Технология измерения ферромагнитными зондами

Технология измерения ферромагнитными зондами

За последнее время не произошло каких либо существенных изменений в принципах измерения магнитного поля. В области магнитных съёмок утвердились способы, основанные на явлении магнитного резонанса, оптической ориентации атомов и др. В основу определения магнитных свойств горных пород и наблюдений в скважинах используют феррозондовые установки, а для измерения остаточной намагниченности применяют астатические магнитометры и рок-генераторы. Подробнее остановимся на таком приборе, как магнетометр.

Магнитометр — прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ (магнитных материалов). В зависимости от определяемой величины различают приборы для измерения: напряжённости поля (эрстедметры), направления поля (инклинаторы и деклинаторы), градиента поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или флюксметры), коэрцитивной силы (коэрцитиметры), магнитной проницаемости (мю-метры), магнитной восприимчивости (каппа-метры), магнитного момента.

В более узком смысле магнитометры — приборы для измерения напряжённости, направления и градиента магнитного поля.

Самым главным параметром магнитометра является его чувствительность. При этом формализовать этот параметр, сделать его единым для всех магнитометров практически невозможно и не только потому, что магнитометры отличаются принципом действия, но и конструкцией преобразователей и функцией обработки сигнала. Для магнитометров принято чувствительность обозначать величиной магнитной индукции поля, которое способен зарегистрировать прибор. Обычно чувствительность измеряют в нанотеслах (нТл) 1нТл=(1Е-9) Т.

Поле Земли составляет величину примерно 35000nT (35µT). Это усредненная величина — в различных точках земного шара она меняется в диапазоне 35000nT (35µT) — 60000nT (60µT). Таким образом задача поиска ферромагнитных предметов состоит в том, чтобы на фоне природного поля Земли обнаружить приращение поля, обусловленное искажениями от ферромагнитных предметов.

Существует несколько физических принципов и основанных на них типов магнитометрических приборов, позволяющих фиксировать минимальные изменения магнитного поля Земли или искажения, вносимые ферромагнитными объектами. Современные магнитометры обладают чувствительностью от 0.01nT до 1nT, в зависимости от принципа действия и класса решаемых задач.

Различают магнитометры для измерений абсолютных значений характеристик поля и относительных изменений поля в пространстве или во времени. Последние называются вариометрами магнитными. Магнитометры классифицируют также по условиям эксплуатации и, наконец, в соответствии с физическими явлениями, положенными в основу их действия.

Существуют несколько типов магнитометров, основанных на разных принципах действия, такие как: феррозондовые, магнитоиндуктивные, на эффекте Холла, магниторезисторные, квантовые (Протонные).

Подробно остановимся на феррозондовых преобразователях магнитного поля, рассмотрим их принцип действия, конструкцию и технологию измерения.

Открытие свойств высокой магнитной проницаемости у железно-никелевых сплавов — пермаллоев привело к созданию феррозондовых или потоковоспринимающих магнитометров, в основу работы датчиков которых положен эффект реакции магнитной проницаемости пермаллоя сердечников на действие постоянного магнитного поля Земли при питании их переменным током.

Феррозондовый преобразователь магнитного поля, или феррозонд, предназначен для измерения и индикации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей и их градиентов. Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных полей разных частот. В зависимости от величины подаваемого напряжения феррозонд может работать по принципу пик-типа и второй гармоники. Приборы, работающие по принципу второй гармоники, получили более широкое применение (3).

Ферромагнитные зонды характеризуются:

— высокой чувствительностью-минимальное изменение измеряемого элемента поля, которое способен зарегистрировать прибор при изменении силовой компоненты, чувствительность у лучших приборов составляет 1 нТл, для угловой величины-01 сек;

— возможностью точной (0,1%) калибровки;

— малым температурным коэффициентом, менее 0,01 нТл/град. цельсия в диапазоне температур от -20 до +50 град. цельсия;

— низким уровнем собственных шумов;

— небольшими размерами (10−20 см) и массой (1−2 кг с измерительным блоком);

— малым энергопотреблением (2).

На рис. 1 схематически показаны некоторые варианты конструкций феррозондов.

Рис. 1

В простейшем варианте феррозонд состоит из ферромагнитного сердечника и находящихся на нем двух катушек: катушки возбуждения, питаемой переменным током и измерительной (сигнальной) катушки. Сердечник феррозонда выполняется из материалов с высокой магнитной проницаемостью. На катушку возбуждения от специального генератора подается переменное напряжение с частотой от 1 до 300 кГц (в зависимости от уровня параметров и назначения прибора). В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля Н, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магнитного поля, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке ЭДС, изменяющуюся по гармоническому закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или медленно меняющееся магнитное поле Но, то кривая перемагничивания меняет свои размеры и форму и становится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав ЭДС в сигнальной катушке. В частности, появляются четные гармонические составляющие ЭДС, величина которых пропорциональна напряженности измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания.

