Магнитометрия. Постройте протонный прецессионный магнитометр, Краснодар, Белецкий А

Перевод с дополнениями и примечаниями под ред. Л. И. Волкова. [email protected] г. Запорожье, октябрь 2008 г.

В приведенной статье дополнения и комментарии автора выделены курсивом.

О бразовательный проект "backyard" реализован с использованием широко распространенных электронных компонентов. В данном приборе для измерения частоты прецессии протонов в магнитном поле после их импульсной поляризации используется счетчик. Контроль частоты прецессии протонов в магнитном поле основан на строгой физической константе. Обширный справочный материал, а также практическое применение протонных магнетометров описаны в журнале "The Amateur Scientist" за февраль 1968 г. - см. соотв. колонку под редакцией Scientific American. Там же описана конструкция двойной катушки магнетометра. Информация из этой статьи была положена в основу настоящей разработки. Вскоре после того, как в феврале 1968 года я нашел статью об этом проекте в журнале Scientific American, меня осенило, что к такому протонному магнетометру можно пробовать добавить счетчик частоты. Этот научный проект под названием "backyard science" представляет интерес для измерения напряженности магнитного поля земли в конкретной точке. Если же дополнить прибор цифроаналоговым преобразователем - появится возможность подключения регистратора диаграмм.

Несколько лет тому назад я собрал прецессионный магнетометр (fluxgate magnetometer). Его описание приведено в статье Ричарда Ноублеса, опубликованной в сентябре 1991 года в журнале Electronics World + Wireless World (Мир Электроники - Беспроводный Мир). На диаграмме направленности этого прибора максимумы напряженности магнитного поля находятся в восточном и западном направлениях, а переходы через нуль - в северном и южном направлениях. В окрестности научного центра backyard шумы довольно приличные. Мощные гармоники промышленной частоты, излучаемые линиями электропередач, распространяются и в аудиочастотный диапазон, в котором они конкурируют с основной частотой деполяризации протонов. С этими шумами можно справиться только благодаря дифференциальному (встречному) включению катушек датчика, оптимальной ориентации датчика в магнитном поле земли, и стандартной цифровой дискретизации аудиосигнала.

и Вы попадете на сайт Фредериксбургского мониторингового научного центра USGS (USA), вблизи которого находится backyard.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ПРЕЦЕССИОННОГО МАГНЕТОМЕТРА

В основу работы прецессионных магнетометров положена атомная константа, которая определяет частоту прецессии оси вращения протона в магнитном поле. В физике и ряде других наук она известна как частота Лармора.

В настоящее время существуют квантово-механические подходы к объяснению этого явления, и все же классическое объяснение общедоступнее, оно более восприимчиво. Протон - это заряженная частица, которую можно представить вращающейся вокруг своей центральной оси. Вращение заряженной частицы всегда порождает магнитное поле, поэтому протон можно представить как некий элементарный микромагнит. Наложение внешнего магнитного поля не изменяет угловой частоты вращения протона, однако оно вызывает колебания (прецессию) его магнитной оси. Таким образом уравновешивается воздействие внешнего магнитного поля на протон.

Закон Лармора не выполняется для слабых магнитных полей, когда к протону извне прикладывается энергия менее 3kT. В слабых магнитных полях преобладает хаотическое (произвольное) смещение магнитной оси протона вследствие термических эффектов и прочих межмолекулярных взаимодействий. Поэтому в слабых магнитных полях хаотическая прецессия протонов является источником значительного электромагнитного шума.

[Прим. пер. В детском возрасте каждый, кто запускал игрушечный механический волчок, а затем легонько ударял по нему, наблюдал явление прецессии. Вращающийся волчок после приложения малейшего внешнего импульса (щелчка) мгновенно отклоняется от своей прежней оси вращения, и начинает колебаться вокруг нее с определенной частотой.

Наша планета Земля также непрерывно вращается вокруг своей оси с наклоном оси вращения относительно оси эклиптики 23 градуса 26 минут, и периодом вращения 23ч56м; она постоянно находится в поле притяжения более крупного космического объекта - вращающейся протонно-гелиевой звезды - Солнца, вокруг которого она обращается с периодом 365,25 земных суток. Мощные гравитационные и магнитные поля Солнца накладываются на гравитационные и магнитные поля вращающейся расплавленной магмы, земной коры и огромной массы протонсодержащей воды, а также множества иных магнитовосприимчивых материалов планеты Земля.

Период прецессии оси вращения Земли по нашим меркам огромен - чуть меньше 26000 земных лет. В течение всего этого периода наклон оси вращения земли относительно оси эклиптики гармонически колеблется в пределах ±23 градуса 26 минут. Это и есть основная причина периодических глобальных долговременных изменений климата на нашей планете.

Достаточно сказать, что Библейское бытие последней человеческой цивилизации, которое начинается с того момента, когда Бог даровал земному первочеловеку Адаму Слово Свое и Святой Дух Свой (допотопный и послепотопный периоды вплоть до наших дней) - чуть больше четверти периода прецессии оси вращения Земли вокруг оси эклиптики! (На рис. 1 это правый нижний сектор).

