Устройство для моделирования электромагнитной индукции в земле Советский патент 1984 года по МПК G06G7/48 

форматора, вторичная обмотка которого подключена к информационному входу первого преобразователя частота-напряжение, первый и второй выходы первого генератора синусоидальных сигналов соединены соответственно с первым и вторым входами блока сдвига фаз, первый и второй выходы которого подключены соответственно, к первому и второму входам второго усилителя мощности, первый и второй выходы которого соединены с первичной обмоткой третьего согласующего

трансформатора, вторичная обмотка которого через второй масштабный резистор подключена к второй пар задающих электродов, первый и второй выводы второго масштабного ре зистора соединены с первичной обмоткой четвертого согласующего трансформатора, вторичная обмотка кото рого подключена к информационному входу второго преобразователя частота-напряжение, управляющий вход которого соединен с выходом второго генератора синусоидального сигнала.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В ЗЕМЛЕ, содержащее блок моделирования однородного слоя земли, выполненный в виде электролитической ванны, заполненной электролитом, в котором размещена модель неоднородного пласта земли, выполненная в виде листа нз электропроводного материала, размещенного на дне электролитической ванны, первый генератор синуроидальных сигналов, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам первого усилителя мощности, первую пару задающих электродов, расположенных в электролите, в котором размещены первая и вторая пара измерительных электродов, которые подключены соответственно к первой и второй паре информационных входов блока формирования синусоидальных сигналов. первый выход которого подключен к входу первого блока регистрации напряжения и к первому входу первого блока регистрации сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом второго блока регистрации напряжения и с вторым выходом блока формирования синусоидальных сигналов, управляющий вход которого подключен к выходу второго генератора синусоидального сигнала и к управляющему входу первого преобразователя частота-напряжение, отличающеес я тем, что, с целью повьшения точности, в него введены первый и вто§ рой масщтабные резисторы, вторая пара задакицих электродов, располо(П женных в электролите, четыре согласующих трансформатора, блок сдвига с фаз, второй усилитель мощности, третий и четвертый блоки регистрации напряжения, второй блок регистрации сдвига фаз и второй преобразователь частота-напряжение, выход которого подключен к входу третьего блока регистрации напряжения и к первому, входу второго блока регистрации эо сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом четвертого блока s| регистрации напряжения и с выходом о первого преобразователя частота-напряжение, первый и второй выходы первого усилителя мощности подключены к первичной обмотке первого согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через первый масщтабный резистор подключена к первой паре задаю(цих электродов, первый и второй выводы первого масштабного резистора соединены с первичной обмоткой второго согласующего транс

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть исполь зовано в геоэлектроразведке при решении задач электромагнитной индукции конкретных геоэлектрических структур в поле искусственных дипол ных источников. Известно устройство для моделирования электромагнитной индукции в земле, содержащее электролитическ ванну, электроды, согласующие транс форматоры, делители направления и регистрирующий блок П. Однако это устройство имеет низкую точность моделирования. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является уст ройство для моделирования электромагнитной индукции в земле, содержащее блок моделирования однородног слоя земли, выполненный в виде элек ромагнитной ванны, заполненной электролитом, в котором размещена модель неоднородного пласта земпи, выполненная в виде листа из электро проводного материала, размещенного на дне электролитической ванны, первый генератор синусоидальных сиг налов, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам первого усилителя мощности, первую пару задающих электродов, расположенных в электролите, в котором размещены первая и вторая пара измерительных электродов, которые подключены соответственно к первой и второй паре информационных входов блока формирования синусоидальных сигналов, первый выход которого подключей к ВХОД первого блока регистрации напряжения и к первому входу первого блока регистрации сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом второго блока регистрации напряжения и с вторым выходом блока формирования синусоидальных сигналов, управляющий вход которого подключен к выходу второго генератора синусоидального сигнала и к управляющему входу первого преобразователя частота-напряжение 21 Однако известное устройство позволяет моделировать электромагнитное поле только линейной поляризации, тем самым ограничивая возможность применения более рациональных методик частотных зондирований, раз-, работанных для более сложных полей (круговой, эллиптической поляризации) . Кроме того, для интерпретации результатов моделирования необходим точный контроль тока, протекающего непосредственно в возбуждающих электродах или магнитной рамке, что особенно технически сложно на высоких частотах из-за невозможности согласования линии передачи с возбуждающими электродами или магнитной рамкой в широком диапазоне частот. Все это существенно ограничивает применение устройства для интерпретации результатов полевых электромагнитных исследований методом частотного зондирования.

