Любимов В.В.

 

ФБГУН Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн

 им. Н.В. Пушкова РАН

 

УНИВЕРСАЛЬНАЯ ЦИФРОВАЯ  МАГНИТОВАРИАЦИОННАЯ  СТАНЦИЯ НА БАЗЕ КВАРЦЕВЫХ МАГНИТНЫХ ДАТЧИКОВ

ДЛЯ РАБОТЫ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ПОЛЕЙ

 

         ИЗМИРАН в настоящее время является единственной организацией в России, разрабатывающей и изготавливающей высокоточную аппаратуру на основе кварцевых магнитных датчиков (КМД) для регистрации и исследования геомагнитных вариаций. КМД такого типа были созданы в институте в 50-х годах прошлого века [1-3] и за прошедшее время этими датчиками оснащены многие российские и зарубежные магнитные обсерватории (МО). В результате специалистами института было изготовлено несколько тысяч аналоговых КМД различных видов и конструкций [3-6, 9, 11-13]. С конца 80-х годов прошлого века в ИЗМИРАН приступили к созданию цифровых магнитовариационных станций (ЦМВС)  на основе КМД из проволочного викаллоя [4-8]. В настоящее время известно, что разными коллективами и авторами в условиях института изготовлено около 80-ти экземпляров ЦМВС [3, 4, 7-13]. Эти ЦМВС создавались, в основном, для работы в МО, в пунктах наблюдений и для специальных целей. На рис.1 показана схема размещения и установки некоторых ЦМВС (в основном это были станции «Кварц-3Д», «Кварц-3Е» и «Кварц-3ЕМ») созданных в ИЗМИРАН в период с 1990 по 1993 гг. [6, 9-13].

        В 2005 году в институте были проведены работы по созданию прибора нового поколения, в результате которых разработана новая более современная ЦМВС под коммерческим названием «Кварц-4» [8, 14-16]. Эта ЦМВС и несколько её различных моделей (вариантов исполнения) заметно отличается от ранее выпущенных ЦМВС типа «Кварц-3» как по конструкции, так и по основным техническим характеристикам [6, 8. 14]. ЦМВС «Кварц-4» это высокостабильный, интеллектуальный и компьютеризованный прибор с широкими возможностями программной установки и изменения различных параметров схемы, с возможностью цифровой обработки и фильтрации данных в процессе проведения измерений, с возможностью интеграции в существующие международные системы сбора данных. 

       Идеология построения станции была направлена на её технологичность, простоту в изготовлении, настройке и в использовании, а также на создание единого блока - блока электроники (БЭ), который был компактным, маломагнитным и объединял все электронные узлы. Применение современной низковольтной элементной базы позволило значительно улучшить энергетические характеристики ЦМВС.

Рис.1. Схема размещения и установки ЦМВС типа «Кварц-3», созданных

в период с 1990 по 1993 гг. 

       

        Это был уже современный компьютеризированный прибор с применением всех самых современных достижений на то время техники и технологий. В процессе работ было создано четыре основных варианта построения ЦМВС: обсерваторские станции «Кварц-4» и «Кварц-4МО», полевая станция «Кварц-4П» и автономная станция «Кварц-4АС». Все станции семейства «Кварц-4» были построены на практически одинаковых КМД (с небольшой их модификацией), но различались конструкцией юстировочной платформы (ЮП), «начинкой» электроники в БЭ, различными вариантами подключаемого (или встроенного) блока измерения и накопления (БИН) данных (или сумматора цифровых данных – СЦД) и различными вариантами оригинального программного обеспечения (ПО). В настоящее время изготовлено 21 комплект таких станций. На рис.2 представлены общие виды созданных приборов и схема размещения на территории России различных вариантов ЦМВС семейства «Кварц-4», которые были изготовлены в период с 2005 по 2011 гг. [12-19].

        ЦМВС семейства «Кварц-4» предназначены для непрерывного измерения и регистрации в цифровом виде длиннопериодных вариаций составляющих вектора магнитной индукции (ВМИ) поля Земли на сети российских МО, а также для работы в условиях необслуживаемых или редко обслуживаемых пунктов наблюдений [8, 14, 19]. ЦМВС «Кварц-4» измеряет и накапливает в твердотельную память (в БИН) в цифровом виде значения вариаций трех составляющих ВМИ поля Земли и значения температуры кварцевых магнитных измерительных преобразователей (МИП) в реальном времени.

 

Рис.2. Схема установки на территории России ЦМВС семейства «Кварц-4», созданных

в период с 2005 по 2011 гг. 