Масштаб угла склонения

Рис. 1. Прецессионное перемещение полюса мира по околополярным созвездиям. Полюс мира очень медленно перемещается по околополярным созвездиям, прецессируя вокруг оси эклиптики с периодом почти 26000 лет. При этом он последовательно проходит по следующим созвездиям: Геркулеса (-8000-6000 лет до Р.Х.), Дракона (-6000-2000 лет до Р.Х., Малой Медведицы (-2000-0+3500 гг. до и после Р.Х.), Цефея (3500-8000 гг. от Р.Х.), Лебедя (8000-13000 гг. от Р.Х.), Лиры (13000-15500 гг. от Р.Х.), и снова Дракона (после 15500 г от Р.Х.). Градация по годам приблизительная. За 26000 лет ось эклиптики также смещается в направлении движения всей Солнечной системы на небольшую величину - примерно на 4?. (По книге: Ф.Ю. Зигель. Сокровища звездного неба. М: Наука, ГРФМЛ, 1987, стр. 67-68, 276-277.)

На Землю оказывает периодическое влияние и ее спутник - Луна, а также все остальные 8 (9) планет Солнечной системы. Вследствие периодического вращения Луны вокруг Земли происходят периодические приливы и отливы вод в морях и океанах: огромная масса земной воды содержит гигантское число протонов, а также атомов парамагнитного кислорода, увлекающихся гравитационными и магнитными полями Луны, а также всех остальных планет солнечной Системы.

Человек примерно на 80% состоит из воды, поэтому он так же, как и все воды Земли, в большей или меньшей степени чувствует и магнитные бури на Солнце, и фазы Луны (полнолуние), и влияние всех остальных планет Солнечной системы. Гравитационные поля человек ощущает в виде веса (массы). А что касается магнитных полей Земли, Солнца, Луны, и всех остальных планет, то человечество настолько привыкло к их вечному существованию и их естественным периодическим изменениями, что большинство людей не замечают и как бы не чувствуют ни этих полей, ни их изменений, как не замечают шум прибоя живущие у моря.

Магнитная восприимчивость воды и подавляющего большинства химических элементов, их соединений и структурных образований на Земле близка к единице. Однако некоторые химические элементы и их структурные образования (ряд кристаллов и сплавов на основе железа, никеля, кобальта и др.) повышено магнитовосприимчивы. В крови человека базовая составляющая есть вода. В ней растворены разнообразные молекулы, их гидроксильные группы и агрегаты, перманентно группирующиеся в сложнейшие комплексные биологические структуры, содержащие железо, которое многовалентно, и вписывается в множество структурных форм, обладающих разной магнитной восприимчивостью. Поэтому часть человечества повышенно восприимчива к локальным изменениям магнитного поля Земли вследствие магнитных Солнечных бурь и локальных флуктуаций магмы Земли. Некоторые сверхчувствительные люди не только могут воспринимать микрофлуктуации магнитного поля Земли, но и могут применять свою сверхчувствительность на практике - например, они могут находить подземные источники вод (лозоходство).

Вышеизложенное сказано к тому, что в протонных магнетометрах датчиками внешнего магнитного поля являются не катушки как таковые, а сама протонсодержащая жидкость - вода, керосин и многие др. углеводородные жидкости, ряд спиртов и пр. Катушки датчика необходимы для поляризации протонов в избранной Вами протонсодержащей среде, а также для улавливания слабых сигналов релаксационной прецессии поляризованных протонов. Поэтому показания протонных прецессионных магнетометров, как правило, не зависят от конструкции датчиков.

Конец прим. пер.].

Протон реагирует на возмущение, возникшее вследствие приложенного внешнего магнитного поля, прецессией оси своего вращения с определенной угловой частотой, которая есть точная константа [водородный стандарт], она называется гиромагнитным коэффициентом. Для протонов этот коэффициент округленно равен 267.53x1E6 радиан в секунду/Tesla, или 42.58 мГц/Tesla.

[Прим. пер. Здесь гиромагнитный коэффициент дан в системе СИ. В более ранних работах, (например, у Хугарда), он приводится в виде 4,258-4,26 кГц/Гаусс, что равнозначно, т.к. 1 Тесла = 10^4 Гаусс].

В северных широтах США средняя напряженность магнитного поля - порядка 50000 - 55000 nanoTesla, она колеблется в зависимости от места измерения. Из-за периодических магнитных бурь происходят кратковременные изменения напряженности магнитного поля Земли, они могут достигать несколько сот nanoTesla. Дневные изменения, вызванные солнечными ветрами в ионосфере - в пределах десятков nanoTesla. А вообще, средняя напряженность магнитного поля Земли в этих широтах неуклонно снижается в пределах минус 90 nanoTesla за год.

[Это не конец света, а обычное следствие прецессии оси вращения Земли вокруг оси эклиптики. Прецессия оси вращения Земли оказывает существенное влияние на климат всех ее континентов - см. выше ред. прим. перев.]

