На правах рукописи

МИЛОВЗОРОВ АЛЕКСЕЙ ГЕОРГИЕВИЧ

УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ И ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ

ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В ЗАДАЧАХ МОДЕЛИРОВАНИЯ И

ОБНАРУЖЕНИЯ МАГНИТОПАТОГЕННЫХ ЗОН

Специальность

05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск 2010

Работа выполнена на кафедре «Приборы и методы контроля качества» ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» (ИжГТУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ломаев Гелий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Куликов Виктор Александрович доктор технических наук, профессор Чувыкин Борис Викторович

Ведущая организация: Московский государственный университет приборостроения и информатики

Защита состоится 19 октября 2010 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте прикладной механики УрО РАН по адресу:

426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направить по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной механики УрО РАН; http://www.udman.ru/ Автореферат разослан 15 сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Тарасов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Геомагнитное поле – один из постоянно действующих факторов природной среды. Все живое на планете Земля испытывает на себе действие геомагнитного поля в течение всего жизненного цикла, причем многие ученые сходятся во мнении, что геомагнитное поле является одним из факторов эволюции. Существует естественный геомагнитный фон, включающий в себя постоянную составляющую порядка 50 мкТл и вариации в виде медленно меняющихся составляющих в пределах 50100 нТл.

На естественный геомагнитный фон оказывают существенные возмущающие воздействия корпускулярные излучения, связанные с активными непериодическими явлениями на Солнце – вспышками и протуберанцами. Такие геомагнитные возмущения, называемые магнитными бурями, достигают значений 500 нТл и более и действуют от нескольких часов до нескольких суток.

Известно, что во время магнитных бурь нарушаются плавные течения биоритмов, что оказывает негативное влияние на здоровье людей, их жизнедеятельность, а зачастую приводит к резкому ухудшению состояния пациентов вплоть до летальных исходов.

К геомагнитным возмущениям относятся не только медленно меняющиеся естественные вариации, включая магнитные бури, но также статические и динамические возмущения техногенного происхождения, образующие магнитопатогенные локальные зоны в производственных и жилых помещениях.

Врачи, исследующие причины заболеваний людей в России и за рубежом, отмечают повышенный риск (более 10 раз) длительного пребывания организма человека в условиях воздействия магнитных полей промышленной частоты 50 Гц в быту и на производстве интенсивностью более 0,2 мкТл. Согласно нормативному документу СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в производственных условиях», предельно-допустимые уровни (ПДУ) составляют от 100 до 2000 мкТл, а для жилых помещений – 10 мкТл. Зарубежные строительные компании и фирмыизготовители технических средств руководствуются нормами стандарта ISO 2001, где ПДУ не превышает 0,16 мкТл. Причем наиболее опасной средой являются зоны квазистационарных и вращающихся магнитных полей (ВМП).

По данным академика Ю.В. Готовского и доктора медицинских наук А.Д.

Белкина воздействие ВМП на человека биологически более опасно, чем действие установившихся значений однофазных магнитных полей (МП) промышленной частоты.

Контроль параметров квазистационарных и вращающихся МП представляет особый интерес в плане обеспечения электромагнитной безопасности жилых и производственных помещений. Исследование квазистационарных и вращающихся МП имеет наиважнейшее значение в решении экологических проблем, обусловленных техногенным воздействием на биосферу в целом и на состояние здоровья и жизнедеятельность человека – в частности. Решение подобного рода задач, как правило, осуществляется магнитометрической аппаратурой (ММА).

Известные работы ученых и специалистов (Ю.В. Афанасьева, В.Н. Бинги, Рябова Ю.Г., Н.В.Студенцова, Любимова В.В., В.Н. Хорева, Н.Н.

Семенова, Г.В. Ломаева, В.Г. Гусева, В.Н. Пономарева, Ю.Г. Астраханцева, А.Л.

Бучаенко, Г.Р. Броуна, Ю.Н. Кочемасова и др.) дают объективное представление о классическом, традиционном построении магнитометрической аппаратуры.

Анализ известных работ и разработок в области магнитометрии показывает, что именно данному направлению – исследованиям локальных геомагнитных возмущений, включая квазистационарные и вращающиеся МП, уделено недостаточное внимание.

