с которой приходится сталкиваться при проектировании градиентометров” - проблемы соосности магнитных осей феррозондов. С упомянутым изобретением связывались большие надежды и ссылки на это изобретение и его аналог продолжались и позже [Ю.В.Афанасьев и др. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. Энергия, 1972 г., стр.223].

Монография [Ю.В.Афанасьев, 1969 г., стр.156] завершается следующим абзацем:

"Нет сомнений в том, феррозондовые приборы будут использованы и при изучении лунной поверхности... достаточно простые феррозондовые градиентометры с чувствительной системой, выполняемой в виде тонкой трости-щупа, могут быть с успехом использованы космонавтами, впервые вступающими на поверхность Луны.”.

Через 17 лет в другой монографии того же автора [Ю.В.Афанасьев. Феррозондовые приборы. Л., Энергоатомиздат, 1986, стр.140] анализируются причины, почему переносные градиентометры так и не были разработаны и вновь указывается на трудности обеспечения высокой степени параллельности магнитных осей феррозондов, установленных на штанге, как на главную проблему, препятствующую разработке и использованию градиентометров в земных условиях. Это свидетельствует о том, что упомянутое изобретение и его аналог не оправдали надежд в решении проблемы соосности феррозондов на штанге. Впрочем со временем это стал признавать и сам автор: “Минимизация погрешностей от непараллельности осей феррозондов частично ⁾ достигается за счет автоматического ввода поправок от третьего феррозонда, установленного в плоскости угла непараллельности перпендикулярно первым двум феррозондам [10] ⁾ Однако такой способ не является надежным и требует периодических регулировок ⁾. Более надежным представляется способ “окраски” ложного сигнала за счет вращения чувствительной системы градиентометра вокруг базовой оси либо осуществление компенсации не только продольной, но и поперечных компонент магнитного поля Земли в объеме системы.” [Ю.В.Афанасьев и др. Средства измерений параметров магнитного поля. Энергия, 1979 г., стр.228].

) Курсив авторов заявки.

) Ссылка на описание изобретения в работе [Ю.В.Афанасьев, 1969 г.].

В чем заключается способ “окраски” и как осуществляется компенсация поперечных компонент автор не разъясняет.

Далее Ю.В.Афанасьев [1986, стр.140] в разделе "Магнитные градиентометры" упоминает “приемы минимизации погрешностей от непараллельности осей”, связанные с “поворотами штанги на 180° вокруг продольной оси и вокруг ее центра”, называет эти приемы “наиболее эффективными”, но не рекомендует их к применению, по крайней мере, в подвижном градиентометре. Т.е. фактически он предлагает использовать переносной градиентометр в стационарном режиме. Опять автор не разъясняет в чем заключаются сами приемы минимизации, а отсылает читателя к своей более ранней монографии [Ю.В.Афанасьев и др., 1972 г.].

Совокупность этих приемов образует известный способ минимизации погрешностей в переносном дифференциальном магнитометре, который принят в качестве ближайшего аналога заявляемому способу.

Известный способ [Ю.В.Афанасьев, 1986 г., стр.140 и 1972 г., стр.224-225] включает ориентацию штанги двухкомпонентного градиентометра продольной осью точно вдоль базовой горизонтальной оси и последовательные повороты штанги: поворот вокруг базовой вертикальной оси точно на 180° поворот вокруг базовой горизонтальной оси точно на 180° и поворот вокруг базовой вертикальной оси точно на 180°, при этом после первичной ориентации и каждого поворота измеряют две компоненты приращения магнитной индукции, а результирующие приращения определяют как средние от результатов измерения при исходной ориентации и трех поворотах.

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, является необходимость точной привязки осей штанги к неподвижной системе базовых осей, исключающей возможность использования способа при движении штанги, либо при измерении переменных приращений магнитной индукции.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является минимизация группы аддитивных погрешностей в переносном дифференциальном магнитометре за счет компенсации погрешностей от неидентичности измерительного и компенсационного каналов градиентометра, включая погрешности от непараллельности магнитных осей одноименных преобразователей, а также за счет компенсации погрешностей от уходов нулей измерительного канала.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в снижении порога чувствительности дифференциального магнитометра и в обеспечении возможности измерения слабых приращений магнитной индукции в движении штанги на фоне магнитного поля Земли, а также измерения слабых переменных низкочастотных приращений.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом способе минимизации порога чувствительности в переносном дифференциальном магнитометре, включающем повороты штанги на 180° вокруг ее оси и центра с последующей регистрацией соответствующих результатов измерения приращений, в отличие от известного способа, в условиях однородного магнитного поля, например поля Земли, В, измеряют в системе координат штанги три компоненты приращения и дополнительно три компоненты поля, штангу трижды ориентируют осями по полю и один раз против поля, например осью 1, так, чтобы обратить две компоненты поля в нуль:

и соответственно измеряют приращения:

, , и

по которым находят все компоненты уходов нулей В₀ и матрицу неидентичности каналов дифференциального магнитометра в системе координат штанги по формулам:

а в последующие результаты измерения приращений непрерывно вводят коррекцию по формуле:

B’-·B’-B ₀,

где В’ - последующие некорректированные результаты измерения приращения индукции магнитного поля;

В’ - последующие результаты измерения индукции магнитного поля.

На фиг.1 изображена штанга схематически с системой координат наблюдения и с осями трехкомпонентных преобразователей.

На фиг.2 изображена одна компонента функциональной схемы реализации заявляемого способа минимизации погрешностей в переносном дифференциальном магнитометре.

Штанга имеет оси 1, 2, 3, образующие систему координат штаги или систему координат наблюдения, эти оси также являются осями измерительного преобразователя в точке А и осями компенсационного преобразователя в точке В.

Функциональная схема включает измерительный преобразователь 4 компоненты 1 (оси 1) в точке А и компенсационный преобразователь 5 компоненты 1 в точке В, выход преобразователя 4 связан со входом измерительного канала 6, а выход преобразователя 5 со входом компенсационного канала 7. Измерительный канал 5 охвачен отрицательной обратной связью через сопротивление 8 по цепи 9 к преобразователю 4, а компенсационный канал через сопротивление 10 по цепи 11 к входу преобразователя 5 и ко второму входу преобразователя 4. На выходе канала 7 установлен прибор 12 для измерения компоненты 1 магнитной индукции в точке В, а на выходе канала 6 прибор 13 для измерения компоненты приращения магнитной индукции между точками штанги А и В. Выходы каналов также связаны с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя 14, выход которого подключен к компьютеру 15.

Заявляемый способ минимизации погрешностей переносного дифференциального магнитометра осуществляется следующим способом.

В условиях отсутствия неоднородных магнитных помех ориентируют штангу вдоль однородного магнитного поля, например поля Земли, В, так чтобы показания приборов в компенсационных каналах компонент 2 и 3 (аналогичных прибору 12 для компоненты 1) были бы равны нулю, т.е. В этом положении штанги измеряют прибором 13 измерительного канала 7 компоненту 1 приращения магнитной индукции, аналогичными приборами в каналах компонент 2 и 3 измеряют соответствующие компоненты приращения магнитной индукции, т.е. Затем штангу поворачивают на 180° так, чтобы компоненты поля 2 и 3 были бы нулями, т.е. в этом положении измеряют соответствующие три компоненты приращения магнитной индукции, т.е. . Результаты измерения индукции и ее приращений через аналого-цифровой преобразователь 14 регистрируют компьютером 15. Затем штангу ориентируют так, чтобы получить вектор-столбцы по отношению к компоненте 2 и по отношению к компоненте 3. При этом измеряют соответствующие вектор-столбцы приращения магнитной индукции и и регистрируют результаты в цифровом коде компьютером 15. По измеренным приращениям и индукции определяют компоненты уходов нулей измерительного канала

и матрицу неидентичности измерительного и компенсационного каналов в системе координат штанги

Элементы матрицы неидентичности и компоненты ухода нулей хранят в памяти компьютера 15, и в последующие результаты измерения приращений непрерывно вводят коррекцию по формуле:

B’-·B’-B ₀,

где В’ - последующие некорректированные результаты измерения приращения индукции магнитного поля;

В’ - последующие результаты измерения индукции магнитного поля.

Покажем как формируется матрица неидентичности измерительного и компенсационного каналов и как она влияет на образование порога чувствительности измерительного канала. Для этого рассмотрим сначала модель статической погрешности измерения трехкомпонентным магнитометром. Результат измерения B_u индукции магнитного поля В с помощью трехкомпонентного преобразователя, отягощенный статической погрешностью, можно представить с помощью некоторой искажающей 3×3 матрицы и как

