RU2008702C1

RU2008702C1 - Magnetic field variation station

Info

Publication number: RU2008702C1
Authority: RU
Inventors: В.В. Любимов
Original assignee: Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1991-09-26
Publication date: 1994-02-28

Abstract

FIELD: earth magnetic field examining. SUBSTANCE: magnetic field variation station is made on base of ferroprobe transducer which has balancing winding for out of metering part of earth magnetic field compensation. Station has electronic device, stepwise balancing block and recorder. Stepwise balancing block has reversing counter, digit-to-analog converter, reference voltage source, comparator, precision amplifier, standard resistance matrix, controlling element, direct current amplifier and control block. Precision amplifier drives controlling element which is connected in series with reference voltage source and balancing winding of ferroprobe to eliminate compensation current drift caused by ambient medium temperature variations. EFFECT: better operating of earth magnetic field variations metering station. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к геофизике, а именно к устройствам для измерения вариаций магнитных полей при геофизических исследованиях. The invention relates to geophysics, and in particular to devices for measuring variations of magnetic fields in geophysical studies.

Известно устройство для измерения слабых геомагнитных полей [1] , содержащее последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности, блок фильтров, феррозондовый датчик, избирательный усилитель, фильтр низких частот, измерительный прибор и синхронный детектор, выполненный по компенсационной схеме на усилителе с коммутацией перемены знака выходного напряжения, выходным каскадом которого является сумматор. В этом устройстве для повышения чувствительности и термостабильности задающий генератор выполнен на основе кварцевого резонатора и применен триггерный делитель частоты, а последовательно и встречно измерительной обмотке феррозонда подключен компенсатор неизмеряемой части магнитного поля, выполненный по схеме стабилизатора тока с токовым зеркалом. Использование компенсатора магнитного поля Земли (МПЗ) позволяет феррозондовому датчику постоянно находится в нулевом поле, а применение дифференциальной пары транзистора обеспечивает достаточно низкий температурный коэффициент датчика. A device for measuring weak geomagnetic fields [1], containing a serially connected master oscillator, a power amplifier, a filter unit, a flux-gate sensor, a selective amplifier, a low-pass filter, a measuring device and a synchronous detector made according to a compensation circuit on an amplifier with switching the output sign voltage, the output stage of which is the adder. In this device, to increase the sensitivity and thermal stability, the master oscillator is made on the basis of a quartz resonator and a trigger frequency divider is used, and a compensator of the unmeasured part of the magnetic field connected by a current stabilizer with a current mirror is connected in series and counter to the measuring coil of the flux-gate. The use of the Earth's magnetic field compensator (MES) allows the flux-gate sensor to be constantly in the zero field, and the use of a differential pair of the transistor provides a sufficiently low temperature coefficient of the sensor.

Известно, что одним из основным недостатков приборов, выполненных на основе феррозондовых датчиков, является наличие достаточно большого температурного коэффициента, то есть так называемого "температурного хода". При изменении температуры окружающей среды изменяется и активное сопротивление обмоток феррозондового датчика, выполненных, как правило, медным проводом (температурный коэффициент меди равен 0,0039 град^-1). Так, например, изменение температуры окружающей среды в течение суток ("суточный ход") на 15-20^оС ведет к изменению сопротивления обмоток феррозондового датчика примерно на 6-8% . Это приводит к изменению тока компенсации, например, в компенсационной обмотке феррозондового датчика, служащей для компенсации неизмеряемой части МПЗ. В этом случае применяемый компенсатор МПЗ должен автоматически отрабатывать это изменение с точностью по крайней мере 1˙ 10^-5, т. е. с точностью до 1 нТл удерживать феррозондовый датчик в нулевом поле.It is known that one of the main disadvantages of devices made on the basis of fluxgate sensors is the presence of a sufficiently large temperature coefficient, that is, the so-called "temperature stroke". When the ambient temperature changes, the active resistance of the flux-gate sensor windings, made, as a rule, with a copper wire (the temperature coefficient of copper is 0.0039 deg ^-1 ) also changes. For example, a change in ambient temperature throughout the day ( "diurnal variation") at 15-20 ^{° C} leads to a change in resistance fluxgate sensor windings by about 6-8%. This leads to a change in the compensation current, for example, in the compensation winding of the flux-gate sensor, which serves to compensate for the unmeasured part of the MPS. In this case, the applied MPZ compensator should automatically work out this change with an accuracy of at least 1˙10 ^-5 , i.e., keep the flux-probe sensor in a zero field with an accuracy of 1 nT.

Это практически означает, что ток компенсации неизмеряемой части МПЗ должен сохраняться с ошибкой не более 0,00005 мА (59 нА) при его величине порядка 5 мА (если постоянная компенсационной обмотки феррозондового датчика равна С_к = 10000 нТл/мП). Однако такое устройство, выполненное на транзисторах с регулировкой на постоянном токе, не позволяет реализовать требуемую точность при изменяющейся температуре окружающей среды.This practically means that the compensation current of the unmeasured part of the MES should be saved with an error of not more than 0.00005 mA (59 nA) at its value of the order of 5 mA (if the constant of the compensation winding of the flux-probe sensor is equal to С _к = 10000 nT / mP). However, such a device, made on transistors with adjustable direct current, does not allow to realize the required accuracy with a changing ambient temperature.

Практика разработки, испытаний и применений такого типа устройств показывает, что максимально достижимый относительный температурный коэффициент феррозондового датчика при такой [1] схеме построения компенсатора неизмеряемой части МПЗ лежит в пределах от 10 ˙ 10^-6 до 30 ˙ 10^-6 град^-1 в диапазоне температур от -70 до +70^оС, что приводит к появлению значительной дополнительной погрешности измерений, связанной с изменением температуры окружающей среды.The practice of development, testing and applications of this type of device shows that the maximum achievable relative temperature coefficient of the flux-gate sensor with this [1] design of the compensator for the unmeasured part of the MPZ lies in the range from 10 ˙ 10 ^-6 to 30 ˙ 10 ^-6 deg ^-1 in the range temperatures from -70 to +70 ^C, which leads to significant additional measurement error associated with a change in ambient temperature.

