source: trunk/projekt_beke/42.htm

Last change on this file was 1, checked in by george, 16 years ago
  • Prvotní nahrání souborů.
  • Property svn:executable set to *
File size: 15.0 KB
Line 
1<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN">
2<html>
3<head>
4 <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=iso-8859-2">
5 <meta name="keywords" content="magnetometr, konstrukce, princip, protonový, magnetometrie, pøístroje, ukázky">
6 <meta name="description" content="Konstrukce protonového magnetometru">
7 <title>Konstrukce protonového magnetometru</title>
8 <link rel="stylesheet" type="text/css" href="style.css">
9</head>
10<body>
11
12<h1>Konstrukce protonového magnetometru</h1>
13
14<h2>Obsah:</h2>
15<a href="#uvod">1. Úvod a pou¾ití</a><br>
16<a href="#konstrukce">2. Princip a konstrukce</a><br>
17<a href="#ukazky">3. Ukázky pøístrojù</a><br>
18<a href="#literatura">4. Pou¾itá literatura</a><br>
19
20<h2 id="uvod">1. Úvod a pou¾ití</h2>
21
22<h3>1.1 Co je magnetometrie</h3>
23<p>Magnetometrie se pou¾ívá k mìøí magnetické indukce pole Zemì (jednotka Tesla, T). Toto pole pravdìpodobnì vzniká pohyby v tekutém jádru Zemì. Magnetické pole Zemì se mìní v èase i prostoru. Ve Støední Evropì bychom namìøili hodnotu cca. 45 000 nT, na polárních kruzích cca. 70 000 nT. Velikost v¹ak závisí i na aktivitách jádra Zemì, na aktivitì Slunce a na magnetických bouøích v ionosféøe, dále na materiálu zemské kùry a podobnì. Magnetická indukce je vektorová velièina, tzn. má velikost a smìr.</p>
24
25<div>
26<img src="mapa.png" alt="Mapa magnetického pole Zemì"><br>
27Obr. 1.1 - Celková intenzita magnetického pole na Zemi v nT
28</div>
29<br>
30
31<p>Praktické pou¾ití magnetometrie najdeme v geologických prùzkumech, archeologii, hledaní ponoøených tìles a podobnì.
32V praxi se pro mìøení magnetického pole pou¾ívá napøíklad protonový magnetometr.</p>
33
34<h3>1.2 Obecný princip protonového magnetometru</h3>
35<p>Protonový magnetometr se tak jmenuje proto, ¾e k mìøení magnetického pole vyu¾ívá precese protonù. Protony, neboli vodíková jádra v kapalinì bohaté na vodík se chovají jako malièké magnetické dipóly. Tyto magnety se doèasnì polarizují tím, ¾e se vystaví pùsobení silného magnetického pole, generovaného budící cívkou. Kdy¾ se polarizaèní proud vypne, protony se opìt pøizpùsobí vnìj¹ímu magnetickému poli a generují v cívce malý signál, jeho¾ frekvence je úmìrná indukci tohoto magnetického pole. Nevýhodou protonového magnetometru je, ¾e mìøí pouze velikost a celkový vektor. Nelze mìøit zvlá¹» vertikální a horizontální slo¾ku geomagnetického pole. Ve vìt¹inì pøípadù je ale toto mìøení dostaèující. Rozli¹ovací schopnost protonového magnetometru je asi 0,1 nT. Registrace geomagnetického pole trvá pøibli¾nì nìkolik vteøin. </p>
36
37<h3>1.3 Mìøení gradientu indukce</h3>
38<p>Místo mìøení magnetické indukce samotné je v nìkterých pøípadech vhodnìj¹í mìøení vertikálního gradientu indukce magnetického pole. K vyhodnocovací jednotce se pøipojí nad sebou dvì sondy tak, aby mezi nimi byla pevná vzdálenost. Rozdíl obou namìøených údajù umo¾òuje vypoèítat prùmìrný vertikální gradient. Toto mìøení odstraòuje vliv èasových variací magnetického pole, odstraòuje vliv anomálií velkých rozmìrù a lépe definuje mìlèí zdroje, co¾ je napøíklad pro archeologii velmi výhodné.</p>
39
40<div>
41<img src="grad_mereni.png" alt="Princip gradientového mìøení"><br>
42Obr. 1.2 - Princip gradientového mìøení
43</div>
44<br>
45<div>
46<img src="cesiovy_grad.png" alt="Césiový gradiometr"><br>
47Obr. 1.3 - Cesiový gradiometr
48</div>
49
50<h3>1.4 Anomálie</h3>
51<p>Vedle anomálií zemského magnetického pole se vyskytují i takzvané èasové variace. Kromì nich existují i krat¹í denní variace, tedy velmi malé a rychlé cyklické zmìny o amplitudì 20 - 50 nT s periodou pod 10 minut. Tyto ru¹ivé faktory je nutné mít pod kontrolou. Jednou takovou mo¾ností je právì gradientové mìøení.</p>
52
53<h3>1.5 Praktická metoda mìøení</h3>
54<p>V zamìøeném místì se vymìøí rastr který se oznaèí nata¾enými lanky.
