RU2010257C1

RU2010257C1 - Method of calibration adjustment of magnetic instruments

Info

Publication number: RU2010257C1
Authority: RU
Inventors: С.В. Форганг; Т.К. Морозова
Original assignee: Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья
Priority date: 1990-05-14
Filing date: 1990-05-14
Publication date: 1994-03-30

Abstract

FIELD: instrumentation. SUBSTANCE: magnetic instrument is exposed to action of field of dipole measure placed at fixed distance from instrument. First frequency corresponding to maximum gain factor is established and its bench mark value is determined. Then measure and tested instrument are brought together and value of current in winding of measure at fixed voltage is measured. After this measurements on selected frequency are conducted and gain factor is determined by given relations. EFFECT: improved accuracy of calibration adjustment. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для поверки магнитоизмерительных приборов, в частности, используемых в геоэлектроразведке. The invention relates to measuring equipment and is intended for calibration of magnetic measuring instruments, in particular, used in geoelectrical exploration.

Известен способ поверки коэффициента преобразования магнитоизмерительных приборов. Согласно этому способу поверяемый прибор располагают в геометрическом центре образцовой меры, в которой создают образцовое магнитное поле Н, пропуская ток поверки через эту образцовую меру. На выходе поверяемого прибора измеряют напряжение U(f) на ряде частот рабочего диапазона, включая верхнюю и нижнюю, а затем по измеренным значениям определяют коэффициент преобразования
K(f) = U(f)/H(f). (1)
Из полученного ряда К(f) выбирают экстремальные значения, определяют погрешности и сравнивают полученные данные с заданными допустимыми значениями.A known method of verification of the conversion coefficient of magnetic measuring devices. According to this method, the device under verification is placed in the geometric center of the exemplary measure in which an exemplary magnetic field H is created by passing the verification current through this exemplary measure. At the output of the instrument under test, the voltage U (f) is measured at a number of frequencies of the working range, including the upper and lower, and then the conversion coefficient is determined from the measured values
K (f) = U (f) / H (f). (1)
From the obtained series K (f), extreme values are selected, the errors are determined, and the data obtained is compared with the given allowable values.

Недостатком этого способа является ограниченная возможность его использования - только для поверки приборов, имеющих весьма малые по сравнению с образцовой мерой габариты. Обусловлено это тем, что используемые в настоящее время для геоэлектроразведки магнитоизмерительные датчики имеют значительные геометрические размеры. Это определяет такие требования к поверочной аппаратуре, как широкополосность образцовой меры (вплоть до 20-25 кГц), обеспечивающей требуемую однородность магнитного поля в достаточно большом рабочем объеме, повышенные требования к точности и ее механической прочности. Такие требования делают эту образцовую меру фактически уникальным и нетиражируемым устройством. Необходимость разработки и изготовления индивидуального образцового устройства для каждого геофизического магнитоизмерительного датчика делает использование этого способа крайне дорогостоящим, трудоемким и в большинстве случаев исключает возможность его использования. The disadvantage of this method is the limited possibility of its use - only for verification of instruments having very small dimensions compared to the standard measure. This is due to the fact that the magnetic sensors currently used for geoelectrical exploration have significant geometric dimensions. This determines such requirements for calibration equipment, such as broadband of an exemplary measure (up to 20-25 kHz), providing the required uniformity of the magnetic field in a sufficiently large working volume, and increased requirements for accuracy and its mechanical strength. Such requirements make this exemplary measure a virtually unique and non-replicable device. The need to develop and manufacture an individual reference device for each geophysical magneto-measuring sensor makes the use of this method extremely expensive, time-consuming and, in most cases, excludes the possibility of its use.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ поверки рабочих средств измерения магнитного поля, по которому на поверяемый прибор воздействуют магнитным полем дипольной меры, расположенной от поверяемого прибора на расстоянии не менее восьми максимальных размеров дипольной меры, измеряют выходное напряжение поверяемого прибора и определяют его коэффициент преобразования. В качестве дипольной меры используется многовитковая катушка, у которой любой из размеров сечения обмотки более чем на порядок меньше среднего радиуса витка. Closest to the claimed technical essence is a method of verification of working means of measuring the magnetic field, according to which the device under test is exposed to a magnetic field of a dipole measure located at a distance of at least eight maximum sizes of the dipole measure, the output voltage of the device being tested is measured and its coefficient is determined transformations. As a dipole measure, a multi-turn coil is used, in which any of the cross-sectional sizes of the winding is more than an order of magnitude smaller than the average radius of the coil.