Известный феррозондовыый магнитометр [2] , принятый за прототип, содержит феррозондовый датчик с компенсационной обмоткой, блок электроники и блок ступенчатой компенсации поля, включающий в себя реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), источник опорного напряжения, компаратор и схему управления. В этом магнитометре компенсационная обмотка феррозондового датчика намотана на каркасе из слюдоситала, имеющего очень малый температурный коэффициент, что позволило снизить относительный температурный коэффициент блока датчиков до значения 7 ˙ 10^-6/^оС. При этом рядом с феррозондовым датчиком установлен датчик температуры, позволяющий одновременно с измерениями поля измерять и температуру окружающей среды в месте установки датчика и при обработке результатов учитывать дополнительные влияющие факторы.The well-known flux-gate magnetometer [2], adopted as a prototype, contains a flux-gate sensor with a compensation winding, an electronics unit and a step-by-step field compensation unit, including a reversible counter, a digital-to-analog converter (DAC), a voltage reference, a comparator, and a control circuit. In this magnetometer, the compensation winding of the flux-gate sensor is wound on a mica frame with a very small temperature coefficient, which allowed reducing the relative temperature coefficient of the sensor block to 7 ˙ 10 ^-6 / ^о С. At the same time, a temperature sensor is installed next to the flux-gate sensor, which allows simultaneously with field measurements, measure the ambient temperature at the installation site of the sensor and, when processing the results, take into account additional influencing factors.

Недостатком такого магнитометра является то, что истинные результаты измерения магнитного поля нельзя получать в темпе эксперимента, а только после проведения обработки, включающей вычитание из полученных результатов дополнительной погрешности, связанной с изменением температуры окружающей среды в период проведения измерений магнитного поля. Т. е. результаты измерения магнитного поля у [2] будут осложнены наличием "температурного дрейфа" датчика. The disadvantage of such a magnetometer is that the true results of measuring the magnetic field cannot be obtained at the pace of the experiment, but only after processing, including subtracting from the obtained results an additional error associated with changes in ambient temperature during the measurement of the magnetic field. That is, the results of measuring the magnetic field in [2] will be complicated by the presence of a “temperature drift” of the sensor.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет исключения погрешности, связанной с температурной нестабильностью параметров феррозондового датчика. The purpose of the invention is to improve the accuracy of measurements by eliminating the error associated with temperature instability of the parameters of the flux-gate sensor.

Скомпенсировать температурный дрейф феррозондового датчика можно, если, реализуя мостовую схему измерения, производить преобразование медленно меняющегося от изменения температуры сопротивления компенсационной обмотки феррозондового датчика относительно опорного температуронезависимого резистора в переменное напряжение для его последующего усиления, детектирования обратного преобразования в постоянное напряжение, которое служит для управления регулирующим элементом, включенным последовательно в цепь с источником опорного напряжения и компенсационной обмоткой феррозондового датчика. В этом случае можно организовать следящее устройство, точность которого будет определяться коэффициентом усиления петли обратной связи, а именно коэффициентом усиления усилителя переменного тока. It is possible to compensate for the temperature drift of a flux-gate sensor if, by implementing a bridge measurement circuit, the resistance of the compensation winding of the flux-gate sensor relative to the reference temperature-independent resistor is converted to an alternating voltage slowly varying with a temperature, for its subsequent amplification, and detection of the inverse conversion to direct voltage, which serves to control the regulating an element connected in series with the source of reference maskers and compensation winding fluxgate sensor. In this case, you can organize a tracking device, the accuracy of which will be determined by the gain of the feedback loop, namely the gain of the AC amplifier.

