Устройство обработки данных спектрометрического гамма-каротажа Советский патент 1987 года по МПК G01V5/00 

128

второй схемы .сравнения, выход кото- poil подключен к третьему входу элемента И, второй вход которого подключен к выходу первой схемы сравнения, а первый вход - к выходу элемента задержки и тактовому входу блока синхронизации, второй выход которого соединен с входами перезаписи выходных регистров, третий выход подключен к входам перезаписи входных регистров, а четвертый - к запрещающим входам двоичных счетчиков, входы сброса которых соединены с первым выходом блока синхронизацииi каждая из п последовательных групп выходов демуль- типпексора соединена.с п входами блоков задания знаков коэффициентов, выходы которых подключены к входам суммирования и вычитания соответствующих реверсивных счетчиков, а выходы последних соединены с информа- ционнь1ми входами соответствующих выходных регистров.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок задания коэффициентов содержит п двухполюсных ключей, входы которых являются входами блока, первые выход ключей соединены с входами первого элемента ИЛИ, вторые выходы ключей

1

Изобретение относится к обработке измерительной инфйрмацйи, получаемой при ядерно-геофизических исследованиях скважин, и предназначено , для использования при обработке дан- ffisix спектрометрического гамма-каротажа, на месторождениях полезных ископаемых.

Цель изобретения - реализация новых функциональных возможностей за счет вычисления с высокой точностью концентрации полезных компонентов при ядерно-геофизических исследованиях скважин гамма-спектрометрическими методами.

На фиг.1 показана функциональная схема устройства при на фиг.2 - временные диаграммы работы блока синхронизахщи. . .

Устройство содержит входы 1-3, двоичные счетчики 4-6, входные ресоединены с входами второго элемента Ш1 а ;выходы элементов ИЛИ являются выходами блока.

3. Устройство по п. 1, о т л и - чающееся тем, что блок синхронизации содержит первый и второй двоичные счетчики, одновибратор, первый, второй и третий элементы задержки и триггер, причем тактовый вход блока синхронизации соединен со счетными входами счетчиков, выход переполнения первого счетчика через по-. следовательно соединенные одновибра- гор, первьш и второй элементы задержки подключен к установочному входу триггера, выход которого подключен к запрещающему входу второго счетчика,, выход переполнения последнего соединен с его входом сброса, другим установочным входом триггера и входом третьего элемента задержки, выход второго элемента задержки является первым выходом блока синхронизации, выход третьего элемента задержки является вторым выходом блока синхронизации, а выходы первого элемента задержки и одновибратора явля- ются третьим и четвертым выходами блока синхронизации соответственно.

гистры 7-9, тактовый генератор 10, адресные счетчики 11 и 12, запоминающее устройство 13, генератор 14 псевдослучайных равномерно распре- деленных двоичных чисел, мультиплексор 15, п групп входов в одну группу выходов, элемент 16 задержки, первую 17 и вторую 18 схемы сравнения .двоичных чисел, трехвходовьй элемент И 19, демультиплексор 20, блоки 21-23 задания знаков коэффициентов, блок 24 синхронизации, ре- -версивные счетчики 25-27, выходные регистры 28-30.

Блок 21 задания знаков коэффициентов содержит двухполюсные ключи 21-1, 21-2, 21-3 и элементы ИЛИ 21-4 и 21-5, Структура блоков 22 и 23 аналогична блоку 21.

Блок 24 синхронизации содержит первый 24-1 и второй 24-6 счетчики,

одновибратор 24-2, первый 24-3, второй 24-4 и третий 24-7 элементы задержки, и триггер 24-5.

Входы 1-3 устройства соединены со. счетными входами двоичных счетчи- ков 4-6 соответственно, выходы каждого из которых через входные регистры 7-9 соответственно соединены с ;одной из групп входов мультиплексора 15, группа выходов которог о под- 0 ключена к второй группе входов второй схемы 18 сравнения . Адресные вхо-, ды мультиплексора 15/соединены с выходами второго адресного счетчика 12., вход сброса которого подклю- |5 чен к выходу переполнения первого адресного счетчика 11, а счетный вход соединен с тактовым входом генератора 14 псевдослучайных равномерно распределенных двоичных чисел, вы-20 ков коэффициентов, ходом тактового генератора 10, вхо- Тактовый вход блока 24 синхрониции соединен с входами сброса ревер сивных счетчиков 25-27 и входами сброса двоичных счетчиков 4-6. Втор выход блока 24 синхронизации подкл чен к входам перезаписи выходных ре гистров 28-30, третий выход блока 2 соединен с входами перезаписи входны регистров 7-9, а его четвертый выход подключен к запрещающим входам двои ных счетчиков 4-6.

