Протонные магнитометры

Усиление сигнала с Датчика, фильтрация, преобразование в "удобочитаемую" для микроконтроллера форму, измерение  частоты и перевод в нанотеслы  с последующим отображением на дисплее.

К1 разомкнут, К2 замкнут. При отключении поляризационного тока свободные протоны  начинают перестраиваться под воздействием магнитного поля Земли и при этом совершают колебательные движения, вызывая появление на датчике  напряжения с частотой, прямо пропорциональной напряженности магнитного поля. Коэффициент  пропорциональности равен 23,4872 нТл/Гц, т.е. при возникновении на Датчике  напряжения с частотой 2000 Гц напряженность  магнитного поля равна 2000*23,4872=46974 нТл.

    Сложность заключается  в том, что величина напряжения  лежит в диапазоне 0,5-2 мкВ (при  разумных размере датчика, его  индуктивности, токе поляризации  и объеме рабочего вещества) и  стремительно падает по экспоненциальному  закону до нуля за очень  небольшой промежуток времени  (примерно 0,7с для керосина, 2,5-3с  для дисциллированной воды).

Для получения приемлемого соотношения  сигнал/шум мы должны за время около 0,3-0,4с измерить частоту напряжения (грубо для наших целей лежащую  в диапазоне 1000-3000Гц) с точностью до сотых долей Гц (разрешение прибора при этом составит примерно 1 нТл).

Методы расчета и построения датчика, а также возможный метод  измерения частоты с заданной точностью мы рассмотрим далее. Фильтр нужен для подавления шумовых  составляющих сигнала, лежащих вне  рабочего диапазона, Компаратор или  триггер Шмитта - для увеличения крутизны фронтов сигнала и преобразования его в "удобочитаемую" для микроконтроллера форму (можно, конечно, использовать для  этих целей и встроенный компаратор микроконтроллера).

Для наглядности рассмотрим графики:

Как видим, цикл одного измерения состоит  из двух взаимосвязанных импульсов:

первого для управления поляризацией, а затем, через интервал времени t задержки , служащий для подавления переходного процесса в Датчике второго, подключающего схемы усиления, обработки и измерения входного сигнала.

Глава 3. Поляризация.

 

Упрощенный вариант схемы поляризации  может иметь следующий вид (Рис 1): В данном варианте подача напряжения поляризации и подключение датчика  к усилителю происходит при помощи реле, диоды VD1 и VD2 служат для гашения  импульса самоиндукции, транзистор VT для "заземления" входа высокочувствительного усилителя и запирается лишь на время, необходимое измерительной схеме для замера частоты сигнала с датчика (во многих случаях он необязателен). Конденсатор С рез здесь и в дальнейших схемах ставится лишь в случаях использования резонансного включения датчика. Применение подобного решения нежелательно ввиду низкого быстродействия релейной коммутационной схемы и подгоранию контактов.

Этих недостатков лишена схема  на Рис. 2, где функции реле выполняют  транзисторы VT1 и VT2, при помощи VT2 также  осуществляется задержка подключения  усилителя на время, необходимое  для полного подавления переходного  процесса в датчике. Но и эта схема  неприменима из-за того, что транзисторы  являются хоть и достаточно качественными  ключами, но не идеальными - в закрытом состоянии через VT1 и датчик протекает  ток утечки сток-исток порядка  нескольких мкА, что в нашем случае достаточно много (т. к. амплитуда измеряемого  нами сигнала с датчика находится  в диапазоне от десятых долей  мкВ до 1-2 мкВ при нерезонансном  подключении датчика).

