цифровая магнитная обсерватория: ОПЫТ ПОСТРОЕНИЯ

и ВАРИАНТЫ

Кириаков В.Х., Любимов В.В.

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн

им. Н.В.Пушкова РАН, г. Троицк, Московской области, lvv_store@mail.ru

В Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН (ИЗМИРАН) проводятся исследования и ведутся работы по созданию новых современных геофизических приборов [1-16] для решения научных, прикладных и специальных задач [см. ссылку http://www.expo.ras.ru/base/org_prods.asp?org_id=114]. На протяжении многих лет одним из направлений деятельности инженерного состава института является разработка и создание новой измерительной аппаратуры для магнитных обсерваторий (МО) и существующих еще пунктов наблюдений [6-8, 10, 13-16]. Уже давно назрела необходимость в замене старой магнитоизмерительной аппаратуры на ныне действующих МО как института, так и других исследовательских учреждений и научных организаций, на современные приборы на основе новых технологий и достижений современной техники. На базе разработанных в последние годы современных магнитометрических приборов на основе кварцевых [6, 11-13] и протонных [8] датчиков появилась возможность создания цифровой магнитной обсерватории (ЦМО), отвечающей всем требованиям современного получения, обработки, хранения и представления данных.

Первые опытные образцы ЦМО были реализованы, установлены и испытаны на территориях магнитной обсерватории «Арти» (пос. Арти, Свердловской области) Института геофизики УрО РАН, на территории Уссурийской астрофизической обсерватории (УАО) ДВО РАН (с. Горнотаёжное, Приморского края, Уссурийского района) в период 2006-2007 гг. и на территории магнитной обсерватории «Москва» в ИЗМИРАН (г.Троицк, Московской области) в 2008-2009 гг. [16]. ЦМО это комплекс приборов, состоящий из магнитовариационной станции (МВС), протонного регистрирующего магнитометра (ПМ), сумматора цифровых данных (СЦД), приемника GPS и персонального компьютера (ПК), предназначенных для проведения относительных и абсолютных измерений составляющих вектора магнитной индукции (ВМИ) поля Земли и его модуля на магнитных обсерваториях и пунктах наблюдений. Функциональная схема ЦМО, выполненной на базе МО «Арти»,- показана на рис.1.

Рис.1.

МВС, созданная на базе магнитоизмерительного преобразователя (МИП) ЦМВС «Кварц-4» [6], - является высокоточным и прецизионным магнитометрическим компонентным прибором и предназначена для непрерывной регистрации вариаций трех составляющих Х (Н), Y (D), Z ВМИ поля Земли на МО и температуры окружающей среды, а также для исследования полей, создаваемых искусственными источниками и для специальных целей. МВС создана на основе кварцевых магнитных датчиков (КМД) усовершенствованной, по сравнению с ранее выпускаемыми, конструкции [13].

ПМ, выполненный на базе магнитометра МР-03М [8] с датчиком погружного типа, - является абсолютным прибором и предназначен для автоматического измерения модуля ВМИ поля Земли (Bт) и накопления данных во внутренней памяти.

Комплекс приборов ЦМО на территории МО «Арти» был расположен в трех отстоящих друг от друга на расстоянии от 60 до 80 м рабочих павильонах. В немагнитных павильонах №5 и №6 были установлены соответственно МИП ЦМВС «Кварц-4» и МР-03МО, датчик которого был вынесен из помещения и укреплен на его крыше. В рабочем павильоне №4 (см. рис.1) были расположены СЦД, приемник GPS, антенна которого была установлена вне помещения (на его крыше), компьютер и источники питания всего комплекса приборов. МВС и ПМ, при помощи соединительных экранированных кабелей, были подключены к СЦД, служащему для накопления данных от приборов в цифровой форме, к которому также подключены приемник GPS и ПК. Общий вид аппаратуры, входящей в состав ЦМО представлен на рис.2.