Входы блока 21 задания знаков коэффициентов соединены с входами двух полюсных ключей 21-1, 21-2, 21-3 соответственно. Первые выходы ключей соединены с входами первого элемента ИЛИ 21-4, а вторые выходы ключей с входами второго элемента ИЛИ 21-5 Выходы элементов ИЛИ 2I-4 и 21-5 являются выходами блока 21 задания зна

дом элемента 16 задержки и счетным входом первого адресного счетчика 11. Выходы первого адресного счетчика 11 подключены к адресным входам , демультиплексора 20 и адресным входа запоминающего устройства 13, выходы которого соединены с первой группой входов первой схемы 17 сравнения, вторая группа входов которой подключена к первой группе выходов генератора 14 псевдослучайных равномерно распределенных двоичных чисел, а его вторая группа выходов соединена с . первой группой входов второй схемы 18 сравнения. Выход схемы 18 сравнения подключен к третьему входу элемента И 19, второй вход которого соединен с выходом первой схемы 17 сравнения, первьм вход соединен с выхо- дом элемента 16 задержки и тактовым

входом блока 24 синхронизации, а выход элемента И 19 подключен к входу демультиплексора 20.

Первая группа выходов демультиплексора 20 (в данном случае выходы 1-3) соединена с входами блока 21 за- Дания знаков.коэффициентов, вторая группа выходов (выходы 4-6). - с входами блока 22, а последняя группа 50 (выходы 7-9) - с входами блока 23.. Каждьй блок 21-23 задания знаков коэффициентов, имеет два выхода, соеди35

45

45 вого генератора 10, 32 - выход пере полнения счетчика 24-1 в блоке сикх ронизации, 33 - выход одновибратора 24-2 (четвертый выход блока синхронизации Запрет), 34 - выход блока задержки 24-3 (третий выход блока синхронизации Запись данных), 35 выход блока задержки 24-4 (выход).) .Сброс блока синхронизации), 36 - выход блока задержки 24-7 (выход З

ненных с входами сложения и вычитания реверсивных счетчиков 25-27.со- 55 пись результата), 37 - выход триг- ответственно, а выходы последних под- гера 24-5. ключены к информационным входам выходных регистров 28-30 соответственно. Первый выход блока 24 синхронизаИзвестные. аналоги предполагают вы сокое разрешение используемой гамма- cпeктpJOмeтpичecкoй аппаратуры, поков коэффициентов, Тактовый вход блока 24 синхрониции соединен с входами сброса реверсивных счетчиков 25-27 и входами сброса двоичных счетчиков 4-6. Второй выход блока 24 синхронизации подключен к входам перезаписи выходных регистров 28-30, третий выход блока 24 соединен с входами перезаписи входных регистров 7-9, а его четвертый выход подключен к запрещающим входам двоичных счетчиков 4-6.

Входы блока 21 задания знаков коэффициентов соединены с входами двухполюсных ключей 21-1, 21-2, 21-3 соответственно. Первые выходы ключей соединены с входами первого элемента ИЛИ 21-4, а вторые выходы ключей , с входами второго элемента ИЛИ 21-5. Выходы элементов ИЛИ 2I-4 и 21-5 являются выходами блока 21 задания зна

зации соединен со счетными входами счетчиков 24-1 и 24-6. Выход переполнения первого счетчика 24-1 через последовательно соединенные од- новибратор 24-2,. первый 24-3 и второй 24-4 элементы задержки подключен к установочному входу триггера 24-5, выход которого соединен с запрещающим входом второго счетчика 24-6, выход переполнения которого подключен к его входу сброса, другому установочному входу.триггера 24-5 и входу третьего элемента 24-7 задержки. Выход второго элемента 24-4 задержки является первым выходом блока 24 синхронизации, выход третьего элемента 24-7 задержки является вторым выходом блока 24, а выходы перг вого элемента 24-3 задержки и одно- вибратора 24-2 являются третьим и четвертыми выходами блока 24 синхронизации соответственно.

