Измерительное устройство для геоэлектроразведки

 

Изобретение относится к устройствам для частотных зондирований с естественным и искусственным магнитным и электрическим возбуждениями электромагнитного поля. Область преимущественного применения - измерения интенсивности спектральных составляющих ряда гармоник электромагнитного поля, используемых при исследованиях верхней части земной коры. Технический результат - повышение помехоустойчивости и расширение функциональных возможностей. Сущность: измерительное устройство содержит пять каналов, каждый из которых состоит из последовательной цепи датчика, полосового фильтра, аттенюатора и синхронного фильтра, интерфейс, подключенный информационными входами к шинам управления аттенюаторов, шине задания частоты и выходу аналого-цифрового преобразователя, а выходом - к входу накопителя информации, кодоуправляемый делитель частоты, соединенный информационным входом с выходом задающего генератора, входом управления - с входом управления полосовых фильтров и шиной задания частоты, а выходом через первый счетчик импульсов - к входам управления синхронных фильтров, делитель частоты, второй счетчик импульсов и аналоговый коммутатор, подключенный выходом к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, информационными входами - к выходам синхронных фильтров, а входом управления - к выходу второго счетчика импульсов, соединенного входом с входом управления аналого-цифрового преобразователя и с выходом делителя частоты, подсоединенного входом к выходу задающего генератора. 2 ил.

Изобретение относится к измерительным устройствам для частотных зондирований с естественным и искусственным магнитным и электрическим возбуждением электромагнитного поля. Область преимущественного применения - измерения интенсивности спектральных составляющих ряда гармоник поля, используемых при исследованиях верхней части земной коры.

Известно измерительное устройство аудиомагнитотеллурического зондирования [1], в котором осуществляют измерения в узкой полосе частот. Достоинство этого устройства состоит в возможности настройки на частоты резонатора Земля - ионосфера, на которых уровень естественного электромагнитного поля относительно высок в узкой (несколько Гц) полосе частот. Однако известное устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что запись информации осуществляется на бумажный носитель с дальнейшей обработкой методом видимых амплитуд со значительными погрешностями и невозможностью определения временных соотношений декартовых составляющих электромагнитного поля.

Известно также измерительное устройство для геоэлектроразведки [2], оснащенное микропроцессором и использующее запись поля в узкой полосе частот. Однако это устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что позволяет производить только модульные измерения без определения временных соотношений декартовых составляющих электромагнитного поля.

Наиболее близким техническим решением является измерительное (приемное) устройство для геоэлектроразведки, входящее в устройство для геоэлектроразведки [3] . В известное измерительное устройство входят последовательно соединенные блок фильтров, широкополосный усилитель, детектор с регистратором и последовательно соединенные градуировочный генератор, калибровочный делитель напряжения и приемник сигналов. В известном техническом решении повышается точность измерений за счет сравнения измеряемого сигнала с эталонным напряжением. Однако известное устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что позволяет осуществлять измерения только на одной частоте (гармонике) и при этом не определяются временные соотношения между декартовыми составляющими, т.е. осуществляются только модульные измерения.

Цель предлагаемого изобретения - повышение помехоустойчивости и расширение функциональных возможностей. Поставленная задача достигается тем, что в измерительном устройстве для геоэлектроразведки, содержащем пять каналов, каждый их которых состоит из последовательной цепи датчика, полосового фильтра, аттенюатора и синхронного фильтра, интерфейс, подключенный информационными вводами к шинам управления аттенюаторов, шине задания частоты и выходу аналого-цифрового преобразователя, а выходом к входу накопителя информации, кодоуправляемый делитель частоты, соединенный информационным входом с выходом задающего генератора, входом управления со входом управления полосовых фильтров и шиной задания частоты, а выходом через первый счетчик импульсов ко входам управления синхронных фильтров, дополнительно введены делитель частоты, второй счетчик импульсов и диалоговый коммутатор, подключенный выходом к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, информационными входами к выходам синхронных фильтров, а входом управления к выходу второго счетчика импульсов, соединенного входом со входом управления аналого-цифрового преобразователя и с выходом делителя частоты, подсоединенного входом к выходу задающего генератора и к информационному входу кодоуправляемого делителя частоты.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства. На фиг.2 для примера дана возможная схема одного синхронного фильтра.

Устройство содержит датчики пяти Вx, By, Bz, Еx, Еу декартовых составляющих электромагнитного поля 1-1÷1-5, полосовые фильтры 2-1÷2-5, аттенюаторы 3-1÷3-5, синхронные фильтры (СФ) 4-1÷4-5, шины управления 5-1÷5-5, аналоговый коммутатор 6, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, интерфейс 8, накопитель информации 9 (например, персональный компьютер типа Note book), задающий генератор 10, кодоуправляемый делитель частоты (КУДЧ) 11, первый счетчик импульсов 12, шину управления 13, делитель частоты 14, второй счетчик импульсов 15. В синхронный фильтр входят резистор 16, коммутатор 17, конденсаторы 18÷33.