Измеряя частоту прецессии протона в магнитном поле земли специальным прибором, мы обнаруживаем, что эта частота находится в акустическом диапазоне:

Пример: 42.58 мГц/Tesla * 52500x1E-9 Tesla = 2235 Гц В моей (т.е. автора этой статьи - прим. пер.) местности (на северо-востоке) к настоящему времени измеренная частота в среднем равна 2271 Гц, что соответствует средней напряженности магнитного поля около 53,300 nanoTesla. Этот результат прекрасно согласуется с данными мониторинга USGS для точки 160 миль западнее Фредериксбурга. Это значение также согласуется с величиной, измеренной образцовым прецессионным магнетометром, который был откалиброван в поле катушки Гельмгольца. Для получения максимального значения напряженности магнитного поля Земли в данной точке геометрическая ось прецессионного датчика прибора смещалась от горизонтального положения до почти вертикального.

[Прим. пер. Магнитные силовые линии, истекающие из магнитных полюсов Земли, замыкаются по квазиэллиптическим траекториям. Нормаль к этим линиям имеет нулевое склонение только на экваторе. По мере приближения наблюдателя к одному из полюсов Земли склонение нормали неуклонно возрастает в направлении ближнего полюса. Соберите второй из описанных в этой статье магнетометров - и вы сможете численно измерить напряженность магнитного поля земли и величину магнитного склонения для своей местности, наблюдать кратковременные и долговременные изменения МПЗ вследствие Солнечных магнитных бурь, а также прецессионные изменения МПЗ, причем с очень высокой точностью. Измерения надо проводить вдали от источников тока, металлических объектов, магнитных аномалий и пр., подняв датчик на высоту не менее 2м от поверхности земли. Конец прим. пер.]

Через двенадцать месяцев после того, как вышеописанные датчики стали поступать в backyard, я обратил внимание на уменьшение значения считываемой частоты в нашей местности примерно на 6-7 Герц. Первоначально значения частоты были около 2277 - 2278 Гц. Это также согласуется с величиной изменений, предсказанных для данной местности мониторинговой службой USGS.

ПРОТОННЫЙ ПРЕЦЕССИОННЫЙ МАГНЕТОМЕТР ДЛЯ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И ОБНАРУЖЕНИЯ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ "НА СЛУХ"

Рис. 2 Блок-схема протонного прецессионного магнетометра для оценки напряженности геомагнитного поля и обнаружения магнитных аномалий "НА СЛУХ".

На рис.2 представлена блочная диаграмма версии прибора с выходом "только на слух". Счетная часть электрической схемы отсутствует. В схеме присутствуют только катушка датчика (датчиков), аудио усилитель и блок питания и таймер. Таймер используется для управления работой реле, которое поочередно подключает катушку к источнику для поляризации и ко входу аудио усилителя. (На схеме показана осциллограмма выходного сигнала таймера).

[Прим. пер.

1. Биполярный транзистор лучше заменить на полевой. В настоящее время серийно выпускаются ключевые полевые FET-транзисторы любой мощности. Они в закрытом состоянии имеют гораздо более высокое сопротивление, чем биполярные. Переходные процессы, связанные с повышенной емкостью канала мощного FET-транзистора, практически роли не играет, поскольку измерения частоты прецессии протонов обычно начинаются не раньше чем через 100-200 миллисекунд после окончания импульса тока для их поляризации.

2. Для настройки катушек датчика в резонанс требуются высокостабильные конденсаторы с малым током утечки. На Рис. 2 конденсатор для настройки катушки датчика в резонанс обозначен "coil tuning capacitor 0,25-0,62 mF". Если прибор предназначен для работы в одном ареале, то можно ограничиться одним пределом измерений, а значит - одним конденсатором. Число пределов измерений зависит от диапазона работы прибора, а также добротности LC-контура на частоте релаксационной прецессии протонов - чем она выше, тем больше пределов приходится делать. Поэтому возникает необходимость коммутации резонансных конденсаторов. В магнитометре ММП203 они переключаются обычным многопозиционным переключателем пределов измерений.

Резонансные конденсаторы также можно коммутировать полевыми FET-транзисто-рами. Ток управления - наноамперы, поэтому схему коммутации конденсаторов можно построить на недорогой CMOS-логике.

Конец прим. пер.]

КОНСТРУКЦИЯ ДАТЧИКА

На рынке я обнаружил локальный суперисточник каркасов катушек для датчика магнитометра, которые одновременно могут быть использованы как емкости для протонсодержащей жидкости. Это та часть рынка, в которой находятся специи. Ищите специи с нужным объемом и формой емкости. Я обнаружил, что это те тонкостенные пластические емкости, которые имеют кольцевые гребни внизу и чуть ниже крышки. Они являются формой, на которую легко может быть намотана многовитковая катушка.

