Устройство для моделирования электромагнитной индукции в земле

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В ЗЕМЛЕ , содержащее блок моделирования однородного слоя земли, выполненный в виде электролитической ванны, заполненной электролитом, в котором размещена модель неоднородного пласта земли, выполненная в виде листа нз электропроводного материала, размещенного на дне электролитической ванны, первый генератор синуроидальных сигналов, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам первого усилителя мощности, первую пару задающих электродов, расположенных в электролите, в котором размещены первая и вторая пара измерительных электродов, которые подключены соответственно к первой и второй паре информационных входов блока формирования синусоидальных сигналов. первый выход которого подключен к входу первого блока регистрации напряжения и к первому входу первого блока регистрации сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом второго блока регистрации напряжения и с вторым выходом блока формирования синусоидальных сигналов, управляющий вход которого подключен к выходу второго генератора синусоидального сигнала и к управляющему входу первого преобразователя частота-напряжение , отличающеес я тем, что, с целью повьшения точности , в него введены первый и вто§ рой масщтабные резисторы, вторая пара задакицих электродов, располо (П женных в электролите, четыре согласующих трансформатора, блок сдвига с фаз, второй усилитель мощности, третий и четвертый блоки регистрации напряжения, второй блок регистрации сдвига фаз и второй преобразователь частота-напряжение, выход которого подключен к входу третьего блока регистрации напряжения и к первому, входу второго блока регистрации эо сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом четвертого блока s| регистрации напряжения и с выходом о первого преобразователя частота-напряжение , первый и второй выходы первого усилителя мощности подключены к первичной обмотке первого согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через первый масщтабный резистор подключена к первой паре задаю(цих электродов, первый и второй выводы первого масштабного резистора соединены с первичной обмоткой второго согласующего транс

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

Ц

РЕСПУБЛИК

69} (И}

За}} G 06. G 7 48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГосудАРственный кОмитет сссР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3525904/18-24 (22) 16, 12.82 (46) 15; 08. 84. Бюл. Ф 30 (72) И.П.Мороз, Б.Д.Мхеидзе и И.10. Голубкина (71) Институт прикладных проблем механики и математики АН УССР и

Кавказский институт минерального сырья (53) 681.333 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

329537, кл. G 06 С 7/48, 1970.

2. Морозов И.П. и др. Моделирование электродинамических процессов в неоднородных проводящих средах.

Киев, "Наукова думка", 1975, с. 1423 (прототип) . (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В ЗЕМЛЕ, содержащее блок моделирования однородного слоя земли, выполненный в виде электролитической ванны, заполненной электролитом, в котором размещена модель неоднородного пласта земли, выполненная в виде листа из электропроводного материала, размещенного на дне электролитической ванны, первый генератор синусоидальных сигналов, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам первого усилителя мощности, первую пару задающих электродов, расположенных в электролите, в котором размещены первая и вторая пара измерительных электродов, которые подключены соответственно к первой и второй паре информационных вхоцов блока формирования синусоидальных сигналов, первый выход которого подключен к входу первого блока регистрации напряжения и к первому входу первого блока регистрации сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом второго блока регистрации напряжения и с вторым выходом блока формирования синусоидальных сигналов, управляющий вход которого подключен к выходу второго генератора синусоидального сигнала и к управляющему входу первого преобразователя частота-напряжение, о т л и ч а ю щ е е— с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены первый и второй масштабные резисторы, вторая пара задающих электродов, расположенных в электролите, четыре согласующих трансформатора, блок сдвига фаз, второй усилитель мощности, третий и четвертый блоки регистрации напряжения, второй блок регистрации сдвига фаз и второй преобразователь частота-напряжение, выход которого подключен к входу третьего блока регистрации напряжения и к первому, входу второго блока регистрации сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом четвертого блока регистрации напряжения и с выходом. первого преобразователя частота-напряжение, первый и второй выходы первого усилителя мощности подключе ны к первйчной обмотке первого согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через первый масштабный резистор подключена к первой паре заданкцих электродов, первый и второй выводы первого масштабного резистора соединены с первичной обмоткой второго согласующего транс1108472 форматора, вторичная обмотка которого.подключена к информационному входу первого преобразователя частота-напряжение, первый и второй выходы первого генератора синусоидальных сигналов соединены соответственно с первым и вторым входами блока сдвига фаз, первый и второй выходы которого подключены соответственно. к первому и второму входам второго усилителя мощности, первый и второй выходы которого соединены с первичной обмоткой третьего согласующего

