Яновский Б.М. Земной Магнетизм. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

Феррозонды с магнитным насыщением

При этом, если А, имеет положительное значение, максимум

наступает при ωί < 90°, если же h отрицательно, то максимум

наступит позже, т. е. произойдет сдвиг фазы на величину

(ω*—90°).

Из этого вытекает, что если при отсутствии постоянного-поля

во вторичной обмотке обоих зондов общая- электродвижущая

сила равна нулю, то при наличии его, вследствие сдвига фаз.

Рис. 143. Осциллограммы э. д.

сумма э. д. с. станет отличной от нуля и величина ее будет тем

больше, чем больше сдвиг фаз или чем больше напряженность

постоянного поля.

Приведенные рассуждения относятся к случаю, когда обра-

зец (зонд) обладает плохим сопротивлением и в нем нет вихре-

вых токов. В действительности же при наложении переменного

тока в образце возникают вихревые токи, которые в первую чет-

верть фазы замедляют рост индукции, а следовательно, и э. д. с,

а во вторую — стремятся сохранить ее, и поэтому кривая э. д. с.

имеет вид, несимметричный относительно оси у. На рис. 143 по-

332 Относительные методы измерения э. з. м.

[гл.

казан вид действительных кривых, получаемых на осциллограм-

мах.

Из них кривые (а) соответствуют случаю, когда внешнее

постоянное поле отсутствует, а кривые (б) — когда постоянное

поле наложено на переменное. Суммарная величина э. д. с.

в первом случае будет равна нулю, а во втором представится

кривой (в). Как видно, не-

симметрия в ней выраже-

на еще более резко, положи-

тельные амплитуды во много

раз превосходят отрицатель-

ные.

При изменении направ-

ления постоянного поля на

180° кривые э. д. с. в пер-

вичных обмотках сместятся

в противоположном направ-

лении, вследствие чего сум-

марная кривая примет вид

(г),

где преобладающими

становятся отрицательные

амплитуды, благодаря чему

схема позволяет измерять не

только величину напряжен-

ности постоянного поля, но

и различать его направле-

ния.

Однако эта схема обла-

дает тем неудобством, что

Рис. 144. Осциллограммы

. д, с. в схе-

еб

ет

совершенной ИДен-

мах с начальной расстройкой. тичности самих сердечников

зонда и их обмоток, так

как при малейшей разнице в геометрических размерах и

форме зондов или магнитных свойствах сердечников на выходе

вторичной обмотки появятся значительные импульсы напряже-

ния и в отсутствии внешнего поля. Поэтому на практике полу-

чили распространение схемы с начальной расстройкой, в кото-

рых одна из первичных обмоток шунтируется сопротивлением,

и тем самым искусственно оба сердечника делаются неидентич-

ными. Вид кривых э. д. с, возбужденных первичными обмотками,

показан на рис. 144 (а).

Так как амплитуды импульсов первичной и вторичной обмот-

ки не одинаковы, то на выходе вторичной обмотки при отсутст-

вии внешнего поля должны появиться импульсы, которые будут

иметь переменные знаки, но одинаковые амплитуды (б). При

наложении же постоянного поля одна из амплитуд становится

Магнитометр M-17

333

меньшей, а другая большей (в). При изменении же полярности

магнитного поля картина меняется в противоположном направ-

лении (г).

Таким образом, и при расстроенных зондах влияние постоян-

ного поля будет сказываться аналогично влиянию при идентич-

ных зондах, и поэтому методика измерения остается прежней,

между тем как изготовление и настройка зондов значительно

упрощаются.

Магнитометры с магнитонасыщенными зондами в настоящее

время получили широкое применение при измерении слабых

магнитных полей. Порог чувствительности их при хорошей

устойчивости достигает

0,1

—1,0 γ. В качестве сердечников при-

меняются тонкие проволоки из сплавов пермаллоя или муме-

талла длиной от 30 до 60 мм с отношением диаметра к длине, не

большим 0,01, так как в противном случае кажущаяся воспри-

имчивость их становится недостаточной для получения высоких

значений индукций, а следовательно, и напряжений на выходе

зонда.

Особое значение феррозондовые магнитометры получили в

аэромагнитной съемке. Аэромагнитометры, устанавливаемые на

•самолетах, в громадном большинстве представляют приборы

с феррозондовыми датчиками, которые обладают большой чув-

ствительностью и позволяют полностью автоматизировать про-

цесс измерения магнитного поля Земли.

Помимо этого, феррозондовые датчики начинают входить и

в практику Магнитометрических методов измерения магнитных

•свойств горных пород, заменяя собой астатическую систему маг-

нитов.

