Способ выделения параметра вызванной поляризации при геоэлектроразведке и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01V3/06 

2. Устройство для осуществления способа выделения параметра вызванной поляризации при геоэлектроразведке по п. 1, содержащее предварительный усилитель, одна из входных шин которого служит входной uiHiIoft устройства, два аналоговых ключа, сигнальные входы которых подключены к выходу предварительного усилителя, два усилителя, входы которых соединены с выходами аналоговых ключей, а выходы - с двумя входами блЬка регистрации и блок формирования импульсов, выходы которого соединены со входами управления аналоговых ключей и блока регистрации, а входы подключены к выходам источника опорного сигнала и блока изменения длительности импульсов, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью.расширения диапазона регистрируемых вели 1ин параметра вызванной поляризаши, в него введены последовательно соединенные формирователь разнопорярного сигнала, регулятор амплитуды сигналов и блок согласования, выхрд которого включен последовательно между второй входной шиной устройства и второйвходной шиной предварительного усилителя, а усилители выполнены избирательными, причем вход } правления формирователя разнополяр ого сигнала соединен с выходом блока формирования имоульсов.

1. Способ выделения параметра вызванной поляризации при геоэлектр разведке, заключающийся в том, что из измеряемого периодического сигна па исключают синхронно с моментами включения-выключения тока в источнике поля с изменяе а а4 временем отсечки начгшьиую искаженную влиянием электродинамического становления поля стадию каждого импульса, и разделяют измеряемый сигнал на две последовательности импульсов, 6 т л ич ающи и с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряеквлх величин параметра вызванной поляризации в область малых значений, выбирают в качестве первой последовательности импульсов сигналы во время пропускания импульсов тока, в качестве второй последовательности импульсов сигналы во врем Пауз между импульсами тока, причем сохраняют одинаковой длительность отсечки после выключения и включения тока, выделяют из обеих последовательностей импульсов гармонические составляющие, частоту которых выбирёцот ОДНОЙ и той же и В по отношению их амплитуд оудят о параметревызваииой поляризации.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при проведении геоэлектроразведочных работ методом вызванной поляризации.

Известен способ вьаделения параметра вызванной поляризации (ВП) при геоэлектроразведке, з.аключающийся в том, что из измеряемого сигнала вырезают с разными временами отсечки синхронно с моментами изменения направления тока в источнике поля начальную, искаженную влиянием электродинамического становления поля стадию каждого импульса и по зависимости от времени отсечки амплитуды и фазы фильтрованного гармонического сигнала судят о наличии поляризующегося объекта l .

для осуществления данного способа используется устройство, содержащее источник измеряемого сигнала, соединенный с блоком усиления и фильтрации сигналов, два синхронных детектора и дифференциальный вольтметр, соединенный с выходами синхронных детекторов, и источник опорного сиг.нгша 2 .

Недостатком данного изобретения является низкая точность определения параметра вызванной поляризации, обусловленная тем, что при изменении времени отсечки изменяется а1мплитудно-фазовый и частотный спектр сигнала, причем эта зависимость является довольно сложно, даже при небольших изменениях времени отсечки фазовые углы фильтрованного гармонического сигнала изменяются на большие величины, и на фоне этих неконтролируемых изменений невозможно точно выделить мёшые по величине пар шет{Ш ВП.

Известен также способ выделения параметра вызванной поляризации при

геоэлектроразведке, заключающийся в том, что из измеряемого периодического сигнала исключают синхронно с

моментами включ ения выключения тока в источнике поля с изменяемым временем отсечки начальную искаженную влиянием электродинамического становления поля стадию каждого импульса, разделяют измеряемый сигнал на две последовательности импульсов, . в качестве первой из которых используют все импульсы с отсечкой, в Качестве второй выбирают импульсы напряжения меньшей длительности, начало которых совпадает с началом импульсов первой.последовательности, усиливают эти иь пульсы с коэффициентг1ми усиления., отношение которых выбирсшт обычно пропорциональным от

0 ношению длительностей импульсов напряжений, и измеряют разность амплитуд преобразованных сигнгилон, по которой судят о параметре ВП, Устройство для осуществления этого способа,

