Марусенков Андрій Анатолійович. Вдосконалення методів визначення метрологічних характеристик магнітометричних інформаційно-вимірювальних систем

brief description

Марусенков Андрій Анатолійович. Вдосконалення методів визначення метрологічних характеристик магнітометричних інформаційно-вимірювальних систем : дис... канд. техн. наук: 05.11.16 / Львівський центр Інституту космічних досліджень НАН та НКА України. — Л., 2006. — 128арк. : рис., табл. — Бібліогр.: арк. 115-121.

АНОТАЦІЯ.Марусенков А.А. Вдосконалення методів визначення метрологічних характеристик магнітометричних інформаційно-вимірювальних систем. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 - інформаційно-вимірювальні системи. - Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка Національної академії наук України, Львів, 2006.
Дисертацію присвячено проблемі визначення метрологічних характеристик та калібрування трикомпонентних ферозондових магнітометричних інформаційно-вимірювальних систем для дослідження слабких магнітних полів. Удосконалено метод синхронних вимірювань геомагнітних варіацій, який полягає в порівнянні показів зразкового та досліджуваного засобів вимірювань, таким чином, що визначення метрологічних характеристик останнього здійснюється без призупинення його неперевної роботи. На базі теоретичного аналізу систематичної та випадкової складових похибки такого методу обґрунтовано доцільність використання напівпараметричного методу зважених найменших квадратів у частотній області для обробки даних та сформульовано вимоги до характеристик зразкового засобу вимірювань. З метою вдосконалення цих характеристик синтезовано нову форму неоднорідності поля компенсації, яка дозволяє значно зменшити похибку коефіцієнта перетворення, зумовлену зміною довжини чи положення давача в котушці компенсації, та розроблено рекомендації щодо зменшення потужності збудження ферозондового перетворювача. Наведено приклади обробки даних синхронних вимірювань за запропонованою методикою.

В дисертаційній роботі вдосконалено методи, які дозволяють визначати метрологічні характеристики магнітометричних інформаційно-вимірювальних систем для дослідження слабких магнітних полів без призупинення їх перманентної роботи. Для цього запропоновано новий підхід до калібрування магнітометричної ІВС, згідно з яким за даними синхронного запису геомагнітних варіацій досліджуваним та зразковим засобами вимірювань отримуємо основні метрологічні характеристики її вимірювального каналу: значення коефіцієнтів перетворення, кути неортогональності магнітних осей давача, орієнтацію магнітних осей у заданій системі координат, рівень власних шумів та часові й температурні дрейфи базових ліній.
Основні результати роботи полягають у наступному:
1. Розвинуто математичну модель синхронних вимірювань геомагнітних варіацій двома трикомпонентними магнітометричними ІВС шляхом урахування спектральних характеристик геомагнітних варіацій та власних шумів ферозондових перетворювачів, співвідношення коефіцієнтів перетворення, неортогональності осей чутливості компонент та взаємної орієнтації в просторі магнітних давачів. Вперше показано, що такі вимірювання описуються множинною лінійною регресією з автокорельованими похибками в усіх змінних, завдяки чому порушуються умови використання лінійних параметричних методів обробки даних і необхідно використовувати інші процедури для оцінки параметрів регресії.
2. На підставі спектральних характеристик геомагнітних варіацій та власних шумів ферозондових перетворювачів отримано нові математичні вирази для розрахунку систематичної та випадкової складових похибки оцінки параметрів регресії за використання звичайного та узагальненого МНК залежно від робочого діапазону частот. Вперше показано, що УМНК забезпечує в 3-4 рази менші значення випадкової складової похибки, ніж МНК, особливо при довготривалих вимірюваннях, але більші значення систематичної складової похибки. На основі проведеного аналізу методичної похибки вперше обґрунтовано доцільність використання напівпараметричного методу зважених найменших квадратів у частотній області як такого, що одночасно забезпечує малі значення обох складових похибки (на рівні 0,01 ... 0,5 %), коректну оцінку їхніх значень та помірні вимоги до обчислювальних потужностей.
3. Враховуючи особливості методу синхронних вимірювань, сформульовано нові вимоги як до умов їх проведення, так і до метрологічних характеристик зразкового засобу вимірювань. Вперше отримано залежність методичної похибки від тривалості вимірювань, що дозволило коректно планувати вимірювальний експеримент. Показано, що для забезпечення прогнозованих малих значень методичної похибки зразковий засіб вимірювань повинен забезпечувати високу температурну стабільність базових ліній та низький рівень власних шумів.
4. Для покращення метрологічних характеристик ферозондових перетворювачів синтезовано нову форму неоднорідності поля компенсації, яка дозволяє не менш як на порядок знизити похибку коефіцієнта перетворення, зумовлену зміною довжини чи положення давача в котушці компенсації. Переваги котушки компенсації, що створює магнітне поле із запропонованою формою неоднорідності, підтверджено розрахунком та експериментально.
5. Виявлено, що збільшення об’єму обмотки збудження за інших рівних умов дозволяє, суттєво зменшивши потужність споживання, покращити метрологічні характеристики ферозондових давачів. Рекомендації щодо зменшення потужності збудження використані в магнітометрах виробництва ЛЦ ІКД: LEMI-011 (споживана потужність 25 мВт, рівень власних шумів 200 пкТлГц-0,5на частоті 1 Гц ) та LEMI-019 (споживана потужність 40 мВт, рівень власних шумів 10 пкТлГц-0,5на частоті 1 Гц). Ці показники є найкращими з усіх відомих виробів такого класу в світі.
6. На базі отриманих у дисертаційній роботі результатів вперше розроблено і впроваджено:
- методику калібрування та перевірки магнітометрів регіональної мережі сейсмопрогностичних пунктів Українського Державного геологорозвідувального інституту (м. Київ), яка дозволяє суттєво зменшити витрати на проведення перевірки польових приладів та досягти підвищення продуктивності праці;
- трикомпонентний магнітометр LEMI-011 із зменшеною потужністю споживання для ІВС „ГУОБИТ” (виробництва НВП Потенціал”, м. Харків), що використовується для систем керованого буріння.