Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка

Марусенков Андрій Анатолійович

УДК 621.317.421

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ВИЗНАЧЕННЯ МЕТРОЛОГІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНІТОМЕТРИЧНИХ ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ

05.11.16 інформаційно-вимірювальні системи

Львів 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Львівському центрі Інституту космічних досліджень Національної академії наук та Національного космічного агентства України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Корепанов Валерій Євгенович, Львівський центр Інституту космічних досліджень НАН та НКА України, м. Львів, заступник директора з наукової роботи.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Джала Роман Михайлович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, провідний науковий співробітник відділу відбору та обробки стохастичних сигналів;

доктор технічних наук, професор Бучма Ігор Михайлович, Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів, професор кафедри комп'ютеризованих систем автоматики.

Провідна установа: Державне підприємство “Науково-дослідний інститут метрології вимірювальних і управляючих систем” (ДП НДІ “Система”), м. Львів, відділ розробки теоретичних та методичних основ метрологічного забезпечення вимірювальних інформаційних систем та автоматизованих систем керування технологічними процесами.

Захист відбудеться “29” січня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.35.226.01 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В.Карпенка НАН України: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В.Карпенка НАН України: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

Автореферат розісланий “ _26_” _грудня_ 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради д.т.н., с.н.с. Погребенник В.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Серед засобів, призначених для дослідження слабких постійних магнітних полів, найбільше поширення знайшли інформаційно-вимірювальні системи (ІВС) на базі ферозондових магнітометрів (ФЗМ), які традиційно використовують для пошуку корисних копалин, вивчення просторово-часової структури магнітного поля Землі й планет, орієнтування й визначення місцезнаходження різних рухомих об'єктів у магнітному полі Землі, контролю якості виробів, дослідження власних магнітних полів біологічних об'єктів та ін. Таке широке використання ферозондових приладів обумовлено їх досить високою чутливістю й точністю та можливістю вимірювання компонент вектора магнітного поля (що дозволяє одержувати повну інформацію про структуру поля), а також придатністю для роботи в широкому діапазоні температур і за досить потужних електромагнітних завад, високою надійністю, довговічністю й відносно малою вартістю.

Широке використання інформаційно-вимірювальних систем для досліджень геомагнітного поля пояснюється їхньою здатністю отримувати з високою точністю та перетворювати значні потоки вимірювальної інформації та представляти її в заданому вигляді. Дані таких систем, об'єднаних у глобальну мережу “Інтермагнет” (INTERMAGNET), є доступними для широких кіл наукової спільноти й використовуються для досліджень процесів як усередині Землі так і за її межами, зокрема, для аналізу полів та струмів у космічному просторі.

Важливим завданням, що постає в процесі використання магнітометричних ІВС, є забезпечення єдності вимірювань та достовірності їх результатів. У роботах вітчизняних фахівців Р.Я. Беркмана, В.Є. Корепанова, М.П. Афанасенко, закордонних К. Пайюнпаа, В. Шмідт та інших розглянуто особливості побудови калібрувальних систем високого класу. На базі цих робіт побудовано системи калібрування ФЗМ у Фінляндії та Австралії. Через велику вартість таких систем вишукують інші методи атестації, наприклад, метод скалярного калібрування в магнітному полі Землі (Ф. Примдаль, Н. Олсен, Х. Мерайо). Однак згадані методи не передбачають повірку стаціонарно встановлених засобів вимірювань слабких магнітних полів безпосередньо в споживачів. Як наслідок, необхідна перманентна робота таких систем припиняється й на час перевірки інформація про досліджуване магнітне поле невідворотно втрачається. В таких умовах використовують різні допоміжні засоби оцінки параметрів цих приладів. Так, для корекції нестабільності базових ліній магнітометричних ІВС використовують так звані абсолютні вимірювання, які проводять у геофізичних обсерваторіях, як правило, один-два рази на тиждень. Для оцінки стабільності вимірювального каналу магнітометричної ІВС на коротших інтервалах часу використовують метод синхронних вимірювань геомагнітних варіацій, який полягає в порівнянні даних принаймні двох магнітометричних систем, одну з яких приймають за зразкову. Проте визначити такі параметри як зміни коефіцієнтів перетворення та орієнтації магнітних осей цими методами не вдається, що обмежує точність корекції базових ліній. Отже, вдосконалення таких методів, яке дозволить без призупинення неперервного режиму роботи магнітометричної ІВС отримати інформацію не тільки про стабільність базових ліній її вимірювального каналу, але й про його інші метрологічні характеристики коефіцієнти перетворення, кути взаємної неортогональності й орієнтації компонент, є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Основний зміст дисертаційної роботи складають результати теоретичних і практичних розробок, проведених автором під час виконання ЛЦ ІКД держбюджетних тем „Супутниковий та наземний моніторинг іоносфери”, номер державної реєстрації 0103U005746 (20032007рр.), „Розробка та виготовлення дослідних зразків технічних засобів для польових геофізичних досліджень та сейсмопрогностичного моніторингу геологічного середовища”, номер державної реєстрації 0102U005131 (20022004 рр.), „Розробка та виготовлення автономної метеомагнітної станції”, номер державної реєстрації 0104U006214 ( 2004 р.) та декількох контрактів з рядом закордонних установ (№1258, №1327, №1348), а також у рамках проектів, фінансованих УНТЦ: „Розробка та створення ряду прецизійних вимірювальних перетворювачів для аналізу слабких магнітних полів” (№862, 1999-2002 рр.) та „Дистанційний локатор засобів пересування” (№Р-046, 2000-2001 рр.).