Для обеспечения однородности магнитного поля с погрешностью не более 1% рассчитывается расстояние между образцовой дипольной мерой и поверяемым прибором, которое для данного типа дипольной меры и поверяемого прибора составляет не менее восьми максимальных размеров дипольной меры. To ensure the uniformity of the magnetic field with an error of not more than 1%, the distance between the exemplary dipole measure and the verified instrument is calculated, which for this type of dipole measure and the verified instrument is at least eight maximum sizes of the dipole measure.

Измерение напряжения на выходе поверяемого прибора осуществляют на ряде частот рабочего диапазона, включая верхнюю и нижнюю частоты. Используя измеренные значения, определяют коэффициент преобразования для каждой из частот, выбирают экстремальные значения и, определив погрешности, сравнивают их с допустимыми. The voltage measurement at the output of the device under test is carried out at a number of frequencies of the operating range, including the upper and lower frequencies. Using the measured values, they determine the conversion coefficient for each of the frequencies, choose extreme values and, having determined the errors, compare them with the acceptable ones.

Практически можно использовать два варианта взаимной установки образцовой меры и поверяемого прибора. Их магнитные оси находятся на одной прямой, при этом в приемнике поверяемого прибора создается однородное магнитное поле амплитудой напряженности
H=

(2) где S - площадь витка образцовой меры;
n - количество витков этой меры;
I - амплитуда тока в образцовой мере, образцовая мера и поверяемый прибор находятся в одной плоскости, а их магнитные оси взаимопараллельны. В этом случае напряженность поля
H=

.In practice, you can use two options for the mutual installation of exemplary measures and the instrument being verified. Their magnetic axes are located on one straight line, while in the receiver of the instrument under test a uniform magnetic field is created with an amplitude of intensity
H =

(2) where S is the coil area of the model measure;
n is the number of turns of this measure;
I - the amplitude of the current in an exemplary measure, the exemplary measure and the device to be verified are in the same plane, and their magnetic axes are mutually parallel. In this case, the field strength
H =

.

Реализация этого способа обеспечивает высокую однородность образцового поля с погрешностью не более 1% . The implementation of this method provides high uniformity of the model field with an error of not more than 1%.

Однако этот способ не может быть использован для поверки магнитоизмерительных приборов индукционного типа. Известно, что коэффициент преобразования индукционного измерительного прибора зависит от текущей частоты входного воздействия. Принимая во внимание, что верхняя и нижняя частоты рабочего диапазона отличаются в q = 10³. . . 10⁴раз, а требуется обеспечить на всех частотах уровень поля, соответствующий 0,7-0,9 от номинального, получают, что для нижней частоты f_н уровень тока в образцовой мере должен быть больше, чем на верхней частоте f_в соответственно в 10³. . . 10⁴ раз. Расчеты необходимых величин тока для осуществления поверки конкретного преобразователя ПМПИ проводят в соответствии с формулами (1) и (2). Преобразователь с характерным размером рамочного магнитоприемника 0,6 м, номинальным выходным сигналом 5 В, коэффициентом преобразования К(f) = 0,1 В ˙ м ˙ А^-1. Образцовая дипольная мера имеет четыре витка с диаметром витка 0,51 м. Поверяемый прибор и дипольная мера установлены на расстоянии 6 м при расположении их магнитных осей на одной прямой. Воспользовавшись формулами (1) и (2), получают значения тока на верхней и нижней частотах соответственно
I(f_в) = 4,15 А; I(f_н) = 8,3 ˙ 10³ А.However, this method cannot be used to verify magnetic measuring instruments of induction type. It is known that the conversion coefficient of an induction measuring device depends on the current frequency of the input action. Taking into account that the upper and lower frequencies of the operating range differ in q = 10 ³ . . . 10 ⁴ times, and is required to provide for all frequencies field level corresponding to 0.7-0.9 of the nominal is obtained that the lower frequency f _n current level in model extent must be greater than the upper frequency f, respectively, _in 10 ³ . . . 10 ⁴ times. Calculations of the required current values for the verification of a particular PMDI converter are carried out in accordance with formulas (1) and (2). A transducer with a characteristic size of the frame magnet receiver 0.6 m, a nominal output signal of 5 V, a conversion coefficient K (f) = 0.1 V ˙ m ˙ A ^-1 . The exemplary dipole measure has four turns with a coil diameter of 0.51 m. The device to be verified and the dipole measure are installed at a distance of 6 m with their magnetic axes located on one straight line. Using formulas (1) and (2), current values are obtained at the upper and lower frequencies, respectively
I (f _in ) = 4.15 A; I (f _n ) = 8.3 ˙ 10 ³ A.