Цель достигается тем, что в магнитную вариационную станцию, содержащую феррозондовый датчик с компенсационной обмоткой, блок электроники, блок ступенчатой компенсации поля, включающий в себя реверсивный счетчик, ЦАП, источник опорного напряжения, компаратор и схему управления, и регистратор, первый и второй входы которого подключены к седьмому и первому выходам соответственно блока электроники и блока ступенчатой компенсации поля, второй и третий выходы которого соединены соответственно с четвертым и пятым входами феррозондового датчика, а первый, второй и третий выходы подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому выходам блока электроники, первый, второй входы и первый, второй, третий выходы которого соединены с одноименными выходами и входами феррозондового датчика, при этом первый и второй входы блока ступенчатой компенсации поля являются соответственно первым и вторым входами схемы управления и реверсивного счетчика, первые выход и вход которых соединены между собой, а выход реверсивного счетчика подключен к первому входу ЦАП, первый и второй выходы которого являются соответственно первым и вторым выходами блока ступенчатой компенсации поля, а второй вход ЦАП соединен с одноименным выходом схемы управления, второй и третий входы которой подключены соответственно к выходу компаратора и третьему выходу источника опорного напряжения, второй выход которого является третьим выходом блока ступенчатой компенсации поля, а первый выход подключен к одноименному входу компаратора, второй вход которого является третьим выходом блока ступенчатой компенсации поля, согласно предлагаемому изобретению, дополнительно в состав схемы блока ступенчатой компенсации поля введены прецизионный усилитель, матрица эталонных сопротивлений, усилитель постоянного тока и регулирующий элемент, выход которого подключен к пятому входу феррозондового датчика и является третьим выходом блока ступенчатой компенсации поля, а первый и второй входы соединены соответственно с вторым выходом источника опорного напряжения и с выходом прецизионного усилителя, первый и второй входы которого подключены соответственно к одноименным выходам матрицы эталонных сопротивлений, второй вход которой подключен к четвертому выходу источника опорного напряжения, а третий выход соединен с четвертым входом феррозондового датчика и является одновременно вторым выходом блока ступенчатой компенсации поля, а первый вход матрицы эталонных сопротивлений соединен через усилитель постоянного тока с вторым выходом ЦАП. The goal is achieved by the fact that in a magnetic variation station containing a flux-gate sensor with a compensation winding, an electronics unit, a step field compensation unit, including a reversible counter, a DAC, a voltage reference, a comparator and a control circuit, and a recorder, the first and second inputs of which connected to the seventh and first outputs, respectively, of the electronics unit and the step compensation unit of the field, the second and third outputs of which are connected respectively to the fourth and fifth inputs of the flux-gate sensor Ika, and the first, second and third outputs are connected respectively to the fourth, fifth and sixth outputs of the electronics unit, the first, second inputs and the first, second, third outputs of which are connected to the outputs and inputs of the flux-probe sensor of the same name, while the first and second inputs of the step block field compensation are respectively the first and second inputs of the control circuit and the reverse counter, the first output and input of which are interconnected, and the output of the reverse counter is connected to the first input of the DAC, the first and second outputs the first and second outputs of the step-by-step field compensation unit, respectively, and the second input of the DAC is connected to the same output of the control circuit, the second and third inputs of which are connected respectively to the output of the comparator and the third output of the reference voltage source, the second output of which is the third output of the step-by-step field compensation unit and the first output is connected to the comparator of the same name, the second input of which is the third output of the step field compensation unit, according to the proposed iso In addition, a precision amplifier, a reference resistance matrix, a direct current amplifier, and a regulating element, the output of which is connected to the fifth input of the fluxgate sensor and is the third output of the step field compensation unit, and the first and second inputs are connected respectively the second output of the reference voltage source and with the output of a precision amplifier, the first and second inputs of which are connected respectively to the outputs of the same matrix reference resistances, the second input of which is connected to the fourth output of the reference voltage source, and the third output is connected to the fourth input of the flux-gate sensor and is simultaneously the second output of the step-by-step field compensation unit, and the first input of the reference resistance matrix is connected through the DC amplifier to the second output of the DAC.

С целью повышения точности преобразования в управляющий сигнал изменения медленно меняющегося от температуры сопротивления компенсационной обмотки феррозондового датчика, в схему блока ступенчатой компенсации магнитной вариационной станции введен дополнительный прецизионный усилитель, включающий в себя предусилитель постоянного тока с преобразованием сигнала типа М-ДМ (предусилитель М-ДМ), усилитель и интегратор, выход которого является выходом прецизионного усилителя, а вход через усилитель подключен к выходу предусилителя М-ДМ, первый и второй входы которого являются одноименными входами прецизионного усилителя. Введенная с целью повышения термостабильности в схему магнитной вариационной станции матрица эталонных сопротивлений выполнена на одной подложке. In order to increase the accuracy of conversion into a control signal of a change in the resistance of the compensation winding of a flux-gate sensor slowly varying with temperature, an additional precision amplifier is introduced into the step compensation module of the magnetic variation station, which includes a DC preamplifier with signal conversion of the M-DM type (M-DM preamplifier ), an amplifier and integrator, the output of which is the output of a precision amplifier, and the input through the amplifier is connected to the output of the M-DM preamplifier, the first and second inputs of which are the inputs of the same precision amplifier. The matrix of reference resistances introduced in order to increase thermostability in the circuit of the magnetic variation station is made on one substrate.

С целью дополнительного повышения точности измерений за счет исключения влияния температуры окружающей среды на результаты измерений магнитного поля в состав блока ступенчатой компенсации магнитной вариационной станции введен дополнительный саморегулирующийся позисторный нагреватель, внутри которого расположены матрица эталонных сопротивлений, а также некоторые температурозависимые элементы схемы ЦАП и источника опорного напряжения, причем третий вход ЦАП соединен с входом источника опорного напряжения и подключен к первому выходу саморегулирующегося позисторного нагревателя, второй выход которого подключен к третьему входу матрицы эталонных сопротивлений. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна". In order to further improve the accuracy of measurements by eliminating the influence of ambient temperature on the results of magnetic field measurements, an additional self-regulating posistor heater is introduced into the step compensation module of the magnetic variation station, inside of which there is a matrix of reference resistances, as well as some temperature-dependent elements of the DAC circuit and the voltage reference source and the third input of the DAC is connected to the input of the reference voltage source and is connected to the first ode posistor self-regulating heater, the second output of which is connected to the third input of the matrix of reference resistances. Thus, the claimed device meets the criterion of "novelty."

Такое схемное решение предлагаемого устройства позволит при дополнительной термостабилизации опорного резистора снизить погрешность, связанную с температурной нестабильностью феррозондового датчика, примерно на 1-2 порядка по сравнению с устройством [1] , работающим на постоянном токе, не применяя дополнительных линий связи, как у [2] , и получить результаты измерений, свободные от "температурного хода", в темпе эксперимента. Such a circuit solution of the proposed device will allow, with additional thermal stabilization of the reference resistor, to reduce the error associated with the temperature instability of the flux-gate sensor by about 1-2 orders of magnitude compared to a device [1] operating on direct current without using additional communication lines, like in [2 ], and obtain measurement results free of the “temperature behavior” at the pace of the experiment.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволило упростить связь феррозондового датчика с блоком электроники, сократив две дополнительные линии связи, и исключить из схемы магнитной вариационной станции дополнительный измерительный канал, предназначенный для измерения температуры блока датчиков, тем самым увеличив удельную плотность полезной фиксируемой регистратором информации об измеряемом магнитном поле на единицу объема носителя, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия". Compared with the prototype, the proposed device made it possible to simplify the connection of the flux-gate sensor with the electronics unit by reducing two additional communication lines and excluding from the circuit of the magnetic variation station an additional measuring channel designed to measure the temperature of the sensor block, thereby increasing the specific gravity of useful information recorded by the recorder on the measured magnetic field per unit volume of the carrier, which allows us to conclude that the criterion of "significant differences".

