Зонд для измерения магнитной восприимчивости и удельной электропроводности (его варианты) Советский патент 1986 года по МПК G01N27/72 G01R33/12 

1

изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано- в геофизике при измерении магнитной восприимчивости и удельной электропроводности горных пород в обнажениях, на стенках горных выработок, в скважинах, на дне моря, в образцах, а также при опробовании руд черных металлов.

Целью изобретения является повьше- ние точности измерения за счет снижения нестабильности емкостных токов приемной катушки и наводок в ней, а также повышения степени компенсации , магнитного момента сердечника приемной каТушки в присутствии неоднородной среды.

На фиг.1 и 2 изображены схемы зонда по первому и второму вариантам; на фиг.З - расчетный график геометрического фактора зонда.

Генераторная катушка зонда содержит ферромагнитный сердечник 1, намагничивающую обмотку 2 и коммутирующую обмотку 3 (фиг.1,2). Приемная катушка имеет обмотку 4 и ферромагнитный сердечник 5, а компенсационная катушка - обмотку 6 и ферромагнитный сердечник 7. Обмотка 6 компенсационной катушки соединена согласно с обмоткой 4 приемной катушки в замкнутую компенсационную цепь, в которую также входят обмотка 8 балансирующей катушки индуктивности с замкнутым ферромаг1

нитным сердечником 9 и балансирующий резистор 10 (фиг.1). Намагничивающая обмотка 2 генераторной катушки подключена к генератору 11 синусоидального напряжения, а обмотка 4 приемной катушки - к входу усилителя 12, выход которого соединен с входом синхронного выпрямителя 13. К опорному входу синхронного выпрямителя 13 подключена коммутирующая обмотка 3 генераторной катушки. Выход синхронного выпрямителя 13 соединен с регистратором 14. Блок питания 15 подключен к генератору 11 и усилителю 12. Таким образом, измерительная схема 16 образована последовательно соединенными усилителем 12, выпрямителем 13 и регистратором 14.

Устройство работает следующим образом.

В результате протекания переменного синусоидального тока генератора 11 через намагничивающую обмотку 2 генераторной катушки в окружающем

10

15

31448I

пространстве создается переменное магнитное поле. Это поле индуцирует ЭДС в обмотках 4 и 6 приемной и компенсационной катушек. Обе эти ЭДС, действующие в одном направлении, создают ток в замкнутой компенсационной цепи. В воздухе в отсутствие исследуемой среды падение напряжения, появляющееся при протекании тока на полном сопротивлении приемной катушки с обмоткой 4, компенсирует ЭДС этой катушки. Предварительная настройка амплитуды и фазы компенсационного тока производится подбором параметров балансирующей катушки с обмоткой 8 и сопротивления резистора 10. В этом случае полное напряжение на обмотке 4 приемной катушки близко к нулю, а ее ферромагнитный сердечник 5 оказывается размагниченным, так как в объеме сердечника 5 магнитное поле тока компенсирует магнитное поле генераторной катушки. В присутствии исследуемой среды компенсация нарушается и на обмотке 4 приемной катушки появляется сигнал, который имеет реактивную составляющую, пропорциональную магнитной восприимчивости.среды, и активную составляющую, пропорциональную удельной электропрозодности среды. Этот сигнал поступает на усилитель 12, а на синхронный выпрямитель 13, которьй при измерении магнитной восприимчивости подавляет активную составляющую сигнала и выпрямляет его реактивную составляющую, а при измерении удельной электропроводности - наоборот. Выпрямленный сигнал фиксируется регистратором 14..

20

25

30

35,

Исследуемая геологическая среда обычно слабомагнитна и плохо проводит электрический ток. Сигнал на обмотке 4 приемной катушки, появляющийся под воздействием такой среды, весьма мал по сравнению с полной ЭДСприемной катушки. Таким образом, как в воздухе, так и в присутствии среды напряжение на обмотке 4 приемной катушки сохраняется практически на нудевом уровне, а ее сердечник 5 остается размагниченным. При таких условиях почти отсутствуют емкостные токи в обмотке 4 приемной катушки и нет взаимодействия ее ферромагнитного сердечника 5 со средой. Кроме того, значительно уменьщается влияние внешних помех на приемную катушку, параллельно которой подключена цепь из обмоток 6, 8 и резистора 10, .Все это повышает точность измерений.

Напряжение на приемной катушке выражается на основании закона Ома в комплексной форме

(1)

.,-1,,

ЕП-

Iv(jwLn + .Rnl, где и - напряжение на приемной катушке;

ее ЭДС;

соответственно индуктивность и активное сопротивление приемной катушки; сила тока в компенсационной цепи;

U - круговая частота тока. Сила тока определяется также с помощью закона Ома, примененного в замкнутой компенсационной цепи с учетом согласованного включения приёмной и компенсационной катушек

i,.k±i.

+ R

где Е - ЗДС компенсационной ка-

тушки; L и R - полная индуктивность и

полное активное сопротивление последовательно включенных компенсацион- ной катушки с обмоткой 6, балансирующей катушки с обмоткой 8 и балансирующего резистора 10.