Мета та задачі дослідження. Метою досліджень у дисертації є вдосконалення методів, що дозволяють визначати метрологічні характеристики вимірювального каналу магнітометричної інформаційно-вимірювальної системи без призупинення її неперервної роботи.

Для реалізації цієї мети в роботі необхідно було вирішити такі задачі:

· проаналізувати існуючі методи та засоби визначення метрологічних характеристик засобів вимірювань слабких магнітних полів та вибрати ті з них, які придатні для перевірки досліджуваного засобу без переривання його перманентної роботи;

· розглянути особливості калібрування трикомпонентних магнітометричних інформаційно-вимірювальних систем методом порівняння даних синхронних вимірювань і знайти математичні вирази для оцінки методичної похибки визначення метрологічних характеристик магнітометричних ІВС залежно від характеру спектрів потужності геомагнітних варіацій та власних шумів ферозондового давача;

· сформулювати вимоги до зразкового трикомпонентного засобу вимірювань магнітного поля;

· провести аналіз сучасного рівня метрологічних характеристик магнітометричних інформаційно-вимірювальних систем геофізичного та космічного призначення та визначити перспективні напрями їхнього покращення;

· сформулювати та розв'язати задачу створення магнітного поля компенсації з такою формою неоднорідності, яка б забезпечила інваріантність постійної перетворення котушки компенсації до зміни довжини або положення ферозонда;

· знайти співвідношення складових частин сумарних втрат потужності для збудження ферозондового давача від різних факторів та визначити шляхи зменшення потужності споживання, що дозволить, з одного боку, покращити температурний режим давача, а з іншого зменшити рівень його власних шумів;

· провести практичну перевірку вдосконаленого методу синхронних вимірювань геомагнітних варіацій;

· провести експериментальне дослідження ефективності котушки компенсації з покращеною стабільністю постійної перетворення.

Об'єкт дослідження: метрологічні характеристики вимірювального каналу магнітометричних інформаційно-вимірювальних систем.

Предмет дослідження: особливості визначення метрологічних характеристик за даними синхронних вимірювань геомагнітних варіацій; елементи ферозондових давачів.

Методи дослідження: положення теорії електричних кіл, математичний апарат диференційного та інтегрального числення, статистичні методи обробки даних та теорії похибок.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше показано, що математична модель методу синхронних вимірювань відповідає множинній лінійній регресії з автокорельованими похибками в усіх змінних, завдяки чому порушуються умови використання лінійних параметричних методів обробки даних і необхідно використовувати інші процедури для оцінки параметрів регресії.

2. Отримано нові математичні вирази для розрахунку систематичної та випадкової складових похибки оцінки матриці параметрів лінійної регресії, що описує взаємозв'язок синхронних показів засобів вимірювань, залежно від характеру спектрів потужності геомагнітних варіацій та власних шумів магнітних давачів. Це дозволило вибрати процедуру обробки вимірювальної інформації - напівпараметричний метод зважених найменших квадратів у частотній області та коректно планувати тривалість синхронних вимірювань.

3. Запропоновано новий підхід до калібрування магнітометричних ІВС для вимірювання слабких магнітних полів, який полягає в порівнянні даних синхронного запису геомагнітних варіацій досліджуваним та зразковим засобами вимірювань, у результаті чого без переривання перманентної роботи системи отримуємо основні метрологічні характеристики її вимірювального каналу: значення коефіцієнтів перетворення, кути взаємної неортогональності компонент, орієнтацію магнітних осей у заданій системі координат, рівень власних шумів та часові й температурні дрейфи базових ліній.

4. Синтезовано нову форму неоднорідності поля компенсації, яка дозволяє значно зменшити похибку коефіцієнта перетворення, зумовлену зміною довжини чи положення давача в котушці компенсації. Вперше показано, що створення поля з таким розподілом котушкою у вигляді соленоїдної обмотки й двох обмоток корекції можливе лише для певних співвідношень геометричних розмірів давача та котушки компенсації, а саме чим більша довжина ферозонда відносно довжини котушки, тим меншим має бути діаметр котушки.

5. Вперше експериментально показано, що еквівалентна постійна перетворення котушки із запропонованою формою неоднорідності поля є малочутливою до зміни амплітуди поля збудження ферозондового перетворювача.

Практичне значення отриманих результатів. На основі аналізу особливостей синхронних вимірювань запропоновано новий варіант методики обробки даних таких вимірювань і сформовано вимоги до умов їх проведення.