Рис.3. Конструкция линейного датчика "бутылочного" типа На рис.3 показана катушка линейного датчика с конкретными размерами. Есть множество доступных размеров. Наиболее предпочтительны катушки длиной около 3.75 дюймов. Больший размер емкости для специй [контейнера] позволяет получить катушку датчика с большей проводимостью. Низкое сопротивление катушки обеспечивает более высокую ее добротность Q, а также больший поляризующий ток (ограниченный мощностью блока питания). Больший поляризующий ток увеличивает начальную амплитуду сигнала деполяризации. Более высокая добротность катушки Q также обеспечивает более продолжительную вибрационную модуляцию сигнала во время деполяризации. Заметьте: индуктивность катушки пропорциональна квадрату числа витков, тогда как активное сопротивление катушки прямо пропорционально числу витков. Можно предположить, что наилучшие результаты (высокая добротность Q и избирательная (селективная) настройка всей цепи) будут получены при использовании как можно большего числа витков и как можно большего сечения провода. Безусловно, что не менее важным компонентом также является конденсатор, который подключают к катушке для ее настройки на частоту [прецессии протонов].

Величина индуктивности катушки должна быть достаточной, чтобы для оптимальной настройки катушки на период (частоту) деполяризации можно было использовать не очень дорогой конденсатор. Большая величина Q также способствует получению более узкой ширины полосы пропускания всей измерительной цепи, что весьма важно для повышения отношения сигнал/шум, и снижения влияния высших гармонических составляющих (обертонов) усиливаемого сигнала. Примечания автора статьи

1. Возможно, что при намотке этой катушки в 700 витков провод уложится в четыре слоя. Идеальную плотность слоев выдержать нелегко, так что может получиться и пять слоев. Фактически число витков не критично. Если у вас последний, 700-й виток получится вдали от конца катушки, продолжайте намотку до конца.

2. При вышеуказанных параметрах мною была получена индуктивность около 10 миллиГенри. Приближенная формула расчета индуктивности (пренебрегая многослойностью, которая понижает индуктивность на величину не более 5%):

L = (r2n2)/(10(r+l))

где: r = 1/2 диаметра каркаса (бутылки), дюйм

n = число витков

l = длина, дюйм

3. При соблюдении всех вышеуказанных параметров для двух последовательно включенных катушек датчика емкость резонансного конденсатора должна быть около 0,25 мкФ.

4. Емкости заполняются протонсодержащей жидкостью. Это может быть дистиллированная вода, керосин, метанол. Возможно также использование изопропилового спирта

5. Емкости для специй обычно не предназначены для хранения жидкостей. Их крышки внутри могут иметь бумажные прокладки, которые должны быть удалены. Для герметизации емкостей попробуйте сделать прокладки из велосипедной камеры или аналогичного материала.

В окрестности backyard использование двух катушек существенно улучшало отношение сигнал/шум. У меня наибольший эффект давали две идентичные катушки. Для снижения индустриальных помех они включались последовательно, и тщательно ориентировались. Наилучшее отношение сигнал/шум было достигнуто при параллельной ориентации осей катушек, и встречном их включении.

[Прим. пер. При высокой добротности катушки датчика на ее концах в моменты переключения может образоваться значительная ЭДС, поэтому пробивное напряжение резонансных конденсаторов и всех ключевых элементов должно быть как можно выше.]

[Дополнение переводчика. Другие конструкции датчиков прецессионных магнетометров.

Рис. 4. Катушки датчика погружного типа. Точно такие катушки (2 шт., расположенные параллельно друг другу, включение встречное, + общий незамкнутый экран по наружному периметру обоих катушек) используются в датчике известного магнитометра ММП-203

Рис. 5. Каркас датчика тороидального типа

Рис. 6. Промежуточные этапы изготовления тороидального датчика

Рис. 7. Тороидальный датчик в сборе

Дополнение переводчика для пояснения фонового шума датчика.

Рисунки идут по порядку - рис 7, рис 8, рис 9.

РИС. 8. . Сигнал деполяризации протонов, снимаемый с датчика прецессионного магнитометра (датчик с одной катушкой). По осям: Х - сек., У - мВ.

Для прослушивания сигнала кликните на номер рисунка.

РИС. 9. .Частотный спектр наиболее затененной части сигнала деполяризации протонов, показанной на рис.8, после узкополосного усилителя (датчик с одной катушкой).

Для прослушивания сигнала кликните на номер рисунка.

РИС. 10. . Этот частотный спектр получен при компенсационном методе измерений, в основу которого положено встречное включение двух катушек, благодаря чему взаимно компенсируется бoльшая часть наводок и термомагнитных шумов, очень заметных рис. 8 и 9. После компенсационного вычитания наводок и термомагнитных шумов на спектрограмме наблюдается линейчатое распределение спектральной плотности сигнала релаксационной прецессии протонов. Четко виден главный пик прецессии протонов с частотой около 2 кГц. Не менее четко виден также главный пик второй гармоники основной частоты (около 4 кГц). Выше и ниже первой (около 2-х кГц) и второй (около 4-х кГц) гармоник частоты прецессии протонов наблюдаются пики-сателлиты. Их частоты смещены выше и ниже центрального пика согласно коэффициенту умножения частоты (номера гармоники) по законам спин-орбитального взаимодействия. Пики-сателлиты второй гармоники расщепляются на 2 пика. Нижний пик-сателлит второй гармоники явно смещается в сторону низких частот, и становится зеркально симметричным верхнему пику. Очевидно, что прецессия оси вращения протона первого порядка резко ассиметрична относительно центра массы протона (энергии противоположных связей протонов и электронов (S- и P- орбиталей) в связях SP? различны). Прецессия оси вращения протона второго порядка практически симметрична относительно центра его массы (SP±1/2).