 

            Принцип действия МИП ЦМВС основан на измерении индукции магнитного поля с помощью КМД и фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), преобразующего угол поворота магниточувствительного элемента (МЧЭ) в электрический сигнал, - ток на выходе фотоприёмника (ФП). ФЭП состоит из источника света, объектива с линзами, фиксированного зеркала, подвижного зеркала (с МЧЭ – магнитом из викаллоя), закрепленного при помощи кварцевой нити (толщиной 25…30 микрон) на кварцевой рамке, а также двух ФП, установленных в держателе в фокальной плоскости объектива [5, 8].

           Выходной аналоговый сигнал с ФП усиливается при помощи МДМ-усилителя (охваченного внутренней ОС для повышения стабильности), поступает на фильтр с частотой среза 3…5 Гц и далее на интегратор, а с его выхода - на выход МИП и далее на регистратор, в качестве которого могут использоваться (в различных вариантах исполнения ЦМВС), – БИН, СЦД или персональный компьютер (ПК). Упрощённая структурная схема одного из вариантов ЦМВС показана на рис.3, а функциональная базовая схема (в данном случае для варианта ЦМВС «Кварц-4АС») представлена на рис.4.

Рис.3. Структурная схема одного из вариантов ЦМВС «Кварц-4».

 

        МИП ЦМВС содержит блок датчиков (БД) - три КМД, установленные взаимно ортогонально на жёстком немагнитном корпусе - ЮП, снабженном тремя подъемными винтами для нивелировки в горизонтальной плоскости, а также БЭ.  Все платы БЭ размещены в отдельном немагнитном корпусе, соединенном с каждым из КМД при помощи экранированных кабелей длиной от 1.5 до 2,5 м. БЭ включает в себя платы усилителя (ПУ),  преобразователя (ПП), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и источника питания (ИП). Плата ПУ содержит три идентичных канала усиления, позволяющих обеспечивать необходимую крутизну преобразования поле-напряжение МИП, и источник питания для элементов ФЭП. АЦП (с выносным датчиком температуры – ДТ) выполнен на основе микросхемы AD7734, а ИП выполнен на базе DC-DC преобразователя типа DU1PO-12D, позволяющего при изменении напряжения питания (в пределах от 7 до 20 В) формировать выходные стабилизированные напряжения для питания плат и узлов БЭ с высокой стабильностью. В штатном режиме работы (например, в условиях МО) все схемы МИП могут питаться от аккумуляторной батареи (АБ) или стандартного сетевого адаптера (СА) постоянным напряжением 12 В. При этом мощность потребления различных вариантов МИП ЦМВС от источника питания постоянного тока составляет не более 2,5…3,0 Вт.

         БИН (или более его поздний вариант - СЦД) содержит плату микроконтроллера,   таймер, память данных и программ, графический индикатор, плату интерфейсную и ИП. На графическом дисплее БИН предусмотрены и реализованы такие сервисные возможности как: вывод (демонстрация) графиков измеряемых вариаций составляющих ВМИ поля Земли в реальном времени, вывод графика измеренной температуры окружающей среды и построение трехчасового К-индекса магнитной активности.

 

Рис.4. Функциональная схема ЦМВС «Кварц-4АС».

 

          ПО БИН обеспечивает возможность просмотра на дисплее графиков данных ранее записанных в память прибора, возможность масштабирования измеряемых данных по временной и амплитудной шкале, возможность поканального вывода данных с максимальной разрешающей способностью МИП, а также возможность визуализации процесса заполнения памяти прибора и контроль напряжения ИП. Накопление цифровых данных из МИП в БИН или ПК происходит в непрерывном режиме при помощи последовательного канала связи со скоростью не менее 9600 бод. Таймер, управляющий работой ЦМВС, имеет канал синхронизации с GPS и возможность коррекции хода часов реального времени. При использовании прибора в условиях МО  предусмотрена возможность наращивания системы путем увеличения числа измерительных каналов.

          ПО обеспечивает организацию базы данных ЦМВС, возможность обработки данных для использования их в формате, пригодном для участия в международных программах Intermagnet  и SuperMag [15-18]. ПО предусматривает организацию на базе БИН «Кварц-4» системы сбора информации путем подключения дополнительных измерительных каналов (приборов) при помощи последовательного канала связи.

Усовершенствование схемы и ПО ЦМВС было осуществлено в 2014 году. В результате был разработан, изготовлен и испытан компактный БЭ, который совмещает в себе функции пульта управления, каналов усиления-преобразования и устройства сбора данных (УСД). БЭ позволяет проводить работы с несколькими комплектами КМД, настроенными на различные диапазоны полей (работа в различных регионах высоких, средних и низких магнитных широт). Это позволяет использовать один комплект ЦМВС со сменными конструктивно-идентичными датчиками практически в любом районе северного полушария, - сделать ЦМВС универсальной и «возимой». Для этого комплект ЦМВС дополнен специально  разработанными блоками транспортировки (БТ) и специальной транспортной подвеской для каждого из комплектов КМД. Общий вид универсальной широкодиапазонной ЦМВС представлен на рис.5.

