Спосіб калібрування багатоканального сквід-магнітометра

Реферат: Винахід належить до вимірювальної техніки, а саме - надчутливої СКВІД-магнітометрії. Спосіб калібрування багатоканального СКВІД-магнітометра включає не менш ніж один сигнальний канал, який здійснює вимірювальне перетворення магнітного поля на вході каналу в кодовий сигнал напруги на виході каналу. Згідно зі способом калібрувальну котушку розміщують у площині приймальних витків вхідних антен та симетрично відносно них так, щоб калібровані значення поля на вході всіх каналів були рівні. Потім обчислюють коефіцієнт послаблення каліброваного значення поля на вході вимірювальної компоненти каналу CN як відношення значення поля у центрі приймального витка антени BKN до його величини у центрі котушки ВK. Калібрування виконують не менш ніж при 3-х каліброваних значеннях поля - на границях та посередині діапазону вимірювань, обчислюють функцію перетворення та постійне зміщення кожного каналу. Обчислені калібрувальні коефіцієнти застосовують надалі для перерахунку UA 99783 C2 (12) UA 99783 C2 кодового сигналу напруги у магнітне поле, при цьому перекалібрування/повірку виконують аналогічно калібруванню. UA 99783 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі вимірювальної техніки, призначеної для реєстрації власних чи наведених (індукованих) низькочастотних надслабких магнітних полів технічного і біологічного походження. Вона може бути застосована для випробувань, метрологічної атестації, повірки або калібрування (градуювання) магнітометрів з первинним перетворювачем, виконаним у вигляді надпровідникового квантового інтерференційного детектора (СКВІДа). Відомо, що дуже слабкі магнітні поля (одиниці - десятки піко-Тесла), реєструють магнітометрами на основі СКВІД-сенсорів магнітного поля [див., наприклад, UA 75434]. З огляду на сильні магнітні завади, реалізація таких надчутливих вимірювань становить значну технічну проблему. СКВІД-магнітометри повинні мати високі технічні параметри (велику чутливість до магнітного поля, достатній динамічний діапазон, завадозахищеність та стабільність характеристик), в той же час вони працюють у важких умовах - наднизькі температури (рідкий гелій - 4,2 K) та сильні (в тисячі та мільйони разів більші за корисний сигнал) магнітні завади. Основними галузями застосування СКВІД-магнітометрів є безконтактна діагностика і неруйнівний контроль у галузі фізико-технічних вимірювань та неінвазивна біомагнітна діагностика (магнітокардіографія, магнітоенцефалографія) чи візуалізації магнітних речовин і зразків всередині біологічних об'єктів (сасептометрія, магнітні маркери, візуалізація суперпарамагнітних суспензій, магнітних наночастинок, носіїв ліків та ін.). Згідно з методикою виконання вимірювань, як правило, реєструють карти розподілу магнітного поля в багатьох просторових точках. Тривалість вимірювань в одній точці складає 30 сек.-1 хв для накопичення достатньої кількості відліків, потрібної для подальшого усереднення сигналу з метою підвищення відношення сигнал/шум. При цьому тривалість запису однієї карти становить 30 хв - 1 год., що, наприклад, досить обтяжливо для пацієнтів при застосуванні у медицині [див, UA 77722, UA 77723]. Зменшення цього часу можливе при одночасній реєстрації поля в декількох просторових точках. Для цього потрібен вимірювач з багатьма сигнальними каналами (СК). З іншого боку, при роботі СКВІД-магнітометра в приймальну антену поряд із корисним сигналом від вимірюваного об'єкта (інформативна компонента поля) потрапляють зовнішні магнітні завади (неінформативна компонента поля). Для зменшення завад використовують магнітоекрановані кімнати чи камери (МЕК). Сучасні багатоканальні СКВІД-магнітометри, як правило, потребують МЕК, які досить вартісні (близько 500 тис. дол. США). Тому для здешевлення потрібно застосовувати прилади, які не потребують МЕК. У цьому випадку з метою реєстрації та виділення з вхідного сигналу