5 содержёццее предварительный усилитель, две входные шины которого служат входными шинами устройства, два аналоговых ключа (два ключевых синхрон ных детектора), сигнальные входы ко0 торах соединены с выходом предварительного усилителя, двг нормирующих усилителя, входы которых соединены с выходами анёшоговых ключей,а выходы - с двумя входами блока регистрации, выполненного в виде двух интеграторов и диффереицигшьного вольтметра, цепь обратной связи, состоящая из схемы сравнения, блока управления и источника эталонного напряжения , влек формирования импульсов выходы которого соединены со входами управления аналоговых ключей и блока регистрации/ а входы подключены к выходам источника опорного сигнала и блока изменения длительности импульсов СЗ 3. Недостатком известного способа является то, что он не позволяет измерять очень малые по величине п раметры ВП. Как показывает опыт эксплуатации данного устройства в полевых условиях, он имее,т порогову чувствительность порядка 0,1%. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, стабильность тока в поле вых условиях не удается поддерживат более высокой, во-вторых, усиление по двум каналам невозможно сохранят во времени с большей стабильностью (или изменять коэффициент усиления одного и того же канала), так как при изменении температуры конденсаторы и резисторы изменяют величину своих номиналов, в-третьих, в полевых условияхдифференциальный вольт метр не обеспечивает более стабильного коэффициента передачи по двум Входам. Таким образом, абсолютная погрешность измерений известным спо собом составляет не менее 0,1%, поэтому с относительной погрешностью 1% этот способ позволяет измерять только величины параметра ВП свыше 1%. Это вполне достаточно при прове дении полевых работ для целей рудно электроразведки, но совершенно недопустимо при выполнении гидрогеоло гических и инженерно-геологических работ. Так, например, параметр ВП многих осадочных пород составляет 0,01-0,05%, а у мерзлых пород и у льда может быть меньше 0,001%, Таки величины параметра поляризуемости известным способом не могут быть из мерены. Цель изобретения - расширение ди апазона измеряемых величин параметр вызванной поляризации в областъ малых значений (ниже 0,1%},. Для достижения указанной цели в известном способе выделения парамет ра вызванной поляризации при геоэлектроразведке, заключающемся в том, что из измеряемого периодического сигнала исключают синхронно с моментами включения-выключения тока в источнике поля с изменяемым временем отсечки начальную искаженную влиянием электродинамического становления поля стадию кгикдого импуль ра и разделяют измеряемый сигнал на две последовательности импульсов, эыбиргиот в качестве первой последовательности импульсов сигналы во время пропускания импульсов тока, в качестве второй последовательност импульсов - сигналы во время пауз между импульсами тока, причем сохра няют одинаковой длительность отсёч ки после выключения и включения тока, выделяют из обеих последователь ностей импульсов гармоничесг ие составляющие, частоту которых выбирают одной и той же, и по отношению их амплитуд судят о параметре вызванной поляризации. В известное устройство для осуществления способа, содержащее предварительный усилитель,с одна извходных шин которого служит входной шиной устройства, два аналоговых ключа, сигнальные входы которых подключены к выходу предварительного усилителя, два усилителя, входы которых соединены с выходами аналоговых ключей, а выходы - с двумя входами блока регистрации, и блок формирования импульсов, выходы которого соединены .со входами управления аналоговых ключей и блока регистрации, а выходы подключены к вы;ходам источника опорного сигнала и блока изменения длительности импульсов, введены последовательно соединенные формирователь разнополярного сигнала, регулятор амплитуды сигналов и блок согласования, выход которого включен последовательно между входной шиной устройства и второй входной шиной предварительного усилителя, а усилители .выполнены избирательными, причем вход управления формирователя разнополярного сигнала соединен с выходом блока формирования импульсов. : На фиг.1 изображены эпюры возбуж:дающего тока и измеряемых напряжений; на фиг.2 - структурная схема устройства для ос цествления предлагаемого способа. . Как показано на фиг.1, ток в земле возбуждается импульсами тока 3 , из земли принимается сигнал U , из этого сигнала выделяются первая последовательность импульсов U во время прохождения импульсов тока и вторая последовательность импульсов и во время пауз между импульсами тока. Кроме того, показана форма сигнала U4 , используемого для определения знака параметра ВП. Устройство для осуществления способа (фиг.2} содержи входные шины Iи 2, блок 3 согласования, включенный последовательно между входной шиной 2 устройства и входом предва- рительного усилителя 4, два аналоговых ключа 5 и 6, входы которых соединены с выходом предварительного усилителя 4, два избирательных усилителя 7 и 8,входы которых подключены к выходам аналоговых ключей 5 и 6 соответственно, а выходы - к двум входам блока 9 регистрации, блок 10 формирования импульсов, входы которого соединены с выходами источника IIопорного сигнгша и блока 12 изменения длительности импульсов, последовательно соединенные формирователь. 13 разнополярного сигнала, регулятор 14 амплитуды сигналов и бло 3 согласования, причем выходы блока 10 формирования импульсов соединены с б-ходами. аналоговых ключей 5 и 6, блока 9 регистрации и формирователя 13 раэнополярного сигнала. Способ осуществляется следующим образом. Электромагнитное поле в исследуе мом участке среды возбуждается последовательностью разйополярных прямоугольных импульсов тока с паузами 3.(фиг.1). Частота тока обычно равн 0,05-1 Гц/ длительность импульсов равна длительности паузы, а сила то ка может достигать 20-25 А и более. В точках из земли выделяю сигналы форма которых во время пропускания импульсов тока отличает от прямоугольной вследствие протека ния вихревых токов в земле (индукцирнные эфф.екты электродинамического становления поля) и вследствие поля ризации среды. При этом индукционные эффекты искажают начальную, а эффекты поляризации - более позднюю стадию импульса напряжения. Во время пауз между импульсами тока сигнал представляет собой сумму полей электродинамического становления и ВП. . Из сигнала U исключают синхронно с моментами включения-выключения тока в источнике поля с изменяемым временем отсечки начальную искаженную влиянием становления поля стадию каждого импульса как во время пропускания импульсов тока, так и в паузах между ними. Интервал времени отсечки либо задают исходя из анали за условий измерений в данном район в соответствии с выражением: .t. где At - время отсечки, с; 6 - длина питающей линии АВ, через которую в землю вводят Ток (КМ); f - среднее удельное сопротив. ленйе исследуемого разреза. Ом; либо выбирают экспериментально, как будет рассмотрено ниже. Затем из преобразоваииого указанным образом сигнсша выделяют две последовательности импульсов 4/2 и Uj , в качестве первой из которых выбирают последовательности импульсов во время пропускания тока (сигнал 2 честве второй - последовательность импульсов во время пауз (сигнгш Uj) Из последовательностей импульсов Uj и и выделяют гармоническую составляницую одной и той же частоты. Если рабочая частота сигнала выше 0,10,2 ц, выделяют первую гармонику сигнала. На более низких частотах целесообразно выделять 3,5 или 7 гармонику сигнала. Это обусловлено тем, что амплитуды высших гармоник сигналов (фиг.1) медленно убывают с увеличением номера гармоники. Если длительность отсечки сохраняют одинаковой как после включения, так-и после выключения импульсов тока, то отношение амплитуды гармонической составляющей, измеренной в паузах между импульсами тока, к амплитуде гармонической составляющей сигналов во время пропускания импульсов тока, остаемся одинаковым независимо от номера гармоник (для первой, третьей, пятой и седьмой гармоник) и равным коэффициенту поляризуемости изучаемого |разреза. Если же длительности импульсов Uj и Uj не одинаковы, амплитудно-фазовый спектр таких сигналов оказывается разным (например, амплитуда одной или даже двух гармоник может быть равной нулю), и коэффициент поляризуемости определить будет невозможно. : Кроме абсолютной величины параметра ВП необходимо также знать его знак. Амплитуда же гармонической составляющей не несет информации о знаке параметра ВП. Для определения знака параметра ВП последовательность импульсов С/3 S паузах между пропусканием тока в землю суммируют со вспомогательным сигнгшом U, который имеет форму разнополярных прямоугольных импульсов, следующих друг за другом во время пауз между импульсами тока, причем после положительного импульса J следует положительный импульс 1. Амплитуду сигнала U. устанавливают меньшей амплитуды сигнала Uj в 2-3 раза. После фиксации амплитуд гармонических составляющих суммируют сигналы U, и. U и регистрируют изменения амплитудйл гармонической составляющей суммарного сигнала. Если амплитуда суммарного сигнала больше, чем амплитуда гармонической составляющей сигнала Oj , то знак параметра ВП положительный, в противном случае - отрицательный. При экспериментальном определении необходимого времени отсечки после фиксации амплитуды сигналов последовательно несколько раз увеличивают время отсечки и каждый раз регистрируют амплитуды сигналов и определяют их отношение. Предельно допустимым считается такое минимальное время отсечки, начиная с которого отношение амплитуд гармонических составляющих перестает увеличиваться и остается постоянным или уменьшается. Устройство для осу14ествления предлагаемого Способа работае-г следующим образом. На входные шииы 1 и 2 устройства подается измеряемый сигнал U . Этот