Запропоновану методику калібрування та перевірки магнітометричних ІВС впроваджено відділом регіональних геофізичних робіт Українського Державного геологорозвідувального інституту (м. Київ) для тестування магнітометрів регіональної мережі сейсмопрогностичних пунктів, а також використано під час польових випробувань магнітометрів виробництва ЛЦ ІКД та для визначення параметрів магнітометричних ІВС геофізичної обсерваторії в м. Гурбаново, Словаччина.

Запропонований метод покращення метрологічних характеристик ферозондового давача шляхом зменшення його потужності споживання реалізовано в магнітометрах виробництва ЛЦ ІКД: LEMI-019 (споживана потужність 40 мВт, рівень власних шумів 10 пкТлГц^-0,5 на частоті 1 Гц) та LEMI-011 (споживана потужність 25 мВт, рівень власних шумів 200 пкТлГц^-0,5 на частоті 1 Гц ). Ці показники є найкращими з усіх відомих виробів такого класу в світі. Магнітометр LEMI-011 впроваджено у науково-виробночому підприємстві “Потенціал” (м. Харків) для ІВС керованого буріння.

Котушки компенсації з покращеною стабільністю постійної перетворення використано в новій розробці трикомпонентного ферозондового магнітометра для міжнародної системи “Інтермагнет” та в новому малогабаритному ферозондовому давачі для шведського космічного проекту SMILE.

Особистий внесок здобувача. Всі експериментальні та значна частина теоретичних досліджень, розробка нових схемних рішень виконані автором самостійно. В друкованих працях, опублікованих у співавторстві, автору дисертації належать: в [1, 5, 12] аналіз літературних джерел стосовно магнітовимірювальних приладів, оцінка рівня власних шумів ферозондових та індукційних магнітометрів, що були використані в космічних експериментах; в [3, 9, 10] математична модель синхронних вимірювань, аналіз методичної похибки.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи були представлені на 8 вітчизняних та міжнародних науково-технічних конференціях: VI Krajowe Sympozjum Pomiarow Magnetycznych KSPM 2000, 18-20.10.2000, Kielce-Ameliowka, Poland; The 2^nd International Symposium on Instrumentation Science and Technology, August 1822, 2002, Jinan, China; Друга Українська конференція по перспективним космічним дослідженням, Вересень, 2002, Кацивелі, Україна; The X^th IAGA Workshop on geomagnetic instruments, data acquisition and processing, April 1524, 2002, Hermanus, South Africa; The XXVII EGS General Assembly, April 2126, 2002, Nice, France; IV Міжнародна науково-технічна конференція „Метрологія2004”, Харків, Україна; 9-а Міжнародна науково-технічна конференція „Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії. TCSET'2006”, 28.0204.03.2006, Львів Славсько, Україна; The XII^th IAGA Workshop on geomagnetic instruments, data acquisition and processing, June 1924, 2006, Belsk, Poland.

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 12 наукових праць, у тому числі 4 статті у фахових наукових виданнях. П'ять наукових праць виконано самостійно.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація обсягом 128 сторінок складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та додатків, містить 30 рисунків, 16 таблиць, перелік умовних скорочень та список використаних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі показано актуальність задачі, її зв'язок із планом науково-дослідних робіт ЛЦ ІКД, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, наведено дані про реалізацію та впровадження результатів роботи, її апробацію та публікації за темою дисертації.

Перший розділ присвячено аналізу сучасних методів повірки, калібрування та тестування магнітометрів та інформаційно-вимірювальних систем для вимірювання слабких магнітних полів. Показано, що існуючі методики калібрування трикомпонентних магнітометрів використовують два основні підходи. Перший це розташування давача магнітометра в точно відомому магнітному полі, яке створюють трикомпонентною системою мір магнітної індукції. У цьому випадку геомагнітні варіації діють як завада і їх придушують, використовуючи пристрої компенсації на базі зразкового магнітометра. За другим підходом використовують обертання магнітного давача в магнітному полі Землі, яке може бути виміряне з високою точністю модульним магнітометром, і далі проводять комп'ютерну обробку показів обох приладів. Указані методики не завжди можна використати, внаслідок технічних, експлуатаційних чи фінансових обмежень, а саме: у випадку калібрування або повірки стаціонарно встановлених магнітометричних інформаційно-вимірювальних систем без переривання процесу вимірювань, при попередніх дослідженнях та калібруванні і т.ін.

Для дослідження такого важливого параметра як довготривала стабільність базової лінії магнітометричних ІВС використовують так звані абсолютні вимірювання, які, як правило, проводять у геомагнітних обсерваторіях. Однак, лише довготривалі зміни можуть бути знайдені за такої процедури. Для оцінки стабільності вимірювального каналу магнітометричної ІВС на коротших інтервалах використовують метод синхронних вимірювань геомагнітних варіацій, який полягає в порівнянні даних принаймні двох магнітометричних систем, одну з яких приймають за зразкову. Запропоновано вдосконалити цей метод із метою отримати інформацію не тільки про стабільність базової лінії вимірювального каналу досліджуваної магнітометричної ІВС, але й про його інші параметри коефіцієнти перетворення, кути взаємної неортогональності й орієнтацію магнітних осей, що зазвичай знаходять тільки при реалізації вищезгаданих методик калібрування. магнітометричний вимірювальний геомагнітний

