Устройство для геоэлектроразведки Советский патент 1985 года по МПК G01V3/08 

1 Изобретение относится к устройствам для геофизической разведки с применением переменных электромагнитных полей и может быть использовано для измерения электрических свойств горных пород при поисках и разведке полезных ископаемых и при инженерно-геологических изысканиях. Известно устройство для геоэлект роразведки типа АЭММ-3, состоящее из Генератора и генераторной рамки, приемника и приемной рамки, позволя ющее измерить составляющие вектора напряженности вторичного магнитного поля, возбуждаемого первичным полем генераторной рамки .в горном массиве и определить по этим составляющим электрические свойства горных пород .. Недостатки данного устройства низкая точность измерения вторичног поля, обусловленная влиянием первич ного поля, и, как следствие, низкая точность определения электрических свойств горных пород. Наиболее близким к изобретению является устройство, реализующее способ измерения вторичного магнитного поля (23 состоящее из генератора, соединенного с входом коммутатора, на другие входы которого подключены две взаимно перпендикулярные рамки и блок амплитудно-фазо вой компенсации. Приемника, включаю щего детектор, избирательный усилитель и регистратор. Это устройство позволяет измерить вторичное поле, исключив влияние первичного, и погрешность, вызванную непостоянством компенсации 2. Известное устройство характеризу ется низкой точностью измерения электрических свойств горных пород, обусловленной неоднородностью электрических свойств реального горного массива, нестабильностью коэффициента усиления приемника и непостоянством выходной мощности генера тора. Следствием неоднородности эле трических свойств горного массива является непостоянство А:опр6тивления излучения, а значит, и магнитно го момента рамок в разных точках на поверхности массива. К изменениям магнитного момента рамки приводит непостоянство выходной мощности генератора. Нестабильность магнитного момента рамок приводит к воз8никновению значительных погрешностей при измерении вторичного поля. Другим источником погрешности измерения вторичного поля является изменение коэффициента усиления приёмника под воздействием дестабилизирующих факторов (изменение температуры окружающей среды и напряжения источников питания). У1|:азанные погрешности снижают точность определения электрических свойств горных пород, рассчитываемых по величи не вторичного поля. Целью изобретения является повышение точности измерения электрических свойств горных пород. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, состоящее из генератора, соединенного с входом коммутатора, на другие входы которого подключены две взаимно перпендикулярные рамки и блок амплитуднофазовой компенсации, приемника, включающего детектор, избирательный усилитель, регистратор, введены дополнительная рамка, второй и третий коммутаторы, второй и третий детекторы, блок выборки и запоминания сигнала, блок сравнения, усилитель. блок управления, причем дополнительная рамка жестко прикреплена к первь1м двум рамкам и подключена к второму входу второго коммутатора и к блоку амплитудно-фазовой компенсации выход первого коммутатора подключен к первому входу второго коммутатора, а к его вькоду последовательно подключены первый детектор, избирательньй усилитель, второй детектор, третий коммутатор, блок, выборки и запоминания сигнала, блок сравнения, третий детектор и через переключатель регистратор, при этом второй выход третьего коммутатора соединен с вторым входом блока сравнения, вход усилителя соединен с выходом первого детектора, а выход подключен к переключателю, управляющие входы первого, второго, третьего коммутаторов и блока выборки и запоминания сигнала соединены с соответствующими выходами блока управления. Такое конструктивное выполнение и включение дополнительных блоков позволяет осуществить автоматически относительные измерения вторичного поля и тем самым исключить погрешности, обусловленные неоднородностью горного массива, нестабильностью коэффициента усиления приемника и непостоянством выходной мощности :ге нератора. На фиг.1 изображена блок-схема устройства; а на фиг.2 - графики напряжений в различных точках схемы Устройство для геоэлектроразведки содержит генератор 1, соединенны с входом коммутатора 4, к другим в5содам которого подключены рамки 2,3 и блок 5 амплитудно-фазовой