Зонд для измерения магнитной восприимчивости и удельной электропроводности (его варианты)

 

Изобретение может быть использовано при измерении заданных характеристик горных пород в обнажениях, на стенках горных выработок, в скважинах и т.д. Цель изобретения - повьшение точности измерения. Устройство содержит ферромагнитный сердечник (С) 1, намагничивающую обмотку 2, коммутирующую обмотку 3, приемную катушку, включающую обмотку 4 и С 7, компенсационную катушку, содержащую обмотку 6, С 7 и обмотку 8 балансирующей катушки. Измерительная схема 16 образована усилителем 12, выпрямителем 13 и регистратором 14. Предусмотрен второй вариант выполнения устройства, отличающийся , от первого введением балансирующего резистора 10 и наличием С 9 балансирующей катушки. Введение балансирующих резистора и катушки в одном варианте конструкции устройства и размещение балансирующей катушки на С 7 компенсационной катушки в другое варианте позволило на порядок снизить уровень помех на приемной катушке , а погрешность измерений - на 10- 20%. 2 с.п.ф-лы, 3 ил. (Л fff ю со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЙ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3691656/24-21 (22) 06.01.84 (46) 15.05.86, Вюл. ¹ 18 (71) ЛГУ им.А.А.Жданова (72) Ю.И.Кудрявцев, Ю.В.Микляев и Л.Н.Уральский (53) 621.317.44(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 275250, кл. G 01 V 3/18, 1970.

Авторское свидетельство СССР № 1038912, кл. G 01 U 3/18, 16.07.81. (54) ЗОНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ И УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ (ЕГО ВАРИАНТЫ) (57) Изобретение может быть использовано при измерении заданных характеристик горных пород в обнажениях, на стенках горных выработок, в скважинах и т.д. Цель изобретения — повышение точности измерения. Устройство содер(51) 4 G 01 N 27/72, С 01 R 33/12 жит ферромагнитный сердечник (C) 1, намагничивающую обмотку 2, коммутирующую обмотку 3, приемную катушку, вклю-. чающую обмотку 4 и С 7, компенсационную катушку, содержащую обмотку 6, С 7 и обмотку 8 балансирующей катушки.

Измерительная схема 16 образована усилителем 12, выпрямителем 13 и регистратором 14. Предусмотрен второй вариант выполнения устройства, отличающийся от первого введением балансирующего резистора 10 и наличием С 9 балансирующей катушки. Введение балансирующих резистора и катушки в одном варианте конструкции устройства и размещение балансирующей катушки на

С 7 компенсационной катушки в другом варианте позволило на порядок снизить уровень помех на приемной катушке, а погрешность измерений — на 1020Х. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

1231448

1I5

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в геофизике при измерении магнитной восприимчивости и удельной электропроводности горных пород в обнажениях, на стенках горных выработок, в скважинах, на дне моря, в образцах, а также при опробовании руд черных металлов.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет снижения нестабильности емкостных токов приемной катушки и наводок в ней, а также повышения степени компенсации магнитного момента сердечника приемной катушки в присутствии неоднородной среды.

На фиг. 1 и 2 изображены схемы зонда по первому и второму вариантам; на фиг.3 — расчетный график геометрического фактора зонда.

Генераторная катушка зонда содержит ферромагнитный сердечник 1, на- магничивающую обмотку 2 и коммутирующую обмотку 3 (фиг. 1,2). Приемная катушка имеет обмотку 4 и ферромагнитный сердечник 5, а компенсационная катушка — обмотку 6 и ферромагнитный сердечник 7. Обмотка 6 компенсационной катушки соединена согласно с обмоткой 4 приемной катушки в замкнутую компенсационную цепь, в которую также входят обмотка 8 балансирующей катушки индуктивности с замкнутым ферромагнитным сердечником 9 и балансирукяций резистор 10 (фиг.1). Намагничивающая обмотка 2 генераторной катушки подключена к генератору 11 синусоидального напряжения, а обмотка 4 приемной катушки — к входу усилителя 12, выход которого соединен с входом синхронного выпрямителя 13. К опорному входу синхронного выпрямителя 13. подключена коммутирующая обмотка 3 генераторной катушки. Выход синхронного выпрямителя 13 соединен с регистратором 14. Блок питания 15 подключен к генератору 11 и усилителю 12. Таким образом, измерительная схема 16 образована последовательно соединенными усилителем 12, выпрямителем 13 и регистратором 14.