Цель изобретения - повышение точности моделирования.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок моделирования однородного

слоя земли, вьтолненный в виде элекролитической ванны,заполненной элект.Долитом, в котором размещена модель неоднородного пласта земли, выполненная в виде листа из электропроводного материала, размещенного на дне электролитической ванны, первый генератор синусоидальных сигналов, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам первого усилителя мощности, первую пару задающих электродов, расположенных

в электролите, в котором размещены

Первая и вторая пара измерительных электродов, которые подключены соответственно к первой и второй паре информационных входов блока формирования синусоидальных сигналов, первый выход которого подключен к входу первого блока регистрации напряжения и к первому входу первого блока регистрации сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом второго блока регистрации напряжения и с вторым выходом блока формирования синусоидальных сигналов, управляющий вход которого подключен к выходу второго генератора синусоидального сигнала и к управляющему входу первого -преобразователя частота-напряжение, введены первый и второй масштабные резисторы, вторая пара задающих электродов, расположенных в электролите, четьфе согласующих трансформатора, блок сдвига фаз, второй усилитель мощности, третий и четвертый блоки регистраци напряжения, второй блок регистрации сдвига фаз и второй преобразователь частота-напряжение, выход которого подключен к входу третьего блока регистрации напряжения и к первому входу второго блока регистрации сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом четвертого блока; регистрации напряжения и с вьгкодом первого преобразователя частота-напряжение , первый и второй выходы первого усилителя мощности подключены к первичной обмЬтке первого согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через первый

масштабный резистор подключена к первой паре задающих электродов, первый и второй выводы первого масщтабного резистора.соединены с первичной обмоткой второго согласующего TpaHcAopMatopaj вторичная обмотка которого подключена к информационному входу первого преобразователя частота-напряжение, первый и вто0рой выходы первого генератора синусоидальных сигналов соединены соответственно с первым и вторым входами блока сдвига фаз, первый и второй выходы которого подключены соответст5венно к первому и второму входам второго усилителя мощности, первый и второй .выходы которого соединены с первичной обмоткой третьего согласующего трансформатора, вторичная

0 обмотка которого через второй масщтабный резистор подключена к второй паре задающих электродов, первый и второй выводы второго масштабного резистора соединены с первичной об5моткой четвертого согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к информационному входу второго преобразователя частота-напряжение, управляющий вход

0 которого соединен с выходом второго генератора синусоидального сигнала.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит блок 1 моделирования однородного слоя земпи, выполненный в виде электролитической ванны 2, модель 3 неоднородного пласта земли, выполненная в виде листа 4 из электропроводного материала,

0 генератор 5 синусоидальных сигналов, усилители 6 и 7 мощности, пары задающих электродов 8 и 9, пары измерительных электродов 10 и 11, блок 12 формирования синусоидальных сигна5лов, блоки 13 и 1А регистрации напряжения, блок 15 регистрации сдвига фаз, генератор 16 синусоидальных сигналов, преобразователи 17 и 18 частота-напряжение, масштабные ре0зисторы 19 и 20, согласующие трансформаторы 21-24, блок 25 сдвига фаз, блоки 26 и 27 регистрации напряже,ний, блок 28 регистрации сдвига фаз.

, Устройство работает следующим об5разом.

В зависимости от класса решаемых задач и принятой методики интерпретации результатов моделирования рассчитываются согласно критериям подобия проводимость и толщина раствора электролита в ванне 2, проводимости и геометрические размеры моделей 3 геоэлектрических неоднородностей, выбираются пары задающих электродов 8 и 9 и измерительные пары электродов 10 и 11. Изготовленная модель 3 погружается в электролитическую ванну 2 с приготовленным раствором электролита нужной концентрации, на поверхности которого устанавливаются пары задающих электродов 8 и 9 и пары измерительных электродов 10 и 11.