Кроме того, недостаточное развитие в ракурсе рассматриваемых вопросов имеют исследования поведения биологических объектов в зоне действия квазистационарных и вращающихся МП, отсутствует аппаратура, позволяющая в исследовательских целях создавать физические модели локальных геомагнитных возмущений и проводить анализ их воздействий.

Поэтому, в плане дальнейшего развития магнитометрии, разработка и исследование устройств, предназначенных для контроля параметров, а также и систем генерирования квазистационарных и вращающихся МП, представляется весьма перспективными.

Разработка и создание подобной аппаратуры предоставит эффективный инструментарий соответствующим специалистам в области медицины, биологии, экологической безопасности и профзаболеваний в проведении комплексных исследований и систематизированного анализа, а также позволит выполнять компетентные экспертные оценки о степени влияний геомагнитных возмущений.

В связи с этим научно обоснованная разработка совокупности технических решений, которые бы осуществляли генерирование, управление и контроль параметров локальных геомагнитных возмущений, является важным при экспериментальных исследованиях и настройке магнитометрической аппаратуры, а также при проведении медико-биологических исследований, и представляет собой актуальную научно-техническую задачу, имеющую большое значение с точки зрения сохранения здоровья и обеспечения экологической безопасности человека.

Цель работы. Разработка научно обоснованных технических решений в области создания устройств контроля параметров и генерирования локальных геомагнитных возмущений с расширенными функциональными возможностями.

Для реализации данной цели были сформулированы и решены следующие задачи.

Формирование требований к магнитометрической аппаратуре для контроля параметров геомагнитных возмущений, а также требований к системам генерирования квазистационарных и вращающихся магнитных полей.

Разработка математических моделей трехкомпонентных феррозондовых магнитометров (ТФМ), анализ погрешностей измерений и определение их доминирующих составляющих.

Разработка многофункциональных устройств генерирования квазистационарных и вращающихся МП с аналоговыми и дискретными режимами управления, а также магнитометрической аппаратуры с феррозондовыми датчиками, обеспечивающей контроль параметров постоянных, квазистационарных и вращающихся МП с реализацией функции выделения переменных составляющих.

Разработка универсального стенда для исследования характеристик магнитометрической аппаратуры и физического моделирования локальных геомагнитных возмущений, включая квазистационарные и вращающиеся МП, а также выполнение комплекса экспериментальных исследований и внедрение результатов работы.

Объектом исследования являются геомагнитные возмущения в ограниченных пространствах, включая гипогеомагнитные, квазистационарные и вращающиеся магнитные поля.

инструментальные погрешности трехкомпонентных феррозондовых магнитометров и многофункциональные системы генерирования квазистационарных и вращающихся магнитных полей.

Методы исследования. В работе для достижения цели и решения поставленных задач применялись методы теоретических и экспериментальных исследований.

феррозондового магнитометра были использованы общая теория пространственной ориентации твердых тел, в частности – векторно-матричный математический аппарат.

трехкомпонентного феррозондового магнитометра при определенных допущениях использовался метод вычислительного эксперимента.

Для выполнения вычислительных экспериментов и графической интерпретации результатов использованы пакеты прикладных программ: Turbo Pascal 7, Microsoft Excel 2003.

При проведении экспериментальных исследований использовались общая теория погрешностей, базирующаяся на методах дифференциальных вычислений, а также методы статистической обработки результатов измерений.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена комплексным анализом математических моделей и теоретическими исследованиями инструментальных погрешностей трехкомпонентного феррозондового магнитометра, а также результатами проведенных вычислительных экспериментов и моделирования на ЭВМ, результатами экспериментальных исследований с использованием аттестованных средств измерений.

Научная новизна.

• Разработаны математические модели трехкомпонентного феррозондового магнитометра, из которых следуют как частные решения известные модели, при этом установлено, что для обеспечения повышенной точности измерения необходимо учитывать малые угловые параметры отклонения осей чувствительности феррозондов от осей ортонормированного базиса корпуса трехкомпонентного феррозондового магнитометра.

• На основе анализа моделей трехкомпонентного феррозондового магнитометра показано, что для определения модуля полного вектора индукции контролируемого поля достаточно измеренных трех его ортогональных проекций, а для определения углов вариаций вектора индукции в горизонтальной и вертикальной плоскостях дополнительно необходимы численные значения углов пространственного положения корпуса трехкомпонентного феррозондового магнитометра по отношению к гравитационному полю Земли.

