УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ Российский патент 2000 года по МПК G01V3/02 G01V3/08 

Изобретение относится к устройствам для частотных зондирований с магнитным и электрическим возбуждением электромагнитного поля. Область преимущественного применения - фазочувствительные измерения, используемые при изучении кажущегося сопротивления верхнего слоя земли в широком диапазоне частот.

Известно устройство для электроразведки методом вызванной поляризации [1] , состоящее из инвертора (генератора), приемной и питающей линий, избирательного усилителя, детектора и импульсного вольтметра (измерительного прибора). Генератор вырабатывает разнополярные импульсы, заполненные пульсирующим напряжением. Эти разнополярные импульсы подаются в питающую линию АВ. Приемная линия подключена к импульсному вольтметру и к избирательному усилителю. Избирательный усилитель выделяет из входного напряжения сигнал с частотой заполнения поляризующего импульса тока.

Этот сигнал детектируется в детекторе и служит для переключения чувствительности измерительного прибора, измеряющего в определенные моменты времени входное напряжение. Известное устройство имеет основное достоинство в том, что измерительный прибор может работать в автономном режиме на большом удалении от генератора (генераторного устройства).

Однако, известное устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что синхронизация работы измерительного устройства относительно тока в питающей линии осуществляется с точностью до фазы, т.е. не определяется знак градиента потенциалов пропускания и вызванной поляризации.

Известно устройство [2] для электроразведки методом заряда, состоящее из серийно выпускаемой станции типа ЭРС-67 и переносного цифрового вольтметра ПВЦ-1. Известное устройство позволяет производить градиентные (фазочувствительные) измерения на инфранизких частотах на больших исследуемых площадях. Однако этому устройству присущ существенный недостаток, заключающийся в понижении точности измерений при повышении рабочей частоты и при повышении чувствительности из-за паразитного излучения электромагнтного поля рабочей частоты (микрофонный эффект).

Известно также устройство для геоэлектроразведки методом частотного зондирования [3], содержащее генераторное устройство, состоящее из первого задающего генератора, усилителя мощности, питающего диполя, синтезатора частоты, включающего в себя делитель частоты и схему управления, приемное устройство, состоящее из последовательно соединенных блока фильтров, широкополосного усилителя, детектора с регистратором и последовательно соединенных градуировочного генератора, калибровочного делителя напряжения и приемника сигналов. Это устройство взято нами в качестве устройства-прототипа. В устройстве-прототипе повышена точность измерений за счет сравнения измеряемого сигнала с эталонным напряжением. Однако это устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что не позволяет производить фазочувствительных измерений, а также при повышении частоты полезного сигнала и чувствительности значительно понижается точность измерений из-за паразитного излучения электромагнитного поля рабочей частоты (микрофонного эффекта).

Цель предлагаемого изобретения - повышение точности измерений реальной и мнимой составляющих электромагнитного поля.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для геоэлектроразведки, содержащем возбудитель поля, первую, вторую и третью шины управления, подключенные соответственно ко входам управления первого и второго синтезаторов частот и цифрового фазовращателя, установленного между выходом второго синтезатора частот и входом управления фазочувствительного выпрямителя, подключенного сигнальным входом к датчику поля, а выходом ко входу полосового фильтра, соединенного выходом с сигнальным входом фазочувствительного аналого-цифрового преобразователя, подключенного ко входу блока индикации, усилитель мощности, подключенный к выходу первого синтезатора частот, подсоединенного к выходу первого генератора, второй генератор, подключенный ко входу второго синтезатора частот, дополнительно введены первый и второй делители частоты, коммутатор, установленный между возбудителем поля и усилителем мощности, причем первый делитель частоты включен между выходом первого синтезатора частот и входом управления коммутатора, а второй делитель частоты - между выходом второго синтезатора частот и входом управления фазочувствительного аналого-цифрового преобразователя, притом первая и вторая шины управления соединены соответственно со входами управления первого и второго делителя частоты, а установочный вход второго делителя частот соединен с установочным входом второго синтезатора частот и четвертой шиной управления.

На чертеже изображена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит первый генератор 1, первый синтезатор частот 2, усилитель мощности 3, коммутатор 4, возбудитель поля 5, первый делитель частоты 6, первую шину управления 7, датчик поля 8, фазочувствительный выпрямитель 9, фазочувствительный аналого-цифровой преобразователь 11, блок индикации 12, цифровой фазовращатель 13, второй генератор 14, второй синтезатор частот 15, второй делитель частоты 16, вторую шину управления 17, третью шину управления 18, четвертую шину управления 19, линию передачи 20, представляющую собой либо двухпроводную линию, либо радиоканал, не входит в устройство в качестве основного блока.

