СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01V3/30 

Изобретение относится к способам и устройствам формирования переменного зондирующего магнитного поля с заданным спектральным составом в частотном диапазоне от 0 до 10000 Гц для геофизических исследований методами электромагнитного зондирования.

Область преимущественного применения - электроразведка, использующая возбуждение геологической среды контролируемым источником магнитного поля: индукционные частотные и дистанционные зондирования, дипольное электромагнитное профилирование.

Известен способ многочастотного электромагнитного зондирования и устройство, реализующее этот способ [1, 2]. В аппаратуре «ЭМС» [2] в качестве устройства возбуждения использован резонансный контур, образованный индуктивностью рамки и согласующей емкостью. Недостатками такого устройства является плохая устойчивость характеристик контура к дестабилизирующим факторам, невозможность одновременного возбуждения поля на нескольких частотах, небольшое количество частот на частотной сетке, отсутствие возможности оперативного регулирования амплитуд поля и перестройки сетки частот.

Известно устройство [3], у которого ток в контуре ограничивается включением балластного резистора в цепь контура и возбуждением цепи напряжением прямоугольной формы. Недостатками этого способа являются низкий коэффициент полезного действия (КПД) и отсутствие возможности задания произвольных соотношений между частотами сигнала и амплитудами на разных частотах. Так же, как предыдущий способ, не предполагает возбуждения среды на нескольких частотах одновременно, если не считать возможности измерения поля на частотах гармоник, кратной основной частоте.

Также известно устройство [4], в котором для обеспечения высокого КПД используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), а для формирования широтно-импульсного колебания используется механизм автогенерации с обратной связью. Для охвата общей обратной связью и обеспечения автогенерации используется одна и та же цепь, что обеспечивает устройству высокую линейность воспроизведения задающего сигнала, широкий частотный и динамический диапазон и высокий КПД. Однако это устройство или ему подобные нельзя использовать для возбуждения магнитного поля, так как оно выполняет функцию усиления напряжения, то есть не позволяет выполнять преобразование напряжения в ток.

Наиболее близким техническим решением является способ и устройство [5], использованное в качестве прототипа.

В устройстве-прототипе возбуждающее электромагнитное поле формируется в контуре диполя путем подачи широтно-импульсно модулированного напряжения на нагрузку (контур магнитного диполя). Модулирующий сигнал является периодическим, с несколькими частотами в спектре, кратными основной минимальной. Количество и значения частот можно произвольно менять. Также можно произвольно задавать соотношения амплитуд и начальных фазовых сдвигов между сигналами разных частот. Формирование ширины и частоты импульсов ШИМ производится путем предварительного расчета формы сигнала с учетом реактивной составляющей импеданса нагрузки и формы суммарного модулирующего сигнала. Рассчитанная последовательность переключения сохраняется в память и периодически вычитывается во время работы устройства.

Недостатком способа является отсутствие обратной связи по току в цепи нагрузки, что приводит к искажениям и отклонениям сигнала от расчетной формы при работе в реальных условиях. Кроме того, предварительно рассчитанные длительности импульсов требуют точного совпадения частотно-зависимого комплексного импеданса нагрузки с взятым в расчет и поддержания точного значения напряжения питания силовой части, иначе проявится нелинейность преобразования. Недостатком является также то, что хранение длительности каждого импульса модуляции требует большего объема памяти при меньшей точности воспроизведения сигнала.

Цели предлагаемого изобретения:

- реализация возможности создания переменного тока заданной величины на нескольких частотах одновременно;

- обеспечение стабильности характеристик тока в нагрузке и соответственно возбуждающего поля, прямо пропорционального току в нагрузке при допуске возможности изменения импеданса нагрузки и напряжения питания;

- обеспечение высокого КПД устройства.

Предлагаемый способ достижения поставленных целей заключается в том, что для формирования тока применяется ШИМ с автогенерацией модулирующей частоты, при этом как для поддержания автогенерации ШИМ, так и для слежения за мгновенной амплитудой тока в нагрузке используется одна и та же цепь обратной связи по току, что обеспечивает высокую точность преобразования задающего напряжения в ток.