Устройство работает следующим образом.

В результате протекания переменного синусоидального тока генератора

11 через намагничивающую обмотку 2 генераторной катушки в окружающем пространстве создается переменное магнитное поле. Это поле индуцирует

ЭДС в обмотках 4 и 6 приемной и компенсационной катушек. Обе эти ЭДС, деиствующие в одном направлении, создают ток в замкнутой компенсационной цепи. В воздухе в отсутствие исследуемой среды падение напряжения, появляющееся при протекании тока на полном сопротивлении приемной катушки с обмоткой 4, компенсирует ЭДС этой катушки. Предварительная настройка амплитуды и фазы компенсационного тока производится подбором параметров балансирующей катушки с обмоткой 8 и сопротивления резистора 10. В этом случае полное напряжение на обмотке

4 приемной катушки близко к нулю, а ее ферромагнитный сердечник 5 оказывается раэмагниченным, так как в объеме сердечника 5 магнитное поле тока компенсирует магнитное поле генераторной катушки. В присутствии исследуемой среды компенсация нарушается и на обмотке 4 приемной катушки появляется сигнал, который имеет реактивную составляющую, пропорциональную магнитной восприимчивости. среды, и активную составляющую, пропорциональную

ЗО удельной электропроводности среды.

Этот сигнал поступает на усилитель

12, а эаФем на синхронный выпрями тель 13, который при измерении магнитной восприимчивости подавляет активную составляющую сигнала и выпрямляет его реактивную составляющую, а при измерении удельной электропроводности — наоборот. Выпрямленный сигнал фиксируется регистратором 14..Исследуемая геологическая среда обычно слабомагнитна и плохо проводит электрический ток. Сигнал на обмотке

4 приемной катушки, появляющийся под воздействием такой среды, весьма мал по сравнению с полной ЭДС приемной катушки. Таким образом, как в воздухе, так и и присутствии среды напряжение на обмотке 4 приемной катушки сохраняется практически на нулевом уровне, а ее сердечник 5 остается раэмагниченным. При таких условиях почти отсутствуют емкостные токи в обмотке 4 приемной катушки и нет взаимодействия ее ферромагнитного сердечника 5 со средой. Кроме того, значительно уменьшается влияние внешних помех на приемную катушку, параллельно которой подключена цепь иэ обмоз 123 ток 6, 8 и резистора 10.,Все это повышает точность измерений.

Напряжение на приемной катушке выражается на основании закона Ома в комплексной форме

5 (1) и= Е,-i„Cj L, . .1, где U — напряжение на приемной катушке;

Е„- ее ЭДС; 10

L„ R„- соответственно индуктивность и активное сопротивление приемной катушки;

I — сила тока в компенсационной цепи; 15

Я вЂ” круговая частота тока.

Сила тока определяется также с помощью закона Ома, примененного в замкнутой компенсационной цепи с учетом согласованного включения приемной и компенсационной катушек

1448 4

Как видно иэ формулы (5) требование нулевого напряжения в воздухе (6) U = О о

К„

Ь» и (7) В соответствии с этой формулой для обеспечения баланса фаэ необходимо равенство добротностей приемной катушки и цепи, образованной катушками с обмотками 6 .и 8 и резистором 10

QL» 6) L (8) к Rn соблюдается при выполнении двух условий баланса. Фазовое условие баланса выражает равенство отношений как индуктивности L u L так и активных сопротивлений R u R одному и тому же безразмерному параметру, Еп Ек (2) п к

)о п Qn jM ê > к где E„ — ЭДС компенсационной ка- 25 тушки;

L u R — полная индуктивность и полное активное сопротивление последовательно включенных компенсацион- З0 ной катушки с обмоткой б, балансирующей катушки с обмоткой 8 и балансирующего резистора 10.

В общем случае ЭДС приемной и компен35 сационной катушек выражаются соотношениями: и Епо " п > Ек Еко 1 кр дЕ„- дЕ»

Ц с

1 ь

Общий знак в формуле (11) изменяется на обратный при заземлении другого вывода обмотки 5 приемной катушки.