• Установлено, что к доминирующим относятся инструментальные погрешности, распределение которых по диапазонам изменения углов пространственной ориентации трехкомпонентного феррозондового магнитометра носит гармонический характер.

• При разработке и создании устройств генерирования квазистационарных и вращающихся МП установлено, что и при аналоговых и при дискретных режимах управления индукторами формирование определенных годографов результирующего вектора на плоскости или в пространстве осуществляется путем программного регулирования токов в катушках.

Практическую ценность имеют:

• математические модели трехкомпонентного феррозондового магнитометра, учитывающие комплекс малых угловых параметров отклонения осей чувствительности феррозондов от осей ортонормированного базиса корпуса, составляющие фундаментальную основу программно-алгоритмического обеспечения магнитометрической аппаратуры при обработке результатов измерений;

• совокупность технических решений в области построения систем генерирования квазистационарных и вращающихся МП с аналоговыми и дискретными режимами программного управления;

• универсальный стенд, осуществляющий физическое моделирование локальных геомагнитных возмущений, включая квазистационарные и вращающиеся МП.

На защиту выносятся:

1. математические модели трехкомпонентного феррозондового магнитометра, учитывающие комплекс малых угловых параметров отклонения осей чувствительности феррозондов от осей ортонормированного базиса корпуса, и результаты анализа инструментальных погрешностей;

2. совокупность технических решений в области построения устройств генерирования квазистационарных и вращающихся МП с аналоговыми и дискретными режимами программного управления для квадратурных и трехфазных компоновок контурных катушек;

3. магнитометрическая аппаратура с феррозондовыми датчиками, обеспечивающая контроль параметров постоянных, квазистационарных и вращающихся МП с реализацией функции выделения переменных составляющих;

4. универсальный стенд для исследований характеристик магнитометрической аппаратуры и физического моделирования локальных геомагнитных возмущений, а также результаты экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО ИжГТУ, а именно в лабораторном практикуме, курсовом и дипломном проектировании на кафедре «Приборы и методы контроля качества», а также в ГУП Центр метрологических исследований «Урал – Гео».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научной конференции «Информационные технологии в нефтегазовом сервисе» в 2006 г. (г. Уфа); на научной конференции «Новая техника и технологии для геофизических исследований скважин» в 2007г.

(г. Уфа); на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» в 2007 г. (г. Уфа); ХLVII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» в 2009 г. (г. Новосибирск);

XV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ–2009» в 2009 г. (г. Томск);

Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Измерение, контроль и диагностика» в 2010 г. (г. Ижевск); Международной научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности», АСТИНТЕХ-2010 в 2010 г. (г. Астрахань); III Российском Форуме «Российским инновациям – Российский капитал» в 2010 г. (г. Ижевск); на научной конференции «Информационные технологии в нефтегазовом сервисе» в 2010 г. (г. Уфа).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 19 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 11 статей в сборниках научных трудов и 6 публикаций в материалах конференций и сборниках тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований, и приложения. Основная часть диссертации изложена на 186 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Сформулированы цели и задачи диссертации, ее актуальность, обоснованы применяемые методы исследования, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

геомагнитных возмущений.

Рассмотрены предельно допустимые уровни естественных и техногенных вариации геомагнитного поля, на основе которых сформированы требования, предъявляемые к магнитометрической аппаратуре для контроля параметров геомагнитных возмущений, а также требования к системам генерирования квазистационарных и вращающихся магнитных полей.

Рассмотрены методы контроля параметров магнитных величин, основанные на различных физических эффектах и явлениях.

В результате сопоставительного анализа установлено, что применение феррозондовых датчиков в решении задач контроля параметров квазистационарных и вращающихся МП является наиболее приемлемым, обоснованным и перспективным.

Осуществлена постановка задач исследований.

Вторая глава. Рассмотрены вопросы математического моделирования трехкомпонентного феррозондового магнитометра, базирующегося на общей теории пространственной ориентации твердых тел, рассмотрены источники и выполнен анализ погрешностей измерения.

