Магнитометр М-2

15.01.2017

Общий вид магнитометра М-2 изображен на рис. 49.
Магнитная система весов («стрелка») состоит из двух магнитных пластин ромбической формы, изготовляемых обыкновенно из кобальтовой стали и прикрепляемых к стальному каркасу кубической формы; к тому же кубику прикреплены грузики, зеркальце и кварцевая призма, ребро которой служит осью вращения (рис. 50). Длина магнитных пластин 100 мм, высота 20 мм и толщина 1 мм. Магнитный момент двух пластин около 1000 СГС, вес всей системы 50—60 г. В центральной части магнитных пластин вырезаны отверстия для кварцевой призмы. Рабочее ребро призмы имеет двугранный угол 120°, грани ребра тщательно отшлифованы. Магнитные пластины крепятся к каркасу каждая двумя винтами, диаметр которых на 1 мм меньше диаметра отверстия. Это сделано для перемещения каждой пластины по вертикали и горизонтали для установки магнитной оси стрелки параллельно плоскости зеркальца, грубой регулировки чувствительности системы и ее равновесия. Точная регулировка равновесия достигается перемещением грузика на инварном стержне, а точная регулировка чувствительности — перемещением грузика на резьбе в каркасе, перемещающегося по вертикали. Инварный стержень по внешнему виду отличается меньшим диаметром от алюминиевого стержня, вдоль которого перемещается грузик для механической компенсации влияния температуры на равновесие системы.
Магнитометр М-2
Магнитометр М-2

При увеличении температуры магнитный момент системы уменьшается, вследствие чего южный конец стрелки опускается вниз. Алюминиевый стержень прикреплен со стороны северного полюса магнитов. Коэффициент линейного расширения алюминия 2,3*10в-5, а инвара — 0,14*10в-5 1/°С; вследствие увеличения механического момента вращения со стороны северного полюса конец системы поднимается вверх.
Опытным путем находят такое положение грузика на алюминиевом стержне, при котором изменение температуры не нарушает равновесия стрелки. K горизонтальному положению стрелка приводится с помощью грузика на инварном стержне, называемого «широтным». Название дано ввиду того, что при переезде с прибором на новую широту нормальное поле Z0 изменяется, стрелка отклоняется от горизонтального положения. Возвращение ее в горизонтальное положение производится перемещением широтного грузика без изменения положения «температурного» грузика.
Магнитометр М-2

Внутри домика жестко укреплены две параллельные кварцевые пластинки с отшлифованной выпуклой цилиндрической поверхностью так, что их образующая перпендикулярна к рабочей оси магнитной системы. При опускании системы с арретирующего устройства рабочее ребро призмы садится на цилиндрическую поверхность опор. Поверхность соприкосновения оказывается минимальной, благодаря чему устраняется застой стрелки.
Условие равновесия стрелки, качающейся вокруг горизонтальной оси в плоскости, перпендикулярной к магнитному меридиану, определяется следующим равенством (рис. 51):
Магнитометр М-2

где M — магнитный момент стрелки;
P — mg — сила тяжести;
i — угол наклона магнитной оси стрелки;
β — постоянный угол между магнитной осью стрелки ns и направлением ос от оси вращения стрелки к ее центру тяжести;
d — расстояние между осью вращения и центром тяжести.
Равенство (32,1) можно написать в виде
Магнитометр М-2

В нормальном поле условие равновесия будет иметь вид
Магнитометр М-2

Вычитая (32,2) из (32,1), получим
Магнитометр М-2

Возможный угол наклона стрелки М-2 не превышает 1°,5, следовательно равенство можно написать в виде
Магнитометр М-2

где i и i0, выражены в градусах.
В указанных пределах колебаний стрелки можно использовать линейную шкалу для отсчета угла отклонения стрелки от горизонтального положения. Это осуществляется с помощью оптической трубы, имеющей шкалу с 40 делениями; каждое деление соответствует углу наклона приблизительно в 2',25. Соответственно изменится постоянный коэффициент в равенстве (32,4):
Магнитометр М-2

где n и n0 — отсчеты по шкале магнитометра;
ε — коэффициент, который является ценою одного деления шкалы, указываемой в паспорте прибора в гаммах на деление.
Длина пластинки с делениями шкалы — 4 мм; при отсчете в окуляр с десятикратным увеличением отсчеты по шкале производятся с точностью до 0,1 деления. Действительное и отраженное изображение шкалы дано на рис. 52.
Магнитометр М-2

Цена деления шкалы определяется в известном добавочном поле, которое в полевых условиях создается с помощью одного из прилагаемых к прибору магнитов. Магнит укрепляется в специальном гнезде вертикально под магнитометром на известном расстоянии, определяемом по шкале. Зная магнитный момент магнита M и расстояние между центрами стрелки и магнита г, вычисляем ноле в области вращения стрелки по формуле
Магнитометр М-2

