Электроразведочная станция Советский патент 1992 года по МПК G01V3/08 

Изобретение относится к электроразведочной технике и предназначено для измерения и регистрации компонент электромагнитного поля при геоэлектрической разведке нефтегазовых месторождений методами магнитотеллурического зондирования (МТЗ) и зондирования становлением поля (ЭС).

Известна цифровая электроразведочная станция ЦЭС-1, предназначенная для измерения и регистрации компонент электромагнитного поля в цифровой форме на магнитной ленте с целью последующей обработки данных на ЭВМ. Станция состоит из пяти измерительных каналов, каждый из которых включает датчик электрической или магнитной компоненты поля и усилитель, подключенных к последовательно включенным коммутатору каналов, аналого-цифровому преобразователю, магнитному регистратору, и системы синхронизации и управления.

Недостатком данной станции является ограниченность динамического диапазона (60 дБ) аналого-цифрового преобразования, что приводит к снижению точности и производительности геоэлектрической разведки. Кроме того, ограниченность динамического диапазона не позволяет измерять с высокой точностью малые сигналы на фоне больших.

Известна цифровая электроразведочная станция ЦЭС-2, предназначенная для измерения и регистрации компонент электромагнитного поля в цифровой форме на магнитной ленте с целью последующей обработки данных на ЭВМ. Станция применя

XI

СО О О О

со

ется при геоэлектрической разведке нефтегазовых месторождений методами МТЗ и ЗС. Станция имеет пять измерительных каналов, каждый из которых состоит из после- довательно включенных датчика электрической или магнитной компоненты поля, канального усилителя и следящего аналого-цифрового преобразователя. Аналоговые выходы следящих преобразователей подключены к коммутатору каналов. За коммутатором последовательно включены усилитель, импульсный аналого-цифровой преобразователь, сумматор и магнитный регистратор, причем цифровой выход следящего преобразователя подключен к второму входу сумматора. Кроме того, станция имеет систему синхронизации и управления, выходы которой подключены к входам управления других узлов станции.

Недостатком станции является большая дифференциальная нелинейность измерительных каналов, которая приводит к снижению точности геоэлектрической разведки. В методе МТЗ дифференциальная нелинейность каналов приводит к перекрестным частотным искажениям импеданса, а в методе ЗС - к появлению ложных перегибов на кривых становления. Это связано с тем, что вес младшего разряда следящего преобразователя не постоянен и изменяется при изменении кода состояния следящего преобразователя, а также во времени, в основном в связи с изменением температуры окружающей среды. Зависимость от кода состояния случайная и на практике достигает ± 8 единиц младшего значащего разряда (МЗР) импульсного преобразователя. Зависимость от времени также не поддается контролю и достигает ±(2-4) ед. МЗР.

Наиболее близкой к предлагаемой является электроразведочная станция ЦЭС- МГД, предназначенная для измерения и регистрации компонент электромагнитного поля в цифровой форме на магнитной ленте с целью последующей обработки данных на ЭВМ.

Станция имеет несколько, (восемь) измерительных каналов, каждый из которых состоит из последовательно включенных датчика электрической или магнитной компоненты поля, канального усилителя, переключателя и следящего аналого-цифрового преобразователя, а также из компенсирующего цифроаналогового преобразователя, причем цифровой выход следящего аналого-цифрового преобразователя подключен к входу компенсирующего цифроаналогового преобразователя, а выход компенсирующего цифроаналогового преобразователя подключен к второму входу переключателя. Кроме того, станция имеет последовательно включенные коммутатор каналов, усилитель, устройство выборки и хранения (УВХ), импульсный аналого-цифровой преобразователь, процессор обработки и магнитный регистратор, причем входы коммутатора каналов подключены к аналоговым выходам

0 следящих аналого-цифровых преобразователей. Кроме того, станция имеет запоминающее устройство подключенное к процессору обработки, и процессор управления, соединенный шиной данных с про5 цессором обработки, а шиной команд соединенный с цифроаналоговым преобразователем, переключателем, следящим аналого-цифровым преобразователем, коммутатором каналов, УВХ и импульсным

0 аналого-цифровым преобразователем.

Работой всех узлов станции управляет процессор управления. По шине команд процессор передает адрес узла, код команды и тактовые импульсы. При этом адресуе5 мый узел исполняет команду в момент действия тактового импульса. Программа управления хранится в перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве процессора.

