Измерительное устройство для геоэлектроразведки

Измерительное устройство для геоэлектроразведки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Соцмапистическмк

Республик ()928288 (6l } Дополнительное к авт. санд-ву (22) Заявлено 28.07. 80(21) 2963864/18-25 с присоединением заявки М (23)Приоритет (51)M. Кл.

G о1 ч 3/06

3Ъсударствкнный коинтет

СССР но аелзи нзебретеннй н открытнй

Опубликовано 15. 05 . 82. Бтоллетень Рй 18

Дата опубликования описания 17.05.82 (53) >3,К 550.837 (088. 8) (72) Авторы изобретения

В.А. Иариненкэ,, В.А. Солнцев, П.Ф. Ф и В.д. Жильникоа е вченко

1 ".

Казахский опытно-экспериментальный завод геофизических приборов "Казгеофизприбор" Научно-производственного объединения "Геофизика" (71) Заявитель (ЕЬ) ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕОЗЛЕКТРОРИЗВЕДКИ

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 предварительщ ныи усилитель, соединенный с входным преобразователем, перестраиваемый избирательный усилитель, измеритель амплитуды и фазометр, вторые входы которых подсоединены к блоку опорного сигнала 1).

Известное устройство предназначено для последовательных амплитудно-фазовых измерений, что ограничивает производительность труда. 20

Известно также устройство для параллельных амплитудно-фазовых измерений, позволяющее ускорить измерение. Это устройство содержит Фаэометрический 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 Формируется 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 соответствурщей гармоники, а в момент перехода через ноль суммы

8288

10

50: единенных соответственно через пер55 напряжений этой .гармоники и проникающих в канал побочных гармоник. Известно, что наличие одного процента высших гармоник при измерениях фазового сдвига между двумя напряжениями может привести к погрешности, достигающей I 2, В выходных сигналах избирательных усилителей содержатся также напряжения, обусловленные внутренними шумами устройства и внешними помехами, наличие которых приводит к появлению случайной погрешности.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является измерительное устройство для геоэлектро,разведки - станция ВП-ф. Измерительl ное устройство содержит генератор им пульсов заполнения, входной преобразователь, к выходу которого подключены две параллельные цепи, 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 ()j.

Однако формирование в течение одного полупериода первой гармоники лишь одного временного интервала, а также наличие .в каналах выделяемых гармоник побочных гармоник сигналов приводит к систематическим и случайным погрешностям. Величина систематической погрешности зависит от амплитуды и фазы проникающих гармоник.

Снижение систематической погрешности может быть достигнуто лишь повышением эквивалентной добротности избирательных усилителей, что приводит к другому недостатку — снижению производительности труда при фазовых измерениях из-за увеличения длительности переходных процессов. Анализ спектра периодически прямоугольного напряжения типа "меандр", определяемого выражением

4 . "o

О()= — U р1п о.11» — В п(3ай)+ — s;n х

Л 0 Ь 5

«(5m>e)t.:.), где Uu и U< — частота и амплитуда прямоугольного напряжения; показывает, что на выходах избиратель ных усилителей высших гармоник более трудно получить хорошее отношение

4 си гнал/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 номера 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, выде= ляющим 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 т1-й йгармониками погрешность фазовых измерений определяется в основном проникновением побочных гармоник в канал высшей .гармоники - 3,5 — n (n - 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 совые входы и выходы формирователей временных интервалов, а также управ-. ляемый 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 последователь288 6

5 928 но 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 преобразователь I, выход которого соединен с входами избирательных усилителей 2 и 3, выходы которых соединены с входами формирователей импульсов 4 и 5, причем, выход первого формирова1геля соединен с одним иэ 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 час" тоты.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 13.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитное поле в земле возбуждается переменным током, вырабаты3

2S

33

43

50 ваемым 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 избирательных 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 интервалов 6-8, причем, включение первого формирователя временного интер-. вала 6 производится импульсами с выхода формирователя 4, а включение остальных (7 и 8) - импульсами с выхода предыдущего формирователя переменного интервала. Выключение формирователей временных интервалов про-, 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. Управля+ емый делитель частоты 9 при коде "10)" (на первом управляющем входе присутствует напряжение - состояние "1", а на остальных отсутствует - состояние

"0" ) должен иметь на выходе частоту 3, при коде "010" — 2f, при коде "001" - Я и при коде "101"" - 41.