На чертеже представлена блок-схема предлагаемой магнитной вариационной станции. The drawing shows a block diagram of the proposed magnetic variation station.

Магнитная вариационная станция содержит феррозондовый датчик 1 с компенсационной обмоткой 2, блок 3 электроники, регистратор 4 и блок 5 ступенчатой компенсации поля (БСКП). В состав БСКП 5 входят: реверсивный счетчик 6, ЦАП 7, источник 8 опорного напряжения (ИОН) с компаратором 9 и схемой 10 управления, а также матрицы 11 эталонных сопротивлений (МЭС), усилитель 12 постоянного тока (УПТ), элемент 13 регулирующий, прецизионный усилитель 14, включающий в себя предусилитель 15 М-ДМ, усилитель 16 и интегратор 17. The magnetic variation station contains a flux-gate sensor 1 with a compensation winding 2, an electronics unit 3, a recorder 4, and a step field compensation unit 5 (BSKP). The structure of the BSCP 5 includes: a reversible counter 6, DAC 7, a reference voltage source (ION) 8 with a comparator 9 and a control circuit 10, as well as a matrix of 11 reference resistances (MES), a DC amplifier 12 (DC), the control element 13, precision amplifier 14, including a preamplifier 15 M-DM, amplifier 16 and integrator 17.

При этом реализуется мостовая измерительная схема, в одно из плеч которой включен ЦАП 7 с УПТ 12 и схемой 10 управления, во второе и третье плечи включены два одинаковых эталонных сопротивления, входящие в состав МЭС 11 и размещенные, с целью повышения термостабильности, на одной подложке, а в четвертое плечо последовательно с компенсационной обмоткой 2 феррозондового датчика 1 включен элемент 13 регулирующий. Одна из диагоналей этой мостовой измерительной схемы соединена с ИОН 8, а в другую диагональ включен прецизионный усилитель 14, выход которого подключен к второму входу элемента 13 регулирующего. In this case, a bridge measuring circuit is implemented, in one of the arms of which there is a DAC 7 with UPT 12 and a control circuit 10, in the second and third arms are included two identical reference resistances, which are part of MES 11 and placed, on the basis of increasing thermal stability, on one substrate and in the fourth arm in series with the compensation winding 2 of the flux-gate sensor 1, an element 13 is included. One of the diagonals of this bridge measuring circuit is connected to ION 8, and a precision amplifier 14 is included in the other diagonal, the output of which is connected to the second input of the regulating element 13.

Для обеспечения термостабильности отдельные элементы мостовой измерительной схемы, такие как МЭС 11, точные резисторы и стабилитроны ИОН 8 и резисторная матрица ЦАП 7, установлены внутри саморегулирующегося позисторного нагревателя 18, который может быть выполнен как секционным (для каждого из выше перечисленных элементов схемы), так и единым для всей конструкции и, в зависимости от приложенного к нему напряжения питания, может автоматически поддерживать температуру внутри на уровне, например, +45. . . 55^оС с точностью порядка 1. . . 2^оС.To ensure thermal stability, individual elements of the bridge measuring circuit, such as MES 11, accurate resistors and zener diodes ION 8 and the resistor matrix of the DAC 7, are installed inside the self-regulating posistor heater 18, which can be performed as sectional (for each of the above listed circuit elements), so and uniform for the whole structure and, depending on the supply voltage applied to it, can automatically maintain the internal temperature at, for example, +45. . . 55 ^о С with an accuracy of the order of 1.. . 2 ^about S.