Модуль полного (результирующего) вектора измеряемой величины определяется как геометрическая сумма его ортогональных проекций:

– измеряемые компоненты, Ti – погрешности измерения компонент Ti ( i = x, y, z ). В соответствии с общей теорией погрешности и теоремой о полном дифференциале функции получено:

Выявлены наиболее существенные погрешности Ti ( i = x, y, z ), к которым относятся – основные систематические, обусловленные нелинейностью статических характеристик феррозондов, дополнительные температурные и инструментальные, связанные с отклонением осей чувствительности феррозондовых датчиков от соответствующих осей прямоугольной системы координат (базиса, связанного с корпусом трехкомпонентного феррозондового магнитометра). Показано, что доминирующее влияние на точностные показатели трехкомпонентного феррозондового магнитометра оказывают инструментальные погрешности.

Для обеспечения повышенных метрологических показателей трехкомпонентного феррозондового магнитометра необходимо «привести» оси чувствительности феррозондов к прямоугольным осям базиса корпуса, уменьшив тем самым (либо сведя к нулю в идеальном случае) инструментальные погрешности магнитометрической аппаратуры (рисунок 1). При этом наиболее целесообразно применение метода алгоритмической коррекции результатов измерений.

Задачи пространственной ориентации сводятся к линейным преобразованиям базисов, а задача моделирования трехкомпонентного феррозондового магнитометра – к установлению аналитических зависимостей измеряемых проекций с углами поворотов базисов.

Рисунок 1 – Расположение феррозондов в базисе R1(OXYZ) корпуса трехкомпонентного феррозондового магнитометра На основе обзора и сравнительного анализа известных классических методов преобразования координат показано, что наиболее удобным и целесообразным является применение векторно-матричного математического аппарата.

Базовое векторное матричное уравнение (ВМУ) для вертикально ориентированного трехкомпонентного феррозондового магнитометра имеет вид:

Рисунок 2 – Основной базис Ro(OXoYoZo), где и – углы поворота вектора T в горизонтальной и вертикальной плоскостях (рисунок 2).

При пространственных вариациях корпус трехкомпонентного феррозондового магнитометра отклоняется от вертикали на угол и осуществляет поворот вокруг своей продольной оси на угол. Тогда ВМУ будет иметь Решениями данного ВМУ являются система скалярных трансцендентных уравнений и базовые математические модели трехкомпонентного феррозондового магнитометра для произвольной пространственной ориентации:

t x3 = t x3 cos cos t y3 cos sin + = T cos( +0 ) cos t y3 = t x3 sin + t y3 cos = = T sin( +0 ) cos При неортогональной ориентации осей чувствительности феррозондов ВМУ (4) и система скалярных уравнений (5) с учетом малых угловых параметров, j и k примут вид:

Система уравнений (6) в совокупности с выражениями определяемых параметров, и T (5) представляют собой математические модели трехкомпонентного феррозондового магнитометра, из которых следуют как частные решения при условии = j = k = 0 известные базовые модели.

Анализ погрешностей, и T определения искомых величин (5) показывает, что распределение инструментальных погрешностей трехкомпонентного феррозондового магнитометра по диапазонам изменения углов пространственной ориентации носит гармонический характер. При этом установлено, что предельные значения погрешностей определяются следующим образом:

Полученные математические модели, адекватность которых подтверждена методом вычислительного эксперимента, составляют фундаментальную базу алгоритмической обработки результатов в магнитометрической аппаратуре с феррозондовыми преобразователями.

Структура алгоритма вычислительного эксперимента представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Структура алгоритма вычислительного эксперимента Третья глава. В данной главе рассматриваются вопросы разработки и создания систем генерирования квазистационарных (квантованных по уровню) и вращающихся МП с аналоговым и дискретным управлением, а также вопросы создания универсального лабораторного стенда и экспериментального исследования распределения силовых магнитных линий в локальной области при различной пространственной ориентации токовых катушек.

Рассмотрены системы генерирования опорных магнитных полей, такие как:

система колец Гельмгольца, система колец Максвелла, система типа Баркера, система типа Браунбека. Сопоставительный анализ контурных токовых систем применительно к рассматриваемым задачам исследования высокоточной феррозондовой магнитометрической аппаратуры позволил сделать вывод о целесообразности выбора системы колец Гельмгольца, как наиболее простой и наиболее приемлемый способ решения поставленных задач и в наибольшей степени удовлетворяющей предъявляемым требованиям.