Эта формула справедлива для определения поля диполя на продолжении его магнитной оси; в рассматриваемом случае данной формулой пользуются на том основании, что по конструкции прибора расстояние r в несколько раз больше длины магнита.
Обозначим отсчет по шкале магнитометра через n1 при установке магнита южным полюсом вверх и через n2 при перевернутом магните. Тогда
Магнитометр М-2

Цена деления ε обыкновенно устанавливается около 30 у/дел, хотя может быть доведена приблизительно до 15 γ/дел при необходимости увеличить чувствительность.
При измерении сильных аномалий прибор может быть загрублен, цена деления может быть увеличена до сотни гамм. При обычной цене деления 30γ диапазон измеряемого поля ±1200γ. В случае появления аномалий, превышающих этот предел измерения, применяются компенсирующие магниты, укрепляемые в том же гнезде, которое используется для определения цены деления.
Поле компенсирующего магнита может быть определено путем вычислений по известному магнитному моменту магнита и известному расстоянию между центрами магнита и стрелки. Более точно это поле определяется путем взятия отсчета по шкале магнитометра на предыдущей точке при неизменном положении компенсирующего магнита. Разность отсчетов с компенсирующим магнитом и без него, умноженная на цену деления, определяет величину компенсирующего поля.
При измерении должны выполняться определенные требования к точности ориентировки и установки прибора по уровням. Если плоскость качания стрелки не строго перпендикулярна к магнитному меридиану и отклоняется от заданного положения на угол δ, то к действующей на стрелку вертикальной составляющей Z прибавляется величина ±Н sin δ sin г, где i — угол наклона стрелки. Знак меняется в зависимости от ориентировки северного полюса стрелки на восток или на запад, откуда следует, что при измерениях в двух азимутах с одинаковой ошибкой б средний отсчет будет свободен от погрешности, вызываемой ошибкой в ориентировке прибора. Величина H sin δ sin i незначительна: при максимальном угле i = 1°,5 и погрешности δ = 0°,5, получим 0,02% от Н, т. е. для средних широт России около 3γ.
Погрешности в установке прибора по уровням рассмотрим раздельно: в плоскости качания стрелки и в перпендикулярной плоскости. В первом случае положение стрелки в пространстве не изменяется, наклоняется оптическая труба. Если наклон, контролируемый так называемым «параллельным» (или «продольным») уровнем, равен 1 делению уровня, то это соответствует приблизительно углу 30". При зеркальном отсчете погрешность отсчета по шкале будет около 1' или 0,4 деления шкалы, т. е. она зависит от цены деления и, как видно, достигает большой величины. Поэтому требуется устанавливать параллельный уровень с точностью до 0,2 деления. При ориентировке прибора северным концом стрелки на восток и на запад знак погрешности изменяется, вследствие чего средний отсчет освобождается от этой погрешности.
Наклон вертикальной оси в плоскости, перпендикулярной к плоскости качания стрелки, вызывает изменение действующей на стрелку величины Z на H sin φ, где φ — угол наклона. Если погрешность установки по «перпендикулярному» (или «поперечному») уровню равна 1 делению, то φ = 30", Н sin φ в средних широтах России будет более 2γ; следовательно, установка по уровню должна выполняться с точностью не ниже 0,5 деления. При измерении Z в двух азимутах знак H меняется, следовательно средний отсчет освобождается от влияний рассматриваемой погрешности.
Чтобы резко снизить влияние неточности установки прибора на результаты измерений предъявляется обязательное требование производить измерения при двух азимутах: северный конец стрелки ориентирован на восток и на запад. Для контроля требуется после измерения во втором азимуте вернуть прибор в первое положение и убедиться в неизменности отсчета. Чтобы использовать третий отсчет, нужно иметь одинаковое количество отсчетов при одном и другом азимутах; поэтому принята следующая схема отсчетов: n1 — при ориентировке северного конца стрелки на восток, n2 и n3 — при ориентировке на запад, n4 — при ориентировке на восток.
При строгой установке прибора по перпендикулярному уровню ось вращения стрелки не обязательно горизонтальна, так как один подшипник может быть выше другого. Это отразится на отсчетах: они будут различны при различных азимутах. Расхождение больше 1 деления шкалы не допускается, оно устраняется выравниванием высоты подшипников. Обыкновенно у каждого прибора некоторое расхождение отсчетов при измерении в двух азимутах остается (меньше 1 деления шкалы). Это постоянное расхождение записывается в паспорте прибора и в дальнейшем используется как контрольное: если разность отсчетов при измерениях в двух азимутах в какой-либо точке отличается от паспортного более, чем на 0,2 деления, то это указывает на наличие ошибок в установке прибора, превышающих допустимые. Измерения подлежат повторению.
Теория и практика применения магнитометра показывают, что измерения могут быть выполнены с погрешностью меньше ±2γ.
В эту величину входит и погрешность отсчета, оцениваемая для вполне исправного прибора величиной менее 0,1 деления шкалы. В среднем из четырех отсчетов она уменьшается теоретически в два раза.