Первый синтезатор частот 2 установлен между выходом первого генератора 1 и входами усилителя мощности 3 и первого делителя частоты 6, коммутатор 4 установлен между выходом усилителя мощности 3 и возбудителем поля 5. Вход управления коммутатора 4 соединен с выходом первого делителя частоты 6. Фазочувствительный выпрямитель 9 подключен сигнальным входом к датчику поля 8, а выходом - через полосовой фильтр 10 к сигнальному входу фазочувствительного аналого-цифрового преобразователя 11. Второй синтезатор частот 15 установлен между выходом второго генератора 14 и входами цифрового фазовращателя 13 и второго делителя частоты 16, подсоединенного выходом ко входу управления аналого-цифрового преобразователя 11, подключенного выходом ко входу блока индикации 12. Цифровой фазовращатель 13 выходом подключен ко входу управления фазочувствительного выпрямителя 9. Первая шина управления 7 подключена ко входам управления первого синтезатора частот 2 и первого делителя частоты 6, вторая шина управления 17 - ко входам управления второго синтезатора частоты 15 и второго делителя частоты 16, третья шина управления 18 - ко входу управления цифрового фазовращателя 13, а четвертая шина управления 19 - к установочным входам второго синтезатора частот 15 и второго делителя частоты 16.

Устройство работает следующим образом. Первый генератор 1 вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой следования f₀. Эти импульсы поступают на вход первого синтезатора частот 2. На вход управления первого синтезатора частот 2 подается управляющий код N_y с первой шины управления 7. Первый синтезатор частот 2 формирует синусоидальное напряжение U_C1 = U_m1sin(ω₀/N₀•t) = U_m1sinΩ₀t, где U_m1 - амплитуда, ω₀ = 2πf₀, N₀ - целое число, определяемое кодом N_y, Ω₀ = ω₀/N₀.
Выходное напряжение U_C1 подается на входы усилителя мощности 3 и первого делителя частоты 6. Первый делитель частоты 6 формирует прямоугольный сигнал U_n1 = U_g•Sign sin(ω₀/N₀•N_g)•t = U_g•Sign sinΩ_nt, где U_g - амплитуда, SignSinZ - знаковая функция аргумента Sin Z, Ω_n = ω₀/N₀•N_g = Ω₀/N_g - частота низкочастотного сигнала, N_g - коэффициент деления, задаваемый кодом N_y, из условия Ω₀ ≫ Ω_n = const.
Выходное напряжение первого делителя частоты 6 поступает на управляющий вход коммутатора 4, осуществляющего изменение подключения полярности возбудителя поля 5 к выходу усилителя мощности 3. В качестве возбудителя поля 5 может быть использован или магнитный диполь (магнитное возбуждение), или питающая линия AB (электрическое возбуждение).

Остановимся на рассмотрении только магнитного диполя. В результате в магнитном диполе протекает переменный ток I_b = I_mSign sinΩ_nt•sinΩ₀t, a магнитный момент, создаваемый диполем, определяется выражением Mg = I_b•S = M_m•Sign sinΩ_nt•sinΩ₀t, где M_m = I_m • S - амплитуда, S - эффективная площадь магнитного диполя.

В точке наблюдения (измерения) магнитное поле определяется выражением B = B_xmSign sinΩ_nt•sin(Ω₀t+ϕ_b)+B_nmsin(Ω₀t+ϕ_n), где B_xm - амплитуда, пропорциональная амплитуде магнитного момента M_m, ϕ_b - фазовый сдвиг магнитного поля относительно тока в магнитном диполе, B_nm, ϕ_n - соответственно амплитуда и фаза синхронной помехи, создаваемой блоками предлагаемого устройства.

С датчика 8, под воздействием магнитного поля В в точке измерения, снимается напряжение где S_g - эффективная площадь датчика 8, ϕ_g - фазовый сдвиг, вносимый датчиком 8. Выходное напряжение датчика 8 поступает на сигнальный вход фазочувствительного выпрямителя 9.

Второй генератор 14 формирует прямоугольные импульсы с частотой следования ω₀. Эти импульсы поступают на вход второго синтезатора частот 15. Второй синтезатор частот 15 формирует синусоидальное напряжение U_c2 = U_m2sin(ω₀/N₀•t+ϕ_c2) = U_m2sin(Ω₀t+ϕ_c2), где U_m2 - амплитуда, Ω₀ = ω₀/N₀, ϕ_c2 - начальная фаза, N₀ - целое число, определяемое кодом N_y, поступающим на вход управления со второй шины управления 17. Выходное напряжение второго синтезатора частот 15 поступает на входы цифрового фазовращателя 13 и второго делителя частоты 16. В цифровом фазовращателе 13 осуществляется сдвиг напряжения U_c2 по фазе на величину (ϕ_ц+α), где ϕ_ц - компенсирующий фазовый сдвиг, α - начальная фаза, равная 0 или π/2.
Выходной низкочастотный сигнал U_B фазочувствительного выпрямителя 9 определяется выражением:

где U_xm = (-K_BΩ₀B_xmS_g)/2 - амплитуда полезного сигнала, К_B - коэффициент передачи фазочувствительного выпрямителя 9, U_nb = (-K_BΩ₀B_nmS_g)/2 - величина, пропорциональная амплитуде B_nm помехи.