У другому розділі проаналізовано особливості методу синхронних вимірювань для визначення характеристик вимірювального каналу магнітометричної ІВС. Розвинуто математичну модель вимірювання геомагнітних варіацій за допомогою двох трикомпонентних магнітних давачів з урахуванням їхніх коефіцієнтів перетворення, неортогональності та взаємної орієнтації магнітних осей компонент, спектральних характеристик геомагнітних варіацій та власних шумів ферозондових перетворювачів. Показано, що такі вимірювання описуються матричним рівнянням

, (1)

де ; Kt, Kr діагональні матриці (розміром 3х3) коефіцієнтів перетворення досліджуваного та зразкового засобів вимірювань; Ct, Cr - трикутні матриці (розміром 3х3) направляючих косинусів, сформовані на базі кутів неортогональності компонент досліджуваного та зразкового магнітних давачів; Е матриця розміром 3х3, яка визначається кутами Ейлера; матриці (розміром Nx3) адитивних похибок, приведених до виходів досліджуваного та зразкового пристроїв відповідно; T, R матриці показів (розміром Nx3) досліджуваного та зразкового засобів вимірювань; N кількість показів за кожною компонентою.

На базі синхронних показів зразкового та досліджуваного засобів вимірювань необхідно знайти матрицю n та матриці похибок d_t, d_r. Відомо, що, знаючи матриці Cr, Kr з параметрами зразкового засобу та враховуючи властивість ортогональності матриці Е, можна за матрицею n обчислити елементи матриць Ct, Kt, тобто визначити параметри досліджуваного засобу. Оскільки при порівнянні магнітометричних ІВС, що вимірюють три компоненти магнітного поля, кількість елементів матриці n дорівнює 9, то при N>9 утворюється перевизначена система рівнянь, приблизний розв'язок якої знаходять статистичними методами, наприклад, методом найменших квадратів (МНК). Для вибору того чи іншого методу необхідно мати апріорну інформацію про характер вимірюваної величини та похибок вимірювання. Модель синхронних вимірювань проаналізовано за таких припущень. По-перше, варіації магнітного поля Землі та похибки вимірювального каналу магнітометричних ІВС мають різні фізичні джерела, тобто вони незалежні, некорельовані. По-друге, геомагнітні варіації в напрямках осей чутливості трикомпонентного магнітного давача не мають між собою лінійної залежності. По-третє, спектральну густину геомагнітних варіацій апроксимовано таким виразом:

, (2)

де b_g0 - спектральна густина геомагнітних варіацій на частоті f₀, b_g0=10^-24 Tл²/Гц при f₀=1 Гц; f₁ - частота згину спектральної характеристики, f₁=0,0002 Гц.

Нарешті, прийнято, що адитивну похибку за кожною компонентою магнітометрів визначатимуть власні шуми ферозондового давача, спектральну густину яких апроксимовано виразом:

, (3)

де b_n0 - спектральна густина шуму на так званому плато, де b_n(f) не залежить від частоти; (значення b_n0 для сучасних ФЗ складає 10^-22 Тл²/Гц); f_n0 - частота згину характеристики спектральної густини; параметр нахилу характеристики спектральної густини.

За таких припущень матричне рівняння (1) описує множинну лінійну регресійну модель, а матрицю n називають матрицею параметрів лінійної регресії. Перевагою статистичних методів, які обрано в роботі для розв'язання рівняння (1), є те, що вони дозволяють разом із оцінками матриць параметрів регресії n та адитивних похибок (d_t - d_rn) знаходити їхні довірчі інтервали.

Оскільки спектральна густина шуму (3) ферозондового давача має частотозалежний характер, такий шумовий процес є автокорельованим і кореляційна матриця W адитивних похибок матиме ненульові елементи за межами головної діагоналі, тобто умова застосування МНК некорельованість похибок буде порушена. Відомо, що в такому випадку, знаючи матрицю W, використовують узагальнений МНК (УМНК). УМНК потребує значні обчислювальні ресурси, особливо під час обробки великого об'єму даних, тому з метою зменшення тривалості обчислень параметри регресії знаходять за допомогою звичайного МНК, а похибки їх визначення оцінюють з урахуванням кореляційної матриці. Крім того, в обох випадках наявність похибок вимірювання геомагнітних варіацій зразковим засобом викликає систематичну похибку оцінки параметрів регресії n. З метою вибору належного методу обробки даних синхронних вимірювань виведено вирази для розрахунку систематичної та випадкової похибок визначення параметрів регресії за обома методами залежно від ступеня автокорельованості (або нахилу спектральної густини) адитивних похибок та робочого діапазону частот.

У загальному випадку систематичну складову похибки визначає вираз

, (4)

де b_s(f), b₁(f), характеристики спектральної густини вимірюваного сигналу та адитивної похибки зразкового засобу; f_min, f_max межі робочого діапазону частот.