В предлагаемом устройстве пять последовательных цепей, каждая из которых состоит из датчика 1-к, полосового фильтра 2-к, аттенюатора 3-к и синхронного фильтра 4-к, где к=1, 2, 3, 4, 5 - номер канала. Информационные входы аналогового коммутатора 6 соединены с выходами синхронных фильтров 4-к. Информационные входы интерфейса 8 подключены к выходу АЦП 7, к шинам управления 5-к и ко входам управления цифрового аттенюатора 3-к, к шине управления 13 и ко входам управления полосовых фильтров 2-к, а вход управления - к выходу второго счетчика импульсов 15 и ко входу управления аналогового коммутатора 6. Накопитель информации 9 подсоединен к выходу интерфейса 8. КУДЧ 11 установлен между задающим генератором 10 и первым счетчиком импульсов 12, подключенным выходом ко входам управления синхронных фильтров 4-к. Делитель частоты 14 установлен между задающим генератором 10 и входом второго счетчика импульсов 15 и входом упражнения АЦП 7. АЦП 7 информационным входом подсоединен к выходу аналогового коммутатора 6.

Устройство работает следующим образом. Положим измеряемые декартовые составляющие Вх, By, Вz, Ех, Еу электромагнитного поля, без учета электромагнитных помех, определяются следующими выражениями: где B_bx;i, B_by;i, B_bz;i - соответственно амплитуды магнитной индукции декартовых составляющих х, у и z гармоники - i полезного сигнала частоты Ω, E_ex;i, E_ey;i - соответственно амплитуды электрической напряженности составляющих х, у гармоники - i полезного сигнала частоты Ω, ϕ_bx,i, ϕ_by,i, ϕ_bz,i, ϕ_eх,i, ϕ_ey,i - начальные фазы гармоники - i полезного сигнала частоты Ω, n₂ - целое положительное число.

Выходные сигналы датчиков 1-1÷1-5 определяются следующими выражениями:


где S_x, S_y, S_z соответственно эффективные площади датчиков 1-1÷1-3, l_x, l_y - эффективные длины датчиков 1-4÷1-5, U_m1,i = S_xiΩ•B_bx,i, U_m2,i = S_yiΩ•B_by,i, U_m3,i = S_ziΩ•B_bz,i, U_m4,i = l_x•E_ex,i, U_m5,i = l_y•E_ey,i - амплитуды выходных напряжений i - гармоники датчиков 1-1÷1-5.

Выходные напряжения датчиков 1-1÷1-5 поступают на полосовые фильтры 2-1÷2-5, имеющих коэффициенты усиления k_2-1÷k_2-5, в полосе частот от Ω до n₂Ω/2. Полоса частот задается кодом, поступающим на входы управления полосовых фильтров 2-1÷2-5 с шины управления 13. Выходные напряжения полосовых фильтров 2-1÷2-5 через аттенюаторы 3-1÷3-5 с коэффициентами ослабления k_3-1÷k_3-5 подаются на информационные входы синхронных фильтров 4-1÷4-5. Коэффициенты ослабления k_3-1÷k_3-5 аттенюаторов задаются кодами, поступающими на входы управления с шин управления 5-1÷5-5.

В синхронных фильтрах 4-1÷4-5 осуществляется выделение гармоник частоты полезного сигнала. Для этого на управляющие входы синхронных фильтров 4-1÷4-5 поступает переменный код N₁(t) (фиг.1 и 2). Переменный код изменяется с частотой n₂Ω и в результате каждый конденсатор (18÷33) последовательно подключается на интервал времени Δt = 2π/n₂Ω к резистору 16. В примере, приведенном на фиг.2, n₂ = 16, a k - номер канала (k = 1, 2, 3, 4, 5). Через интервал времени T = 2π/Ω процесс повторяется и т.д. В результате на конденсаторах в установившемся режиме образуются напряжения, равные, без учета погрешности, мгновенным значениям входного сигнала.

На выходах синхронных фильтров 4-1÷4-5 снимаются напряжения, пропорциональные мгновенным значениям измеряемых декартовых составляющих электромагнитного поля. Эти напряжения поступают на информационные входы аналогового коммутатора 6, на управляющий вход которого подается переменный код N₂(t) с выхода второго счетчика импульсов 15.

