РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ
И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН
Препринт No. 14 (1064)
В.В.Любимов, В.В.Выдрин
МАЛОГАБАРИТНЫЙ ЦИФРОВОЙ КОМПОНЕНТНЫЙ
ФЕРРОЗОНДОВЫЙ МАГНИТОМЕТР
MAGIC МФ-03-М
Работа доложена на Международном симпозиуме "Корреляции
биологических и физико-химических процессов с солнечной активностью и другими
факторами окружающей среды", проводившейся в г.Пущино, Московской обл., в
1993 г.
и
на Международной конференции "Неравновесные
и когерентные системы в биологии,
биофизике и
биотехнологии", проводившейся в
г.Москва, в
в МГУ, в 1994 г.
Москва 2001
УДК 550.838.
Любимов В.В.,
Выдрин В.В. Малогабаритный цифровой компонентный феррозондовый магнитометр
MAGIC МФ-03-М. Препринт No.14 (1064) М.: ИЗМИРАН, 1994. - 15 c.
В
работе дается подробное описание созданного авторами малогабаритного
переносного феррозондового
магнитометра, который может использоваться как для измерения модуля
вектора магнитной индукции поля Земли и его составляющих, так и для
исследования электромагнитных полей, создаваемых искусственными источниками.
Магнитометр MAGIC МФ-03-М имеет
сравнительно низкую стоимость, является оптимизированным и компактным по
конструкции, очень экономичным, имеет небольшие размеры и вес, что позволяет
эффективно использовать его в помещениях различного типа: в клиниках в условиях
города и в обычных жилых помещениях, при относительно большом уровне
индустриальных и техногенных помех, где магнитное поле бывает сильно
аномальным, в обсерваториях, в кунгах, в полевых условиях в местах, где нет
электропитания или где невозможно
использовать стандартные обсерваторские приборы.
Созданный прибор может с успехом использоваться в медицине и
магнитобиологии, использоваться санэпидемстанциями для определения величины
и местонахождения "вредных" электромагнитных
возмущений искусственного
происхождения, оказывающих воздействие на человека на его рабочем месте,
использоваться службами воздушного, морского, железнодорожного и автомобильного
транспорта, а также в электронной промышленности для контроля уровня
электромагнитной обстановки.
ã ИЗМИРАН, 1994
г.
ã ИЗМИРАН,
2001 г.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящей работе
приводится подробное техническое описание и практические рекомендации по работе
с диагностическим магнитометром MAGIC
МФ-03-М, являющимся модификацией ранее созданного авторами феррозондового
магнитометра МФ-03 MAGIC [1,2],
хорошо зарекомендовавшего себя как в условиях полевых экспедиционных работ [3, 4], так и при обеспечении
различного рода методических
экспериментов в геофизических и магнитобиологических исследованиях [5]. Диагностический магнитометр MAGIC МФ-03-М [6] был разработан и изготовлен в конце 1992 года [7]. Этот прибор, наряду с другими
типами магнитометров, использовался при проведении геофизических работ в Крыму
в 1993-1994 гг. [3, 4], при
проведении геофизических и методических работ на территории Вьетнама (летом
1994г.) [8]. С его помощью проводились
работы по исследованию электромагнитной обстановки в жилых помещениях и
клиниках в условиях города (в городах Москве, Троицке, Ялте - в 1993-1994 гг.)
[5], проводились работы по исследованию коэффициента экранирования магнитных экранов различных
конструкций, велись работы в
экранированной комнате (ЦКБ No.3 МПС, г. Москва), исследовалась конфигурация поля в колечных системах различных
типов и конструкций, а также велись работы по исследованию намагниченности
различных радиокомпонентов, узлов и конструкций, входящих в состав магнитных
измерительных преобразователей (МИП) [9],
в результате чего появилась возможность максимально уменьшить размеры вновь
создаваемых МИП для диагностических магнитометров [1, 10].
Магнитометр
MAGIC МФ-03-М неоднократно
демонстрировался на различных совещаниях, собраниях и выставках,
проводимых как в ИЗМИРАН, так и на городском (выставка "Экология города Москвы", устроенная в Президиуме РАН в 1992-1993 гг.) и
международном уровне (в г.Дели, Индия, 1993 г., в г.Пущино, Россия, 1993 г., в
МГУ, г.Москва, 1994 г.) [5,11].
НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Малогабаритный
цифровой компонентный феррозондовый магнитометр (МЦКФМ) MAGIC МФ-03-М (в
дальнейшем - прибор) является высокочувствительным измерительным инструментом,
который выполнен на основе однокомпонентного феррозондового датчика в виде переносного прибора и предназначен для
измерения вариаций модуля Т вектора магнитной индукции поля Земли, его
составляющих D, H, Z, X или Y, а также для исследования полей, создаваемых
искусственными источниками, для систем, служащих для привязки и ориентации
объектов по магнитному полю и для специальных целей.
Прибор может использоваться на суше, на
море, на подвижном носителе, в условиях обсерватории, в полевых условиях и в
качестве автономной станции.
Прибор может
использоваться в медицине для оценки интенсивности магнитной бури по величине
склонения МПЗ в любом районе Земного шара в реальном масштабе времени. МФ-03-М
может использоваться в качестве одного из основных инструментов для оснащения
магнитных камер в лечебных и диагностических центрах и учреждениях, может использоваться лечебными учреждениями
и медицинскими центрами диагностики для внесения необходимых изменений в курс лечения
травматических, психоневрологических, терапевтических и послеоперационных
больных, подверженных повышенной чувствительности к изменениям величины и
интенсивности магнитной бури.
Прибор может
быть использован санэпидемстанциями (СЭС) для определения величины и
местонахождения "вредных" электромагнитных излучений искусственного
происхождения, оказывающих воздействия на человека на его рабочем месте.
Прибор может быть использован службами
воздушного, морского, железнодорожного и автомобильного транспорта, на которых
безопасность передвижения пассажиров находится в прямой зависимости от
физического и психического состояния людей, управляющих транспортом.
Прибор может быть использован
индивидуальными пользователями для
оценки воздействия магнитной бури на самочувствие, настроение,
работоспособность и для определения неблагоприятных дней.
Общий вид МЦКФМ MAGIC МФ-03-М показан на рис.1.
СОСТАВ
ПРИБОРА.
Прибор включает в себя:
- датчик с кабелем, длиной 0,8...1,0 м;
- блок электроники (с автономным
питанием);
- струбцину крепежную;
- штырь крепежный (разборный);
- кабель No1 (переходной);
- кабель No2 (соединительный, для
подключения аналогового регистратора);
- комплект ЗИП;
- техническое описание и инструкцию по
эксп-луатации;
- ящик укладочный.
Структурная схема магнитометра MAGIC
МФ-03-М показана на рис.2 и включает в себя следующие функциональные узлы и блоки:
- магниточувствительный датчик (МЧД);
- преобразователь поле-напряжение (ППН);
- аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
- цифровое табло (ЦТ);
- схему управления (СУ);
- автономный блок питания (АБП).
МЧД совместно с ППН образует МИП, то есть
собственно магнитометр, который осуществляет преобразование величины
измеряемого вектора магнитного поля с выбранной, при помощи переключателей
схемы управления, крутизной в напряжение постоянного тока, которое
преобразуется в цифровую форму при помощи АЦП и визуализируется в единицах
магнитного поля на 3,5-разрядном десятичном ЦТ. При помощи СУ осуществляется
выбор динамического диапазона работы прибора и осуществляется подключение АБП
(батареи "КРОНА") или питание всех схем через стандартный
сетевой адаптер от сети переменного
тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц.
Схемное решение МИП
позволяет подключать к его аналоговому выходу (один из выходов ППН) аналоговые
регистраторы любых типов, имеющие входное сопротивление не менее 1 кОм.
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Магнитометр имеет пять измерительных диапазонов:
- основной диапазон 0… ±
2 мкТл;
- 1-й диапазон 0… ± 20 мкТл;
- 2-й диапазон 0… ± 40 мкТл;
- 3-й диапазон 0… ± 80 мкТл;
- 4-й диапазон 0… ±
200 мкТл.
Цена единицы счета младшего
разряда цифрового табло:
- основной диапазон 1 нТл;
- 1-й диапазон 10 нТл;
- 2-й диапазон 20 нТл;
- 3-й диапазон 40 нТл;
- 4-й диапазон 100 нТл.
Напряжение постоянного тока на аналоговом
выходе прибора 0… ± 3 В.
Напряжение питания от источника
постоянного тока в пределах от 6 до 12 В. Типовое напряжение питания - 9 В
(батарея типа "КРОНА", зарубежный аналог 6F22 216ST). Предусмотрена
возможность питания прибора от сетевого адаптера напряжением 9 В.
Мощность потребления от источника
постоянного тока не более 0,3 Вт.
