Устройство для измерения магнитной восприимчивости и удельной электропроводности Советский патент 1986 года по МПК G01V3/18 

11

Изобретение относится к разведочной геофизике .и предназначается для использования в каротаже магнитной восприимчивости, индукционном каротаже, а также при изучении морских донных отложений, горных пород и руд в обнажениях и по стенкам горных выработок.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 - схема устройства с преобразователем ток- напряжение, выполненным на основе операционного усилителя; на фиг. 3 - зависимость сигнального тока Л Г от количества витков W приемной или компенсационной катушек,с использованием двойного Логарифмического масштаба экспериментальными точками; на фиг. 4 - схема устройства с преобразователем ток-напряжение, выполненным в виде трансформатора.

Генераторная цепь 1 (фиг. 1) индукционного зонда подключена к генератору 2 переменного напряжения, а приемная цепь 3 соединена в замкнутый контур подключением ее к входу преобразователя 4 ток-напряжение, выход которого соединен с усилительно-регистрирующей схемой 5. Индуктивная связь генераторной цепи 1 зонда с его приемной цепью 3 (фиг. 1) обозначена пункирной стрелкой.

Устройство работает следующим образом.

В результате протекания в генераторной цепи 1 зонда переменного тока генератора 2 в окружающем пространстве создается переменное магнитное поле, которое индуцирует ЭДС в приемной цепи 3 зонда . Под воздействием исследуемой среды величина ЭДС по отношению к значению ее, существовавшему в воздухе, приобретает приращение. Это приращение ЭДС создает в замкнутом контуре, образованном приемной цепью 3 зонда и входным сопротивлением преобразователя 4, сигналь- ньй ток. Преобразователем 4 сигнальный ток преобразуется в напряжение, которое поступает на вход усилительно-регистрирующей схемы 5. Этой схемой сигнал усиливается, выпрямляется и фиксируется в аналоговой или дискретной форме. По величине зарегистрированного сигнала судят о магнитной восприимчивости или удельной электро782

проводности исследуемой среды. Так как входное сопротивление Zg,x преобразователя 4 во много раз меньше полного сопротивления Z приемной цепи 3

зондаJ то для приемной цепи приближенно реализуется режим короткого замыкания, благодаря которому существенно уменьшается влияние внешних помех и повышается точность измерений. :

Погрешность осуществления режима короткого замыкания можно оценить отношением Z 1Ъ входного сопротивления преобразователя 4 к полному сопротивлению приемной цепи 3. Приемлемой может быть относительная

погрешность в 20%. Тем самь}м ограничивается величина входного сопротивления преобразователя 4 сверху

20

Zax 0,2 2„

(1)

С уменьшением отношения зта погрешность уменьшается, но снижается чувствительность измерений.

25 Приращение ЭДС А под воздействием исследуемой среды.приводит к появлению на входе преобразователя 4 напряжения jiU. С учетом ограничения CD величина его определяется приближен30 ным соотношением

.f- Z f

вх

(2)

Следовательно, отношение является также коэффициентом передачи по напряжению замк нутого контура приемная цепь 3 зонда - входное сопротивление преобразователя 4. Чрезмерное уменьшение отношения Z /Z поэтому нецелесообразно. Наибольшую точность реализации режима короткого замыкания достаточно оценить относительной погрешностью в 0,02%. Этим устанавливается нижняя граница вход- него сопротивления преобразователя.

0,0002 ZH Zg.

(3)

Генераторная цепь индукционного зонрд, (фиг. 2) состоящая из генераторной Катушки 6- и первичной обмотки 7 трансфо|5матора с замкнутым ферромагнитным сердечником 8, подключена к генератору 2 переменного напряжения. Приемная цепь индукционного зонда, образованная встречно включенными приемной катушкой 9 и компенсационной катушкой 10, соединена с входом преобразователя ток-напряжение в замкнутый контур. Преобразователь ток-напряжение содержит операционный усилитель 11 с регистром 12 обратной связи и симметрирующим резистором 13, Цепь отрицательной обратной связи, в которую входит резистор 1J, включена с выхода операционного усилителя 11 на его вход. Выход операционного усилителя подключен также к входу усилительно-регистрирующей схемы, со- держащей усилитель 14, синхронный выпрямитель 5, опорный вход которого соединен с вторичной .обмоткой 16. трансформатора, и регистратор 17.

Особенность работы устройства с операционным преобразователем ток- напряжение состоит в следующем.

Благодаря большому коэффициенту усиления (10 -10) операционного усилителя, напряжение сигнала дU на входе его за счет отрицательной обратной связи поддерживается практически на нулевом уровне. Тем самым обеспечивается очень малое входное сопротивление преобразователя Z - от нескольких ом до долей ома. Это свидетельствует о режиме-короткого замыкания для приемной цепи зонда. В этом случае напряжение сигнала целесообразно выразить формулой, вы- текающей из соотношения

&и

л1 Z

ex

(2)

где ь1 i.(5)

сигнальный ток в приемной цепи.