В общем случае ЭДС приемной и компенсационной катушек выражаются соотношениями :

Ё„-E„„tйЁ„,E,E,,.йЁ,, .(3)

{гдеЕпо, ко - ЭДС катушек в воздухе;

лЕ, лЕ| - приращения ЭДС под воздействием исследуемой среды. На основании формул (1), (2) и (3)

напряжение на приемной катушке сое-

тавляет

U-Eno t E (Е„,Е,,ьЁп.АЁ,) joLft + f n+jwL,,+RK

VI 11

Лриняв лЕ„ лЕ О и предполагая jg практическое постоянство величин ин- дуктивностей L, L и активных сопротивлений Rn, RK, получаем выражение для напряжения на приемной катушке в воздухе. 55

Uo tno(no E oUjcoLn gn) jcoLn + Rn

(5)

Как видно из формулы (5) требование нулевого напряжения в воздухе

и О(6)

соблюдается при выполнении двух условий баланса. Фазовое условие баланса выражает равенство отношений как инLr

так и активных

и Кд одному и тому

параметру

и R,

Т -1

п 1

(7)

В соот ветствии с этой формулой для обеспечения баланса фаз необходимо равенство добротностей приемной Kgi- тушки и цепи, образованной катушками с обмотками 6 .и 8 и резистором 10

J5..

R.

UiLn

R.

(8)

к n

выполнении условия (7) формула приводится к виду

и F - A--JS 2- (q) о -no 1 +1

Обращение правой части равенства (9) в ноль происходит при выполнении второго амплитудного условия баланса

-(10)

-11°

которое выражает требование равенства параметра отношению ЭДС компенсационной и приемной катушек. При этом оба условия баланса представляются одним соотношением (7), при соблюде- НИИ которого достигается наибольшая глубина компенсации ЭДС приемной ка- тушки.

Из формулы (5) при подстановке в нее условий (7) получается выражение для сигнала, появляющегося под воздействием исследуемой среды

(11)

и

:&Е„-лЕ,,

Общий знак в формуле (11) изменяет- . ся на обратный при заземлении другого вывода обмотки 5 приемной катушки. Использование при выводе формулы (11) Iпредположения о постоянстве индуктив- йости Ln и активного сопротивления R оправдано пренебрежимо малым воздействием среды на параметры приемной катушки с размагниченным ферромагнитным середечником 5. Постоянство же величин Ьц и R достигается, например, удалением компенсационной катушки от среды на расстояние, при котором воздействием среды на эти величины можно также пренебречь. При этом уменьшается и приращение ЭДС лЕ по сраднению с приращением uE .

Тот же результат получится, если отказаться от использования сердечника 7 в компенсационной катушке, разместив ее обмотку 6 на сердечнике 1 генераторной катушки (не показано). Необходимая величина компенсационной ЭДС Бцд в этом случае достигается при очень малом количестве витков обмот- жи 6, индуктивность которой окаэыва- ется пренебрежимо малой по сравнению с индуктивностью катушки, имеющей обмотку 8. Кроме того, величина ЭДС Б,, образуемая в результате трансформации в обмотку компенсационной катуш- ки стабилизированного по амплитуде синусоидального напряжения генератора 11, остается неизменной и в присутствии среды. Таким образом, йЕц О и из формулы (11) следует выра- жение

1 +г

ЛЕ,

(12)

Как видно, коэффициент ослабления ЭДС ьЁ„ из-за шунтирующего действия на приемную катушку других элем$ нтов компенсационной цепи невелик и оценивается величиной /(1 + ).

Если за счет использования обмотки 8 компенсационная катушка имеет одинаковые с приемной катушкой форму размеры, величину магнитной „проницаемости материала сердечника 7 и количество витков обмотки, то фазовое условие баланса (7) при t 1 выполняется автоматически. Таким образом, отпадает необходимость в балансирующем резисторе 10. Амплитудное услови баланса (10) при указанном значении о соблюдается, если ЭДС приемной и компенсационной катушек в воздухе одинаковы

Е,о Епо

(13)

что достигается расположением катушек 6 и 8 на одном сердечнике 7 (фиг.2). В этом случае согласно соотношению (11) сигнал, появляющийся под воздействием среды, составляет половину разностного приращения ЭДС

и

0,5 (дЁ„ - дЕк ).

(14)

Q 5 0 5

5

о

0

5

Благодаря идентичности компенсаци- . ,онной и приемной катушек и их парал- шельному соединению увеличивается стабильность компенсации и обеспечивается размагничивание не только сер- дачника 5 приемной катушки, но и сердечника 7 компенсационной катушки. Кроме того, при параллельной ориентировке осей приемной и компенсационной катушек влияние внешней однородной помехи согласно формуле (14) полностью исключается. Все это повьш1ает точность измерений.