Магнитная вариационная станция работает следующим образом. В исходном состоянии на первом и третьем выходах ИОН 8 сформированы опорные напряжения U_оп1 и U_оп2, определяемые соответственно динамическим диапазоном работы феррозондового датчика 1 в нулевом магнитном поле и диапазоном преобразования ЦАП 7, а на втором выходе ИОН 8 сформировано опорное напряжение U_оп3, предназначенное для питания схемы измерительного моста. На выходе реверсивного счетчика 6 установлен код, соответствующий значению ступени компенсации неизмеряемой части МПЗ в районе проведения измерений, а через ветвь измерительного моста, включающую схему 10 управления, ЦАП 7, УПТ 12 и одно из эталонных сопротивлений МЭС 11, протекает ток I₁, соответствующий полю компенсации неизмеряемой части МПЗ для введения феррозондового датчика 1 в нулевое поле и зависящий от величины опорного напряжения U_оп2. Через другую ветвь измерительного моста, включающую элемент 13 регулирующий, компенсационную обмотку 2 феррозондового датчика 1 и другое эталонное сопротивление МЭС 11, течет ток I₂, определяемый постоянной Ск и активным сопротивлением компенсационной обмотки 2 феррозондового датчика 1, величиной переходного сопротивления элемента 13 регулирующего, сопротивлением второго эталонного сопротивления МЭС 11 и зависящий от величины опорного напряжения U_оп3. В исходном состоянии неизмеряемая часть МПЗ полностью скомпенсирована током I₂, протекающим в компенсационной обмотке 2 феррозондового датчика 1. На шестом выходе блока 3 электроники (аналоговом выходе магнитометра) сформирован выходной сигнал магнитометра - аналоговое напряжение U_а, пропорциональное амплитуде вариации магнитного поля в данный момент времени в выбранной точке измерения. Величина этого напряжения определяется динамическим диапазоном измерения вариаций магнитной вариационной станции и лежит в пределах 0 ≅ U_a ≅ U_оп1. При этом на выходе компаратора 9 сформирован потенциал, соответствующий логическому "0", падения напряжений на обоих эталонных сопротивлениях МЭС 11, определяемые протекающими по ним токам I₁ и I₂, будут одинаковы U₁ = U₂, а разность потенциалов в диагонали измерительного моста будет равна нулю, т. е. между первым и вторым входами прецизионного усилителя 14 (предусилителя 15 М-ДМ) будет U = 0. Частота преобразования для усилителя 15 М-ДМ (модулятор-демодулятор) f_м = 1 кГц выбрана примерно на 2-3 порядка выше частоты f_D, поступающей на второй вход реверсивного счетчика 6 с пятого выхода блока 3 электроники, и, в общем случае, может быть выбрана даже равной частоте возбуждения феррозондового датчика 1.Magnetic variation station operates as follows. In the initial state, at the first and third outputs of ION 8, reference voltages U _op1 and U _{op2 are formed} , which are determined respectively by the dynamic range of operation of the flux-gate sensor 1 in a zero magnetic field and the conversion range of DAC 7, and at the second output of ION 8, a reference voltage U _{op3 is formed} , intended to power the measuring bridge circuit. At the output of the reversible counter 6, a code is set corresponding to the value of the compensation stage of the unmeasured part of the MPZ in the area of measurement, and through the branch of the measuring bridge, including the control circuit 10, DAC 7, UPT 12 and one of the reference resistances of MES 11, current I ₁ corresponding to the compensation field of the unmeasured part of the MPZ for introducing the flux-gate sensor 1 into the zero field and depending on the value of the reference voltage U _op2 . Through another branch of the measuring bridge, which includes the regulating element 13, the compensation winding 2 of the flux-gate sensor 1 and another reference resistance MES 11, a current I ₂ flows, determined by the constant Ck and the active resistance of the compensation winding 2 of the flux-gate sensor 1, the transition resistance of the regulating element 13, the resistance the second reference resistance MES 11 and depending on the value of the reference voltage U _op3 . In the initial state, the non-measurable part of the MPS is completely compensated by the current I ₂ flowing in the compensation winding 2 of the flux-gate sensor 1. At the sixth output of the electronics block 3 (analog output of the magnetometer), the output signal of the magnetometer is formed - the analog voltage U _a , which is proportional to the amplitude of the magnetic field variation at the moment time at the selected measurement point. The magnitude of this voltage is determined by the dynamic measurement range of the variations of the magnetic variation station and lies in the range 0 ≅ U _a ≅ U _op1 . In this case, at the output of the comparator 9, a potential corresponding to the logical “0” is formed, the voltage drops at both reference resistances of MES 11, determined by the currents I ₁ and I ₂ flowing through them, will be the same U ₁ = U ₂ , and the potential difference in the diagonal of the measuring bridge will be zero, that is, between the first and second inputs of the precision amplifier 14 (preamplifier 15 M-DM) will be U = 0. The conversion frequency for the amplifier 15 M-DM (modulator-demodulator) f _m = 1 kHz is selected at about 2 -3 orders of magnitude higher than the frequency f _D entering the second input reversing counter 6 from the fifth output of the electronics unit 3, and, in the general case, can even be chosen equal to the excitation frequency of the flux-gate sensor 1.

Ток I₂, протекающий в компенсационной обмотке 2, создает заданную величину компенсирующего поля для феррозондового датчика 1. В исходном состоянии измерительный мост находится в скомпенсированном равновесии, и любое изменение сопротивления компенсационной обмотки 2 от температуры приведет к разбалансу мостовой схемы U₁ ≠ U₂. При этом в диагонали измерительного моста (на входе прецизионного усилителя 14) появится разность потенциалов U ≠ 0. При помощи предусилителя 15 М-ДМ это постоянное напряжение преобразуется в низкочастотное переменное напряжение (частотой, например, f_м = 1 кГц), усиливается, детектируется демодулятором и поступает на вход усилителя 16, который обеспечивает необходимое усиление сигнала для обеспечения общего коэффициента усиления прецизионного усилителя 14, т. е. для обеспечения общего коэффициента усиления петли обратной связи следящей системы. С выхода усилителя 16 усиленное переменное напряжение поступает на вход интегратора 17, где оно преобразуется в постоянное напряжение, которое поступает на второй вход элемента 13 регулирующего и является для него управляющим напряжением. Элемент 13 регулирующий в зависимости от знака и величины разности потенциалов U в диагонали измерительного моста увеличивает или уменьшает величину тока I₂, протекающего в компенсационной обмотке 2. Скорость обработки разбаланса в диагонали измерительного моста определяется частотой модуляции f_м и постоянной времени интегратора 17.The current I ₂ flowing in the compensation winding 2 creates a predetermined value of the compensating field for the flux probe 1. In the initial state, the measuring bridge is in compensated equilibrium, and any change in the resistance of the compensation winding 2 from temperature will lead to the unbalance of the bridge circuit U ₁ ≠ U ₂ . In this case, a potential difference U ≠ 0 will appear in the diagonal of the measuring bridge (at the input of the precision amplifier 14). Using a 15 M-DM preamplifier, this constant voltage is converted to a low-frequency alternating voltage (frequency, for example, f _m = 1 kHz), amplified, detected demodulator and is fed to the input of the amplifier 16, which provides the necessary signal amplification to ensure the overall gain of the precision amplifier 14, i.e., to provide the overall gain of the feedback loop of the tracking system we. From the output of the amplifier 16, the amplified alternating voltage is supplied to the input of the integrator 17, where it is converted to a constant voltage, which is supplied to the second input of the regulating element 13 and is a control voltage for it. The control element 13, depending on the sign and the value of the potential difference U in the diagonal of the measuring bridge, increases or decreases the amount of current I ₂ flowing in the compensation winding 2. The processing speed of the unbalance in the diagonal of the measuring bridge is determined by the modulation frequency f _m and the time constant of the integrator 17.