Использование при выводе формулы (11) предположения о постоянстве индуктивЙости Ео и активного сопротивления

RA оправдано пренебрежимо малым воздействием среды на параметры приемной катушки с размагниченным ферромагнитным середечником 5. Постоянство же величин L» и R„ достигается, нап(5) f гдето„о, Гк, — ЭДС катушек в воздухе; дЕ„, д Е„" — приращения ЭДС под воздействием исследуемой среды.

На основании формул (1), (2) и (3) напряжение на приемной катушке составляет (Е„о+Е„,+дЕп+д Ек) йо4 Qn) (4)

Епо оЕп

peal „+ Q„+gv L „+ p „ !! ,Приняв д Е„= дЕ» = 0 и пРедполагаЯ практическое постоянство величин индуктивностей 1„, L и активных сопротивлений R, R„, получаем выражение для напряжения на приемной катушке в воздухе Лпо ко)(1 и+ "n) 0 =Е

JzL„> Q<) L>iQ<

При выполнении условия (7) формула (5) приводится к виду

П =Е

Е +E, (9) о ао

Обращение правой части равенства (9) в ноль происходит при выполнении второго амплитудного условия баланса

Е« (iG) по которое выражает требование равенства параметра о отношению ЭДС компенсационной и приемной катушек. При этом оба условия баланса представляются одним соотношением (7), при соблюде- . нии которого достигается наибольшая глубина компенсации ЭДС приемной катушки.

Из формулы (5) при подстановке в нее условий (7) получается выражение для сигнала, появляющегося под воздействием исследуемой среды

0,5 (йЕп — йЕ ). (14) 5 1231 ример, удалением компенсационной катушки от среды на расстояние, при котором воздействием среды на эти величины можно также пренебречь. При этом уменьшается и приращение ЭДС а Е по

5 сравнению с приращением ь Е

Тот же результат получится, если отказаться от использования сердечника 7 в компенсационной катушке, разместив ее обмотку 6 на сердечнике 1 генераторной катушки (не показано).

Необходимая величина компенсационной

ЭДС Е„ в этом случае достигается при очень малом количестве витков обмот:ки 6, индуктивность которой оказывается пренебрежимо малой.по сравнению с индуктивностью катушки, имеющей обмотку 8. Кроме того, величина ЭДС E образуемая в результате трансформации в обмотку компенсационной катушки стабилизированного по амплитуде синусоидального напряжения генерато- ра 11, остается неизменной и в присутствии среды. Таким образом, ьЕ„

= О и из формулы (11) следует выражение

/\

U = - — -- -ЛЕ (12)

1 + о слабления о действи их элемен елик и оц

+л) вания обм ушка имее тушкой фо ной йрониц а7ико о фаэовое о 1 вып ким образ балансир удное усл ом значен приемной в воздухе (13) Как видно, коэффициент о

ЭДС аЕ„из-за шунтирующег я на приемную катушку друг тов компенсационной цепи нев енивается величиной /(1

Если за счет использо отки 8 компенсационная кат т

35 одинаковые с приемной ка P размеры, величину магнит аемости материала сердечник личество витков обмотки, т условие баланса (7) при олняется автоматически. Та ом, отпадает необходимость в ующем резисторе 10. Амплит овне баланса (10) при укаэанн

4 соблюдается, если ЭДС и компенсационной катушек одинаковы

Е о Епо у

50 что достигается расположением катушек 6 и 8 на одном сердечнике

7 (фиг.2). В этом случае согласно соотношению (» ) сигнал, появляющийся под воздействием среды, составляет половину разностного приращения ЭДС

448 Ь

Благодаря идентичности компенсаци,онной и приемной катушек и их парал лельному соединению увеличивается стабильность компенсации и обеспечивается размагничивание не только сер дечника 5 приемной катушки, но и сердечника 7 компенсационной катушки.

Кроме того, при параллельной ориентировке осей приемной и компенсационной катушек влияние внешней однородной помехи согласно формуле (14) полностьк исключается. Все это повышает точность измерений.

Для экспериментальной проверки предлагаемого устройства был изготовлен макет зонда из одинаковых приемной и компенсационной катушек, гене" раторная катушка отличалась от них лишь количеством витков. Оси всех катушек были параллельны, а их центры располагались в плоскости, перпендикулярной осям. Расстояния от оси генераторной катушки Р„„ и 2„„ до осей приемной и компенсационной катушек были одинаковы и совпадали с длиной каждой катушки (1„„ = 1„ = 34,5 мм).

