Магнитометр M-23

19.01.2017

Магнитометр М-23 предназначен для измерения вертикальной составляющей магнитного поля при. наземных магниторазведочных работах. Его серийный выпуск начат в 1963 г. Магнитометр М-23 является высокопроизводительным надежным прибором.
1. Принцип действия прибора. Чувствительным элементом магнитометра М-23 (рис. 1) является подвижный постоянный магнит 1 с зеркалом 2, вращающийся в вертикальной плоскости. Магнит укреплен на металлической нити 3, натянутой на рамке 4.
Под действием магнитного поля магнит 1 будет оклоняться от горизонтального положения на угол, пропорциональный величине действующего поля. В магнитометре М-23 применен нулевой способ отсчета, т. е. на каждой точке магнит 1 выводится в горизонтальное положение двумя постоянными компенсационными магнитами: магнит 5, называемый измерительным, осуществляет плавную компенсацию магнитного поля в пределах 6000 гамм, магнит 6, называемый диапазонным, служит для расширения диапазона измерения компенсируемого поля и применяется в том случае, когда напряженность измеряемого поля превышает по абсолютной величине 6000 гамм. Оба компенсационных магнита вращаются в вертикальных плоскостях, вследствие чего меняется расстояние между чувствительным элементом 1 и компенсационными магнитами и, следовательно, величина взаимодействующего момента.
При помощи диапазонного магнита осуществляется грубая ступенчатая компенсация магнитного поля через 2500—3500 гамм. Всего ступеней 16 (по 8 ступеней в сторону увеличения и в сторону уменьшения напряженности магнитного поля). Так как магнитная система в магнитометре М-23 приводится в горизонтальное положение на каждой точке, то тем самым действие Н-составляющей магнитного поля исключается и в принципе ориентировка прибора не требуется. Действие Н-составляющей полностью исключается из результатов наблюдений только в том случае, когда ось вращения чувствительного магнита и его магнитная ось горизонтальны, т. е. когда магнит занимает строго горизонтальное положение. Однако на практике очень трудно осуществить строгую горизонтальность магнитной оси системы, поэтому при точных измерениях рекомендуется на глаз ориентировать магнитную стрелку перпендикулярно магнитному меридиану, чтобы избежать погрешностей за счет влияния H-составляющей. Поскольку при работе с магнитометром М-23 не требуется строгой ориентировки, прибор можно не снимать с треноги при переходе с одной точки на другую.
2. Устройство прибора. Магнитометр М-23 состоит из следующих основных узлов: магниточувствительного блока, отсчетного устройства, корпуса и треноги.
В магниточувствительный блок входят подвижный, измерительный и диапазонный магниты, магнит температурной компенсации, юстировочный магнит, арретир.
Подвижный магнит 1 — чувствительный элемент магнитометра — представляет собой магнитный стержень, заключенный в оправу, несущую на себе зеркало.
Магнитометр M-23