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в геоэлектроразведке при решении задач электромагнитной индукции конкретных геоэлектрических 5 структур в поле искусственных дипольных источников.

Известно устройство для моделирования электромагнитной индукции в земле, содержащее электролитическую1О ванну, электроды, согласующие трансформаторы, делители направления и регистрирующий блок 51J.

Однако это устройство имеет низ- 15 кую точность моделирования;

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для моделирования электромагнитной индукции в земле, содер- 2О жащее блок моделирования однородного слоя земли, выполненный в виде электромагнитной ванны, заполненной электролитом, в котором размещена модель неоднородного пласта земли, 25 выполненная в виде листа из электро.проводного материала, размещенного на дне электролитической ванны, первый генератор синусоидальных сигналов, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам первого усилителя мощности, первую пару задающих электродов, расположенных в электролите, в котором размещены

35 первая и вторая пара измерительных электродов, которые подключены соответственно к первой и второй паре трансформатора, вторичная обмотка которого через второй масштабный резистор подключена к второй па,, задающих электродов, первый и второй выводы второго масштабного ре-. зистора соединены с первичной обмоткой четвертого согласующего трансформатора, вторичная обмотка кото.рого подключена к информационному входу второго преобразователя частота-напряжение, управляющий вход которого соединен с выходом второго генератора синусоидального сигнала. информационных входов блока формирования синусоидальных сигналов, первый выход которого подключен к вход первого блока регистрации напряжения и к первому входу первого блока регистрации сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом второго блока регистрации напряжения и с вторым выходом блока формирования синусоидальных сигналов, управляющий вход которого подключен к выходу второго генератора синусоидального сигнала и к управляющему входу первого преобразователя частота-напряжение« 21

Однако известное устройство позволяет моделировать электромагнитное поле только линейной поляризации, тем самым ограничивая возможность применения более рациональных методик частотных зондирований, раз-. работанных для более сложных полей (круговой, эллиптической поляризации). Кроме того, для интерпретации результатов моделирования необходим точный контроль тока, протекающего непосредственно в возбуждающих электродах или магнитной рамке, что особенно технически сложно на высоких частотах из-эа невозможности согласования линии передачи с возбуждающими электродами или магнитной рамкой в широком диапазоне частот. Все это существенно ограничивает применение устройства для интерпретации результатов полевых электромагнитных исследований методом частотного зондирования.

1108472 !