В начале этой статьи говорилось, что источником собственного фонового шума датчика является термохаотическая прецессия протонов в слабых геомагнитных полях. Для отсчета частоты релаксационной прецессии протонов процесс измерений должен быть организован так, чтобы он начинался практически сразу после отключения поляризующего тока и завершения переходных процессов, и продолжался в ограниченном интервале времени (на рис.8 это наиболее затененный интервал), в котором амплитуда полезного сигнала превышает уровень шумов датчика, источники которого - наводки и хаотическая прецессия протонов в слабых геомагнитных полях с энергией равной или меньше 3kT.

Из опыта известно, что на основную частоту сигнала прецессии протонов (около 2 кГц) всегда накладывается вибрирующий звуковой сигнал, источником которого являются комбинационные частоты. Их происхождение можно понять после анализа рис. 10. Акустическая модуляция сигнала прецессии протонов с частотой около 2 кГц иными частотами есть следствие наложения на основной сигнал комбинационных частот, образовавшихся в результате динамического сложения-вычитания верхних и нижних гармонических составляющих резонансных колебаний в ближней части акустического спектра, в том числе и влияния магниторезонансного расщепления энергетических уровней атома водорода вследствие спинорбитального взаимодействия.

Конец дополнения пер.]

АУДИО УСИЛИТЕЛЬ

Рис. 11. Блок-схема селективного аудио усилителя

Аудио усилитель построен на четырех биполярных транзисторах и одном сдвоенном операционном усилителе. На блок-схеме показано распределение усиления на каждом этапе. Этот усилитель одновременно является активным узкополосным фильтром, настроенным на ожидаемую частоту прецессии протонов [для данной местности]. В максимуме усиление более 130 dB. Показано также теоретическое значение ширины полосы пропускания. Суммарный коэффициент усиления очень большой, поэтому во время монтажа следует предпринимать меры для предотвращения самовозбуждения усилителя.

Рис. 12. Частотная характеристика селективного аудио усилителя

Рис. 13. Принципиальная схема селективного аудио усилителя

Для повышения входного сопротивления усилителя в эмиттере транзистора стоит резистор 100 Ом, а в базе 12 кОм, что позволяет уменьшить нагрузку на катушки датчика, настроенные в резонанс. Настроенная в резонанс параллельная LC-цепь датчика, сформированная катушками и резонансным конденсатором, имеет полное сопротивление около 3000 Ом. Все остальные элементы входного каскада были подобраны так, чтобы при максимально возможном усилении обеспечить хорошее отношение сигнал/шум. Шум этого каскада эквивалентен шуму резистора величиной 560 Ом. Тем не менее, шум от катушек датчика и внешних наводок существенно превышает шум самого усилителя.

Прим. пер. Во втором, третьем, а также оконечном каскадах можно применить составной транзистор с большим коэффициентом усиления типа BC847C (?=400-1000). Такая замена позволит еще больше сузить полосу пропускания, и снизить выходное сопротивление усилителя до 1-3 кОм (Rэ = 820 Ом, Rк = 1-3 кОм).

Рис. 14. Конструктивное расположение деталей на плате усилителя

На рис. 14 внизу показано расположение деталей на плате усилителя. Он смонтирован на двустороннем фольгированном стеклотекстолите [гетинаксе]. Все компоненты надежно распаяны, их выводы заправлены в нейлоновые или тефлоновые оконцеватели. Проводники, соединяющие дискретные компоненты, должны быть как можно короче. Плата усилителя помещена в специально отформованный корпус, покрытый алюминиевым экраном (лентой). Внешний экран с внутренней платой соединен перемычкой.

Прим. перев. Протонный прецессионный магнитометр чем хорош: частота прецессии протонов не зависит от конструкции датчика и вида протонсодержащей жидкости, а зависит только от напряженности внешнего магнитного поля. (Это потому что магнитная проницаемость типовых протонсодержащих жидкостей и материалов, используемых при изготовлении датчиков, равна единице). А вот амплитуда сигнала, время измерения, а также отношение сигнал/шум, а значит - и чувствительность прибора в целом - очень сильно зависят от принятых Вами схемотехнических решений, от конструкции и тщательности изготовления датчика и всего прибора в целом.

На следующей странице показана схема магнетометра с дополнительным генератором, частота генерации которого синхронизирована частотой прецессии [протонов]. Это вполне доступная схема прибора, позволяющего провести измерение напряженности магнитного поля в локальной геомагнитной области. Подобные измерения обычно проводятся только для информационных целей. Заинтересованные лица могут приспособить прибор и для иного специфического практического применения. Я же стремился достичь экономичности и доступности разработки, чтобы при ее повторении можно было использовать стандартные легкодоступные компоненты. Избранную мною CMOS-логику можно заменить на TTL-аналоги - но тогда будет необходим более мощный источник питания.

ЗАЙМИТЕСЬ КОНСТРУИРОВАНИЕМ ПРИБОРА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ГЕНЕРАТОРОМ!

