*120030*

НОВЫЕ МАГНИТОМЕТРЫ  для  ГРАДИЕНТОМЕТРИЧЕСКИХ  исследований:

ОБЗОР РАЗРАБОТОК

Любимов В.В.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН)

            Сотрудниками научно-производственной лаборатории геомагнитных приборов и измерений Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН (ИЗМИРАН) совместно с другими организациями на протяжении последних лет создан ряд магнитометрических приборов для измерения градиента магнитного поля (ГМП) как в движении, так и в статике, в полевых условиях и для проведения исследований в обсерваториях. Эти приборы были сделаны на базе  протонных, феррозондовых и кварцевых магнитоизмерительных преобразователей (МИП). Создан ряд морских модульных буксируемых магнитометров-градиентометров серии MPMG, в которую вошли протонные магнитометры: MPMG-02 [1], MPMG-03 [2-4] и новая разработка - MPMG-04. В состав серии буксируемых градиентометрических приборов, созданных на базе феррозондовых МИП, вошли: феррозондовый поисковый двухдатчиковый градиентометр ПБФМГ для измерения горизонтального ГМП, феррозондовый  поисковый трёхдатчиковый градиентометр ФПМГВ для измерения вертикального ГМП и буксируемый (перевозимый) на жёсткой измерительной базе 2…5 м  градиентометр ПБСТ [5].

           Морские  протонные  магнитометры-градиентометры  являются  скалярными приборами и предназначены для автоматического измерения модуля вектора магнитной индукции (ВМИ) поля Земли и его градиента в двух разнесенных в пространстве точках. Каждый прибор включает в себя две части: забортную и набортную, соединенные между собой кабелем-буксиром. Набортная часть приборов  включает в себя блок питания (БП) и персональный компьютер (ПК). Забортная часть прибора включает в себя буксировочный кабель и две погружные гондолы (ПГ), которые буксируется на расстоянии не менее трех длин корпуса судна-буксировщика от его кормы (не более 150 м), измерительная база между ПГ при этом составляет от 20 до 100 м.

         Морские феррозондовые магнитометры являются векторными приборами, которые предназначены для измерения горизонтального градиента модуля ВМИ поля Земли и его составляющих (ФПМГГ) в двух разнесённых точках (в том числе и на «жёсткой измерительной базе» длиной до 3…6 м) и вертикального градиента в трёх разнесённых точках на «жёсткой измерительной базе» (ФПМГВ). Эти приборы предназначены для проведения исследовательских и поисковых работ на маломерных судах и немагнитных надувных плавучих средствах,- лодках, плотах и проч.

        Для проведения исследований на высотах 27…36 км на борту дрейфующего стратосферного аэростата (СА) разработан протонный магнитометр МААП [6] предназначенный для работы в измерительном комплексе для измерения ГМП в трёх разнесённых по вертикали точках при максимальной измерительной базе в 6 км.

       Для проведения работ в полевых условиях и в стационарных условиях обсерватории создан высокочувствительный магнитометр-градиентометр [7. 8] на короткой измерительной базе равной 10 см с применением МИП на основе кварцевых магнитных датчиков (КМД), позволяющий достигать чувствительности до 1 пТл.

      Ниже представлены основные технические и эксплуатационные характеристики созданных магнитометров.