Сигнальный ток, являющийся входным током для преобразователя, протекает через резистор 12 обратной связи и симметрирующий резистор 13 и создает сигнал выходног о напряжения преобразователя

ивы.(Кс..св.

+ си ,

где R - сопротивление резистора

12 обратной связи; R - сопротивление симметрирующего резистора 13. Таким образом, преобразователь с операционным усилителем ведет себя по отношению к приемной цепи как низ- коомный приемник тока, а по отнощению к усилителю 14 - как низкоомный приемник тока, а по отношению к усилителю 14 - как низкоомный источник , напряжения.

При использовании операционного усилителя в качестве преобразователя ток-напряжение по новому формулируются требования к катушкам индуктивности приемной цепи, параметры которых должны в соответствии с равенством (6) обеспечивать возможно больший сигнальный ток.

Рассмотрим одинаковые приемную 9 и компенсационную 10 катушки, каждая из которых содержит W витко.в провода при одной и той же площади S сечения намотки. Исследуем зависимость сигнального тока д1, создаваемого некоторой средой, от поверхности которой приемная и компенсационная катушки находятся на различных расстояниях, от количества витков при условии постоянства заполнения площади сечения. Приращение ЭДС й , возникающее под воздействием среды, прямо пропорционально количеству витков каждой катушки

де- W.

(7)

Зависимость от W полного сопротивления Zy, более сложная, так как

Zn 2 + R;

(8)

где L и R - индуктивность и активное сопротивление при- емной или компенсационной катушек.

Магнитный поток через один виток, например, приемной катушки прямо пропорционален W, а через все витки - квадрату числа витков. Следовательно,.

W

(9)

40

45

50 55

Активное сопротивление R катушки, с одной стороны, линейно растет с длиной провода и поэтому пропорционально W. С другой стороны, R убывает обратно пропорционально площади сечения провода, величина которого ориентировочно равна .

Таким образом, и для активного сопротивления имеем

W

(11)

Из формул (5), (6), (7) и (11) следует, что сигнальный ток и выходное напряжение преобразователя увеличиваются с уменьшением количества витков

Д1, 4U

выи

1/W.

(12)

Таким образом, чувствительность измерения возрастает обратно пропорционально количеству витков в катушках приемной цепь при намотке их бо- лее толстым проводом с сохранением неизменной площади сечения намотки и при условии приближенного обеспечения режима короткого замыкания. Применение низкоимпедансной короткозамкаутор приемной цепи повышает точность измерения благодаря уменьшению влияния внешних помех и межвитковых емкостных токов, а также за счет увеличения стабильности параметров катушек приемной цепи,

Для экспериментальной проверки устройства изготовляют макет зонда с плоскими соосными катушками. Сред- НИИ диаметр генераторной катушки 150 мм. Одинаковые приемная и компенсационная катушки, расположенные по разные стороны генераторной катушки, имеют средний диаметр 74 мм и их - центры находятся друг от друга на расстоянии 12 мм. У приемной и компенсационной катушек .имеются одинаковые пазы для намотки провода высотой 4 мм и шириной 20,5 мм. Макет зонда последовательно выполняется в трех модификациях, отличающихся только диаметром провода намотки приемной и компенсационной катушек, который составляет 0,09 мм, 0,23 мм иО,44 мм.

Этим диаметрам соответствуют количества витков катушек, равные 6500, 936, 360 и полные сопротивления приемной цепи 10160, 231, 30 Ом. Генераторная катушка подключается к генератору частотой 333 Гц и напряжением 2 В. Последовательно и встречно включенные приемная 9 и компенсационная 10 катушки соединяются с входом операционного усилителя 11. Ввиду практической идентичности катушек приемной-цепи резистор 12 обратной связи и симметрирующий резистор 13 имеют одинаковые сопротивления (К„.. ,

по. СП,

тремя модификациями макета зонда измеряют сигналы ди, на выходе операционного усилителя, появляющегося при поднесении зонда к массе глауконитового песчаника с магнитной восприимчивостью Эе 1320-10 СИ. Значения напряжения с помощью формулы (6) пересчитьшаются в сигнальный ток л I в приемной цепи .

Чувствительность измерений действительно растет с уменьшением количества витков и увеличением диаметра провода катушек приемной цепи (фиг. 3) Более того, экспериментальные точки практически лежат на прямой с отрицательным единичным угловым коэффициентом, которая отвечает теоретическому соотношению (12).

В случае, когда катушки приемной цепи значительно отличаются по своим параметрам или же имеют достаточно малое количество витков, целесообразно использовать обычную, несимметричную схему включения операционного усилителя. В этой схеме симметрирующий резистор 13 отсутствует и соответствующий вывод операционного усилителя 11 заземляется непосредственно (R

0).

Обмотка 5 генераторной катушки с ферромагнитным сердечником 18 подключена к генератору 2. Обмотка 9 приемной катушки с сердечником 19 подключена параллельно входной обмот - ке 2.0 трансформатора с замкнутым ферромагнитным сердечником 21. Выходная обмотка 22 трансформатора соединена с -входом усилительно-регистрирующей схемы 5 (фиг. 4). .