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ МАГНЕТОМЕТРА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ГЕНЕРАТОРОМ И ФАПЧ

Рис.15. Функциональная схема протонного магнитометра с дополнительным генератором и ФАПЧ Это - блок-схема протонного магнетометра, в которой добавлена возможность измерения частоты изменения ЭДС, порожденной в катушке датчика прецессией протонов после приложения поляризующего тока течение нескольких секунд. Четыре десятичных делителя позволяют индицировать результат измерений с разрешением 1 или 0,1 Гц. Столь высокое разрешение, причем при времени измерения менее одной секунды, было получено благодаря N-кратному умножению измеряемой частоты сигнала прецессии.

Прибор содержит двенадцать интегральных микросхем (ИС) и небольшое число различных дискретных компонентов. Применение интегральных микросхем экономичнее во всех отношениях, поскольку такой прибор состоит из небольшого числа типовых стандартных элементов. Существует множество альтернатив использованным здесь многофункциональным ИС - они могут быть заменены дискретными логическими элементами ИНЕ (NAND), ExOR (ExNOR), счетчиками и мультивибраторами. Для даного случая выбор многофункциональной ИС 4046 с Фазовой Авто Подстройкой Частоты встроенного Генератора, Управляемого Напряжением (ГУН), в сочетании со счетчиком/делителем 4060 является хорошим решением, однако существуют и другие варианты. Если прибор питается от батарей, то замена логических ИС TTL на CMOS существенно снижает нагрузку и требования к источнику постоянного тока.

(В этой статье ранее была представлена и другая многофункциональная микросхема, показанная в предыдущем сегменте (рис.2), на основании которой может быть реализована ТОЛЬКО лишь простейшая версия прибора для обнаружения магнитных аномалий "LISTEN" (НА СЛУХ). Такое техническое решение не требует измерения частоты [прецессии протонов]; в нем используется только лишь таймер, обеспечивающий периодическое включение-отключение тока катушек датчика для периодической поляризации [протонов]).

Прим. перев. Несмотря на простоту, этот прибор вполне работоспособен. По глубине и радиусу обнаружения магнитных аномалий, создаваемых в грунте и водоемах черными металлами, он существенно перекрывает большинство металлоискателей других классов и типов. (Указанная чувствительность может быть получена только при подключении к прибору датчика с двумя почти идентичными катушками, включенными встречно).

В приборе с ФАПЧ (Рис.15,16) синхронизация импульса тока через катушки, а также всех последующих процессов измерения частоты [деполяризации протонов] осуществляется с помощью кварцевого резонатора. Подобные небольшие цилиндрические устройства вы можете найти в некоторых цифровых наручных часах. Они продаются приблизительно по цене 1 доллар за 2 шт. в Активной Электронике или по 1 доллару за 1 шт. в Радио Хижине.

Задающий кварцевый резонатор - непременное приложение к паре МС CD4060/MC14060. Вместе с часовым кварцевым резонатором они генерируют частоту 32768 Hz, которая наблюдается на входе четырнадцатиразрядного счетчика/делителя. Конечная выходная частота счетчика/делителя - 2 Гц, что соответствует частоте повторения импульсов через 0.5 секунд. Для управления прибором эта частота направляется на 4-е двоичных счетчика, из которых последний управляет интегральными логическими элементами: четыре секунды - логическая единица / четыре секунды - логический нуль. Полный цикл счета 4-х двоичных счетчиков используется для упрощения. Если вы намереваетесь создать портативный вариант магнетометра, возможно, будет полезно сократить интервал деполяризации (слушания) до полсекунды. Для этого требуется дополнить схему еще как минимум одним из четырех логических элементов NAND, чтобы декодировать приходящие импульсы (10 тактов), и восстанавливать счет.

Ток поляризации прикладывается к считывающим катушкам в течение нескольких секунд для того, чтобы получить хорошую амплитуду несущего сигнала. Обычно [для поляризации протонов] трех секунд бывает достаточным. Коммутирующее реле после отключения катушки от источника тока поляризации подключает катушку (катушки) ко входу аудио усилителя. После усиления сигнал поступает на счетчик. Если счет идет на частоте релаксации, то для достижения точности измерений частоты с разрешением 1 Гц требуется один дополнительный счетный интервал, и десять секунд, чтобы достигнуть разрешения 0.1 Гц. Несомненно, в последнем случае сигнал успевает снизиться до уровня шума усилителя. Поэтому в типовом схемном решении backyard (рис.2)сигнал релаксации через одну секунду уже конкурирует с шумами и наводками.

Рис.16 Принципиальная схема магнитометра с дополнительным генератором и ФАПЧ

Фазовая автоподстройка частоты с замкнутым циклом, [которая реализована в МС CD(HEF)40406, а также в 74АС(АCT)4046, 74HC(HCT)4046, 74HC(HCT)7046, 74HC(HCT)9046, и используется в даной схеме], обеспечивает измерение частоты несущей с высокой точностью и разрешением 1 и 0.1 Гц, причем за время менее одной секунды. На один вход встроенного (-ых) Фазового(-ых) Компаратора(-ов) [ФК1:EXOR и ФК2:СОМВ)] поступает сигнал с выхода аудио усилителя. На другой вход того же (тех же) Фазового(-ых) Компаратора(-ов) приходит сигнал, синтезированный внутренним генератором МС......046, управляемым напряжением - ГУНом.

