Любимов В.В.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им.

Н.В. Пушкова Российской академии наук

К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ: ОПЫТ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ДАТЧИКОВ МАГНИТОМЕТРОВ

Главная задача магнитометрических приборов применяемых в магнитных обсерваториях (МО) состоит в проведении длительных измерений, причём эти измерения должны быть стабильны во времени. Получаемые данные таких приборов не должны быть «осложнены» заметным дрейфом нулевого (базисного) уровня измерительных каналов на длительном временном интервале, а также заметным изменением показаний от влияния погодных (в основном изменением температурных) условий при их эксплуатации. Ранее, принималось много попыток и различных способов термостабилизации датчиков различных магнитометров и вариометров [1-5]. Это всегда являлось сложной задачей, так как вблизи чувствительных элементов магнитометров не должно быть искусственных постоянных и переменных токов и электромагнитных полей, которые могли бы давать сбои или приводить к получению недостоверных результатов измерений.

Предпринимались многочисленные попытки для улучшения условий работы магнитных датчиков, обеспечения им максимально комфортного температурного режима работы и, при этом, чтобы не было каких-либо помех процессу измерения. Так, например, в конструкции датчиков квантовых магнитометров (датчики которых не могут с высокой точностью работать в условиях, когда температура окружающей среды ниже 20…25ºС) в качестве термообогревателя использовалась немагнитная угольная ткань [3]. Специально созданная конструкция нагревательного элемента (НЭ) для датчиков квантовых магнитометров на основе угольной ткани охватывала сверху (см. рис.1) основной элемент схемы формирования сигнала, – камеру поглощения. Термообогреватель работал в непрерывном режиме и питался переменным током (для исключения влияния на процесс измерения магнитометра создаваемых НЭ искусственных переменных магнитных полей) от специально разработанного высокочастотного генератора (с генерацией на частоте 50…70 МГц). В более поздних конструкциях квантовых магнитометров [4] процесс питания термообогревателя камеры поглощения в датчиках происходил уже постоянным током с помощью аналогичного НЭ, но в перерывах между циклами измерения, так как измерительные устройства магнитометров работали в режиме частотомера.

Рис.1. Функциональная схема измерительного канала квантового магнитометра с системой терморегулирования и термостатом на основе НЭ из угольной ткани.

Для магнитометров с датчиками феррозондового типа, для датчиков на тонких плёнках и для датчиков Холла предпринимались попытки их термостабилизации с помощью малогабаритных позисторных (керамических, имеющих положительный температурный коэффициент) НЭ работающих как на постоянном, так и на переменном токе. При этом частота электропитания саморегулирующегося позисторного нагревателя (ПН), как правило, примерно на порядок превышала рабочую частоту возбуждения этих датчиков. Особенность ПН заключается в том, что при достижении точки Кюри (точки переключения) резко увеличивается его внутреннее сопротивление и он переходит в режим саморегуляции тока, то есть в режим экономичной работы, поддерживая при этом заданную температуру нагрева поверхности.

В качестве примера реализации мини термостата с применением ПН на рис. 2 показан общий вид конструкции ТС, созданной для малогабаритных феррозондовых датчиков [5]. Элементы схемы феррозонда расположены на печатной плате и закрыты двойным кожухом. Верхний (первый) кожух выполнен из 5 мм пенопласта, а нижний (кожух-экран) – из фольгированного двустороннего стеклотекстолита толщиной 2 мм. Внутри этого кожуха, являющегося одновременно электростатическим экраном для схемы феррозонда, закреплены (припаяны) два НЭ (а может быть и несколько параллельно соединённых ПН), которые выполнены на основе позистора типа СТ6-1Б-1. НЭ питались напряжением 15В переменного тока с частотой 200 кГц. При этом поддержание температуры внутри ТС осуществлялось на уровне 40…45ºС с точностью порядка ±1ºС при изменении внешней температуры в пределах от минус 10 до 25ºС.

Рис.2. Конструкция ТС для феррозондового датчика на основе позистора СТ6-1Б-1.

Предпринимались также попытки исключения «влияния температуры» на результаты измерений датчиков феррозондовых магнитометров путём эффективного схемного решения проблемы [6].