§ 8. Магнитометр М-17

Из всех существующих систем магнитометров с феррозондо-

выми датчиками рассмотрим магнитометр М-17, выпускае-

мый заводом «Геологоразведка*. Прибор М-17 предназначен

Для измерения вертикальной составляющей Ζ и отличается от

магнитометров М-2, М-14 и М-18 тем, что вместо магнита чув-

ствительным элементом или датчиком служит феррозонд.

Принцип измерения аналогичен измерению на магнитометре

ΒΜΖ. Большая часть вертикальной составляющей компенси-

руется постоянным магнитом, а оставшаяся часть, не более

500 γ, — путем подачи постоянного тока в обмотку возбуждения

феррозонда.

Таким образом, феррозонд служит лишь в качестве индика-

тора, показывающего отсутствие магнитного поля в объеме фер-

розонда, измерителем же напряженности поля является обыч-

334

Относительные методы измерения э. з. м.

1гл.

ный электроизмерительный прибор (микроамперметр М-24),

проградуированный в единицах напряженности поля (гаммах).

Блок-схема магнитометра М-17 показана на рис. 145.

Феррозонд возбуждается переменным током от генератора

частоты 2 кгц, и для возбуждения феррозонда выделяется вто-

рая гармоника 4 кгц.

Рис. 145. Блок-схема магнитометра М-17.

Напряжение, возбуждаемое феррозондом, усиливается двух-

тактным избирательным усилителем и выпрямляется синхрон-

ным фазочувствительным детектором. С детектора сигнал по-

ступает в цепь отрицательной обратной связи, в которую после-

довательно включен микроамперметр. Цепь отрицательной об-

ратной связи предназначена для автоматической компенсации

поля.

Электронная схема магнитометра выполнена на полупровод-

никах и смонтирована в отдельном измерительном блоке.

Ориентировка феррозонда по вертикали происходит автома-

335

тК

чески при помощи карданового подвеса. Внешний вид при-

бора показан на рис. 146.

Время, необходимое на установку и производство измерений,

не превышает двух минут, что делает прибор удобным в эксплуа-

тации.

Рис. 146. Внешний вид магнитометра М-17.

Магнитометр, помимо компенсации Ζ постоянным магнитные

полем, имеет дополнительную ступенчатую компенсацию, когда

аномальное поле дает нескомпенсированную часть Ζ более 500 γ.

Таких ступеней, позволяющих расширить предел измерения с

800 γ до 60 000 у, пять.

Цена деления в зависимости от предела измерения состав-

ляет 10, 50 и 200

у/дел.

Температурный коэффициент прибора

равен 2

у/град.

§ 9. Аэромагнитометры

Аэромагнитная съемка производится при помощи особых

приборов, называемых аэромагнитометрами. Основными требо-

ваниями, предъявляемыми к такого рода приборам, являются

независимость показаний прибора от его ориентировки и малая

инертность датчика. Аэромагнитометр должен непрерывно сле-

дить за изменением магнитного поля при полете самолета по за-

данному маршруту.

Аэромагнитометры

336 Относительные методы измерения э. з. м. [гл. χ

Первым таким прибором был аэромагнитометр А. А. Лога-

чева [40], основанный на принципе индукции э. д. с. во вращаю-

щейся рамке, помещаемой в магнитное поле. Приборы такого

типа, называемые месс-генераторами (см. § 4 гл. XI)., применя-

лись и ранее для измерения напряженности поля, однако ис-

пользование его на движущемся объекте было впервые предло-

жено А. А. Логачевым. Независимость ориентировки аэромаг-

нитометра по азимуту осуществлялась путем совмещения пло-

скости коммутации с плоскостью витков рамки. Ориентировка

же по вертикальному направлению происходила автоматически,

так как генерирующая рамка помещалась на кардановом под-

весе в гондоле, буксируемой самолетом при помощи троса дли-

ной

40—50

м. При таком устройстве прибора э. д. с. индукции

возбуждалась лишь вертикальной составляющей Ζ, которая

компенсировалась магнитным полем катушки. Ток компенсации

регулировался наблюдателем, который непрерывно следил за

тем, чтобы гальванометр оставался в нулевом положении.

В настоящее время аэромагнитометр А. А. Логачева вышел

из употребления, так как новые типы с феррозондовыми датчи-

ками, появившиеся в конце сороковых годов, полностью вытес-

нили его из практики аэромагнитных наблюдений. Однако в свое

время он сыграл большую роль, так как способствовал внедре-

нию в разведку нового аэромагнитного метода исследования

магнитного поля Земли.

Аэромагнитометры с феррозондовыми датчиками были раз-

работаны в США в начале сороковых годов, однако первая пуб-

ликация о них появилась лишь в 1946 г. [120]. С тех пор они

прочно вошли в практику аэромагнитных съемок на всем зем-

ном шаре.

