Измеритель разности потенциалов геофизический (ирпг)

Измеритель разности потенциалов геофизический (ирпг)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Измеритель разности потенциалов геофизический (ИРПГ) является функциональным измерительным прибором и предназначен для проведения геофизических исследований дифференциально-нормированным методом электроразведки (ДНМЭ), в частности к методам электроразведки для изучения геоэлектрических и поляризационных свойств земной коры. ИРПГ применяется для импульсных методов электроразведки на заземленных измерительных установках.

Известно изобретение «Устройство для поиска геопатических зон», патент RU №2169932, опубл. 27.06.2001, МПК G01V 3/02, которое в окружающей среде индуцирует магнитное поле и измерение локальных проводящих свойств участка земной поверхности, содержащий четыре электрода, с которых формируют несколько сигналов и передают через преобразователь входного сигнала на несколько аналого-цифровых преобразователя. Однако используется другая измерительная установка с рамкой, которая не может быть применена к предлагаемому ИРПГ.

Известно изобретение «Способ измерения действующего значения напряжения в электрических цепях переменного тока», патент RU №2298194, опубл. 27.04.2007, МПК G01R 19/02, который относится к измерительной технике и может быть реализован как аппаратными в аналоговом виде, так и программными средствами виртуальных приборов на базе персональных компьютеров, использующий метод непосредственного снятия интегральной функции, однако снимают один сигнал и затем осуществляют действие по интегрированию с задержкой на два различных фиксированных интервала времени, однако не формируют два сигнала, которые обрабатывают по разным каналам. Кроме того, данный способ используют для определения значения напряжения в электрических цепях переменного тока, что отличается от условий работы при геоэлектроразведке.

Известно изобретение «Способ геоэлектроразведки», патент RU №2002106846, опубл. 27.11.2003, МПК G01V 3/06, включающий возбуждение в каждой отдельной геометрической точке электромагнитного поля, измерение на базе между двумя крайними измерительными заземлениями мгновенное значение осевой разности электрических потенциалов, измерение с помощью расположенных вдоль профиля трех измерительных заземлений, и расчет четырех независимых от силы тока дипольного источника нормированных электрических параметра. Однако не формируют два сигнала и их последующее усиление и оцифровка по раздельным каналам. В известных измерителях осуществляют только формирование отношения этих двух сигналов и далее усиление и фильтрация одним каналом.

Известно изобретение «Устройство для морской электроразведки в движении судна и способ морской электроразведки», патент RU №2253881, опубл. 10.06.2005, МПК G01V 3/02, содержащее блок измерения сигналов, включающий многоканальное измерительное устройство с приемными электродами, однако формирование сигнала идет на основе отношения этих сигналов и далее усиление и фильтрация осуществляется одним каналом, что не позволяет повысить точность промежуточных действий, за счет того, что можно провести промежуточный анализ функций дифференциально-нормированных параметров поля еще до решения обратной задачи, оконтуривания и получения окончательного вывода.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению относится изобретение «Способ геоэлектроразведки», патент RU №2210092, опубл. 10.08.2003, МПК G01V 3/06, включающий возбуждение электрического поля с помощью питающих электродов, регистрацию и измерение на выходе коммутирующего устройства разности потенциалов между каждой парой соседних приемных гальваноемкостных электродов, и устройство, последовательно коммутирующее на две выходные клеммы соседние приемные гальваноемкостными электроды. Устройство может использоваться при инженерно-геологических изысканиях в сложных условиях заземления, позволяет производить измерения разности потенциалов (а иногда и возбуждение электрического поля) без гальванического заземления приемных (и питающих) электродов. Однако не является универсальным для наземных и морских измерительных установок, не может использовать как осевые, так и ортогональные установки. Устройство относится к электроразведке малых глубин и использует два несимметричных измерительных канала (с несимметричным входом) и один симметричный канал (с симметричным или дифференциальным входом). Однако не формирует два сигнала и их последующее усиление и оцифровка по раздельным каналам не позволяют повысить точность промежуточных действий, за счет того, что можно провести промежуточный анализ функций дифференциально-нормированных параметров поля еще до решения обратной задачи, оконтуривания и получения окончательного вывода.

В методе ДНМЭ электроразведки для изучения геоэлектрических и поляризационных свойств земной коры используются дифференциально-нормированные параметры, которые представляют собой отношение разностей потенциалов электромагнитного поля.