Феррозонды подразделяются на:

стержневые одноэлементные (а) дифференциальные с разомкнутым сердечником (б) дифференциальные с замкнутым (кольцевым) сердечником (в).

Дифференциальный феррозонд (рис. б, в), как правило, состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечетные гармонические составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается измерительная аппаратура и повышается чувствительность феррозонда. Феррозонды отличаются очень высокой чувствительностью к магнитному полю. Они способны регистрировать магнитные поля с напряженностью до 10−4-10−5 А/м (~10−10−10−11 Тл).

Современные конструкции феррозондов отличаются компактностью. Объем феррозонда, которым комплектуются отечественные магнитометры Г73, составляет менее 1 см³, а трехкомпонентный феррозонд для магнитометра Г74 вписывается в куб со стороной 15 мм В качестве примера на рис. 2 приведена конструкция и габариты миниатюрного стержневого феррозонда.

Рис. 2

Конструкция феррозонда достаточно проста и не требует особых пояснений. Его сердечник изготовлен из пермаллоя. Он имеет переменное по длине поперечное сечение, уменьшающееся примерно в 10 раз в центральной части сердечника, на которую намотаны измерительная обмотка и обмотка возбуждения. Такая конструкция обеспечивает при сравнительно небольшой длине (30 мм) высокую магнитную проницаемость (1, 5×105) и малое значение напряженности поля насыщения в центральной части сердечника, что приводит к увеличению фазовой и временной чувствительности феррозонда. За счет этого улучшается и форма выходных импульсов в измерительной обмотке феррозонда, что позволяет снизить погрешности схемы формирования сигнала «время-импульс». Диапазон измерения феррозондовых преобразователей типовой конструкции составляет ±50… ±100 А/м (±0, 06… ±0, 126 мТл).Плотность магнитного шума в полосе частот до 0,1 Гц для феррозондов со стержневыми сердечниками составляет 30 — 40 мкА/м (м x Гц½) в зависимости от поля возбуждения, уменьшаясь с увеличением последнего. В полосе частот до 0,5 Гц плотность шума оказывается в 3 — 3,5 раза выше. При экспериментальном исследовании кольцевых феррозондов установлено, что уровень шума у них на порядок ниже, чем у феррозондов со стержневыми сердечниками (3).

Устройства для определения вектора МП с использованием феррозондовых датчиков

Принципы работы устройств, использующих феррозондовые преобразователи магнитного поля, рассмотрены во многих технических изданиях. А потому в качестве примера приведём очень краткие описания принципов работы нескольких таких устройств.

Конструкция простейшего феррозондового датчика направления, используемого в автомобильном навигаторе, приведена на рис. 3

Рис. 3 Датчик МПЗ автомобильного навигатора: а — способ вычисления азимута пункта назначения; б — устройство датчика: б — курс движения автомобиля относительно сервера; в — курс на пункт назначения относительно севера; г — относительный азимут (азимут пункта назначения) Рис. 4 Принцип работы феррозондового навигатора

Рис. 5 Эпюры выходного напряжения феррозондового датчика: а — при Нх > 0; б — при Нx, y > 0

Датчик навигатора (рис. 3) представляет собой кольцо из материала с высокой магнитной проницаемостью, на которое намотаны обмотка возбуждения и перпендикулярно друг другу две измерительные обмотки (3).

Принцип действия ферромагнитного зонда

Принцип действия датчика заключается в следующем: если на обмотку возбуждения подать переменное напряжение, то магнитный поток в сердечнике будет изменяться и за счет возникновения электромагнитной индукции на выходе измерительных обмоток появится «наведенное» напряжение. При отсутствии внешнего магнитного поля напряжение на измерительных обмотках будет тоже отсутствовать, поскольку изменение магнитного потока в этом случае вызывает появление в точках S1, S2 сердечника напряжений противоположной полярности, которые компенсируют друг друга. Если перпендикулярно измерительной обмотке X воздействует магнитное поле с напряженностью Н, то оно складывается с магнитным полем возбуждения и изменения магнитного потока становятся асимметричными (см. 5). В результате этого появляется выходное напряжение, пропорциональное производной разности магнитных потоков.

Если внешнее магнитное поле Н прикладывается под углом И, то на измерительных обмотках X и Y появляются напряжения, равные соответственно:

При определённых геометрических размерах сердечника коэффициент размагничивания может быть настолько мал, что при помещении сердечника во внешнее магнитное поле размагничивающее поле будет практически отсутствовать. Суммарное магнитное поле в сердечнике окажется равным внешнему полю. Если сердечник расположен вдоль поля, он воспринимает полное значение поля, когда под углом — соответствующую составляющую. При перпендикулярном размещении сердечника к полю внешнее поле на него не действует. Указанные выше условия позволяют обеспечить острую диаграмму направленности феррозонда, благодаря чему он пригоден для измерения компонент магнитного поля и соответствующих им углов. Теория феррозондов базируется на развитом В. К. Аркадьевым учении о амагниченности ферромагнитных тел конечных размеров.