Установочными импульсами, поступающими по линии связи 20 на установочный вход, второй синтезатор частот 15 устанавливается в состояние, при котором ϕ_c2 = 0, а кодом управления, поступающим на вход управления цифрового фазовращателя 13, задается ϕ_ц = -ϕ_g. Тогда выходное напряжение фазочувствительного выпрямителя определяется выражением:
U_B = U_xmsin(ϕ_b+α)Sign sinΩ_nt+U_nb•sin(ϕ_n+α).
Выходной сигнал U_B фазочувствительного выпрямителя 9 поступает на вход полосового фильтра 10, в котором осуществляется частотная селекция полезного сигнала с частотой Ω_n, и далее на вход фазочувствительного АЦП 11, на вход управления которого подается опорное напряжение U_o = U_omSign sinΩ_nt со второго делителя частоты 16. В АЦП 11 осуществляется преобразование аналогового сигнала в цифровой эквивалент N, определяемый из выражения:
N = S•K_ф•U_xmsin(ϕ_b+α) = K₀B_xmsin(ϕ_n+α),
где K₀ - произведение коэффициентов передач блоков 8-11, S - крутизна (коэффициент) преобразования АЦП 11, K_ф - коэффициент передачи полосового фильтра.

Из выражений для N видно, что выходной код не зависит от помехи, поступающей на вход фазочувствительного выпрямителя 9.

При α = 0 выходной код N_Jm = K_oB_xm•sinϕ_b пропорционален мнимой составляющей полезного сигнала, а при α = π/2 выходной код N_Re = K_oB_xm•cosϕ_b пропорционален реальной составляющей магнитного поля. Выходной код N_Jm,Re индицируется в блоке индикации 12.

Предлагаемое устройство работает аналогичным образом при измерении электрических сигналов с приемной заземленной линии, используемой в качестве датчика поля 8.

Из выражений для N_Re и N_Jm видно, что выходной код не зависит от величины помехи рабочей частоты, наводимой в датчике поля 8 блоками предлагаемого устройства из-за микрофонного эффекта, тем самым повышается точность при повышении частоты Ω₀ полезного сигнала, а также при повышении чувствительности, т.е. при измерении малых величин сигналов.

Предлагаемое устройство было взято за основу при разработке фазочувствительной аппаратуры ФЧ-1, изготовленной для проведения экспериментов по теме, поддержанной фондом РФФИ (проект N 96-05-64252).

Изобретение относится к устройствам для частотных зондирований с магнитным и электрическим возбуждением электромагнитного поля. Область преимущественного применения - фазочувствительные измерения, используемые при изучении кажущегося сопротивления верхнего слоя земли в широком диапазоне частот. Технический результат: повышение точности измерения реальной и мнимой составляющих электромагнитного поля. Устройство содержит возбудитель поля, первую, вторую и третью шины управления, подключенные соответственно ко входам управления первого и второго синтезаторов частот и цифрового фазовращателя, установленного между выходом второго синтезатора частот и входом управления фазочувствительного выпрямителя, подключенного сигнальным входом к датчику поля, а выходом ко входу полосового фильтра, соединенного выходом с сигнальным входом фазочувствительного аналого-цифрового преобразователя, подключенного ко входу блока индикации, усилитель мощности, подключенный к выходу первого синтезатора частот, подсоединенного к выходу первого генератора, второй генератор, подключенный ко входу второго синтезатора частот. В устройство введены первый и второй делители частоты, коммутатор, установленный между возбудителем поля и усилителем мощности. Первый делитель частоты включен между выходом первого синтезатора частот и входом управления коммутатора, а второй делитель частоты - между выходом второго синтезатора частот и входом управления фазочувствительного аналого-цифрового преобразователя. Первая и вторая шины управления соединены соответственно со входами управления первого и второго делителей частоты. Установочный вход второго делителя частот соединен с установочным входом второго синтезатора частот и четвертой шиной управления. 1 ил.

Устройство для геоэлектроразведки, содержащее возбудитель поля, первую, вторую и третью шины управления, подключенные соответственно ко входам управления первого и второго синтезаторов частот и цифрового фазовращателя, установленного между выходом второго синтезатора частот и входом управления фазочувствительного выпрямителя, подключенного сигнальным входом к датчику поля, а выходом ко входу полосового фильтра, соединенного выходом с сигнальным входом фазочувствительного аналого-цифрового преобразователя, подключенного ко входу блока индикации, усилитель мощности, подключенный к выходу первого синтезатора частот, подсоединенного к входу первого генератора, второй генератор, подключенный ко входу второго синтезатора частот, отличающееся тем, что в нем дополнительно введены первый и второй делители частоты, коммутатор, установленный между возбудителем поля и усилителем мощности, причем первый делитель частоты включен между входом первого синтезатора частот и входом управления коммутатора, а второй делитель частоты - между выходом второго синтезатора частот и входом управления фазочувствительного аналого-цифрового преобразователя, притом первая и вторая шины управления соединены соответственно со входами управления первого и второго делителей частоты, а установочный вход второго делителя частоты соединен с установочным входом второго синтезатора частот и четвертой шиной управления.