РОССИЙСКАЯ
АКАДЕМИЯ НАУК
ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО
МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ
И
РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН
Препринт No. 3 (1142)
В.В.Любимов
НОВЫЕ
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГРАДИЕНТА ИСТОЧНИКОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ
Материалы работы доложены
на Международной конференции
«Потоки и структуры в жидкостях»,
проводившейся с 20 по 22 июня 2001 г.
в Институте проблем механики РАН, г. Москва.
Москва
2001
УДК 550.838.
Любимов
В.В. Новые приборы для измерения
градиента источников магнитного поля в различных средах. Препринт No. 3 (1142) М.:
ИЗМИРАН, 2001. - 10 c.
В работе дается обзор
магнитометров-градиентометров, созданных в период с 1997 по 2000 гг. в
условиях ИЗМИРАН.
Приводятся основные технические и
эксплуатационные характеристики приборов, которые выполнены на основе датчиков различных типов и конструкций. Эти
приборы предназначены для проведения научно-исследовательских и мониторинговых
работ в различных средах: в полевых (экспедиционных) и лабораторных условиях, в
условиях промышленного города с большим уровнем техногенных помех, для
гигиенической оценки рабочих мест персонала экранированных объектов и
помещений.
Работа сделана на отдельных
материалах, доложенных и опубликованных автором на Международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях» (июнь 2001 г., г. Москва), на Международной
геофизической конференции "300 лет
горно-геологической службе России"
(октябрь 2000 г., г. Санкт-Петербург), на 4-м Международном симпозиуме
по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии "ЕМС-2001"
(июнь 2001 г., г. Санкт-Петербург) и на
2-й Международной конференции "Актуальные
проблемы современного естествознания INTERNAS’2000" (июнь 2000 г., г. Калуга).
Ó ИЗМИРАН, 2001 г.
В ИЗМИРАН в период с 1997 по 2000 гг. создан ряд современных
приборов, предназначенных для различных геофизических, научно-исследовательских
и поисковых работ для измерения и изучения градиента
магнитного поля в пространстве и в различных средах [1-3].
Приборы позволяют проводить
измерения градиента магнитного поля, как в статическом положении «измерительной базы градиентометра», так
и при ее перемещении в пространстве. При этом
измерительная база может быть фиксированной («жесткой») или переменной длины.
Новый современный
инструментарий построен на основе
феррозондовых и протонных датчиков магнитного поля и включает в себя:
·
магнитный вариометр-градиентометр (настенный вариант);
·
пешеходный малогабаритный магнитометр-градиентометр;
·
морской буксируемый магнитометр-градиентометр (дифференциальный магнитометр).
Основные технические и
эксплуатационные характеристики созданных приборов обсуждаются ниже.
Вариометр-градиентометр (модель IDL-04M) предназначен для измерения вариаций
составляющих вектора магнитной индукции (ВМИ) поля Земли, их градиента, а также
для исследования полей, создаваемых искусственными источниками, может
использоваться на суше в помещениях любого типа и размера, в условиях
обсерватории, в полевых условиях и в качестве автономной станции.
IDL-04M [1, 2] выполнен в
виде переносного (настенного)
лабораторного прибора и включает в себя блок измерения и накопления (БИН), соединенный с двумя магнитными
измерительными преобразователями (МИП)
при помощи кабелей длиной 8 м. МИП (аналоговый
магнитометр) построен на основе феррозондового магнитного датчика и
является высокочувствительным и высокоточным прибором, имеющим четыре
измерительных диапазона: ±400, ±500, ±800 и ±1000 нТл.
Конструктивно МИП располагается на
немагнитном поворотном устройстве (УП),
выполненном в виде кронштейна, которое осуществляет его жесткое крепление к
стене или какому-либо неподвижному и немагнитному предмету и позволяет ориентировать
МИП в пространстве. Корпус МИП имеет прямоугольную форму с размерами 114 х 80 х
40 мм, масса которого вместе с УП составляет не более 0,7 кг.
БИН IDL-04М предназначен для накопления,
хранения в течение длительного времени и передачи в персональный компьютер (ПК) информации, поступающей от двух
МИП, напряжение постоянного тока, на аналоговом выходе которых составляет ± 2,0 В.. БИН
построен на основе микропроцессора 80L188EC и
оснащен энергонезависимой памятью (ЭНП)
емкостью 1 Мбайт, таймером реального времени, аналого-цифровым преобразователем
и последовательным портом для связи с ПК.
Управление устройством производится
как с помощью функциональных кнопок, расположенных на передней панели БИН, так
и ПК по линии связи. Информация на графическом дисплее устройства располагается
на двух страницах (страницы «установок»
и «графики»). Данные в ЭНП хранятся в
виде последовательно идущих записей. Объем ЭНП данных обеспечивает непрерывную
работу БИН с циклом 1 минута в течение более чем 39 суток. Построение графиков зависимости поля и
градиента от времени происходит на основе записей данных в ЭНП, при этом
предусмотрен режим цифровой фильтрации данных.