Частотный диапазон измерения вариаций МПЗ
в пределах от 0 до 0,1 Гц.
Диапазон
рабочих температур прибора в пределах
от 0 до 40 °С.
Габаритные размеры и
масса:
- датчика 82 х 36 х 36 мм
(0,2 кг);
- блока электроники 82 х 36 х 140 мм (0,2
кг);
- всего прибора, уложенного в укладочный
ящик
225 х 240 х 78 мм (1,50 кг).
КОНСТРУКЦИЯ ПРИБОРА
На передней панели блока электроники (БЭ)
расположено цифровое четырехзначное табло, на котором измеряемая информация
отображается в единицах магнитной индукции
- нанотеслах (нТл).
При разряде батареи источника питания до уровня 6 В, после старшего разряда
(слева) на цифровом табло индицируется знак - "точка" (.).
На боковой (верхней)
панели БЭ расположены (см. рис.3):
- тумблер ПИТАНИЕ, предназначенный для
включения магнитометра (положение - на себя);
- разъем ДАТЧИК, служащий для подключения
кабеля датчика;
- разъем ПИТАНИЕ, предназначенный для
подклю-чения внешнего источника питания постоянного тока напряжением 6...12 В
или сетевого адаптера (при помощи специального переходного кабеля No1);
- разъем ВЫХОД, служащий для
подключения прибора к
аналоговому самопишущему потенциометру или ко входу системы бора информации,
имеющий аналоговый вход 0… ±
3 В).
Внутри прибора на
верхней плате (справа сбоку) расположен переключатель ДИАПАЗОН, который имеет
четыре положения, соответствующие используемым в магнитометре измерительным
диапазонам. Таблица установки и включения измерительных диапазонов при помощи
этого переключателя дана на плате (внутри
прибора), при этом величина измерительного диапазона зависит от следующих
положений переклю-чателя ДИАПАЗОН:
основной диапазон - все переключатели
выключены;
1-й диапазон - включено
положение 4;
2-й диапазон - включено
положение 3;
3-й диапазон - включено положение 2;
4-й диапазон - включено
положение 1.
ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА РАБОТЫ С ПРИБОРОМ
1. Подготовка к работе.
При подготовке
прибора к работе необходимо осуществить
ряд следующих операций.
Прикрепите
датчик к струбцине и подключите кабельный разъем датчика к разъему ДАТЧИК на
блоке электроники. При помощи винта прикрепите струбцину с датчиком к какому-нибудь немагнитному
предмету (деревянной стене столу, столбу) в комнате или на улице, как это показано на рис.4. При этом
необходимо выбрать место подальше от железных масс, электрических сетей,
открывающихся дверей, форточек и мест с вибрацией. При работе с прибором на
улице можно использовать входящий в
комплект магнитометра крепежный
штырь, который свинчивается (два колена) и привинчивается к струбцине. Этот
штырь с датчиком магнитометра можно воткнуть в грунт.
ПРИМЕЧАНИЕ: 1.
Необходимо помнить, что проходящие
мимо или
останавливающиеся автомобили,
мотоциклы или велосипеды имеют
собственное магнитное поле и могут
внести искажения в результаты измерений.
2. Лучше для магнитометра выбрать место
повыше от пола, чтобы случайно не сбить
начальную
юстировку датчика.
Зафиксируйте датчик на струбцине таким
образом, чтобы его верхняя плоскость была бы примерно параллельна горизонтальной плоскости. Точную
установку датчика магнитометра в горизонтальной плоскости
проконтролируйте при помощи жидкостного уровня, входящего в комплект ЗИП
прибора.
Установите при помощи переключателя
ДИАПАЗОН, находяшегося внутри БЭ прибора, необходимый измерительный диапазон.
Установите в отсек для питания новую
батарею или при помощи разъема,
входящего в комплект ЗИП магнитометра, подключите его к источнику постоянного
тока напряжением от 6 до 12 В. При
работе в помещении, подключите
магнитометр
при помощи переходного
кабеля No1 и сетевого адаптера
к
источнику сети
переменного тока напряжением 220 В.
