Для определения зенитного угла используются гравитационные датчики (поплавковые конструкции, физические маятники, акселерометры). Для измерения угла азимута используются датчики магнитного поля: магнитомеханические, индукционные, гальваномагнитные (рис.1).
Рис. 1. Блок чувствительных элементов скважинного инклинометра
Типы магнитометров
Магнитостатические магнитометры
Принцип действия магнитостатических магнитометров основан на измерении механического момента J, действующего на индикаторный магнит прибора в измеряемом поле. Момент J в магнитометрах различной конструкции сравнивается:
1) с моментом кручения кварцевой нити (действующие по этому принципу кварцевые магнитометры и универсальные магнитные вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью G ~ 1 нТл);
2) с моментом силы тяжести (магнитные весы с G ~ 10 − 15 нТл);
3) с моментом, действующим на вспомогательный эталонный магнит, установленный в определённом положении (оси индикаторного и вспомогательного магнитов в положении равновесия перпендикулярны). В последнем случае, определяя дополнительно период колебания вспомогательного магнита в поле Hi, можно измерить абсолютную величину Hi (абсолютный метод Гаусса).
Основное назначение магнитостатических магнитометров — измерение компонент и абсолютной величины напряжённости геомагнитного поля, градиента поля, а также магнитных свойств веществ.
Индукционные магнитометры
Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции - возникновении ЭДС в измерительной катушке при изменении проходящего сквозь её контур магнитного потока Θ. Изменение потока в катушке может быть связано:
1) с изменением величины или направления измеряемого поля во времени (примеры - индукционные вариометры, флюксметры). Простейший флюксметр (веберметр) представляет собой баллистический гальванометр, действующий в сильно переуспокоенном режиме (G~10−4 Вб/деление); широко применяются магнитоэлектрические веберметры с G ~10− 6 Вб/деление, фотоэлектрические веберметры с G ~ 10 − 8 Вб/деление и другие.
2) с периодическим изменением положения (вращением, колебанием) измерительной катушки в измеряемом поле; простейшие тесламетры с катушкой на валу синхронного двигателя обладают G ~ 10 − 8 Тл. У наиболее чувствительных вибрационных магнитометров G ~ 0,1*10-1 нТл.
3) с изменением магнитного сопротивления измерительной катушки, что достигается периодическим изменением магнитной проницаемости пермаллоевого сердечника (он периодически намагничивается до насыщения вспомогательным переменным полем возбуждения); действующие по этому принципу феррозондовые магнитометры имеют G ~ 0,2*10 -1 нТл.
Индукционные магнитометры применяются для измерения земного и космических магнитных полей, технических полей, в магнитобиологии и т.д.
Квантовые магнитометры
Приборы, основанные на свободной прецессии магнитных моментов ядер или электронов во внешнем магнитном поле и других квантовых эффектах (ядерном магнитном резонансе, электронном парамагнитном резонансе). В зависимости от способа создания макроскопического магнитного момента и метода детектирования сигнала различают: протонные магнитометры (свободной прецессии, с динамической поляризацией и с синхронной поляризацией), резонансные магнетометры (электронные и ядерные), магнитометры с оптической накачкой и др. Квантовые магнитометры применяются для измерения напряжённости слабых магнитных полей (в том числе геомагнитного и магнитного поля в космическом пространстве), в геологоразведке, в магнетохимии (G - до 10 – 5 -10 − 7 нТл). Значительно меньшую чувствительность (G ~ 10 - 5 Тл) имеют квантовые магнитометры для измерения сильных магнитных полей. Существуют магнитометры следующих типов: протонный магнитометр, гелиевый магнитометр, атомный магнитометр на щелочных металлах с оптической накачкой, атомный магнитометр, свободный от спин-обменного уширения (SERF-магнитометр)
Гальваномагнитные магнитометры
Принцип действия гальваномагнитных магнитометров основан на воздействии магнитного поля на движущийся электрический заряд. На эффекте Холла основано действие различного рода тесламетров для измерения постоянных, переменных и импульсных магнитных полей (чувствительностью 10-4-10-5Тл); градиентометров и приборов для исследования магнитных свойств материалов. Чувствительность тесламетров, работающих на основе эффекта Гаусса, достигает 10 мкВ/Тл; чувствительность электронно-вакуумных М. ~ 30 нТл.
Таблица 1. Основные характеристики магнитометров
Тип |
Наименование |
Диапазон измерения |
Чувствительность |
Температурный диапазон, °С |
Габариты, мм |
Цена, руб. |
Магнито резистивный |
HMC1021S |
±6*10-4 Тл |
0,1 мкТл |
–55… +150°С |
н/д |
889 |
Магнито резистивный |
HMC1053 |
±66*10-4 Тл |
0,1 мкТл |
–55… +150°С |
н/д |
н/д |
Магнито резистивный |
HMC1001 |
±2*10-4 Тл |
0,32 мкТл |
–55… +150°С |
н/д |
н/д |
Феррозондовый |
НВ0391.5-35 |
±100 мкТл |
0,5 нТл |
-10…+70°С |
11,8 х35 |
н/д |
Феррозондовый |
НВ0391.5-20 |
±1000 нТл |
2 нТл |
-10…+70°С |
11,8х35 |
н/д |
Датчик Холла |
SS49E |
±0,1 Тл |
н/д |
-40…+85°С |
4x3 |
90 |
Датчик Холла |
SS413A |
±67мТл |
0,31 мкТл |
-40…+150°С |
н/д |
240 |
Датчик Холла |
SS496A |
±84мТл |
0,25 мкТл |
40…+125°С |
н/д |
370 |
Заключение: Выбор типа преобразователей магнитного поля осуществляется с учетом требуемых параметров разрабатываемой аппаратуры, условий её эксплуатации и целого ряда экономических факторов. Основные эксплуатационные требования, связанные с процессом бурения – это широкий диапазон рабочих температур и вибрационная стойкость. Из таблицы 1 видно, магниторезистивные датчики обладают самым широким диапазоном температур и достаточной чувствительностью. Феррозондовые датчики обладают высокой чувствительностью, но низким температурным диапазоном, что неприемлемо в условиях бурения.
Список литературы:
Общие сведения о магнитометрах. http://deepgeotech.com/magnitometry.php
Как выбрать магнитометр. С.Г. Седов, геофизик, канд. геол.- минер. наук http://www.magnitometr.com/magnitometr_type/
Geodan. Лаборатория технологий. Инклинометр. http://www.geodan.ru/inclinometr.shtml
Инклинометрия. Оборудование для инклинометрии,инклинометр.
http://www.velco.ru/page_obink.htm
Микроника. Магниторезистивные датчики. http://micronika.ru/docs/sensor/m_p_1.shtml#3
Чип и дип. Магазин электронных компонентов. http://www.chipdip.ru/catalog-show/magnetic-field-sensor/
Робокрафт. Датчики Холла. http://robocraft.ru/blog/electronics/594.html