Приемник GPS позволяет определять координаты места, в котором устанавливается аппаратура ЦМО, и осуществлять привязку (синхронизацию) всех асинхронных измерений и измерительных каналов, подключенных к СЦД к мировому времени с высокой точностью. При помощи ПК осуществляется контроль работы всех составных частей комплекса ЦМО, регистрация и визуализация полученных данных в реальном времени. С помощью встроенного оригинального программного обеспечения реализован также режим просмотра полученных ранее данных в многооконном режиме, а также автоматическая организация базы данных.

Динамический диапазон измерения вариаций каждой из составляющих ВМИ поля Земли для МВС равен ± (2…6) мкТл, а диапазон измеряемых полей ПМ составляет от 35 до 65 мкТл. Отсчетная точность ЦМО при регистрации магнитометрических данных МВС и ПМ, - составляет 0,1 нТл.

Рис.2.

Точность регистрации температуры окружающей среды встроенным датчиком, который установлен в непосредственной близости от КМД (Z-канала), - составляет 0,1ºС. Емкость внутренней энергонезависимой памяти для накопления данных в блоке СЦД равна 32 Мб. Следует отметить, что в новой версии СЦД авторами разработки реализована возможность накопления измеренных данных во внешний накопитель, - съемную Flash-память (1…8) Гб. Объема (емкости) такого накопителя хватает для накопления данных в символьном виде в течение года. Общий вид нового малогабаритного и мало потребляющего блока СЦД показан на рис.3.

Цикл автоматических измерений ЦМО устанавливается программно, в зависимости от условий и необходимых задач регистрации, при этом максимальная частота оцифровки измерительных аналоговых каналов МВС с помощью встроенного четырехканального 24-х разрядного АЦП составляет 100 Гц, что позволяет получать данные от ЦМВС в цифровой форме с циклом измерения 1 с. Схемное построение АЦП позволяет реализовать программное управление всеми режимами его работы и скоростью оцифровки аналоговых измерительных каналов МИП. Питание всех блоков и устройств ЦМО осуществляется при помощи аккумуляторных батарей или от источников постоянного тока (сетевых адаптеров) напряжением 12±4 В, при этом среднее потребление энергии МВС и СЦД от источников питания составляет не более 5 Вт, а всего комплекса приборов ЦМО, - не более 20 Вт.

Рис.3.

Комплекс ЦМО, изготовленный для МО «Москва», отличается от комплексов установленных в МО «Арти» и УАО тем, что в качестве МВС применяется новая усовершенствованная версия МИП под названием «Кварц-4МО», который оснащен малогабаритной юстировочной платформой. Это позволяет использовать МВС в полевых и в походных условиях. Здесь также используется новая (третья) версия СЦД (см. рис.3). Для этого комплекса ЦМО разработана также и новая версия протонного магнитометра под наименованием МР-03МО, который позволяет проводить измерения поля с любым типом протоносодержащего рабочего вещества, использовать кабель любого типа и любой длины без изменения своих основных технических характеристик, указанных выше. Этот прибор может работать при изменении питающего напряжения в широких пределах от 10…12 до 40 В. Создано также новое программное обеспечение, позволяющее легко и удобно визуализировать процесс измерения, процесс управления приборами, входящими в состав ЦМО, позволяющее упростить процесс накопления измеренных данных и организацию базы данных. Общий вид приборов, входящих в состав комплекса ЦМО для обсерватории «Москва» показан на рис.4.

Рис.4.

Схемное построение и реализация высоких технических характеристик отдельных приборов, входящих в комплекс ЦМО, позволяет ей легко интегрироваться в работу международных цифровых систем сбора и обработки данных. Образцы полученных цифровых записей составляющих ВМИ на обсерваториях «Арти», «УАО» и «Москва» представлены на рис.5. и рис.6.

Рис.5.

Рис.6.