На чертеже представлен вариант устройства с парами задающих электродов 8 и 9 АуВ, AuBu и парами измерительных электродов 10 и 11, состоящими из электродов , MuNi. Конструктивно пары задающих электродов 8 и 9 AvB и АпВи вместе с согласующими трансформаторами 21, 22, 23 и 24, масштабными резисторами 19 и 20, преобразователями 17 и 18 частота-напряжение размещены в одном корпусе, составляющем так называемый возбуждающий зонд. Блок 12 формирования синусоидальных сигналов выполнен согласно прототипу, в виде отдельного законченного прибора. Применение тех или других связано со спецификой измерения (частотным диапазоном возбуждаемого поля, типом возбуждения и т.д.). Например, оптические развязочные линии передачи обеспечивают абсолютную гальваническую развязку измерительных и регистрирующих блоков, но в отличие от . трансформаторньк линий не обладают достаточным коэффициентом передачи в верхней части частотного диапазона от 3 до 10 МГц из-за ограниченной частотной характеристики существующих фотодиодов. Поэтому оптические линии развязки предпочтительнее применять для передачи сигналов низкой промежуточной частоты, а трансформаторные - для передачи высокочастотного напряжения гетеродинного сигнала.. Питание измерительного зонда автономное от гальванических батарей напряжением 9В.

задающих и измерительных з1лектродов устанавливаются на специальной передвижной платформе, которая обеспечивает перемещение и установку электродов по всей площади

электролитической ванны 2 на некотором фиксированном заранее определенном расстоянии г, которое можно изменять в зависимости от характера исследований. Исходя из существующих методик интерпретации результатов зондирования, оси задающих и измерительных электродов ориентированы соответственно принятой координатной сетки электролитической ванны: по горизонтали - X и Y, по вертикали - Z.

Измерения проводятся блоком 12 в характерных точках моделей геоэлектрических неоднородностей. Электрический ток или. магнитное поле рабочей частоты с. - 0,1-10 МГц, создаваемое в электролите электролитической ванны 2 задающими электродами или возбуждающей магнитной рамкой, индуцирует в проводящей моделирующей среде (электролите ванны 2 и моделях 3 геоэлектрических неоднородностей) электромагнитное поЛе, которое наводит в измерительных электродах 10 и 11 электрические напряжения, пропорциональные двум измеряемым составляющим напряженности электромагнитного поля в точке наблюдения. Эти напряжения с частотой возбуждающего поля поступают на. входы блока 12, где преобразуются в сигналы, удоб ные для измерения на блоках 13, 14 и 15 регистрации.

В зависимости от принятой методики интерпретации измеряются какие-либо две составляющие напряженности электромагнитного поля, например Еу и Ei, , Еу и Н и другие и фазовые с отнощения между ними. Результаты частотного зондирования наиболее просто и удобно интерпретировать в случае, когда электромагнитное поле возбуждается и измеряется электродами, например , АцВц и , MuNn, как представлено йа чертеже. . ,