В качестве экспериментов с датчиками кварцевых цифровых магнитовариационных станций (ЦМВС), которые нашли наибольшее применение в МО, в ИЗМИРАН в разное время было реализовано несколько вариантов термостатирования кварцевых магнитных датчиков (КМД). Датчики ЦМВС по своей конструкции и при их правильном изготовлении (привязанном к конкретной измерительной точке) являются достаточно термостабильным изделием, но, в основном, при работе в положительном температурном диапазоне. Термостабилизация таких приборов для работы в более широком диапазоне температур (в том числе и отрицательных) необходима для того, чтобы стабилизировать магнитный момент и влияние дополнительных компенсирующих магнитов (КМ), которые применяются в отдельных случаях для ввода КМД в необходимый рабочий диапазон. Самый простой способ термостабилизации КМД и КМ был реализован при помощи обычных остеклованных немагнитных мощных сопротивлений, используемых в качестве НЭ. Эти НЭ устанавливались в верхних углах термокамеры (ТК) на удалении от юстировочной платформы (ЮП), с размещёнными на ней КМД, НЭ работали на постоянном или переменном токе. Однако управление их включением и выключением давало заметные изменения показаний на записях измерительных каналов ЦМВС, которые превышали 5 нТл.

В процессе работ с КМД были рассмотрены варианты использования в качестве НЭ современных достижений техники: греющих силиконовых пластин, плёночных нагревателей с изоляцией из полиимида, полиэстеровых тонко плёночных нагревателей и гибких нагревательных кожухов, а также некоторые типы современных терморегуляторов (ТР). Все эти промышленные устройства и НЭ по разным параметрам и причинам обладали существенными недостатками, главным из которых является заметное магнитное влияние на КМД, в том числе в выключенном их состоянии. Был также рассмотрен вопрос применения немагнитного нагревательного кабеля с тефлоновой изоляцией типа SH-2FP, однако к нему требовался специальный дорогостоящий ТР.

В последние годы результате проведённых экспериментов и испытаний были разработаны и изготовлены конструкции ТК и блока ТР для кварцевых ЦМВС, которые используются для проведения магнитных наблюдений в МО [7, 8]. Общая функциональная схема этих приборов представлена на рис.3. Внешний вид устройства ТК и блока ТР показан на рис.4. На этом же рисунке представлен также общий вид и конструкция НЭ входящего в состав ТК. Длина соединительного экранированного кабеля между блоком ТР и ТК может быть разной от 4 до 10 м. В нашем случае длина кабеля равна 5 м.

Рис.3. Функциональная схема терморегулятора и термокамеры для ЦМВС.

Кожух ТК выполнен на основе немагнитного материала – пеноплэкса, толщина которого 50 мм и внешние размеры – 680х450х420 мм (при максимальных габаритных размерах различных конструкций ЮП с КМД у ЦМВС - 500х220х240 мм). В качестве НЭ в этой конструкции используется кабель нагревательный саморегулирующийся (КНС) типа 17КСТМ-2-Т [9], который питается от источника переменного тока напряжением 220 В и имеет номинальную мощность потребления энергии 17 ВА на каждый метр своей длины. КНС имеет оболочку из термопластичного эластомера со степенью защиты IP67. Эффект саморегулирования КНС основан на применении в нем специальной полупроводниковой матрицы, которая меняет свои проводящие свойства в зависимости от окружающей температуры. С увеличением температуры увеличивается сопротивление КНС, а значит и уменьшается протекающий через него ток, что в свою очередь приводит к уменьшению выделяемой тепловой мощности. При уменьшении температуры происходит обратный процесс, при этом каждый участок КНС меняет свои свойства от конкретной температуры на определённом участке вне зависимости от других участков. Длина и расположение КНС в зависимости от конфигурации и размеров ТК могут быть разными. В нашем случае длина КНС была выбрана 4 м, при этом максимальное потребление энергии от сети переменного тока составило примерно 70 ВА, а ток потребления всей схемы не более 0,32 А.

Рис.4. Общий вид термокамеры (с расположенной внутри неё ЮП ЦМВС с КМД), нагревательного элемента и блока терморегулятора.

Схема ТР (см. рис.3) состоит из трёх основных функциональных блоков: блока питания (БП), таймера и блока управления (БУ), которые размещены внутри защитного корпуса размером 160х80х55 мм, выполненного из прочного немагнитного пластика. На боковых панелях корпуса расположены органы и индикаторы управления включением и выключением ТР, разъём (Х2) для подключения КНС и выносного датчика температуры (ДТ), а также разъём (Х3) для внешнего управления схемой ТР, для варианта управления от ПК (см. рис.2).