55U no¹ených magnetometrù se úsekem prochází konstantní rychlostí. Magnetometry na vozíku mohou mít i zabudovaný krokomìr.</p>
56<p>Pracovní tým u sebe nesmí mít ¾ádné kovové pøedmìty, pøedev¹ím je tøeba dbát na magnetické objekty jako mobily, kreditní karty a podobnì.</p>
57
58<h3>1.6 Mìøení magnetické susceptibility zemin</h3>
59<p>V dùsledku fyzikálních a chemických zmìn v pùdì dochází v ¾elezitých minerálech ke zmìnì jejich magnetické susceptibility. Zmìna v takových pøípadech bývá smìrem k vy¹¹ím hodnotám. Nejvìt¹í nárùst nalézáme u hornin pro¹lých ¾árem, rozpadlých nádob èi cihel s pozùstatky po výrobì ¾eleza. </p>
60
61<p>Magnetická susceptibilita je pomìr síly indukovaného magnetického pole k vnìj¹ímu magnetickému poli. Je bez jednotky a oznaèuje se kappa.</p>
62
63kappa = M/H<br>
64<br>
65M ... indukované pole [nT]<br>
66H ... magnetické pole [nT]<br>
67
68<p>Magnetickou susceptibilitou se zabýváme proto¾e chemické procesy v pùdì probíhají neustále. Povrch tedy vykazuje vysokou susceptibilitu. Tím je dána jistá dolní mez pro umístìní mìøících èidel magnetometru, nemá-li susceptibilita povrchu zemì znehodnocovat informaci o hlub¹ích vrstvách. Archeologicky hodnotné ovlivnìní susceptibility navíc bývá èasto pozorovatelné jen v tenkých vrstvièkách. Pøedností je, ¾e mù¾eme nashromá¾dit dostateèné mno¾ství zeminy i z velmi tenkých vrstev, a neexistuje ovlivnìní jinými vrstvami, jako pøi polním mìøení.</p>
69
70<h3>1.6 Pøíklad vyu¾ití rozdílné susceptibility</h3>
71<p>Ornice má vy¹¹í hodnotu magnetické susceptibility, podlo¾ní substrát má ni¾¹í. A oznaèuje oblast v profilu, kde byla namìøena vysoká susceptibilita. Jedná se o vrstvu ornice, která byla pøi zahazování pøíkopu první na øadì. Teprve nad ní zaèínají vrstvy B, které vznikly pøírodním zanesením. Oblast A, le¾ící pod vrstvami B, dokazuje, ¾e pøíkop byl èásteènì umìle zasypán.</p>
72
73<div>
74<img src="rozdil_suscep.png" alt="Rozdílná susceptibilita"><br>
75Obr. 1.4 - Pøíklad vyu¾ití rozdílné susceptibility
76</div>
77
78<h2 id="konstrukce">2. Princip a konstrukce</h2>
79
80<h3>2.1 Princip</h3>
81
82<p>Magnetometry jsou obecnì dìleny do dvou kategorií, které se silnì li¹í ve funkci a principu práce:</p>
83<ul>
84 <li>Vektorové magnetometry - mìøí hodnotu magnetické indukce ve zvoleném smìru v prostoru. Hodnota magnetické indukce je pak vektor se smìrem a velikostí. </li>
85 <li>Skalární magnetometry - mìøí pouze hodnotu indukce nezávisle na smìru.</li>
86</ul>
87
88<p>Protonový precesní magnetometr je skalárního typu, proto¾e mìøí pouze hodnotu indukce. Metoda mìøení je zalo¾ena na spinech protonù v magnetickém poli podle Larmorovi rovnosti:</p>
89
90<div>
91<img src="larmor_vztah.png" alt="Larmorova rovnost"><br>
92Obr. 2.1 - Larmorova rovnost
93</div>
94
95<p>Typicky, senzorová láhev obsahuje kapalnou látku s velkým mno¾stvím protonù (jako
96 petrolej), na kterou pùsobí velký stejnosmìrný proudu protékající navinutou cívkou kolem láhve. Proud vytváøí odpovídající indukované pole v smìru kolmém k zemskému magnetickému poli.</p>
