RU2525474C2

RU2525474C2 - Method of monitoring variations of earth's magnetic field

Info

Publication number: RU2525474C2
Application number: RU2012144586/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Кронидович Водеников; Константин Александрович Андрюшаев; Дарианна Станиславовна Кулешова; Константин Владимирович Бурлаков
Original assignee: Сергей Кронидович Водеников
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2014-08-20
Also published as: RU2012144586A

Abstract

FIELD: physics; control.

SUBSTANCE: disclosed is a method of monitoring variations of the Earth's magnetic field. The method comprises measuring magnetic field strength, generating a controlled compensating magnetic field whose direction is opposite that of the measured field, recording the value of the compensating field during full compensation at setup time. During the next measurements, the stored value is subtracted from the measured field and the difference is interpreted the variation of the magnetic field. The method further includes generating a stable gradient magnetic field, measuring the value of the gradient at setup time and, during the next measurements, correcting the transfer characteristic of the measuring device based on the results of change in the gradient of the magnetic field compared with the value obtained at the setup time.

EFFECT: improved objectivity of monitoring the Earth's magnetic field.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для измерения вариаций магнитного поля, в частности, обусловленных магнитными бурями при определении наличия и интенсивности последних.The invention relates to the field of magnetic measurements and can be used to measure magnetic field variations, in particular, due to magnetic storms in determining the presence and intensity of the latter.

Из уровня техники известен способ контроля магнитного поля (Гаусс К.Ф., перевод Крылова А.Н. Избранные труды по земному магнетизму. - Л.: Издательство академии наук СССР, 1952, 341 с.), заключающийся в том, что измеряют период крутильных колебаний свободно вращающегося в горизонтальной плоскости магнита, прикрепляют к магниту немагнитную полоску с известным моментом инерции, повторно измеряют период колебаний, рассчитывают произведение магнитного момента на напряженность поля, измеряют отношение магнитного момента к напряженности поля и рассчитывают напряженность магнитного поля.The prior art method of controlling the magnetic field (Gauss KF, translation Krylova AN Selected works on terrestrial magnetism. - L .: Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR, 1952, 341 pp.), Which consists in measuring the period torsional vibrations of a magnet freely rotating in the horizontal plane, attach a non-magnetic strip to the magnet with a known moment of inertia, re-measure the oscillation period, calculate the product of the magnetic moment and the field strength, measure the ratio of the magnetic moment to field strength and calculate Magnetic field strength is decreasing.

Недостатком известного способа является большая трудоемкость измерений и громоздкость используемой аппаратуры.The disadvantage of this method is the high complexity of the measurements and the bulkiness of the equipment used.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ контроля вариаций магнитного поля Земли, реализованный в известном устройстве (см. Магнитная вариационная станция. Патент Российской Федерации №14 2008702, МПК G01V3, от 26.09.1991, Любимов В.В.) и заключающийся в том, что измеряют напряженность магнитного поля, создают регулируемое компенсирующее магнитное поле, противоположное по направлению к измеряемому, запоминают величину компенсирующего поля при полной компенсации в установочный момент времени, при последующих измерениях вычитают из измеряемого поля запомненную величину и разницу интерпретируют как вариацию магнитного поля.Closest to the proposed technical essence is a method of controlling variations in the Earth’s magnetic field, implemented in a known device (see Magnetic Variation Station. Patent of the Russian Federation No. 14 2008702, IPC G01V3, 09/26/1991, VV Lyubimov) and consisting in the fact that they measure the magnetic field, create an adjustable compensating magnetic field, opposite to the measured, remember the value of the compensating field with full compensation at the installation moment in time, with subsequent measurements Barrier-field being measured is subtracted from the stored value and the difference is interpreted as a variation of the magnetic field.

Недостатком известного способа является то, что он лишь частично за счет инструментальных средств решает главную проблему при измерениях временных вариаций поля, а именно проблему точного воссоздания компенсирующего поля, полученного в установочный момент времени, при измерении в последующие моменты через определенные промежутки времени (это могут быть дни, месяцы и годы). На точное воссоздание компенсирующего поля влияет возможное изменение передаточной характеристики устройства, обусловленное температурной чувствительностью датчика, температурной чувствительностью электронной схемы и временной деградацией элементов схемы.A disadvantage of the known method is that it only partially solves the main problem when measuring temporal field variations, namely the problem of accurately reconstructing the compensating field obtained at the set point in time, when measuring at subsequent moments at certain intervals (this can be days, months, and years). The exact reconstruction of the compensating field is affected by a possible change in the transfer characteristic of the device due to the temperature sensitivity of the sensor, the temperature sensitivity of the electronic circuit and the temporary degradation of the circuit elements.