Для исследования статических характеристик феррозондов был разработан программно-управляемый стенд, структура и внешний вид которого приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Структура и внешний вид программно-управляемого стенда исследования статических характеристик феррозондовых преобразователей Процесс равномерного квантования, который имеет место в предложенной системе, описывается уравнением iкв (t ) = N (ti ) q 1(t ti ), где iкв(t) – равномерно квантованный ток в катушках Гельмгольца, N(ti) – число квантов, 1(t-ti) – единичная функция, q – квант.

Если величина модуля погрешности превышает априорно установленное значение, то принимается решение либо о дополнительной настройке и регулировке измерительного канала, либо о выполнении процедуры линеаризации, которая осуществляется с применением метода кусочно-линейной аппроксимации или метода разложения погрешности в ряд Фурье с последующей алгоритмической коррекцией статической характеристики.

индукторами и базируется на компоновке контурными катушками, ориентированными в пространстве определенным образом при непременном условии изменений токов в катушках в соответствии с заданными алгоритмами управления. Вращение результирующего вектора индукции (или напряженности) осуществляется либо в плоскости, либо в пространстве. При этом годограф, описываемый концом вектора, представляется замкнутой линией на плоскости или сложной пространственно распределенной линией.

Было предложено и реализовано устройство генерирования ВМП с табличной формой записи функций синуса и косинуса в ППЗУ микроконтроллера, позволяющее управлять двумя парами колец Гельмгольца, ориентированных в пространстве взаимно перпендикулярно (рисунок 5).

Рисунок 5 – Структура двухфазного индуктора ВМП с квадратурными катушками и Напряженности магнитных полей, создаваемых в системе катушек Гельмгольца, представляются как:

Также была разработана двухфазная система генерирования ВМП с дискретным управлением квадратурными катушками.

Другим вариантом построения систем генерирования ВМП является трехфазная система катушек с дискретным управлением.

При этом реализованы два алгоритма функционирования системы. Первый предполагает поочередное включение катушек и состоит из трех тактов. Второй – одновременное (попарное) включение катушек (6-тактный цикл работы, рисунок 6б).

Была предложена структура трехфазного индуктора ВМП (рисунок 6а), в которой реализована смена направления на противоположное векторов напряженности магнитного поля, наводимых каждой из катушек (режим реверса, рисунок 6в).

Рисунок 6 – Структура, временные и векторные диаграммы Разработанные и созданные устройства и системы генерирования позволяют по сути выполнять физическое моделирование локальных геомагнитных возмущений с программно управляемыми параметрами и обладают расширенными функциональными возможностями. При этом алгоритмы управления индукторами обеспечивают генерирование квазистационарных и вращающихся МП в широких диапазонах частот – от единиц герц до десятков килогерц, и в широких диапазонах амплитуд – от единиц нанотесла до сотен микротесла. Кроме того, путем программного управления токами в катушках обеспечиваются заданные алгоритмы формирования требуемого гадографа результирующего вектора напряженности на плоскости или в пространстве и при аналоговых и при дискретных режимах, причем при дискретном управлении возможна реализация как однонаправленных вращений вектора, так и колебательных законов смены его положения (с реверсивным направлением вращения) в реальном времени.

Был разработан и создан универсальный лабораторный стенд, позволяющей выполнять монтаж систем контурных катушек, регулирования их пространственной взаимной ориентации, а также проводить экспериментальные исследования характеристик феррозондовых датчиков в генерируемых магнитных полях. Внешний вид стенда показан на рисунке 4.

Стенд позволяет осуществлять компоновку индуктора МП в виде традиционных двух катушек Гельмгольца, в виде двух пар квадратурных контурных катушек и в виде трехкомпонентного индуктора, в котором три контурные катушки монтируются на плоскости столешницы и ориентируются относительно друг друга под 120 град. Первый вариант компоновки стенда является универсальным и обеспечивает проведение комплекса исследований в различных режимах взаимных ориентаций двух контурных катушек, а именно:

• при вариации расстояний между катушками;

• при расположении катушек под углом друг к другу;

• при плоско параллельном смещении катушек относительно друг друга;

• при различных комбинациях указанных выше манипуляций.