           Магнитометр MPMG-02  [1] предназначен  для  автоматического измерения  модуля ВМИ поля Земли и его градиента в условиях морской магнитной съемки на акваториях морей и океанов. Прибор включает в себя две части: забортную и набортную, соединенные между собой кабелем-буксиром. Забортная часть состоит из двух МИП поле/код, выполненных на базе протонных магниточувствительных датчиков (МЧД) и расположенных на расстоянии 100 м друг от друга. МЧД погружного типа, выполнены в виде тора и установлены в герметичных контейнерах, в которых залито рабочее вещество. Две ПГ с МЧД связаны между собой и с набортными блоками по интерфейсу RS-485. Набортная часть прибора включает в себя БП и измерительное устройство (ИУ), предназначенное для статистической обработки сигналов прецессии, регистрации полученных данных с возможностью визуального наблюдения их на графическом дисплее и выдачи результатов измерений на ПК. Помимо этого ИУ вырабатывает команды для управления цепями поляризации датчиков и регистрирует в цифровой форме данные о глубине погружения буксируемых гондол (от двух датчиков глубины). ИУ построено на основе микропроцессора и оснащено энергонезависимой памятью Flesh-типа для хранения данных и программ, объем которой позволяет, в зависимости от установленного цикла измерений, накапливать данные в течение 10...100 суток. Схема прибора предусматривает возможность его работы в асинхронном режиме с управлением от ПК, с минимальным циклом измерения 3 с и возможностью программной установки времен циклов поляризации и отсчета.

          Морской протонный магнитометр-градиентометр MPMG-03  [2] включает в себя две части: забортную и набортную, соединенных между собой кабелем-буксиром. Набортная часть прибора включает в себя БП и ПК, которые устанавливются на борту судна-буксировщика в специальном помещении (лаборатории). Забортная часть прибора включает в себя два буксировочных кабеля (БК) и две ПГ, которые буксируется на расстоянии не менее трех длин корпуса судна-буксировщика от его кормы (не более 150 м). Измерительная база между ПГ при этом составляет 100 м. Диапазон измерений модуля ВМИ по каждому из магнитометрических каналов равен от 25 до 65 мкТл, а диапазон регистрации градиента между двумя магнитометрическими каналами от 0 до ± 10 мкТл. Диапазон регистрации глубины погружения буксируемых гондол от 0 до 100 м, при этом погрешность регистрации глубины составляет не более 0,1 м. Информация о величине модуля ВМИ поля Земли по обоим измерительным каналам и величина градиента между ними отображается в цифровом и графическом виде на дисплее ПК. Цена единицы счета наименьшего разряда цифрового отсчетного устройства - 0,1 нТл. Цикл автоматических измерений: 2, 3, 5, 10, 20, 60 с, при этом цикл поляризации (накачки) датчиков, времена всех задержек и цикл отсчета (количество регистрируемых периодов сигнала прецессии) устанавливается оператором вручную (программно) в зависимости от применяемого рабочего вещества и конкретных условий работы с прибором (условий буксировки). Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением 220±22 В и частотой 50±5 Гц. Максимальная скорость буксировки не более 10 узлов. Основное назначение прибора – работа в качестве оборудования научно- исследовательских судов Академии наук и других организаций, проводящих научные исследования, поисковые и производственные работы на акваториях морей и океанов.

                    Морской  протонный  магнитометр-градиентометр MPMG-04    является модернизированным вариантом ранее созданных магнитометров серии MPMG и отличается уменьшенными габаритами и массой ПГ (не более 8 кг), а также способом измерения и конструкцией МИП. Он также включает в себя две части: забортную и набортную, соединенных между собой кабелем-буксиром типа КГ (2х1,0МЛ+2х2х0,35МЛ)-Э-10-У, сделанным на основе кевлара и включающим в себя, кроме силовых жил,- 2 витые пары для передачи цифровых данных из ПГ на борт судна. Набортная часть прибора включает в себя БП и ПК, которые устанавливаются на борту судна-буксировщика в специальном помещении (лаборатории). Забортная часть прибора включает в себя два буксировочных кабеля (БК) и две ПГ, которые буксируется на расстоянии не менее трех длин корпуса судна-буксировщика от его кормы. Измерительная база между ПГ при этом фиксирована и равна 100 м. Диапазон измерений модуля ВМИ по каждому из магнитометрических каналов равен от 25 до 65 мкТл, а диапазон регистрации градиента между двумя магнитометрическими каналами от 0 до ± 10 мкТл. Диапазон регистрации глубины погружения буксируемых гондол от 0 до 100 м, при этом погрешность регистрации глубины составляет не более 0,1 м. Информация о величине модуля ВМИ поля Земли по обоим измерительным каналам и величина градиента между ними отображается в цифровом и графическом виде на дисплее ПК. Цена единицы счета наименьшего разряда цифрового отсчетного устройства магнитометрических каналов - 0,1 нТл. Цикл автоматических измерений прибора составляет 2...60 с, при этом цикл поляризации (накачки) датчиков, времена всех необходимых задержек и циклы измерения и отсчета устанавливается оператором вручную (программно) в зависимости от применяемого рабочего вещества и конкретных условий работы с прибором (условий буксировки). Для обеспечения максимального быстродействия прибора при цикле измерения 2 с, в качестве рабочего вещества в МЧД используется керосин. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Максимальная скорость буксировки не более 12...15 узлов. Основное назначение прибора – работа в качестве оборудования научно-исследовательских судов Академии наук, проводящих научные исследования, поисковые и производственные работы на акваториях морей и океанов. Малые габариты и масса прибора позволяет проводить исследования с его помощью на реках и озёрах на маломерных судах и надувных плавсредствах. При этом предусмотрена возможность использования ПГ на  малой измерительной базе и питание прибора от аккумуляторной батареи.