На фиг.2 эпюра 31 - выход такто-

вого генератора 10, 32 - выход пере- . полнения счетчика 24-1 в блоке ронизации, 33 - выход одновибратора 24-2 (четвертый выход блока синхронизации Запрет), 34 - выход блока задержки 24-3 (третий выход блока - синхронизации Запись данных), 35 - выход блока задержки 24-4 (выход).) .Сброс блока синхронизации), 36 - выход блока задержки 24-7 (выход За-

пись результата), 37 - выход триг- гера 24-5.

пись результата), 37 - выход триг- гера 24-5.

Известные. аналоги предполагают вы сокое разрешение используемой гамма- cпeктpJOмeтpичecкoй аппаратуры, поaij- l

этому при их использовании без дополнительных усложнений аппаратуры невозможно реализовать полный учет взаимного влияния спектров излучения полезных компонент при одновременном определении их концентрации, поскольку в общем случае для радиоактивных руд требуется решение уравнений

-i

q; L auN.i (i-1,2,3), (1)

где qj - концентрация калия, урана, тория (1 1,2,3 соответственно);

-козффициенты обратной матрицы спектральных коэффициентов;

-число накопленных импульсов в кадиевом, урановом

и ториевом окнах (,2,3

соответственно).

Поскольку для повышения эффективности ядерно-геофизических исследований часто используются высокоэффективные сцинтилляционные кристаллы из йодистого цезия, германата висмута и т.д., Обладающие невысоким разрешением, то происходит взаимное влияние спектральных компонент полез мх составляющих, т.е. возникает необходимость вычисления концентраций q, исходя из уравнений (1), с учетом всех коэффициентов а; , причем пост ледние могут иметь различные знаки.

N:

Применение микропроцессорной тех- лезных компонентов горных пород (в НИКИ (и других детерминированных при-- данном случае калия, урана и тория

40

емов обработки цифровой информации) хотя и позволяет реализовать рещение урав-нений (), однако требует значительных затрат времени вычисления, поскольку при решении указанных уравнений требуется осуществить девять операций умножения (как минимум десятиразрядных чисел), не считая других операций.

Таким .образом, для повьш1ения быстродействия при сохранении высокой точности результатов вычислений наиболее целесообразным для решения уравнений вида (1) является применение 50 стохастической вычислительной техники, где операция умножения сводится к логическому умножению на элементе И двух тактируемых случайных импульсных последовательностей. Кроме того, учитывая тот факт, что исходные дан- ные (значения NJ). в уравнениях () являются случайными, можно ограни- ,читься значением стохастической высоответственно). Указанные импульсы накапливаются в счетчик&х 4-6 - в течение интервала времени TU, задаваемого блоком 24 синхронизации. В момент окончания интервала Те; на входы Запрет счета счетчиков 4-6 поступает импульс запрета (эпюра 33 фиг.2), а на входы перезаписи ре45 гистров 7-9 этот же импульс поступает с задержкой (эпюра 34, фиг.2) и своим передним фронтом осуществляет перезапись содержимого счет- чиков 4-6 в регистры 7-9 соответственно (запись данных). После перезаписи на входы сброса счетчикор 4-6 поступает соответствующий импульс Сброс с первого выхода синх ронизации (эпюра 35), возвращающий

55 счетчик 4-6 в нулевое состояние,

после чего процесс накопления инфор мационных импульсов в счетчиках 4-6 осуществляется вновь аналогично опи санному.

5

числительной погрешности (, присущей стохастическим вычислительным средствам) на уровне, например, 5-10% от статистической пог решности решения уравнения (1) при помощи детерминированных (цифровых либо аналоговых) вычислительных средств. При этом суп щественно уменьщается время вычисления концентраций qj (по сравнению с цифровыми микроэвм) при полном исключении систематической (аппаратурной) погрешности, присущей аналоговым вычислительным средствам.