Схема на Рис. 3 представляет собой "симбиоз" первых двух и лишена присущих им недостатков. Механизм ее работы таков: до начала поляризации  транзистор VT1 закрыт, VT2 открыт, контакты реле находятся в показанном на схеме  положении; при поляризации VT1 открывается  и через датчик протекает ток; по окончании поляризации VT1 закрывается и через несколько мс (время, достаточное для завершения переходного процесса) реле подключает датчик к усилителю и запирается VT2; после проведения измерения контакты реле возвращаются в исходное положение и отпирается VT2. Подобная реализация предотвращает протекание тока утечки сток-исток VT1 через датчик в момент измерения, исключает коммутацию больших токов при помощи реле и может быть использована на практике (в качестве реле можно использовать, например, РЭС 55 или аналогичные).

На Рис. 4 показана схема, не использующая реле в качестве коммутирующего элемента. Этого удалось добиться путем  добавления нескольких транзисторов и  некоторым усложнением управляющей  схемы (при использовании микроконтроллера управление реализуемо программно, если же микроконтроллер не используется, управляющие импульсы удобно формировать  при помощи таймеров типа 555). Рассмотрим принцип работы этой схемы при  помощи временных диаграмм, приведенных  ниже. До начала поляризации все  транзисторы, кроме VT7, закрыты. VT7 открыт - вход усилителя подключен к "земле". Для начала поляризации управляющей  схемой формируются Упр. импульс 1 (примерно 0,7 с для керосина) и Вспом. импульс 1, что приводит к отпиранию VT1, VT2, VT3 и VT4, через датчик протекает ток  поляризации и подключается схема  подавления переходного процесса на VT4 R2. VT7, как и ранее, открыт, остальные  закрыты. Как видно из графиков, Упр. импульс 1 и Вспом. импульс 1 начинают формироваться одновременно, но Вспом. импульс 1 имеет большую длительность (как правило, на 10-20 мс, в зависимости  от тока поляризации и индуктивности  датчика) и за это дополнительное время происходит подавление импульса самоиндукции (на R2 и защитных диодах транзисторов). Сразу же после окончания Вспом. импульс 1 формируется Вспом. импульс 2 (длительность примерно 0,2-0,5 с , к критериям выбора вернемся позднее) и отпирается VT5, VT1-VT4 и VT6 закрыты , VT7, как и ранее, открыт. Собственно, в использовании VT5 и заключается "изюминка" этой схемы. Если при поляризации "корпусным" являлся нижний по схеме вывод датчика, то в процессе измерения частоты прецессии на "корпус" подключается верхний вывод. На снимаемый с датчика сигнал это не влияет, но львиная доля тока утечки СИ VT2 (от которого, собственно, мы и стремимся избавиться) протекает по цепи +U - CИ VT2 - СИ VT5 - "корпус", минуя датчик. Через 5-10 мс после начала Вспом. импульс 2 формируется Упр. импульс 2, открывается VT6 и запирается VT7. Сигнал с датчика поступает на вход усилителя. По окончании Вспом. импульс 2 оканчивается и Упр. импульс 2 и схема возвращается в исходное состояние.

 

 

 

 

 

Глава 4. Требования к модулю микроконтроллера.

 

Попробуем теперь сформулировать требования, предъявляемые к модулю микроконтроллера.

Начнем с варианта "Максимум".

Этот вариант преследует скромную цель создания универсального микропроцессорного ядра протонного магнитометра, пригодную  для работы с датчиками различной  топологии и индуктивности, разными  типами рабочего вещества и любыми типами поляризации (релейной либо транзисторной), резонансным или нерезонансным  включением датчика, а также реализующего ряд полезных сервисных функций, облегчающих и автоматизирующих процесс поиска. Блок-схема этого  модуля может выглядеть следующим  образом (Рис 1):

Основными функциями этого модуля являются формирование управляющих  и вспомогательных импульсов, обработка  входного сигнала и вывод полученных результатов на дисплей.

Рассмотрим подробнее обработку  входного сигнала и, в частности, измерение частоты входного напряжения исходя из озвученных выше условий.

