Способ определения оптимальных размеров электрических или магнитных диполей

 

Использование: для регистрации электромагнитного излучения в условиях подземных горных выработок. Сущность изобретения: способ включает измерение проводимости и относительной диэлектрической проницаемости среды горного массива, установку в выработке излучающих и приемных диполей электрического или магнитного типа одинаковой ориентации относительно выработки, излучение сигналов на нескольких частотах, регистрацию уровня принятых сигналов соответствующими диполями и измерение расстояния между ними. Излучающие и приемные диполи устанавливают в выработке попеременно с соосной и поперечной относительно оси выработки ориентацией и измеряют частоты, при которых уровни сигналов при соосной и поперечной ориентациях диполей равны между собой. Приведены математические формулы для определения оптимальных соотношений геометрических размеров электрических или магнитных диполей.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для регистрации электромагнитного излучения в условиях подземных горных выработок.

Известен способ регистрации электромагнитных сигналов в условиях подземных горных выработок, согласно которому вначале измеряют параметры массива, затем генератор и приемник устанавливают в одной выработке на некотором расстоянии друг от друга или в параллельных выработках, а в качестве излучателя (передающего диполя) и приемного диполя используют вертикальные заземленные электрические диполи-штыри (см. "Беспроводные и комбинированные каналы передачи информации в шахтах". Сб. научных трудов. Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1973, Деп. ВИНИТИ, 1973, 6534 73 Деп. с. 8).

Недостатками известного способа являются следующие.

Во-первых, использование диполей фиксированных размеров, длина которых не больше диаметра выработки, не позволяет достичь значительного уровня сигнала на входе. Во-вторых, возможность использования излучателя в стационарных источниках затрудняет регистрацию сигналов в подземных горных выработках. Кроме того, в этих условиях необходимо большее количество энергии при приеме сигнала в ближней зоне и больших потерях в среде, т.к. соосная составляющая напряженности поля при выполнении этих соотношений в два раза больше поперечной.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ регистрации наибольшего уровня электромагнитных сигналов путем определения оптимальных частот, включающий измерение проводимости и диэлектрической проницаемости среды, расстояния от источника до приемника, уровня сигналов, а также анализ передаточной функции на экстремум, что позволяет определять частоту, на которой регистрируется максимальный уровень сигнала (см. "Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых", 1970, N 3, с. 81).

Недостатками этого способа являются следующие. При регистрации электромагнитных сигналов в низкочастотной части частотного диапазона, когда выполняются соотношения br<<1 и tg δ>>1, амплитуда сигнала при соосной ориентации диполя (E_r) в два раза больше, чем при поперечной (E ). Однако по мере увеличения расстояния между источником сигнала и приемником, а также частоты передачи, т.е. при выполнении соотношения br>>1 и tg δ<<1, амплитуда сигнала при E составляющей значительно превышает амплитуду E_r компоненты.

В связи с этим преимущественная ориентация соосного расположения диполей в ближней зоне и поперечная в дальней очевидны. Однако при работе в протяженных узких выработках или в скважинах поперечная ориентация диполя существенно уменьшает уровень сигнала на приеме (т.к. El_д). Поэтому необходимо располагать диполь соосно в скважине, что позволяет увеличивать его действующую длину. В то же время следует иметь в виду, что в условиях дальней зоны амплитуда сигнала при поперечной ориентации диполя на источник излучения пропорциональна 1/r, а при соосной 1/r². В связи с этим необходимо выбирать такую длину соосно расположенного диполя, при которой обеспечивается не меньший уровень сигнала, чем при поперечной его ориентации.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в обеспечении регистрации наибольшего уровня сигнала в широком диапазоне частот при расположении диполей в узкой выработке или скважине и фиксированном расстоянии между источником и приемником путем определения оптимальных размеров электрических или магнитных диполей при их соосной или поперечной ориентации относительно оси выработки.

Эта задача решается тем, что в способе определения оптимальных размеров электрических или магнитных диполей при приеме электромагнитных сигналов в условиях подземных горных выработок измеряют проводимость и относительную диэлектрическую проницаемость среды массива горных пород, устанавливают в выработке излучающие и приемные электрические или магнитные диполи одинаковой ориентации относительно оси выработки, излучают сигналы на нескольких частотах, регистрируют уровни принятых сигналов соответствующими диполями и измеряют расстояние r между ними. Излучающие и приемные диполи устанавливают в выработке попеременно с соосной и поперечной относительно выработки ориентацией. Затем измеряют частоты f_o, при которых уровни сигналов при соосной и поперечной ориентациях диполей равны между собой. После этого определяют оптимальные соотношения геометрических размеров электрических или магнитных диполей из следующих выражений: 2, 2, где l и l' длина электрических диполей поперечной и соосной ориентаций соответственно; S и S' площадь магнитных диполей поперечной и соосной ориентаций соответственно; ω' круговая частота; b коэффициент затухания; r расстояние между приемными и излучающими диполями; μ магнитная проницаемость среды, равная для немагнитных сред 4П 10^-7 Гн/м; γ проводимость среды; ε ε'ε_o абсолютная диэлектрическая проницаемость среды;
ε' относительная диэлектрическая проницаемость среды;
ε_o диэлектрическая постоянная среды.

Физической сущностью заявляемого способа является следующее.

