УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ В ГЕОЛОГОРАЗВЕДКЕ Российский патент 1997 года по МПК G01V3/06 

Изобретение относится к области электрофизических измерений, в частности к устройствам для измерения временных вариаций удельного электрического сопротивления или обратной величины удельной электрической проводимости, и может быть использовано в инженерно-физических и геофизических исследованиях, в том числе в электроразведке при прогнозировании землетрясений.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для компенсационных измерений в геологоразведке [1] включающее генератор переменного тока, подключенный через компенсационную цепь к излучающим элементам, выполненным в виде электродов, измерительный блок, соединенный с компенсационной цепью и приемными элементами, линию обратной связи, две пары источников компенсационного напряжения, вход одной из них соединен с генератором переменного тока и с излучающими элементами, входы другой пары подключены параллельно к выходам первой пары, а выходы всех источников и вход измерительного блока соединены последовательно и подключены к приемным электродам. Однако применение контактного способа измерения в этом устройстве не исключает полностью погрешности измерений за счет влияния поляризационных эффектов на электродах. Кроме того, сложность настройки устройства практически исключает возможность его применения в полевых условиях.

Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении точности измерений.

Поставленная задача решается тем, что известное устройство для измерения в геологоразведке, содержащее генератор переменного тока, имеющий связь с излучающими элементами в виде электродов, линию связи, регистрирующий прибор, приемные элементы, согласно изобретению дополнительно снабжено блоком управления, двумя синхронными детекторами, полосовым фильтром, блоком сравнения, фазовращателем, двумя согласующими усилителями с переменным коэффициентом усиления, а приемные элементы выполнены в виде двух датчиков напряженности электрического поля, причем блок управления входами подключен к одному из точечных источников и генератору переменного тока, а выходами к управляющим входам синхронных детекторов, выходы которых подключены к регистрирующему прибору, а вторые входы через полосовой фильтр подключены к выходу блока сравнения, инвертирующий вход которого через первый согласующий усилитель с переменным коэффициентом усиления подключен к линии связи, а неинвертирующий вход блока сравнения через последовательно соединенные фазовращатель и второй согласующий усилитель с переменным коэффициентом усиления также подключен к линии связи, соединенной с выходами первого и второго датчиков напряженности электрического поля, каждый из которых содержит последовательно соединенные первичный преобразователь, согласующий трансформатор и предварительный усилитель, причем датчики напряженности расположены симметрично относительно одного из точечных источников.

Кроме того, блок управления содержит расположенный на входе трансформатор тока, последовательно соединенные с ним компаратор, умножитель, делитель частоты, причем выходы компаратора и делителя частоты служат выходами блока управления.

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая размещение устройства, на фиг. 2 блок-схема устройства, на фиг. 3 представлен один из возможных вариантов построения схемы блока управления.

Устройство содержит генератор 1 (фиг. 1), соединенный с излучающими элементами в виде точечных источников А-2 и В-3, приемные элементы в виде бесконтактных трансформаторных датчиков напряженности электрического поля 4 и 5, расположенные в точках M и N симметрично относительно излучающего элемента, первую среду 6 с удельной электрической проводимостью имеющую границу 7 с второй средой 8 с удельной электрической проводимостью .

Блок-схема устройства (фиг. 2) содержит два приемных элемента в виде датчиков напряженности электрического поля 4, 5, включающих в себя два первичных преобразователя 9 и 10, два согласующих трансформатора 11 и 12, два предварительных усилителя 13, 14, линию связи 15, два согласующих усилителя с переменным коэффициентом усиления 16 и 17, фазовращатель 18, блок сравнения 19, полосовой фильтр 20, два синхронных детектора 21 и 22, блок управления 23, регистрирующий прибор 24. Выход первого первичного преобразователя 9 через согласующий трансформатор 11, предварительный усилитель 13, линию связи 15, согласующий усилитель с переменным коэффициентом усиления 16 соединен с инвертирующим входом блока сравнения 19. Выход второго первичного преобразователя 10 через согласующий трансформатор 12, предварительный усилитель 14, линию связи 15, согласующий усилитель с переменным коэффициентом усиления 17, фазовращатель 18 соединен с неинвертирующим входом блока сравнения 19. Выход блока сравнения через полосовой фильтр 20 соединен с сигнальными входами активных синхронных детекторов 21 и 22. Управляющие входы синхронных детекторов 21 и 22 соединены с выходами блока управления 23. Выходы синхронных детекторов 21 и 22 соединены с входами регистрирующего прибора 24, показания которого пропорциональны временным вариациям активной и реактивной составляющих удельной электрической проводимости земли.

Блок управления 23 (фиг. 3) содержит трансформатор тока 25, последовательно соединенные с ним компаратор 26, умножитель 27, делитель частоты 28. Выходы компаратора 26 и делителя частоты 28 являются выходами блока управления.