компенсации, дополнительную рамку 6 подключенную к второму входу второг коммутатора 7 и к блоку 5 амплитудно-фазовой компенсации и жестко при крепленную к рамкам 2 и 3 на рассто нии 1-3 м от них таким образом, что ее ось перпендикулярна линии пересе чения рамок 2 и 3, горизонтальна и проходит под углом 45° к плоскости рамок через их общий центр, с выходом коммутатора 4 соединен первый вход коммутатора 7, а к его выходу последовательно подключены блоки пр емника 8: первый детектор 9, избира тельный усилитель 10, второй детектор 11, третий коммутатор 12, блок 13 выборки и запоминания сигнала, блок 14 сравнения, третий детектор 15 и через переключатель П1 регистратор 16. Регистратор 16 с помощью переключателя П1 может быть отключе от выхода третьего детектора 15 и подключен к выходу усилителя 17, вход которого подключен к выходу первого детектора 9. Управляющие вх ды коммутаторов 4,7,12 и блока 13 выборки и запоминания подключены к выходам блока 18 управления. Устройство работает в двух режимах: компенсация и измерение. В режиме компенсация блок 18 управления отключен, управление ком мутаторами 4 и 7 осуществляется вручную, а регистратор 16 с помощью переключателя П1 отключен от выхода детектора 15 и подключен к выходу детектора 9 через усилитель 17. Устройство в режиме компенсация работает следующим образом. Через коммутатор 4 генератор 1 подключен к рамке 2, а рамка 3 подключена к блоку 5 амплитудно-фазовой компенсации и к первому входу коммутатора 7 Подключив с помощью коммутатора 7 к входу приемника 8 (через коммута084тор 4) рамку 3, путем регулировки амплитуды и фазы подаваемого на нее напряжения из блока 5 амплитуднофазовой компенсации компенсируют суммарный сигнал первичного поля, создаваемого рамкой 2, и вторичного поля изучаемого горного массива, добиваясь минимальных показаний регистратора 16. Подключив через коммутатор 7 на вход приемника рамку 6, осуществляют компенсацию суммарного сигнала в ней путем регулировки амплитуды и фазы подаваемого из блока амплитудно-фазовой компенсации на рамку 6 напряжения. Максимальная степень компенсации достигается, как и в предыдущем случае, при минимальных показаниях регистратора 16. Блок 5 амплитудно-фазовой компенсации имеет раздельные выходы для подключения рамки 6 и рамок 2 или 3 (через коммутатор 4) и раздельные органы регулировки амплитуды и фазы напряжений на зтих выходах. В режиме измерения коммутдторы 4, 7, 12 и блок выборки и запоминания сигнала управляются командами, периодически поступающими от работающего в автоматическом режиме блока 18 управления. Коммутатор 4 производит переключение рамок 2 и 3 с генератора 1 на приемник 8 и обратно с частотой S2| , меньшей частоты генератора со . Коммутаторы 7 и 12 работают синхронно и частота их переключений Поменьше частоты переключений коммутатора 4О( .Вход регистратора 16 через переключатель Ш подключен к выходу детектора 15. В момент времени, когда через коммутаторы 7 и 4 к приемнику подключена одна из рамок 2 или 3, с помощью коммутатора 12 выход детектора 11 подключён,к блоку 13 выборки и запомиМания сигнала, а когда к вход, части через кода«утатор 7 подключена рамка 6, выход детектора 11 через комутатор 12 подключен непосредственно к второму входу блока 14 сравнения. В момент времени, соответствую11(ий ерзому полупериоду частоты переклюения Я, , 2 и 3 подключены оответственно к генератору 1 и приемника 8 через коммутаторы 4 7. Блок 5 амплитудно-фазовой компен сации через коммутатор 4 подключен к рамке 3 и осуществляет компенсацию суммарного сигнала, наводимого в рамке 3 первичным полем, создаваемым рамкой 2 и вторичным полем изучаемого массива. Сигнал, поступа ющий на вход приемника 8, будет ра вен некоторой нескомпенсированной части суммарного сигнала uU . Во второй полупериод частоты коммутаци О, коммутатор 4 подключает рамку 3 к генератору 1, а рамку 2 к блоку 5 амплитудно-фазовой компенсации и че рез коммутатор 7 к входу яриемника 8. С рамки 2 через коммутатор 4 на вход приемника постуйает сигнал, равный сумме нескомпенсированной части суммарного сигнала Л U и напряжения 2 U t , пропорционального удвоенному значению составляющей напряженности вторичного поля 2Н(. Рамки 2и 3 подбирают с близкими параметрами и, кроме того, они соде жат делители для подбора коэффициента передачи. На вход приемника 8 в режиме измерения будет поступат амплитудно-модулированный сигнал