Угол между плоскостями, проходящими через ось генераторной катушки и соответственно через оси каждой из двух других катушек, составлял 90 о

При питании генераторной катушки синусоидальным напряжением 1,5 В, частотой 1000 Гц в приемной и компенсационных катушках в воздухе индуцировались практически одинаковые ЭДСE

= E„ = 0,58 В. При согласном соединении компенсационной и приемной катушек в замкнутую компенсационную цепь

ЭДС небаланса составила лишь 1,6 мВ, в дальнейшем она была скомпенсирована на входе. усилителя. Почти полное отсутствие напряжения на выводах параллельно соединенных приемной и КоМпенсационной катушек свидетельствует о размагниченном состоянии их сердечников, отсутствии емкостных токов и о глубокой компенсации ЭДС катушек в воздухе. Благодаря взаимному шунтированию обеих катушек существенно снизилось влияние внешних помех, причем однородная помеха полностью устранялась. Измерения с макетом зонда

3 также показали высокую стабильность компенсации, так как параметры идентичных катушек с измерением внешних условий, например температуры, изменяются одинаковым образом, в результате чего сохраняются условия балан448 8 торных условиях снижается более чем на порядок. Соответственно уменьшается и абсолютная погрешность измерения.

Формула и з о б р е т е н и я

1. Зонд для измерения магнитной восприимчивости и удельной электропроводности, содержащий генераторную катушку, приемную катушку с ферро— магнитным сердечником, последовательно соединенную с компенсационной катушкой, и измерительную схему, первая входная клемма которой соединена с первым выводом цриемной катушки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены балансирующие резистор и катушка, приемная и компенсационная катушки соединены согласно между собой и последовательно с балансирующим резистором и катушкой в цепь, начало и конец которой объединены, а второй вывод приемной катушки соединен с второй входной клеммой измерительной схемы.

2. Зонд для измерения магнитной восприимчивости и удельной электропроводности, содержащий генераторную

1 катушку последовательно соединенные

Э приемную и компенсационную катушки с ферромагнитным сердечником и измерительную схему, первая входная клемма которой соединена с первым выводом приемной катушки, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повьппения точности измерения, в него ,введена балансирующая катушка, размещенная на ферромагнитном сердечнике компенсационной катушки,.приемная и компенсационная катушки соединены согласно между собой и последовательно с балансируняцей катушкой в цепь, начало и конец которой объединены, а второй вывод приемной катушки соединен с второй входной клеммой измерительной схемы. (15) где G — - геометрический фактор, характеризующий влияние геометрических ус- 15 ловий измерения. На основании этой формулы вычислялись экспериментальные значения геометрического фактора для различных расстояний h. На фиг.3 изображен расчетный график геометричес- 20 кого фактора макета зонда как функция отношения h/1, точками обозначены н экспериментальные значения G. Совпадение теоретических и экспериментальных данных свидетельствует о высоких 25 метрологических характеристиках зонда, обусловленных отсутствием взаимодействия со средой размагниченных сердечников приемной и компенсационной катушек. 30 аким образом, предлагаемый зонд позволит повысить точность измерения благодаря исключению взаимодействия ферромагнитного сердечника приемной катушки со сРедой, уменьшению емкост- З5 ных токов, а также снижению влияния внешних помех и неоднородности среды.

За счет устранения указанного взаимодействия относительная погрешность измерения, оцениваемая -отношением геометрического фактора приемной катушки к геометрическому фактору системы генераторная катушка — приемная . катушка, снижается на 10-20Х.

Экспериментальные исследования 45 показали, что с переходом от известного зонда к предлагаемому, уровень помех на приемной катушке в лабора7 1231 са. В качестве модели магнитной среды использовалась масса глауконитового песчаника с магнитной восприимчивостью Эе = 1320 " 15 . При измерении

-5 разностного приращения ЭДС ь Е

=ьЕ„ -aE оси генераторной и приемной катушек располагались на одинаковом расстоянии h от плоской поверхности модели. Результаты измерений сопоставлялись с теоретической формулой 10

1231448 фариа.2

Р,2

>/ ге фиг5

Составитель С.Шумилишская

Техред И.Гайдош Корректор M.Äåì÷èê

Редактор Н.Слободяник

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4

Заказ 2559/49 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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