В этом случае количество импульсов на выходе управляемого делителя частоТы прямо пропорционально измеряемому фаэовому 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 фаэовым сдвигом меж928288

50

СР. и ЗМ ду гармониками подразумевается фазовый сдвиг, определяемый выражением — ь, 360 (2) где At — временной интервал, равный длительности между моментом перехода через нуль первой гармоники и ближайшим одноименным нуль-переходом третьей гармони ки;

l0

Т вЂ” период входного сигнала.

Измерение искомого фазового сдвига осуществляется в три этапа:

1 на вход устройства подается измеряемый сигнал и определяется t5

Т " = Т („)(3)

36О 36 О

ГдеЬЙВ - временной сдвиг, вносимый измерительным каналом;

2) на вход устройства подается 20 калибровочный сигнал с известными временными соотношениями между гармониками (At = О) и определяется

36Оо

КОл Т Т РН

3) определяется разность

36 о 6О 4 = ал= " = Т ("и и кал)

Из выражений (3) -(5) следует, что измерение фазового сдвига воз- 3о можно при "привязке" к любому из нульпереходов третьей гармоники, так как постоянный фазовый (временной) сдви г, вносимый измерительным каналом, исключается при калибровке.

Предположим, что имеется три фазометрических устройства, алгоритмы работы которых определяются выражениями

ЗЬО 1К01+.от, 45 1 ЗЬО

„ЬЬО (йО +ЫЬ ж, (ЗЬ0 (ЙОЗ+М47 3bo.где индекс параметра времени (фиг.2)

I присваивается в соответствии с точками перехода агармоник через нуль

: "О 1 0 45 5 4 Й -1 "Ь 46=t - 4=Atg, A 03 3 0 4Т 1 4

Определяем среднее значение результатов фазометрических устройств (6 ) -(8),ðàáoòàþùèõ при измерении и калибповке

1иэы Я.иЪй ЗиЪм

+@

8

Э) Q 1 а " ксм "З ка

СР иди 3

ЗЬО (И1 О. 3)xan т э . (1О) Отсюда в соответствии с (2) и(3)

3 ЬО

Т вЂ”. ЗМ

СР СР ИЗИ СР КсИ 3

Выражения (6 )- (11) показывают один из вариантов реализации устройства, в котором производится обработка всех нуль-переходов третьей гармоники.

Возможен другой, более простой вариант реализации устройства, выполняющего те ие функции. Преобразуем выражение (9) с учетом (6) -(8) (а)

ЪЬ0 1 и б О Ф4Ь ЦЦ+ <4Z

cp@ w 6

Так как

Ь =ь1 „ И ; & рА 4&

> су 0.1+ Ц .щ )A pq=A gg A"у, " 6Т1 то выражение (12) принимает вид Ь0 (5 У УР Ц Ь Щ

СЛИЗИ Т Ь

Данное выражение эквивалентно выражению (9 ).

Реализация выражения (13) осуществляется предлагаемым устройством.

Если считать, что на вход фазомет- . рического устройства поступают гармонические сигналы, то информацию о фазовом сдвиге несут лишь интервалы времени Ьйо„и h t4, а интервалы времени A,t< = at @ — Ь1:5Ь= лй = Т/6 информации 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

Т

A4)ggh+gg$... ф —Можно сказать, что указанные интервалы 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 про9 9282 никновения побочных гармоник в канал третьей гармоники.

Для измерения временного интервала (3.Мв„) необходимо заполнить данный интервал частотой заполнения 3f интервала (2 л 1) — частотой 2f и т.д..(фиг. 2). Так как в течение времени МО„ работают одновременно три фаэометрических устройства, измеряющие интервалы времени д „, ь и 0 в, следовательно, если частота эа полнения каждого равна f,,то в пред -. лагаемом устройстве частота заполнения должна быть 3f

В устройстве первый временной интервал (фиг. 2) формируется между нуль-переходом первой гармоники и следующим за ним ближайшим противоположным нуль-переходом третьей гармоники (выражение 13). Данный прием по- >о зволяет избежать неоднозначность в диапазоне+ — 4 †;Q ÜÎ,что вполне

Т о

6 достаточно для решения поставленных задач. Если испольэовать ближайший одноименный нуль-переход третьей гармоники, то неоднозначность, проявля ющаяся в виде отсчетов, равных либо нуля, либо 120, возникает при измерении фазовых сдвигов, близких к нулю.

