CC BY
5УПРАВЛЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМИ СИСТЕМАМИ
УДК 510.5
Алгоритм автокалибровок измерительного тракта системы регистрации геомагнитных пульсаций Земли
Кулигин М. Н.
Муромский институт (филиал) ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Муром, Россия, E-mail: kaf-eivt@yandex.ru
В статье показана возможность исключения из обработки результатов проводимых измерений погрешностей, связанных с нестабильностью смещения нуля (температурный дрейф) и с разбросом коэффициента передачи в усилительных каналах микроконтроллерной системы регистрации геомагнитных пульсаций Земли.
Ключевые слова: Гидромагнитная волна, магнитосфера Земли, диапазон сверхнизких частот, автокалибровка, эталонное напряжение.
UDC 510.5
Algorithm of autocalibrations of the measuring path of system of registration of geomagnetic pulsations of earth
Kuligin M. N.
Murom institute (branch) of Vladimir State University named after Aleksandra Grigoryevicha i Nikolaya Grigoryevicha Stoletovykh, Murom, Russia, E-mail: kaf-eivt@yandex.ru
In article possibility of an exception of processing of results of carried-out measurements of the errors connected with instability of shift of zero (temperature drift) and with disorder of factor of transfer in intensifying
channels of mikrokontrollerny system of registration of geomagnetic pulsations of Earth is shown.
Keywords: Hydromagnetic wave, Earth magnetosphere, range of ultralow frequencies, autocalibration, reference tension.
Введение
Источником естественных электромагнитных полей Земли являются процессы взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли и, в конечном итоге, особенности активности Солнца. Кроме этого, в связи с промышленной деятельностью человека, с каждым годом возрастает уровень техногенных электромагнитных полей. Весь этот комплекс тем или иным способом воздействует на жизнедеятельность живых организмов, становясь в наше время одним из важных экологических факторов [1].
На поверхность Земли из космического пространства падают электромагнитные волны очень низкой частоты (от долей герца до единиц герц). Эти волны, получившие название геомагнитные пульсации, впервые наблюдались на обсерватории Кью близ Лондона более ста лет назад. Однако интенсивное изучение пульсаций было начато лишь в период Международного Геофизического Года (1957-1958). Геомагнитные пульсации — это гидромагнитные волны в магнитосфере Земли. Спектр частот простирается от миллигерц примерно до одного килогерца. Нижняя граница спектра совпадает с наименьшей частотой собственных колебаний магнитосферы, верхняя граница — с ги-рочастотой протонов в нижних слоях полярной ионосферы. На частоте около 5 Гц, однако, существует резкая отсечка спектра колебаний, обусловленная тем, что идущие сверху волны сильно поглощаются в ионосфере и на поверхности Земли практически не наблюдаются. Кроме того, на частотах, больших примерно 5 Гц, весьма высок уровень атмосферных помех от молниевых разрядов, что также затрудняет регистрацию излучений космического происхождения. Геомагнитные пульсации, зарегистрированные на земной поверхности, несут информацию о процессах, их порождающих, а также о свой-
ствах среды по пути их распространения. Разработка основанных на использовании этой информации способов магнитотеллуриче-ского зондирования является актуальной задачей. Прикладное значение зарегистрированных на земной поверхности геомагнитных пульсаций для изучения структуры земной коры и верхней мантии велико и в настоящее время не вызывает сомнений [2,3].
Постановка задачи
Для синхронной шестикомпонентной регистрации геомагнитных пульсаций в сети разнесенных пунктов наблюдений требуется надежная высокоточная аппаратура, способная работать в автономном режиме [4]. В качестве подобной системы может выступать один из множества существующих сейчас универсальных микропроцессорных комплексов сбора данных. Однако, вследствие того, что они не разрабатывались изначально для регистрации геомагнитных пульсаций, им присущи два недостатка. Во-первых, ненужная избыточность — многие функции таких систем на практике никогда не будут применяться, поэтому нет смысла за них переплачивать. А во-вторых, сигналы, получаемые в результате регистрации геомагнитных пульсаций настолько специфичны (частота от долей герца до 3 герц, меняющийся во времени динамический диапазон, высокий уровень помех), что эти системы просто не могут адекватно обработать такие данные. В связи с этим, разработка подобной системы сбора данных является весьма актуальной.
На кафедре электроники и вычислительной техники Муромского института ВлГУ ведутся работы по созданию микроконтроллерных систем сбора данных, предназначенных для регистрации сигналов геомагнитных пульсаций Земли [5].
Частотный диапазон исследуемых геомагнитных пульсаций Земли изменяется от сотых долей до единиц Герца (0,01-3) Гц. Измерения проводят как для электрических, так и для магнитных компонент естественного поля Земли. Измерительная система в этом случае становится многоканальной, поэтому разработать, изготовить и настроить такую систему с идентичными и стабильными электрическими параметрами очень проблематично. Алгоритмы обработки результатов измерений предполагают синхронную регистрацию шести компонентов электромагнитного поля пульсаций [6]. Соответственно, система является шестиканальной (по три канала на электрическую
и магнитную составляющие регистрируемого поля). Каждый измерительный канал включает инструментальный усилитель и активный полосовой фильтр (0,01 до 3 Гц). Для привязки собранных данных к аб -солютному времени (UT) в системе предусмотрен канал регистрации времени. После усиления и фильтрации сигналов с датчиков выполняется их оцифровка и запись на жесткий диск компьютера.
