Любимов В.В.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им.

Н.В. Пушкова Российской академии наук

КВАРЦЕВЫЕ МАГНИТОВАРИАЦИОННЫЕ СТАНЦИИ ИЗМИРАН: НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ

Кварцевые магнитовариационные станции (МВС) или цифровые (ЦМВС) серии «Кварц-4» [1-7], используемые в настоящее время в магнитной обсерватории (МО) ИЗМИРАН («Москва») и других МО [5], созданы на основе кварцевых магнитных датчиков (КМД). Они предназначены для проведения непрерывных стационарных и мобильных измерений вариаций и регистрации в цифровом виде данных о трёх составляющих вектора магнитной индукции (ВМИ) поля Земли. Кварцевые вариометры (КВ) такого типа могут быть настроены и использоваться для проведения работ в трёх основных широтных регионах: районе высоких широт (1-й регион), районе средних широт (2-й регион) и в районе низких широт (3-й регион), - в различных измерительных пунктах наблюдений, в том числе и в различных МО на территории РФ.

МВС и ЦМВС являются прецизионными точными приборами, предназначенными для непрерывного измерения вариаций трёх составляющих ВМИ поля Земли (D, H, Z) и регистрации измеренных данных в цифровой форме при помощи персонального компьютера (ПК). МВС (ЦМВС) представляет собой современный цифровой компьютеризованный прибор. Область применения – выполнение наземных магниторазведочных, поисковых, прогностических, научно-исследовательских и специальных работ. МВС (ЦМВС) может использоваться в полевых экспедиционных условиях, в условиях необслуживаемых и редко обслуживаемых пунктов наблюдений, а также в лабораторных и обсерваторских условиях. Собственно ЦМВС состоит из двух основных узлов, – магнитоизмерительного преобразователя (МИП) и цифрового регистратора измеренных данных. В качестве последнего для различных случаев применения ЦМВС может использоваться как персональный компьютер (ПК), так и разработанные (например, для различных серийных вариантов ЦМВС «Кварц-4») [2] специальные автономные регистраторы данных собственной разработки [3]. Общий вид МИП одного из вариантов ЦМВС серии «Кварц-4» представлен на рис.1.

Рис.1. Общий вид МИП ЦМВС «Кварц-4МО».

В 2014 г. в ИЗМИРАН создан новый универсальный вариант цифрового КВ – ЦМВС-У [5], который позволяет проводить работы с несколькими комплектами КМД, настроенными на различные диапазоны полей (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 «перевозимой». Каждый из КМД может использоваться в любом измерительном канале без проведения настройки или перестройки с использованием только специального программного обеспечения (ПО). Общий вид МИП одного из вариантов ЦМВС-У представлен на рис.2. На рис.3 показаны структурная схема (а) и функциональные (б, в) схемы соединений блоков ЦМВС. На этом же рисунке (г) показаны органы управления МИП ЦМВС и разъёмы для межблочных кабельных соединений, расположенные на корпусе блока электроники (БЭ).

Рис.2. Общий вид комплектов МИП ЦМВС-У и МВС «Кварц-4АС».

Рис.3. Структурная (а) и функциональная (б, в) схемы соединений блоков ЦМВС.

Условия эксплуатации МИП, включающего в себя три КМД, установленных на юстировочной платформе (ЮП), и БЭ – работа в диапазоне температур от минус 30 до +35°С при относительной влажности 65±15% и атмосферном давлении 100±4 кПа. Условия эксплуатации аппаратуры (см. рис.3а), входящей в состав станции (сетевого адаптера – СА и ПК), – работа в диапазоне температур от +10 до +35°С при относительной влажности 65±15% и атмосферном давлении 100±4 кПа [6, 7]. При этом регистрирующую часть ЦМВС, не входящую в состав МИП (СА и ПК), необходимо размещать в лабораторных условиях или в стационарном помещении. Напряжение питающей сети 220±22 В. Градиент поля в месте установки КМД не боле 5 нТл/м.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ И ТРЕБОВАНИЯ К РАЗМЕЩЕНИЮ МВС

При размещении МИП МВС в полевых условиях или измерительных точках главными требованиями являются следующие:

- создание условий для сохранения неподвижного положения КМД при проведении измерений;

- обеспечение защиты КМД от влияния атмосферных осадков, погодных условий (ветра и влажности);

- защита от влияния резкого изменения температуры окружающей среды.