Целью предлагаемого изобретения является повышение объективности контроля вариаций магнитного поля.The aim of the invention is to increase the objectivity of control of magnetic field variations.

Поставленная цель достигается тем, что при использовании известного способа дополнительно создают стабильное градиентное магнитное поле, измеряют величину градиента в установочный момент времени и при последующих измерениях, корректируют передаточную характеристику измерительного устройства по результатам изменения градиента магнитного поля в сравнении с величиной, полученной в установочный момент времени.This goal is achieved by the fact that when using the known method, they additionally create a stable gradient magnetic field, measure the gradient at the set point in time and, in subsequent measurements, adjust the transfer characteristic of the measuring device according to the results of changing the magnetic field gradient in comparison with the value obtained at the set point in time .

Сущность заявляемого изобретения, поясняемая зависимостью на фиг.1 и характеризуемая совокупностью указанных признаков, представлена ниже.The essence of the claimed invention, illustrated by the dependence in figure 1 and characterized by a combination of these features, is presented below.

При реализации предлагаемого способа, как и прототипа, измеряется величина E, являющаяся выходной характеристикой прибора, связанная с измеряемым полем соотношением E=k*H, где k - передаточная характеристика устройства.When implementing the proposed method, as well as the prototype, the value of E is measured, which is the output characteristic of the device associated with the measured field by the ratio E = k * H, where k is the transfer characteristic of the device.

При измерении поля в точке x1:When measuring the field at point x1:

$E (x 1) = k 1 * (H_{з} + Н_{г} (х 1) + Н_{в}) (1)$

E (x one) = k one * (H_{s} + N_{g} (x one) + N_{at}) (one)

При измерении поля в точке х2:When measuring the field at x2:

$Е (х 2) = k 1 * (H_{з} + Н_{г} (х 2) + Н_{в}) (2)$

E (x 2) = k one * (H_{s} + N_{g} (x 2) + N_{at}) (2)

где х2 - координата, в которой измеряется магнитное поле Земли Н_з и его вариация Н_в; Н_г - градиентное поле, определяющее градиент ΔH₁₂ магнитного поля между точками x1 и х2.where x2 is the coordinate in which the Earth's magnetic field H _s and its variation H _c are measured; N _g - a gradient field that defines the gradient ΔH _{12 of the} magnetic field between points x1 and x2.

Величина измеряемого градиента будет определяться какThe value of the measured gradient will be determined as

$E (x 1) - E (x 2) = k 1 * (H_{г} (x 1) - Н_{г} (x 2)) (3)$

E (x one) - E (x 2) = k one * (H_{g} (x one) - N_{g} (x 2)) (3)

Видно, что при изменении вариации магнитного поля Н_в величина измеряемого градиента поля не изменяется, в то время как при изменении передаточной характеристики k происходит ее изменение и возврат характеристики к значению, имевшему место при измерении в установочный момент, приведет к получению значения градиента магнитного поля, имевшего место в установочный момент времени. Возврат имевшей место в установочный момент передаточной характеристики обеспечит объективное измерение вариации магнитного поля. Выполнение указанного алгоритма невозможно без использования хотя бы одного из отличительных признаков, что свидетельствует об их существенности.It can be seen that when the variation of the magnetic field H changes _{to the} value of the measured field gradient, it does not change, while when the transfer characteristic k changes, it changes and the characteristic returns to the value that occurred when measuring at the installation moment, and the magnetic field gradient is obtained that took place at the installation point in time. The return of the transfer characteristic that took place at the installation moment will provide an objective measurement of the magnetic field variation. The implementation of this algorithm is impossible without the use of at least one of the distinguishing features, which indicates their materiality.