інформативної компоненти, усунення неінформативної компоненти використовують ряд прийомів в сенсорі магнітного поля (надпровідний екран, трансформатор та концентратор магнітного потоку), приймальній антені (просторова селекція за рахунок орієнтації та типу антени, її виконання у вигляді системи витків, які утворюють просторовий градієнтометр, його механічне балансування), електронному блоці та програмній обробці (фільтрація, накопичення, усереднення, згладжування). Однією з сучасних тенденцій є розробка малоканальних приладів, з числом каналів не більше 36, оснащених РВМ. Вони перспективні для впровадження у практику, бо можуть працювати без МЕК та дають достатню якість сигналу. Відомі такі системи: 4 канали - SQUID AG (ФРН, www.squid.de), Ін-т кібернетики НАНУ, Київська медична група (Київ, www.mcqukraine.com), 9 кан. - КРІОТОН (Росія, www.cryoton.ru), 36 каналів - Cardiomag Imaging (США, www.cardiomaq.com). У цьому зв'язку відомо ряд патентів щодо СКВІД-систем, наприклад, WО 200106907, US 5,027,069, US 5,093,618, US 5,243,281, RU 2246119, RU 1405508, UA 75434, UA 90153. Проте, у них не розглядають метрологічне забезпечення, у тому числі способи калібрування. В той же час, важливим питанням вимірювальної техніки є встановлення точної відповідності між вимірюваним магнітним полем та вихідним сигналом магнітометра. Зазначені параметри повинні бути визначені під час виконання процедури калібрування пристрою з урахуванням його функції перетворення та похибки вимірювань. З галузі техніки відомо багато патентів, присвячених способам калібрування та пристроям для їх реалізації, у тому числі які розглядають калібрування СКВІД-магнітометрів: 1. US 4,983,912, G01R35/00, Method for calibrating SQUID gradio-meters of an arbitrary order, G. Roehrlein, H. Seifert, Siemens AG, 1991. 2. US 6,084,399, G01R33/12, G01R33/035, G01N27/72, G01N27/74, Method and apparatus for determining concentration of magnetic substances in a non-magnetic substance using a SQUID, T. Nagaishi, H. Itozaki, Sumitomo Electric Industries, 2000. 3. US 6,650,107, G01R 35/00, G01R 33/035, Calibrating SQUID Channels, Alexander Bakharev, Cardiomag Imaging Inc., 25.02.2003. 1 UA 99783 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 4. WO/2007/143831, A61B 5/107, A61B 3/13, Method of calibrating a biometric device, T. Simpson, A.Moezzi, 2007. 5. WO/2008/002192, G01D18/00, G01J3/28, G01N21/25, G12B13/00, К. Жаринов, П. Пузанов, Способ создания многомерных градуировочных моделей, 2008 (регіональний аналог ЕА 012950, 2010). У винаході US 4,983,912 запропоновано конфігурацію калібрувальних котушок, яка відповідає порядку градієнтометра. Так, для градієнтометра 1-го (2-го) порядку застосована система 2-х (3-х) котушок, які генерують в кожному витку градієнтометра однакове магнітне поле, напрям якого відповідає напряму намотування цих витків. В результаті загальне поле на вході градієнтометра буде додаватись і рівне 2 (6) В0, де В0 - величина поля в одному витку градієнтометра. Величину В0 обчислюють, а калібрувальний коефіцієнт С обраховують діленням В0 на вихідний сигнал СКВІД-магнітометра V:С = ВО/V. Перевага даного способу полягає у відсутності впливу ступеня балансу градієнтометра на величину калібрувального коефіцієнта, а недолік - у тому, що поле В0 обчислюють, а не вимірюють. Крім того, згідно з реалізацією калібрувальні котушки виконують достатньо великими зовні гелієвого кріостату, що створює незручності при перекалібруванні магнітометра в місці експлуатації. У способі US 6,084,399 будують калібрувальну залежність між вихідним сигналом СКВІДмагнітометра та концентрацією заліза за допомогою набору стандартних зразків з відомими концентраціями. В результаті отримано лінійну залежність без постійної складової, що еквівалентно одному калібрувальному коефіцієнту. Проте, для отримання такої лінійної залежності була застосована диференційна схема на основі 2-х каналів та магнітне