Основой конструкции БИН является
корпус, который состоит из двух панелей: передней и задней, на которых
установлены все органы управления прибором и соединительные разъемы. Размеры
БИН: 225 х 200 х 140 мм, масса -0,4 кг.
Цена единицы счета младшего разряда цифрового табло БИН для каждого
измерительного диапазона составляет 1 нТл.
Питание прибора осуществляется от
источника постоянного тока напряжением 11 … 13 В. Предусмотрена возможность
питания от сети переменного тока (напряжением
220 В, 50 Гц) при помощи стандартного сетевого адаптера со
стабилизированным напряжением 12 В. Мощность, потребления от источника
постоянного тока, не более 6 Вт.
Пешеходный малогабаритный магнитометр-градиентометр (модель MAGIC
MF-03G) представляет
собой компактный (вес прибора с источником питания не
превышает 1,5 кг) высокочувствительный hand-held-инструмент,
предназначенный для проведения научно-исследовательских, поисковых и
рекогносцировочных работ на любых объектах, как в статике, так и в движении и
для специальных целей.
Прибор является компонентным. МИП
прибора выполнен на основе двух дифференциально включенных феррозондовых
датчиков, измерительные оси которых расположены на одной линии, а центры
отстоят друг от друга на расстоянии 0,5 м. Таким образом организована “жесткая” измерительная база градиентометра,
выполненная в виде немагнитной “Г-образной” штанги, на обоих концах
которой установлены немагнитные штыри-упоры. Штанга с датчиками соединена при
помощи кабеля длиной 1,5 м с БИН, на
котором расположены все органы управления прибором и цифровое 3,5-разрядное
десятичное табло. Результаты измерения градиента поля фиксируются на цифровом табло в единицах магнитной
индукции, отнесенных к длине измерительной базы (нТл/м).
БИН имеет встроенный источник питания
постоянного тока напряжением 9 В (батарея “Крона” или ее зарубежный аналог – “6F22”).
При работе в помещениях, предусмотрена возможность питания прибора от сети
переменного тока при помощи стандартного сетевого адаптера напряжением 7…12 В
(мощность потребления - не более 0,3 Вт).
Градиентометр имеет пять
измерительных диапазонов: ±2, ±20, ±40, ±80 и ±200 мкТл, цена единицы счета
младшего разряда цифрового табло при этом соответственно составляет 2, 20, 40,
80 и 200 нТл/м. MAGIC
MF-03G имеет аналоговый выход (напряжение постоянного тока 0… ±3 В),
что позволяет использовать его в длительном непрерывном режиме измерения,
например, в качестве вариационной станции. Габаритные азмеры БИН - 82 х 36 х 36
мм, масса – 0,2 кг.
Морской буксируемый
магнитометр-градиентометр (модель IDL-06) является
дифференциальным прибором, позволяющим проводить абсолютные измерения модуля
вектора магнитной индукции поля Земли как в отдельно отстоящих друг от друга
точках пространства, так и определять градиент поля между ними.
Прибор может использоваться как в
движении (при проведении морской магнитной съемки на акваториях), так и в
стационарных наземных или подводных условиях, для чего его основные узлы
размещаются в специальных герметичных
контейнерах. IDL-06
включает в себя БИН и два (три) МИП, выполненных на базе протонных датчиков с любым протоносодержащим
рабочим веществом.
В морском варианте исполнения все МИП
установлены в немагнитные буксируемые гондолы, которые подключаются к БИН при
помощи немагнитных кабелей-буксиров длиной от 50 до 300 м.
Основой прибора является БИН [3], который предназначен для фиксации,
накопления и статистической обработки сигналов прецессии, поступающих от
буксируемых протонных МИП.
Предусмотрено три основных режима работы устройства, в которых
количество МИП одновременно подключаемых к БИН может быть от одного до трех. Кроме того, БИН выполняет функции
многоканальной автоматизированной системы сбора информации путем одновременного
комплексирования, регистрации, накопления и визуализации поступающих данных об
измеряемом магнитном поле (значения по
трем измерительным каналам и разность между ними), глубине погружения
буксируемых гондол с МИП, текущем времени измерений и данных от навигационной
системы определения координат типа GPS.
БИН оснащен ЭНП емкостью 1 Мбайт для
хранения данных и программ. Управление IDL-06 осуществляется при помощи встроенной
клавиатуры. Визуализация регистрируемых данных осуществляется на графическом
дисплее в реальном масштабе времени. Предусмотрена возможность работы совместно
с ПК для сбора информации и ее визуального отображения с возможностью
проведения синхронных измерений при работе с другими методами геофизических
исследований, например, сейсмопрофилированием.
БИН предусматривает подключение
многоканального аналогового регистратора с возможностью переменного
масштабирования аналоговой записи и тестовой проверки всего устройства.