97
98<div>
99<img src="princip.png" alt="Princip"><br>
100Obr. 2.2 - Princip
101</div>
102
103
104<p>Po zindukování protonù je proud vypnut a precese protonù s frekvencí je pak úmìrná magnetické indukci. Pro poèítání frekvence je pak pou¾it èítaè s vhodným algoritmem, který urèí magnetickou intenzitu s vysokou pøesností nedosa¾itelnou jinými systémy.</p>
105
106<p>Protonový precesní magnetometer pou¾ívá vodíkové atomy ke generování precesních signálù. Pou¾ívány jsou kapaliny jako petrolej, proto¾e nabízí vysokou hustotu vodíku a nejsou nebezpeèné pøi pou¾ívání.</p>
107
108<p>Polarizovaný stejnosmìrný proud prochází navinutým drátem okolo nadoby s kapalinou (voda, petrolej, nebo podobné). Protony v tomto poli jsou polarizovány do silnìj¹í magnetizaèní sítì odpovídající teplotní rovnováze silnìj¹í magnetické indukce. Kdy¾ je rychle vypnuta pomocná indukce, polarizované protony se natáèí zpìt do normální magnetické indukce a doèasnì vzniká jejich precese. Frekvence precese f0 pøímo závisí na magnetické indukci B podle následujícího vzorce:</p>
109fo= (gama p / 2pi) * B<br>
110gama p / 2pi = 42.5763751 MHz/T<br>
111
112<p>Délka precesní signálu se pohybuje od zlomku sekundy k 2 sekundám a lze jej mìøit speciálními èítaèi. Kvalita signálu mù¾e být také odvozena od amplitudy signálu a její zmìøené charakteristiky, která je zprùmìrována pøes dobu záznamu.</p>
113<p>Mìøení protonové precese je nutnì sekvenèní. To znamená, ¾e je nutná nejdøíve inicializaèní polarizace a pak následì mìøeni frekvence, po kterém je cyklus zopakován. V tomto je rozdíl oproti prùbì¾nému mìøení, kde polarizace jader a mìøení je provádìno soubì¾nì.
114</p>
115
116<h3>2.2 Konstrukce</h3>
117<p>Pøístroj se skládá s nádoby naplnìné tekutinou s vysokou koncentrací protonù ovinutou vodièem. Cyklus mìøení se skládá z èásti poèáteèního polarizování protonù a následného mìøení. Proto je potøeba do cívky nejdøíve pøivést polarizaèní proud a následnì pøepnout cívku k mìøícímu øetìzci. V tomto blokovém schématu jsou umístìny nad sebou dvì cívky, které jsou ve skuteènosti umístìny od sebe co nejdále. Tomuto zpùsobu mìøení se øíká diferenciální a vyluèuje ru¹ivé vlivy pùsobící na obì cívky stejnì jako interference s jinými pøístroji, èasové zmìny a magnetické bouøe zpùsobené sluneèní aktivitou. Pøi mìøení magnetického pole Zemì jsou senzory umístìny nad sebou. Senzory mohou být od sebe vzdáleny více pokud je pøístroj vìt¹í a není urèen pro pøená¹ení v terénu. V blokovém schématu je dále signál veden pøes FET tranzistor k zesilovaèi, vyfiltrován nastavitelným pásmovým filtrem a veden k reproduktoru. Reproduktor musí být umístìn tak, aby nezaná¹el elektromagnetické ru¹ení. Místo reproduktoru mù¾e být pou¾ít speciální èítaè, který vyhodnotí frekvenci a amplitudu signálu a zobrazí hodnotu na zobrazovací jednotce.</p>
118<div>
119<img src="block_diagram.gif" alt="Blokové schéma"><br>