Были проведены исследования статических характеристик феррозондового магнитометра на линейность. При этом катушки Гельмгольца устанавливались на расстоянии, равном половине длины ребра, и ориентировались параллельно друг другу. Исследуемый феррозондовый датчик фиксировался в геометрическом центре данной системы, так чтобы его ось чувствительности была ориентирована по оси симметрии катушек Гельмгольца. Далее, изменяя ток в катушках, снимались выходные напряжения с феррозондового датчика.

Полученный график представлен на рисунке 7. Нелинейность статической характеристики феррозондового датчика в данном случае составляет 0,5 %. После аналитической коррекции – не более 0,15 %.

Был проведен комплекс экспериментальных исследований распределения силовых линий магнитного поля при различных взаимных пространственных положениях катушек Гельмгольца по оси ОО’. График отклонений индукции от постоянных значений в локальной зоне при разных токах в катушках при увеличенном расстоянии между катушками, превышающем рекомендуемое расстояние на 60 мм и при длине ребра катушки 400 мм, представлен на рисунке 8а, а при осевом разбалансе в 10о – на рисунке 8б. При этом показано, что для данных условий отклонение величины индукции по длине локальной области (от 200 мм до 400 мм по абсциссе х) составляет 4-5 %.

Рисунок 7 – Статическая характеристика феррозондового датчика и график Рисунок 8 – Пример распределения индукции по оси ОО’ в локальной зоне Был также проведен пробный эксперимент по проращиванию семян пшеницы, в результате которых выявлено, что в условиях воздействия ВМП, в отличие от стационарного геомагнитного поля, наблюдалось увеличение интенсивности роста в 3-5 раз. При этом увеличилась скорость роста не только ростков, но и корней (рисунок 9).

Рисунок 9 – Результаты пробного эксперимента по проращиванию семян Четвертая глава. В данной главе рассматриваются вопросы построения и создания магнитометрических устройств с феррозондовыми датчиками, приводятся варианты компоновки измерительных преобразователей трехкомпонентных магнитометров, осуществляется синтез магнитометрических систем, основанных на феррозондах.

Распространенная в последние годы схема феррозондовой магнитометрической аппаратуры представляет собой структуру из трех феррозондов, которые ориентируются по трем взаимно перпендикулярным осям.

Варианты компоновочных схем трехкомпонентных феррозондовых магнитометров представлены на рисунке 10.

Рисунок 10 – Варианты компоновки первичных преобразователей в трехкомпонентном феррозондовом магнитометре Тот или иной вариант компоновки трехкомпонентных магнитометров выбирается в зависимости от конкретных предъявляемых требований к аппаратуре, включая назначение, условия эксплуатации, требуемые технические характеристики, основными из которых, безусловно, являются метрологические характеристики и в первую очередь – точностные показатели.

Одним из существенных проблемных аспектов при построении высокоточной феррозондовой магнитометрической аппаратуры, является нормирование характеристик и нормализация параметров каждого из феррозондов, к которым относятся: возможные отклонения статической характеристики от линейной функции, разброс коэффициентов передачи измерительных каналов (разный наклон статических характеристик феррозондов), а также отклонение осей чувствительности феррозондов от осей ортонормированного базиса корпуса магнитометрической аппаратуры.

Разработано и создано устройство контроля угловых вариаций горизонтальной составляющей геомагнитного поля УКВГ-1 (рисунок 11).

Таблица 1 – Основные технические характеристики УКВГ- Основная погрешность, не град ±0, более Чувствительность В/A/м Нелинейность статической % 0, характеристики, не более Выходное сопротивление кОм Ток потребления, при Uпит мА = 13В, не более Габаритные размеры мм 25х50х Данное устройство представляет собой однокомпонентный модуль с аналоговым выходом.

Также была разработана структура трехкомпонентного феррозондового детектора переменного магнитного поля (рисунок 12), который позволяет определить постоянную составляющую внешнего магнитного поля, а также на ряду с ней осуществлять детектирование и переменной составляющей напряженности магнитного поля, наложенной на постоянное, причем основными элементами предлагаемой структуры являются обычные дифференцирующие цепи.

Рисунок 12 – Структура феррозондового детектора переменного Создан макет трехкомпонентного феррозондового магнитометра, внешний вид и основные технические характеристики которого представлены на рисунке и в таблице 2.