Основными отличительными особенностями IDL-06 являются:
·
возможность
программной установки времен циклов
поляризации МИП и измерения;
·
оптимальный
подбор количества импульсов сигнала прецессии,
необходимых для
их статистической обработки;
·
возможность
сдвига времени измерений по временной оси циклограммы работы прибора;
·
возможность
выбора в темпе эксперимента оптимальной из встроенных программ статистической
обработки данных;
·
возможность
проведения цифровой фильтрации получаемых данных в процессе их получения;
·
получение
надежного результата измерений при малом соотношении сигнал/помеха (2…2,5) на
входе аналоговых каналов магнитометров.
Измерительный диапазон каждого из МИП
составляет - 25...70 мкТл. Диапазон
измерений разности полей между измерительными каналами магнитометра - 0...± 1000 нТл. Цена единицы наименьшего разряда
отсчетного устройства магнитометрических каналов 0.1 нТл. Цикл
автоматических измерений - 3, 5, 10, 20,
60 с. Предусмотрена возможность работы в режимах ручного и внешнего
запуска. Диапазон регистрации измерений
глубины погружения буксируемых гондол с датчиками - 0...999 м. Диапазон регистрации географических координат от
навигационной системы GPS: широта - 0... ± 90 угл. град., долгота - 0... 360 угл.
град. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока 220 ± 22 В при помощи
сетевого адаптера напряжением 12 В. Габаритные
размеры БИН: 200 х 140 х 230 мм, вес
– не более 1 кг.
Созданные модели
магнитометров-градиентометров успешно прошли испытания и в настоящее время
используются при проведении различного рода научно-исследовательских и
производственных (экспедиционных) геофизических работ.
Так, например, вариометр-градиентометр IDL-04M вот уже в течение
двух лет работает в одной из лабораторий Московского физико-технического
института (г. Долгопрудный), а пешеходный градиентометр MAGIC MF-03G успешно используется сотрудниками одной из
лабораторий ИЗМИРАН в комплексе с переносным георадаром (электроискровая сейсмика) для поиска кабелей, труб и
металлических предметов, расположенных под землей, в воде или в толще каменных
зданий и прочих сооружений.
Морской буксируемый
магнитометр-градиентометр IDL-06 активно
(начиная c
летнего полевого сезона 1999 г.) используется сотрудниками лаборатории морской
геофизики Института океанологии РАН при проведении экспедиционных работ на
судах Академии наук на акваториях Балтийского, Баренцева и Черного морей.
Испытание и использование прибора в натурных условиях позволили получить
многочисленные новые научные данные о так называемой «тонкой структуре магнитного поля» в районах проведения
экспедиционных работ, которые могли быть получены только при использовании
градиентометрического метода измерений магнитного поля. Оригинальное
программное обеспечение прибора, позволяющее в темпе эксперимента изменять режимы
и параметры статистической обработки сигнала прецессии, поступающего от
буксируемых МИП, позволило добиваться в реальных условиях магнитной съемки
успешной работы прибора даже при достаточно низком соотношении сигнал\помеха
(порядка 2…3) на входе МИП. Результаты применения IDL-06 неоднократно опубликованы в
материалах различных научных конференций и симпозиумов, например, в [4, 5].
ЛИТЕРАТУРА
1. ЛЮБИМОВ
В.В. Приборы «ИМПЕДАНС» для геофизики и медицины // Приборы и техника
эксперимента. М.:
Наука,
2000. No.2. С.
157-158.
2. ЛЮБИМОВ
В.В. Искусственные и естественные ЭМП в окружающей человека среде и приборы
для их обнаружения и фиксации. Препринт No.11 (1127) М.: ИЗМИРАН,
1999. - 28 с.
3. БЕЛЯЕВ
И.И., ЗВЕРЕВ А.С., КИРИАКОВ В.Х., ЛЮБИМОВ В.В., ФИЛИН А.М. Регистратор
данных «ГРАДИЕНТ» морского буксируемого дифференциального протонного
магнитометра // Приборы и техника эксперимента. М.: Наука, 2000. No.2. С.
165.
4.
Международная геофизическая конференция «300
лет горно-геологической службе России» (4-6 Октября 2000 г.,
Санкт-Петербург). Тезисы докладов.
С.-Петербург: ВИРГ-Рудгеофизика, 2000. – 610 с.
5. 5-я Международная конференция «Современные
методы и средства океанологических исследований». Труды конференции. М.: Институт
океанологии им. П.П.Ширшова РАН, 1999. –127 с.
Любимов Владимир Валерьевич
НОВЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГРАДИЕНТА
ИСТОЧНИКОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ.
Подписано к печати 07.08.2001 г.
Усл. печ. л. 0,7. Бесплатно. Заказ 26 .
Тираж 50 экз.
Отпечатано в ИЗМИРАН
142190, г. Троицк, Московской области.