[Прим.пер. В вышеуказанной серии МС.....046 встроенный Фазовый компаратор ФК1 позволяет сравнивать входные сигналы и на основной частоте, и на гармониках входного сигнала, что эквивалентно N-кратному умножению входной частоты даже без внешнего делителя. ФК2 может сравнивать 2 периодических (импульсных) сигнала только на основной частоте. Дискретизация счета частоты (а точнее, периода) приходящего сигнала для получения требуемого предельного разрешения измерения частоты f/N обеспечивается тем, что текущее значение частоты генерации встроенного ГУНа при всех типичных возмущениях в пределах регулирования удерживается автоматически, причем при наличии внешнего делителя она всегда имеет значение, которое в N раз выше текущего значения частоты приходящего сигнала. Время установления выходной частоты ГУНа после ступенчатого изменения частоты или фазы входного сигнала менее 1 мс. Обычно сравнение фаз приходящего и опорного сигналов, осуществляемое в одном из встроенных Фазовых Компараторов: ФК1, ФК2 или ФК3(в некоторых моделях), происходит на частоте приходящего сигнала. Поэтому выходную частоту ГУНа перед подачей на вход компаратора, как правило, делят на коэффициент N. ]

В данной схеме текущая выходная частота ГУНа последовательно делится на 10 и 8 двумя внешними цифровыми счетчиками/делителями. Когда внешняя петля связи МС 4046 замкнута, тогда частота ГУНа непрерывно поддерживается равной выходной частоте аудио усилителя, умноженной на коэффициент N, равный общему коэффициенту деления всех подключенных внешних делителей (8x10 = 80). [Прим. пер.: у ММП-203 N = 64, т.е.

Непосредственное снятие сигнала с выхода ГУНа до делителей позволяет получить индикацию с разрешением 0.1 Гц (Верно для МС CD(HEF)4046. МС серий АС, НС позволяют получить более высокое разрешение - см. примечание в конце статьи). Естественно, что четырехзначной индикации напряженности магнитного поля возможно переполнение четвертого счетного разряда, поскольку при повышенном разрешении в старшем (4-м) разряде выводятся тысячи, в следующих разрядах - сотни, десятки, единицы и десятые доли Гц соответственно.

[Прим. пер. У МС всех серий...046 Фазовый компаратор ФК2 (причем исключительно он один!) имеет 2 выхода: один - инверсный - направляется на внешний фильтр нижних частот, а другой - прямой - предназначен для индицирования момента, когда инверсный выход ФК2 находится в третьем состоянии Z. Только в этом состоянии ФК2 входная и выходная частоты МС строго синхронизируются с кратностью умножения/деления N, при этом на прямом выходе ФК2 появляется логическая единица. Этот выход (1-я ножка МС) может (и должен) использоваться для разрешения вывода на индикацию истинных результатов измерений, и запрета ложных. Похожее схемное решение применено в ММП-203 - схема очень громоздкая, вследствие чего она значительно уступает любой интегральной МС...046 в устойчивости к помехам и наводкам. В приведенной здесь принципиальной схеме демоварианта прибора эта важнейшая функция микросхемы МС...046 не используются для упрощения ].

В даной конструкции (упрощенный демовариант) состояния декадных счетчиков отображаются с помощью светодиодов. На схеме (рис.16) в значимых разрядах показано по четыре СВЕТОДИОДА, [отображающих состояния 1, 2, 4, 8], причем в старшем разряде вполне достаточно установить два или три светодиода, поскольку в этом разряде редко бывает превышение. Пользователь легко сможет прочитать простой эквивалент двоичного дешифратора BCD2 (две тысячи или двести, в зависимости от выбранного разрешения). Обычно при стабильных условиях измерений изменения происходят только в младшем разряде - при выбранном разрешении 1 Гц, либо в двух последних разрядах - при разрешении 0,1 ГЦ. Если же предполагаемое использование прибора - портативный поиск, то я подозреваю, что будет весьма желательна полная индикация десятичных цифр, чтобы считывались все вариации. (Хотя для обнаружения магнитных аномалий одно прослушивание звука с аудио выхода может быть вполне достаточным). Есть много вариантов решений для реализации привычной нам десятичной индикации: это... композитный LCD-дисплей, семисегментный LCD-дисплей, и т.п. Они требуют дополнения схемы подходящим дешифратором BCD, чтобы можно было сегментировать дешифратор / индикатор. Можно также использовать дорогостоящий совмещенный счетчик/индикатор. С целью экономии и минимизации числа соединительных проводников, сопровождающих счетные компоненты схемы, в ряде случаев взамен дискретных счетчиков возможно использование моностабильных мультивибраторов (одновибраторов). С их помощью можно устанавливать периоды импульсов, поступающих на схемы совпадения и синхронизации. Это проще, чем декодирование состояний счетчиков CD4060 и 74197 (U1 и U2), которые управляются от временных импульсов, сформированных с помощью кварцевого резонатора на 32,768 кГц. (Рис.7). Все операции декодирования и управления можно реализовать с помощью логических элементов NAND, а также инверторов, (особенно в случаях, когда сами счетчики не обеспечивают выполнение требуемых логических операций над выходными сигналами Qпр и Qинв).