с несущей частотой со и огибающей в виде прямоугольных импульсов с амплитудой 2 U, и частотой S2 (фйг.2а Параметры третьей рамки 6 подбираются близкими к параметрам рамок 2 и 3, и она также содержит делитель для подбора коэффициента передачи. Поскольку рамка 6 подключена к блоку амплитудно-фазовой компенсации и в ней также осуществлена компенсация суммарного сигнала, то на вход приемника 8 будет поступать амплитудно-модулированный сигнал с несущей частотой Ы и огибающей в В1ше прямоугольных импульсов с частотой Я, и амплитудой 2(J2, пропорциональной удвй еяному значению составляющей 2Н прик шаёмой рамкой 6 (фиг.26). В первый полуперирд переключения коммутаторов 7 и 12 на л.ри емника 8 поступает через коммутатор амплитудно-модулированный. сигнал с коммутатора 4, После детектирования детектором 9 получают сигнал, содержащий постоянную составляющую составляющие с частотами п, , 2., и 2й)+ П|. С помощью избирательного усилителя 10 происходит вьаделение сигнала с частотой J( (фиг.2в), который выпрямляется детектором 11, и постоянная составляющая через ком-4 мутатор 12 поступает на блок 13 вы- . борки и запоминания сигнала, где хранится в течение первого полупериода частоты коммутации 52j- Во втором полупериоде частоты SZj амплитуд но-модулированный сигнал с рамки 6 через коммутатор 7 поступает на вход приемника 8, претерпевает преобразования, аналогичные преобразованиям сигнала, поступающего с коммутатора 4, и через коммутатор 12 поступает непосредственно на второй вход блока 14 сравнения. Одновременно, по команде блока управления, с блока 13 выборки и запоминания сигнала поступает хранившийся там сигнал на первый вход блока 14 сравнения. На выходе блока сравнения получают периодический сигнал с частотой Я, огибающей в виде прямоугольных импульсов, амплитуда которых равна отнощению амплитуд составляющих напряженности вторичного поля Н и Hg. принимаемых рамками 2 или 3 и рамкой 6 (фиг.2г). Этот сигнал выпрямляется детектором 15 и постоянная составляющая поступает через переключатель П1 на регистратор 16. При этом исключаются погрешности, вносимые неоднородностью горного массива, нестабильностью коэффициента усиления приемной части и выходной мощности генератора. Это видно из следующих соотношений для напряжения и U,-k-KrK,-k3-K4-Ho (1) где Uf - напряжение, пропорциональное напряженности составляющей вторичного поля, принимаемой рамки 2 или 3; k - коэффициент пропорциональности, связывающий напряженность поля, в котором находится рамка, с напряжением на ее выходе коэффициент, учитывающий изменение параметров генераторной рамки; Kj - коэффициент, учитывающий изменение параметров приемной рамкиу Kj - коэффициент, учитывающий - изменение выходной мощности генератора , k,j - коэффициент усиления приемного тракта Н, - напряженность составляющей вторичного поля, принимаемой рамки 2 или 3 при пост янном магнитном моменте генераторной рамки, Вьфажение (1) справедливо для попере менного использования в режиме генераторной и приемной рамок 2 и 3, так как они имеют близкие параметры и подобранные с помощью делителей равньми коэффициенты передачи. Напряжение Ц„ ., пропорциональное напряженности составляющей вторичного поля принимаемой рамкой 6 равно игК-Кг-К1-К4-Нг, (2) где к, Кз, К, К, - коэффициенты, аналогичные ко эффициентам К,, К2, Kj, N4 в выраженииС1) Hg - напряженность составляющей вторичного поля принимаемой рамкой 6 при постоянном магнитном момент генераторной рамки, В предлагаемом устройстве сравнение величин составляющих напряженнос ти поля, принимаемых рамками 2 или 3 и рамкой 6, осуществляется через малый промежуток времени, равный половине периода частоты Qj 100200 Гц, т,е, (5-10)-lO-s с. За это время изменений выходной мощности и коэффициента усиления прямого трак та под воздействием дестабилизирующих факторов практически не произойдет, поэтому , , Предлагаемое устройство предназна чено для измерения электрических свойств горных пород в движении. При этом, поскольку результат измерений зависит от отношения напряжений U и Uj , пропорциональных напряженностям составляющих поля Н и Hj которые измеряются через промежуток времени, равных половине периода Jj /2 частоты 522, возникает погрешность за счет ра личия параметров рамок в точках, расположенных на расстоянии, равном пути, проходимому транспортным средством за это время. Оценим это расстояние. При скорости транспортного средства 10 м/с (36 км/ч) и часто те $22 100 Гц оно будет равно 0,05 (м). 