В ближней зоне источника излучения соосная составляющая электрического (E_r) и магнитного (H_r) полей диполей, расположенных соосно относительно оси выработки, по амплитуде в два раза больше, чем поперечная E (H ) при расположении осей диполей поперек оси выработки
E_r ≡ E_Θ ≡ H_r ≡ H_Θ ≡
В этом случае для получения наибольшего уровня сигнала на приеме необходимо выполнить приемные и излучающие диполи одинаковой длины и расположить их соосно относительно оси выработки. Затем по мере увеличения расстояния, частоты, проводимости и диэлектрической проницаемости среды (всех параметров вместе или по отдельности) значения Er (H_r) и E (H ) уравниваются и в дальнейшем становятся значительно меньше последних
E_Θ ≡ E_r ≡ H_Θ ≡ H_r ≡
В этом случае для получения наибольшего уровня сигнала необходимо переориентировать диполь так, чтобы его ось была направлена поперек оси выработки. Однако зачастую радиус выработки или скважины не позволяет использовать диполи значительной протяженности, что, в свою очередь, не обеспечивает в дальней зоне источника излучения достаточного для регистрации уровня сигнала (в этом случае уровень сигнала лежит ниже порога чувствительности приемной аппаратуры). В связи с этим необходимо определить соотношение длин соосного и поперечного диполей, обеспечивающих минимально возможный прием сигнала в условиях ближней, промежуточной и дальней зон источника излучения. Чтобы добиться регистрации минимально возможного уровня сигнала на приеме, необходимо при равных величинах полей для диполей соосной и поперечной ориентации определить соотношение длин соосного и поперечного диполей.

Переменная ориентация диполей относительно оси выработки позволит при прочих равных условиях выбрать диполь той ориентации, при которой уровень принимаемого сигнала будет наибольшим.

Измерение частот f₀, при которых уровни сигналов при соосной и поперечной ориентациях диполей равны между собой, позволяет разграничить по геометрическим длинам диполей их оптимальные соотношения и выбрать такую ориентацию диполей (соосную или поперечную), при которой сигнал будет максимален.

Способ осуществляется следующим образом.

На предполагаемом участке передачи и приема сигналов электромагнитного излучения вначале измеряют проводимость γ и относительную диэлектрическую проницаемость среды ε'. Пусть было получено, что γ=10^-3 См/м и ε'=4. В этих условиях необходимо передать и принять электромагнитный сигнал, например, на частоте f=10⁴Гц при расстоянии между приемным и передающим диполями, равном 10 м. Выбираем в качестве диполей электрические диполи. Затем по предложенным формулам определяем соотношение длин диполей соосной и поперечной ориентации. Оказывается, что при длине диполя поперечной ориентации, например, 2 м длина диполя соосной ориентации в этом случае должна быть равна 1 м. Тогда уровни сигналов поперечной и соосной ориентации равны между собой, а отношение длин диполей равно 2.

При необходимости передачи сигнала, например, на частоте 10⁶ Гц на расстояние 100 м и длине диполя поперечной ориентации 2 м длина диполя соосной ориентации должна быть равна 8 м. Таким образом, отношение длин диполей изменяется от 2 до 1/4.

После этого в исследуемой скважине большого диаметра, например 1 м, устанавливают генератор с подключенным передающим диполем длиной 2 м, а на расстоянии 10 м от них приемник и набор приемных диполей. В этом случае предпочтительная ориентация диполей соосная, а длина приемного диполя 1 м. Затем к приемнику подключают приемный диполь длиной 1 м и ориентируют его также соосно оси скважины. После этого считают, что аппаратура к работе готова.

При передаче сигнала с частотой 10⁶ Гц на расстояние 100 м предпочтительна поперечная ориентация диполей, однако в данном случае это невозможно осуществить, так как диаметр скважины 1 м, а длина диполя поперечной ориентации 2 м. Для исключения этого неудобства и получения достаточного уровня сигнала передающий и приемный диполи ориентируют соосно, при этом длина передающего диполя 2 м, а приемного 8 м. В этом случае соосная и поперечная составляющие напряженности поля равны между собой. Затем диполи подключают к генератору и приемнику и считают, что аппаратура к работе готова.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЛИ МАГНИТНЫХ ДИПОЛЕЙ при приеме электромагнитных сигналов в условиях подземных горных выработок, включающий измерение проводимости и относительной диэлектрической проницаемости среды горного массива, установку в выработке излучающих и приемных электрических или магнитных диполей одинаковой ориентации относительно оси выработки, излучение сигналов на нескольких частотах, регистрацию уровня принятых сигналов соответствующими диполями и измерение расстояния r между ними, отличающийся тем, что излучающие и приемные диполи устанавливают в выработке попеременно с соосной и поперечной относительно оси выработки ориентациями и измеряют частоты f_о, при которых уровни сигналов при соосной и поперечной ориентациях диполей равны между собой, а оптимальные соотношения геометрических размеров электрических или магнитных диполей определяют из следующих выражений:


где l и lʹ - длина электрических диполей поперечной и соосной ориентации соответственно;
S и Sʹ - площадь магнитных диполей поперечной и соосной ориентации соответственно;
ω - круговая частота;
- коэффициент затухания;
r - расстояние между приемными и излучающими диполями;
μ - магнитная проницаемость среды, равная для немагнитных сред 4π·10^-7;
γ - проводимость среды;
e = ε_o·εʹ - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды;
εʹ - относительная диэлектрическая проницаемость среды;
ε_o - диэлектрическая постоянная среды.