Для гарантирования заданных временных интервалов периоды импульсов на выходах мультивибраторов должны быть установлены и стабилизированы с достаточной степенью точности, однако допуск номинальных величин внешних времязадающих элементов мультивибратора часто бывает недостаточен, чтобы гарантировано обеспечить точные временные интервалы (задержки). В вышеуказанной схеме формирование точных временных интервалов осуществляется с помощью кварцевой стабилизации частоты и многоразрядного счетчика. Времязадающие резисторы R3 и R4 рассчитаны верно, и все же на практике их приходится подгонять, чтобы обеспечить требуемые задержки времени (временные интервалы), [поскольку допуск на конденсаторы номиналом 10мФ весьма широк! Прим. пер.].

Рис. 7. Временные диаграммы формирования импульсов управления. НАСТРОЙКА ЗАДЕРЖЕК ВРЕМЕНИ (ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ) Четвертый двоичный разряд генератора/встречный выход CD4060 (Q4) доступен на МС U1, штырек 7. В этой точке частота кварцевого генератора (32768 Гц) поделена на 16, и равна 2048Гц. Настройка задержки мультивибратора U3A

Создайте следующие временные связи:

1. Разорвите связь между точками A1 и A2. Подключите A2 к тестовому сигналу с частотой 2048. Это выход МС U1, штырек № 7.

2. Разорвите связь между точками TC1 и TC2. Здесь проходит сигнал начальной установки (RESET TO ZERO) декад всех счетчиков, сформированный и задержанный мультивибратором U3A.

Установите величину переменного резистора R12 на штырьке 11 U10 около 8000 Ом. Таким образом предварительно устанавливают центральную частоту ГУНа МС CD4046, чтобы проверить, насколько она попадает в полосу захвата петли обратной связи для тестового сигнала. При захвате частоты ГУНом она должна быть в 80 раз выше частоты тестового сигнала, т.е. равна 163840 Гц. Установите переключатель разрешения (S1) в положение "1 Гц". При этом выход десятичного делителя частоты ГУНа МС 16384 (на схеме указана МС 74196!) присоединяется ко входу декадного счетчика старшего разряда. Установите номинальную величину времязадающего резистора R3 56 kOhms, либо 62 kOhms.

Индикация должна обновляться каждые восемь секунд. Расчетная длительность цикла индикации равна 0.2 секунды, поэтому при частоте ГУНа 163840 Гц она будет отображаться числом 3277. (0.2 X 16384 = 3277). Выберите такую величину резистора R3, чтобы время задержки U3A находилось в интервале 190 - 210 миллисекунд, при этом счетчик должен давать показания между 3112 - 3440.

Настройка задержки мультивибратора U3B:

Оставьте все прежние тестовые связи. Дополнительно создайте следующие временные тестовые связи:

1. Разорвите связь между точками D1 и D2.

2. Разорвите связь между точками B1 и B2. На B1 присоедините перемычку из изолированного провода так, чтобы Вы могли вручную присоединить его к земле, и восстановить сброс декад.

3. Создайте временную связь от точки E1 до D1. Вручную восстановите счетчик, заземлив B1. Понаблюдайте за счетчиком, который должен считать как до, так и после восстановления счетчика вручную. Для R4 установите начальную величину 27 kOhms. Отрегулируйте величину R4 так, чтобы время задержки укладывалось между 90 и 100 миллисекундами, что эквивалентно показаниям счетчика между 1475 и 1638. Восстановите все связи согласно принципиальной схеме прибора. НАСТРОЙКА ЧАСТОТЫ ГУНа МС CD4046:

Временно присоедините точку A2 к земле. Отрегулируйте величину сопротивления R12 так, чтобы показания индикатора укладывались в интервал 2230 - 2250. Удалите временное заземление.

[Прим. пер. Замена CD4046 на МС 74НС(НСТ)7046-9046 позволяет получить индикацию частоты релаксационной прецессии протонов с разрешением 1; 0,1; 0,01 и 0,001 Гц!. (См. выше: По схеме ГУН СD4046 вместе с делителями на 10 и 8 генерирует тестовый сигнал 163840 Гц. Для ГУНа CD4046 предельная частота равна 1-2 мГц. Если взамен CD4046 взять 74HC(HCT)70(90)46, и добавить в цепочку ОС еще один десятичный делитель (10*10*8), то ГУН будет устойчиво генерировать центральную частоту на порядок выше, т.е. 1638400 Гц. При необходимости можно поднять частоту ГУНа еще на порядок, и тогда мы получаем разрешение 0,001 Гц! У новых МС серии 74НС...046 верхняя рабочая частота поднята до 16-18 мГц. У новых CMOS счетчиков-дешифраторов серии 74НС частота счета поднята до 50-80 мГц). ]

С ув. Белецкий А. И. 10.2008г. Кубань Краснодар.