Цель изобретения — повышение точности моделирования.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее ./ блок моделирования однородного слоя земли, выполненный в виде электролитической ванны, заполненной элект. ролитом, в котором размещена модель неоднородного пласта земли, выполненная в виде листа из электропроводного материала, размещенного на дне электролитической ванны, первый генератор синусоидальных сигналов, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам первого усилителя мощности, первую пару задающих электропов расположенных в электролите, в котором размещены 2О первая и вторая пара измерительных электродов, которые подключены соответственно к первой и второй паре информационных входов блока формирования синусоидальных сигналов, 25 первый выход которого подключен к входу первого блока регистрации напряжения и к первому входу первого блока регистрации сдвига фаэ, второй вход которого соединен с входом второго блока регистрации напряжения и с вторым выходом блока формирования синусоидальных сигналов, управляющий вход которого подключен к выходу второго генератора синусоидального сигнала и к управляющему входу первого .преобразователя частота-напряжение, введены первый и второй масштабные резисторы, вторая пара задающих электродов, расположенных в электролите, четыре согласующих трансформатора, блок сдвига фаз, второй усилитель мощности, третий и четвертый блоки регистрации напряжения, второй блок регистрации сдвига фаз и второй преобразователь частота-напряжение, выход которого подключен к входу третьего блока регистрации напряжения и к первому входу второго блока регистрации сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом четвертого блока, регистрации напряжения и с выходом первого преобразователя частота-напряжение, первый и второй выходы первого усилителя мощности подклю5S чены к первичной обмЬтке первого согласующего трансформатора вторичА ная обмотка которого через первый масштабный резистор подключена к первой паре задающих электродов. первый и второй выводы первого масштабного резистора соединены с первичной обмоткой второго согласующего трансформатора вторичная обмотка которого подключена к информационному входу первого преобразователя частота-напряжение первый и второй выходы первого генератора синусоидальных сигналов соединены соответственно с первым и вторым входами блока сдвига фаз, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам второго усилителя мощности, первый и второй, выходы которого соединены с первичной обмоткой третьего согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через второй масштабный резистор подключена к второй паре задающих электродов, первый и второй выводы второго масштабного резистора соединены с первичной обмоткой четвертого согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к информационному входу второго преобразователя частота-напряжение, управляющий вход которого соединен с выходом второго генератора синусоидального сигнала.

На .чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит блок 1 моделирования однородного слоя земли, выполненный в виде электропитической ванны 2, модель 3 неоднородного пласта земли, выполненная в виде листа

4 из электропроводного материала, генератор 5 синусоидальных сигналов, усилители 6 и 7 мощности, пары задающих электродов 8 и 9, пары измерительных электродов 10 и 11, блок

12 формирования синусоидальных сигналов, блоки 13 и 14 регистрации напряжения, блок 15 регистрации сдви» га фаз, генератор 16 синусоидальяых сигналов, преобразователи 17 и 18 частота-напряжение, масштабные резисторы 19 и 20, согласующие трансформаторы 21-24, блок 25 сдвига фаз, блоки 26 и 27 регистрации напряжений, блок 28 регистрации сдвига фаз. . Устройство работает следующим образом.

В зависимости от класса решаемых задач и принятой методики интерпретации результатов моделирования рас1108472

Пары задающих и измерительных электродов устанавливаются на специальной передвижной платформе, которая обеспечивает перемещение и установку электродов по всей площади считываются согласно критериям подобия проводимость и толщина раствора электролита в ванне 2, проводимости и геометрические размеры моделей 3 геоэлектрических неоднород- 5 ностей, выбираются пары задающих электродов 8 и 9 и измерительные пары электродов 10 и 11. Изготовлен-! ная модель 3 погружается в электролитическую ванну 2 с приготовленным раствором электролита нужной концентрации, на поверхности которого устанавливаются пары задающих электродов 8 и 9 и пары измерительных электродов 10 и 11. 15

На чертеже представлен вариант устройства с парами задающих электродов 8 и 9 А„В, АВ и парами измерительных электродов 10 и 11, со. стоящими из электродов И„И„, QNq. 20

Конструктивно пары задающих электродов 8 и 9 А В и А В вместе с согласующими трансформаторами 21, 22, 23 и 24, масштабными резисторами 19 и 20, преобразователями 17 и 18 час- 25 тота-напряжение размещены в одном корпусе, составляющем так называемый возбуждающий зонд. Блок 12 формирования синусоидальных сигналов выполнен согласно прототипу, в виде от- 50 дельного законченного прибора. Применение тех или других связано со спецификой измерения (частотным диапазоном возбуждаемого поля, типом возбуждения и т.д.). Например, оптические развязочные линии передачи обеспечивают абсолютную гальваническую развязку измерительных и регистрирующих блоков, но в отличие от трансформаторных линий не обладают 4О достаточным коэффициентом передачи в верхней части частотного диапазона от 3 до 10 МГц из-за ограниченной частотной характеристики существующих фотодиодов. Поэтому оптические 45 линии развязки предпочтительнее применять для передачи сигналов низкой промежуточной частоты, а трансформаторные — для передачи высокочастот.ного напряжения гетеродинного сигнала.. Питание измерительного зонда автономное от гальванических батарей напряжением 9 В ° электролитической ванны 2 на некотором фиксированном заранее определенном расстоянии r, которое можно изменять в зависимости от характера исследований. Исходя из существующих методик интерпретации результатов зондирования, оси задающих и измерительных электродов ориентированы соответственно принятой координатной сетки электролитической ванны: по горизонтали — X и У, по вертикали - Z.