Рисунок 13 – Внешний вид трехкомпонентного феррозондового магнитометра Таблица 2 – Основные технические характеристики трехкомпонентного феррозондового магнитометра Диапазон измерения:

для вариаций естественного геомагнитного фона; ± для геомагнитных возмущений естественного происхождения; ± Основная погрешность измерений:

Нелинейность статической характеристики, не более % 0,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и выводы.

1. На основе анализа предельно допустимых уровней естественных и техногенных низкочастотных вариаций геомагнитного поля сформулированы требования, предъявляемые к магнитометрической аппаратуре для контроля параметров локальных геомагнитных возмущений, а также требования к системам генерирования квазистационарных и вращающихся магнитных полей.

2. На основе анализа известных работ установлено, что перспективным направлением в развитии магнитометрической аппаратуры является применение феррозондовых измерительных преобразователей. Выявлено, что наиболее существенными погрешностями трехкомпонентного феррозондового магнитометра являются систематические, связанные с отклонением реальной статической характеристики феррозондового канала преобразования информационного сигнала от номинальной (линейной), дополнительные температурные, а также инструментальные погрешности, относящиеся к доминирующим, связанные с отклонением осей чувствительности феррозондовых датчиков от соответствующих осей прямоугольной системы координат (базиса, связанного с корпусом трехкомпонентного феррозондового магнитометра).

3. Получены математические модели трехкомпонентного феррозондового магнитометра, в которой учтены малые угловые параметры отклонения осей чувствительности феррозондов от осей ортонормированного базиса корпуса, на основе анализа которой показано, что для определения модуля полного вектора индукции контролируемого поля достаточно измеренных сигналов с трехкомпонентного феррозондового магнитометра, а для определения углов его вариаций в горизонтальной и вертикальной плоскостях необходим гравичувствительный преобразователь наклона и поворота. При этом установлено, что распределение инструментальных погрешностей трехкомпонентного феррозондового магнитометра по диапазонам изменения углов пространственной ориентации корпуса носит гармонический характер, а их предельные значения определяются следующим образом:

4. Разработаны устройства с феррозондовыми датчиками с расширенными функциональными возможностями, обеспечивающие контроль параметров геомагнитных возмущений как по величине (по модулю T = его вариациям в горизонтальной и вертикальной плоскостях (по углам и ). При этом установлено, что основная погрешность устройства контроля угловых вариаций горизонтальной составляющей геомагнитного поля (УКВГ-1) не превышает ±0,2о в диапазоне горизонтальных вариаций ±5о. Разработан трехкомпонентный феррозондовый магнитометр постоянных, квазистационарных и вращающихся магнитных полей с реализацией функции выделения переменных составляющих с основной погрешность ±0,5% в диапазоне ±5000 нТл.

5. Разработана совокупность технических решений в области построения систем генерирования квазистационарных и вращающихся МП с аналоговыми и дискретными режимами программного управления для квадратурных и трехфазных компоновок контурных катушек, при этом показано, что формирование определенных годографов результирующего вектора на плоскости или в пространстве осуществляется путем программного регулирования токов в катушках.

6. Разработан и создан универсальный лабораторный стенд, позволяющий выполнять монтаж систем контурных катушек и регулирование их пространственной взаимной ориентации, проводить экспериментальные исследования по изучению силовых линий индуцируемых магнитных полей в локальной области внутри катушек, а также исследовать характеристики трехкомпонентного феррозондового магнитометра.

7. Проведены пробные эксперименты по проращиванию семян пшеницы, в результате которых выявлено, что в условиях воздействия вращающегося магнитного поля, в отличие от стационарного геомагнитного поля, наблюдалось увеличение интенсивности роста в 3-5 раз при правостороннем вращении и угнетение при левостороннем.

В приложении представлены акты о внедрении и практическом использовании результатов исследований, текст программы вычислительного эксперимента.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Миловзоров А.Г., Ломаев Г.В., Шапошников А.М. О построении феррозондовой магнитометрической аппаратуры // Вестник ИжГТУ. 2009. № 4. С.

122-125.

Миловзоров А.Г., Шапошников А.М., Жиляев Ю.П., Миловзоров Г.В.

Программно-управляемые системы генерирования вращающихся магнитных полей // Вестник УГАТУ. 2010. Т. 14. № 1(36). С. 56-61.

Миловзоров А.Г., Ломаев Г.В. Вращающееся магнитное поле – современная биотехническая проблема // Электромехника, электротехнические комплексы и системы. Уфа : Изд-во УГАТУ, 2006. С. 231-234.