На функциональной схеме (фиг.1) принято , т.е. осуществляется решение трех уравнений вида

J

А

Ч, 41- i J 2,3; ау4 Ь

J-1 однако элементарным наращиванием

структуры может осуществляться решение и большего количества уравнений, что требуется, например, при исследованиях полиметаллических c месторождений методами гамма-спектрометрического каротажа.

Устройство работает следующим образом.

0

На входь -3 устройства поступают импульсы с выходов дифференциальных амплитудных анализаторов гамма-спектрометра, амплитудные окна которых расположены в области излучения по0

0

соответственно). Указанные импульсы накапливаются в счетчик&х 4-6 - в течение интервала времени TU, задаваемого блоком 24 синхронизации. В момент окончания интервала Те; на входы Запрет счета счетчиков 4-6 поступает импульс запрета (эпюра 33, фиг.2), а на входы перезаписи ре5 гистров 7-9 этот же импульс поступает с задержкой (эпюра 34, фиг.2) и своим передним фронтом осуществляет перезапись содержимого счет- чиков 4-6 в регистры 7-9 соответственно (запись данных). После перезаписи на входы сброса счетчикор 4-6 поступает соответствующий импульс Сброс с первого выхода синхронизации (эпюра 35), возвращающий

5 счетчик 4-6 в нулевое состояние,

после чего процесс накопления информационных импульсов в счетчиках 4-6 осуществляется вновь аналогично описанному.

Необходимость организации описан- ного процесса Запрет - запись данных - сброс обусловлена независимостью моментов поступления информационных импульсов на входы 1-3 и момента появления импульса перезаписи. Поэтому для исключения возможности записи ложной информации в регистры 7-9 (при одновременном поступлении информационного импульса и JO импульса Запись данных) счетчики 4-6 предварительно блокируются имг пульсом Запрет счета.

Таким образом, в промежутках между двумя смежными импульсами Запись J5 данных (т.е. в течение интервала Т выбираемого априори, исходя из требуемого времени накопления информационных импульсов), на выходах регистров 7-9 содержится информация 20 о количестве импульсов,- накопленных в счетчиках 4-6 в предыдущем циклеj

Тактовый генератор 10 непрерывно вьщает поток периодических импульсов с частотой fо, обусловленной максимальньп«1 быстродействием выбранной элементной базы (диаграмма 31). Под воздействием указанных импуль- сов на выходах, первого 11 и второго

ра 15 появляется последовательность двоичных чисел Nj, записанных в регистрах 7-9, причем за один цикл работы первого адресного счетчика 11 эта последовательность имеет вид Ni, N2, N3, N,; N3, NJ, Щ, Ng, N3. Указанная циклическая последовательность значений NJ поступает из входы N второй схемы 18 сравнения..

Под воздействием каждого импульса тактового генератора 10 на выходах генератора 14 псевдослучайных равномерно распределенных двоичных чисел появляются два равномерно распределенных числа X и у, поступающих на входы X второй схемы 18 сравнения и входы у первой схемы 17 сравнения.соответственно.

В общем случае.разрядности представления коэффициентов и чисел Nj могут не совпадать (в данном слу;,

чае они составляют значения m+l и 1+1 соответственно).

Схемы 17 и 18 сравнения работают 25 таким образом, что на их выходах возникают логические единицы только при условии, что значения псевдослучайных двоичных чисел являются меньшими значений двоичных чисел на их 12 адресных счетчиков происходит цик-30- других входах (т.е. при условиях лическая смена двоичных .адресов, при- х N и ).

чем количество адресов на выходах При каждом такте срабатывания первого счетчика II равно п 9 генератора 10 осуществляется провер- (0, 1,2,.. . ,8) ,. а на выходах второго ка условий и у А и логическое (0,1,2). Для синхронизации работ 35 умножение результатов проверки на элементе И 19, который стробируется за-: держанным элементом 16 задержки (на время распространения сигнала в элементах 11-15, 17и18) Iiмпyльcoм так- 40 тового генератора 10. Строб1фование необходимо для исключения ложных срабатываний элемента И I9.