Переменный код N₂(t) изменяется по времени с частотой Ω₂ = ω₀/N_g, где ω₀ - частота задающего генератора 10, N_g - коэффициент деления делителя частоты 14 и процесс повторяется с частотой Ω_H = Ω₂/N_c2, где N_c2 - емкость второго счетчика импульсов 15.

В результате аналоговый коммутатор 6 осуществляет периодическое подключение с частотой Ω_H каждого из выходов синхронных фильтров 4-1÷4-5 ко входу аналого-цифрового преобразователя 7 на интервал времени Δt₂ = 2π/Ω₂. Перепадами напряжения с выхода делителя частоты 14 осуществляется синхронизация аналого-цифрового преобразователя 7. За интервал времени Δt₂ = 2π/Ω₂ в АЦП 7 осуществляется преобразование мгновенного значения одного выходного напряжения синхронных фильтров 4-1÷4-5 в цифровой код N_k,p, где k - номер канала, а р - номер выхода синхронных фильтров 4-1÷4-5, 0≤p≤n₂-1. Выходные коды АЦП 7, коды шин управления 5-1÷5-5 и 13, a также переменный код N₂(t) через интерфейс 8 записываются в устройство накопления 9.

Полоса частот задается колом шины управления 13, поступающим на входы управления полосовых фильтров 2-1÷2-5 и кодоуправляемого делителя частоты 11. Переменный код изменяется с частотой n₂Ω, где n_{2 -} емкость первого счетчика импульсов 12, равной ω₀/N_k, где N_k - коэффициент деления КУДЧ 11.

В накопителе информации 9 производится расшифровка поступающей цифровой информации. Мгновенные значения полезного сигнала k - канала и р - номера выхода синхронных фильтров 4-1÷4-5 определяется следующим выражением
U_k,p=N_k,p/k_2-k•k_3-k•k_4-k•k_A,
где k_2-k, k_3-k, k_4-k - соответственно коэффициенты передачи и усиления блоков 2, 3 и 4 каналов, k_A - коэффициент преобразования АЦП 7. В дальнейшем полученная информация в виде цифровых отсчетов U_k,p обрабатывается по алгоритму спектрального анализа на основе дискретного преобразования Фурье и определяются синусные и косинусные составляющие гармоник частоты Ω полезного сигнала из следующих выражений


где C_k,i, S_k,i - соответственно косинусные и синусные составляющие гармоник - i канала - k. Из найденных значений C_k,i и S_k,i легко определяются модули декартовых составляющих, а также их фазовые соотношения.

Изменяя код на шине управления 13, осуществляют изменение частоты первой гармоники Ω и полосы исследуемых сигналов в полосовых фильтрах 2-1÷2-5.

Таким образом, в предлагаемом устройстве значительно расширены функциональные возможности, а именно производят измерения на ряде частот (гармоник) и в то же время измерения осуществляются в узкой полосе на каждой гармонике, что позволяет значительно повысить помехоустойчивость к воздействию электромагнитных помех.

Предлагаемое устройство было положено в основу аппаратуры "Гроза", работающей в диапазоне частот 10-2000 Гц в качестве измерительного устройства аудиомагнитотеллурических сигналов. Полевые испытания показали высокую помехоустойчивость измерений в условиях высоких электромагнитных помех техногенного происхождения при значительном расширении функциональных возможностей.

Источники информации
1. Савельев А.А. Геоэлектрическое строение земной коры Среднего Урала и Балтийского щита по данным АМТ-зондирований. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Ленинград, 1986, 13 с.

2. Электроразведка. Справочник геофизика. - М.: Недра, 1986, с. 262.

3. А.с. СССР 1073726, G 01 V 3.08, 1984 6 (прототип).

Формула изобретения

Измерительное устройство для геоэлектроразведки, содержащее пять каналов, каждый их которых состоит из последовательной цепи датчика, полосового фильтра, аттенюатора и синхронного фильтра, интерфейс, подключенный информационными входами к шинам управления аттенюаторов, шине задания частоты и выходу аналого-цифрового преобразователя, а выходом - к входу накопителя информации, кодоуправляемый делитель частоты, соединенный информационным входом с выходом задающего генератора, входом управления - с входом управления полосовых фильтров и шиной задания частоты, а выходом через первый счетчик импульсов - к входам управления синхронных фильтров, отличающееся тем, что в него дополнительно введены делитель частоты, второй счетчик импульсов и аналоговый коммутатор, подключенный выходом к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, информационными входами - к выходам синхронных фильтров, а входом управления - к выходу второго счетчика импульсов, соединенного входом с входом управления аналого-цифрового преобразователя и с выходом делителя частоты, подсоединенного входом к выходу задающего генератора и к информационному входу кодоуправляемого делителя частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2