сигнал усиливается предварительным усилителем 4 и поступает на аналоговые ключи 5 и 6. Ключ 5 открывается только во время прохождения импульсов тока 3 , причем не на все время прохождения импульса J, а только на часть этого времени за исключением выбц анного времени отсечки. На выходе ключа 5 получают сигнал (j . Аналогично ключ 6 открывается только во время пауз между импульсами тока, причем не на все время паузы, а только на часть ее за исключением выбранного бремени отсечки. На выход ключа 6 получают сигнал Uj . Таким образом, из сигнала U вырезана начальная часть каждого импульса с одним и тем же временем отсечки и из полученного сигнала выделены две . последовательности импульсов Uj и (J. С помощью избирательных усилителей 7 и 8 из этих последовательноетей импульсов выделяют гармонические составляющие. Усилители 7 и 8 содержат фильтры одних .и тех же частот. Отфильтрованные и усиленные сигналы с выходов избирательных усилителей 7 и 8 поступгиот на два входа блока ,9 регистрации, представляющий собой двухканси1ьный измеритель амплитуд гармонических сигналов. Порядок измерений и регистрации той или иной гармоники задается по команде, пос. тупающей в виде импульсов с блока 10 формирования импульсов на вход управления блока 9 регистрации. В простейшем случае это режим последовательных нормированных измерений с непосредственным отсчетом параметра ВП в процентах.Возможна также параллельная регистрация в цифровой форме