Устройство работает следующим образом. При помощи двух точечных электродов, один из которых 3 достаточно удален, источником тока I_o на частоте f возбуждают в земле переменное электрическое поле. В точках M и N, расположенных симметрично на расстоянии r относительно точечного источника 2, размещают датчики напряженности 4, 5, содержащие первичные бесконтактные преобразователи напряженности электрического поля с объемным витком 9, 10 [2] и измеряют радиальную составляющую напряженности электрического поля, возбужденного током I_o. Усиленные сигналы с первичных преобразователей подают на устройство сравнения (вычитатель). При равенстве коэффициентов передачи каналов и заданной геометрии постановки сигнал на выходе устройства сравнения связан однозначной зависимостью с временными вариациями удельной электрической проводимости земли. В общем случае в соответствии с принципом суперпозиции (фиг. 1) в точках M и N напряженность электрического поля можно представить в виде

где вектор напряженности электрического поля, создаваемый первичным источником 2 (электродом А;
вектор напряженности электрического поля, создаваемый от вторичного
отраженного относительно границы раздела сред источника.

На основании закона Кулона и метода отражений для напряженностей электрического поля в точках измерения M и N будем иметь

где коэффициент отражения при удельных электрических проводимостях сред причем вариации активной δ и реактивной x составляющих удельной электрической проводимости много меньше единицы.

При равенстве коэффициентов преобразования "напряженность поля - напряжение" каждого из каналов K=K_N=K_M для сигнала на выходе блока сравнения 19 (фиг. 2) с учетом (2) получим

где K= 1_Э n₁₁ k₁₃ k₁₅ l₁₆=1_Э n₁₂ k₁₄ k₁₅ k₁₇ k₁₈, причем 1_Э - эквивалентная база (коэффициент преобразования "напряженность поля - напряжение") первичных преобразователей 9 или 10;
n_i коэффициент трансформации согласующего трансформатора 11 или 12;
k_i коэффициент передачи по напряжению i-го элемента схемы (фиг. 2).

Очевидно, что информацию о вариациях проводимости граничащих сред несет последний сомножитель сигнала (3), для которого с учетом принятых в (2) обозначений получим

где модуль удельной электрической проводимости первой среды 6 (фиг. 1).

Подставив последнее в (3) и обозначив константу измерительной установки

для сигналов на входах синхронных детекторов 21 и 22 (фиг. 2), т.е. выходе выделяющего только полезный сигнал на частоте f_o фильтра 20, будем иметь

В соответствии с фазировкой управляющих сигналов синхронных детекторов 21 и 22 на их выходах из сигнала (4) будут выделены действительная и мнимая части этого напряжения

Эти напряжения подаются на входы регистрирующего прибора 24, в память которого введены данные о текущих значениях модуля σ, действительной g и мнимой b частях удельной электрической проводимости среды установки первичного преобразователя, а также константы измерительной установки a. На основании этих данных и вычисленных напряжений (5) арифметическое устройство, встроенное в регистрирующий прибор 24, при помощи уравнений (1) определяет вариации действительной d и мнимой x частей удельной электрической проводимости контролируемой среды.

Используя понятие эффективного или эквивалентного коэффициента отражения аналогично изложенному регистрируются вариации электропроводности слоев и пластов различной ориентации, а также других моделей неоднородностей или аномалий исследуемой среды. При изменении геометрии установки измерительной системы или коэффициентов преобразования, передачи или усиления отдельных блоков и каналов в целом функциональная схема остается неизменной, изменяется только значение константы измерительной системы α.

Первичные преобразователи напряженности поля 9 и 10 представляют собой бесконтактный трансформаторный преобразователь с объемным первичным витком [2] Согласующие трансформаторы 11 и 12 являются неотъемлемой частью трансформаторного датчика с объемным витком и представляют по существу трансформатор тока. Объемный виток, проходящий через окно сердечника, образует первичный виток такого трансформатора. Предварительные усилители 13 и 14 представляют собой усилители, имеющие дифференциальные входы и выходы. Это позволяет существенно уменьшить влияние синфазной помехи за счет разности потенциалов земли. Достоинством датчиков с объемным первичным витком является отсутствие непосредственно электрического контакта с окружающей датчик средой. Это исключает влияние на точность измерений двойного электрического слоя на поверхностях металл окружающая среда. А именно эта погрешность присутствует во многих электродных датчиках, в частности и в прототипе.