Первые образцы системы сбора данных были реализованы на базе учебного стенда SDK-1.1, основой которого является микроконтроллер (МК) фирмы Analog Devices — ADuC812. На кристалле этого МК есть 8-канальный 12-разрядный АЦП и два 12-разрядных ЦАП. На базе одного ЦАП программно реализован генератор синусоидального напряжения, генерируемые частоты 0.01 Гц, 0.1 Гц и 1 Гц [7]. Этот генератор используется в системе в качестве эталонного напряжения (образцовой меры) при проведении автокалибровок аналогового измерительного тракта.
Алгоритм автокалибровок измерительного тракта
Использование современных микропроцессорных устройств в составе аппаратуры для проведения измерений геомагнитных пульсаций Земли позволяет программными методами исключить аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности измерительного тракта. Нелинейная составляющая погрешности измерительного тракта зависит от типа АЦП, используемого при измерениях, и определяется нелинейностью его характеристики. Микроконтроллер, встроенный в измерительную аппаратуру, позволяет проводить автокалибровку измерительного тракта, и с помощью автокалибровок минимизировать погрешности, сопровождающие процесс сравнения с мерой, настолько, что погрешность измерительного тракта снижается до погрешности образцовой меры.
Принцип проведения автокалибровок поясняется функциональной схемой на рисунке 1.
1 — Аналоговые усилители и фильтры; 2 — АЦП; 3 — Микроконтроллер; AD — активный датчик; Е0 — эталонное напряжение; Есм — начальное сме -щение (постоянная составляющая смещения) измерительного тракта.
Рис. 1. Схема проведения автокалибровок.
Цифровой эквивалент N1, неизвестного входного напряжения их, в общем случае может быть получен с погрешностью из-за начального смещения Есм (аддитивная составляющая погрешности), отличия коэффициента «к» передачи измерительного тракта от номинального значения (мультипликативная составляющая погрешности):
N1 = k -(их + Есм) (1)
Получение результата, свободного от погрешностей, предполагает проведение трех измерений:
— измерение неизвестного напряжения
N1 = k -(их + Есм );(2)
— измерение напряжения образцового источника
N2 = k - (Е0 + Есм);(3)
— измерение начального смещения
N3 = k • Есм. (4)
Две последние операции являются калибровочными, позволяющими микроконтроллеру рассчитать действительное значение:
тт N1 - N3
их =--Е 0 (5)
N2 - N3
Из последнего выражения следует, что значение их определяется по значению напряжения образцовой меры Е0; влияние же Есм и к, а также их изменений, исключается. Таким образом, использование автокалибровок позволяет исключить из обработки результатов проводимых измерений погрешности, связанные с нестабильностью смещения нуля (температурный дрейф) и с разбросом коэффициента передачи в измерительных каналах системы регистрации.
Использование автокалибровок в геофизической аппаратуре, предназначенной для круглосуточной, непрерывной работы в течение нескольких месяцев, а иногда и лет позволяет исключить из обработки результатов проводимых измерений погрешности, связанные с нестабильностью смещения нуля (температурный дрейф) и с разбросом коэффициента передачи в измерительных каналах. Кроме того рассмотренный алгоритм может быть использован в подсистемах сбора и первичной обработки информации АСУТП, т. к. комплекс технических средств ввода аналоговых сигналов в управляющий компьютер этой подсистемы также имеет в своём составе блоки операционных усилителей и активных фильтров [8].
Список литературы
1. Чижевский А. Л. Земное эхо солнечных бурь. М., "Мысль", 1973.
2. Анисимов С. В., Дмитриев Э. М., Анисимова Е. Б., Сычев А. Н. База данных геофизической обсерватории «Борок», Электронный научно-информационный журнал «Вестник ОГГГГН
РАН», М.: ОИФЗ РАН URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_ dgggms/4-2001/anisimov. htm.
3. Анисимов С. В., Дмитриев Э. М., Анисимова Е. Б., Бока-стов С. С. Информационно-измерительный комплекс Геофизической обсерватории «Борок», Электронный научно-информационный журнал «Вестник ОГГГГНРАН», М.: ОИФЗPAHURL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/4-2000/anisimov.htm.
4. Кулигин М. Н. Исследование характеристик распространения геомагнитных пульсаций типа Рс-3 и Pi-2: Автореферат дис.... канд. физ.-мат. наук. - М.: ИФЗ АН СССР, 1989.
5. Кулигин М. Н. Шестикомпонентная станция регистрации поля геомагнитных пульсаций.//Вопросы радиоэлектроники, серия ОТ.-2010. — выпуск 1. — с. 134-139.
6. Кулигин М. Н. Алгоритм обработки геомагнитных пульсаций Земли в реальном масштабе времени.//Проектирование и технология электронных средств.- 2010. — № 1.- с. 74-76.
7. Кулигин М. Н. Цифровой генератор сверхнизких частот, реализованный на базе стенда БОК-1.1//Радиотехнические и телекоммуникационные системы. — 2012. — № 1. — с. 16-18.
8. Пьявченко Т. А., Финаев В. И. Автоматизированные информационно-управляющие системы. — Тага^ог: Изд-во ТРТУ, 2007. — 271 c.
Рецензент:
Орлов Алексей Александрович, доктор тех. наук