При создании условий для проведения измерений МВС (ЦМВС) с требуемой точностью (при её использовании в мобильном варианте), необходимо обеспечить неподвижность установки ЮП с КМД, для чего можно использовать массивные немагнитные постаменты (ПТМ), - камни, мраморные плиты или листовое стекло (толщиной не менее 50 мм). Необходимо обеспечить удаление датчиков прибора от магнитных масс транспортных средств и аппаратуры электропитания на расстояние не менее 10…25 м. Долговременная устойчивость положения ПТМ в значительной степени определяет стабильность базисных уровней КВ. Стабильность и «немагнитность» ПТМ обеспечивают высокую точность компонентных наблюдений. Так изменение наклона постамента в районе средних широт (например, в условиях МО «Москва») на одну угловую минуту приводит к смещению показаний (базисного уровня) КВ на 7…14 нТл.

Самым простым способом установки датчиков МВС для проведения работ в походно-полевых условиях может служить их размещение на дне вырытой в земле квадратной ямы с размерами 60 х 60 см и глубиной до 30…50 см. В этом случае на дно такой ямы кладётся толстый немагнитный ПТМ (из алюминия, стекла, текстолита или мрамора), на который устанавливается ЮП с КМД. А сверху над МИП ставится обыкновенная туристическая палатка, которая достаточно хорошо защищает датчики КВ от осадков и солнечных лучей. Перед установкой ЮП с КМД необходимо при помощи магнитометра найти место для установки датчиков КВ. То есть провести микромагнитную съёмку в районе предполагаемой установки датчиков КВ. Найденное место для проведения работ будет оптимальным, если градиент поля в месте установки КМД не будет превышать значения 2…5 нТл/м. Для размещения МИП также вполне подойдёт готовый земляной погреб.

Размещение КВ в условиях МО должно проводиться в соответствии со схемой имеющихся аттестованных рабочих мест и измерительных столбов в конкретной МО. В этом случае работы в МО (и на её территории) проводятся с учётом рекомендаций, изложенных в [8]. При работе с КВ в МО необходимо также руководствоваться инструкцией по электробезопасности работ имеющейся в каждой конкретной МО. Для обеспечения высокой точности и стабильности измерений градиент поля на столбах вариационного (или абсолютного) павильона в месте установки КМД и на столбах не должен превышать значений 2…5 нТл/м.

ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ШУМОВ И ПОМЕХ В МЕСТЕ УСТАНОВКИ КМД

Близкое соседство измерителей магнитного поля с промышленными предприятиями, электрифицированными железными дорогами или жилым массивом часто приводит к измерениям не столько естественных вариаций геомагнитного поля, сколько к регистрации промышленных воздействий на это поле. Стоящие вблизи датчиков магнитометров здания, построенные из магнитных материалов, или с применением железобетонных конструкций не только искажают магнитное поле внутри помещений, но могут являться источником непредсказуемых температурных и других климатических воздействий на показания магнитометров [8]. Для магнитных измерений особенно большие помехи создают электрифицированные железные, трамвайные и троллейбусные дороги и линии, которые должны быть на расстоянии не менее 10…15 км от датчиков магнитометров.

Чтобы исключить магнитные помехи производственного характера расстояние от МИП до технического здания и подъездных дорог должно быть не менее 100 м, так как грузовая машина или автобус на расстоянии 80 м дают магнитную помеху около 1 нТл. Из теории известно, что эффект влияния магнитной массы тела на результат измерения магнитометра уменьшается по кубическому закону при удалении источника этого влияния от измерителя. Так, например, при удалении магнитной массы от датчика магнитометра на расстояние в 10 м амплитуда и эффект влияния на постоянном поле на показания этого магнитометра по направлению перемещения источника помехи уменьшается в 1000 раз.

Как правило, уровень влияющих на измерения магнитометра помех определяется экспериментально (в процессе проведения работ), а датчики устанавливаются и ориентируются в пространстве (относительно питающих подводящих электроэнергию линий) с учётом минимального влияния шумов и помех на результаты измерения. Электрические осветительные лампочки, применяемые для освещения, имеют не только в своей конструкции стальные детали, но они являются источником тепла. Поэтому их следует устанавливать не ближе 2-х метров от датчиков магнитометров.

Практика работы с ЦМВС показывает, что из-за достаточно экономичного режима работы МИП и малого потребления энергии схемами БЭ от источников питания (не более 3 Вт) допустимо располагать БЭ от КМД на минимальном расстоянии до 0,3 м, а регистрирующий ПК (ноутбук) на расстоянии не ближе 1,5 м не перемещая их в пространстве относительно ЮП с КМД. Это позволяет успешно проводить работы, устанавливая МИП прибора и ПК в рабочем помещении (в том числе и небольших размеров) в постоянных температурных условиях для работы и рядом. Однако рядом с этими помещениями не должно быть перемещающихся магнитных масс.