Середнє квадратичне відхилення випадкової складової похибки (СКВ()) в загальному випадку визначатиме вираз

, (5)

де b₂(f) характеристика спектральної густини адитивної похибки досліджуваного засобу вимірювань.

Розрахунок випадкової похибки залежно від тривалості вимірювань Т_вим=1/f_min проведено за умови ідеальної зразкової магнітометричної ІВС, тобто b₁(f)0, прийнявши, що b_s(f) = b_g(f), b₁(f) = b_n(f) для МНК і b_s(f) = b_n0b_g(f)/ b_n(f), b₁(f) = b_n0 для УМНК.

На підставі отриманих залежностей випадкової та систематичної складових похибки оцінки параметрів регресії від частотного діапазону запропоновано використовувати напівпараметричний метод зважених найменших квадратів у частотній області (ЗМНК ЧО), суть якого полягає в наступному. До вихідних даних застосовують дискретне перетворення Фур'є, верхню ділянку отриманих спектрів відкидають, а нижню використовують для обчислення оцінки параметрів регресії за методом зважених найменших квадратів. При цьому вагу кожної гармоніки спектру вибираємо виходячи з нахилу сумарної характеристики спектральної густини досліджуваного й зразкового засобів вимірювань. Такий підхід одночасно забезпечує малий рівень обох складових похибки, коректну оцінку їхніх значень та помірні вимоги до обчислювальних потужностей.

Третій розділ присвячено покращенню метрологічних характеристик магнітометричних інформаційно-вимірювальних систем. Проведений аналіз сучасного рівня параметрів інформаційно-вимірювальних систем геофізичного та космічного призначення на основі трикомпонентних ферозондових магнітометрів показав, що основна частка сумарної похибки ФЗМ формується за рахунок температурної залежності параметрів каналу зворотного перетворення компенсатора постійної складової вимірюваного геомагнітного поля. Одним із факторів, що обмежує ефективність запропонованих у літературі методів температурної корекції, є неоднорідність поля компенсації.

Для покращення температурної стабільності котушки компенсації проаналізовано залежність коефіцієнта перетворення ферозондового магнітометра, яка зумовлена зміною довжини чи положення ферозондового давача в неоднорідному полі компенсації. З метою покращення стабільності постійної перетворення котушки компенсації обґрунтовано умови щодо розподілу поля компенсації H(z) вздовж осі давача:

, (6)

, (7)

де l₀ половина довжини давача.

Проведено аналіз можливих варіантів побудови котушки, що забезпечує форму неоднорідності поля згідно з умовами (6), (7), і вибрано два перспективних варіанти. Розраховано конструктивні параметри котушки, що складається з тонкостінної соленоїдної обмотки та двох обмоток корекції на деякій відстані від її країв. Розрахунок проведено для ряду співвідношень довжини давача та діаметру котушки d до довжини котушки l₁. При цьому шуканими параметрами були співвідношення витків соленоїдної обмотки та обмоток корекції й довжина соленоїдної обмотки. Виявлено, що чим більше довжина давача відносно котушки, тим меншим повинен бути діаметр котушки. Оцінка похибки _н за рахунок зміни розмірів давача в неоднорідному полі показала, що котушка з покращеною стабільністю постійної перетворення дає не менше ніж десятикратний виграш у порівнянні з відомими засобами створення однорідного магнітного поля.

Важливим сучасним напрямком покращення характеристик ФЗМ та магнітометричних ІВС є зменшення потужності збудження ферозондового перетворювача, що дозволяє полегшити температурний режим ФЗ внаслідок зменшення його перегріву відносно оточуючого середовища, зменшити рівень власних шумів ФЗ, застосовуючи осердя більшого об'єму, та покращити експлуатаційні характеристики, а саме економічність засобу вимірювань. Проведено аналіз втрат потужності при ферорезонасному режимі збудження ферозондового давача залежно від його габаритів, який показав, що основний внесок дають втрати в обмотці збудження, особливо за використання нових аморфних магнітних сплавів з малими втратами на перемагнічування. Показано, що збільшення об'єму обмотки збудження за інших рівних умов дозволяє суттєво зменшити потужність споживання ферозондових перетворювачів.

Четвертий розділ присвячено експериментальній перевірці запропонованої методики обробки даних синхронних вимірювань та ефективності розглянутих шляхів покращення параметрів ферозондових перетворювачів. Описано процедуру обробки даних випробувань магнітометрів LEMI-009 №8 та LEMI-018 №15, проведених у геомагнітній обсерваторії Димер Київської обл. Дані кожного магнітометра відбирали із частотою дискретизації 1 Гц, тривалість запису 4 доби. Оцінки параметрів магнітометрів, знайдені в результаті обчислень, відповідають, у межах довірчих інтервалів, дійсним значенням. Методична похибка (за довірчої ймовірності P=0,95) визначення коефіцієнтів перетворення склала менше 0,1% для горизонтальних та 0,35 % для вертикальної компонент. Аналогічні похибки для кутів неортогональності не перевищували 0,2. Значення цих похибок добре узгоджуються з прогнозом, зробленими за формулою (5) на підставі рівня власних шумів ферозондових перетворювачів та інтенсивності геомагнітних варіацій під час проведення вимірювань.