Требуется измерить разность потенциалов непосредственно в точках заземления и электрически преобразовать их с получением заданной временной функции дифференциально-нормированных параметров.

Необходимо обеспечить возможность измерения импульсных характеристик изменения первичного потока данных (разности потенциалов) и первичного поля в момент включения поля возбуждения. При этом требуется обеспечить возможность применения ИРПГ, для чего он и предназначен, для измерения на заземленных осевых и ортогональных (поперечных) измерительных установках. Кроме того, требуется обеспечить возможность работы с помощью ИРПГ как на суше, так и на море. При этом с минимальными дополнениями аппаратной части требуется обеспечить возможность работы ИРПГ в установках, предназначенных для работы не только с гальваническим заземлением, но и в установках с индукционными датчиками. Предлагаемое решение обеспечивает работу только на установках с гальваническим заземлением, однако при дополнении ИРПГ программно-измерительным комплексом становится возможным работа ИРПГ с установками, оснащенными индукционными датчиками, т.е. с незаземленными датчиками, что делает измеритель универсальным. Также при использовании установки с гальваническим заземлением использование специально разработанного программно-измерительного комплекса позволяет ИРПГ срабатывать точнее, поскольку на гальваническом заземлении задача непосредственного измерения характеристик поля более сложная.

При использовании ИРПГ требуется проследить все те погрешности, которые возникают в процессе измерения данных функций еще до получения измеренных кривых на мониторе ЭВМ и вовремя ввести корректирующие поправки, что позволит более детально учесть особенности измеренного поля и более подробно изучить геоэлектрические свойства разряда в данной среде, что до настоящего времени известные измерители не делали. То есть требуется осуществлять промежуточный анализ, который повышает точность промежуточных действий при измерении и позволяет при дальнейшей обработке измеренных данных выполнить более точный прогноз.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет достичь следующего технического результата:

- расширение технических средств для исследований дифференциально-нормированным методом электроразведки (ДНМЭ) геоэлектрических и поляризационных свойств земной коры;

- возможность непосредственного измерения первой и второй разности потенциалов;

- повышение соотношения сигнал/помеха;

- повышение точности промежуточных действий, за счет того, что появляется возможность провести промежуточный анализ функций дифференциально-нормированных параметров поля еще до решения обратной задачи, оконтуривания и получения окончательного вывода.

Заявленный технический результат обеспечивают за счет того, что измеритель разности потенциалов геофизический содержит преобразователь входного сигнала, снимающий прямые показания датчиков с заземлением, устройство управления, снабженное программным обеспечением, и канал передачи данных, включающий усилитель и аналого-цифровой преобразователь. Измеритель отличается тем, что преобразователь входного сигнала снимает по меньшей мере два показания в момент инициации поля с точек заземления датчика поля на одном разносе, установленного по меньшей мере в трех точках, расположенных продольно или ортогонально с гальваническими заземлениями, соприкасающимися с токопроводящей средой. Преобразователь входного сигнала содержит усилитель, который выполнен в виде операционного усилителя с высоким входным сопротивлением и соединен с первым и введенным дополнительно вторым каналами передачи данных, с которых по первому каналу передачи данных передают сигнал суммы с учетом знака первой разности потенциалов, измеренных между каждой крайней точкой заземления (М, N), и общей точкой заземления GND, относительно которой ведут измерения каждого датчика поля, по второму каналу передают сумму с учетом знака вторых разностей потенциалов, измеренных между каждой крайней точкой заземления (М, N) и центральной точкой О заземления датчика поля с учетом операционного коэффициента преобразования. Причем и первый и второй каналы передачи данных выполнены по идентичной схеме и содержат: первый предварительный усилитель, обеспечивающий компенсацию дрейфа нуля за счет введения опорного напряжения, относительно которого рассчитывают корректирующую поправку, усилительного тракта первого, обеспечивающего последующее усиление сигнала, который передают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) первый, и второй предварительный усилитель, обеспечивающий компенсацию дрейфа нуля за счет введения опорного напряжения, относительно которого рассчитывают свою корректирующую поправку, усилительного тракта второго, обеспечивающего последующее усиление сигнала, который передают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) второй, а АЦП обоих каналов передачи данных параллельно соединены независимо друг от друга с устройством управления, снабженным программируемым модулем, обеспечивающим управление соответствующего измерительного канала, причем устройство управления соединено с устройством сопряжения компьютера. Причем опорное напряжение для каждого усилительного тракта может быть либо своя, либо общая для всех усилительных трактов в зависимости от возможностей и условий работы. Измеритель снимает показания с датчиков, заземления которых соприкасаются с токопроводящей средой, которой является морская вода или почва. Для измерения используют приемно-измерительную установку типа дипольно-осевой или ортогональной, используют измерительные установки - морские или наземные. С помощью измерителя снимают прямые показания датчиков в виде аналоговых сигналов одновременно по меньшей мере в трех точках заземления в любом сочетании относительно общего для всей установки нулевого заземления GND. С помощью измерителя снимают прямые показания датчиков как вдоль заземленной линии, так и поперек заземленной линии в пределах допусков, равных ±30°. При сопротивлении среды ниже 10 кОм измерение измерения проводят без участия центральной точки заземления. При сопротивлении среды более 50 кОм измерение проводят с участием заземленного приемного устройства в общей точке с выводом на все разносы. Измеритель передает сигнал суммы с учетом знака, получая первую разность потенциалов U=U_MN, равную разности потенциалов, измеренных между точками М и GND и измеренных между точками N и GND. Формула полученных функций при этом - φ U_MN=(φU_N-φU_GND)-(φU_N-φU_GND). Измеритель передает сигнал суммы с учетом знака, получая вторую разность потенциалов Δ2 U, равную разности потенциалов, измеренных между каждой крайней точкой заземления датчика поля М и N и центральной точкой заземления О. Формула полученных функций - Δ2U=ΔU_MO-ΔU_NO=[(φU_M-φU_GND)-(φU_O-φU_GND)]-[(φU_N-φU_GND)-(φU_O-φU_GND)]. В измерителе операционный коэффициент преобразования равен ¹/₂. В измерителе перационный усилитель имеет входное сопротивление более 100 МОм. Компьютер содержит процессор, снабженный программным обеспечением (ПО) для преобразования сигнала, полученного от программно-измерительного комплекса (ПИК) и отображения параметров геоэлектрических и поляризационных свойств земной коры.