Для предохранения чувствительного элемента и металлической нити от повреждений при переездах и переходах с одной точки на другую система снабжена арретирующим устройством. Арретирующее устройство представляет собой П-образный рычаг с ползунками, который захватывает оправу и выводит ее в нерабочее положение. Ручка 4 арретира (рис. 2) выведена наружу корпуса прибора; она имеет два фиксированных положения, обозначенных буквами А («Арретировано») и P («Разарретировано»).
Измерительный магнит, которым осуществляется плавная компенсация магнитного поля, жестко связан со шкалой, укрепленной на кронштейне; ручка 5 измерительного механизма находится на внешней стороне прибора.
В узел диапазонного магнита входят магнит 6 (рис. 1 и 2) и связанный с ним переключатель ступеней компенсации. Переключатель представляет собой круглый диск с фиксатором. Под ручкой диапазонного механизма, выведенной к внешнему корпусу прибора, прикреплена шкала с указанием ступеней компенсации.
Температурный коэффициент магнитометра М-23 очень мал — всего 1 гамм/град. Он достигается путем применения температурного компенсатора, представляющего собой магнит 7, укрепленный па биметаллической пластине 8. Этим магнитом компенсируются показания прибора, обусловленные влиянием температуры.
Положение магнита температурного компенсатора изменяют при помощи стопорной гайки в случае, если получена величина температурного коэффициента, превышающая 1 гамм/град. Доступ к магниту температурного компенсатора открывается после снятия теплоизоляционного кожуха и боковой крышки корпуса.
Магнит температурной компенсации, полоя?ение которого меняется при регулировке температурного коэффициента, будет создавать дополнительное магнитное поле, влияющее на показания прибора. Компенсация вертикальной составляющей этого поля осуществляется так называемым юстировочным магнитом 9, который крепится к корпусу прибора и может вращаться вокруг своей оси на 360°; его гайка выведена наружу. Юстировочным магнитом пользуются только при регулировке температурного коэффициента.
Отсчет по шкале прибора берут в момент, когда чувствительный элемент — подвижный магнит — занимает горизонтальное положение. Горизонтальность магнита определяют по совпадению индекса на нем с нулевой линией оптического устройства. Нулевая линия — индекс нанесена на пластинке 13, расположенной в окуляре прибора.
Рассмотрим ход лучей в оптической схеме. Луч света от зеркала 14 подсветки индекса направляется к призме 15, преломившись в ней, пройдя пластинку 13 с индексом и объектив 12, попадает на зеркало 2 магнита, на котором нанесены две параллельные риски, представляющие собой подвижный индекс. Отразившись от зеркала, луч света попадает в окуляр 11. Шкала измерительного устройства видна также в окуляре. Ход лучей, дающих изображение шкалы: зеркало подсветки 17 — шкала 10 — призма 16 — окуляр 11. Таким образом, в окуляре видны неподвижная нулевая линия, находящаяся в центре поля зрения, подвижный индекс магнита и шкала, на которой нанесены 600 делений.
Отсчет по шкале записывают (относительно нулевой линии) в момент совпадения нулевой линии с подвижным индексом.
Все детали прибора помещены в металлическом корпусе. Для защиты магнитометра от резких колебаний температуры на его корпус надевают теплоизоляционный кожух из пенопласта, состоящий из двух половин, которые скрепляются защелками.
В верхней части корпуса находятся оптическая труба 1 (см. рис. 2), ампула 2 с силикагелем, предназначенная для уменьшения влажности внутри прибора, один круглый и два цилиндрических уровня. На боковой поверхности прибора имеются два окна, закрытые съемными крышками. Эти окна открывают доступ к внутренним деталям прибора при его настройке.
С внутренней стороны корпуса магнитометра расположены термометры, по которым снимают показания температуры в диапазоне от -5° до +45° С. Во время снятия показаний термометры отражаются в зеркале откидной дверцы кожуха. В нерабочем положении дверца закрывается.
На внешнюю боковую поверхность корпуса выведены ручки управления диапазонным 6 и измерительным 5 магнитами, ручка 4 арретира, гайка котировочного магнита и зеркала 3 подсветки шкалы и индекса. Положение северного конца подвижного магнита отмечено буквой «С».
Магнитометр может вращаться вокруг своей оси на 360° и быть закреплен в определенном положении стопорным винтом.
Для установки прибора над точкой наблюдения служит тренога со столиком 7. На столике имеются три нивелировочных винта, при помощи которых прибор устанавливают в горизонтальное положение по уровням. В нижней части столика находится невыпадающий винт 8, позволяющий жестко скреплять прибор с треногой.
3. Подготовка прибора к работе. а) Проверка механической исправности прибора. Подготовка магнитометра М-23 к работе начинается с проверки механической исправности прибора. Перед началом работ проверяют плавность вращения ручек арретира и компенсационных магнитов, состояние нивелировочных винтов, надежность крепления магнитометра на треноге, состояние осушителя, видимость шкалы.
Осушитель (силикагель) необходимо проверять ежедневно. Свежий силикагель, пригодный для работы, имеет синий цвет. За цветом силикагеля следят через верхнюю прозрачную крышку ампулы. Если силикагель стал розовато-лиловым, его необходимо заменить. Для замены силикагеля ампулу вывинчивают из корпуса прибора, засыпают свежий силикагель в сетчатый цилиндр. Отработанный силикагель можно снова использовать. Его просушивают при температуре 60—90° С, после чего он вновь приобретает синюю окраску.
Видимость шкалы и индекса регулируют, меняя положение зеркал подсветки и меняя положение окуляра по высоте.
Постоянные магнитометра (цена деления шкалы, величина поля ступеней диапазонного магнита, температурный коэффициент) определяют перед началом работы в мастерской и контролируют в дни профилактического ремонта, обычно один раз в месяц.
б) Определение цены деления шкалы магнитометра. Цену деления ε шкалы прибора необходимо знать для того, чтобы отсчеты в делениях перевести в гаммы.
Принцип определения цены деления заключается в том, что при помощи электрического тока создается известное магнитное поле в центре системы. Известное поле делят на число делений, на которое отклонилась стрелка прибора в результате действия этого поля, и узнают число гамм, приходящееся на одно деление шкалы. Рассмотрим способ определения цены деления шкалы магнитометра при помощи колец Гельмгольца.
Кольца Гельмгольца КГ-1 могут создавать магнитные поля интенсивностью от 15 до 6000 гамм (при напряжении источника питания Зв и 6в). Величина создаваемого поля зависит от силы тока i и определяется формулой
ΔZ = Ki,