Результат умножения распределяется по выходным шинам демультиплекты указанных счетчиков выход переполнения адресного счетчика 11 соединен с входом сброса в нуль второ- го адресного счетчика 12, при этом. заводив цикл работы счетчика 1I (0,1,2,3,4,5,6,7,8) произойдет цикла работы счетчика 12 (0,2; 0,1,2; 0,1,2),

По каждому из п 9 адресов в запоминающем устройстве 13 предваритель-45 сора 20, на адресные входы которого но записаны в двоичном коде челые подается сигнал с выходов первого

адресного счетчика 11.

Таким образом, при появлении нулевого адреса на выходах.перво- 50 го адресного счетчика 1I сигнал может появиться только на первом выходе демультиплексора 20, причем ве- .роятность его появления

55 р,, p(,t ) Q(,)2uJi;

gS

где p(,.)f;:;f - ai, - вероятности.

появления

значения коэффициентов 2 Следовательно, за один цикл pa6oTjji первого адресного счетчика П на выходах запоминающего устройства 13 . (включенного в режиме Чтение) появится последовательность ко.эффици- ентов а , , а , , , а , 31 32 33 поступающая на входы первой схемы 17 сравнения двоичных чисел.

Под воздействие сигналов с выходов второго адресного счетчика 12 на выходах группового мультиплексора 15 появляется последовательность двоичных чисел Nj, записанных в регистрах 7-9, причем за один цикл работы первого адресного счетчика 11 эта последовательность имеет вид Ni, N2, N3, N,; N3, NJ, Щ, Ng, N3. Указанная циклическая последовательность значений NJ поступает из входы N второй схемы 18 сравнения..

Под воздействием каждого импульса тактового генератора 10 на выходах генератора 14 псевдослучайных равномерно распределенных двоичных чисел появляются два равномерно распределенных числа X и у, поступающих на входы X второй схемы 18 сравнения и входы у первой схемы 17 сравнения.соответственно.

В общем случае.разрядности представления коэффициентов и чисел Nj могут не совпадать (в данном слуN,

Q (х N() f 1-

Аналогичным образом, нии адреса 1 на .выходах ресного счетчика выходно мультипЛексора 20 с веро

12

может появиться только на его второ выходе и т.д. до .

При второй адресньш счетчик 12 возвращается в нулевое состояние и на выходе демультиплексора 20 формируется выходной сигнал с вероятностью появления

aei N,

г : I

Р 2

в результате на гг 9 выходах мультиплексора 20 формируются несовпадающие по моментам появления импульсов тактируемые случайные импульсные последовательности с вероятностями появления импульсов в каждой последовательности

a,N,. ,

Вероятности pjj с точностью до постоянного сомножителя пропорциональны членам уравнения .

Вычисление концентраций q осуществляется в реверсивных счетчиках 25-27, в которых на входы суммирования поступают случайные последова- тельйости, соответствуюпще положительным знакам коэффициентов a;j , а на входы вычитания - последовательности, соответствующие отрицательным коэффициентам зц- .

Коммутация случайных последовательностей осуществляется в блоках задания знаков коэффициентов 21-23 при помощи ключей (пepeключaтвлeй SW (электронных или механических). Так, блок 21 выдает на суммирующий вход реверсивного счетчика 25 последовательность с вероятностью появления импульсов р ajj , а на вычитающий вход - последовательности с вероятностями появлений импульсов р

2,

ai2

No 2

-(.f I

j

г и ft

а NJ 2 что соответствует положительному а, и отрицательным

значениям.

Аналогичным образом- осуществляется задание знаков коэффициентов в блоках 22 и 23..

Время накопления Т импульсов в реверсивных счетчиках 25-27 задается блоком синхронизации и начинает- . ся с момента появления сигнала Сброс на его первом выходе. При этом во входных регистрах 7-9 устанавлива- ется очередное значение чисел Nji .i При появлении сигнала Сброс реверсивные счетчики 25-27 устанавливают- ся в нулевое состояние.

За время Т в счетчике 25 накап- ливается число импульсов

М,

Т 1 f о / . TI fo

(P,l -P,;j-P,b)9

25

N,-a,2 Nj-aj N)

где fg - частота тактового генератора 10.

Аналогичным образом в реверсивных счетчиках 26 и 27 будут накоплены числа

М,

TI о )

Мз

- 9-)

1 .JL

2J J

NA;

--J q - Z iJ -i - j t

С учетом знаков коэффициентов.