Схема измерителя ИРПГ поясняется, но его работа не исчерпывается следующими чертежами:

на Фиг.1 показана схема электрическая функциональная;

на Фиг.2 показана схема подключения функционального блока «преобразователь входного сигнала».

На Фиг.1 показаны также точки заземления датчика поля на одном разносе (М, О, N) и общая точка заземления GND, где

М, О, N - точки заземления датчика поля;

ΔU₁ - первая разность потенциалов между точками М и О;

ΔU₂ - первая разность потенциалов между точками О и N;

Δ2U - вторую разность потенциалов.

Измеритель ИРПГ снимает показания с датчика поля (1) и включает преобразователь входного сигнала (2), в который включен операционный усилитель (5), по двум измерительным каналам (3 и 4) передает измеренные и преобразованный по заданным формулам сигналы, при необходимости введя операционный коэффициент преобразования. По каналам передачи данных (6 и 7), в которые входит соответствующий предварительный усилитель (8 и 9) и АЦП (10 и 11), измеренные функции параметров через устройство сопряжения с компьютером (12) отображают на мониторе компьютера и записывают в базу. Каналы передачи данных (6 и 7) независимо друг от друга управляются устройством управления (13), которое обеспечивает компенсацию дрейфа нуля и ввод необходимых поправок.

Измеритель ИРПГ является однофункциональным измерительным прибором, датчик поля - трехточечная заземленная линия (М, О, N), количество каналов измерения - 2. Питание ИРПГ осуществляется от источника постоянного тока с выходным напряжением от 10,5 до 15 В и током нагрузки не менее 1 А. Интерфейс для подключения к компьютеру последовательный (USB). Измеритель работает под управлением персонального компьютера и обеспечивает следующие основные функции:

- измерение, преобразование сигналов и передачу их в персональный компьютер;

- запуск измерений с помощью внешней синхронизации;

- установку коэффициентов усиления раздельно по каждому каналу;

- сдвиг уровня постоянной составляющей (балансировку) каналов.