Включите питание магнитометра, для
чего установите тумблер ПИТАНИЕ
в положение на себя. При этом на
цифровом табло магнитометра должна появиться информация (например, "1" или "-1",
если прибор находится в
зашкаленном состоянии, то есть
вне установленного измерительного диапазона, или значение магнитного поля в
цифровой форме, если измеренное
значение магнитного поля находится в пределах установленного при помощи переключателя ДИАПАЗОН измерительного диапазона). Если при
включении прибора на
цифровом табло появляется значение "1" или "-1", то это говорит о том, что необходимо произвести
установку или юстировку датчика. Если после включения
прибора на цифровом табло внизу
после первой цифры слева загорается
знак "точка" (.), то
это говорит о том, что напряжение источника
питания понижено и в этом случае, при работе от батареи, необходимо ее
заменить, для чего отвернуть четыре
винта на нижней панели БЭ.
При использовании для фиксации
результатов измерений вариаций
магнитного поля аналоговых самопишущих потенциометров, например, типа Н39, Н390 или
других (с нулем посередине шкалы), или
АЦП для связи с персональным
компьютером (ПК), соедините их вход
при помощи кабеля No2
(соединительного) с разъемом ВЫХОД на БЭ магнитометра. Необходимо помнить, что максимальное
напряжение на аналоговом выходе
магнитометра лежит в пределах +-3 В.
Максимально удалите БЭ от
зафиксированного датчика и закрепите его или положите так, чтобы было
удобно наблюдать за фиксируемыми на цифровом табло данными. (Положение
БЭ может быть любое, а минимальное его
удаление от датчика
должно быть 0,3 м).
При работе с прибором в условиях
обсерватории, установите датчик на
немагнитном столбе или закрепите его на
специальном
немагнитном поворотном устройстве
(теодолите)
для измерения
необходимой компоненты ВМИ. При
этом компененсацию постоянной
(неизмеряемой) составляющей осуществите при помощи постоянных магнитов и пластилина,
входящих в комплект ЗИП прибора.
2. Работа с прибором.
Осуществите юстировку датчика
магнитометра, для чего необходимо (при
измерении, например, вариации
магнитного склонения) установить его перпендикулярно плоскости
магнитного меридиана (ММ), то
есть примерно перпендикулярно направлению север-юг (N-S).
При этом необходимо плавно вращать датчик в горизонтальной плоскости до тех пор,
пока на цифровом табло БЭ не
зафиксируется значение "0000" или близкое к нему. Это и есть искомое положение для работы.
При помощи фиксирующего кольца закрепите
более прочно датчик на струбцине, при этом наблюдайте, чтобы
значение поля на цифровом табло лежало в пределах 0 +- 10
единиц младшего разряда на выбранном измерительном диапазоне.
При измерении компонент ВМИ поля
Земли, установите датчик для измерения
выбранной компоненты и скомпенсируйте при помощи постоянного магнита (путем его
приближения или удаления от датчика
магнитометра в выбранном направлении вдоль его оси) неизмеряемую
(постоянную) часть поля так, чтобы значение поля на цифровом табло
лежало в пределах 0 +- 10 единиц
младшего разряда на выбранном измерительном диапазоне. Следует отметить,
что при измерении компонент ВМИ на 3-м и 4-м измерительных
диапазонах (и, в большинстве районов Земного шара, - на 2-м
измерительном диапазоне)
проводить компенсацию постоянной составляющей поля при помощи постоянного
магнита не обязательно.
После проведения установки и юстировки
датчика, включите регистрирующую аппаратуру и проводите измерения.
Следует отметить, что при использовании
прибора для фиксации процесса
протекания и развития магнитной бури при, фиксации неких зон состояния
магнитной возмущенности ("реперных уровней") для нужд медицины, для
пунктов наблюдений, расположенных в низких и средних геомагнитных широтах,
существует цифровая зависимость величины интенсивности магнитной бури, которая приведена в таблице:
Таблица
‹Номер
зоны ‹ Амплитуда вариации МПЗ,нТ‹
Характеристика ‹
‹ 1 ‹ 0 +_
85 ‹ Спокойное
поле ‹
‹ 2 ‹ 86 +_ 145 ‹ Слабое возмущение ‹
‹ 3 ‹ 146 +_ 240 ‹ Среднее возмущение‹
‹ 4 ‹ 241 +_ 360 ‹ Буря
‹
‹ 5 ‹ 361 +_ 600 ‹ Очень большая буря‹
Следует помнить, что установку и
юстировку датчика
магнитометра
необходимо выполнять в вечернее время
суток, когда магнитное поле, как правило, невозмущено (в
период от 20 до 24 часов). Амплитуду возмущенности магнитного поля в
месте установки датчика можно оценить
по цифровому табло, после
проведения юстировки датчика, в процессе
непродолжительного наблюдения и
записи цифровой информации с
последующим ее анализом. Магнитное поле считается возмущенным, если на временной
базе в одну-две минуты его амплитуда изменяется более чем на 5-10 нТл.