В обпхем случае в каждом из п реверсивных счетчиков за время Т будет накоплено число

,, Nifc, „--(fti)V „ / n I ч N,--2 2 a- Njv (,1,..,n)

f)

В момент окончания интервала-Т сиг на- лом Запись результатов с второго выхода блока 24 синхронизации осуществляется перезапись содержимого реверсивных счетчиков 25-27 в регистры 28- 30 соответственно. Сигнал Запись ре- зультатов задержан относительно импульсов тактовой частоты ( фиг.. 2, эпюра 36), что исключает ошибки (эффект конкуренции) при перезаписи.

Выбором значения интервала Т,,.- мож- но установить требуемое значение ко- .эффициента пропорциональности (

например, кратное целой степени 2. Тогда значение концентII

определяется 1

как

Ч-,

2

.ге

«j

Ni

1

старших разрядах ре- начиная с 2 и

и содержится в версивных счетчиков, выше.

Дг1я правильной работы устройства время Tj накопления результатов , должно быть меньшим времени Т, наколения исходной информации.

Блок 24 синхронизации работает следующим образом.

Счетчик 24-1 задает время Т набора информации, а счетчики интервал времени накопления ре- зультатов.. На счетные входы счетчиков 24-1 и 24-6 поступ ают импульс тактового генератора (фиг.2, эпюра 31). При переполнении счетчика 24-1 на его выходе переполнения появляется импульс (эпюра 32), запускающий одновибратор 24-2, выходной импульс которого (эпюра 33) поступает на четвертый выход блока 24 синхроннаа- дни (Запрет).

Указанный импулье задерживается первым элементом задержки 24-3 и поступает на третий выход блока 24 , синхронизации (эпюра 24, Запись данных) и на вход второго элемента задержки 24-4. Выходной импульс последнего поступает на первый выход Сброс блока 24 синхронизации (эпюра 35) и переводит триггер 24-5 в нулевое состояние (эпюра 37), разрешая тем самым сч1гт импульсов в счетчике 24-6. Емкость счетчика 24-6 задает интервал времени Т, по окончании которого на выходе переполнения счетчика возникает импульс, сбрасывающий счетчик 24-6 - в нуль и переводящий триггер 24-5 в, единичное состояние, запрещая тем самым дальнейший счет импульсов в счетчике 24-6. (эпюра 37). Выходной импульс счетчика 24-6 задерживается третьим элементом 24-7 задержки (эпюра 36) и поступает на второй выход Запись результатов блока 24 синхронизации.

128542212

При появлении очередного импульса . переполнения счетчика 24-1 указанный процесс повторяется вновь.

Требуемое значение интервала вре

мени Т, накопления результатов можно определить следующим образом. Учитывая , что случайные величины N j распределены по закону Пуассона относительная статистическая погрешность определения концентрации qj; детерминированными вычислительными « средствами имеет вид

я N- I J j

(&,

t аи N,

При использовании данного стохастического вычислительного устройства указанная погрешность принимает значение

s; { ± 9ik±L ii..

- 1 auNj. . где второе слагаемое под знаком корня представляет собой вычислительную дисперсию рез ультата,- Принимая

.0,

получаем

Т

1 v-

fo| аи Nj

Для условий реальных измерений значение последнего сомножителя не превышает 10, тогда при , тактовой частоте f- lQ мГц (ТТЛ-логика) и 1+1 10 получаем Т 45 мс.

Таким образом, при полном отсутствии аппаратурных погрешностей вычисления и при незначительном увеличении дисперсии результата вычисления предлагаемое устройство обладает

высоким быстродействием, что позволяет эффективно его использовать доя оперативного вычисления концентраций полезных элементов непосредстенно в процессе гамма- спектрометриеского каротажа.

. I 11 I I I . I I I I I It

53.

34.

П

Фиг. 2

Редактор А.Козориз

Техред М.Ходанич

Коррек Подпис

7640/48 Тираж 730

ВЙИИПИ Государственного комитета СССР

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

Производственно-полиграфическое преда риятие, г.Ужгород,, ул.Проектная, 4

t

Корректор Г.Решетник Подписное