екранування від зовнішніх перешкод. Тому результати US 6,084,399 не можуть бути застосовані для неекранованих вимірювань та до систем, у яких не застосовують диференційну схему включення каналів. В іншому патенті US 6,650,107, взятому за прототип, запропоновано спосіб, згідно з яким для кожного СКВІД-каналу процедура первинного (заводського) калібрування (factory setting) включає 2 етапи: 1) калібрування кожного каналу за допомогою окремої калібрувальної котушки, розміщеної під приймальною антеною даного каналу, діаметр котушки рівний діаметру витків антени, 2) калібрування всіх каналів разом за допомогою одної калібрувальної котушки, розміщеної на зовнішній поверхні кріостата. 3) перекалібрування відбувається аналогічно етапу 2. Під час первинного калібрування обчислюють калібрувальний коефіцієнт С кожного каналу. Для цього вибирають референтний канал, у якому сигнал максимальний CN=VN/VREF. (1) Надалі проводять перекалібрування (re-calibration) каналів для коригування коефіцієнтів згідно з виразами CN' = (UN'/UN)*CN, (2) де SinputN - вхідний магнітний сигнал в приймальній антені каналу, VN (UN) - вихідний сигнал СКВІД-каналу, отриманий на 1-му (2-му) етапі калібрування, IV - вихідний сигнал СКВІД-каналу, отриманий в результаті перекалібрування, CN (CN') - калібрувальний коефіцієнт каналу в результаті калібрування (перекалібрування), N - номер каналу. Між черговими перекалібруваннями вихідний сигнал каналу обчислюється згідно з виразом UN=UN'*(CN/CN'). (3) Перевагами способу-прототипу US 6,650,107 є: 1) спрощення 2-го етапу заводського калібрування та перекалібрування за рахунок застосування єдиної калібрувальної котушки; 2) підвищення точності перекалібрування за рахунок однакового положення котушки та однакового струму в котушці зумовленого одночасним вимірювання всіх каналів; 3) можливістю автоматизації процесу перекалібрування на основі запам'ятовування і обчислення коефіцієнтів, реалізованої з використанням комп'ютерних програм; Проте, такий спосіб не узгоджується з методиками проведення калібрування, прийнятими в метрології, і має такі недоліки; 1) заводське калібрування складне, бо складається з двох етапів; 2) процедура перекалібрування каналів по суті є повіркою приладу, що проводиться періодично з певним міжповірочним інтервалом (як правило, 1 рік) і повинна повністю відповідати способу заводського калібрування, яка по суті є метрологічною атестацією і входить до державних приймальних випробувань магнітометра як засобу вимірювальної техніки. Це 2 UA 99783 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 означає, що повинна застосовуватися лише котушка, змонтована на поверхні кріостату, іншими словами, 1-й етап повинен бути виключений; 3) неправильним є розташування застосованої на 2-му етапі котушки в площині середніх витків антени, тому що при цьому вхідний калібрований сигнал практично повністю компенсується антеною у вигляді аксіального градієнтометра 2-го порядку, отже калібрувальні коефіцієнти будуть дуже малі і сильно залежати від ступеня балансу кожної антени; 4) неправильним є розташування застосованих на 1-му етапі котушок нижче площини нижнього витка антени, тому що при цьому магнітне поле в антені (приблизно рівне полю в центрі нижнього витка для антени типу градієнтометра 2-го порядку) не дорівнює каліброваному значенню поля в центрі калібрувальної котушки. Котушку необхідно розташовувати в ідеальному випадку так, щоб її вісь (центр) співпадала з віссю (центром) нижнього витка, у крайньому разі - в площині нижнього витка антени; 5) для багатоканального приладу за умови одночасного калібрування всіх СК неможливо реалізувати ідеальний випадок, коли всі антени знаходяться в центрі калібрувальної котушки. Тому її необхідно розташовувати симетрично по відношенню до антен каналів - тобто так, щоб вони знаходилися на однаковій відстані від її центру. У прототипі застосовано 9 СК, антени яких знаходяться у площині