ПОДГОТОВКА МВС К ПРОВЕДЕНИЮ ИЗМЕРЕНИЙ: ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА

И МЕТОДИКА УСТАНОВКИ ДАТЧИКОВ

Выберите место для установки ПТМ, на котором должна быть размещена ЮП с КМД. Для этого необходимо с помощью магнитометра, буссоли или компаса найти (определить) место с минимальным градиентом магнитных силовых линий поля (не более 2…5 нТл/м), свободное от металлических и других магнитных предметов. Это место должно быть расположено на расстоянии не более чем длина соединительного кабеля от БЭ до пункта с регистрирующей аппаратурой (ПК) и источником электропитания (СА).

Если работы проводятся в полевых условиях, то в земле надо выкопать квадратную лунку (яму, как было указано выше), таким образом, чтобы одна из боковых сторон её лежала бы в плоскости магнитного меридиана (ММ), - направлению «север-юг» или близко к этому направлению. Направление ММ определяется при помощи входящего в комплект ЗИП прибора компаса. На дно этой лунки насыпьте слой песка толщиной 4…5 см, на который сверху кладётся немагнитный мраморный ПТМ. Допускается ставить ПТМ на твёрдую плотную поверхность, наклон которой относительно горизонтального уровня не превышает 5…10 угловых градусов.

Рис.4. Различные варианты ЮП без КМД (а, б, в) и КМД измерительных каналов Z (г), D (д) и H (е) уже установленные на ЮП (б, в).

При проведении работ в МО установка ЮП с КМД осуществляется на одном из измерительных столбов или постаментов вариационного (или абсолютного) павильона.

Подготовку к работе следует начинать с процедуры сборки ЮП, которая при поставке прибора находится в укладочных ящиках в разобранном виде. Соберите ЮП как показано на рис.4, для чего привинтите к корпусу ЮП при помощи входящих в комплект МВС (ЦМВС) немагнитных винтов три немагнитные ножки согласно маркировке на нижней части корпуса ЮП. В каждую из ножек вставьте (ввинтите) юстировочные винты. В отверстия на боковой части корпуса ЮП вставьте около посадочного места каждого из КМД (см. рис.4б и рис.4в) входящие в комплект держатели магнитов (или шинки с держателями магнитов для конструкции ЮП, показанной на рис.4а) и закрепите их гайками. Далее описание процедуры подготовки к работе ЮП и КМД будет проводиться на примере конструкции ЮП показанной на рис.2 и рис.4б,в. Подготовка к работе другого варианта ЮП, представленного на рис.1 и рис.4а,- проводится аналогично.

Установите ЮП на ПТМ на юстировочные винты, под которые необходимо подложить входящие в комплект ЗИП немагнитные пятачки (см. рис.4в). ЮП установите таким образом, чтобы длинная сторона была расположена в направлении ММ, а узкая часть корпуса ЮП (с одной юстировочной ножкой) совпадала с направлением на «N» (направлением на север), определённым при помощи входящего в комплект ЗИП компаса и обозначенного стрелкой на корпусе (боковой поверхности) ЮП. При помощи накладного жидкостного уровня, входящего в комплект ЗИП, проведите нивелировку ЮП в горизонтальной плоскости, используя юстировочные винты. После нивелировки следует закрепить при помощи отвёртки положение юстировочных винтов фиксирующими винтами, расположенными на ножках.

Далее необходимо переходить к процедуре установки и крепления КМД на ЮП. Следует помнить, что первым всегда устанавливается датчик D-канала для того чтобы установить ЮП (и весь МИП) правильно и точно относительно плоскости ММ. Установите датчик D-вариометра (красного цвета) на посадочное место на узкой части ЮП как показано на рис.4д (и рис.2) и закрепите его на корпусе ЮП крепёжной гайкой таким образом, чтобы стрелка (наклеенная на боковой поверхности КМД) указывала на «север». Подключите разъём кабеля от КМД D-вариометра (согласно схеме на рис.3в) к соответствующему разъёму на боковой панели БЭ (Х1) «Датчик D» (см. рис.3г). Подключите кабель №5 к разъёму «ВЫХОД» (Х5) на боковой панели БЭ (маркировка на кабельном разъёме «БЭ»). Один из концов кабеля №5 с маркировкой «СА» (Х3) подключите к выходному разъёму СА. Другой конец кабеля №5 с маркировкой «RS» (Х2) подключите к преобразователю интерфейса - кабель-адаптеру Coad USB/RS-232 (кабель №6). Другой конец кабеля №6 с разъёмом USB подключите к ПК.