Експериментальне дослідження вихідного сигналу ферозондового давача в неоднорідному магнітному полі проведено за трьох типів неоднорідності осьової складової поля компенсації, які умовно позначені літерами грецького алфавіту “”, “”, “” у відповідності до форми їхніх графіків. Неоднорідність поля компенсації типу “” задовольняє умови (6), (7). Два інші типи неоднорідності поля характерні тим, що для “” поле в центрі давача приблизно на 20% більше ніж на його краях, а для “” навпаки, на 20% менше.

Ферозондовий давач працював на частоті f_зб=8,2 кГц у послідовній ферорезонансній схемі збудження. Зміною вихідної напруги генератора збудження встановлювали такі значення амплітуди напруженості поля збудження: 0,9 кА/м, 1,3 кА/м, 1,7 кА/м, 2,1 кА/м. Вимірювальну обмотку ФЗ було настроєно ємністю на другу гармоніку частоти збудження.

За неоднорідності поля компенсації типу “” постійна перетворення С_с котушки компенсації практично не залежить від амплітуди поля збудження. При інших типах неоднорідності поля компенсації існують майже лінійні залежності постійної перетворення С_с від амплітуди поля збудження, причому їхні знаки протилежні. Для неоднорідності типу “” було обчислено квадратурну (КС) і синфазну (СС) складові сигналу вимірювальної обмотки ферозонда.

Таким чином, неоднорідність поля компенсації спричиняє суттєву залежність постійної перетворення котушки компенсації від амплітуди поля збудження у ферорезонансному режимі. Сигнал другої гармоніки вимірювальної обмотки ФЗ, що розташований у неоднорідному полі, містить значну квадратурну складову. На відміну від експериментальних результатів та теоретичного аналізу для режиму збудження синусоїдальним струмом, у ферорезонансному режимі збудження квадратурна складова слабо залежить від амплітуди поля збудження. Значення квадратурної складової та залежність синфазної складової від амплітуди поля збудження значно менше для поля компенсації із запропонованою формою неоднорідності.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вдосконалено методи, які дозволяють визначати метрологічні характеристики магнітометричних інформаційно-вимірювальних систем для дослідження слабких магнітних полів без призупинення їх перманентної роботи. Для цього запропоновано новий підхід до калібрування магнітометричної ІВС, згідно з яким за даними синхронного запису геомагнітних варіацій досліджуваним та зразковим засобами вимірювань отримуємо основні метрологічні характеристики її вимірювального каналу: значення коефіцієнтів перетворення, кути неортогональності магнітних осей давача, орієнтацію магнітних осей у заданій системі координат, рівень власних шумів та часові й температурні дрейфи базових ліній.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1. Розвинуто математичну модель синхронних вимірювань геомагнітних варіацій двома трикомпонентними магнітометричними ІВС шляхом урахування спектральних характеристик геомагнітних варіацій та власних шумів ферозондових перетворювачів, співвідношення коефіцієнтів перетворення, неортогональності осей чутливості компонент та взаємної орієнтації в просторі магнітних давачів. Вперше показано, що такі вимірювання описуються множинною лінійною регресією з автокорельованими похибками в усіх змінних, завдяки чому порушуються умови використання лінійних параметричних методів обробки даних і необхідно використовувати інші процедури для оцінки параметрів регресії.

2. На підставі спектральних характеристик геомагнітних варіацій та власних шумів ферозондових перетворювачів отримано нові математичні вирази для розрахунку систематичної та випадкової складових похибки оцінки параметрів регресії за використання звичайного та узагальненого МНК залежно від робочого діапазону частот. Вперше показано, що УМНК забезпечує в 3-4 рази менші значення випадкової складової похибки, ніж МНК, особливо при довготривалих вимірюваннях, але більші значення систематичної складової похибки. На основі проведеного аналізу методичної похибки вперше обґрунтовано доцільність використання напівпараметричного методу зважених найменших квадратів у частотній області як такого, що одночасно забезпечує малі значення обох складових похибки (на рівні 0,01 ... 0,5 %), коректну оцінку їхніх значень та помірні вимоги до обчислювальних потужностей.

3. Враховуючи особливості методу синхронних вимірювань, сформульовано нові вимоги як до умов їх проведення, так і до метрологічних характеристик зразкового засобу вимірювань. Вперше отримано залежність методичної похибки від тривалості вимірювань, що дозволило коректно планувати вимірювальний експеримент. Показано, що для забезпечення прогнозованих малих значень методичної похибки зразковий засіб вимірювань повинен забезпечувати високу температурну стабільність базових ліній та низький рівень власних шумів.

4. Для покращення метрологічних характеристик ферозондових перетворювачів синтезовано нову форму неоднорідності поля компенсації, яка дозволяє не менш як на порядок знизити похибку коефіцієнта перетворення, зумовлену зміною довжини чи положення давача в котушці компенсації. Переваги котушки компенсації, що створює магнітне поле із запропонованою формою неоднорідності, підтверджено розрахунком та експериментально.