у вузлах квадратної сітки 3 × 3, при цьому лише антена каналу в центрі сітки знаходиться в центрі котушки. Інші 8 каналів діляться на 2 групи по 4, антени яких знаходяться, відповідно, в центрі сторін та у вершинах квадрата; 6) у разі, коли всі чи частина антен знаходяться поза центром калібрувальної котушки, потрібно врахувати зменшення поля в антені порівняно з його значенням у центрі калібрувальної котушки. Такі додаткові коефіцієнти з достатньою точністю можна отримати розрахунковим методом. У прототипі це потрібно зробити для 8-ми каналів, крім центрального, але згідно з способом-прототипом це не передбачено, що також є суттєвим недоліком; 7) отримані емпіричні калібрувальні коефіцієнти каналів є відносними, а тому не можуть строго вважатися калібрувальними; 8) етап 1 вимагає вибору так званого референтного каналу, для якого калібрувальний коефіцієнт рівний одиниці, але згідно з реалізацією прототипу існує невизначеність у виборі такого каналу, що може призвести до неоднозначності результатів калібрування; Отже, прототип має ряд суттєвих недоліків, частина з яких вже врахована у сучасному рівні техніки. У цьому зв'язку відомо способи калібрування (градуювання) вимірювачів, де отримують калібрувальну залежність у лінійному вигляді. Так, в WO/2007/143831 вимірюють біологічні зразки з відомими розмірами, обчислюють калібрувальні коефіцієнти А і В та будують калібрувальну залежність у вигляді Calibrated СТ = 1,4079+0,9945 * measured СТ, (4) де Calibrated (measured) CT - каліброване (виміряне) значення вимірюваної величини СТ (center tickness), при цьому А=1,4079 і В=0,9445. Рівняння (4) використовують для перерахунку (коригування) зареєстрованих величин з урахуванням функції перетворення вимірювача. В останньому відомому з рівня техніки способі згідно з WO/2008/ 002192 чи ЕА 012950 (2010) запропоновано загальний підхід до градуювання у найбільш складному багатовимірному випадку, коли на вихідний сигнал вимірювача впливає багато факторів, які підлягають урахуванню. Авторами показано, що у загальному випадку калібрувальні залежності описують лінійними моделями за допомогою багатопараметричного регресійного аналізу у вигляді S M R (I, J) = А'(І) + А" (I) x R (l, J), (5) M s де R (R ) - значення спектральних даних, поміряні приладом до (після) внесення в його конструкцію змін, І - номер довжини хвилі, J - номер каліброваного зразка з набору для розрахунку коефіцієнтів лінійної регресії А' та А". Даний спосіб дозволяє врахувати будь-які інші зміни властивостей, які впливають на результати вимірювань приладу - як зміни, спричинені його старінням та деградацією чи впливом зовнішніх фізичних чинників (температура, тиск, перешкоди), так і врахуванням розкиду характеристик між різними приладами при їх виготовленні. Подібні зміни та відмінності здатні привести до значного зниження точності вимірювань на основі початкового градуювання вимірювача, якщо вони не будуть враховані при наступних градуюваннях. Отже, недоліком відомого рівня техніки є відсутність способу калібрування СКВІДмагнітометра послідовність та спосіб виконання яких відповідали методикам калібрування, прийнятим в інших галузях вимірювань. Новизна пропонованого винаходу порівняно з прототипом полягає у тому, що спосіб калібрування передбачає: 3 UA 99783 C2 5 10 15 20 25 30 1) застосування тієї ж самої калібрувальної котушки як для метрологічної атестації чи калібрування, так і для перекалібрування чи повірки, що забезпечує єдність виконання вимірювань; 2) розташування калібрувальної котушки в площині вхідних витків антен всіх СК, що забезпечує близькість коефіцієнтів перетворення каліброваного значення магнітної індукції та інформативної компоненти магнітного сигналу від вимірюваного об'єкта; 3) розміщення калібрувальної котушки симетрично відносно антен СК, що забезпечує рівність величин каліброваного магнітного поля в їх вхідних витках; 4) застосування додаткових