где К — постоянная колец, зависящая от числа витков обмотки и диаметра витков.
Магнитометр M-23

Величину ε определяют при помощи колец Гельмгольца в следующем порядке.
1. На треногу с помощью специальной подставки устанавливают кольца и собирают схему измерений, показанную на рис. 3. Схема состоит из колец К, переключателя полярности тока П, миллиамперметра mА, реостата регулировки тока R и батареи Б.
2. На столик треноги помещают прибор, который нивелируют и закрепляют стопорным винтом в одной ориентировке.
3. Пускают ток в кольца определенной силы i и берут отсчет n1 по шкале магнитометра.
4. Сменив направление тока на обратное (переключателем полярности П), берут отсчет n2. Цену деления определяют по формуле
ε = 2Ki/n1-n2.

Величину тока выбирают так, чтобы разность отсчетов n1-n2 была не менее 30 — 40 делений.
Цену деления ступени (εст в гамм/см) определяют, зная цену деления шкалы (е) и число делений шкалы (Δn), на которые изменяется отсчет магнитометра при переключении ручки диапазонного механизма на одну ступень. Таким образом,
εст = εΔn.

в) Определение и регулировка температурного коэффициента. Для определения температурного коэффициента магнитометр помещают в термостат и нагревают до температуры +(40/45)° С. После нагревания прибор устанавливают на треногу, нивелируют, дезарретируют и записывают показания прибора и термометра через каждые 5—10 мин. По результатам измерений строят кривую зависимости показаний прибора от отсчетов температуры и по ней определяют температурный коэффициент Ct (в гамм/град) как отношение изменения отсчетов Δn в гаммах к разности температур:
Ct = Δnε/Δt.