Очевидно, что требуемые в данном случае параметры тока делают этот способ поверки такого типа преобразователей практически не применимым. Obviously, the current parameters required in this case make this method of verification of this type of converters practically inapplicable.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет поверки индукционных приборов. The aim of the invention is the expansion of functionality by calibrating induction devices.

Цель достигается тем, что по способу поверки магнитоизмерительных приборов, включающему воздействие на поверяемый прибор магнитным полем дипольной меры, расположенной от него на расстоянии не менее восьми максимальных размеров дипольной меры, измерение выходного напряжения поверяемого прибора и определение его коэффициента преобразования, согласно изобретению сначала на поверяемый прибор воздействуют магнитным полем частоты, соответствующей максимуму номинального коэффициента преобразования поверяемого прибора, затем сближают его с образцовой мерой и снижают напряженность магнитного поля меры до момента достижения выходным напряжением поверяемого прибора измеренного значения и фиксируют величину тока в обмотке дипольной меры, после чего устанавливают требуемую частоту магнитного поля, регулируют ток в обмотке дипольной меры и определяют коэффициент преобразования поверяемого прибора на требуемой частоте. The goal is achieved by the fact that according to the method of calibration of magnetic measuring instruments, including the action of a dipole measure by a magnetic field located on it at a distance of not less than eight maximum sizes of a dipole measure, measuring the output voltage of the device being verified and determining its conversion coefficient, according to the invention, first to be verified the device is exposed to a magnetic field of frequency corresponding to the maximum of the nominal conversion coefficient of the device to be verified, then with an exemplary measure and reduce the magnetic field strength of the measure until the output voltage of the instrument being verified reaches the measured value and fix the current value in the winding of the dipole measure, then set the required frequency of the magnetic field, adjust the current in the winding of the dipole measure and determine the conversion coefficient of the device to be verified at the required frequency.

При регулировке тока в обмотке дипольной меры устанавливают расчетное значение тока, в процессе определения коэффициента преобразования поверяемого прибора на требуемой частоте измеряют выходное напряжение поверяемого прибора, а расчетное значение тока и коэффициент преобразования и поверяемого прибора определяют из соотношений
I(f) = I_pK(f_p)/K(f);
K(f) = K(f_p) ˙ U(f)/U_p, где I(f) и U(f) - текущие значения тока в образцовой мере и напряжение на выходе поверяемого прибора;
I_p и U_p - реперные значения тока в образцовой мере и напряжения на выходе поверяемого прибора.When adjusting the current in the winding of the dipole measure, the calculated current value is established, in the process of determining the conversion coefficient of the device being verified, the output voltage of the device being tested is measured at the required frequency, and the calculated current value and the conversion coefficient and the device being verified are determined from the relations
I (f) = I _p K (f _p ) / K (f);
K (f) = K (f _p ) ˙ U (f) / U _p , where I (f) and U (f) are the current current values in exemplary measure and the voltage at the output of the device under test;
I _p and U _p - reference values of current in an exemplary measure and voltage at the output of the device being verified.

Регулировку тока в обмотке дипольной меры проводят до момента равенства выходного напряжения поверяемого прибора значению, измеренному на частоте, соответствующей максимуму номинального коэффициента преобразования, а в процессе определения коэффициента преобразования поверяемого прибора на требуемой частоте фиксируют величину тока в обмотке дипольной меры и определяют коэффициент преобразования поверяемого прибора из соотношения
K(f) = K(f_p) ˙ I_p/I(f).The current in the winding of the dipole measure is adjusted until the output voltage of the device under test is equal to the value measured at a frequency corresponding to the maximum of the nominal conversion coefficient, and in the process of determining the conversion coefficient of the device to be verified at the required frequency, the current value in the winding of the dipole measure is fixed and the conversion coefficient of the device to be verified is determined from the relation
K (f) = K (f _p ) ˙ I _p / I (f).