Неоднозначность в устройстве не возникает при -60 Ч < О (фиг. 2) .

При Ч О (фиг. 1) алгоритм работы . фазометра s устройстве определяется выражением

s o М М "о и" ц в .(14) сею т

Для — îãî, чтобы общее время измерения не превышало Т, учитывая, что LL йВ = а йо„, выражение (14) можно записать в виде

360 „ СР ИЗм Т (<5)

При Р(О выражение 1g) преобразуется в выражение (13), т.е. явля "в""вФ ь) (- o

И311

88 10 ется более общим. Из выражения (15) и фиг. 3 видно, что неоднозначность измерительного устройства не возникает при 60 ) ) О.

Для пояснения механизма образования систематической погрешности фазовых измерений, напряжения с выхо" да 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 фазь1 проникающих гармоник взяты произвольно, а амплитуды, для наглядности, завышены.

Включение формирователя временных интервалов 6 (фиг.б) происходит в момент „,соответствующий времени перехода через ноль напряжения с выхода избирательного усилителя первой гармоники 2, а выключение - в момент соответствующий времени перехода через ноль напряжения с выхода избирательного усилителя третьей гармоники 3, С 1 " момент времени, соот етствующий 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 Г,1 и и 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 и 5, а выключение импульсами с выхода Формирователя 4 в моменты 1 5 и Ь T

В сформированных временных интервалах также содержатся погрешности, обусловленные теми же причинами: взаимным проникновением гармоник в каналы выделяемых сигналов. Однако, если производить обработку полученных временных интервалов в соответствии с выражени BH где Ч - сумма Фазового сдвига между

И9м первой и третьей гармоника" ми входного сигнала и фазово го сдви га вносимо го и э мерительным устройством;

Т„- период перво" гармоники;

11 928288

12

ЫиЧ

„и Ч - временной и фазовый сдвиги ния фазового сдвига между первой и между первой и третьей гар- третьей гармониками при наличии в мониками Ь taboo= й(-t > „выходном сигнале избирательного усиьt4>= t4 - tg, At >— = t6 -t>, лителя третьей гармоники побочных гарЦ,6 Ч вЂ” .приращение времени и фаэовые моник можно записать в виде

Т35 45 ьт сдвиги, обусловленные прони- 5(ц-35 5:п(Ьрре5 )г51п(150 ну )г-K Sin(300нг п. ка юци ми гармони ка ми й3) 5 (1. 5

T,„o Решая данное уравнение, получаем:

<о 5ini((=35„(51пьб .0059„ 00560.51пЧ,) время и фаэовые сдвиги, соответствующие попупериоду час- i-E Sin300coSQ +СО -5300 -в5оЧ )=

3 о тоты третьей гармоники, но

5 (1(. выраженные через периоды и =м 1 — costi-sin(1 l-9, 1- — сов(/Y$ ), 3 1 Д Q. 1 g. 1 5 1. градусы первой гармоники;

15 (1Ю

) 3 Аналогично для моментов перехода

Предположим, что на вход избира- через ноль тре ереэ ноль третьей гармоники,3мФ. = усили1 еля трет ьеи f армони ки = 36 0 и 3(5ивв= и 3(5А= 54 погрешности иэмерепоступает сигнал в соответс.вии C вь(ния Фазовых азовых сдвигов составляют: ражением (1). Напряжение на выходе избирательного усилителя можно за- в1пЧ 5- 1 =- ЪЕ (-с05Ч--gill/ 4-f x

% 4 . 3 писать в виде

45 4.Б (. 41 1 1 1 5 9.