Общий принцип действия феррозонда подобен принципу действия магнитного усилителя, у которого управляющая электрическая цепь заменена разомкнутой магнитной цепью (3).

Технология измерения ферромагнитными зондами

Простейший феррозондовый магнитометр состоит из генератора, питающего переменным током феррозондовый датчик, откуда сигнал поступает в ячейку фильтров на усилительно-преобразовательный канал и в регистратор. В датчик также поступает ток компенсации из устройства начальной компенсации. Число феррозондовых датчиков определяется назначением и конструкцией прибора.

Конструктивно феррозондовый датчик может находиться в одной упаковке с электронной схемой или составлять отдельный блок, соединённый кабелем с электронным блоком. Феррозондовые датчики в наземных и скважинных магнитометрах — самоустанавливающиеся. Для этого используют карданные подвесы либо эксцентрические устройства. В магнитных градиентометрах датчики укрепляют на поворотной штанге.

Для примера возьмём феррозондовый теодолит, который представляет собой не имеющий магнитных деталей геодезический теодолит с установленным на его трубе датчиком феррозонда, работающего по схеме второй гармоники, и электронный блок — регистратор. Измерения выполняются нулевым методом, когда ось феррозонда перпендикулярна вектору магнитной индукции земного поля, на выходе измеряемой катушки ток I=0. Электронный блок таким образом фиксирует нулевой ток в положении оси датчика, перпендикулярного вектору магнитной индукции Т: при горизонтальном положении трубы и датчика фиксируется направление магнитного меридиана, в вертикальной плоскости магнитного меридиана определяется наклонение.

Датчик крепится к трубе теодолита на специальном лафете, позволяющим регулировать углы установки датчика относительно оптической оси теодолита.

Ось ферромагнитного датчика в принципе не может совпадать с оптической осью теодолита. Положение датчика на зрительной трубе характеризуется:

— величинами смещений геометрического центра феррозонда о оптического центра трубы в вертикальной плоскости вращения вдоль и поперёк оптической оси и в горизонтальной плоскости;

— углами в горизонтальной и вертикальной плоскостях, эти углы ось феррозонда составляет с оптической осью трубы (2).

Рассмотрим технологию измерения на ещё одном отечественном магнитометре, таком как М-17.

Для измерения вертикальной составляющей феррозонд ориентируется по вертикали особым маятником, помещенным в кардановом подвесе. Последний снабжен демпфирующим устройством для быстрого затухания колебаний. Феррозонд подключается к измерительному блоку. В нем помещен звуковой генератор, переключатель поддиапазонов, переключатель компенсации магнитного поля, измерительный индикаторный прибор.

На феррозондовом принципе изготовлялись отечественные аэромагнитометры — АЭМ-49, АМ-13, АММ-13, АСТ-46, АМФ-21 и др. В аэромагнитометрах измерительный феррозонд с помощью особых карданных устройств и двух дополнительных взаимно перпендикулярных феррозондов устанавливается вдоль полного вектора напряженности магнитного поля Земли. Он помещается в специальной гондоле и буксируется за самолетом на кабеле длиной 40 — 50 м. Электрический сигнал с этого блока по кабелю попадает на пульт магнитометра, установленный на самолете, где усиливается электронным усилителем, выпрямляется и попадает на автоматическое компенсационное устройство и особый самописец. На ленте, кроме напряженности поля, записываются высота полета, марки времени, отметки ориентиров или синхронных аэрофотоснимков. Аэромагнитометры устанавливаются на самолетах легкого типа или на вертолетах. Погрешности измерений аэромагнитометрами не превышают 20 нТл.

Феррозондовые приборы измеряют относительные изменения любой компоненты магнитного поля. Чувствительность магнитометоров зависит от типа феррозонда и измеряется от нескольких нТл до 200 нТл.

Магниторазведочные зонды широко применяются в различных областях исследований как земной коры, так и для космических исследований.

Феррозонды используются в приборах для наземной съёмки (зонд помещают в карданов подвес, на зрительной трубе теодолита), в скважинной магнитометрии для контроля направления хода буровых скважин, магнитной восприимчивости горных пород и компонент внутреннего поля вдоль оси скважины, в аэрогеофизических станциях, для автоматической ориентации искусственных спутников Земли, на международных космических станциях, а также в магнитной дефектоскопии для обнаружения поверхностных дефектов, контроля качества проката и сварных труб, диагностики рельсовых путей и т. д. (1).

Список используемой литературы

магнитометр феррозонд зонд

1 Гершанок Л. А. Магниторазведка: Учебное пособие/ Пермь: Пермский государственный университет, 2006. 364 с.

2. Ладышкин А. В., Попова А. А., Семаков Н. Н. и др. Векторные магнитные измерения с феррозондовыми теодолитами: Методическое пособие/ Новосибирск: Новосибирский государственный университет, 2005, 89 с.

3. Геофизические методы исследования // магниторазведка // феррозрндовые магнитометры/ материалы из интернета