Измерения проводятся блоком 12 в характерных точках моделей геоэлектрических неоднородностей. Электрический ток или магнитное поле рабочей частоты f = 0,1-10 МГц, создаваемое в электролите электролитической ванны 2 задающими электродами или возбуждающей магнитной рамкой, индуцирует в проводящей моделирующей среде (электролите ванны 2 и моделях

3 геоэлектрических неоднородностей) электромагнитное поле, которое наводит в измерительных электродах 10 и 11 электрические напряжения, пропорциональные двум измеряемым состав- ляющим напряженности электромагнитного поля в точке наблюдения. Эти напряжения с частотой возбуждающего поля поступают на. входы блока 12, где преобразуются в сигналы, удобные для измерения на блоках 13, 14 и 15 регистрации.

В зависимости от принятой методики интерпретации измеряются какие-либо две составляющие напряженности электромагнитного поля, например Е и Q Hy, и Нц,,> H H и другие, и фазовые соотношения между ними. Результаты частотного зондирования наиболее просто и удобно интерпретировать в случае, когда электромагнитное поле возбуждается и измеряется электродами, например

A„B, А Вц и .1>V>, M Nq, как представлено йа чертеже.

При моделировании линейнополяризованного электрического поля возбуждающими являются, например, электроды А В „а приемными - M>,N>.

Ток I, протекающий в возбуждающих электродах А В, возбуждает в элект-. ролите электролитической ванны 2 электрическое поле, которое создает в электродах M>N напряжение 4,0 данной частоты. При этом цепь питания возбуждающих электродов АчВо отклю-, 1108472 чена и тока они не создают. Удельное кажущееся сопротивление ф@ в точке измерения на частоте выра" зится соотношением

10 где г — расстояние между центрами электродов

АуВф и М и;

1щ, 1м — базы электродов А В

H My+.

Удельное кажущееся сопротивление определяется в точке наблюдения на всех рабочих частотах, после чего строится результирующая зависимость © от периода колебаний Т исследуемого поля.

Если питать пары задающих электродов А В> и А ВО токами, сдвинутыми по фазе на некоторый заданный

° угол, например 90, в электролите электролитической ванны 2 создается вращающееся электромагнитное поле, горизонтальные электрические состав;ляющие напряженности которого измеряются электродами 10 и 11, состоящими из электродов MqN и QN, что позволяет одновременно производить ЗО

1 исследования электромагнитных полей при экваториальном и осевом размещении возбуждающих и приемных электродов.

Рассмотрим более подробно работу устройства. Синусоидальные колебания. рабочей частоты с в диапазоне частот 0,1-10 МГц от генератора 5 пода- . ются на входы усилителей б и 7 мощности с регулируемыми выходами, причем на вход усилителя 6 непосредственно, а усилители 7 — через блок

25, сдвигающий фазу синусоидальных колебаний задающего генератора 5, поступающих на вход усилителя 7, на фиксированный. угол, например 90

Напряжения, поступающие от усилителей

6 и 7 мощности через согласующие трансформаторы 21 и 24 на пары задаю- щих электродов 8 и 9, создают в электролите электролитической ванны

