Устройство измерения вариаций электросопротивления горных пород

 

Использование: с графике для измерения вариаций электросопротивления горных пород для изучения динамики изменения их параметров. Сущность изобретения: в устройстве использован метод компенсации напряжения с приемного диполя током питающего диполя при использовании одного измерительного тракта на основе АЦП и разделения во времени процесса измерения напряжения и тока, а также использован метод детектирования и накопления в цифровой форме с помощью реверсивного счетчика. 3 ил.

Изобретение относится к области геофизики и позволяет измерять временные изменения электрического сопротивления образцов горных пород или самих горных пород при постановке натурных экспериментов с целью изучения динамики изменения их параметров.

Известно устройство для измерения вариаций электросопротивления горных пород типа "вариометра Ямазаки-Камшилина" [1] В этом устройстве используется обычная установка АMNB. К электродам АВ подключается генератор переменного тока, а сигнал снимается с электродов MN. В схеме производится компенсация сигнала с электродов MN сигналом, пропорциональным току с цепи АВ. Сигнал раскомпенсации определяет степень изменчивости электросопротивления горных пород.

Недостатком такой схемы является ее недостаточная стабильность из-за использования аналоговых схем измерения. Это снижает точность измерений, требует жестких условий для экспериментов (постоянная температура, небольшие разносы, низкий уровень помех). Поэтому с помощью такой установки невозможно проведение наблюдений на разносах порядка 1 км.

Известно устройство [2] состоящее из генератора переменного тока питающей и приемной линий, компенсатора, АЦП с частотным выходом, блока управления, реверсивного счетчика и цифрового индикатора. Устройство измеряет сигнал электрозондирования с приемной линии с использованием синхронного детектора и накопителя в виде реверсивного счетчика.

Недостатком схемы является невозможность достижения высокого уровня чувствительности и точности измерений из-за нестабильности установки тока питающей линии и невысокой точности АЦП с частотным выходом.

Целью данного изобретения является повышение чувствительности и точности измерения вариаций электросопротивления горных пород.

Указанная цель достигается введением в схему прецизионного шунта, аналогового коммутатора, источника стабилизированного тока и коммутатора тока, что снижает нестабильность работы схемы. Кроме того, в устройстве цифровым способом происходит сравнение (компенсация) сигнала с приемного диполя и напряжения с прецизионного шунта, что позволяет примерно на 1-2 порядка повысить стабильность работы устройства по сравнению с прототипом.

По сравнению с устройством-прототипом предложенное устройство имеет ряд новых блоков, что удовлетворяет критерию "новизна".

Удовлетворение критерия "существенные отличия" достигается тем, что не существует устройств, работающих по предложенному принципу и способных выполнять аналогичные функции.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства измерения вариаций электросопротивления горных пород. На фиг.2 приведены диаграммы сигналов на выходе блока управления 16. На фиг. 3 приведены графики изменения сопротивления горных пород, измеренного с помощью устройства.

Устройство, изображенное на фиг.1, состоит из входных клемм MN, выходных клемм АВ, подключаемых к приемному и питающему диполям, аналогового коммутатора 2, компенсатора 1, АЦП с параллельным выходом и стробом 3, вычитающего счетчика с предустановкой 4, схемы ИЛИ 5, счетчика 6 схемы НЕ 7, дифференциатора 8, прецизионного шунта 9, коммутатора тока 10, источника стабилизированного тока 11, первой схемы запрета 12, второй схемы запрета 13, генератора тактовых импульсов 14, RS-триггера 15, схемы управления 16, цифрового коммутатора 17, реверсивного счетчика 18 и цифрового индикатора 19.

Схема работает следующим образом.

В линию АВ подается стабилизированный ток в форме меандра (двуполярных симметричных импульсов), а на линии MN выделяются сигналы U_MN в двуполярной форме. Эти сигналы через компенсатор поляризации 1 поступают на один вход аналогового коммутатора 2, на другой вход которого поступают двуполярные сигналы с шунта 9, включенного в цепь тока I_AB. Под действием сигналов управления коммутатор 2 в течение первой половины импульсов только одной полярности подключает сигнал с шунта 9 на вход АЦП 3, а на интервале второй половины импульса каждой полярности коммутатор 2 подключает к АЦП 3 сигнал с выхода компенсатора 1. АЦП 3 работает непрерывно и выдает информацию на счетчик 4 и строб на схему запрета 12.

Со схемы управления 16 на RS-триггер 15 поступает сигнал разрешения считывания информации с АЦП 3 на счетчик 4. Этот сигнал приходится всякий раз на определенную точку от начала импульса тока I_AB каждой полярности (обычно на середину первой и второй половины импульса тока I_AB). Этот сигнал взводит RS-триггер и через схему 12 на вход записи "З" счетчика 4 поступает сигнал строба-записи информации. При этом на выходе схемы ИЛИ появляется разрешающий потенциал на схему 13, и сразу после снятия сигнала записи со схемы 12 импульса с генератора 14 поступают на вычитающий вход счетчика 4. Одновременно эти импульсы поступают на вход цифрового коммутатора 17.

По истечении некоторого времени счетчик 4 обнуляется и на выходе схемы 5 появляется нулевой потенциал, прерывающий импульсы с выхода схемы 13. Импульс с выхода схемы 5 поступает на счетчик 6. Частота генератора 14 выбивается такой, чтобы обнуление счетчика 4 произошло за время меньшее периода импульсов СТРОБ. Поэтому с приходом следующего импульса СТРОБ работа схемы повторяется, и на счетчик 6 поступают импульсы, соответствующие циклам запись-считывание в счетчик 4. Число циклов выбирается таким, чтобы по времени этот процесс не перешел за половину импульсов тока каждой полярности, что соответствует времени подключения к АЦП 3 напряжения с шунта 9.