Способ осуществляют следующим образом. На фиг.2 представлена функциональная схема устройства, по которой был реализован предлагаемый способ. Намагничивающие обмотки первого и второго датчиков 1 и 2 включены последовательно, измерительные обмотки 3 и 4 включены встречно, причем с обмотки 4 снимается сигнал, пропорциональный магнитному полю в точке х2, а с обоих включенных встречно обмоток снимается разностный сигнал, пропорциональный разнице (градиенту) магнитных полей в точках x1 и х2. При проведении измерения в установочное время в запоминающем устройстве 5 запоминается в цифровом виде уровень управляющего сигнала для компенсирующего магнитного поля, создаваемого катушками компенсации 6 и 7 поля в момент, когда сигнал с измерительной катушки 4 равен нулю, а с обеих катушек соответственно равен градиенту магнитного поля. При последующих измерениях блок управления 8 сразу инициализирует запоминающее устройство 5, включая запомненный ток компенсации, выводит на индикатор показания, пропорциональные вариации магнитного поля, и анализирует величину градиента магнитного поля. В случае ее изменения выдает сигнал о необходимости коррекции характеристики формирователя тока компенсации. Для изготовления феррозондовых преобразователей использовался малошумящий аморфный сплав 10020 на основе кобальта (состав Fe₂₈Co₇₀P₂). Функции управляющего блока и запоминающего устройства реализовывались программно на микроконтроллере типа ATMega16 с использованием его аналогово-цифрового преобразователя с переключаемыми входами, встроенного энергонезависимого ЗУ. Для изготовления формирователя тока компенсации 9 применялась известная схема управляемого напряжением источника тока. В качестве источника градиентного поля использовался высокостабильный температурно и во времени магнит из сплава SmCo₅. Моделирование вариации поля Земли производилось с помощью катушек Гельмгольца большого размера, так что система измерения градиента находилась в зоне однородного поля, моделирование ухода передаточной характеристики производилось непосредственно изменением последней. Результаты апробации полностью подтвердили достижение поставленной цели при использовании предлагаемого способа.The method is as follows. Figure 2 presents the functional diagram of the device by which the proposed method was implemented. The magnetizing windings of the first and second sensors 1 and 2 are connected in series, the measuring windings 3 and 4 are turned on in opposite, and a signal proportional to the magnetic field at point x2 is taken from winding 4, and a difference signal proportional to the difference (gradient) of the magnetic fields at points x1 and x2. When measuring at the set time, the level of the control signal for the compensating magnetic field generated by the compensation coils 6 and 7 of the field at the moment when the signal from the measuring coil 4 is zero and from both coils is equal to the gradient of the magnetic field is stored digitally in memory 5; . In subsequent measurements, the control unit 8 immediately initializes the storage device 5, including the stored compensation current, displays indications proportional to the magnetic field variations on the indicator, and analyzes the magnitude of the magnetic field gradient. In case of its change, it gives a signal about the need to correct the characteristics of the compensation current driver. For the production of flux-gate transducers, a low-noise amorphous alloy 10020 based on cobalt (composition Fe ₂₈ Co ₇₀ P ₂ ) was used. The functions of the control unit and the storage device were implemented programmatically on an ATMega16 microcontroller using its analog-to-digital converter with switchable inputs and a built-in non-volatile memory. For the manufacture of the compensation current driver 9, a known circuit of a voltage-controlled current source was used. A highly stable temperature and time magnet from a SmCo ₅ alloy was used as a gradient field source. The Earth field variation was simulated using large Helmholtz coils, so that the gradient measurement system was in the homogeneous field zone, and the transfer characteristic deviation was simulated directly by changing the latter. The results of testing fully confirmed the achievement of the goal when using the proposed method.

Claims

A method of controlling variations in the Earth’s magnetic field, which consists in measuring the magnetic field strength, creating an adjustable compensating magnetic field opposite to the measured one, remembering the value of the compensating field with full compensation at the set point in time, and in subsequent measurements, the stored value is subtracted from the measured field and the difference is interpreted as a variation of the magnetic field, characterized in that in order to increase the objectivity of the control, they additionally create a stable magnetic field, measure the magnitude of the gradient at the set point in time, and in subsequent measurements, adjust the transfer characteristic of the measuring device according to the results of changing the gradient of the magnetic field in comparison with the value obtained at the set point in time.