2 гармоническое электромагнитное оле, вектор поляризации которого вращается с цикличной частотой ( колебаний задающего генератора 5 и описывает в пространстве либо круг (если напряжения, поступающие на электроды А В и А„Вц равны между м собой), либо эллипс (если эти напряжения различны), при этом оси эллипса ориентированы по осям возбуждающих электродов А В и А В, а их длины определяются соотношением питающих напряжений. В общем случае,, когда разница фаэ напряжений, определяемая блоком 25, отличается от 90, пространственная ориентация осей эллипса и их длина определяется углом фазового сдвига и величиной амплитуд напряжений возбуждающих электродов. Таким образом, созданное электромагнитное поле вследствие индукции в моделирующей среде испытывает изменения, которые яв-, ляются источником полезной информации о строении среды,и измеряется на поверхности электролита в характерных точках модели блоком 15. Результаты измерений в виде напряжений по развязочным линиям передачи поступают на приемно-регистрирующие приборы: на блоки 13 и 14 каналов для регистрации соответственно Е х и Š— составляющих напряженности моделирующего электромагнитного поля, и на измеритель разности фаз блок 15 для измерения фазовых соотношений между ними. Падение напряжения на масштабных резисторах 19 и

20 характеризует величину тока, протекаюещго через задающие электроды 8 и 9. Это высокочастотное напря\ жение с рабочей частотой Г = 0,1-.

10 МГц через согласующие транСформаторы 22 и 23 поступает на преобразователи 17 и 18 напряжение-частота, на которые одновременно подается синусоидальное напряжение от генератора 16 гетеродинного сигнала с частотой Гг в диапазоне частот 0,1110,01 МГц. В результате частотного преобразования на выходе .преобразователей 17 и 18 образуется напряжение постоянной, сравнительно низкой промежуточнЬй частоты ЕпЧ f — f

10 кГц, которое по электрическим линиям передачи поступает на измерители напряжения - блоки 26 и 27, а также на измеритель разности фаз— блок 28. По измерителям напряжения » блокам 26 и 27 - контролируют уровень токов возбуждающих электродов

А„В„ и А В, а следовательно, необходимую форму эллипса поляризации, а измерителем разности фаэ — блоком 28 - постоянство фазового сдвиi 108472..-га питающих напряжений во всем частотном диапазоне устройства.

Предлагаемое устройство по сравнению с базовым позволяет значительно повысить точность моделирования искусственных электромагнитных полей и существенно расширить класс электроразведочных задач, решаемых с помощью физичесКого моделирования, так как позволяет моделировать элект- tî ромагнитные поля искусственных {дипольных) источников с вращающимся вектором попяризации, что дает возможность применить для интерпретации результатов моделирования новые бо- 15 лее рациональные методики интерпретации исследований,, ранее применяе- мых только для естественных (магнитотеллургических) электромагнитных полей. Кроме того, применяемая в 20 устройстве объективная и независящая от частоты регистрация токов, протекающих в возбужающих электрических или магнитных диполях, заключающаяся в преобразовании частоты измеряемых 25 токов в постоянную, более низкую промежуточную частоту, позволяет значительно повысить точность интерпретации результатов измерений высокочастотных электромагнитных полей, дипольных источников и расширить частотный диапазон моделирования в его верхней части. Применяемые ранее способы регистрации токов в возбуждающих диполях непосредственным подкЛючением . к ннм измерительных линий и приборов или с помощью согласующих устройств непреемлемы ms "за невозможности их согласования в широком диапазоне частот.

Применение в моделировании диполь ных источников электромагнитного поля для возбуждения вращающегося вектора поляризации является новым направлением в электроразведке и эффективным методом при изучении поверхностных неоднородностей земной коры.

1108472

Составитель В.Рыбин

Техред А.Бабинец

Редактор М.Петрова

Корректор С.Шекмар

Заказ 5867/36 Тирам 699 Подписное

ВНИИПИ Государственного коиитета СССР по делам изобретений н открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

I! !

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4