Максимально допустимая величина Ct для магнитометра М-23 составляет ±1 гамм) град.
Если температурный коэффициент превышает допустимую величину, его регулируют магнитом температурной компенсации. Для регулировки коэффициента Ct сначала открывают доступ к магниту температурной компенсации, сняв теплоизоляционный кожух и боковую крышку корпуса со стороны зеркала подсветки подвижного индекса. Магнит может вращаться по часовой стрелке или против нее в зависимости от знака температурного коэффициента.
Если в результате испытания получен большой отрицательный коэффициент, то ось магнита вращают по часовой стрелке отверткой (на угол 10—15°). Если коэффициент положительный, магнит вращают против часовой стрелки. Положение магнита закрепляют стопорной гайкой, предварительно ослабленной.
Поскольку в результате изменения положения магнита температурной компенсации отсчет прибора изменится, чувствительный магнит возвращают в горизонтальное положение котировочным магнитом, управление которым выведено на наружную поверхность корпуса прибора. Юстировочный магнит закрепляют стопорным винтом, после чего устанавливают снятую боковую крышку корпуса и надевают на корпус теплоизоляционный кожух.
Определение и регулировку температурного коэффициента продолжают до тех пор, пока он не достигнет 2 гамм/град или меньшей величины.
г) Регулировка уровней. Для высокой точности работы с магнитометром М-23 необходимо, чтобы его чувствительный элемент на каждой точке наблюдения занимал строго горизонтальное положение. Горизонтальность чувствительного элемента определяется углом между его осью вращения и горизонталью (угол α) и углом между магнитной осью магнита и горизонталью (угол г). Углы α и i должны быть минимальными. Влияние увеличения углов α и i на показания прибора обнаруживается по расхождению отсчетов по шкале в азимутах C—B и С—3 (угол a), C-C и С—Ю (угол i)•
Если уровни отрегулированы правильно, то при установке прибора в горизонтальное положение по уровням разница в указанных отсчетах не превышает 10—15 гамм. Если регулировка уровней нарушилась вследствие действия механических причин, разница в отсчетах может быть значительной. Практически угол α определяют в следующем порядке.
1. Устанавливают треногу и ориентируют столик треноги по линии запад — восток при помощи буссоли.
2. Устанавливают прибор на столике треноги, выводят уровни в строго горизонтальное положение, пользуясь нивелировочными винтами столика.
3. Берут два отсчета при ориентировках прибора С—В и С—3. По величине их расхождения судят о величине угла α. Если получилось большое расхождение в отсчетах (более 15 гамм), то устранить его и отрегулировать поперечный уровень можно лишь в заводских условиях путем изменения угла наклона чувствительного элемента в вертикальной плоскости.
Порядок определения угла i и регулировки продольного уровня следующий.
1. Устанавливают треногу таким образом, чтобы два из трех нивелировочных винтов располагались по линии восток — запад.
2. Берут отсчеты по шкале прибора в положениях С—Ю и С—В. Допустим, отсчет по шкале прибора при ориентировке С—Ю составляет 340 делений, а в положении С—В он равен 320 делениям. Тогда при цене деления 10 гамм/дел расхождение составит 200 гамм.
Для устранения полученного расхождения отсчет при ориентировке прибора С—Ю уменьшают до величины отсчета при ориентировке прибора С—В, наклоняя продольный уровень на угол г. С этой целью, наблюдая за положением подвижного индекса, вращают третий нивелировочный винт до тех пор, пока подвижный индекс не займет положение, при котором отсчет будет равен 320 делениям. Поперечный уровень в это время должен оставаться посередине. Затем регулировочными винтами продольного уровня выводят последний в горизонтальное положение. После этого, повернув прибор на 180°, нивелировочными винтами на треноге выводят поперечный и продольный уровни в горизонтальное положение и берут отсчет. Если разница в отсчетах еще велика (более 15 гамм), ее снова уменьшают наполовину юстировкой продольного уровня и т. д.
д) Построение азимутальной кривой. Азимутальную кривую строят по данным измерений в различных азимутах через 30 , 45 или 90°. В каждом положении прибор нивелируют и берут отсчет. Данные измерений заносятся в таблицу (табл. 1), на основании которой строят азимутальную кривую.
Магнитометр M-23

На рис. 4 видно, что прибор можно устанавливать приблизительно широтно с ошибкой в ориентации ±45° (участок AB). В этом случае погрешность в измерениях за счет ориентации составит менее 1 гамм.
4. Полевые наблюдения с магнитометром. Наблюдения с прибором М-23 выполняют в следующем порядке.
Магнитометр M-23

1. Прибор, закрепленный на треноге, устанавливают на точке наблюдений, ориентируя его на глаз в широтном поправлении.
2. Производят предварительную нивелировку прибора по круглому уровню, затем его положение уточняют по двум цилиндрическим уровням.
3. Разарретируют прибор.
4. Вращая ручку измерительного магнита, подводят риски подвижного индекса симметрично относительно нулевой линии на шкале.
5. Берут отсчет по шкале.
6. Арретируют прибор и, не снимая его с треноги, переносят на следующую точку наблюдений.
В журнале записывают положение переключателя диапазонного магнита, ориентацию прибора, номер точки наблюдения, время, температуру.
Наблюдения с прибором М-23 может выполнять один человек (оператор).