Очевидно, что метод измерения "в  лоб", т.е. подсчет количества импульсов  в единицу времени, не проходит - точность будет очень далека от требуемой. Для получения нужных нам результатов  можно, например, сделать следующим  образом. Сформируем условный временной  интервал, длительность которого будет  равна, скажем, ста периодам частоты  входного сигнала. Для частоты 1000 Гц длительность этого интервала будет  равна (1/1000)*100 = 0,1 с (исходя из этого  допущения можно сразу принять  фиксированную длительность Вспомогательного импульса 2 равной, например, 0,3 с , что вполне удовлетворяет поставленным выше условиям для времени измерения входного сигнала; тогда минимальный предел измерения напряженности магнитного поля для нашего прибора будет составлять примерно ~10000 нТл с учетом всевозможных временных задержек).

    Далее, для наглядности,  предположим, что на один из  двух входов логического элемента "И" подается наш условный  временной интервал (зависящий от  частоты входного сигнала), а на  другой - сигнал с высокостабильного  кварцевого генератора с фиксированной  частотой, скажем, F ген =1МГц. Тогда  по количеству импульсов на  выходе логического элемента  можно судить о частоте входного  сигнала: F входн =1/((Кол-во имп./F ген  )/100). Чем выше частота F ген  , тем выше точность измерения  частоты. Для получения результата  измерения в нТл необходимо  значение входной частоты в  Гц умножить на коэффициент  23,4872 (и коэффициент, и значение  частоты, разумеется, можно округлять,  но желательно, чтобы погрешность  измерения не превышала 1 нТл).

    Вернемся к функциям  модуля микроконтроллера и рассмотрим  все предъявляемые к нему в  идеале требования подробно.

Как видно из блок-схемы, управление работой и настройки осуществляются при помощи пяти кнопок. Все функции  модуля микроконтроллера можно свести в два основных режима:  режим  работы и режим настроек.

По нажатию кнопки "Меню" прибор переходит из рабочего режима в режим  настроек, повторное нажатие возвращает его в рабочий режим.

Кнопками "Влево" и "Вправо" осуществляется навигация по функциям в режиме настроек, а также просмотр результатов измерений в рабочем  режиме (более подробно это будет  рассмотрено ниже).

Кнопка "OK" служит для записи измененных настроечных параметров в EEPROM контроллера, входа в подменю  и выхода из него, а также для  проведения одиночного измерения магнитного поля в режиме работы (при выбранном  ручном режиме (см. далее)) при ее кратковременном  нажатии.

Кнопка "Фон" предназначена для  записи результатов только что сделанного замера магнитного поля в специальную  ячейку памяти, относительно которой  могут проводиться дальнейшие измерения, подробнее об этом ниже.

Настроечное меню (вызывается нажатием кнопки "Меню" из рабочего режима) состоит из двух основных подменю:

Рабочие настройки.

Аппаратные настройки.

    В рабочих настройках  содержатся параметры, предназначенные  для изменения пользователем  в процессе полевых работ, а  в аппаратных настройках - параметры,  установленные изготовителем прибора  и зависящие от типов датчика  и рабочего вещества, методов  поляризации и измерения.

Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - вход в подменю, "Меню" - выход  в режим работы.

Рассмотрим каждое из подменю:

А) - Рабочие настройки.  Включают в себя следующие функции:

Метод работы.

Метод измерений.

Интервал.

Диапазон.

Звуковое оповещение.

Контроль питания.

Подсветка дисплея.

Кнопками "Влево" и "Вправо" осуществляется выбор пункта, "ОК" - вход в подменю выбранного пункта, "Меню" - выход в режим настроек.

Рассмотрим каждый из пунктов:

Метод работы подменю:

а) Типовой (по умолчанию) (здесь и  далее параметры по умолчанию  заносятся в EEPROM при прошивке микроконтроллера).

б) Относительный.

Эти пункты задают вид экрана и  некоторые специфические функции  в режиме работы.