 

Рис.5. Общий вид ЦМВС «Кварц-4УШ».

 

Каждый из КМД может использоваться в любом измерительном канале БЭ без проведения их настройки или перестройки (с использованием специально созданного ПО), при этом коэффициент преобразования каждого из измерительных каналов МИП устанавливается программно. Схема типового измерительного канала разработана гибкой, что позволяет легко проводить (в случае необходимости) коммутации различных каскадов усиления, их комбинации, коммутировать катушки обратной связи (КОС) и калибровки КМД и применять различного типа излучатели (SMD-светодиоды) в канале ФЭП. Значительно (до 3-х метров) была увеличена длина соединительных кабелей между КМД и БЭ. За счёт изменения конструкции корпуса КМД удалось добиться увеличения реального значения измерительного диапазона для каждого из КМД до ±7…10 мкТл. Применение более нового и экономичного DC-DC преобразователя и малопотребляющих, немагнитных SMD-светодиодов (с малым углом излучения) позволило значительно снизить потребление всех схем БЭ. Так, при изменении входного питающего напряжения в пределах от 7 до 24 В, общее потребление МИП ЦМВС не превосходило значения 2,1 Вт.

        Разработан, изготовлен и испытан новый вариант цифровой управляющей платы – УСД на базе более новой модели управляющего процессора. УСД предназначено для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму, для хранения и передачи цифровых данных и оснащено часами реального времени, а также приемником GPS с PPS-сигналом. Память данных реализована на съемной микро-SD карте. УСД размещается в БЭ (или может использоваться автономно) и оснащено выносным ДТ.

             

Рис.6. Пример зарегистрированных ЦМВС данных в текстовом итоговом файле и на дисплее ПК. В текстовом файле первый столбец – UT, второй, третий и четвёртый столбцы  - данные измерительных каналов D, H и Z, пятый столбец – данные цифрового термометра.

 

         ПО ЦМВС обеспечивает оцифровку по трем аналоговым каналам АЦП с частотой 10 Гц. Полученные за секунду данные усредняются, дополняются временным отсчетом, значением температуры и записываются в файл на микро-SD карту. ПО реализует  входной диапазон аналоговых сигналов ±5В, а запуск АЦП синхронизован с часами реального времени, которые синхронизируется модулем GPS по всемирному времени (UT) с точностью до 0,01 с. Передача цифровых данных УСД в линию осуществляется по интерфейсам RS232 и RS485 по мере их формирования. В ЦМВС предусмотрена возможность передачи как исходных данных (10 Гц), так и усредненных. Дополнительно, по интерфейсу RS232 допускается возможность полной диагностики модулей и управления режимами функционирования УСД и схем БЭ. Размер платы УСД  - 110х45х27 мм, потребление при включенном блоке GPS составляет не более 50 мА. Пример регистрации измеренных ЦМВС данных на дисплее ПК (одно- и трёхсуточные записи) в графической форме, а также пример представления информации при формировании базы данных (текстовый файл) показаны на рис.6.

Один из вариантов построения схемы ЦМВС «Кварц-4УШ» реализует возможность удаления МИП от регистратора на расстояние (100…300 м), при этом передача данных в линию реализуется с помощью интерфейса RS485. Такой вариант ЦМВС укомплектован средствами (блоком) защиты от грозы, кабелем, переносным постаментом и защитным всепогодным кожухом.

  Основные технические характеристики ЦМВС «Кварц-4УШ» представлены в таблице.

                                                                                                       

                                                                                                               Таблица

Наименование основных технических характеристик МИП

Размерность

Измеряемые составляющие ВМИ поля Земли D, H, Z:

- для района высоких широт

 

- для района средних широт

 

- для района низких широт

 

 

    H = 9,0 ± 3,0 мкТл

Z = 58,0 ± 3,0 мкТл

H = 17,0 ± 3,0 мкТл

Z = 50,0 ± 3,0 мкТл

H = 27,0 ± 3,0 мкТл

Z = 43,0 ± 3,0 мкТл

Динамический диапазон измерения вариаций каждой из составляющих ВМИ поля Земли

 

± 4000 нТл

Частота оцифровки измеряемых вариаций

10 Гц

Цена единицы счёта младшего разряда цифрового отсчётного устройства по каждому из измерительных каналов вариометров

 

0,1 нТл

Основная систематическая погрешность измерений

± 10 нТл

Пределы допустимой приведённой погрешности измерений, не более

                                    

     ± 0,5 %

Уровень собственных шумов МИП (размах), не более

0,5 нТл

Цена единицы счёта младшего разряда цифрового отсчётного устройства измерения температуры

 

0,1 ºС

Цикл автоматических измерений

1 с

Диапазон рабочих температур МИП

от минус 30 до 35 ºС

Суточный уход таймера при температуре (15±5)ºС, не более

1 с

Напряжение питания от источника постоянного тока

12 ± 3 В

Габаритные размеры Д*Ш*В (масса) ЮП с установленными КМД

375х160х80 мм (5,6 кг)

Габаритные размеры Д*Ш*В (масса) БЭ

225х145х80 мм (1,4 кг)

 

 

 

 

Литература

   1. Мансуров С.М. Теория магнитных вариационных приборов // Труды НИИЗМ. М., 1957. Вып.12 (22). С.91.