БП реализован на базе стандартного сетевого адаптера с выходным напряжением постоянного тока 15 В, выход которого подключён к прецизионному стабилизатору напряжения выполненному на микросхеме А1 (L7812) и формирующему выходное напряжение 12 В. Это напряжение служит для питания БУ, который выполнен на комплементарных биполярных транзисторах VT1, VT2, резисторах R3…R8, реле К1 (РЭС 55А) и при помощи которого происходит управление работой схемы таймера.

В качестве таймера в блоке ТР использована микросхема TINY13A, являющаяся основным узлом устройства ТЭУ-01-2 нашедшего широкое применение в промышленных холодильных устройствах [10], а также использованы отдельные элементы этого устройства модернизированные специально для нашего прибора.

БУ позволяет реализовать три варианта использования блока ТР:

1) использование в режиме саморегулирования КНС;

2) использование режима терморегулирования при помощи выносного ДТ и установки необходимого уровня (значения) поддержания температуры в ТК при помощи БУ (переключатель S1 «УРОВЕНЬ»);

3) использование режима терморегулирования при помощи ПК с использованием цифровых данных ЦМВС от ДТ, установленного в ТК на ЮП в непосредственной близости от одного из КМД (как правило, от измерительного канала Z, находящегося в центре ТК).

В первом случае, после момента включения, схема ТР реализует режим максимально возможной стабильной (но не более 48…50°С) температуры внутри ТК в течение 30…60 мин в зависимости от температуры внешней окружающей среды. Этот вариант применения предусматривает отключение режима нагрева при помощи кнопки S2 «ОТКЛ» и таймера.

Второй вариант использования блока ТР предусматривает использование внешнего аналогового ДТ, который устанавливается внутри ТК. Этот вариант используется для ЦМВС, у которых отсутствует в блоке электроники (БЭ) цифровой канал измерения температуры (например, у всех ЦМВС серии «Кварц-3»). В этом случае для установки необходимой поддерживаемой автоматически в ТК температуры используется переключатель S3 «УРОВЕНЬ» (см. рис.3), при помощи которого дискретно («грубо») выставляется необходимая внутри ТК температура, значение которой можно более «точно» устанавливать и регулировать при помощи переменного резистора подстройки R3.

Третий вариант использования блока ТР предусматривает управление необходимым температурным режимом внутри ТК при помощи ПК, который подключается по последовательному каналу связи RS-232 к разъёму Х3 «ВНЕШ. УПР». В этом случае, с помощью специального ПО, анализируются данные цифрового канала измерения температуры ЦМВС, в результате чего по каналу связи «ПК-ТР» поступает управляющий сигнал на БУ и происходит включение/выключение КНС. Таким образом осуществляется поддержание блоком ТР заданной программно температуры внутри ТК с точностью цифрового термометра, то есть порядка ±0,1ºС.

Первые два варианта использования ТР предпочтительны для работы в условиях необслуживаемых и редко обслуживаемых пунктах наблюдений, а также в экспедиционных условиях. Третий вариант более подходит для работы в условиях МО, где стабильность работы ЦМВС является главной задачей её работы.

Для обеспечения минимального электромагнитного влияния (процесса включения/выключения тока в НЭ) на результаты измерения ЦМВС, конструкция нагревательного элемента (КНС) в ТК выполнена в виде плоской спирали (см. рис.4), закреплённой на немагнитном металлическом радиаторе круглой формы. Этот радиатор крепится на одной из вертикальных боковых стенок съёмного кожуха ТК напротив КМД измерительного канала D ЦМВС на максимально возможном расстоянии от него. Это обеспечивает, согласно требованиям и правилам установки КМД ЦМВС [11], минимальное влияние включения/выключения КНС (если оно наблюдается) на результаты измерения каналом D, так как у КМД этого канала (при правильной настройке и установке ортогонально плоскости магнитного меридиана) в большинстве случаев отсутствует внешний КМ.

Процесс включения (добавления) тока в НЭ (КНС) при его саморегулировании происходит плавно, а не скачкообразно как при использовании схемы включения НЭ при помощи обычного реле. При этом влияние работы НЭ на результаты измерений других каналов ЦМВС, которые отстоят от него ещё дальше, оказывается практически незаметным, не более 0,1…0,2 нТл.