Для экспериментальной проверки предлагаемого устройства был .изготовлен макет зонда из одинаковых приемной и компенсационной катушек, генераторная катушка отличалась от них лишь количеством витков. Оси всех катушек были параллельны, а их цедтры располагались в плоскости, перпендикулярной осям. Расстояния от оси генераторной катушки р„ и гцДО осей приемной и компенсационной катушек бьши одинаковы и совпадали с длиной каждой катушки (Ir 1г 34,5 мм). Угол между плоскостями, проходящими через ось генераторной катушки и соответственно через оси каждой из двух других катушек, составлял 90. При питании генераторной катушки си- нусовдальным напряжением 1,5 В, частотой 1000 Гц в приемной и компенсационных катушках в воздухе индуцировались практически одинаковые ЭДС Е„о 0,58 В. При согласном соединении компенсационной и приемной катушек в замкнутую компенсационную цепь ЭДС небаланса составила лишь 1,6 мВ, в дальнейшем она была скомпенсирована на входе усилителя. Почти полное отсутствие напряжения на выводах параллельно соединенных приемной и компенсационной катушек свидетельствует о размагниченном состоянии их сердечников, отсутствии емкостных токов и о глубокой компенсации ЭДС катушек в воздухе. Благодаря взаимноТ у шунтированию обеих катушек существенно снизилось влияние внешних помех, причем однородная помеха полностью устранялась. Измерения с макетом зонда также показали высокую стабильность компенсации, так как параметры идентичных катушек с измерением внешних условий, например температуры, изменяются одинаковым образом, в результате чего сохраняются условия балан7 , 1231 са. В качестве модели магнитной среды использовалась масса глауконитового песчаника с магнитной восприимчивостью 96 1320 15, При измерении разностного приращения ЭДС 4 Е 5 fiE генераторной и приемной катушек располагались на одинаковом расстоянии h от плоской поверхности модели. Результаты измерений сопоставлялись с теоретической формулой 10

где G - геометрический фактор, характеризующий влияние геометрических ус- ловий измерения. На основании этой формулы вычислялись экспериментальные значения геометрического фактора для различных расстояний h. На фиг.3 изображен расчетный график геометричес- кого фактора макета зонда как функция отношения h/lp, точками обозначены экспериментальные значения G. Совпадение теоретических и экспериментальных данных свидетельствует о высоких метрологических характеристиках зонда, обусловленных отсутствием взаимодействия со средой размагниченных сердечников приемной и компенсационной катушек.

Таким образом, предлагаемый зонд позволит повысить точность измерения благодаря исключению взаимодействия ферромагнитного сердечника приемной катушки со средой, уменьшению емкостньк токов, а также снижению влияния внешних помех и неоднородности среды. За счет устранения указанного взаимодействия относительная погрешность измерения, оцениваемая-отношением геометрического фактора приемной катушки к геометрическому фактору системы генераторная катушка - приемная катзшка, снижается на 10-20%.

Экспериментальные исследования показали, что с переходом от известного зонда к предлагаемому, уровень помех на приемной катушке в лабора231ы 5 10

15202530

г 4Q

45 4488

торных условиях снижается более чем на порядок. Соответственно уменьшается и абсолютная погрешность измерения .

Формула изобретения

1.Зонд для измерения магнитной восприимчивости и удельной электропроводности, содержащий генераторную катушку, приемную катушку с ферромагнитным сердечником, последовательно соединенную с компенсационной катушкой, и измерительную схему, первая входная клемма которой соединена с первым выводом дриемной катушки, отличающийся тем, что,

с целью повьштения точности измерения, в него введены балансирзтощие резистор и катушка, приемная и компенсационная катушки соединены согласно между собой и последовательно с балансирующим резистором и катушкой в цепь, начало и конец которой объединены, а второй вывод приемной катушки соединен с второй входной клеммой измерительной схемы.

2.Зонд для измерения магнитной восприимчивости и удельной электропроводности, содержащий генераторную

.катушку, последовательно соединенные приемную и компенсационную катушки с ферромагнитным сердечником и измерительную схему, первая входная клемма которой соединена с первым выводом приемной катушки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него .введена балансирующая катушка, размещенная на ферромагнитном сердечнике компенсационной катушки,,приемная и компенсационная катушки соединены согласно между собой и последовательно с балансирующей катушкой в цепь, начало и конец которой объединены, а второй вывод приемной катушки соединен с второй входной клеммой измерительной

Cpu8.2

0.8

1гл

фиг.З

Изобретение может быть использовано при измерении заданных характеристик горных пород в обнажениях, на стенках горных выработок, в скважинах и т.д. Цель изобретения - повьшение точности измерения. Устройство содержит ферромагнитный сердечник (С) 1, намагничивающую обмотку 2, коммутирующую обмотку 3, приемную катушку, вклю- чающую обмотку 4 и С 7, компенсационную катушку, содержащую обмотку 6, С 7 и обмотку 8 балансирующей катушки. Измерительная схема 16 образована усилителем 12, выпрямителем 13 и регистратором 14. Предусмотрен второй вариант выполнения устройства, отличающийся, от первого введением балансирующего резистора 10 и наличием С 9 балансирующей катушки. Введение балансирующих резистора и катушки в одном варианте конструкции устройства и размещение балансирующей катушки на С 7 компенсационной катушки в другое варианте позволило на порядок снизить уровень помех на приемной катушке, а погрешность измерений - на 10- 20%. 2 с.п.ф-лы, 3 ил. (Л fff ю со