Подключите СА к сети переменного тока напряжением 220 В, 50 Гц. Включите питание БЭ, для чего на боковой панели БЭ установите тумблер «ПИТАНИЕ» (см. рис.3г) в верхнее положение. При этом должен загореться световой индикатор «ВКЛ». Включите ПК и установите необходимое для работы прибора ПО, которое находится на компакт-диске, входящим в комплект МВС (ЦМВС). Запустите программу регистрации в тестовом режиме. При этом на дисплее ПК будет строиться график измеряемого датчиком D-вариометра магнитного поля в реальном времени (красная кривая). Остальные 2 измерительных канала Н и Z (соответственно синяя и зелёная кривые на дисплее ПК) будут прописывать на дисплее ПК прямые линии. Их можно временно отключить.

Если плавно перемещать ЮП с КМД в горизонтальной плоскости, то можно добиться того, чтобы значение измеряемых вариаций поля по D-составляющей на дисплее ПК (красная линия) лежали в районе «нуля» или достаточно близко к «нулевому значению». Это будет критерием точной настройки и юстировки ЮП в плоскости ММ. Зафиксируйте положение немагнитных пятачков под ножками юстировочных винтов на немагнитном постаменте при помощи пластилина, входящего в комплект ЗИП. Чтобы убедиться в работоспособности измерительного канала возьмите один из магнитов (входящих в комплект ЗИП) и осторожно плавно поднесите его на небольшое расстояние к датчику D-вариометра в направлении его крепёжной оси (перпендикулярно к его корпусу). При этом на дисплее ПК будет заметно отклонение регистрируемой (красной) кривой от нулевого положения в одну из сторон. Поменяйте положение магнита на противоположное (поверните его в направлении оси датчика на 180 градусов). При этом должно наблюдаться отклонение красной кривой на дисплее ПК в противоположном направлении. Если этого не происходит, то возможно причиной является так называемое «механическое залипание датчика». Из этого состояния датчик можно вывести механически путём лёгкого постукивания ногтем или немагнитным (например, деревянным) предметом по корпусу КМД. Если это не поможет, то следует приблизить магнит (одним или другим концом) близко к корпусу КМД и затем резко его убрать или ненадолго выключить, а затем включить питание БЭ.

Следующим по порядку устанавливается датчик Н-вариометра (синего цвета) на посадочное место на торцевой части ЮП как показано на рис.2 и рис.4 (согласно наклейке на корпусе ЮП) и закрепляется на корпусе ЮП крепёжной гайкой. После этого следует подключить разъём кабеля №2 от КМД Н-вариометра (согласно схеме на рис.3в) к соответствующему разъёму на БЭ (Х2) «Датчик Н» (см. рис.3г). Затем надо вставить один из стержневых магнитов (находящихся в ЗИП) в держатель для магнитов, расположенный на корпусе ЮП (или на шинке) на одной из боковых поверхностей ЮП (слева или справа от КМД Н-вариометра) и закрепите его при помощи немагнитного винта и отвёртки на корпусе держателя магнита. Плавным вращением магнита (держателя магнита) добейтесь, чтобы значения Н-вариометра (синяя кривая на дисплее ПК) лежали в районе «нуля» или близко к этому значению. Зафиксируйте держатель магнита при помощи гайки на корпусе ЮП. Проведите действия по определению работоспособности Н-вариометра при помощи магнита аналогично действиям и рекомендациям, описанным при установке канала D.

Третьим по порядку следует устанавливать датчик Z-вариометра (зелёного цвета) на посадочное место в центральной части ЮП как показано на рис.2 (согласно наклейке на корпусе ЮП). Необходимо закрепить его на корпусе ЮП крепёжной гайкой таким образом, чтобы стрелка (наклеенная на боковой поверхности КМД) указывала на «север». После этого надо подключить разъём кабеля №3 от КМД Z-вариометра (согласно схеме на рис.3в) к соответствующему разъёму на БЭ (Х3) «Датчик Z» (см. рис.3г).