00 „(О

U(i(=0-к 51п(гоп 0)У вЂ” к ° Sin(3u!6 п )г 55 (-оовнЬФ-5(п(5)) (151

t 0 I(-Sill (Su)C Y )

U (т) 05111(-Ч =51у --3f Sill/ --1 Рп1 (90) где К„,К>.и К - коэффициенты усиле- Просуммируем полученные погрешносния соответственно зо ти на частотах 1, 3 и Q +Ч +Ч =М + соэЧ 4 э.пq х

5-й гармоник. + 5,т С0 « э1п

Для упрощения принимаем, что на „y+ 1 ... . 1 3 (6 1

ХСОпу + . )1П 56 5551155 )6 СОВ 5 + Х частоте резонанса фазовый сдвиг из- " l 1 / 5 Q g бирательного усилителя равен нулю, 35,(.„< + 3 т.е. p = О. После несложного преобФ оазования получаем Отсюда, с учетом выражения (16) и калибровки измерительного устройств Я q < 55 5 ва, при которой на вход измерительноip го устройства подается сигнал с изгде

К5 вестными фазовыми соотношениями (((=О) измеряемый фазовый сдвиг равен

Напряжение на выходе избирательного усилителя в момент перехода тре- 0 (Ъ 45 Ьт тьей гармоники через ноль для случая юу Kgb Ъ

3(.13А = 180 равно М 0„ ЧЦ Ь1

U(t)=K =35„Sin(60 () 5tooin(500 еп5). гдеЧ „- фазовый угол калибровки.

Если «1, 9g <а1, то изменением Полученное тождество показывает, напряжений проникающих гармоник по 0 что при укаэанных допущениях (проника. сравнению с изменением напряжения ющие гармоники в канале избирательновыделяемой гармоники за время, равное го усилителя первой гармоники пренебразности между моментами перехода режительно малы, в канале избиратель; через ноль напряжения с выхода изби- ного усилителя и-й гармоники выполня ательного усилителя и его третьей к, к„, (ются соотношения ((1, «1 . "-огармоники, можно пренебречь. Исходя к„ к, из этого, уравнение для определения ответственно на частотах первой и п+2 систематической погрешности измере- гармониках) измерительное устройство

MSM («) 928288

13 не имеет систематической составляющей погрешности при измерениях фазовых сдвигов между гармониками.

Дпя сравнения измерительное устройство станции Bll-ф, избирательные усилители которого обеспечивают

К5 — — 0,004 << 1 69= — =0 025 «1

К К

У

О ,з при Ч„= 45 и Yg= 135О имеет систематические составляющие погрешности для соответствующих переходов через ноль третьей гармоники, вычисленные по выражениям (18-20)

Я = 1175 ) 45 = -0 47уЧ,)7 - 1.28" .

Таким образом, в предлагаемом: устройстве за счет обработки в течение периода первой гармоники всех переходов через ноль напряжения с выхода избирательного усилителя, настроенного на более высокую гармонику,2 существенно снижается систематическая составляющая погрешнооти и примерно в п раз (m - отношение общего количества переходов через ноль более высокой гармоники к количеству переходов, об- 2 работанных в течение периода частоты первой гармоники), случайная составл 1ющая снижается при одновременном по- {

l вышении производительности фазовых измерений, которая достигается сниже- з нием добротности избирательных усилителей и возможностью уменьшения количества периодов осреднения.

Формула изобретения

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, соединенные с двумя входами формирователя временных интервалов, к выходу

5 одного из формирователей импульсов подсоединены последовательно включенные счетчик периодов, схема совпадения и счетчик результатов, о т л и ч а ю щ е е с я 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 соединен с дополнительным входом схемы совпадения, а сигнальный вход делителя ч стоты соединен с выходом о генератора импульсов заполнения, .при этом вторые входы цепи последовательно соединенных формирователей временных интервалов подсоединены к выходу второго формирователя импульсов, а

5 первые входы - также к дополнительным входам. делителя частоты.

2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что число последовательно соединенных формировао телей временных интервалов равно номеру гармоники входного сигнала, на которую настроен которой избирательный усилитель.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Мельников В.ll. и др. Основы амплитудно-фазовых измерений вызванной поляризации. Якутск, Якутское книжное из-во, 1974, с. 134- 135 °

2. Авторское свидетельство СССР

Ю 433438, кл. G 01 V 3/02, 1972.

3. Геофизическая аппаратура. 1978, N 65, с. 45-52 (прототип).