Изменение внешнего магнитного поля вызывает изменение величины аналогового напряжения U_a на шестом выходе блока 3 электроники. Если величина U_a выходит за пределы указанного диапазона (U_a < 0 или U_a > U_оп1), то на выходе компаратора 9 формируется потенциал, соответствующий логической "1", а на первом выходе схемы 10 управления формируется потенциал, соответствующий логической "1", если U_a > U_оп1 или соответствующий логическому "0", если U_a < 0. При этом на второй (счетный) вход реверсивного счетчика 6 начинают поступать импульсы частотой f_D с пятого выхода блока 3 электроники. Каждый импульс частоты f_D, поступающий на счетный вход реверсивного счетчика 6, в зависимости от потенциала на его первом входе изменяет код, записанный в этом счетчике и соответствующий предыдущему значению поля компенсации неизмеряемой части МПЗ, увеличивая или уменьшая его значение. Этот код, поступая на первый вход ЦАП 7, преобразуется в аналоговое напряжение и далее, на выходе УПТ 12, преобразуется в ток I₁ ¹, который отличается от тока I₁ на величину, пропорциональную увеличению или уменьшению кода на первом входе ЦАП 7. При этом ток I₁ ¹ вызывает разбаланс измерительного моста, т. е. U ≠ 0, что, в свою очередь, приводит, как было описано выше, к изменению тока I₂ до тех пор, пока измерительный мост не установится в скомпенсированное равновесие, т. е. когда 0 ≅ U_a≅ ≅ U_оп1 и U = 0. В этом случае на выходе компаратора 9 устанавливается потенциал, соответствующий логическому "0", и перестают поступать импульсы с частотой f_D на второй вход реверсивного счетчика 6 с пятого выхода блока 3 электроники. Система входит в следящий режим, а на втором выходе схемы 10 управления формируется импульс частоты f_D/n, поступающей с четвертого выхода блока 3 электроники, который поступает на второй вход ЦАП 7 и перезаписывает информацию о номере ступени компенсации неизмеряемой части МПЗ и ЦАП 7 на второй вход регистратора 4, на первый вход которого одновременно записывается информация о величине вариации измеренного магнитного поля с седьмого выхода блока 3 электроники.A change in the external magnetic field causes a change in the magnitude of the analog voltage U _a at the sixth output of the electronics unit 3. If the value of U _a falls outside the specified range (U _a <0 or U _a > U _op1 ), then at the output of the comparator 9 a potential corresponding to a logical "1" is formed, and at the first output of the control circuit 10 a potential corresponding to a logical "1 ", if U _a > U _op1 or corresponding to a logical" 0 ", if U _a <0. In this case, pulses of frequency f _D from the fifth output of the electronics unit 3 begin to arrive at the second (counting) input of the reverse counter 6. Each frequency pulse f _D arriving at the counting input of the reversible counter 6, depending on the potential at its first input, changes the code recorded in this counter and corresponding to the previous value of the compensation field of the unmeasured part of the MPZ, increasing or decreasing its value. This code, arriving at the first input of DAC 7, is converted to analog voltage and then, at the output of UPT 12, it is converted to current I ₁ ¹ , which differs from current I ₁ by a value proportional to the increase or decrease of code at the first input of DAC 7. When this current I ₁ ¹ causes the imbalance of the measuring bridge, i.e., U ≠ 0, which, in turn, leads, as described above, to a change in current I ₂ until the measuring bridge is in a compensated equilibrium, t . e. when 0 ≅ U _a ≅ ≅ U _OP1 and U = 0. In this case, the output of the comparator 9 is set otentsial corresponding to the logical "0", and may not receive pulses at a frequency f _D at the second input of down counter 6 to the fifth output unit 3 electronics. The system enters a follow-up mode, and a pulse of frequency f _D / n is generated at the second output of the control circuit 10, which arrives from the fourth output of the electronics unit 3, which is fed to the second input of the DAC 7 and overwrites the information about the compensation stage number of the unmeasured part of the MPZ and DAC 7 to the second input of the recorder 4, the first input of which simultaneously records information about the magnitude of the variation of the measured magnetic field from the seventh output of the electronics unit 3.

На чертеже видно, что БСКП 5 включает в свой состав как бы две петли обратной связи, одна из которых формирует эталонный ток I₁ для компенсации неизмеряемой части МПЗ, который служит для ввода феррозондового датчика 1 в нулевое поле (т. е. для обеспечения условия 0 ≅ U_a ≅ U_оп1), а другая служит для поддержания состояния скомпенсированного равновесия в диагонали измерительного моста (для выполнения условия U₁ = U₂ и U = 0), т. е. для устранения всех изменений, связанных с изменением величины сопротивления компенсационной обмотки 2 феррозондового датчика 1, определяемых изменением температуры окружающей среды.It can be seen in the drawing that BSCP 5 includes, as it were, two feedback loops, one of which generates a reference current I ₁ to compensate for the unmeasured part of the MES, which serves to enter the flux-gate sensor 1 into a zero field (i.e., to ensure the condition 0 ≅ U _a ≅ U _op1 ), and the other serves to maintain the state of compensated equilibrium in the diagonal of the measuring bridge (to satisfy the conditions U ₁ = U ₂ and U = 0), i.e., to eliminate all changes associated with a change in the resistance compensation winding 2 fluxgate dates ika 1, determines the change in the ambient temperature.