Конструктивно Измеритель разности потенциалов геофизический ИРПГ входит в состав измерителя, аппаратная часть которого выполнена по многомодульной схеме и состоит из следующих блоков:

- блок измерительный «МОСТ», выполняет функции преобразования разностей потенциалов, балансировку каналов, усиление сигнала, аналого-цифровое преобразование, буферизацию данных, передачу данных в линию связи;

- адаптер линии связи «АЛС», служит для передачи и буферизации данных и команд между ПК и измерительным блоком МОСТ. Кроме этого, к АЛС возможно подключение источников синхронизации различных типов; для подключения модулей у АЛС имеется две ЛИНИИ СВЯЗИ, к каждой из которых может быть подключено до четырех двухканальных блоков МОСТ. Для подключения источников синхронизации имеется один вход с оптической развязкой и один вход, совместимый с уровнями RS232 (используется для подключения устройства синхронизации УС, а также содержит вход для перепрограммирования микрокода АЛС);

- устройство синхронизации «УС», служит источником синхросигнала для обеспечения совместной работы питающей и приемной аппаратуры. В качестве опоры используется сигнал со встроенного GPS. Устройство синхронизации выполнено в виде самодостаточного узла, не требующего подключения к ПК. Для совместной работы с другими частями аппаратуры УС снабжен тремя разъемами: GPS, RS232, КОММУТАТОР. Разъем «GPS» предназначен для подключения штатной GPS-антенны;

- антенна GPS.

Коэффициент усиления предварительного усилителя составляет (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64,128)±1%.

Компенсация 0 на предварительном усилителе обеспечивается за счет подачи постоянного напряжения, которое компенсирует сползание 0 (нуля). Это необходимо, т.к. разность потенциалов (первая, а, следовательно, и вторая) меняется за счет внешних полей, внутреннего дрейфа усилителей и функции разности потенциалов в точке измерения. Т.е. Компенсацией обеспечивают заданный динамический диапазон. Через программу (ПО) и ЦАП (цифровой аналоговый преобразователь) вводят корректирующую поправку, компенсирующую сдвиг 0 (нуля) в виде постоянного опорного напряжения, поданного на вход предварительного усилителя измерительного прибора.

Порядок подключения показан на Фиг.2.

ПО позволяет задавать параметры измерительного канала и параметры записи получаемых данных. При подключении к ПК измерителя ИРПГ возможно использование двух и более каналов, что зависит от аппаратных возможностей и ПО. В рассматриваемом случае два канала передачи данных позволяют задавать коэффициенты усиления раздельно для каждого измерительного канала, состоящего из предварительного усилителя, АЦП и коммуникаций.

Балансировка 0 (нуля) может быть периодической и балансировкой по необходимости.

ИРПГ выполняет следующие функции:

- сбор данных непосредственно с датчиков в виде аналоговых сигналов, преобразуя их в функции характеристик измеренного поля, изменяющиеся во времени и имеющие свои характерные конкретные значения в точках измерения в зависимости от свойств геоэлектрического разреза, оцифровывая их для дальнейшей обработки и анализа;

- программное обеспечение, в частности программа сбора, которым оснащен ИРГП, обеспечивает коммутационные функции связи с программно-измерительным комплексом (ПИК) и операционные функции измерителя;

- преобразование измеренных характеристик в цифровой код и передача в программно-измерительный комплекс;

- передача в программно-измерительный комплекс цифрового кода для дальнейшей обработки параметров геофизического разреза.

ИРПГ работает следующим образом.

Управление измерителем осуществляется программным путем с помощью портативного персонального компьютера. Результаты измерений преобразуются из аналогового сигнала в цифровой код и передаются в компьютер, где обрабатываются и используются в дальнейшем для изучения геоэлектрических свойств разреза.

Работа измерителя осуществляется следующим образом (см. Фиг.1): сигнал с датчика поля (1), в качестве которого используется трехточечная приемная (измерительная) установка с гальваническим заземлением, поступает на вход преобразователя входного сигнала (2). Входные цепи - измерительные каналы (3,4) выполнены на операционном усилителе (5) с высоким входным сопротивлением. В преобразователе входного сигнала (2) происходит формирование двух сигналов по формулам, представленным в описании. Далее сигналы поступают на два канала передачи данных (6, 7), выполненных по идентичной схеме. В предварительных усилителях (8, 9) производится компенсация дрейфа нуля усилительного тракта (балансировка) и усиление сигнала, АЦП (10, 11) преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Далее сигнал в отсчетах АЦП (10, 11) через устройство сопряжения (12) поступает в компьютер, где производится дальнейшая обработка сигнала. При этом устройство управления (13) обеспечивает ввод корректирующих поправок и введение операционного коэффициента преобразования по каждому измерительному каналу независимо друг от друга.