            Буксируемый феррозондовый градиентометр на жёской измерительной базе ПБСТ [5] разработан на базе низко потребляющего накопителя данных (НД) и микро потребляющих комплектов МИП, выполненных на основе однокомпонентных феррозондовых датчиков. Этот диагностический прибор создан для бесконтактного сканирования трубопроводов (ПБСТ) в соответствии с требованиями и рекомендациями, изложенными в «Инструкции по диагностике технического состояния трубопроводов бесконтактным магнитометрическим методом. РД 102-008-2002». Функциональная схема ПБСТ, включает в себя два основных соединённых между собой узла,- устройство крепления датчиков (УКД) и БЭ. УКД представляет собой жёсткую раму длиной 2…3 м, на которой крепятся на определённом расстоянии друг от друга от трёх до пяти МИП в вертикальной или горизонтальной (в зависимости от выполняемых задач и методики работ) плоскости. На этой раме также установлен трёхкомпонентный цифровой акселерометр - устройство для измерения углов наклона (ЦИУН) всей измерительной системы в процессе её перемещения в пространстве. БЭ включает в себя встроенный пятиканальный АЦП и источник питания с питанием от встроенной аккумуляторной батареи, графический индикатор (ГИ) и плату НД.

        ПБСТ позволяет накапливать и хранить данные в процессе проведения работ во внутреннюю память, а также передавать накопленные данные по имеющимся каналам GPRS и BT на удалённый приёмный пункт (компьютер). Для привязки данных к местности и к мировому времени в прибор встроен модуль GPS. Разрешающая способность каждого из измерительных магнитометрических каналов составляет 1 нТл. Общее потребление МИП – не более 10…12,5 мА, а общее потребление всего прибора в режиме передачи данных через канал связи составляет 230 мА. ПБСТ можно успешно использовать в пешеходном режиме и при движении с буксировкой в качестве прицепа к транспортному средству по земной поверхности или на плоту – по воде. Прибор позволяет одновременно регистрировать данные каждого из МИП и градиенты поля между ними. Прибор может быть использован в качестве многоканальной вариационной станции,  при этом расстояния между соседними МИП можно увеличивать до 20 м и более с помощью удлинительных кабелей.

         Поисковый буксируемый феррозондовый магнитометр-градиентометр (ПБФМГ) является векторным прибором, который предназначен для измерения градиента модуля ВМИ поля Земли и его составляющих в двух разнесённых точках пространства. Этот прибор разработан и предназначен для проведения исследовательских, поисковых и специальных работ как на исследовательских судах, так и на маломерных судах и немагнитных надувных плавсредствах (шлюпках, катерах, плотах).  ПБФГМ  включает в себя две части: забортную и набортную, соединенные между собой кабелем-буксиром (при работе в режиме «жёсткой измерительной базы») или двумя кабелями при использовании двух ПГ раздельно, при работе с переменной «измерительной базой». Набортная часть прибора  состоит из БП и ПК. Забортная часть прибора включает в себя БК и две ПГ, которые буксируется на расстоянии не менее трех длин корпуса судна-буксировщика от его кормы (не более 100 м). «Измерительная база» между ПГ при этом составляет от 20 до 100 м. При использовании жёсткой «измерительной базы», её величина может меняться в пределах 3…6 м.