Управляет работой аналоговых ключей 5 и 6 блок 10 формирования импульсов, соединенный с источником 11 опорного сигнала. Источник 11 опорного сигнала может быть выполнен в виде автономного кварцевово генератора, триггерных делителей частоты и логических элементов И, ИЛИ. Кварцевый генератор должен периодически синхронизироваться с задающим генератором источника тока. Для управления работой ключей 5 и 6 в блоке 10 формируются две последовательности сдвинутых на 1800 однополярных импульсов, длительность которых равна ;четверти периода рабочего сигнала. Первая последовательность импульсов совпадает по времени с импульсгши тока } в питающей линии, а вторая с пауэс1ми между этими импульсами. Начальная часть каждого из этих импульсов может быть вырезана. Время отсечки зёщается блоком 12 изменения длительности импульсов и устанавли- вается одинаковым для обеих последовательностей.

Кроме того, в блоке 10 формирует ся еще две последовательности однО

.полярных импульсов, частота следования которых в 2 раза ниже, чем, частота следования импульсов управления ключами 5 и 6. Первая последовательность импульсов по времени совпадает с паузами после выключения положительных импульсов тока, а вторая - после выключения отрицательных импульсов тока. Эти две последовательности импульсов поступают на два входа формирователя 13 разнополярного сигнала, который может быть выполнен в виде дифференциального усилителя. Когда сигналы на двух его входах равны нулю, выходное напряжение блока 13 равно нулю.Если на первый вход поступает положительный импульс, на выходе блока 13 также появляется Положительный импульс. Если на второй вход блока 13 поступает положительный импульс, на выходе блока 13 появляется отрицательный импульс. Таким образом, на выходе блока 13 получгиот последовательность разнополярных импульсов 0 , следующих в паузах между импульсами тока Э и сфазированных таким образом, что после положительного импульса D обязательно следует положительный импульс и и т.д. Так как амплитуда гармонической составляющей сигнала Uj измерена, регулятором 14 амплитуды, в качестве которого наиболее целесообразно использовать 12-оборотный декадный потенциометр, устанавливают выходную амплитуду сигнала U. в 2-3 раза меньшей амплитуды сигнала О и подают этот сигнал на вход блока 3 согласования. Блок 3 наиболее целесообразно выполнить в виде эталонного резистора сопротивлением в несколько сот ом и аналогового ключа, причем эталонный резистор должен быть включен последовательно между выходной шиной 2 устройства и второй входной шиной предварительного усилителя 4, а аналоговый ключ должен быть включен последовательно между выходом регулятора 14 и входной шиной 2. В режиме измерений амплитуды сигналов аналоговый ключ блока 3 разомкнут, и сигНёш с выхода регулятора 14 в измерительную цепь не поступает. При определении знака параметра ВП аналоговый ключ в блоке 3 замыкается, и на вход усилителя поступает суммарный сигнгш. Если при этом амплитуда сигнёша на выходе усилителя 8 увеличивается, знак параметра ВП :положительный, в противном случае отрицательный.

Технико-экономическая эффективность применения изобретения/заключается в. существенном расширении диапазона измеряемых величин параметра ВП в область малых значений - ни;же 0,1%.