Согласующие усилители с переменным коэффициентом усиления 16 и 17 представляют собой усилители, имеющие дифференциальные входы и недифферинциальные выходы, коэффициент усиления которых может меняться, например, при помощи изменения величины резистора в цепи обратной связи. Фазовращатель 18 позволяет изменять фазу сигнала в одном из каналов так, чтобы исключить паразитные набеги фаз, он может быть реализован на RC-звеньях. Изменение фазы осуществляется при помощи изменения величины резисторов. Блок сравнения 19 построен на операционном усилителе с дифференциальной схемой его включения. Полосовой фильтр 20 представляет собой активный RC-фильтр с частотно-зависимыми избирательными цепями. Синхронные детекторы 21 и 22 предназначены для выделения сигналов пропорционально составляющей напряжения полезного сигнала, совпадающего по фазе с фазой генератора I_o, и составляющей напряжения полезного сигнала, сдвинутого на 90^o относительно фазы тока I_o. Они представляют собой синхронные детекторы ключевого типа.

Блок управления 23 выдает два управляющих сигнала прямоугольной формы в виде меандра с частотой f_o, сдвинутых один относительно другого на четверть периода. Ток I_o генератора 1 подается на точечные источники через первичную обмотку трансформатора тока 25. С выхода трансформатора сигнал подается на компаратор 26. Компаратор выдает первый управляющий сигнал в форме меандра, совпадающий по фазе с фазой тока I_o. С выхода компаратора сигнал поступает на блок умножения частоты на два, с выхода которого сигнал поступает на блок деления на два (триггер). На выходе триггера имеем сигнал прямоугольной формы в виде меандра, сдвинутый относительно первого управляющего сигнала на четверть периода.

Таким образом, предлагаемое устройство выделяет сигналы, пропорциональные временным вариациям удельной электрической проводимости земли, и обеспечивает высокую помехозащищенность. Как показали предварительные испытания, динамический диапазон измеряемых сигналов может достигать 120 дБ.

Источники, принятые во внимание.

1. Авторское свидетельство СССР N 637692, кл. G 01V 3/06, 1978.

2. Е. Ф. Зимин, Э.С. Кочанов. Измерение параметров электрических и магнитных полей в проводящих средах. М. Энергоатомиздат, 1985, 254 с.

Использование: для измерения временных вариаций удельного электрического сопротивления. Сущность изобретения: устройство для измерений в геологоразведке содержит генератор переменного напряжения, подключенный к точечным источникам, выполненным в виде электродов, линию связи, регистрирующий прибор, приемные элементы. Устройство снабжено также блоком управления, двумя синхронными детекторами, полосовым фильтром, блоком сравнения, фазовращателем, двумя согласующими усилителями с переменным коэффициентом усиления. Приемные элементы выполнены в виде двух датчиков напряженности электрического поля, причем блок управления входами подключен к одному из точечных источников и генератору переменного тока, а выходами - к управляющим входам синхронных детекторов, выходы которых подключены к регистрирующему прибору, а вторые входы через полосовой фильтр подключены к выходу блока сравнения, инвертирующий вход которого через первый согласующий усилитель с переменным коэффициентом усиления подключен к линии связи. Неинвертирующий вход блока сравнения через последовательно соединенные фазовращатель и второй согласующий усилитель с переменным коэффициентом усиления также подключен к линии связи, соединенной с выходами первого и второго датчиков напряженности электрического поля. Каждый датчик напряженности содержит последовательно соединенные первичный преобразователь, согласующий трансформатор и предварительный усилитель, причем датчики напряженности расположены симметрично относительно одного из точечных источников. Кроме того, блок управления содержит расположенный на входе трансформатор тока, последовательно соединенные с ним компаратор, умножитель, делитель частоты, причем выходы компаратора и делителя частоты служат выходами блока управления. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерений в геологоразведке, содержащее генератор переменного тока, подключенный к точечным источникам, выполненным в виде электродов, линию связи, регистрирующий прибор, приемные элементы, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено блоком управления, двумя синхронными детекторами, полосовым фильтром, блоком сравнения, фазовращателем, двумя согласующими усилителями с переменным коэффициентом усиления, а приемные элементы выполнены в виде двух датчиков напряженности электрического поля, причем блок управления входами подключен к одному из точечных источников и генератору переменного тока, а выходами к управляющим входам синхронных детекторов, выходы которых подключены к регистрирующему прибору, а вторые входы через полосовой фильтр подключен к выходу блока сравнения, инвертирующий вход которого через первый согласующий усилитель с переменным коэффициентом усиления подключен к линии связи, а неинвертирующий вход блока сравнения через последовательно соединенные фазовращатель и второй согласующий усилитель с переменным коэффициентом усиления также подключен к линии связи, соединенной с выходами первого и второго датчиков напряженности электрического поля, каждый из которых содержит последовательно соединенные первичный преобразователь, согласующий трансформатор и предварительный усилитель, причем датчики напряженности расположены симметрично относительно одного из точечных источников. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления содержит расположенный на входе трансформатор тока, последовательно соединенные с ним компаратор, умножитель, делитель частоты, причем выходы компаратора и делителя частоты служат выходами блока управления.