При моделировании линейнополяризованного электрического поля возбуждающими являются, например, электроды , а приемными - . Ток I, протекающий в возбуждающих электродах , возбуждает в электролите электролитической ванны 2 электрическое поле, которое создает в электродах MyN напряжение д.и данной частоты. При этом цепь питания возбуждающих электродов отклю- , чена и тока они не cosnarof. Удельное кажущееся сопротивление .ой в точке измерения на частоте вьфв зится соотношением 2J . i - расстояние между центрами электродов IM м« базы электродов и MyN, . - Удельное кажущееся сопротивление определяется в точке наблюдения на всех рабочих частотах, после чего строится результирующая зависимость от периода колебаний Т исследуемого паля. Если питать пары задающих электродов и AuBu токами, сдвинутыми по фазе на нefcoтopый заданный угол, например 90, в электропите электролитической ванны 2 создается вращающееся электромагнитное попе, горизонтальные электрические состав ; ляющие напряженности которого из/меряются электродами 10 и 11, состо щими из электродов MyNx и MuNy, что позволяет одновременно производить I исследования электромагнитных полей при экваториальном и осевом размещении возбуждающих и приемных электродов. . Рассмотрим более подробно работу устройства. Синусоидальные колебани рабочей частоты f в диапазоне частот 0,1-10 МГц от генератора 5 пода ются на входы усилителей 6 и 7 мощности с регулируемыми выходами, причем на вход усилителя 6 непосред ственно, а усилители 7 - через блок 25, сдвигающий фазу синусоидальных колебаний задающего генератора 5, поступающих на вход усилителя 7, на фиксированный. yrtMi, например 90° Напряжения, поступаияцие от усилител 6 и 7 мощности через согласующие трансформаторы 21 и 24 на пары зада щих электродов 8 и 9, создают в электр олите электролитической ванны 2 гармоническое электромагнитное поле, вектор поляризации которого вращается с цикличной частотой (а колебаний задающего генератора 5 и описывает в пространстве либо круг (если напряжения, поступающие на электроды , и АмВц равны между собой) , либо эллип (если эти напряжения различны), при этом оси эллипса ориентированы по осям возбуждающих электродов АуВу и Ai.|Bij, а их длины определяются соотношением питающих напряжений. В общем случае, когда разница фаз напряжений, определяемая блоком 25, отличается от 90, пространственная ориентация осей эллипса и их длина определяется углом фазового сдвига и величиной амплитуд напряжений возбуждающих электродов. Таким образом, созданное электромагнитное поле вследствие индукции в моделирующей среде испытывает изменения, которые являются источником полезной информации о строении среды и измеряется на поверхности электролита в характерных точках модели блоком 15. Результаты измерений в виде напряжений по развязочным линиям передачи поступают на приемно-регистрируклцие приборы: на блоки 13 и 14 каналов для регистрации соответственно ЕЛ и Е; - составляющих напряженности моде1лирующего электромагнитного поля, и на измеритель разности фаз блок 15 для измерения фазовых соотношений между ними. Падение напряжения на масштабных резисторах 19 и 20 характеризует величину тока, , протекаюещго через задающие электроды 8 и 9. Это высокочастотное напряжение с рабочей частотой . 0,1- МГц через согласующие транСформаторы 22 и 23 поступает на преобразователи 17 и 18 напряжение-частота, На которые одновременно подается синусоидальное напряжение от генератора 16 гетеродинного сигнала с частотой ff- в диапазоне частот 0,1110,01 МГц. В результате частотного преобразования на выходе преобразователей 17 и 18 образуется напряжение постоянной, сравнительно Низкой промежуточной частоты fr f(j 10 кГц, которое по электрическим иниям передачи поступает на измерители напряжения - блоки 26 и 27, а также на измеритель разности фаз блок 28. По измерителям напряжения блокам 26 и 27 - контролируют уровень токов возбуждающих электродов Ej и AuBg, а следовательно, необходимую форму эллипса поляризации, а измерителем разности фаз - блоком 28 - постоянство фазового сдви- 9 ,.га питающих напряжений во всем частотном диапазоне устройства. Предлагаемое устройство по сравнению с базовым позволяет значитель но повысить точность моделирования искусственных электромагнитных полей и существенно расширить класс электрораэведочных задач, решаемых с помощью физического моделирования так как позволяет моделировать элек ромагнитные поля искусственных (дипольных) источников с вращающимся вектором поляризации, что дает возможность применить для интерпретаци результатов моделирования новые более рациональные методики интерпретации исследований., ранее- применяемых только для естественных (магниТотеплургических) электромагнитных полей. Кроме того, применяемая в устройстве объективная и независяща от частота регистрация токов, проте кающих в возбужающих электрических или магнитных диполях, заключающаяс в преобразовании частоты измеряемых 210 токов в постоянную, более низкую промежуточн ю частоту, позволяет значительно повысить точность интерпретации результатов измерений высокочастотных электромагнитных полей, дипольных источников и расширить частотный диапазон моделирования в его верхней части. Применяемые ранее способы регистрации токов в возбзгасдающих диполях непосредственным подключением к ним измерительных линий и приборов или с гюмощью согласующих устройств непреемлемы ий-за невозможности их согласования в щироком диапазоне частот. Применение в моделировании дипольных источников электромагнитного поля для возбуждения вращающегося вектора поляризации является новым направлением в электроразведке и эффективным методом при изучении поверхностных неоднородностей земной коры.