Отличительной особенностью измерителя является то, что производится формирование двух сигналов и усиление и оцифровка их раздельными каналами.

Рабочий режим включают после того как предварительные настройки выполнены, тогда начинает работать программа сбора сигналов с датчиков поля. На аппаратной группе должны быть осуществлены настройки УС - режим работы с GPS, период синхронизации, в частности 4 секунды, задержка, в частности 250 миллисекунд.

Таким образом, обеспечивается возможность непосредственного измерения первой и второй разности потенциалов, повышение соотношения сигнал/помеха за счет более детального изучения промежуточных показаний и повышения точности промежуточных действий. За счет того, что появляется возможность провести промежуточный анализ функций дифференциально-нормированных параметров поля еще до решения обратной задачи, оконтуривания и получения окончательного вывода, накапливается большая база данных, которая позволяет делать более точные выводы при изучении геофизических параметров.

1. Измеритель разности потенциалов геофизический, содержащий преобразователь входного сигнала, получающий прямые показания датчиков с заземлением приемных электродов и формирующий первую и вторую пространственные разности потенциалов, устройство управления снабженное программным обеспечением, и канал передачи данных, включающий усилитель и аналого-цифровой преобразователь, отличающийся тем, что преобразователь входного сигнала получает из токопроводящей среды, по меньшей мере, два показания в момент инициации поля с точек заземления датчиков поля на одном разносе измерительной установки, установленных, по меньшей мере, в трех точках, расположенных продольно или ортогонально относительно питающей линии с гальваническими заземлениями, преобразователь входного сигнала с операционным усилителем с высоким входным сопротивлением соединен с первым и введенным дополнительно вторым каналами передачи данных, по первому каналу передачи данных передают сигнал суммы с учетом знака первой разности потенциалов, измеренной между каждой крайней точкой заземления (М, N) и общей точкой заземления GND, относительно которой ведут измерения каждого датчика поля, по второму каналу передают сумму с учетом знака вторых разностей потенциалов, измеренных между каждой крайней точкой заземления (М, N) и центральной точкой О заземления датчика поля, причем первый и второй каналы передачи данных выполнены по идентичной схеме и содержат соответственно каждый: предварительный усилитель, на котором обеспечивается компенсация дрейфа нуля путем введения корректирующей поправки в виде постоянного опорного напряжения, поданного на вход каждого предварительного усилителя с устройства управления, снабженного программным обеспечением, и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), АЦП обоих каналов передачи данных параллельно соединены независимо друг от друга с устройством управления, а устройство управления соединено устройством сопряжения с компьютером.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что токопроводящей средой является морская вода.

3. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что токопроводящей средой является почва.

4. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что используют приемно-измерительную установку типа дипольно-осевого или ортогонального расположения относительно заземленной питающей линии.

5. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что используют измерительные установки морские или наземные.

6. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что снимает потенциалы с заземленных приемных электродов в виде аналоговых сигналов одновременно по меньшей мере в трех точках заземления в любом сочетании относительно общего для всей установки нулевого заземления GND.

7. Измеритель по п.6, отличающийся тем, что снимает потенциалы с заземленных приемных электродов как вдоль заземленной питающей линии, так и поперек заземленной питающей линии в пределах допусков, равных ±30° относительно заземленной питающей линии.

8. Измеритель по п.6, отличающийся тем, что передают сигнал суммы с учетом знака, получая первую разность потенциалов ΔU=ΔU_MN, равную разности потенциалов, измеренных между точками М и GND и измеренных между точками N и GND.

9. Измеритель по п.8, отличающийся тем, что формула полученных функций - ΔU_MN=(φ_M-φ_GND)-(φ_N-φ_GND), где φ_M, φ_N, φ_GND - потенциалы на электродах М, N, GND.

10. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что передают сигнал суммы с учетом знака, получая вторую разность потенциалов Δ2 U, равную разности потенциалов, измеренных между каждой крайней точкой заземления датчика поля М и N и центральной точкой заземления О.

11. Измеритель по п.10, отличающийся тем, что формула полученных функций - Δ2U=ΔU_MO-ΔU_NO=[(φ_M-φ_GND)-(φ_O-φ_GND)]-[(φ_N-φ_GND)-(φ_O-φ_GND)].

12. Измеритель по п.11, отличающийся тем, что операционный коэффициент преобразования равен ¹/₂.

13. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что операционный усилитель имеет входное сопротивление более 100 МОм.