коефіцієнтів, які враховують зменшення поля в антенах СК порівняно з каліброваним значенням в центрі котушки, при вимірюванні коефіцієнта перетворення ВК СК, антени яких знаходяться поза центром калібрувальної котушки; 5) застосування способу виконання та послідовності дій для повірки чи перекалібрування аналогічної такій для калібрування; 6) виконання калібрування не при одному каліброваному значенні поля, а не менш ніж при 3-х - на границях та посередині діапазону вимірювань, і на цій основі; 7) обчислення не одного метрологічного параметра, а двох, які описують нахил та зсув лінійної калібрувальної залежності; 8) непотрібність вибору референтного каналу; В основу винаходу поставлено задачу підвищення точності вимірювань надслабких величин магнітного поля за допомогою СКВІД-магнітометра, який функціонує в умовах високого рівня промислових магнітних завад без засобів магнітного екранування. Поставлена задача вирішується шляхом застосування нових складових частин, нових конструктивних рішень та прийомів, вдосконалених способів виконання дій щодо калібрування СКВІД-магнітометра і включає наступне: 1) калібрувальну котушку розташовують у площині приймальних витків вхідних антен так, щоб ФП калібрувального значення магнітного поля була приблизно рівна ФП корисного значення; 2) калібрувальну котушку розміщують симетрично відносно вхідних антен так, щоб калібрувальні значення магнітного поля на вході всіх каналів були рівними; 3) обчислюють коефіцієнт послаблення калібрувального значення магнітного поля на вході ВК каналу CN як відношення цього значення у центрі приймального витка вхідної антени СК BKN до його величини у центрі котушки ВK згідно з виразом CN  35 40   BKN 1 RK R 2  L2  E(k ) K(k )  K 2 BK  (RK  L )  (RK  L )  , (6)   де N - номер СК, ВK - калібрувальне значення індукції магнітного поля в центрі калібрувальної котушки, L - відстань між центром приймального витка антени та центром калібрувальної котушки радіусом RK; K (Е) - повний еліптичний інтеграл 1-го (2-го) роду, 2 2 k =4LRK/(RK+L) - квадрат аргументу еліптичних інтегралів; 4) для одержання калібрувальної залежності виконують калібрування не менш ніж при 3-х каліброваних значеннях магнітної індукції - на границях та посередині діапазону вимірювань; 5) для кожного СК методом лінійної регресії обчислюють ФП GN та адитивну похибку перетворення (постійне зміщення) S0N ВК N-гo каналу згідно з виразом SKN  GN * CN * BK  S0N , (7) 45 50 55 де CN - коефіцієнт послаблення калібрувального значення магнітного поля на вході СК порівняно з його величиною у центрі калібрувальної котушки, SKN - калібрувальне значення амплітуди кодового сигналу на виході ВК N-гo СК, пропорційне усередненій амплітуді каліброваних імпульсів струму в калібрувальній котушці; 6) у разі, якщо ФП GN ВК будь-якого(их) із СК від'ємна, кодовий сигнал на виході ВК цього(их) каналу(ів) SKN інвертують, тобто множать на -1; 7) перекалібрування чи повірку магнітометра виконують аналогічно способу калібрування; 8) отримані в п. 5 калібрувальні коефіцієнти - ФП GN і постійне зміщення S0N застосовують для перерахунку кодового сигналу у відліках АЦП у магнітне поле. Технічний результат полягає у: 1) спрощенні та зменшенні часу виконання дій при калібруванні за рахунок застосування лише однієї калібрувальної котушки; 2) врахуванні послаблення калібрувального значення магнітного поля на вході каналів порівняно з таким у центрі калібрувальної котушки, що дозволяє правильно визначити ФП каналів; 4 UA 99783 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 3) врахуванні постійного зміщення, яке хоч і відносно мале, але завжди відмінне від нуля з огляду на те, що СКВІД-магнітометр не є абсолютним вимірювачем магнітного поля; 4) виконанні калібрування для декількох (більше ніж три) каліброваних значеннях поля, що дає змогу отримати з достатньою точністю обчислити метрологічні параметри; 5) врахуванні напряму намотки антени, способу