B_u=и·В,

откуда статическая погрешность выражается как (и-I)·В. Чем точнее измерение, тем ближе искажающая матрица к единичной. Диагональные элементы искажающей близки к единице, а боковые элементы близки к нулю. В этом соотношении матрица и и вектор-столбец В должны рассматриваться в одной и той же системе координат, от которой вектор-столбец B_u не зависит, будучи просто тремя числами, тремя результатами измерения. Применяя вышеприведенное соотношение к измерениям приращений между точками А и В, запишем в условиях однородного поля В_A=В_B=В

(и_А-и _В)·В или и_А-и_В=

Как показано в работе [Г.А.Внучков и др. Угловые погрешности измерения магнитной индукции. В сб. Методы и средства исследований структуры геомагнитного поля. М., ИЗ-МИРАН, 1989 г., стр.161-168], боковым элементам искажающих матриц и матрицы неидентичности каналов можно было бы придать угловую интерпретацию, но она здесь нам не потребуется. Здесь нам достаточно знать, что все элементы матрицы неидентичности , включая и диагональные элементы - какие-то безразмерные положительные и отрицательные числа, близкие к нулю, постоянные, которые могут быть определены в системе координат штанги. Диагональные элементы - в основном, результат неодинаковости постоянных по магнитной индукции обмоток компенсационного и измерительного канала в цепи продольной связи каналов 11 (см. фиг.2). При движении/повороте штанги в магнитном поле Земли составляющая ·В проявляется в измерительном канале как весьма значительная аддитивная погрешность, определяющая порог чувствительности измерительного канала, поскольку эта погрешность на несколько порядков превышает уровень собственных шумов феррозондов (~0.01 нТ). Здесь необходимо пояснить, почему мы называем эту погрешность аддитивной, так как в литературе ее именуют мультипликативной. Она аддитивна потому, что действует даже тогда, когда измеряемое приращение магнитной индукции равно нулю.

Для иллюстрации технического результата, обеспечиваемого заявляемым способом, к заявляемому способу рассчитаны контрольные примеры с помощью системы автоматизации вычислений MatLab. Штанга с трехкомпонентными преобразователями, характеризуемая матрицей неидентичности каналов

поворачивается на угол вокруг своей оси 1 в поле Земли В, ось 1 расположена перпендикулярно полю Земли. Тогда в системе координат штанги поле выражается как Собственными шумами преобразователей, а также уходами нулей компенсационного и измерительного каналов пренебрегаем. При таких условиях вычислен размах нулевого (ложного) сигнала в измерительном канале, образующего порог чувствительности, без коррекции и при коррекции с различной тщательностью ориентации штанги на этапе нахождения матрицы неидентичности каналов. Результаты расчета сведены в таблицу.

Таблица
Степень тщательности ориентации штанги на этапе нахождения матрицы неидентичности каналов по конечным отсчетам показаний приборов компенсационного канала, нТ.	Размах ложного сигнала в измерительном канале при повороте штанги на 2 в поле Земли, нТ
	Компон. 1	Компон. 2	Компон. 3
Без минимизации погрешностей	±375	±726	±625
С минимизацией при небрежной ориентации (52118, -100, 100); (100, 52118, -100); (-100, 100, 52118)	±1.1	±2.6	±1.2
С минимизацией при умеренной тщательности ориентации (52118, -10, 10); (10, 52118, -10); (-10, 10, 52118)	±0.11	±0.26	±0.12
Коррекция при тщательной ориентации (52118, -2, 2); (2, 52118, -2); (-2, 2, 52118)	±0.022	±0.052	±0.024

Результаты расчетного эксперимента свидетельствуют, что заявляемый способ позволяет существенно снизить порог чувствительности дифференциального магнитометра при измерении в движении на фоне магнитного поля Земли.

Обратим внимание на то, что расчеты проведены для плохо сбалансированной (или существенно неидентичной) дифференциальной пары преобразователей магнитометра. Максимальный элемент матрицы неидентичности -0.013 эквивалентен угловой погрешности в -46 угловых минут. Разумеется, при предварительной настройке дифференциальной пары результаты по снижению порога чувствительности были ли бы еще лучше.

Заявляемый способ позволяет обойтись без фактического (механического, традиционного) снижения элементов матрицы неидентичности благодаря измерению этих элементов и организации последующей непрерывно действующей коррекции, компенсирующей вредное действие матрицы неидентичности, что удешевляет технологию изготовления преобразователей для дифференциальных магнитометров. Матрицу определяют заблаговременно в благоприятных (статических) условиях, а последующую коррекцию осуществляют в рабочих условиях, в том числе и при измерении слабых приращений в движении и при измерении слабых переменных низкочастотных приращений магнитной индукции на фоне магнитного поля Земли.