         МИП выполнены на базе феррозондовых датчиков типа FLC3-70 (Германия), сертифицированных во ВНИИМе, реализуют отсчётную точность измерения 1 нТл в диапазоне от 0 до ±70 мкТл и расположены в ПГ. Измеренная информация по линии связи (протокол RS-485) в цифровой форме передаётся на борт судна-буксировщика в ПК. Обе ПГ оснащены также цифровыми датчиками глубины (точность регистрации 0,1 м) и акселерометрами, позволяющими иметь информацию о глубине буксировки каждого датчика и динамике буксировочного процесса. Предусмотрена возможность работы прибора совместно с GPS-приёмником для привязки измеренных данных к координатам.

            Магнитометр аэростатный автоматический протонный (МААП) [6]  предназначен дл   измерения модуля ВМИ поля Земли и накопления данных во внутренней памяти. Основное назначение прибора - работа на борту дрейфующего СА. МААП позволяет проводить автономные синхронные автоматические измерения и включает в себя три основные части: БЭ и МЧД, соединенные между собой кабелем, а также источник питания  - аккумуляторную батарею (АБ). Прибор построен на принципе измерения периода прецессии ядер протоносодержащего рабочего вещества, поляризованных постоянным подмагничивающим полем. Для обеспечения экономии энергии АБ в процессе длительного полёта СА в качестве рабочего вещества применяться керосин. Максимальный импульсный ток при поляризации рабочего вещества не более 1,0 А. Цикл автоматических измерений может быть установлен в пределах от 3 до 60 с, при этом цикл поляризации (накачки) датчика, времена всех задержек и цикл отсчета (количество регистрируемых периодов сигнала прецессии) устанавливается оператором вручную (программно) перед началом измерений (полёта СА). МЧД магнитометра является датчиком погружного типа, выполненного в виде тора с диаметром 95 мм и высотой 62 мм. МЧД размещается в герметичном немагнитном контейнере (с внешними размерами: диаметр 145 мм и высота 100 мм), в который заливается рабочее вещество. Вес одного МЧД составляет не более 3 кг. Соединение между МЧД и БЭ, - двухпроводная линия с общим экраном. Длина соединительного кабеля между МЧД и БЭ для магнитометров, установленных в разных местах буксируемого комплекса СА, не одинакова: минимальная длина кабеля составляет 15 м, а максимальная - 30 м. БЭ представляет собой герметичный контейнер, выполненный, с целью облегчения его веса, полностью из ударопрочного пластика. Общий вес БЭ составляет не более 0,4 кг. Диапазон измерений МААП составляет от 35 до 65 мкТл, при этом цена единицы счета наименьшего разряда отсчетного устройства равна 1 нТл. 

           Основная абсолютная погрешность измерений магнитометра лежит в пределах ±1,5 нТл. Информация о величине модуля ВМИ записывается во внутреннюю память объёмом в 1 Мб, что позволяет при цикле измерения 1 мин накапливать измеренные магнитометром данные в течение 148 суток. Передача данных в ПК (в лабораторном режиме использования магнитометра) осуществляется по последовательному каналу по стандарту RS232C. Питание прибора осуществляется от источника постоянного тока (АБ) напряжением от 12 до 16 В, при этом потребляемая мощность при единичном измерении составляет не более 10 Вт.      Магнитометр МААП может быть использован в качестве системы накопления и сбора геофизической информации в комплексе с другими методами геофизических исследований, а также использоваться в статике, в качестве магнитной вариационной станции.