   2. Бобров В.Н. Кварцевые геомагнитные приборы // Вестник академии наук СССР. М., 1963. Вып.2. С.82-84.  

   3. Бурцев Ю.А., Долгинов Ш.Ш., Жузгов Л.Н., Козлов А.Н. Магнитное приборостроение // Электромагнитные и плазменные процессы от Солнца до ядра Земли. М.: Наука, 1989. С.328-338.

   4. Амиантов А.С., Зайцев А.Н., Папиташвили В.О., Петров В.Г., Шульгин В.А. Некоторые результаты эксплуатации цифровых магнитовариационных станций // Геомагнитное приборостроение. М.: Наука, 1977. С.65.

   5. Белов Б.А., Бурцев Ю.А., Мурашов Б.П. Оптическая система фотопреобразования угловых смещений // Авторское свидетельство  № 1021941. Опубликовано в Б.И. 1983. № 21. 1989.

   6. Высокостабильная 3-компонентная кварцевая магнитовариационная станция «Кварц-3ЕМ». Проспект ИЗМИРАН. Троицк, 2004. – 4 с.

   7. Бобров В.Н., Любимов В.В. Цифровая магнитовариационная станция // Датчики и Системы / Новые приборы. М.: «ООО СенСиДат», 2005. №.2. С.40-42.

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

    9. Бурцев Ю.А., Головков В.П., Кузнецов В.Д., Любимов В.В. История магнитного приборостроения в ИЗМИРАН: прошлое, настоящее, ... будущее??? // Материалы Международного семинара «170 лет обсерваторских наблюдений на Урале: история и современное состояние». Екатеринбург, 17-23 июля 2006 г. Екатеринбург: Институт геофизики УрО РАН, 2006. С.45 – 54.

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

  11. Белов Б.А., Бурцев Ю.А., Кузнецов В.Д., Любимов В.В. Кварцевые приборы ИЗМИРАН в полярных геомагнитных исследованиях // Материалы Международного семинара «170 лет обсерваторских наблюдений на Урале: история и современное состояние». Екатеринбург, 17-23 июля 2006 г. Екатеринбург: Институт геофизики УрО РАН, 2006. С.24–28.

   12. Белов Б.А., Бурцев Ю.А., Кузнецов В.Д. Кварцевые вариометры ИЗМИРАН на мировой сети магнитных обсерваторий // Экономика и производство. /Технологии, оборудование, материалы / Журнал организаторов производства. М., 2008. №.4. С.55-57.

   13. Канониди Х.Д. Комплексные гелиогеофизические наблюдения в Российской Федерации и странах СНГ. Троицк: ИЗМИРАН, 2008. – 46 с.

   14. Кириаков В.Х., Любимов В.В. Цифровая магнитная обсерватория // Приборы. М., 2009. №12. С.8-12.

   15. Кузнецов В.Д. Электромагнитные и плазменные процессы в системе Солнце-Земля: к 70-летию ИЗМИРАН (Обзор) // Геомагнетизм и аэрономия. М.: Наука, 2009, том 49. № 6. С.723-735.

   16. Кириаков В.Х., Любимов В.В. Цифровая магнитная обсерватория: опыт построения и варианты // Найновите постижения на Европейската наука-2011 / Материали за VII Международна научна практична конференция 17-25 юни 2011/ Физика. Том 36. София «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2011. С.37-46.

   17. Кириаков В.Х., Любимов В.В. Цифровая магнитовариационная автоматическая станция // Dynamika naukowych badan – 2012 / Materialy VIII Miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji 07 – 15 lipca 2012/ Fizyka. Vol.22, Przemysl. 2012. S.31-35.

  18. Канониди К.Х., Канониди Х.Д., Петров В.Г.  Развитие сети геомагнитных наблюдений ИЗМИРАН // Электромагнитные и плазменные процессы от недр Солнца до недр Земли. Юбилейный сборник ИЗМИРАН-75. М.: ИЗМИРАН, 2015. С.77-87.

  19. Приборы на основе кварцевых датчиков (http://www.pribory-magic.narod.ru/Qwartz_XXI.htm).