120Obr. 2.3 - Blokové schéma zapojení
121</div>
122<br>
123<div>
124<img src="audio_vystup.png" alt="Ukázka audio výstupu"><br>
125Obr. 2.4 - Ukázkový audio výstup
126</div>
127<br>
128<p>Ukázkový audio výstup si mù¾ete poslechnout pøímo <a href="magsound.mp3">zde</a></p>
129<div>
130<img src="senzor.png" alt="Pøíklad sensoru"><br>
131Obr. 2.5 - Ukázka realizace senzoru
132</div>
133<br>
134
135<h2 id="ukazky">3. Ukázky pøístrojù</h2>
136
137<h3>3.1 AX2000 Protonový Magnetometr</h3>
138
139<p>Hlavní výhoda AX2000 je velký LCD grafický zobrazovaè a celá doteková klávesnice kde je celkem 20 tlaèítek, z toho 10 jsou èísla, 4 jsou ¹ipky a zbytek jsou funkèní klávesy, díky nim¾ je velice snadné ovládat pracovní re¾imy a jednotlivá nastavení. Je zde také zaèlenìno automatické nastavení, zvlá¹tì pro poèáteèní vstupní ladicí optimalizaci v místech kde je velká intenzita magnetického pole. Stupnice mohou být nastaveny buï lineární nebo logaritmické pro pøesnìj¹í mìøení. Výhodou je také ulo¾ení záznamu dat. Ve¹kerá elektronika je zabudovaná v plastovém obalu.</p>
140
141<div>
142<img src="ax2000.png" alt="AX2000"><br>
143Obr. 3.1 - AX2000 Protonový Magnetometr
144</div>
145
146<h4>3.1.1 Pou¾ití</h4>
147
148<ul>
149 <li>Prùzkum - archeologické nálezy, potopené vraky lodí a rùzných ¾elezných materiálù umo¾òuje prùzkum rozsáhlé oblasti moøského dna kdy je jen pøibli¾ná pozice vraku známá</li>
150 <li>Rybolov</li>
151 <li>Záchranné akce</li>
152</ul>
153
154<h4>3.1.2 Rysy</h4>
155
156<ul>
157 <li>Velký LCD displej</li>
158 <li>Doteková klávesnice</li>
159 <li>Záznam dat</li>
160 <li>Grafické ladìní</li>
161</ul>
162
163<h3> 3.2 Protonový Magnetometr MC5</h3>
164
165<p>Protonový Magnetometr MC5 byl vyvinut z pøede¹lého vysoce úspì¹ného modelu MC4. Nejvýznamnìj¹í rozdíl pøedstavuje mikroprocesor s je¹tì lep¹ím výkonem, díky kterému operuje s velmi vysokou citlivostí která je a¾ dvojnásobná. To mù¾e být velká výhoda napø. pro profesionální hledaèe vrakù lodí kdy právì díky vysoké citlivosti mohou zachytit malé ¾elezné objekty jako tøeba ¾elezné dìlo. Dále má øadu schopností poskytnout tiskové výsledky pøes digitální tiskárnu nebo grafového zapisovatele. Navíc má pøídavný software poskytující data v ASCII formátu pro snadnou komunikaci se sériovým portem PC.</p>
166
167<div>
168<img src="proton_mag.png" alt="MC5"><br>
169Obr. 3.2 - MC5 Protonový Magnetometr
170</div>
171
172<h4>3.2.1 Pou¾ití</h4>
173<ul>
174 <li>Prùzkum</li>
175 <li>Rybolov</li>
176 <li>Záchranné akce</li>
177</ul>
178
179<h4>3.2.2 Rysy</h4>
180<ul>
181 <li>Vysoká citlivost</li>
182 <li>Tisková zaøízení</li>
183 <li>Kompaktibilita s PC</li>
184</ul>
185
186<h3> 3.3 AQ1B Podvodní detektor kovù</h3>
187
188<p>V posledních deseti letech tento magnetometr pro zji¹»ování kovových pøedmìtù pod vodou zaznamenal mnoho úspìchù po celém svìtì díky dobrých urèujícím schopnostem. Je válcového tvaru s prùmìrem 38cm. Ni-cad bateriový modul umo¾ní 10 hodin práce.</p>
189
190<div>