0Обработку данных, поступающих с импульсного преобразователя, и запись результатов обработки в магнитный регистратор осуществляет процессор обработки. Для хранения промежуточных ре5 зультатов процессор обработки использует внешнее запоминающее устройство. Программа обработки хранится в перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве процессора.

0 В станции уменьшена дифференциальная нелинейность измерительных каналов по сравнению со станцией ЦЭС-2. Достигается это за счет того, что измеряется вес МЗР следящего преобразователя для всех

5 кодов состояния, которые преобразователь проходит при измерении сигнала поля.

Кодирование сигналов по каналам производится поочередно. Каждый цикл кодирования по каналу разбит на два подцикла.

0 Первый используется для кодирования сиг- кала, а второй - для кодирования веса МРЗ следящего преобразования. В первом под- цикле сигнал с датчика поля усиливается усилителем и через переключатель посту5 пает на следящий преобразователь. Последний получает остаточный сигнал - разность между входным сигналом и анало- сигналом, эквивалентным коду состояния преобразователя. Остаточный сигнал проходит через коммутатор каналов, усиливается усилителем и поступает на УВХ, который фиксирует сигнал на время его кодирования импульсным преобразователем. С импульсного преобразователя код сигнала поступает в процессор обработки, который вычисляет суммарный код сигнала с учетом кодов веса МЗР для всех прошедших кодов состояния следящего преобразователя. Суммарный код записывается в магнитном регистраторе. Если в первом подцикле остаточный сигнал приближается к положительному (отрицательному) пределу шкалы импульсного преобразователя, то по окончании второго подцикла следящий преобразователь вычитает (прибавляет) единицу к коду своего состояния. Таким образом, следящий преобразователь, работая в режиме последовательного счета, удерживает остаточный сигнал в пределах шкалы импульсного преобразователя.

Во втором подцикле переключатель подает на вход следящего преобразователя сигнал с выхода компенсирующего преобразователя. При этом остаточный сигнал кодируется так же, как в первом подцикле. Код остаточного сигнала, полученный во втором подцикле, запоминается в запоминающем устройстве и используется для вычислений веса МЗР следящего преобразователя. Код состояния следящего преобразователя переписывается в компенсирующий преобразователь в момент окончания второго подцикла, но до момента изменения кода состояния следящего преобразователя. Поэтому, если код состояния следящего преобразователя не изменился между двумя циклами, то в следующем втором подцикле коды состояний следящего и компенсирующего преобразователей равны. При этом код остаточного сигнала соответствует суммарному смещению нуля преобразователей. Если же код состояния следящего преобразователя изменяется на единицу, то код состояния компенсирующего преобразователя остается во втором подцикле на единицу от кода состояния следящего преобразования. При этом код остаточного сигнала соответствует сумме смещения нуля и веса МЗР следящего преобразователя. Используя коды сигналов рассогласования в таких двух последовательных вторых подциклах, процессор обработки вычитает из второго первый код и находит вес МЗР следящего преобразователя. По мере изменения кода состояния следящего преобразователя процессор обработки вычисляет действительные веса МЗР и, суммируя их с кодами остаточных сигналов, полученными в первых подциклах кодирования, находит суммарные коды сигналов поля и записывает их в магнитном регистраторе.

Каждый вес МЗР следящего преобразователя измеряется с погрешностью не более

единицы МЗР импульсного преобразователя. Поэтому дифференциальная нелинейность измерительных каналов станции не превышает единицы МЗР импульсного преобразователя. При этом суммарный динами0 ческий диапазон аналого-цифрового преобразователя равен 102 дБ (шесть двоичных разрядов следящего преобразователя и 12 двоичных разрядов импульсного преобразователя с учетом примерного ра5 венства весов младшего разряда следящего и старшего разрядов импульсных преобразователей).

Недостатком известной станции является ограниченность частотного диапазона

0 измерения электромагнитного поля, что снижает точность и производительность геоэлектрической разведки. Недостаток связан с тем, что между двумя циклами кодирования код состояния следящего преоб5 разователя может изменяться только на одну единицу. Поэтому следящий преобразователь, отслеживающий сигнал в режиме последовательного счета, имеет ограничение по допустимой скорости изменения

0 входного сигнала. Ограничение по скорости приводит к ограничению частотного диапазона. Так, если следящий преобразователь имеет шесть разрядов, а частота кодир.-ва- ния равна f, то верхняя .граничная частота

5 аналогового тракта измерительного канала не должна превышать 1 /64 f вместо 1 /2 f. Цель изобретения - расширение частотного диапазона измерения электромагнитного поля.

0На чертеже приведена функциональная

схема электроразведочной станции.

Станция содержит п измерительных каналов, каждый из которых состоит из датчика 1.1 - 1.п поля, канального усилителя 2.1 5 2. п и канального устройства 3.1 -З .п выборки и хранения (УВХК). Выходы УВХК подключены к п входам коммутатора 4 каналов, а (п+1)-й вход коммутатора 4 каналов подключен к земляной шине. Станция содержит

0 также компенсирующий и раскачивающий цифроаналоговые преобразователи «(ЦАПК, ЦАПР) 5 и 6, сумматор 7 и второй аналого- цифровой преобразователь (АЦП) 8. К входам сумматора 7 подключены выходы

5 коммутатора 4 каналов, ЦАПК 5 и ЦАПР 6, а выход сумматора 7 подключен к входу второго АЦП 8. Станция содержит также последовательно включенные усилитель 9, устройство 10 выборки и хранения (УВХ), первый аналого-цифровой преобразователь

(АЦП) 11, процессор 12 обработки и магнитный регистратор 13, а также содержит запоминающее устройство 14 и процессор 15 управления, подключенные к процессору 12 обработки. Аналоговый выход второго АЦП 8 подключен к дополнительному входу процессора 12 обработки.

Входы управления УВХК 3.1 - З.п коммутатора 4 каналов, ЦАПК 5, ЦАПР 6, второй АЦП 8, УВХ 10 и первого АЦП 11 объединены общей шиной управления и подключены к выходу процессора 15 управления.

Работа станции рассмотрена на примере, когда ЦАПК 5, ЦАПР 6 и второй АЦП 8 имеют семь двоичных разрядов, первый АЦП 11 - двенадцать двоичных разрядов, а коэффициенты суммирования и усиления сумматора 7 и усилителя 9 установлены такими, что веса младших значащих разрядов (МЗР) ЦАПК 5 и второго АЦП 8 примерно равны весу старшего значащего разряда (СЭР) первого АЦП 11, а вес МЗР ЦАПР 6 примерно равен 1/8 от веса МЗР первого АЦП 11.

Работой всех узлов станции управляет процессор 15 управления. По шине команд процессор 15 передает адрес узла, код команды и тактовые импульсы. Адресуемый узел вводит и исполняет команду в момент действия тактового импульса. Программа управления хранится в перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве процессора 15.

Обработку данных, поступающих с АЦП 8 и АЦП 11, и запись результатов обработки в магнитный регистратор 13 осуществляет процессор 12 обработки. Для хранения промежуточных результатов процессор 12 использует внешнее запоминающее устройство 14. Программа обработки хранится в перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве процессора 12. Процессор имеет дополнительный вход для ввода кодов с АЦП 8.

$ Станция измеряет поле следующим образом.

Датчики 1.1 - 1.п поля образуют компоненты поля в электрические сигналы, которые усиливаются канальными усилителями 3.1 -З.п. Кодирование сигналов по каналам производится с периодом

Т (л+1) г,

где п -.число используемых измерительных каналов;

т- время цикла кодирования по одному каналу.

Циклы по каналам сдвинуты последовательно на т. УВХК 3. 1 - Зп отслеживает сигнал между циклами своего канала, а на

время цикла фиксирует сигнал на уровне, действовавшем в момент начала цикла. Коммутатор 4 каналов в циклах подает поочередно фиксированные сигналы с выходов

УВХК 3.1 - З.п на сумматор 7, а в (п+1)-м цикле подает на сумматор 7 постоянный потенциал земляной шины.

В каждом из первых п циклов производится кодирование одного из канальных

сигналов. В начале цикла ЦАПК 5 и ЦАПР 6 устанавливаются в исходное (нулевое) состояние. Затем АЦП 8 способом последова- тельного приближения кодирует поступающий на него сигнал. С аналогового выхода АЦП 8 остаточный аналоговый сигнал усиливается усилителем 9, фиксируется по уровню в УВХ 10 и затем способом последовательного приближения кодируется в АЦП 11. Коды с цифровых выходов АЦП

11 и АЦП 8 поступают в процессор 12 обработки, который вычисляет суммарный код сигнала с учетом соотношения весов МЗР АЦП 11 и АЦП 8. Суммарный код сигнала записывается в магнитном регистраторе 13.

В (п+1)-х циклах производится измерение (кодирование) весов МЗР АЦП 8 в масштабе АЦП 11. В этих циклах АЦП 11 работает так же, как в n-х циклах, результаты кодирования процессор 12 обработки записывает в запоминающее устройство 14 и использует для вычисления весов МЗР АЦП 8.

Коды состояния ЦАПК 5, ЦАПР 6 и АЦП 8 в (п+1)-х циклах изменяются периодически

с периодом Т 2k, где т - число разрядов ЦАПК 5 и АЦП 8, a k - число разрядов ЦАПР 6. В данном конкретном случае m k 7. Период состоит из интервалов, каждый из которых состоит из

(п+1)-х циклов. Коды состояния ЦАПК 5, ЦАПР 6 и АЦП 8 устанавливаются в начале каждого (п+1)-го цикла. В первом (п+1)-м цикле первого интервала коды состояний принимают исходное значение, затем ЦАПК

5 и АЦП 8 остаются в исходных состояниях, а ЦАПР 6 последовательно увеличивает код своего состояния на одну единицу. Далее во всех последующих интервалах ЦАПР 6 аналогично изменяет код своего состояния и

возвращается в исходное состояние в начале каждого интервала. В течение всего второго интервала десятичные коды состояния ЦАП К 5 и АЦП 8 равны соответственно 0 и 1, в третьем интервале коды

состояния ЦАП К 5 и АЦП 8 равны соответственно 1 и 1, в четвертом интервале - 1 и 2, в пятом - 2 и 2, в шестом - 2 и 3, и так далее. Через М интервалов коды состояний ЦАПК 5 и АЦП 8 снова принимают исходное состояние, и период измерения весов МЗР АЦП 8 повторяют, и так далее.

Обозначим коды, полученные АЦП 11 в (п+1)-х циклах, через AJJ, где , M - номер интервала, К - номер (п+1)-го цикла в интервале. Для каждого интервала процессор 12 обработки находит среднее значение AI

А.--1 t Ay0)

а затем из каждого Ai для нечетного интервала вычитает AI предыдущего четного интервала и находит веса Ве МЗР АЦП 8 для всех состояний АЦП 8.

Be -Ay, 1 1, М/2(2)

Процессор 12 обработки хранит значения Ве в запоминающем устройстве 14 и использует их для вычисления суммарных кодов канальных сигналов. Суммарные коды Cv вычисляются по формуле

C1 Z Be+Dv,(3)

е 0

где D v - код остаточного сигнала, полученный в АЦП 11 в n-м цикле;

V- десятичный код состояния АЦП 8, полученный в этом же n-м цикле.

Веса Ве определяются через средние значения кодов Ai, полученные на фоне раскачивающего пилообразного сигнала, создаваемого ЦАПР 6. Поэтому веса Ве определяются с погрешностью меньше ед, МЗР АЦП 11. Для конкретного значения m | 7 и для отношения весов МЗР ЦАПР 6 и АЦП 11, равного 1/8, погрешность определения Ве не превышает 1/8 от ед. МЗР АЦП 11. Веса Ве обновляются с периодом Т 2m+k+1 65536 циклов кодирования. Обновление весов позволяет исключить влияние изменения температуры окружающей среды на точность кодирования, а достаточно длительный период обновления уменьшает влияние накопления погрешности при суммировании весов в (3), так как последовательные значения суммарных кодоё Cv определяются при одних и тех же значениях весов. Таким образом, возможная погрешность определения Ве, равная 1 /8 от ед. МЗР АЦП 11, распределяется на 65536 циклов и становится неощутимой при обработке. При этом дифференциальная нелинейность кодирования не превышает одной ед. МЗР АЦП 11 (разрешающей способности кода остаточного канального сигнала DV ), а интегральная нелинейность не превышает 8 ед. МЗР АЦП 11, так как максимальное значением в (3) равно , и погрешность при суммировании Ве в предельном случае возрастает в 64 раза.

Это означает, что опредление весов Ве через средние значения AI на фоне раскачивающего сигнала, создаваемого ЦАПР 6, позволяет использовать АЦП 8 после

коммутатора 4 каналов в режиме последовательного приближения независимо для каждого цикла кодирования канального сигнала. При этом нет ограничения по скорости изменения канального сигнала, и полоса

0 пропускания аналогового тракта канала и, соответственно, всей станции может быть расширена в раза без увеличения общей частоты кодирования. Для того, чтобы АЦП 8 мог работать в режиме последова5 тельного приближения, перед ним включены УВХК 3.1-3.п. Включение УВХК 3.1 - З.п в каждый канал обусловлено тем, что после фиксации сигнала в канале УВХК 3,1-3.л требуется достаточно длительное

0 время, равное п циклам, чтобы выйти на новое значение сигнала.

Совокупность новых узлов и связей предлагаемой станции обеспечивает расширение частотного диапазона измерения

5 поля. Так УВХК 3.1-Зп позволяют включить АЦП 8 после коммутатора 4 и использовать его в режиме последовательного приближения, что обеспечивает независимость коди- рования в каждом цикле. При этом

0 накопление ошибки в вычислении суммарного кода сигнала, проходящее при работе АЦП 8 в режиме последовательного приближения, уменьшается за счет измерения весов АЦП 8 на фоне раскачивающего сигнала,

5 создаваемого ЦАПР 6.

Макетирование станции показало, что если ЦАПК 5, ЦАПР 6 и АЦП 8 имеют семь двоичных разрядов, АЦП 11 имеет двенадцать двоичных разрядов, то суммарный код

0 сигнала имеет восемнадцать двоичных разрядов. При этом дифференциальная нелинейность измерительного канала не превышает единицы МЗР суммарного кода, интегральная нелинейность не превышает 8

5 единиц МЗР суммарного кода, частота кодирования сигнала в канале составляет 1600 Гц, а верхняя граничная частота аналогового тракта канала равна 400 Гц. Частота кодирования выше граничной частоты в

0 четыре, а не в два раза в связи с тем, что крутизна частотной характеристики фильтра нижних частот вне полосы пропускания равна конечной величине 24 дБ/октава. Формула изобретения

5 Электроразведочная станция, содержащая п измерительных каналов, каждый из которых состоит из датчика электрической или магнитной компоненты поля и подключенного к датчику канального усилителя, а также коммутатор каналов, компенсирующий цифроаналоговый преобразователь и последовательно включенные усилитель, устройство выборки и хранения, первый аналого-цифровой преобразоватедь, процессор обработки и магнитный регистратор, а также запоминающее устройство и процессор управления, подключенные к процессору обработки, причем входы управления коммутатора каналов, компенсирующего цифроаналогового преобразо- вателя, устройства выборки и хранения и первого аналого-цифрового преобразователя подключены общей шиной управления к выходу процессора управления, отличающаяся тем, что, с целью расширения час- тотного диапазона измерения электромагнитного поля, в каждый измерительный канал станции дополнительно введены канальное устройство выборки и хранения, у которого вход подключен к выходу канального усили-

теля, выход подключен к одному из п входов коммутатора каналов, а вход управления подключен к общей шине управления, причем (п+1}-й вход коммутатора каналов подключен к земляной шине станции, а также раскачивающий цифроаналоговый преобразователь, сумматор и второй аналого-цифровой преобразователь, причем входы сумматора подключены к выходам коммутатора каналов и компенсирующего и раскачивающего цифроаналоговых преобразователей, выход сумматора подключен к входу второго аналого-цифрового преобразователя, аналоговый выход которого подключен к входу усилителя, цифровой выход - к дополнительному входу процессора обработки, а управляющие входы раскачивающего цифроаналогового преобразователя и второго аналого-цифрового преобразователя подключены к общей шине управления станции.

Изобретение относится к электроразведочной технике и предназначено для измерения и регистрации компонент электромагнитного поля при геоэлектрической разведке нефтегазовых месторождений методами магнитотеллурического зондирования (МТЗ) и зондирования становлением поля (ЗС). Цель изобретения - расширение частотного диапазона измерений электромагнитного поля, Эта цель достигается тем, что в станцию, содержащую несколько измерительных каналов, коммутатор, компенсирующий ЦАП, устройство выборки-хранения, первый АЦП, процессор обработки, магнитный регистратор, запоминающее устройство и процессор управления, дополнительно введены измерительные канальные устройства выборки и хранения, раскачивающий ЦАП, второй АЦП и сумматор. 1 ил. С

ШНИН

/flj- @- iЈfl