Для обеспечения одинакового изменения сопротивления отдельных эталонных сопротивлений, входящих в состав МЭС 11, при изменении температуры окружающей среды, все они расположены максимально близко друг к другу и установлены на одной подложке. В этом случае МЭС 11 может быть выполнена в виде микросхемы или можно использовать типовые интегральные микросхемы серии 318, например, 318НР8В. Тем самым можно по крайней мере в 2-3 раза повысить термостабильность опорных элементов измерительной следящей системы. To ensure the same change in the resistance of the individual reference resistances that make up MES 11 when the ambient temperature changes, they are all located as close to each other as possible and are installed on the same substrate. In this case, the MES 11 can be made in the form of a microcircuit, or typical integrated circuits of the 318 series, for example, 318НР8В, can be used. Thus, it is possible to at least 2-3 times increase the thermal stability of the supporting elements of the measuring tracking system.

Для повышения точности измерений при больших изменениях температуры окружающей среды МЭС 11 совместно с отдельными ответственными за точность формирования тока I₁элементами схем ЦАП 7 и ИОН 8 (например, точные сопротивления, стабилитроны) могут быть установлены внутри саморегулирующегося позисторного нагревателя 18, температура внутри которого зависит от величины приложенного к нему постоянного напряжения. При этом простой одноступенчатый термостат, выполненный на основе саморегулирующегося позисторного нагревателя, позволяет поддерживать температуру внутри него с точностью 1-2^оС на уровне, например, 45-55^оС при изменении температуры окружающей среды в диапазоне, например, от -10 до +40^оС, что позволяет повысить точность формирования и стабильность тока I₁ и тем самым примерно в 10-20 раз уменьшить погрешность измерения, связанную с температурной нестабильностью сопротивления компенсационной обмотки 2 феррозондового датчика 1.To increase the accuracy of measurements with large changes in the ambient temperature, MES 11 together with individual elements of the DAC 7 and ION 8 circuits responsible for the accuracy of current formation I ₁ (for example, exact resistances, zener diodes) can be installed inside a self-regulating posistor heater 18, the temperature inside of which depends from the value of the constant voltage applied to it. In this simple single stage thermostat configured based self-regulating heater posistor, it allows to maintain the temperature inside it to within 2.1 ^{° C} at, e.g., 45-55 ° ^C under the ambient temperature in the range, for example, from -10 to + 40 ^° C, which improves the accuracy of formation and stability of the current I ₁ and thereby approximately 10-20 times to reduce the measurement error associated with the temperature instability of the resistance of the compensation winding 2 of the flux-gate sensor 1.

Саморегулирующийся позисторный нагреватель 18 может быть выполнен как единым для всех температурозависимых элементов схемы, так и может быть сделан секционным, т. е. для каждого из температурозависимых элементов магнитной вариационной станции, расположенных в различных ее блоках. При этом основным критерием для его установки в том или ином блоке станции является только наличие питающего напряжения постоянного тока. The self-regulating posistor heater 18 can be made uniform for all temperature-dependent elements of the circuit, or it can be made sectional, that is, for each of the temperature-dependent elements of a magnetic variation station located in its various blocks. In this case, the main criterion for its installation in a particular station block is only the presence of a DC supply voltage.

Реализация предлагаемого устройства возможна полностью на интегральных микросхемах. Например, компаратор 9 может быть выполнен на интегральном компараторе типа К554СА1 или К554СА3, реверсивный счетчик 6 может быть построен на двоичных счетчиках типа К561ИЕ11, схема управления может быть выполнена на IK-триггерах типа К561ТВ1, на инверторах К561ЛН1 или К561ЛН2 и на схемах совпадения К561ЛА7. Схема ЦАП может быть построена на основе микросхем К572ПА1 или К572ПА2, а УПТ 12 может быть выполнен на базе операционного усилителя КР140УД1208 или К140УД8. ИОН 8 может быть выполнен на базе операционного усилителя КМ551УД1 или 153УД5 и прецизионных стабилитронов типа КС191Ф или Д818Е, а прецизионный усилитель 14 может быть собран с применением операционных усилителей К140УД13 и К140УД6. В качестве МЭС 11 может быть использована, как было указано выше, микросхема 318НР8В, а элемент 13 регулирующий может быть выполнен на полевом транзисторе КП303В или КПС104А. В качестве регистратора 4 может быть использован бытовой кассетный магнитофон или типовой двухканальный самопишущий потенциометр, а в качестве датчика 1 с компенсационной обмоткой 2 может применяться, например, магнитометр СГ-76, сопротивление компенсационной обмотки которого равно 100 Ом, а постоянная С_к = 10000 нТл/мА.Implementation of the proposed device is possible entirely on integrated circuits. For example, comparator 9 can be performed on an integral comparator of type K554CA1 or K554CA3, a reverse counter 6 can be built on binary counters of type K561IE11, the control circuit can be performed on IK-triggers of type K561TV1, on inverters K561LN1 or K561LN2 and on matching circuits. The DAC circuit can be built on the basis of K572PA1 or K572PA2 microcircuits, and the UPT 12 can be made on the basis of the operational amplifier KR140UD1208 or K140UD8. ION 8 can be made on the basis of the operational amplifier KM551UD1 or 153UD5 and precision stabilitrons of the type KS191F or D818E, and the precision amplifier 14 can be assembled using operational amplifiers K140UD13 and K140UD6. As MES 11 can be used, as indicated above, the chip 318НР8В, and the regulatory element 13 can be performed on a field transistor KP303V or KPS104A. As a recorder 4, a household cassette recorder or a typical two-channel recording potentiometer can be used, and as a sensor 1 with a compensation winding 2, for example, a SG-76 magnetometer can be used, the compensation winding of which is 100 Ohms, and the constant С _к = 10000 nT / mA.