Сущность способа заключается в том, что поверку прибора проводят в два этапа, сначала определяют значение коэффициента преобразования на частоте, соответствующей максимуму номинального коэффициента преобразования, а затем, изменив взаиморасположение образцовой меры и поверяемого прибора, осуществляют поверку на других частотах. Это позволяет проводить поверку во всем рабочем диапазоне частот с разумными величинами тока в образцовой мере до 5-10 А. The essence of the method lies in the fact that the verification of the device is carried out in two stages, first determine the value of the conversion coefficient at a frequency corresponding to the maximum of the nominal conversion coefficient, and then, changing the relative position of the model measure and the device being verified, carry out verification at other frequencies. This allows verification over the entire operating frequency range with reasonable current values in an exemplary measure of up to 5-10 A.

На чертеже приведена схема поверки магнитоизмерительного прибора. The drawing shows a calibration scheme of a magnetic measuring device.

На поверочном столе 1 расположены поверяемый преобразователь 2 и образцовая дипольная мера 3. Для измерения тока к дипольной мере 3 подключен цифровой амперметр 4. Дипольная мера 3 через усилитель 5 мощности соединена с низкочастотным генератором 6. Для контроля частоты используется частотомер 7. К поверяемому преобразователю 2 подключен вольтметр 8. A verifiable transducer 2 and an exemplary dipole measure 3 are located on the calibration table 1. For measuring current, a digital ammeter 4 is connected to dipole measure 3. Dipole measure 3 is connected to a low-frequency generator 6 through a power amplifier 5. Frequency meter 7 is used to control the frequency. To the verified transducer 2 connected voltmeter 8.

Осуществление способа рассмотрим на конкретном примере аттестации индукционного преобразователя магнитного поля ПМПИ, разработанного для электроразведочных геофизических работ. ПМПИ осуществляет измерения скорости изменения ортогональных компонент индукции магнитного поля в диапазоне частот от 10 Гц до 10 кГц. Преобразователь ПМПИ включает в себя рамочный магнитоприемник с диаметром 0,6 м и номинальным выходным сигналом 5 В. Для проведения поверки использовали образцовую дипольную меру ИГ 519.000.010 (количество витков четыре, диаметр 0,51 м) и стандартные средства измерений: цифровой вольтметр В7-34, генератор низкой частоты Г3-118, электронно-счетный частотоизмеритель Ч3-64, цифровой амперметр В7-21. The implementation of the method will be considered on a specific example of certification of an induction magnetic field transducer PMDI, designed for electrical exploration geophysical work. PMDI measures the rate of change of the orthogonal components of the magnetic field induction in the frequency range from 10 Hz to 10 kHz. The PMDI transducer includes a magnetic frame receiver with a diameter of 0.6 m and a nominal output signal of 5 V. For verification, we used an exemplary dipole measure IG 519.000.010 (four turns, diameter 0.51 m) and standard measuring instruments: a digital voltmeter V7 -34, low-frequency generator G3-118, electronically counting frequency meter Ch3-64, digital ammeter V7-21.

Перед проведением измерений установили на поверочном столе 1 поверяемый преобразователь 2 и дипольную меру 3 так, чтобы их плоскости были параллельны, а расстояние между их центрами r = 6 м (десять характерных размеров ПМПИ). На дипольную меру 3 от низкочастотного генератора 6 через усилитель 5 мощности подавали ток поверки с частотой f_в = 10000 Гц амплитудой I = 2,08 А. Измерение тока осуществляли цифровым амперметром 4. Контроль частоты производили частотомером 7.Prior to the measurements, a verifiable transducer 2 and a dipole measure 3 were installed on the test table 1 so that their planes were parallel and the distance between their centers was r = 6 m (ten typical sizes of PMD). For dipole measure 3 from the low-frequency generator 6, a calibration current with a frequency f _in = 10000 Hz and an amplitude of I = 2.08 A was applied through a power amplifier 5. The current was measured with a digital ammeter 4. Frequency meter 7 was controlled.

Ток поверки, поданный в дипольную меру 3, создает в плоскости рамочного магнитоприемника равномерное магнитное поле напряженностью Н в соответствии с выражением (2). На выходе преобразователя 2 вольтметром 8 измерили напряжение U и приняли его за реперное U_р. Используя измеренное значение напряжения и ток поверки, вычислили коэффициент преобразования К(f_в) из выражения (1) и сравнили с заданным.The verification current supplied to dipole measure 3 creates a uniform magnetic field in the plane of the frame magnetic receiver of intensity H in accordance with expression (2). At the output of the converter 2 with a voltmeter 8, the voltage U was measured and taken for reference U _p . Using the measured voltage value and the calibration current, we calculated the conversion coefficient K (f _in ) from expression (1) and compared with the set value.