           Двухкомпонентный кварцевый градиентометр (КГ) [7, 8] является высоко чувствительным и высокоточным магнитометрическим инструментом, выполненным на основе кварцевых магнитных датчиков системы В.Н. Боброва. КГ предназначен для проведения научных и геофизических исследований и выполнен в виде лабораторного настольного прибора, состоящего из следующих основных устройств,- блока датчиков (БД) и блока электроники (БЭ), соединенных между собой при помощи кабелей длиной 5…6 м. БД включает в себя два кварцевых астатических градиентометра (КАГ) ∆Z и ∆Н, каждый из которых состоит из КМД с калибровочными катушками, фотопреобразователями и элементами точной настройки на магнитное поле в точке измерений, и элементов юстировки КАГ (немагнитных подставок с подъемными винтами). Оба КАГ конструктивно (при одинаковой длине "измерительной базы" равной 100 мм) отличаются друг от друга направлением подвески КМД на кварцевой нити. БЭ предназначен для управления работой прибора. БЭ совместно с КАГ представляет из себя МИП, осуществляющий преобразование градиента магнитного поля, зафиксированного на "измерительной базе" в напряжение по каждому из измерительных каналов КАГ. Динамический диапазон измерения градиента магнитного поля по каждой из составляющих ∆X (или ∆Y), ∆Z равен ± 250 нТл. Крутизна преобразования по каждому из МИП составляет 0,025 нТл/мВ. Напряжение постоянного тока на аналоговых выходах МИП лежит в пределах 0 ± 10 В. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц, при этом потребляемая мощность составляет не более 5 ВА. Масса всех отдельных блоков и кабелей, входящих в состав прибора не превышает 5 кг.

          Прибор может использоваться в качестве высокоточного двухкомпонентного регистратора градиента магнитного поля и его вариаций по заданным координатам на жесткой измерительной базе, применяться в качестве обсерваторского прибора с возможностью последующей передачи данных при помощи АЦП в ПК, использоваться в качестве магнитных весов, для проверки материалов на немагнитность, использоваться для подгонки и калибровки серийно выпускаемых изделий, использующих постоянные магниты, для общеобразовательных и специальных целей. КГ может эксплуатироваться в экспедиционных условиях при проведении комплексных геофизических измерений и геологических изысканий, для определения магнитных свойств горных пород. Прибор предназначен для длительной непрерывной работы в помещениях любого типа и размера, в условиях обсерватории с установкой датчиков на немагнитном постаменте или специальной немагнитной подставке. Максимальный градиент магнитного поля в месте установки КМД при проведении работ должен быть не более 5…10 нТл/м.

            Литература.

       1. Зверев А.С., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Морской буксируемый магнитометр-градиентометр MPMG-02 // Датчики и Системы / Новые приборы. М.: «ООО СенСиДат», 2005. No.1. С.56.

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

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

      4. Любимов В.В. Новые магнитометрические приборы для научных исследований // Приборы. М., 2009. №6. С.8-12.

      5. Кириаков В.Х., Любимов В.В. Прибор для бесконтактного сканирования, диагностики трубопроводов и поиска металлических масс // ПОЛАР 2012 / Материалы 2-й научной конференции «Базы данных, инструменты и информационные основы полярных геофизических исследований» 22-26 мая 2012 г ИЗМИРАН. Троицк, 2012. С.49-51.

     6. Кириаков В.Х., Любимов В.В., Цветков Ю.П. Протонный магнитометр для стратосферного аэростатного комплекса // Predni vedecke novinki – 2012 / Materialy VIII Mezinarodni vedecko-prakticka konference 27 srpna-05zari 2012/ Fyzika. Dil 10, Praha, 2012.S.46-51.

      7. Бобров В.Н.,  Бурцев Ю.А.,  Зубков Б.А.,  Любимов В.В.  Двухкомпонентный кварцевый градиентометр с малой измерительной базой для научных исследований // 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.28 – 31.

     8. Бобров В.Н., Бурцев Ю.А., Зубков Б.А., Любимов В.В.     Двухкомпонентный кварцевый градиентометр // Экономика и производство. /Технологии, оборудование, материалы / Журнал организаторов производства. М., 2006. No.4. С.55-57.