Предложенная схема позволяет значительно уменьшить погрешность, вызванную температурной нестабильностью параметров феррозондового датчика, а именно погрешность, связанную с температурным дрейфом тока компенсации I₂, который с определенной точностью должен удерживать датчик магнитной вариационной станции в диапазоне измерений, т. е. в диапазоне нулевых полей. Эта погрешность может быть уменьшена по крайней мере на порядок по сравнению с прототипом. Применение матрицы эталонных сопротивлений, выполненных на одной общей подложке, позволяет повысить термостабильность следящей измерительной системы, реализованной в схеме магнитной вариационной станции, что позволит снизить обычную погрешность измерений, связанную с наличием межблочного температурного градиента и разными температурными зависимостями входящих в эти блоки элементов, примерно в 2-3 раза. Применение дополнительного термостатирования температурозависимых прецизионных элементов схем станции, ответственных за точность поддержания тока I1, выполненное на основе саморегулирующегося позисторного нагревателя, позволяет снизить погрешность, связанную с температурной нестабильностью сопротивления компенсационной обмотки феррозондового датчика, примерно на 1-2 порядка по сравнению с прототипом, и тем самым повысить точность измерения магнитного поля. Такая схема построения станции позволяет избавиться от дополнительных линий связи феррозондового датчика с блоком электроники, необходимых, как у прототипа, для контроля температуры в блоке датчика, и получать результаты измерения, свободные от влияния температуры окружающей среды, в темпе эксперимента. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1347063, кл. G 01 V 3/00, 1987.The proposed scheme makes it possible to significantly reduce the error caused by the temperature instability of the flux-gate sensor parameters, namely, the error associated with the temperature drift of the compensation current I ₂ , which with certain accuracy should keep the sensor of the magnetic variation station in the measurement range, i.e., in the zero-field range. This error can be reduced by at least an order of magnitude compared with the prototype. The use of a matrix of reference resistances made on one common substrate makes it possible to increase the thermal stability of a tracking measuring system implemented in a magnetic variation station circuit, which will reduce the usual measurement error associated with the presence of an interblock temperature gradient and different temperature dependences of the elements included in these blocks, approximately 2-3 times. The use of additional temperature control of temperature-dependent precision elements of the station circuits responsible for the accuracy of maintaining the current I1, made on the basis of a self-regulating posistor heater, can reduce the error associated with the temperature instability of the resistance of the compensation winding of the flux-probe sensor by about 1-2 orders of magnitude in comparison with the prototype, and thereby increasing the accuracy of measuring the magnetic field. Such a construction scheme of the station allows you to get rid of additional communication lines of the flux-gate sensor with the electronics block, which are necessary, like the prototype, to control the temperature in the sensor block, and get measurement results that are free from the influence of ambient temperature at the pace of the experiment. (56) 1. USSR author's certificate N 1347063, cl. G 01 V 3/00, 1987.

2. Магнитометр феррозондовый ФМ-2. Проспект СКБ ФП ИОФ АН СССР, 1987. 2. Magnetometer flux-gate FM-2. Prospect SKB FP IOF AN USSR, 1987.

Claims

1. MAGNETIC VARIATION STATION, comprising a flux-gate sensor with compensation winding, an electronics unit, a step-by-step field compensation unit, including a reversible counter, a digital-to-analog converter, a reference voltage source, a comparator and a control circuit, and a recorder, the first and second inputs of which are connected to the seventh and the first outputs, respectively, of the electronics unit and the step-by-step field compensation unit, the second and third outputs of which are connected respectively to the fourth and fifth inputs of the flux-gate a sensor, and the first, second and third inputs are connected respectively to the fourth, fifth and sixth outputs of the electronics unit, the first, second inputs and the first, second and third outputs of which are connected to the outputs and inputs of the flux-probe sensor of the same name, while the first and second inputs of the step block field compensation are respectively the first and second inputs of the control circuit and the reverse counter, the first output and input of which are interconnected, and the output of the reverse counter is connected to the first input of the digital-analog converter a developer, the first and second outputs of which are respectively the first and second outputs of the step-by-step field compensation unit, and the second input of the digital-to-analog converter is connected to the same output of the control circuit, the second and third inputs of which are connected respectively to the output of the comparator and the third output of the reference voltage source, the second output of which is the third output of the step field compensation unit, and the first output is connected to the comparator of the same name, the second input of which is the third output ohm of the step-by-step field compensation unit, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurements by eliminating the error associated with the temperature instability of the flux-gate sensor parameters, a precision amplifier, a reference resistance matrix, a direct current amplifier, and a control amplifier are additionally included in the step-by-step field compensation block circuit structure an element whose output is connected to the fifth input of the flux-gate sensor and is the third output of the step-by-step field compensation unit, and the first and second input connected respectively to the second output of the reference voltage source and to the output of a precision amplifier, the first and second inputs of which are connected respectively to the outputs of the same matrix of reference resistances, the second input of which is connected to the fourth output of the reference voltage source, and the third output is connected to the fourth input of the flux probe at the same time, the second output of the block of step compensation of the field, and the first input of the matrix of reference resistances is connected through a DC amplifier with the second output of a digital-to-analog converter.

2. The station according to claim 1, characterized in that, in order to increase the accuracy of conversion into a control signal, changes in the resistance of the compensation winding of the flux-gate sensor slowly varying from temperature, the precision amplifier is made in the form of series-connected DC preamplifiers with signal conversion of the type M - DM, an amplifier and an integrator, the output of which is the output of a precision amplifier, and the input through the amplifier is connected to the output of a DC preamplifier with signal conversion of type M - DM, the first and second inputs of which are the inputs of the same name of a precision amplifier.

3. The station according to claim 1, characterized in that, in order to increase thermostability, the matrix of reference resistances is made on one common substrate.

4. The station according to claim 1, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurements by eliminating the influence of ambient temperature on the measurement results, a self-regulating posistor heater is additionally introduced into the step field compensation unit, inside which there is a matrix of reference resistances, and some temperature-dependent elements of the circuit of the digital-to-analog converter and the reference voltage source, and the third input of the digital-to-analog converter is connected to the input of the reference source voltage and is connected to the first output of a self-regulating posistor heater, the second output of which is connected to the third input of the matrix of reference resistances.