3. Техническое обслуживание прибора.
По окончании работы магнитометр
выключается, разбирается на блоки и
упаковывается в укладочный ящик.
Транспортирование магнитометра при
проведении полевых работ производится
только в укладочном ящике.
Для магнитометра устанавливается
ежедневное и сезонное обслуживание.
Ежедневное обслуживание проводится при
систематической эксплуатации магнитометра и включает в себя:
- очистку от пыли и грязи (при работе в полевых условиях) основных блоков
магнитометра, которая производится с помощью кисти и слегка
увлажненной фланелевой ткани;
- проверку состояния источника
питания и контактов его подключения (при обнаружении подтеков на батарее или
снижении напряжения ниже допустимого, батарею следует заменить, окисленные
контакты подчистить и смазать
техническим вазелином).
Сезонное профилактическое
обслуживание производится после окончания полевых работ и включает в
себя следующие операции:
- удаление батареи из батарейного
отсека БЭ;
- очистку и консервацию контактов и
разъемов;
- проверку и, при необходимости,
ремонт принадлежностей;
- упаковку блоков магнитометра в
целлофановые пакеты и укладку их в укладочный ящик.
Магнитометр должен храниться в
укладочном ящике при температуре от +1 до +40°С. Максимально допустимая относительная
влажность воздуха не должна превышать
80% при температуре 25°С. В воздухе не должно быть примесей,
вызывающих коррозию и нарушение электрической изоляции. Перед установкой на хранение, батарея из
магнитометра должна быть удалена. Транспортирование магнитометра в транспортной
таре может производиться при температуре от минус 50 до +50 °С любым видом
закрытого транспорта в соответствии с правилами перевозки грузов, действующих
на этих видах транспорта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Любимов
В.В. Малогабаритные,
экономичные и дешевые компонентные вариометры для нужд науки и медицины. Препринт
No.60 (1007) М.: ИЗМИРАН, 1992. - 21 с.
2. Малогабаритный
цифровой компонентный феррозондовый магнитометр МФ-03 MAGIC. Проспект ИЗМИРАН.
1992.
3. Магнитометрические
исследования на сейсмостанции ЯЛТА и в
районе Никитского ботанического сада в июле-августе 1992 г. Отчет. М.: ИЗМИРАН,
1992. - 36 с.
4. Магнитометрические
исследования в Никитском ботаническом саду в июле-августе 1993 г. Отчет.
М.: ИЗМИРАН, 1993. - 53 с.
5. Любимов
В.В., Гурфинкель Ю.И., Ораевский В.Н. Опыт применения диагностических магнитометров в условиях города и
в клиниках. Препринт No.99 (1046) М.:ИЗМИРАН, 1993. - 28 с.
6. Малогабаритный
цифровой компонентный феррозондовый магнитометр MAGIC МФ-03-М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.:
ИЗМИРАН, 1993. - 11 с.
7. Любимов
В.В. Феррозондовые диагностические магнитометры, созданные в ИЗМИРАН
в период с 1989 по 1994 гг. (Обзор). Препринт No.13 (1063) М.: ИЗМИРАН,
1994.- 10 с.
8. Зверев
А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Морской буксируемый протонный
магнитометр "GEONT". Препринт No.11 (1061) М.: ИЗМИРАН,
1994. - 26 с.
9. Любимов
В.В. ФЕРРОЗОНДОВЫЕ МАГНИТОМЕТРЫ. Вопросы разработки. Часть 2: Выбор и применение
маломагнитных радиоэлементов - реальный путь уменьшения габаритов магнитного
измерительного преобразователя. Препринт No.16 (1066) М.: ИЗМИРАН,
1994. - 12 с.
10. Любимов
В.В., Ораевский В.Н., Гурфинкель Ю.И. Способ диагностики и
визуализации интен-сивности магнитной бури и устройство для его осуществления -
индикатор магнитной бури. Заявка на изобретение No.94012688 МКИ G01R 33/02,
G01V 3/00. Подана 12.04.1994 г.
11. Gurfinkel
Yu., Lyubimov V., Oraevsky V., Parfenova L. Geomagnetic Monitoring:
Experience and Prospects in Medicine
and Biology. Internation Conference
"Non-Equilibrium and Coherent Systems in Biophysics and Biotechnology". 28
September - 1 Oktober 1994. Moscow, Russia. Abstracts. P.36.