191<img src="podvod_mag.png" alt="AQ1B"><br>
192Obr. 3.3 - AQ1B Podvodní detektor kovù
193</div>
194
195<h4>3.3.1 Pou¾ití</h4>
196<ul>
197 <li>Prùzkum</li>
198 <li>Policie/ozbrojené síly - poskytne hledání v¹ech typù kovových zbraní atd. Efektivnì v ¹irokém okruhu, zvlá¹tì ve ¹patné dohlednosti, kde by se tyto polo¾ky skrývaly.</li>
199 <li>Záchranné akce</li>
200 <li>Archeologie</li>
201</ul>
202
203<h4>3.3.2 Rysy</h4>
204<ul>
205 <li>Dobrá urèující schopnost</li>
206 <li>A¾ do hloubky 100m</li>
207 <li>Baterie</li>
208 <li>8-10 hodin práce</li>
209</ul>
210
211<h3> 3.4 Zemní protonový Magnetometr CZM-2</h3>
212
213<p>Tento magnetometr, vyrábìný na základì principu vyu¾ívající vodíkového protonu magnetického momentu, který sleduje hodnoty celkové magnetické síly zemì. Jedno z hlavních vyu¾ití je rozsáhlý prùzkum a sledování ¾elezné rudy. Také se mù¾e vyu¾ít na geomagnetické stanici pro pozorování a pøedpovìdí zemìtøesení, mobilního magnetického prùzkumu a odhalení malých feromagnetických objektù zvlá¹tì v slabì magnetických oblastech.</p>
214
215<div>
216<img src="zemni_mag.png" alt="CZM-2"><br>
217Obr. 3.4 - Zemní protonový Magnetometr CZM-2
218</div>
219
220<h4>3.4.1 Rysy</h4>
221<ul>
222 <li>Malá hlasitost</li>
223 <li>Lehká váha</li>
224 <li>Vysoká preciznost</li>
225 <li>©iroký rozsah mìøení</li>
226 <li>Dobrá anti-poruchová schopnost</li>
227</ul>
228
229<h2 id="literatura">4. Literatura</h2>
230<p>
231[1] <a href="http://www.gemsys.ca/Technology/Papers/GEM_Brief_Review_of_Quantum_Magnetometers.pdf">GEM Systems - Brief Review of Quantum Magnetometers</a><br>
232[2] <a href="http://www.gemsys.ca/PDFDocs/Proton%20Precession%20Magnetometer.pdf">GEM Systems - Proton Precession Magnetometers</a><br>
233[3] <a href="http://www.portup.com/~dfount/proton.htm">Dan's Homegrown Proton Precession Magnetometer Page</a><br>
234[4] <a href="http://members.aol.com/alka1/ProMag.html">BUILD A PROTON PRECESSION MAGNETOMETER</a><br>
235[5] <a href="http://www.farasia.com.cn/">http://www.farasia.com.cn/</a><br>
236[6] Ha¹ek, V. - Mìøínský, Z. 1991: Geofyzikální metody v archeologii na Moravì, Brno<br>
237[7] Karous, M - Gürtler, R - Nikl, P. 1988: Pøesná detailní mìøení cesiovým magnetometrem pro detekci skrytých archeologických a jiných objektù. In: Kouøil, P - Nekuda, R. - Unger, J.: Ve slu¾bách archeologie, Brno<br>
238[8] Fröhlich, J. - Majer, A. - Venclová, N. 1998: Archeologická prospekce a prùzkum mìøením magnetické susceptibility zemin. In: Kouøil, P - Nekuda, R. - Unger, J.: Ve slu¾bách archeologie, Brno<br>
239[9] <a href="http://nemecka-archeologie.wz.cz/studenti/geofyzika.doc">Pøehled geofyzikálních metod vèetnì hlavních oblastí jejich vyu¾ití</a>
240</p>
241
242<p>Jako projekt do pøedmìtu Ekologie v elektrotechnice vypracovali studenti fakulty Elektrotechniky a komunikaèních technologií VUT Brno Jiøí Hajda, Petr Fiala a Martin Horvát. Sestaveno dne 3.11.2004.</p>
243</body>
244</html>
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.