В Советском Союзе аэромагнитометры с феррозондовыми

датчиками начали выпускаться в 1949 г. заводом «Геологораз-

ведка». За истекший срок в порядке последовательности их было

выпущено три типа: АЭМ-49, АСГМ-25 и AM-13 [17]. Принци-

пиального различия между ними нет, разница заключается

лишь в конструктивном оформлении. Каждый новый тип имеет

более совершенную схему и более удобную конструкцию, и по-

этому каждый новый тип имеет преимущества по сравнению с

прежним и в отношении чувствительности, и в отношении ста-

бильности. Поэтому ниже дается описание более нового типа

аэромагнитометра — AM-13.

Аэромагнитометры с магнитонасыщенными зондами в боль-

шей своей части измеряют полную величину напряженности

поля Н

. Объясняется это тем, что установка зонда по направ-

лению силовых линий магнитного поля осуществляется значи-

тельно проще, и, кроме того, отклонение оси зонда от направле-

§9]

Аэромагнитометры

337

ия силовых линий вызывает меньшую погрешность

опреде-

лении

#т,

чем то же

отклонение

от

вертикального положения

при определении вертикальной составляющей

Действительно,

из уравнения

где

/ —

наклонение, имеем

(10.40)

т.

е.

погрешность определения, вертикальной составляющей про-

порциональна косинусу угла наклонения,

и,

поэтому, когда

ось

зонда направлена

по

силовым линиям, Z=H

, погрешность

определения

становится близкой

нулю.

Положим,

что при

измерении вертикальной составляющей,

соответствующей наклонению

допущена погрешность

уста-

новке

оси

зонда

на

величину

Δ/.

Найдем,

на

какую величину

Д/, может отклоняться зонд

при

измерении

чтобы погреш-

ности

определении

Ζ и Н

были одинаковы.

Из

уравнения

(10.40)

имеем

откуда

Если производить измерения

районах, имеющих

/л* 70°,

то

при Δ/ = 1'

погрешность

Δ/ι = 32', т. е.

установка

оси

зонда

по

направлению силовых линий может быть

тридцать

лишним

раз менее точной,

чем

установка

ее по

вертикали.

Установка

оси

зонда

по

направлению

осуществляется

автоматически

при

помощи двух взаимно перпендикулярных

зондов, расположенных перпендикулярно

измерительному

зонду

называемых следящими. Вторичные обмотки этих зон-

дов через соответствующие усилители соединены

сервомото-

рами, которые приходят

во

вращение, если зонд

не

перпендику-

лярен силовым линиям магнитного поля,

т. е.

если

на

него дей-

ствует какая-либо

из

составляющих земного поля. Вращение

мотора передается

на

систему зондов,

и они

поворачиваются

до

тех

пор,

пока

не

встанут перпендикулярно магнитному полю

Земли.

этот момент импульсы

во

вторичной цепи прекратятся,

и моторы остановятся.

Как

только плоскость,

которой нахо-

дятся следящие зонды, выйдет

из

плоскости, перпендикулярной

к направлению силовых линий, сервомоторы придут

движение

и вернут

ее в

прежнее положение. Таким образом, измеритель-

ный зонд всегда будет находиться

направлении силовых линий

поля. Отклонение

оси его от

этого направления

не

превосходит

15", что

вызывает погрешность измерения

не

более

1 γ.

Однако

общая погрешность

измерении

при

помощи аэромагнитометра

с зондами достигает

±5 γ.

338 Относительные методы измерения э. з. м.

Так же автоматически производится и компенсация магнит-

ного поля Земли. Постоянный ток в компенсирующей катушке,,

в которую помещается зонд, регулируется реостатами, управ-

ляемыми автоматически при помощи моторов, и подается на са-

мописец. Моторы работают до тех пор, пока не наступит полная

компенсация магнитного поля.

Аэромагнитометр записывает не полную величину Я

, а лишь

алгебраическую разность Я

между начальным значением Я^

при вылете и значением Н

на маршруте.

Рис. 147. Блок-схема аэромагнитометра

AM-13.

Аэромагнитометры АМ-13. Принципиальная блок-схема для

АМ-13 представлена на рис. 147. Датчик ФЗ

в виде двух фер-

ромагнитных сердечников с обмотками питается от преобразо-

вателя Я переменным напряжением частотой 500 гц.