Далее дипольную меру 3 установили также соосно с рамочным магнитоприемником на расстоянии r = 0,3 м, исходя из условия, чтобы на этом расстоянии погрешностью за счет паразитных электромагнитных связей можно было пренебречь. Регулируя амплитуду тока на верхней частоте, на выходе преобразователя 2 установили сигнал, равный U_p. При этом фиксировали вольтметром 4 величину тока I_p в дипольной мере 3 и приняли его за реперное. Затем проводили изучение поведения К(f) на ряде рабочих частот ПМПИ: 10, 20, 105, 305, 1005 и 5005 Гц. Для каждой из указанных частот в мере 3 устанавливали ток K(f) = I_p ˙ q, где q = f_в/f_н, измеряли U(f) и вычисляли коэффициент преобразования
K(f) = K(f_в) U(f)/U_p.Further, dipole measure 3 was also established coaxially with the frame magnetoreceiver at a distance of r = 0.3 m, based on the condition that at this distance the error due to spurious electromagnetic connections could be neglected. By adjusting the amplitude of the current at the upper frequency, a signal equal to U _{p was} established at the output of converter 2. In this case, the current value I _p in dipole measure 3 was recorded with a voltmeter 4 and took it as a reference. Then, a study of the behavior of K (f) was carried out at a number of operating frequencies of the MPS: 10, 20, 105, 305, 1005, and 5005 Hz. For each of these frequencies, the current K (f) = I _p ˙ q, where q = f _in / f _n , was set in measure 3, U (f) was measured, and the conversion coefficient was calculated
K (f) = K (f _in ) U (f) / U _p .

Погрешность ε =

-1

100% сравнивали с данными на преобразователь. Получили, что при требованиях Iε I ≅ 4,5% реальные значения I ε I не превышают 3,5% . При этом I_p = 2,010 мА, а амплитуда I(20 Гц) ≃ 1,043 А. (56) Штамбергер Г. А. Устройства для создания слабых постоянных магнитных полей. Новосибирск: Наука, 1972, с. 12-14, 35, 110.Error ε =

-1

100% were compared with data on the converter. It turned out that under the requirements Iε I ≅ 4.5%, the real values of I ε I do not exceed 3.5%. Moreover, I _p = 2.010 mA, and the amplitude I (20 Hz) ≃ 1.043 A. (56) Stamberger G. A. Devices for creating weak constant magnetic fields. Novosibirsk: Nauka, 1972, p. 12-14, 35, 110.

Claims

1. METHOD FOR VERIFICATION OF MAGNETIC MEASURING INSTRUMENTS, including the influence of a dipole measure on the instrument being measured at a distance of at least 8 maximum sizes of the dipole measure from the instrument being measured, the measurement of the output voltage and its act with a magnetic field of frequency corresponding to the maximum of the nominal transmission coefficient and, after measuring the output voltage of the device being verified, determine the reference the value of the conversion coefficient of the verified instrument, then bring it closer to the reference measure and reduce the magnetic field until the output voltage of the verified instrument reaches the measured value and fix the magnitude of the current in the winding of the dipole measure, and then set the alternating current to the selected frequency and determine the transmittance of the device being calibrated at the selected frequency.

2. The method according to p. 1, characterized in that when adjusting the current in the winding of the dipole measure, the calculated value of the current is set, in the process of determining the transfer coefficient of the verified device at the selected frequency, the input voltage of the verified device is measured, and the calculated value is calculated from the relations
J (f) = J _p K (f _p ) K (f),
K (f) = K (f _p ) U (f) / U _p ,
where J (f), U (f) are the current current values in exemplary measure and the voltage at the output of the device under test;
J _p , U _p - reference values of current in an exemplary measure and voltage at the output of the device being verified;
K (f), K (f _p ) - transmission coefficients of the device under test at the frequencies selected and corresponding to the maximum nominal transmission coefficient.

3. The method according to p. 1, characterized in that the current in the winding of the dipole measure is adjusted until the output voltage of the verified device is equal to the value measured at the frequency corresponding to the maximum of the nominal transfer coefficient, and in the process of determining the transfer coefficient fix the current value in the winding of the dipole measure and determine the transmittance of the verified device from the relation