5. Виявлено, що збільшення об'єму обмотки збудження за інших рівних умов дозволяє, суттєво зменшивши потужність споживання, покращити метрологічні характеристики ферозондових давачів. Рекомендації щодо зменшення потужності збудження використані в магнітометрах виробництва ЛЦ ІКД: LEMI-011 (споживана потужність 25 мВт, рівень власних шумів 200 пкТлГц^-0,5 на частоті 1 Гц ) та LEMI-019 (споживана потужність 40 мВт, рівень власних шумів 10 пкТлГц^-0,5 на частоті 1 Гц). Ці показники є найкращими з усіх відомих виробів такого класу в світі.

6. На базі отриманих у дисертаційній роботі результатів вперше розроблено і впроваджено:

методику калібрування та перевірки магнітометрів регіональної мережі сейсмопрогностичних пунктів Українського Державного геологорозвідувального інституту (м. Київ), яка дозволяє суттєво зменшити витрати на проведення перевірки польових приладів та досягти підвищення продуктивності праці;

трикомпонентний магнітометр LEMI-011 із зменшеною потужністю споживання для ІВС „ГУОБИТ” (виробництва НВП “Потенціал”, м. Харків), що використовується для систем керованого буріння.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Беркман Р.Я., Корепанов В.Є., Марусенков А.А., Пристай А.М., Сухинюк А.Є. Магнітометри для дослідження слабких магнітних полів // Український метрологічний журнал. 2004. №1. С. 43 48.

2. Марусенков А.А. Возможности повышения экономичности феррозондовых магнитометров // Український метрологічний журнал. 2003. №1. С. 42 44.

3. Корепанов В.Є., Марусенков А.А., Особливості сертифікації магнетометрів методом синхронних вимірювань // Відбір і обробка інформації. 2005. №23. C. 57 62.

4. Марусенков А.А. Аналіз ферорезонансних процесів у послідовному колі збудження магнітомодуляційного перетворювача // Відбір і обробка інформації. - 2002. Вип. 17. С. 101106.

5. Korepanov V., Berkman R., Rakhlin L., Klymovich Ye., Pristai A., Marusenkov A., Afanasenko M. Advanced field magnetometers comparative study // Measurement. 2001. Vol. 29. P. 137 146.

6. Marusenkov A. Comparison of geophysical magnetometers // Contributions to Geophysics and Geodesy. 2001. Vol. 31, No. 1. P. 75 81.

7. Marusenkov A. The comparison method of the magnetometers data with different orientation of their sensor // Procedings of the VI Krajowe Sympozjum Pomiarow Magnetycznych KSPM 2000, Kielce-Ameliowka (Poland). 2000. P. 263 270.

8. Marusenkov A. Operation peculiarities of the fluxgate sensor in non-uniform compensation magnetic field // Proceedings of the IX^th International Conference “Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science. TCSET'2006”. 2006. P. 327 329.

9. Korepanov V., Klimovich Ye., Marusenkov A., Pajunpaa K. Calibration of weak magnetic field meters // Proceedings of the 2^nd International Symposium on Instrumentation Science and Technology, Jinan (China). 2002. Р. 85-94.

10. Korepanov V. E., Berkman R. Ya., Marusenkov A.A., Pajunpaa K. Vector magnetometers calibration and comparison // Abstracts of the X^th IAGA Workshop on geomagnetic instruments, data acquisition and processing, Hermanus (South Africa). 2002. Р. 9.

11. Marusenkov A. Observatory Magnetometer On-line Calibration // The Abstracts of the XIIth IAGA Workshop on Geomagnetic Observatory Instruments, Data Acquisition and Processing, Belsk (Poland). 2006. P. 22 23.

12. Беркман Р.Я., Корепанов В.Є., Марусенков А.А., Пристай А.М., Сухинюк А.Є. Прилади для вимірювання слабких магнітних полів // Наукові праці IV Міжнародної науково-технічної конференції „Метрологія2004”, Харків. 2004. С. 298300.

АНОТАЦІЯ

Марусенков А.А. Вдосконалення методів визначення метрологічних характеристик магнітометричних інформаційно-вимірювальних систем. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 інформаційно-вимірювальні системи. Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка Національної академії наук України, Львів, 2006.

Дисертацію присвячено проблемі визначення метрологічних характеристик та калібрування трикомпонентних ферозондових магнітометричних інформаційно-вимірювальних систем для дослідження слабких магнітних полів. Удосконалено метод синхронних вимірювань геомагнітних варіацій, який полягає в порівнянні показів зразкового та досліджуваного засобів вимірювань, таким чином, що визначення метрологічних характеристик останнього здійснюється без призупинення його неперевної роботи. На базі теоретичного аналізу систематичної та випадкової складових похибки такого методу обґрунтовано доцільність використання напівпараметричного методу зважених найменших квадратів у частотній області для обробки даних та сформульовано вимоги до характеристик зразкового засобу вимірювань. З метою вдосконалення цих характеристик синтезовано нову форму неоднорідності поля компенсації, яка дозволяє значно зменшити похибку коефіцієнта перетворення, зумовлену зміною довжини чи положення давача в котушці компенсації, та розроблено рекомендації щодо зменшення потужності збудження ферозондового перетворювача. Наведено приклади обробки даних синхронних вимірювань за запропонованою методикою.

