Измерительное устройство для геоэлектроразведки Советский патент 1980 года по МПК G01V3/10 

Изобретение относится к устройствам для измерения фазовых соотношений в низкочастотной геоэлектроразведке. Известны одночастотные, двухчастотные и трехчастотные устройства,из меряющие фазовые сдвиги (Твр)и времена запаздывания с целью определения поляризуемости горных пород и руд. Устройства, производящие измерения сдвига фазы на одной частоте, работают в последовательном режиме и содержат: формирователь опорного сигнала, избирательный усилитель, формирователи импульсов и временных интервалов, генератор импульсов заполнения сигналов, селектор (триггер) и счетчик peзультата l . В одночастотном устройстве сигнал из приемной линии пропускается через перестраиваемый избирательный усилитель, а его сдвиг фазы опреде.пяется относительно опорного сигнала той же частоты. Измеренный сдвиг фазы в общем случае связан не только с поляризацйонны1-1и, но и с электродинамическими(индукционными) процессами во вмещающей среде. Для разделения этих процессов проводят измерения на 2-х3-х частотах и по полученным результатам вычисляют величину Это снижает производительность и точность определения поляризационного параметра . Известны также двухчастотные измерительные устройства величины fgn . Эти устройства содержат по два избирательных усилителя разных частот, формирователя импульсов и временных интервалов, а также генератор импульсов заполнения , селектор(триггер) и счетчик результатов 2 . В двухчастотных устройствах.для определения величины Мвп используется интервал времени между моментами перехода через нуль сигналов двух частот. Измер- нный сдвиг фазы равен величине вп в том случае, если наблюдения ос тдествлгпотся в ближайшей зоне. Условке ближайшей зоны для распространенной в электроразведке установки срединного градиента в ее средней части выполняется, если Р t.(f/p) 0,005,(1) где - полуразность установки,км f - частота поля, Гц) р - удельное сопротивление среды,Ом. м.

При невыполнении неравенства (1) точность определения величины Чвп за счет влияния индукционных процессов снижается и не удовлетворяет запросам практики.

Влияние индукционных эффектов отаоти может быть уменьшено за счет нижения частот, что ведет к понижеию производительности измерений.Наример, при работах в средах с отноительно высокой проводимостью(р 50 Ом.м ) при км нижняя рабочая астота, согласно (1), не должна преышать 0,05 Гц. Если принять время змерений равным 10 периодам нижней астоты, то оно составит 200 сек.

Таким образом, при измерениях в сложных условиях двухчастотные устройства не обеспечивают необходимой точности определения параметра и производительности работ.

Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является трехчастотное и измерительное устройство, которое содержит три избирательных усилителя, умножитель частоты, три формирователя импульсов, делитель частоты, триггеры, счетчик периодов, индикатор фазовых у1лов и измеритель отношений фазовых углов з.

На вход устройства подаются сигналы трех частот. В нем осуществляется: преобразование сигналов нюхней ( ц; ) и верхней ( U)c, ) частот в сигналы средней частоты (UJj ) , определение сдвигов фаз (Ч -Чг ( и вычитание полученных фазовых углов:

(Ч .-Ча) - (-Ч2) где 1 Q -i - сдвиги фаз сигналов соответствённо нижней, средней и верхней частот относительно тока питающей линии после приведения частот.

Устройство осуществляет также измерение отношений фазовых углов

(Чг -Ч. )/(-ъ - Уй Недостатком этого трехчастотного

устройства является то, что оно не измеряет непосредственно величину параметра поляризуемости в промежуточ-, ной зоне(при ,005) и поэтому не снижает погрешности измерений по сравнению с последовательными одночастотными измерениями на трех частотах. В ближней, : зоне это устройство работает с такой же эффективностью, как и двухчастотное.

Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения за счет создания устройства, непосредственно измеряющего поляризационный параметр ( геологических сред с исключением индукционных влияний в промежуточной зоне.

Ниже приведен расчет, подтверждакиций целесообразность достижения.поставленной цели и, в частности, иллюстрирующий эффективность трехчастотного способа измерения по сравнению с двухчастотным.

Для точки в центре питающей линии АВ длиной 2е,, находящейся на поверхности однородного полупространства на расстоянии 0,16 от линии АВ, запишем низкочастотное разложение для фазового угла компоненты поля (фазовый угол в радианах) ;

Ч -Чвп + - +7«+0 - (3) где rf )Kt//VT ; К ,C( -волновое

число

7 - проводимость среды; - магнитная проницаемость среды.

в двухчастотном способе требуется, чтобы третий член выражения (З)бьш пренебрежимо малым. Обозначим максимально допустимую его величину через и . Таким образом, условие применимости двухчастотного способа (ближняя зона) :

2 оЪ .

ъ°(1-} (k)

Здесь и далее индекс означает номер члена в выражении (З).

В случае трехчастотных измерений ошибку создает последний член выражения (3) .

Условие возможности применения трехчастотного способа записывается поэтому в виде(промежуточная зока):

0,045сГД

(5 из (4) и (51

|rfj, 0,045cf(| , (6) где 0(4), сГ(,) - соответственно, максимально допустимые величин индукционных параметров при двухчастотном и трехчастотном способах измерений. Если ) 0,4, то величина последнего члена в (з) равна в(градусах) 0° 02, то есть лежит ниже порога погрешности современной фазовой аппаратуры для метода вызванной поляризации(ВП).

Приняв величину cf(i,0, 4 , рассчитываем с помощью (6) величину (fci) .Она равна 0,088. Частота пропорциональна квадрату индукционного параметра,поQ этому соотношение между максимально допустимыми частотами в трехчастотном и двухчастотном вариантах равно:

1Ш ) т„

f „./i 20 раз . tai О (а)

5 Учитывая, что в трехчастотном варианте верхняя частота в 1,7-2 раза выше,чем в двухчастотном способе(с использованием например, 1-й и 3-й гармоник) , реальный выигрьш в частотах будет равен 12. Мы рассмотрели случай, соответствующий однородному полупространству. Для реальных разрезов к 5Эффициенты при степенях индукционного параметра в разложении(3) изменяются и можно не получить указанного выше выигрыша, однако он все же будет значительным,.так как именно полупространство оказывает доминирующее влияние на вид разложения (3 Практически результаты измерений с трехчастотным устройством показывают что в самых неблагоприятных случаях выигрыш в 4 раза является минимальным Таким образом, применение трехчас тотного устройства, исключающего индукцию в промежуточной зоне, позволя ет при одинаковых с двухчастотным устройством нижних частотах увеличит точность измерения параметра «fgn на фоне ирщукцконной помехи, а при одинаковой заданной точности повысить в несколько раз частоты, на которых проводятся измерения. Эти рассуждения являлись одним из оснований для формулировки цели изобретения. Поставленная цель достигается тем что в предлагаемом трехчастотном устройстве измеряется величина, определяемая следующим выражением: ,-ш ( где (jy,u.2.Jij, - частоты, определяемы соотношениеми; iruij o; u.t , i tldij-ii V интервалы времени между сигналами разны частот; N .Nj - коэффициенты,зависящие от соотношения частот. Поставленная цель достигается тем что в известное устройство между выходами формирователей временнцх интервалов и счетчиком результата дополнительно включен аналого-цифровой преобразователь временных интервалов два входа которого соединены с выходами формирователей временных интервалов, а выход - со входом счетчика результатов. При этом аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит трехвходовую и двухвходовую схемы И,схемы НЕ, схему ИЛИ и два генератора неравных частот, подключенных соответственно к одному из входов трехвходовой и двухвходовой схем И, два других вхрда которых являются входом аналого-цифрового преобразователя, а третий вход трехвходовой схемы И посредством схемы НЕ соединен со входом двухвходовой схемы И, а схема ИЛИ соединена с выходами схем И, причем ее выход является выходом аналого-цифрового преобразователя На чертеже представлена функциональная схема устройства. «Схема содержит избирательные усилители 1,2,3, формирователи 4,5,6 импульсов, формирователи 7,8 временных интервалов, аналого-цифровой преобразователь 9 временных интервалов включающий схему НЕ 10, генераторы. 11,12 неравных частот, схемы И-13,14, и схему ИЛИ 15, счетчик 16 резуль- тата, счетчик 17 периодов. Устройство работает следующим образом. Измеряемый .сигнал, содержащий частоты jj , поступает на ; входы избирательных усилителей,на- , строенных соответственно на частоты (v , ty. с выходов усилителей синусоидальные сигналы поступают на формирователи импульсов, которые вырабатывают короткие импульсы, соответствующие моментам переходов через нуль входных сину.соидальных сигналов. Далее сигналы с формирователей 4,5 и 4,б поступают соответственно на формирователи временных интервалов 7 и 8, на входах которых формируются сигналы, длительностью равные промежуткам времени между импульсами 4-го и 5-го формирователей и, соответственно, между импульсами 4-го и 6-го форг-.ирователей. С выхода формирователя 8 сигнал длительностью л t () поступает на вход АЦП, то есть на схему И 14, где заполняется импульсами высокой частоты от генератора 12. На схему 13 поступают сигналы с выхода формирователя 7 и со схемы НЕ 10. Образ тощийся сигнал длительностью (a,,-u),j)-ut(u..,-UjT,-) заполняется им- . пульсами высокой частоты i, от генератора 11. С выходов схем И 13 и 14 импульсы,- заполняющие интервалы времени, поступают на схему ИЛИ 15, где происходит суммирование, и, далее,на счетчик 16 результата. Частоты f генераторов 11 и ,12 выбираются из условия {, N.F; -f N.F. где F - некоторое произвольное число. На счетчике результата фиксируется количество поступивших импульсов, равное: ., &.-t 1,и;.,-иоч) -«-fg t - F (N, i.u.:.,- n-V-t- Ni&t ) РЧд,, Коэффициент F исключается из счетчикл результата. Работа устройства заканчивается после того, как пройдет заданное число периодов нижней частоты и ео счет чика 17 периодов поступит сигнал дпг; остановки счета на. счетчик резуль тата. Рассмотрим алгоритм, на основе ко торого работает устройство. ПустЬ на. входе измерительного устройства дей ствует гармоническое колебание, содержащее три частоты: 5п(ш., t-4.,) + Uo,j,sin{(jiiat-42)+Uo.3,. S i п (u -fc-4i)c учетом (З),пренебрегая последним членом, можно записать : Ч Чвп+ , -(- ; vfa ) Чъ KiU;i,+ .; KjL - функции геометрических размеров установки и проводимости среды. Задача иэмерюний заключается в определении параметра Чвп , когда значения коэффициентов К и.Кд остаются неизвестны(учет индукционных эффектов в первом и втором приближениях) . Определим времена перехода через ноль синусоидальных сигналов с часто.тами Ш, afj, и;,, . . , . . Ц ij:; 2 Шй г иь, Определим интервалы времени +к (ifuli - fSa) i(r.. t, -t2. it{i«,-4Ui)( -A y-) bt(u;, ( ,,( -f At it()- &t(,,) (зь, ЕиаЧвп +К(.).(9) Решая систему из уравнений (8) и (9), найдем: (Vur,,-Vurg)fii(ciJ,-u,,VV-/uV-) Л i Л г- г- / -( -i ( ш; - йт; )V-Vu), ) «э ) (.(l где NJ и Мг - коэффициенты, определяемые выражением 10) . Выражение (10) не содержит коэффициентов К и К , что свидетельствует об учете индукционных эффектов во втором приближении(промежуточная зона). Генераторы неравных частот, схема НЕ, схемы И и ИЛИ и связи между ними позволяют осуществить весовое сложение интервалов времени, то есть выполнить алгоритм: () .1 () Конечной величиной, измеряемой устройством, является величина поляризационного параметра Чвп Поскольку эта величина непосредственно из меряется устройством, определение Чвп бУДеу более точное и будет про водиться с большей производительностью с применением настоящего устрой ства. Формула изобретения 1.Измерительное устройство для геоэлектроразведки, содержащее три . параллельно включенные цепи,каждая из которых содержит последовательно включенные избирательный усилитель и формирователь импульсов , а также два формирователя временных интервалов, последовательно соединенные счетчик результата и счетчик периодов, вход которого подключен к выходу одного из формирователей импульсов, причем входн формирователей временных интерва,лов подключены соответственно к выходам первого и второго, первого и . третьего формирователей импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, между выходами формирователей временных интервалов и счетчиком результата включен аналого-цифровой преобразователь временных интервалов, два входа которого соединены с выходами формирователей временных интервалов,а выход - со входом счетчика результатов. 2,Устройство по п.1, о т л и чающееся тем, что аналого-цифровой преобразователь содержит трехвходовую и двухвходовую схемы И, схему НЕ, два генератора неравных частот, подключенных соответственно к одному из входов трехвходовой и двухвходовой схем И, два других входа которых являются входом аналого-цифрового преобразователя, а третий вход трехвходовой схемы И посредством схемы НЕ соединен с входом двухвходовой схемы И, схему ИЛИ, с которой соединены выходы схем И, причем выход схемы ИЛИ является выходом аналогоцифрО зого преобразователя . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Жильников В. Д. и др. Инфразвуковая аппаратура для измерений в методе ВП , в сб. Вопросы рудной геофизики в Казахстане, Ллма-Ата, 1974. 2.Мельников В. п. и др. Основы амплитудно-фазовых измерений вызванной поляризации . Якутск, Книжное йзд-во, 1974, с. 13 5-182. 3.Авторское свидетельство СССР № 327428, кл. G 01 V 3/10, ,1972(прототип).