Следует отметить, что уровень электромагнитных шумов и помех на обсерватории «Арти» оказался достаточно низким, что позволило реализовать разрешающую способность ЦМВС на уровне единиц пТл. В настоящее время стало известно, что в ближайшем будущем магнитная обсерватория «Арти» с её магнитометрическим комплексом оборудования будет включена в систему обсерваторий ИНТЕРМАГНЕТ, а на базе обсерватории «Москва» планируется организовать Центр по тестированию современной магнитометрической и вариационной аппаратуры. На рис.7 показана схема установленных ЦМВС «Кварц-4» на настоящий момент времени в магнитных обсерваториях и пунктах наблюдения на территории России.

Рис.7.

Литература.

1. Любимов В.В. Инструментарий для электромагнитного мониторинга и экологических исследований окружающей среды // Экономика и производство. 2004. № 2. С. 58.

2. Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Градиентометры для исследования магнитного поля в различных условиях и средах // Экономика и производство. 2004. № 3. С. 59.

3. Кириаков В.Х., Любимов В.В. Малогабаритный цифровой интеллектуальный регистрирующий феррозондовый магнитометр // Экономика и производство. 2004. № 4. С. 60.

4. Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Пешеходный малогабаритный магнитометр-градиентометр «MAGIC GF-01» // Датчики и системы. 2004. № 12. С. 57.

5. Зверев А.С., Кириаков В.X., Любимов В.В. Морской буксируемый магнитометр-градиентометр MPMG-02 // Датчики и системы. 2005. № 1. С. 55-56.

6. Бурцев Ю.А., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Цифровая магнитовариационная станция “КВАРЦ-4”//Датчики и Системы / Новые приборы. М.: «ООО СенСиДат», 2005. № 2. C.45-48.

7. Кириаков В.Х., Любимов В.В. Регистраторы магнитометрических данных для научных исследований // Датчики и системы. 2005. № 10. С. 46-49.

8. Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Протонные магнитометры // Экономика и производство. /Технологии, оборудование, материалы / Журнал организаторов производства. М., 2005. № 2. С.71-73.

9. Любимов В.В. Феррозондовые диагностические магнитометры серии "МАГИК" // Экономика и производство. 2006. № 1. С. 72-73.

10. Бурцев Ю.А., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Цифровая магнитовариационная станция «КВАРЦ-4» для магнитных обсерваторий // Материалы Международного семинара «170 лет обсерваторских наблюдений на Урале: история и современное состояние». Екатеринбург, 17-23 июля 2006 г. Екатеринбург: Институт геофизики УрО РАН, 2006. С.38 – 41.

11. Бобров В.Н., Бурцев Ю.А., Зубков Б.А., Любимов В.В. Двухкомпонентный кварцевый градиентометр // Экономика и производство. 2006. № 4. С. 73-74.

12. Бобров В.Н., Бурцев Ю.А., Куликов Н.Д., Кашуба Ю.Ю., Любимов В.В. Прецизионный кварцевый наклономер // Экономика и производство. 2006. № 4. С. 74-75.

13. Белов Б. А., Бурцев Ю. А., Кириаков В. Х., Любимов В. В. Цифровые кварцевые магнитные вариационные станции // Датчики и Системы / Новые приборы. М.: «ООО СенСиДат», 2006. № 5. С.35-38.

14. Кириаков В.Х., Любимов В.В. Магнитометры для электромагнитного мониторинга окружающей среды и исследований в обсерваториях // Экономика и производство. 2007. № 1. С. 78.

15. Любимов В.В. Магнитометры-градиентометры для научных исследований: новые разработки // Экономика и производство. /Технологии, оборудование, материалы / Журнал организаторов производства. М., 2009. № 2. С.61-63.

16. Кириаков В.Х., Любимов В.В. Новые разработки: цифровая магнитная обсерватория // Датчики и Системы / Конструирование и производство датчиков, приборов и систем. М.: «ООО СенСиДат», 2010. № 4. С.22-24.