В катушке, охватывающей оба сердечника, возникающая

переменная э. д. с. с удвоенной частотой 1000 гц подается на

избирательный усилитель с синхронным детектором УПС

пре-

образующий переменный ток в постоянный. Из усилителя вы-

прямленный ток поступает на реверсивный двигатель М

кото-

рый связан с движком реохорда Ρ и пером регистрирующего

устройства у. Разность потенциалов с реохорда подается на ком-

пенсационную обмотку датчика ФЗ

для компенсации напря-

женности магнитного поля Земли. Для расширения предела иэ-

§91

Аэромагнитометры

339

рения

приборе имеется ступенчатая компенсация

КИП, со-

стоящая

из

двух ступенчатых делителей напряжения

автома-

тическими переключателями. Когда перо регистратора подходив

краю шкалы, переключатели срабатывают

автоматически

увеличивают

или

уменьшают

ток

компенсации.

Компенсация магнитного поля

при

вылете самолета произ-

водится делителем напряжения

КПП. Оба

компенсатора

КПП

КИП

питаются стабилизированным напряжением

от

батарей

ББ.

Рис.

148.

Схематическое устройство аэромагнитометра

AM-13.

Для автоматической ориентации феррозонда

ФЗ

по

направ-

лению полного вектора

служат

два

следящие феррозонда

Ф3

и Ф3

взаимно перпендикулярные друг другу

перпенди-

кулярные

ФЗ

как

было указано выше. Каждый

из

феррозон-

дов

реверсивными моторами

и Λί

управляется сигналами,

поступающими

усилительно-преобразующих схем

УПС

аналогичных схеме

УПС\.

Общее питание осуществляется

от

сети самолета через пре-

образователь

П.

Магниточувствительный блок, выделенный

на

схеме пункти-

ром, помещается

особой гондоле

(рис. 148),

которая букси-

руется

на

кабеле длиной

40—50 м. Все

остальные части прибо-

ра— электрическая система, регистратор

—

монтируются

в ка-

бине самолета.

Технические характеристики AM-13 следующие:

Цена деления

— 2 у/мм и 10 у/мм и

соответствии^ этому

пределы измерения

440 у и 2200 γ.

Ступенчатая коцпенсаи^нл

22*

340

Относительные методы измерения

э. з. м. [

ГЛ

-'Х

позволяет расширить пределы измерений

до ±

ООО

γ.

Началь-

ная компенсация

при

вылете лежит

пределах

от 30000 до

70000 γ.

Смещение нуль-пункта

во

время полета

при

постоянной

тем-

пературе

не

более

у/час.

Скорость записи

при

цене деления

у/мм—

100

у/сек,

при

цене деления

10 у/мм

—

500

у/сек.

Трехкомпонентный аэромагнитометр.

Канаде

Р.

Серсон,

С.

Мак и К-

Уитем

[140]

разработали конструкцию аэромагнито-

метра, позволяющего измерять

три

компоненты земного магнит-

ного поля — вертикальную

и две

горизонтальные. Соответствен-

но этому аэромагнитометр имеет

три

взаимно перпендикуляр-

ных феррозондовых датчика, устройство которых аналогично

устройству обычных датчиков. Особенностью конструкции этого

аэромагнитометра является

то, что

платформа,

на

которой уста-

навливаются датчики, автоматически ориентируется

горизон-

тальной плоскости

и по

географическому меридиану

при

помощи

гироскопов

реверсивных сервомоторов.

Вследствие этого датчики вырабатывают сигналы, пропор-

циональные трем составляющим

Χ, Y и Z.

Аэромагнитометр измеряет склонение (составляющую

У)

с точностью

до

0°,1

и X и Ζ

—

точностью

до 10 γ.

10.

Ядерные магнитометры

Полевые магнитометры. Метод свободной ядерной индукции,

описанный

в § 7 гл. IX,

начинает находить свое применение

не

только

обсерваторской практике,

как

абсолютный,

но и в

поле-

вых условиях.

настоящее время

как в

Советском Союзе,

так и

за рубежом

уже

создан целый

ряд

магнитометров [61], [86], [152],

использующих этот метод

для

целей наземной магнитной съем-

ки.

Такие магнитометры получили название ядерных магнито-

метров свободной прецессии;

по

принципу получения сигнала

они

не

отличаются друг

от

друга. Поэтому

качестве примера

укажем

на

абсолютный ядерный пешеходный магнитометр

АЯПМ-4

цифровой магнитометр АЯЦМ-5, разработанные

со-

трудником Всесоюзного научно-исследовательского института

методики

техники разведки (ВИТР)

А. Я.

Ротштейном

[62],

[63].

Пешеходный магнитометр состоит

из

трех блоков, датчика,

электронного устройства

самописца.

качестве датчика

(рис.

149)

служит цилиндрический сосуд

из

органического стек-

ла, наполненный водой, поверх которого имеется обмотка

из

800

фитков провода

0,95 мм.

Объём воды составляет около

300 см

Поляризующее магнитное поле

центре катушки

при