При помощи созданного устройства для обеспечения необходимого температурного режима для датчиков кварцевых ЦМВС или при использовании датчиков магнитометров другого типа (например, феррозондовых или квантовых), возможны два варианта их термостабилизации.

Первый вариант это, - реализация нагрева как у промышленных ТС кварцевых генераторов, то есть – поддержание температуры на более высоком постоянном уровне (максимальном или немного выше указанного в паспорте магнитометра температурного диапазона). Такой – вариант является энергетически более затратным. При этом датчики магнитометров будут всегда находиться в диапазоне положительных температур меняющихся незначительно и, следовательно, обладать малым температурным коэффициентом.

Второй вариант, - это дискретная установка конкретного значения температуры в ТК и её точное поддержание.

Испытание созданного устройства в непрерывном режиме работы проводились в условиях ИЗМИРАН на территории МО в течение более полугода при цифровом контроле температуры внешней окружающей среды. В качестве чувствительного элемента использовались датчики ЦМВС «Кварц-4». Результаты измерений ЦМВС сравнивались с данными аналогичных ЦМВС в МО «Москва». По результатам испытаний оказалось, что коэффициент термостабилизации ТК (при надлежащей её герметизации и герметизации входящих кабельных соединений с БЭ ЦМВС) был достаточно высоким, порядка 10. То есть при изменении внешней температуры окружающей среды на каждые 10°С температура внутри ТК в режиме саморегулирования изменялась не более чем на 1°С и всегда КМД находились в достаточно комфортных условиях при положительном (не менее 35°С) значении температур.

Применение пассивного терморегулирования и термостабилизации работы датчиков магнитометров различного типа на основе саморегулирующихся НЭ позволяет значительно повысить точность, стабильность и надёжность процесса проведения магнитных измерений как в условиях МО, так и при проведении измерений в условиях полевых и экспедиционных работ.

Литература

1. Бобров В.Н. Температурная компенсация магнитных приборов с помощью антипараллельных магнитов // Труды ИЗМИР. М., 1960. Вып.16 (26).

2. Бобров В.Н. Универсальный высокостабильный чувствительный элемент с нулевым температурным коэффициентом для магнитометров, вариометров и микровариометров, регистрирующих любую компоненту земного магнитного поля // Труды ИЗМИРАН. М., 1961. Вып.18 (28). С.54.

3. Красильников А.И., Любимов В.В., Перунов Б.С. и др. Квантовые магнитометры разработки СКБ ФП АН СССР // Анализ пространственно-временной структуры геомагнитного поля. М.: Наука, 1975. С.248 - 262.

4. Любимов В. В., Перфилов В. И. Новые разработки квантовой магнитометрической аппаратуры в СКБ ФП АН СССР. Обзор // Исследования космической плазмы. М.: ИЗМИРАН, 1980. С. 159–170.

5. Любимов В.В. ФЕРРОЗОНДОВЫЕ МАГНИТОМЕТРЫ. Вопросы разработки. Часть 1: Способ устранения температурной нестабильности компенсационной обмотки датчика. Препринт №50 (997) М.: ИЗМИРАН, 1992. - 29 с.

6. Любимов В.В. Магнитная вариационная станция. Патент России No.2008702 МКИ G3/14. Опубликовано 28.02.94. Бюллетень изобретений №4.

7. Любимов В.В. Станция трёхкомпонентная магнитовариационная // Приборы. М., 2016. №12. С.1-4.

8. Любимов В.В. Магнитовариационная станция для геофизических исследований // Геофизический вестник. М.: Евро-Азиатское геофизическое общество, 2016, №6. С.9-12.

9. Саморегулирующийся нагревательный кабель / Саморегулирующийся нагревательный кабель 17КТСМ2-Т. http://obogrevmontag.ru/equipment/nagrevatelnyj-kabel/

10. Таймера оттайки ТЭУ-01-2. http://www.vaschmaster.ru/kholodilniki/161-teu-01-2.

11. Любимов В.В. Кварцевые магнитовариационные станции ИЗМИРАН: некоторые вопросы подготовки к работе и эксплуатации // Уральский научный вестник / Физика. Уральск: ТОО Уралнаучкнига, 2017. Volume 10. №2. С.76-89.