2 Параметры антенн в двух точках на поверхности неоднородного горного массива при столь незначительном расстоянии между ними останутся практически неизменными, так как размеры геологических неоднородностей (карстовых воронок, наклонных пластов, рудных тел, скальных включений и т.п,), наличие которых в горном массиве приводит к неоднородности распределения его электрических свойств, значительно больше указанного расстояния. Это позволяет считать К.К,, , Тогда независимо от изменения величины коэффициентов , К, -К, , , К; и, Н, т,е, наличие дестабилизирующих факторов и неоднородности распределения электрических свойств горного массива не будет оказывать влияния на результаты измерения электрических свойств горных пород. Отношение амплитуд составляющих вектора магнитного поля зависит от электромагнитных свойств среды (удельное электрическое сопротивление, диэлектрическая и магнитная проницаемости), расстояния между ге нераторной и приемной рамками и частоты поля. Магнитная проницаемость для подавляющего больпшнства горных пород равна 1, а диэлектрическая проницаемость горных пород в диапазоне частот, обычно используемом в электроразведке по методу, основанному на измерении вторичных полей, возбуждаемых в горном массиве генераторной рамкой, практически не вли нет на амплитуды составляющих полк и ею можно пренебречь. Расстояния между генераторной и приемными рамками у предлагаемого устройства постоянно, поэтому для конкретных значений частоты поля шкала регистратора 16 может быть проградуирована в единицах измерения электрического сопротивления, Погрешности измерения электрических свойств горных пород за счет нестабильности коэффициента усиления риемника и выходной мощности генеатора при условии применения мер по стабилизации режимов работы блоков стройства не превышают нескольких процентов. Основная погрешноеть обу

словлена неоднородностью электрических свойств реального горного массива, приводящей к изменению сопротивления излучения рамок, а значит и их магнитного момента. Так, при изменении волнового числа, являющегося функцией электромагнитных свойств горного массива, в 4 раза, что соответствует изменению электрического сопротивления в 16 раз, а на практике сопротивление пород одного . участка может измениться и в более широких пределах, сопротивление излучения рамки, следовательно, и ее магнитный момент изменяют я в 3 раза.

Таким образом, точность измерения электрического сопротивления горных пород за счет применения предлагаемого устройства может быть повышена в 2-3 раза по сравнению с прототипом. Высокая точность измерения электрического сопротивления позволит, кроме изучения его пространственного распределения, изучить корреляционные зависимости между электрическими и инженерно-геологическими свойствами горных пород. С помощью этих зависимостей по электрическим свойствам могут быть определены типы и физико-механические свойства горных пород.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ, сос тоящее из генератора, соединенного с входом коммутатора, на другие входы которого подключены две взаимно перпендикулярные рамки и блок амплитудно-фазовой компенсации, приемника, включающего детек тор, избирательный усилитель, регистратор, отличающееся тем, чт, Q целью повышения точности измерения злектрических свойств горных пород, в него введены дополнительная рамка, второй и третий ZJrE (« ,;. ii-Uv it i : коммутаторы, второй и третий детекторы, блок выборки и запоминания сигнала, блок сравнения, усилитель, блок управления, причем дополнительная рамка жестко прикреплена к первым двум рамкам и подключена к второму входу второго Коммутатора и к блоку амплитудно азовой компенсации, выход первого коммутатора подключен к первому входу второго коммутатора, а к его выходу последовательно подключены первый детектор, избирательный усилитель, второй Детектор, третий коммутатор, блое выборки и запоминания сигнала, блок сравнения, третий детектор и через переключатель регистратор, при этом второй выход третьего коммутатора соединен с вторым входом блока сравнения, вход усилителя соединен с выходом первого детектора, а выход подключен к переключателю, управлякшще входы первого, второго, третьего коммутаторов и блока выборки и запоминания сигнала соединены с соответствующими выходами блока управления. HiJSEK

г,