підключення антени до сенсора магнітного поля та інших прийомів і ноу-хау при виготовленні магнітометра за рахунок стандартизації ВК каналів шляхом інвертування (множення на -1) їх ФП у разі, якщо вона від'ємна; 6) спрощенні способів перекалібрування та/чи повірки магнітометра за рахунок їх виконання аналогічно способу калібрування; 7) усуненні невизначеності в алгоритмі калібрування за рахунок відмови від вибору референтного каналу. Короткий опис ілюстрацій: Фіг. 1 - Розташування приймальних витків вхідних антен сигнальних каналів відносно калібрувальної котушки. Фіг. 2 - Калібрувальні залежності каналів магнітометра: 1-4 - номер каналу. Таблиця 1 - Значення калібрувальних коефіцієнтів (функцій перетворення та постійних зміщень) для сигнальних каналів двох типів. Таблиця 2 - Значення похибок вимірювань каналів. Основна реалізація пропонованого способу передбачає застосування багатоканального СКВІД-магнітометра, який включає 4 сигнальних канали (СК), магнітопрозорий склопластиковий кріостат для рідкого гелію, загальний електронний блок управління та обробки. Кожен СК включає вимірювальну (ВК) та обчислювальну компоненту (ОК), яка реалізована у складі програмного забезпечення і в даному способі не розкрита. ВК включає вимірювальний зонд, АЦП та електронний блок, виконаний як окремий модуль загального блока управління та обробки. Вимірювальний зонд включає каркас, в нижній частині якого монтують надпровідні частини - СКВІД-сенсор та вхідну антену у вигляді градієнтометра 2-го порядку, які занурюють у кріостат, наповнений рідким гелієм. СКВІД-сенсор перетворює в напругу магнітне поле, введене в нього з вхідної антени через трансформатор магнітного потоку. Зазначену напругу в аналоговій формі через електронний блок подають на вхід АЦП, з виходу якого (це також і вихід ВК) вже у цифровій формі вводять у комп'ютер, де накопичують і обробляють. Конструкція і принцип дії багатоканального СКВІДмагнітометра відомі з рівня техніки і детально описані в патентах UA 75434, UA 16882, UA 19997, UA 90153. Конкретна реалізація пропонованого у винаході способу калібрування включає 4 етапи і передбачає: Етап 1. Розміщення калібрувальної котушки в площині приймальних витків вхідних антен. Калібрувальну котушку встановлюють зовні кріостата та симетрично відносно зазначених антен. Вхідні антени 4-х каналів 1 знаходяться у вершинах квадрата зі стороною 4 см, при цьому центр калібрувальної котушки 2 співпадає з центром квадрата 3. Взаємне розташування приймальних витків вхідних антен каналів відносно калібрувальної котушки наведено на Фіг. 1. В основній реалізації застосовано 4 канали двох типів - магніто-кардіографічні (МКГ) 1 і 4 та сасептометричні 2 і 3. В МКГ (сасептометричних) каналах застосовано СКВІД-сенсор імпульснорелаксаційного (постійного струму) типу з гістерезисною (безгістерезисною) ВАХ. Антена МКГ (сасептометричного) каналу має каркас з графіту (текстоліту) 20 мм (8 мм), на якому в радіальних канавках ніобієвим проводом 50 мкм намотано витки по схемі 1-2-1 (2-4-2) з базою 60 мм (35 мм). Етап 2. Обчислення коефіцієнта послаблення Cn каліброваного значення поля на вході ВК каналу. З Фіг. 1 видно, що центри приймальних витків розташовані на колі радіусом L, отже на однаковій відстані від центру калібрувальної котушки радіусом Rк. Це забезпечує, що калібрувальні значення амплітуди магнітного поля Вт на вході кожного каналу рівні і в системі СІ мають вигляд [див. Л. Ландау, Е. Лифшиц, Электродинамика сплошных сред, М.: Наука, 1982, с. 164] BKN  55   0 IK R 2  L2 E(k ) K(k )  K 2 2 (RK  L )  (RK  L )  , (6)   де Ік - амплітуда каліброваного струму в котушці, 0 - магнітна постійна. У центрі котушки, тобто при L=0, калібрувальне поле ВK рівне ВK = 0 *IK /2*RK, (9) 5 UA 99783 C2 В основній реалізації L=2(2) 2,83 см та RK=15 см, отже L/RK=0,1887 см і еліптичні 2 2 4 2 4 інтеграли можна розкласти в ряд k =4L/RK, Е=(/2)[1-k /4-3k /64], K=(/2)[1+k /4+9k /64], тоді з виразу (6) для CN отримаємо розрахункову формулу 2 CN=RK/(RK+L) *[1+L/RK - (3/4)*(L/RK) ], (10) з якої отримаємо величину CN=0,974. Етап 3. Вимірювання калібрувальних значень магнітного поля одночасно і синхронно всіма сигнальними каналами. Генератор каліброваних імпульсів живить калібрувальну котушку послідовністю імпульсів струму каліброваної амплітуди типу меандр частотою 1 Гц (конструкція та характеристики стенду тут не розкрита). Канали здійснюють вимірювальне перетворення повного значення магнітного поля на вході каналу, тобто у центрі приймального витка вхідної антени, в кодовий сигнал на виході ВК каналів, тобто у значення електричної напруги у відліках АЦП. Масиви виміряних кодових сигналів у вигляді відліків АЦП реєструють протягом 1+2-х хвилин, вихідний сигнал усереднюють за допомогою комп'ютерної обробки, надалі як інформативний сигнал використовують амплітуду усередненого імпульсу. Етап 3. Побудова калібрувальних залежностей. Калібрування виконують не менш ніж при 3х каліброваних значеннях поля - на границях та посередині діапазону вимірювань. В основній реалізації застосовано 5 значень поля - 53,95 пТл, 107,89 пТл, 215,78 пТл, 323,67 пТл, 431,57 пТл, в кожному з яких виконують по 30 вимірювань. Результуючі калібрувальні залежності, подані на Фіг.2, отримують методом лінійної регресії. В основній реалізації застосовано СКВІДсенсори імпульсно-релаксаційного типу (канали 1, 4) та постійного струму (канали 3, 2). З Фіг. 3 наочно видно, що канали 1/4 більш чутливі до вхідного магнітного поля, в той час, як канали 3/2 мають більш близькі ФП. Етап 4. Обчислення ФП та постійних зміщень каналів. В результаті апроксимації кожної калібрувальної залежності методом лінійної регресії отримують два показника - похідну (нахил) лінії та постійне зміщення, які при калібруванні мають смисл, відповідно, функції перетворення (ФП) GN та адитивної похибки перетворення S0N для ВК кожного каналу, які визначають згідно з виразом (7). Значення калібрувальних коефіцієнтів (ФП та зміщень) для каналів, наведених в основній реалізації, зведені в Таблиці 1, звідки видно, що середня ФП каналів 1 і 4 становить 7,55 відліків/пТл, а каналів 2 і 3-5,19 відліків /пТл, отже перші в 1,454 разу більш чутливі до поля. Для обчислення точності вимірювань кожним каналом було обраховано відносні похибки результатів спостережень в 5-ти точках діапазону вимірювань. Граничні похибки вимірювань по кожному каналу визначено як максимальну похибку серед п'яти точок з діапазону вимірювань. Ці дані наведено в Табл. 2, звідки видно, що середня точність каналів 1 і 4 становить 2,1 %, а каналів 2 і 3-3,4 %, тобто точність останніх у 1,62 разу гірша. Отже канали 1 і 4 мають перевагу тому, що мають приблизно в півтора рази вищі чутливість та точність. Використання заявленого способу забезпечує: правильне визначення ФП каналів (на основі врахування послаблення калібрувального значення магнітного поля в центрі приймальних витків антен порівняно з таким у центрі калібрувальної котушки), врахування постійного зміщення, достатню точність обчислення метрологічних параметрів, усунення невизначеності в алгоритмі калібрування за рахунок відмови від вибору референтного каналу. В іншій реалізації у разі, якщо функція перетворення GN довільного каналу від'ємна, кодовий сигнал на його виході SKN інвертують, тобто множать на -1. Це дозволяє врахувати напрям намотки антени, спосіб її підключення до сенсору магнітного поля чи інші технологічні прийоми та ноу-хау в конструкції антени чи СКВІД-каналу за рахунок стандартизації його ФП. В додатковій реалізації спосіб дій щодо перекалібрування та/чи повірки магнітометра виконують аналогічно способу калібрування, наведеного в основній реалізації. Це забезпечує спрощення виконання метрологічних процедур завдяки їх уніфікації. У ще іншій реалізації значення калібрувальних коефіцієнтів GN та S0N, отримані в основній реалізації, додатково