Для типового метода экран имеет  следующий вид:

Для относительного метода:

"-2" и т.д. значения предпоследнего, предпредпоследнего и т. д.  измерения соответственно. Отличия  этих методов заключается в  том, что для типового просто  делается ряд замеров и контролируется  изменение поля между только  что сделанным измерением и  измерением в соответствующем  столбце (эта разница и есть  цифры в столбцах со знаками  "+" и "-"). Для относительного  процедура несколько иная. Оператор  выходит на местность и делает  ряд пробных замеров с целью  определить примерный магнитный  фон. Когда, по его мнению, после  очередного замера показания  внизу экрана наиболее соответствуют  фону, он нажимает кнопку "Фон"  и это показание переносится  в столбец "ФОН". Далее все  как в первом варианте, с тем  лишь отличием, что цифры с  плюсами и минусами в столбцах "-1", "-2" соответствуют разнице  между фоном и сделанным предпоследним  и предпредпоследним измерением  соответственно, а в столбце "ФОН"  показана разница между фоном  и только что сделанным измерением. Для работы при относительном  методе измерений необходимо  выбрать его в меню "Метод  работы", выйти из режима настроек  в режим работы (при этом в  верхней половине экрана не  будет никаких данных), сделать  несколько замеров магнитного  поля (результат каждого сделанного  замера отражается в нижней  части экрана, а при проведении  последующего замера стирается  и заменяется на новый), при  соответствии индицируемого замера  средней величине магнитного  поля нажать кнопку "Фон" - это  значение переносится в столбец  "ФОН", вид экрана меняется  на показанный выше для относительного  метода и прибор готов к  работе. Под хранение данных измерений  (примерно 50-100 значений) желательно  использовать энергонезависимую  память EEPROM, чем больше их туда  влезет, тем, разумеется, лучше. Просмотр  результатов измерений (т. е. "прокрутка"  верхней половины экрана) осуществляется  в режиме работы при помощи  кнопок "Влево" и "Вправо", при одновременном нажатии этих кнопок в течение нескольких секунд все сохраненные данные стираются. Это дает возможность на местности делать замеры, а дома анализировать данные и составлять магнитометрические карты. Выбор типового или относительного метода осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.

Метод измерений подменю:

а) ручной (по умолчанию).

б) автоматический.

При ручном методе каждое измерение  в режиме работы производится только при кратковременном нажатии  кнопки "ОК" (необходимо предусмотреть  блокировку этой кнопки от повторного нажатия до полного окончания  цикла одного измерения (см. приведенные  выше графики).

При автоматическом прибор беспрерывно  делает измерения с интервалом времени  между ними, задаваемым в следующем  пункте меню.

Кнопка "ОК" в режиме работы заблокирована. Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих  настроек без сохранения изменений.

Интервал.

Задает значение временного интервала  между циклами измерений для  автоматического метода (см. приведенные  выше графики). Принимает значения от 0,5 с до 5 с с шагом 0,5 с. (по умолчанию 3 с). Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих  настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.

Диапазон.

Служит для переключения диапазонов измерения при использовании  резонансного включения датчика (фактически для подключения разных значений емкостей между точкой соединения К2 с малошумящим входным усилителем и корпусом (см. общую блок-схему). Принимает значения от 1 до 5 (а по возможности до 8-9, для наиболее полного  перекрывания возможных рабочих  диапазонов)с шагом 1 (по умолчанию 1) и приводит к появлению активного  логического уровня на соответствующем  выводе микроконтроллера (см. блок-схему  модуля микроконтроллера). При дефиците свободных портов можно использовать, например, десятичный счетчик - тогда  потребуются всего два порта (один на сброс счетчика, а другой для загрузки в него последовательности из определенного количества импульсов). Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.

Звуковое оповещение.

Желательно для оповещения оператора  об относительно большом изменении  магнитного поля между только что  сделанным измерением и предыдущим (или фоновым, в зависимости от метода работы). Формирует кратковременный  звуковой сигнал, если модуль разницы  вышеуказанных значений превышает  установленный порог. Принимает  значения от Выкл. (оповещение отключено) (по умолчанию) до 500 нТл (установка модуля порога) с шагом 50 нТл. Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход  в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.