Как и в случае с каналом Н, необходимо вставить один из стержневых магнитов (находящихся в ЗИП) в держатель для магнитов, расположенный на корпусе ЮП (или на шинке) на одной из боковых поверхностей ЮП (слева или справа от КМД Z-вариометра). Затем закрепить его при помощи немагнитного винта и отвёртки на корпусе держателя магнита. Плавным вращением магнита (держателя магнита) в вертикальной плоскости (по- или против направления движения часовой стрелки) надо добиться, чтобы значения Z-вариометра (зелёная кривая на дисплее ПК) лежали в районе «нуля» или близко к этому значению. После этого надо зафиксировать держатель магнита при помощи гайки на корпусе ЮП. Процедура действия по определению работоспособности Z-вариометра при помощи магнита аналогично действиям и рекомендациям, описанным для каналов D и Н.

При установке КМД вариометров Н и Z может оказаться, что значение ранее установленного D-вариометра (на дисплее ПК) будут отличаться от «нулевого значения». В этом случае необходимо вставить один из стержневых магнитов (находящихся в ЗИП) в держатель для магнитов, расположенный на корпусе ЮП на боковой поверхности ЮП (справа от КМД D-вариометра) и закрепить его при помощи немагнитного винта на корпусе держателя магнита. Плавным вращением магнита (держателя магнита) добиться, чтобы значения D-вариометра (красная кривая на дисплее ПК) лежали в районе «нуля» или близко к этому значению. После этого необходимо зафиксировать держатель магнита при помощи гайки на корпусе ЮП. (Аналогично проделать повторную корректировку измеряемых значений Н и Z-вариометров.). При этом юстировка КМД для данной измерительной точки будет завершена.

Следует отметить, что конструкция оптической системы ФЭП (фотоэлектрического преобразования) КМД имеет так называемое «второе устойчивое состояние» [1, 2], в котором система не адекватно реагирует на внешние изменения измеряемых вариаций составляющих ВМИ. Наличие установки КМД в такое состояние можно легко проверить если переключить тумблер (или переключатель) «КАЛИБРОВКА» на боковой панели БЭ (см. рис.3г) последовательно из положения «0» в положения «+», «-» и обратно. Если отклонения показаний на дисплее ПК по всем измерительным каналам происходят в соответствии с положением установки этого тумблера (переключателя), то есть сначала увеличиваются и затем уменьшаются на определённую величину (калибровочное значение для каждого измерительного канала может быть разным и его значение указывается в паспорте прибора), то настройка КМД сделана правильно. В противном случае, необходимо кратковременно (в течение 2…5 с) нажать на кнопку «НУ» (кнопка «НУ» работает только в том случае, когда все КМД подключены к БЭ), которая установлена на боковой панели БЭ (см. рис.3г). В результате этого световые марки от осветителя ФЭП должны попасть в соответствующие прорези маски перед фотодиодами (фотоприёмниками).

У созданных в ИЗМИРАН кварцевых МВС и ЦМВС, как было показано выше, ЮП могут конструктивно значительно различаться между собой [1-7]. Однако методика установки КМД и процедура подготовки станций к работе у всех вариантов исполнения КВ одинакова.

Рис.5. Пример регистрации измеренных ЦМВС данных на дисплее ПК.

Для проведения пробной регистрации включите ПК и запустите программу регистрации данных в тестовом режиме. При этом на дисплее ПК автоматически со скоростью 10 изм/с будут строиться графики измеряемых КМД (D, Н и Z-вариометров) вариаций магнитного поля в реальном времени (соответственно, - красная, синяя и зелёная кривые). Если регистрируемые данные в виде кривых на дисплее ПК совпадают (закрывают) друг с другом, то на дисплее ПК их можно отодвинуть (развести) на некоторое расстояние двумя способами. Самый простой способ это при помощи держателя магнита (у каждого КМД), путём его плавного поворота на небольшой угол. Второй способ – более сложный и связан с изменением «базового уровня» АЦП в ПО прибора. После того как убедитесь в работоспособности всей системы, переведите ПК (ПО) в основной режим регистрации данных со скоростью 1 изм/с. Пример трёхсуточной записи измеренных ЦМВС вариаций МПЗ представлен на рис.5.

Литература

1. 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.

2. Бурцев Ю.А., Кириаков В.Х., Любимов В.В. Цифровая магнитовариационная станция «КВАРЦ-4» // Датчики и Системы / Новые приборы. М.: «ООО СенСиДат», 2006. №.1. С.45-48.

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

4. 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.

5. Любимов В.В. Универсальная цифровая магнитовариационная станция на базе кварцевых магнитных датчиков для работы в широком диапазоне полей // Бъдещето въпроси от света на науката – 2015 / Материали за XI Международна научна практична конференция 17-22 декември 2015/ Физика. Том 18. София «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2015. С.27-36.

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

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

8. Нечаев С.А. Руководство для стационарных геомагнитных наблюдений. Иркутск:

Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2006.- 140 с.