После пересчета счетчик 6 вырабатывает импульс, который через схему 7 и дифференциатор 8 возвращает RS-триггер в исходное положение, прерывая поступление импульсов СТРОБ на вход записи счетчика 4 до прихода следующего сигнала РАЗРЕШЕНИЕ со схемы 16. Работа схемы при этом повторяется, но происходит обработка сигнала, поступающего на АЦП 3 через коммутатор 2 уже с выхода компенсатора 4. Отметим, что сигналы на АЦП поступают как со знаком "+", так и со знаком "-" в соответствии со знаком тока I_AB, но информация с АЦП поступает без учета знака.

Таким образом, на коммутатор 17 подаются импульсы, соответствующие измерению величины тока I_AB и величины напряжения U_MN, сглаженной на интервале времени соответствующем периоду работы счетчика. Схемы 16 вырабатывает сигнал ПОЛЯРНОСТЬ, под действием которого импульсы, соответствующие измерению I_AB, поступают на выходную шину "-" коммутатора 17 и соответственно на вход "-" реверсивного счетчика 18, а импульсы, соответствующие измерению напряжения U_MN поступают на вход "+" этого счетчика. Тем самым проводится компенсация напряжения U_MN напряжением с шунта 9, которое пропорционально току I_AB, т. е. происходит компенсация изменений ΔU_MN,, вызванных только изменением тока ΔI_AB,, что и повышает стабильность работы устройства. При этом необходимо, чтобы в начале работы величины ΔU_MN и напряжения с шунта 9 были бы равны, что достигается соответствующим подбором сопротивления шунта 9. В процессе работы происходит раскомпенсация схемы, но при проведении глубинных зондирований, как показали эксперименты, эта величина не превышает значения 1% за достаточно продолжительный интервал времени, и проведение периодического уравновешивания схемы не вызывает затруднений.

На фиг.2 приведены графики на выходах схемы управления 16. Типичный период сигналов 4-5 с, число срабатываний счетчика 6 5-10.

При реализации предлагаемого устройства можно использовать стандартную аппаратуру: источник тока Б5-43, реверсивный счетчик Ф50003, АЦП вольтметр Щ302, коммутатор 10 сделан по обычной мостовой схеме, другие блоки или общеизвестны (компенсатор 1), или реализуются на реле (коммутаторы), или являются стандартными полупроводниковыми элементами (схемы запрета, счетчики, схемы ИЛИ, НЕ и пр.).

Использование предлагаемого устройства позволяет производить высокоточные наблюдения за вариациями электросопротивления на больших разносах. Для примера на фиг.3 приведен график временных вариаций в горной породе с геометрическим размером1 км. Как видно, в течение длительного периода наблюдений не наблюдалось вариаций, превышающих 10⁴⁴. У нас нет сведений, что на какой-либо аппаратуре могла бы быть достигнута подобная точность измерения вариаций электросопротивления.

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить точность измерений вариаций электросопротивления горных пород крупных блоков земной коры, что будет полезно, например, для детальных исследований месторождений полезных ископаемых, различных геофизических наблюдений, поиска предвестников землетрясений и других геодинамических явлений.

Формула изобретения

Устройство измерения вариаций электросопротивления горных пород, состоящее из двух входных и двух выходных клемм, компенсатора, на вход которого подключены входные клеммы, реверсивного счетчика, соединенного с цифровым индикатором, схема управления, источник тока и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерения вариаций электросопротивления горных пород, в устройство введены аналоговый коммутатор, вычитающий счетчик с предустановкой, схема ИЛИ, счетчик, схема НЕ, дифференциатор, прецизионный шунт, коммутатор тока, первая схема запрета, вторая схема запрета, генератор тактовых импульсов, RS-триггер, схема управления и цифровой коммутатор, АЦП выполнен с параллельным выходом и стробом, источник тока стабилизированным, причем одна выходная клемма подключена к выходу коммутатора тока непосредственно, а вторая через прецизионный шунт, вход коммутатора тока подключен к выходу источника стабилизированного тока, а управляющий вход коммутатора тока подключен к выходу коммутации схемы управления, первый вход аналогового коммутатора подключен к выходу компенсатора, а второй вход к прецизионному шунту, выход аналогового коммутатора подключен к входу АЦП, информационные выходы АЦП подключены к информационным входам вычитающего счетчика, а сигнал "Строб" АЦП к входу первой схемы запрета, выходы вычитающего счетчика подключены к входам схемы ИЛИ, а выход схемы ИЛИ к входу счетчика и первому входу второй схемы запрета, выход счетчика через схему НЕ подключен к входу дифференциатора, а выход дифференциатора подключен к R-входу RS-триггера, к S-входу которого подключен выход "Разрешение" схемы управления, выход RS-триггера подключен к второму входу первой схемы запрета, а выход первой схемы запрета подключен к входу "Запись" вычитающего счетчика и к второму входу второй схемы запрета, третий вход которой подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход второй схемы запрета подключен к счетному входу вычитающего счетчика и к входу цифрового коммутатора, выходы которого подключены к входам "+" и "-" реверсивного счетчика, а управляющий вход цифрового коммутатора подключен к выходу "Полярность" схемы управления, выход "Переключение" схемы управления подключен к управляющему входу аналогового коммутатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3