Предлагаемое устройство (фиг. 1), содержит возбуждающий контур L, измерительный токовый шунт R_Ш, включенный последовательно в цепь контура, дифференциальный усилитель DA6, усилитель сигнала обратной связи DA7, компаратор DA1, развязывающий оптрон DA2, работающий в ключевом режиме силовой мост VT1-VT4 и схему формирования задающего сигнала, состоящую из энергонезависимой памяти FLASH, управляющей преобразованием микроЭВМ MCU и цифро-аналогового преобразователя DAC (ЦАП).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Управляющая микроЭВМ (MCU) извлекает из энергонезависимой памяти (FLASH) значение выборки зондирующего сигнала и перенаправляет в цифро-аналоговый преобразователь DAC (ЦАП). ЦАП преобразует полученное значение цифрового кода в напряжение соответствующей величины. Выборка и преобразование цифрового кода выполняется с частотой, превышающей максимальную частоту зондирующего сигнала в 6-8 раз. Таким образом, на выходе схемы формируется задающий сигнал, поступающий на неинвертирующий вход операционного усилителя (ОУ) DA1, работающего в режиме компаратора. ОУ сравнивает задающее напряжение на входе с напряжением сигнала обратной связи, поступающим с выхода усилителя сигнала обратной связи DA7, который подключен входом к выходу дифференциального усилителя DA6, усиливающего падение напряжения на измерительном резисторном шунте R_Ш, включенном в цепь нагрузки. Таким образом, напряжение на инвертирующем входе ОУ DA1 пропорционально мгновенному току в цепи нагрузки. При напряжении входного сигнала, большем напряжения сигнала обратной связи, компаратор вырабатывает цифровой сигнал логической ′1′, который через гальванически развязывающую оптопару DA2 управляет направлением протекания тока через силовые транзисторные ключи VT1-VT4 моста, в диагональ которого включена нагрузка. Сигнал логической ′1′ включает ток в нагрузке в том направлении, при котором напряжение на выходе дифференциального усилителя увеличивается и через некоторое время становится большим мгновенного напряжения на входе компаратора. При превышении этой разности порога срабатывания компаратор переключает сигнал на выходе из состояния логической ′1′ в состояние логического ′0′, что автоматически приводит переключению полярности напряжения, приложенного к нагрузке. Ток в нагрузке не изменяется сразу, его величина и направление определяются приложенным напряжением, индуктивностью и электрическим сопротивлением нагрузки. Таким образом, силовой преобразователь напряжения в ток работает в автоколебательном режиме с формированием широтно-импульсной модуляцией напряжения на нагрузке. Напряжение на нагрузке имеет вид прямоугольного колебания с амплитудой, равной удвоенной амплитуде напряжения питания силового транзисторного моста. Ток в нагрузке ограничивается интегрирующим действием индуктивности и имеет пилообразную форму. Значение тока колеблется с частотой модуляции около значения, равного произведению коэффициента преобразования ток/напряжения на входное напряжение. Коэффициент преобразования (Ампер/Вольт) определяется величиной сопротивления шунта в цепи нагрузки соотношением сопротивлений R₃, R₄, R₅, R₆ в цепи обратной связи дифференциального усилителя и соотношением сопротивлений R₈, R₇ цепи местной обратной связи усилителя сигнала обратной связи:

Предлагаемое изобретение было реализовано в виде макетного устройства, которое позволяет получать ток с пиковой амплитудой 16 А на 27 частотах в диапазоне 35-7000 Гц. Потребляемый ток устройства при этом составил 0,5 А при напряжении питания 12 В и 0,25 А при напряжении питания 24 В. Устройство в сочетании с соответствующим измерителем используется для проведения геоэлектрических исследований индукционными электромагнитными методами.

Источники информации

1. Патент 2152058 Российская Федерация, МПК C1 G01V 3/10. Способ индукционного частотного зондирования / Манштейн А.К., Эпов М.И., Воевода В.В., Сухорукова К.В.; заявитель и патентообладатель Институт геофизики СО РАН. - №98112250; заявл. 24.06.1998; опубл. 2000 г., бюл. №18. - 1 с.

2. Манштейн А.К. Аппаратура частотного электромагнитного зондирования «ЭМС» / А.К. Манштейн, Г.Л. Панин, С.Ю. Тикунов // Геология и геофизика. - 2008. - Т. 49. - №6. - С. 571-579.

3. Байдиков С.В. Аппаратура для высокочастотных индукционных зондирований МЧЗ-8 / С.В. Байдиков, А.И. Человечков // Уральский геофизический вестник. - 2011. - №1. - С. 4-8.

4. Патент 1500188 A2 EP, H03F 1/32, H03F 3/217, H03F 3/45. Power amplifier / Putzeys B.J.G.; заявитель и патентообладатель Philips Electronics N.V. - №20030746871, заявл. 01.04.2003; опубл. 26.01.2005.

5. GEM-2: A new multifrequency electromagnetic sensor / I.J. Won [et al.] // Journal of Environmental & Engineering Geophysics. - 1996. - №1. - C. 129-138.

Использование: для возбуждения переменного магнитного поля на нескольких частотах в частотном диапазоне 0-10000 Гц при геофизических исследованиях верхней части земной коры. Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемые способ и устройство позволяют создавать зондирующее поле на нескольких частотах одновременно и при этом обеспечивать малое потребление энергии и высокую точность формирования первичного зондирующего магнитного поля путем широтно-импульсной модуляции импульсов напряжения, формируемой выходным ключевым каскадом, работающим в режиме автогенерации с обратной связью по току в нагрузке. Технический результат: повышение производительности исследований и возможность проведения измерений в движении. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ возбуждения переменного магнитного поля для геофизического многочастотного электромагнитного зондирования путем формирования переменного тока заданной формы в нагрузке с комплексным частотно-зависимым импедансом, отличающийся тем, что для формирования тока в цепи возбуждающего магнитного диполя используется выходной каскад, работающий в ключевом режиме, причем заданный ток в нагрузке достигается за счет интегрирующего действия индуктивности нагрузки на широтно-импульсное колебание, которое промодулировано заданной величиной тока, выходной каскад работает в режиме автогенерации, который создается схемой обратной связи по току на основе резистивного шунта, включенного последовательно в цепь нагрузки.

2. Устройство, реализующее способ по п. 1, состоящее из задающего генератора, включающего в себя энергонезависимое запоминающее устройство, управляющую микроЭВМ, цифро-аналоговый преобразователь, и выходного силового каскада, включающего в себя входной усилитель-компаратор, оптопару, формирователь противофазных импульсов, драйверы выходных ключей с функцией смещения уровня, выходной каскад на ключевых полевых транзисторах, токовый шунт, последовательно включенный в цепь нагрузки, дифференциальный усилитель, и усилитель сигнала обратной связи, отличающееся тем, что для формирования тока используется модулированное широтно-импульсное колебание, а выходной каскад работает в режиме автогенерации с обратной связью по току посредством шунта, последовательно включенного в цепь обратной связи.