використовують для подальшого перерахунку кодового сигналу напруги у магнітне поле. Конкретна реалізація способу у винаході детально описана лише з метою ілюстрації. Зрозуміло, що на практиці люди, досвідчені в СКВІД-магнітометрії та метрології можуть внести деякі зміни і модифікації у спосіб виконання дій згідно пропонованого способу. Проте, ми вважаємо, що зазначені зміни і модифікації у разі, якщо вони зроблені без суттєвих відхилень від даного винаходу, підпадають під його дію. 1/2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 6 UA 99783 C2 Таблиця 1 № каналу 1 2 3 4 53,95 416,80 287,03 273,30 391,40 107,89 829,90 582,67 547,07 780,60 Поле, пТл 215,78 323,67 1661,23 2480,83 1146,87 1720,77 1073,97 1610,77 1542,30 2312,73 S0N 431,57 3289,53 2282,33 2090,90 3065,70 CN * G N GN 10,34 7,89 24,14 13,54 7,62 5,28 4,83 7,08 7,82 5,42 4,96 7,27 Коеф. регресії 0,9990 0,9993 0,9989 0,9997 Таблиця 2 Номер каналу 1 2 3 4 53,95 1,77 3,16 3,65 2,41 Амплітуда калібрувального поля пТл 107,89 215,78 323,68 0,88 0,40 0,57 1,81 0,79 0,62 2,13 0,79 0,68 1,47 0,44 0,53 431,57 1,06 0,58 0,61 0,23 Гранична похибка, % 1,77 3,16 3,65 2,41 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 1. Спосіб калібрування багатоканального СКВІД-магнітометра, який включає кріостат, загальний електронний блок, не менш ніж один сигнальний канал, який включає щонайменше вимірювальну компоненту (ВК) у складі вимірювального зонда, електронного блока і аналогоцифрового перетворювача (АЦП), вимірювальний зонд включає щонайменше надпровідні СКВІД-сенсори та вхідні антени магнітного поля - градієнтометри, що включають приймальні і компенсаційні витки, ВК здійснює вимірювальне перетворення магнітного поля на вході каналу, тобто у центрі приймального витка вхідної антени, в кодовий сигнал на виході каналу, тобто у значення електричної напруги у відліках АЦП, калібрувальну котушку розміщують зовні кріостата для одночасного калібрування всіх каналів, зазначені кодові сигнали усереднюють у часі та обчислюють калібрувальні коефіцієнти каналів, який відрізняється тим, що калібрувальну котушку розміщують у площині приймальних витків вхідних антен та симетрично відносно витків так, щоб калібровані значення поля на вході всіх каналів були рівні, обчислюють коефіцієнт послаблення каліброваного значення поля на вході ВК каналу CN як відношення значення поля у центрі приймального витка антени BKN до його величини у центрі котушки ВK згідно з виразом CN   BKN 1 RK  R2  L2  E(k ) , (1) K(k )  K 2 BK  (RK  L )  (RK  L )    де N - номер каналу, BK - калібрувальне значення магнітного поля в центрі калібрувальної котушки радіусом RK , L - відстань між центрами приймального витка та калібрувальної 25 30 котушки, K та E - повний еліптичний інтеграл 1-го та 2-го роду, k 2  4LRK /(RK  L)2 - квадрат аргументу еліптичних інтегралів, калібрування виконують не менш ніж при 3-х каліброваних значеннях поля - на границях та посередині діапазону вимірювань, обчислюють функцію перетворення GN та похибку перетворення, тобто постійне зміщення S0N для ВК кожного каналу згідно з виразом SKN  GN * CN * BK  S0N , (2) де C N - коефіцієнт послаблення згідно з (1), S KN - каліброване значення амплітуди кодового сигналу на виході ВК, пропорційне усередненій амплітуді каліброваних імпульсів струму в калібрувальній котушці. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що у випадку, коли функція перетворення GN 35 довільного каналу від'ємна, кодовий сигнал на його виході SKN інвертують, тобто множать на -1. 3. Спосіб за одним із пп. 1, 2, який відрізняється тим, що обчислені значення калібрувальних коефіцієнтів GN та S0N застосовують надалі для перерахунку кодового сигналу напруги у магнітне поле. 7 UA 99783 C2 4. Спосіб за одним із пп. 1-3, який відрізняється тим, що перекалібрування чи повірку магнітометра виконують аналогічно калібруванню. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8