Oco6etiHocTb работы устройства с трансформатором в качестве преобразователя ток-напряжение состоит в компенсации магнитного момента приемной катушки при любых зна чениях ее полной измеряемой ЭДС .

При коротком замыкании обмотки 9 приемной катушки в ней протекает ток 6

I

QL,

(13)

5

0

5

так как при наличии сердечника 19 активным сопротивлением обмотки можно пренебречь и принять Z, ЫЬ„, где L - индуктивность приемной катушки;

W - угловая частота электромагнитного поля.

Б строгом режиме короткого замыкания магнитный поток через витки приемной Аатушки равен нулю, поскольку внешнее магнитное поле в объеме приемной катушки компенсируется магнитным полем тока I, протекающего в ее обмотке. В этом случае сердечник 19 оказьшается размагниченным. Однако, приемная катушка за счет тока короткого замыкания имеет хотя и небольшой по вел1-гчине магнитный момент Мд, обусловленный этим током

М, -ISW,

где S - средняя площадь витка приемной катушки (знак минус означает, что магнитный момент M(j противоположен направлению внешнего магнитного поля). Таким образом, короткое замыкание обмотки 9 приемной катушки сопровождается перекомпенсацией магнитного момента этой катушки.

При подключении обмотки 9 параллельно входной обмотке трансформатора 20 ток короткого замыкания уменьшается на величину Si, которая удовлетворяет уравнению

I - 81

соТу„ + coL

индуктивность входной обмотки 20 трансформатора 25 (предполагается, что вторичная обмотка-22 его нагружена на высокоомный вход усилительно-регистрирующей схемы 5).30

нств (13) и (14) следует для относительного измене

Si -.LBi-ZL-i

I

1+Ь„. /L,

С учетом воздействия тока Si магнитный момент М приемной катушки выражается формулой

t ч SI ., el

М м„ - - ,

в которой второе слагаемое характеризует возрастание момента обмотки 9, а третье слагаемое - возрастание момента ферромагнитного сердечника 19 Вклад сердечника в магнитный момент катушки в т раз больше, чем вклад токовой обмотки, причем коэффициент те может быть установлен расчетным или экспериментальным путем. В зависимости от формы сердечника и магнитной проницаемости его материала коэффициент т, обычно принимает зна- чение от 10 до 30.

Из формулы (16) вытекает условие равенства нулю магнитного момента М

1

т,

(17)

которое с учетом формулы (15) прини- 5 мает окончательный вид

1

т.

(18)

20

)

2530

)35

ю ю 15

40

)

5

Точность компенсации магнитного момента несколько повысится, если, наряду с условием (18), учесть влияние активного сопротивления приемной катушк и. Для этого достаточно, например, шунтированием вторичной обмотки трансформатора обеспечить добротность его первичной обмотки такую же, как у приемнорг катушки.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении точности измерений магнитной восприимчивости и опробования маг- нетитовых руд благодаря компенсации магнитного момента приемной катушки с ферромагнитным сердечником и снижения влияния промышленных помех. Только за счет исключения влияния магнитного момента приемной катушки точность измерений возрастает примерно на 15-25%.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения магнитной восприимчивости и удельной электропроводности, содержащее индукционный зонд с генераторной и прием- ной цепями, генератор, подключенный к генераторной цепи зонда, усилительно-регистрирующую схему, о т л и- чающее ся тем, что, с целью повышения точности измерения, приемная цепь зонда соединена с входом преобразователя ток-напряжение, выход которого подключен к усилительно- регистр ирующей сх еме.

2.Устройство по п. 1, о т л и- чающее ся тем, что преобразователь ток-напряжение выполнен в виде операционного усилителя с отрицательной обратной связью.

3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью компенсации магнитного момента приемной катзтики с ферромагнитным сер- дачником, преобразователь ток-напряжение выполнен в виде трансформатора

с входной и выходной обмотками, причём входная обмотка трансформатора соединена с обмоткой приемной катушки и ее индуктивность связана с индуктивностью приемной катушки соотношением

де Lg

ь„

т

индуктивность входной обмотки трансформатора; индуктивность приемной катушки зонда; отношение магнитных моментов соответственно ферромагнитного сердечника при

Изобретение относится к разведочной геофизике и предназначается для использования в каротаже магнитной восприимчивости, индукционном каротаже, а также при изучении морских донных отложений. С целью повышения точности измерения, в устройство, содержащее индукционный зонд с генераторной и приемной цепями, генератор, подключенный к генераторной цепи зондаi усилительно-регистрирующую схему, приемная цепь зонда соединена с входами преобразователя ток-напряжение, выход которого подключен к усилительно-регистрирующей схеме, преобразователь ток-напряжение может быть выполнен в виде операционного усилителя с отрицательной обратной связью. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л

Фиг.2

18

Фмг.Ч

Редактор О. Головач

Составитель,Л. Воскобойников

Техред О.ГортвайКорректор М. Максимишинец

Заказ 2765/47

Тираж 728

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д., 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Подписное