Ключові слова: магнітометрична інформаційно-вимірювальна система, ферозондовий перетворювач, метрологічні характеристики, лінійна регресія

АННОТАЦИЯ

Марусенков А.А. Усовершенствование методов определения метрологических характеристик магнитометрических информационно-измерительных систем. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 информационно-измерительные системы. Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко Национальной академии наук Украины, Львов, 2006.

Диссертация посвящена проблеме определения метрологических характеристик трехкомпонентных феррозондовых магнитометрических информационно-измерительных систем для исследования слабых магнитных полей. Усовершенствован метод синхронных измерений геомагнитных вариаций, который состоит в сравнении показаний образцового и тестируемого средств измерений, таким образом, что определение метрологических характеристик последнего осуществляется без остановки его непрерывной работы. На базе теоретического анализа систематической и случайной составляющих погрешности такого метода обоснована целесообразность использования полупараметрического метода взвешенных наименьших квадратов в частотной области для обработки данных и сформированы требования к характеристикам образцового средства измерений. С целью улучшения этих характеристик синтезирована новая форма неоднородности поля компенсации, что позволило значительно уменьшить погрешность коэффициента преобразования за счет изменений длины или положения датчика в катушке компенсации, и разработаны рекомендации по уменьшению мощности для возбуждения феррозондового преобразователя. Приведены примеры обработки данных синхронных измерений по предложенной методике.

Ключевые слова: магнитометрическая информационно-измерительная система, феррозондовый преобразователь, метрологические характеристики, линейная регрессия.

ANNOTATION

Marusenkov A.A. Improvement of the methods for estimation of the metrological characteristics of magnetometric information-measuring systems. Manuscript.

Thesis for a candidate degree in technical science by speciality 05.11.16 information-measuring Systems. G.V. Karpenko Physico-Mechanical Institute of National Academy of Science of Ukraine, Lviv, 2006.

The thesis is dedicated to the problem of calibration of weak magnetic meters. The different approaches to calibration process are discussed. The improved method of synchronous measurements of geomagnetic variations, which is presently used for the comparison of base lines of magnetometers, is proposed. A new approach to this method uses intercomparison of reference and tested magnetometric measuring instruments and allows performing calibration procedure without use of the expensive high-class calibration system and without operation break of the tested device. This technology also solves the specific problem determination of magnetometer noise level and zero drift during a long time interval 24 hours and more. It was shown that the mathematical model of synchronous measurements corresponds to multiply linear regression with autocorrelated variables and could not be solved by the linear parametric least square methods. In assumption of stochastic nature of both geomagnetic variations and fluxgate sensor noise the systematic and random errors of the improved method were analyzed. On the basis of the dependencies of these errors on the operation frequency range the requirements to the reference magnetometric system parameters as well as the optimal data processing procedure semi-parametric weighted least square estimation in the frequency domain was chosen. It was found that accuracy of the method lies in the range 0.01 ... 0.5 % and depends on the duration of the experiment as well as on relationship between reference and tested magnetic sensors noise level and intensity of geomagnetic variations. Some examples of the magnetic data processing in accordance with proposed method are presented. The calculated metrological characteristics of tested magnetometric information-measuring system as well as their errors estimations were found in good coincidence with predicted values. The developed method of calibration was applied for tests of the instruments of the regional magnetic field monitoring network without interrupting its normal operation.

In order to satisfy requirements to the reference instrument low noise level and high stability of the baselines the analysis of the state of the art of fluxgate magnetometers and magnetometric information-measuring systems was fulfilled and following ways of their improvement were proposed. Firstly, the optimization of the compensation coil non-uniformity allowed us to improve significantly the stability of the magnetometer base line and scale factor values. For this purpose the new shape of the non-uniformity of compensation magnetic field was derived and the set of the compensation coils with improved stability of the calibration factor was calculated. It was found that such coils should have definitive geometrical proportion which depends on the fluxgate sensor length: for longer sensor the smaller diameter of the coil is needed. The use of the compensation coil with improved stability of the calibration factor reduces at least in ten times errors caused by changes of the sensor dimensions in comparison with known systems for homogenous magnetic field creation. The advantages of the proposed compensation coil had been justified by the experimental study.

Secondly, the reducing of the flux-gate sensor power consumption allows improving both metrological and operational parameters of the magnetometer. So, the dependence of power losses on the volume and excitation parameters of the fluxgate sensor is considered. The conclusion on the dominating role of the losses in the excitation winding of the fluxgate sensor was drawn. As a result, the way of significant decreasing of the power consumption for driving the sensor was proposed. The low-consumption magnetometer was implemented in the borehole telemetric system for guided drilling.

Key words: magnetometric information-measuring system, fluxgate sensor, metrological characteristics, linear regression.

Размещено на Allbest.ru