Миловзоров А.Г., Дьячков А.С. Скважинная инклинометрическая система с непрерывной регистрацией и кабельным каналом связи ИМНК-36 // Информационные технологии в нефтегазовом сервисе / сб. тез. докл. научн. конф.

Уфа : ГУП НИИБЖД РБ, 2006. С. 128-129.

Миловзоров А.Г., Ломаев Г.В. Об экспериментальных исследованиях статических характеристик феррозондовых преобразователей // Новая техника и технологии для геофизических исследований скважин / тез. докл. Уфа : Изд-во ОАО НПФ «Геофизика», 2007. С.146-147.

Миловзоров А.Г. Автоматизированная система генерирования и управления параметрами опорного магнитного поля в кольцах Гельмгольца // Электроника, автоматика и измерительная техника / межвуз. сб. научн. тр. Уфа : Изд-во УГАТУ 2007. С. 70-73.

Миловзоров А.Г., Дьячков А.С., Федорова В.А. Малогабаритная инклинометрическая система // Мавлютовские чтения / тез. докл. Уфа : Изд-во УГАТУ, 2007. С. 62.

Миловзоров А.Г. Миловзоров Г.В., Дьячков А.С., Федорова В.А.

Малогабаритная инклинометрическая система с феррозондовыми и акселерометрическими преобразователями // Каротажник / научн.-технич. вестник.

Тверь : Изд-во «АИС», 2008. Вып. 2(167). С. 40-42.

Миловзоров А.Г., Шапошников А.М. Дискретно-управляемая система генерирования вращающегося магнитного поля // Электронные устройства и системы / межвуз. сб. научн. тр. Уфа : Изд-во УГАТУ, 2008. С.79-84.

10. Миловзоров А.Г., Шапошников А.М. Трехфазный индуктор вращающегося магнитного поля с дискретно-релейными режимами управления // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы / межвуз. сб. научн.

тр. Уфа : Изд-во УГАТУ, 2008. С268-271.

11. Миловзоров А.Г. Контроль линейности статических характеристик феррозондовых датчиков в опорных магнитных полях // Измерение, контроль, информатизация / сб. научн. тр. Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2009. С72-75.

12. Миловзоров А.Г. Универсальный программно-управляемый стенд-индуктор вращающихся магнитных полей // Студент и научно-технический прогресс.

Новосибирск.: Изд-во НГУ, 2009. С. 114.

13. Миловзоров А.Г. Особенности построения магнитометрической аппаратуры с феррозондовыми датчиками // Современные техника и технологии. Томск : Издво ТПУ, 2009. С. 192-193.

14. Миловзоров А.Г., Шапошников А.М. Измерение параметров магнитных датчиков инклинометров с помощью системы пар колец Гельмгольца // Электроника, автоматика и измерительные системы / межвуз. научн. сб. Уфа : Издво УГАТУ, 2009. С. 50-55.

градиентометрических преобразователей с феррозондовыми датчиками // Электроника, автоматика и измерительные системы / межвуз. научн. сб. Уфа : Издво УГАТУ, 2009. С. 136-139.

16. Миловзоров А.Г., Шапошников А.М., Жиляев Ю.П. Программно-аппаратная система генерации вращающихся магнитных полей и контроля их параметров на базе системы пар колец Гельмгольца // Измерение, контроль, информатизация.

Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2009. С. 72-75.

17. Миловзоров А.Г., Якимов М.В., Огородникова М.А. Исследование воздействия вращающегося магнитного поля на прорастание семян злаковых культур // Измерение, контроль и диагностика. Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2010. С.

202-206.

18. Миловзоров А.Г., Морозова Е.С. Структура трехкомпонентного феррозондового детектора модуля напряженности переменного магнитного поля // Электронные устройства и системы / межвуз. сб. научн. тр. Уфа : Изд-во УГАТУ, 2010. С. 113-116.

19. Миловзоров А.Г., Морозова Е.С. Устройство контроля параметров постоянных и переменных магнитных полей // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ – 2010» / материалы междунар. научн. конф. Астрахань : Изд-во АИСИ, 2010. С. 10-12.

Подписано в печать «_6_» _сентября_ 2010г. Формат 60х48/16.

Отпечатано в ИжГТУ. 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая,