Измерительное устройство для геоэлектроразведки Советский патент 1982 года по МПК G01V3/06 

(5) ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕОЭЛРКТРОРАЗВЕДКИ Изобретение предназначено для поиска поляризующихся объектов методом вызванной поляризации на переменном токе низкой частоты. Известно измерительное устройство для геоэлектроразведки, позволяющее производить амплитудно-фазовые измерения методом вызванной поляризации на переменном токе низкой частоты. Это устройство содержит предварительный усилитель, соединенный с входным преобразователем, перестраиваемый избирательный усилитель, измеритель амплитуды и фазометр, вторые входы ко торых подсоединены к блоку опорного сигнала 1. Известное устройство предназначено для последовательных амплитудно-фазовых измерений, что ограничивает про изводительность труда. Известно также устройство для параллельных амплитудно-фазовых измерений, позволяющее ускорить измерение. Это устройство содержит фазометрический блок и две параллельные цепи из последовательно соединенных избирательного усилителя и формирователя. Устройство работает совместно с генераторной установкой вырабатывающей ток, форма которого близка к прямоугольной. Избирательные усилители выделяют из сигнала первую и третью гармоники 2. Недостатком известного устройства является то, что в течение одного полупериода первой гармоники формирует ся всего один временной интервал, соответствующий времени между моментами перехода через ноль напряжений с выходов избирательных усилителей первой и третьей гармоник. Наличие побочных проникающих гармоник в выходных сигналах избирательных усилителей приводит к систематической погрешности, так как временной интервал формируется не в момент перехода через ноль соответству/яцей гармоники, а в момент перехода через ноль суммы напряжении этой .гармоники и проникаю щих в канал побочных гармоник. Известно, что наличие одного процента высших гармоник при измерениях фазового сдвига между двумя напряжениями может привести к погрешности, достигающей 1,2°. 8 выходных сигналах избирательных усилителей содержатся также напряжения, обусловленные внут ренними шумами устройства и внешними помехами, наличие которых приводит к появлению случайной погрешности. Наиболее близким к изобретению техническим решением является измери тельное устройство для геоэлектро.разведки ,- станция ВП-Ф. Измерительное устройство содержит генератор им пульсов заполнения,входной преобразователь, к выходу которого подключе ны две параллельныецепи , каждая из которых содержит последовательно включенные избирательный усилитель (первой и третьей гармоник) и формирователь импульсов, соединенные с двумя входами формирователя временных интервалов, ,к- выходу одного из формирователей импульсов подключены последовательно включенные счетчик периодов, схема -совпадения и счетчик результатов ГЗ. Однако формирование в течение одного полупериода первой гармоники лишь одного временного интервала, а также наличие.в каналах въщеляемых гармоник побочных гармоник сигналов приводит к систематическим и случайным погрешностям. Величина систематической погрешности зависит от амплитуды и фазы, проникающ х гармоник. Снижение систематической погрешности может быть достигнуто лишь повышение эквивалентной добротности избиратель ных усилителей, что приводит к другому недостатку - снижению производи тельности труд при фазовых измерениях из-за увеличения Длительности переходных процессов. Анализ спектра периодически прямоугольного напряжения типа меандр, определяемого выражениемUtt) (3uUt)+4-S Л I U Ээ к(5а)ф... , где ш и UQ - частота и амплитуда пря моугольного напряжения показывает, что на выходах избирател ных усилителей высших гармоник более трудно получить хорошее отношение 4 сигнал/проникающие побочные гармоники, чем на выходе избирательного усилителя первой гармоники, так как амплитуды гармоник обратно пропорциональны номеру гармоники, а расстояние на частотной оси между гармониками уменьшается с увеличением jnoMepa гармоник. Так, ближайшая к первой гармонике -, третья, меньше первой в три раза и расположена на частотной оси на расстоянии 1,5 октавы, в то время как ближайшая к третьей гармонике - пятая, амплитуда которой близка к амплитуде третьей гармоники, расположена на частотной оси на расстоянии 0,6 октавы, кроме того, в канал третьей гармоники может проникнуть первая гармоника, величина которой в три раза больше третьей гармоники. Еще более жесткие требования должны предъявляться к избирательным усилителям, выделяющим более высокие гармоники - 5, 7 и т.д. На этом основании можно сделать вывод, что при двухчастотных измерениях фазовых сдвигов между первой и третьей, первой и пятой, первой и гармониками погрешность фазовых измерений определяется в основномпроникновением побочных гармоник в канал высшей гармоники - 3,5 П (п - нечетное число). Цель изобретения - повышение точности измерений и производительности труда. Поставленная цель достигается тем, что в измерительное устройство- для геоэлектроразведки, содержащее генератор импульсов заполнения, входной преобразователь, к выходу которого подключены две параллельные цепи, каждая из которых содержит последовательно включенные избирательный усилитель и формирователь импульсов, со- единенные с двумя входами формирователя временных интервалов, к выходу одного из формирователей импульсов подсоединены последовательно включенные счетчик периодов, схема совпадения и счетчик результата, дополнительно введены цепь последовательно соединенных соответственно- через первые входы и выходы формирователей временных интервалов, а также управляемый делитель частоты, выход которого соединен с дополнительным входом схемы совпадения, а сигнальный вход делителя частоты соединен с выходом генератора импульсов заполнения, при этом вторые входы цепи последователь5928но соединенных формирователей временных интервалов подсоединены, к выходу второго формирователя импульсов, а первые входы - также к дополнительным входам делителя частоты. При этом число последовательно соединенных формирователей временных интервалов равно номеру гармоники входного сигнала, на которую настроен второй избирательный усилитель. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для случая, когда избирательные,усилители настроены на первую и третью гармоники; на фиг. 2 и 3 временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.4 и 5 - временные диаграммы напряжений с выходов избирательных усилителей первой и третьей гармоник; на фиг,6 работа первого формирователя временного интервала; на фиг. 7 и 8 - работа второго и третьего «формирователей временных интервалов. Измерительное устройство для геоэлектроразведки содержит входной преобразбватель 1, выход которого соединен с входами избирательных усилителей 2 и 3 выходы которых соединены с входами формирователей импульсов k и 5 причем, выход первого формирова|геля соединен с одним из входов фор-; мирователя временных интервалов 6. Выход второго формирователя соединен со вторыми входами формирователей временных интервалов 6-8. Выход первого формирователя временных интервалов соединен с первым управляющим входом управляемого делителя частоты 9 и первым входом второго формирователя временных интервалов, выход которого соединен со вторым управляющим входом управляемого делителя частоты 9 и с первым входом третьего формирователя временных интервалов, выход которого соединен с третьим управляющим входом управляемого делителя частоты 9. Выход генератора импульсов заполнения 10 соединен с входом управляемого делителя частоты, счетчик периодов 11 соединен с одним из входов схемы совпадения 12, второй вход которой соединен с выходом управляемого делителя частоты. Выход схемы совпадения 12 соединен с входом счетчика результата 13Устройство работает следующим образом. Электромагнитное поле в земле возбуждается переменным током, вырабатываемым генераторной установкой (не показана). Измеряемый сигнал поступает на входной преобразователь 1, который производит нормирование входного сигнала по амплитуде. С выхода входного преобразователя 1 сигнал поступает на входы избиоательных усилителей первой и третьей гармоник 2 и 3, с выходов которых - на входы формирователей 4 и 5 которые в момент перехода приходящих напряжений через ноль, вырабатывают импульсы, которыми управляются формирователи временных и нтервалов 6-8, причем, включение первого формирователя временного интервала 6 производится импульсами с выхода формирователя Ц, а включение остальных (7 и 8} - импупьсами с выхода предыдущего формирователя переменного интервала. Выключение формирователей временных интервалов прот, изводится импульсами с выхода формирователя 5. Количество формирователей временных интервалов должно быть равно номеру гармоники, на которую настроен .второй избирательный усилитель. При измерении фазового сдвига между первой и третьей гармониками оно равно трем. Напряжениями с выходов формирователей временных интервалов 6-8 управляется делитель частоты 9 который производит деление частоты генератора 10 в зависимости от кода управляющих напряжений. Управляв ёмый делитель частоты 9 при коде 10 (на первом управляющем входе присутствует напряжение - состояние 1, а на остальных отсутствует - состояние О) должен иметь на выходе частоту 3, при коде 010 - 2, при коде 001 - и при коде 101 - k, В этом случае количество импульсов на выходе управляемого делителя частоты прямо пропорционально измеряемому фазовому сдвигу между первой и третьей гармониками. Импульсы с выхода управляемого делителя частоты поступают на схему совпадений 12, а затем, во время прихода разрешающего напряжения с выхода счетчика периодов 11, на вход счетчика результата, где производится подсчет количества импульсов и индикация результата на цифровом табло. Устройство предназначено для измерения сдвига фаз между гармониками сигнала (в частности, между первой и третьей). Под фазовым сдвигом между гармониками подразумевается фазе вый сдвиг, определяемый выражением ч. ..t. (2) где At - временной интервал, равный длительности между моменто переходачерез нуль первой гармоники и ближайшим одно именным нуль-переходом тре тьей гармоники; Т - период входного сигнала. Измерение искомого фазового сдви га осуществляется в три этапа: 1 на вход устройства подается и ряемый сигнал и определяется VNT Д - 4 (,), (3 гдeдtgц- временной сдвиг, вносимый измерительным каналом; 2) на вход устройства подается калибровочный сигнал с известными временными соотношениями между гармониками (it о) и определяется 360° , 360° -у- -j Д &Н () З) определяется разность ,2|o°.t ( f 4 МР. (t -t uiM кал т -кал. Из выражений (3) -(5) следует, что измерение фазового сдвига возможно при привязке к любому из ну переходов третьей гармоники, так ка постоянный фазовый (временной) сдви вносимый измерительным каналом, исключается при калибровке. Предположим, что имеется три фаз метрических устройства, алгоритмы р боты которых определяются выражения cy.M(iOl),W,t,-.(b) q.-Mfutoat4t46 3bO° -j- (11rj- (i( (6 - 3bO° f&i03 i47 V ЗЬО , V Т V 1 где индекс параметра времени I (фиг (Присваивается в соответствии с точка ми перехода агармоник через нуль S 1 / o 4-V 47 4-V bОпределяем среднее значение результатов фазометрических устройств (6) -(8 ), работающих при измерении и калибровке (t i Ul iW 1иэт аиЗН СР. ut+ut -bAt iKdA «зкал ср зьо ()KaA с (2) Отсюда в соответствии ЗЬО° 3ut У t/ -и - / - - (11) СР СР изм СР кол э Выражения (6)-(11) показывают один з вариантов реализации устройства, в котором производится обработка всех нуль-переходов третьей гармоники, Возможен другой, более простой вариант реализации устройства, выполняющего те же функции. Преобразуем выражение (9) с учетом (6) -( 8 , 1 CPHW TVЬ Так как V it ) 03 то выражение (12) принимает вид b Данное выражение эквивалентно выражению С 9 ) Реализация выражения (13;) осуществляется предлагаемым устройством. Если считать, что на вход фазометрического устройства поступают гармонические сигналы, то информацию о фазовом сдвиге несут лишь интервалы времени , а интервалы времени Д1оо, At5b- 67 формации не несут. Однако реальные сигналы, поступающие с выходов избирательных усилителей, отличаются от гармонических вследствие проникновения в каналы избирательных усилителей побочных гармоник и спектральных составляющих шумов и помех, поэтому, в общем случае Можно сказать, что указанные ин-. тервалы времени несут информацию о погрешности измерения искомого фазового сдвига, а обработка временных интервалов по всем нуль-переходам третьей гармоники позволяет практически полностью исключить погрешность измерительного устройства из-за про9никновения побочных гармоник в канал третьей гармоники. Для измерения временного интервала ( )необходимо заполнить данный интервал частотой заполнения ЗР интервала (2-д-Ь г,) - частотой 2f и т.д. .(фиг. 2). Так как в течение вре мени utg работают одновременно три фазометрических устройства, измеряющие интервалы времени dt , -ОЬ. следовательно, если частота за полнения каждого равна f , то в пред лагаемом устройстве частота заполнения должна быть 3f В устройстве первый временной ийтервал (фиг. 2) формируется между нуль-переходом первой гармоники и следующим за ним ближайшим противопо ложным нуль-переходом третьей гармоНИКИ (выражение 13). Данный прием по зволяет неоднозначность в диапазоне-+-Аг t -;iftfoo,что вполне Ч6 достаточно для решения поставленных задач. Если использовать ближайший одноименный нуль-переход третьей гар моники, то неоднозначность, проявляющаяся в виде отсчетов, равных либо нулю, либо 120, возникает при измер НИИ фазовых сдвигов, близких к нулю. Неоднозначность в устройстве не возникает при (фиг. 2). При (фиг. 1 алгоритм работ фазометра в устройстве определяется выражением W 3bo°/ V o9 V V V %g срдам т ь Для того, чтобы общее время измерения не превышало Т, учитывая, что utgq выражение (Н) можно записать в виде « -1ЬО.% СРИЗМ т f4d(t9ui ut |i34 4ui 5 % ViM При выражение (15) преобразуется в выражение (13К т.е. являl fV 4%)« (- % 34tfi%r -{- )1 360

(f

()

i44ilO T-/

сумма фазового сдвига между первой и третьей гармониками входного сигнала и фазо. . .

-iLfx ---:

вого сдвига, вносимого измерительным устройством; период первой гармоники;

i 8 ется более общим. Из выражения (15 и фиг. 3 видно, что неоднозначность измерительного устройства не возникает при 0. Для пояснения механизма образования систематической погрешности фазовых измерений, напряжения с выхода избирательного усилителя третьей гармоники 3 на фиг. 5 представлено не как суммарное, а в виде отдельных гармоник (третья гармоника - сплошная линия, проникающие первая и пятая - пунктирные). Начальные фазы проникающих гармоник взяты произвольно, а амплитуды, для наглядности, завышены. Включение формирователя временных интервалов 6 (фиг.6) происходит в момент -t-i .соответствующий времени перехода через ноль напряжения с выхода избирательного усилителя первой гармоники Л, а выключение - в момент соответствующий времени перехода через ноль напряжения с выхода избирательного усилителя третьей гармоники 3j tij- момент времени, COOT штствующий переходу через ноль напряжения третьей гармоники, т.е. такого напряжения с выхода избирательного усилителя, в котором отсутствуют побочные гармоники и сигналы. Интервал времени между моментами tnИ to и есть погрешность измерительного устройства, в котором в течение одного полупериода первой гармоники формируется лишь один временной интервал. Включение формирователей производится напряжениями с выходов предыдущего формирователя временного интервала 6, соответственно в моменты tq и tg, а выключение импульсами с выхода формирователя k в моменты 15 иЛ. В сформированных временных интервалах также содержатся погрешности, обусловленные теми же причинами; взаимным проникновением гармоник в каналы выделяемых сигналов. Однако, если производить обработку полученных временных интерзалов в соответствии с выражениемп . временной и фазовый сдвиги между первой и третьей гар мониками Д , tQ -t 5 , ut45 t4 - t5, At6T t -t V IP Ц приращение времени и фазов ад сдвиги, обусловленные прон кающими гармониками V S4 Vr V-V 46-bO°. - время и фазовые сдвиги, со ветствующие полупериоду ча тоты третьей гармоники, но выраженные через периоды и градусы первой гармоники; ) TO отношение Предположим, что на вход избирательного усилителя третьей гармоник поступает сигнал в соответс.вии с в ражением t1). Напряжение на выходе избирательного усилителя можно записать в виде U(t)(uut(fJt- Kg-sin(3a))t 4 К5-51П (Stiot- Vj) где К«,К„.и К с-коэффициенты усиления соответственно на Частотах 1, 3 и 5-й гармоник. Для упрощения принимаем, что на 4acTOte резонанса фазовый сдвиг избирательного усилителя равен нулю, т.е. ) О- После несложного преобJэaзpвaния получаем - . U{l)(U3t+i)tsin3u)()- irt к Напряжение на выходе избирательно го усилителя в момент перехода третьей гармоники через ноль для случая 3u)t 180° равно U(t)(,iSin(500(f5.)Если E-I«I.€Q.«I, то изменением напряжений проникающих гармоник по сравнению с изменением напряжения выделяемой гармоники за время, равно разности между моментами перехода через ноль напряжения с выхода избирательного усилителя и его третьей гармоники, можно пренебречь. Исходя из этого, уравнение для определения систематической погрешности измере8НИИ фазового сдвига между первой и третьей гармониками при наличии в выходном сигнале избирательного усилителя третьей гармоники побочных гарМОНИК можно записать в виде l)(t)(b()()()0. Решая данное уравнение, получаем5inl S(f,3g(sin60 -COS4,+COS60 -5in4) -| €(sln 300 cos Э00°-siл fJ %(f cosCf.lsinCfUfe l-fcx sifg. . -4sAnV, Аналогично для моментов перехода через ноль третьей гармоники ,3out 360 и 3tut Б погрешности измерения фазовых сдвигов составляют: ,),4,-r--3e,si.(f,.(ao) Просуммируем грлученные погрешнос,€,(,. VW XCOS V Sin -s;H4,).|E(-|cosy 1х X 55Я Sln(fj-siTl45 ) 0. («10) Отсюда, с учетом выражения U6) калибровки измерительного устройста, при которой на вход измерительноо устройства подается сигнал с изестными фазовыми соотношениями (f 0) змеряемый фазовый сдвиг равен /W 4-(f +10 ,„-.„,«.«,(„о I - 7А Ч-Э 01 I -U I фазовый угол калибровки. Полученное toждecтвo показывает, то при указанных допущениях (.проникащие гармоники в канале избирательноо усилителя первой гармоники пренебежительно малы, в канале избиратель.ого усилителя п-й гармоники выполняКи li|4-l тся соотношения , ../. .«-i: 1 и тветственно на частотах первой ип +2 армониках) измерительное устройство не имеет систематической составляющей погрешности при измерениях фазовых сдвигов между гармониками. Для сравнения измерительное устройство станции ВП-ф, избирательные усилители которого обеспечивают g., i 0,00 « 1;е, 0,025 «1 Kg- К,, при 1/ its И 5 135° имеет систе матические составляющие погрешности для соответствующих переходов через ноль третьей гармоники, вычисленные по выражениям (18-20} 1-5 1,75°-,Ч45 -1,28 Таким образом, в предлагаемом устройстве за счет обработки в течение периода первой гармоники всех пе реходов через ноль напряжения с выхо да избирательного усилителя, настроенного на более высокую гармонику,20генератора импульсов заполнения, .при существенно снижается систематическаяэтом вторые входы цепи последовательсоставляющая погрешности и примерноно соединенных формирователей временв m раз (ш - отношение общего количест-ных интервалов подсоединены к выходу ва переходов через ноль более высокойвторого формирователя импульсов, а гармоники к количеству переходов, об- 25первые входы - также к дополнительным работанных в течение периода частоты первой гармоники , случайная составл йщая снижается при одновременном повышении производительности фазовых и мерений, которая достигается снижением добротности избирательных усили телей и возможностью уменьшения количества периодов осреднения. Формула изобретения 1. Измерительное устройство для геоэлектроразведки, содержащее генератор импульсов заполнения, входной преобразователь, к выходу которого подключены две параллельные цепи, каждая из которых содержит последова 9 81i« тельно включенные избирательный усилитель и формирователь импульсов, соединенные с двумя входами формирователя временных интервалов, к выходу одного из формирователей импульсов подсоединены последовательно включенные счетчик периодов, схема совпадения и счетчик результатов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений и производительности труда, в него дополнительно введены цепь последовательно соединенных соответственно через первые входы и выходы формирователей временных интервалов, а также управляемый делитель частоты, выход которого соединён с дополнительным входом схемы совпадения, а сигнальный вход делителя частоты соединен с выходом входам делителя частоты. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что число последовательно соединенных формирователей временных интервалов равно номеру гармоники входного сигнала, на которую настроен рторой избирательный усилитель. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Мельников В.П. и др. Основы амплитудно-фазовых измерений вызванной поляризации. Якутск, Якутское книжное из-во, 197, с. 13 -1352.Авторское свидетельство CQpP № , кл. G 01 V 3/02, 1972. 3.Геофизическая аппаратура. 1978, № 65, с. U5-52 (прототип). / t