Способ и устройство для индукционного частотного зондирования



Способ и устройство для индукционного частотного зондирования

 


Владельцы патента RU 2502092:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им А.А.Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук (ИНГГ СО РАН) (RU)

Изобретение относится к области электромагнитных индукционных неразрушающих зондирований, в частности к устройствам для измерения электропроводности почвы и грунтов. Сущность: устройство содержит плоский излучающий контур, источник переменного тока, непроводящую штангу, расположенную под углом к плоскости излучающего контура, набор приемных катушек, закрепленных на непроводящей штанге. Близкий к нулю вертикальный магнитный поток прямого поля через приемные катушки достигается с помощью выбора угла наклона непроводящей штанги, близким к 35 градусам. Совокупность приемных катушек на штанге соответствует числу выбранных рабочих частот. Технический результат - повышение надежности получаемых данных, упрощение конструкции устройства, увеличение чувствительности и эффективной глубины зондирования. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области электромагнитных индукционных неразрушающих зондирований, в частности к устройствам для измерения электропроводности почвы и грунтов.

Методы электромагнитного зондирования и профилирования широко используются в геофизике, а также при решении таких задачах, как обнаружение подземных объектов и аномалий в археологии, почвоведении, инженерно-геофизических изысканиях.

Переносные приборы, используемые для непосредственного (in-situ) измерения кажущегося удельного электрического сопротивления (УЭС) в приповерхностном слое земли (почвы и грунты) обычно подразделяются на измерители проводимости грунта (terrain conductivity meters - ТСМ) и многочастотные электромагнитные зонды (multi-frequency electromagnetic sounders - MEMS).

Соответствующий класс приборов для бесконтактного многочастотного электромагнитного зондирования (ЭМС), используемых для изучения пород и грунтов на небольших глубинах, способен измерять вариации в электромагнитной (индукционной) связи между прибором и грунтом (и объектами в грунте) как функцию частоты излучаемого сигнала. В качестве примера можно привести бортовые электромагнитные датчики (АЕМ), производимые различными компаниями (Barringer Research, Dughem, Goetech, Geophex, Aerodat - USA). Представлены и наземные системы, такие как Apex Double-Dipole™, Geophex-300™ (Geophysical Survey Systems), которые работают в интервале частот от 330 до 20000 Гц.

Известны одночастотные и многочастотные электромагнитные приборы для бесконтактного электромагнитного зондирования приповерхностных объектов. Среди них ЕМ-34, ЕМ-38, производимые компанией Geonics Ltd. (Канада), устройства геофизической разведки GEM-2 и GEM-3 от компании Aeroquest (США) и CMD-Explorer (GF Instruments, Чехия).

Известно устройство для электромагнитного зондирования грунта, описанное в патенте US 6534985 "Modular Electromagnetic Sensing Apparatus Having Improved Calibration" (Geosensors, Inc., USA). Аппарат зондирования включает электромагнитный излучатель, один или более детекторов, и одно калибровочное устройство, а также переключатель и процессор. Калибровочное устройство размещается таким образом, что расстояние передатчик-приемник больше, чем расстояние передатчик-калибровочный приемник. Процессор имеет один вход для полезного сигнала и один вход для калибровочного сигнала, что позволяет отслеживать искажения в передаваемом сигнале.

В патентной заявке US 20111037462 (Geonics Ltd.) раскрывается устройство многокатушечного электромагнитного детектора. Расстояние между катушками меняется и регулируется с помощью управляющего блока. Устройство предназначено для обнаружения металлических и неметаллических объектов (взрывные устройства) под землей и не предназначено для измерения профиля проводимости грунта.

В патенте РФ 2136021 описано устройство для электроразведки, имеющее один излучающий контур и n пар попарно симметричных приемных контуров. При этом приемные контуры расположены так, что момент взаимоиндукции между каждым приемным контуром и излучающим контуром в непроводящем пространстве (в воздухе) равен нулю. Применение п пар приемных контуров в данном устройстве обеспечивает производительность и точность, достаточную для малоглубинных исследований. Вместе с тем, размеры такой установки довольно большие и схема измерения реализует только одночастный режим работы.

Известно также устройство для индукционного частотного зондирования, описанное в патенте РФ 2152058 (Институт геофизики СО РАН, Россия). В патенте РФ 2152058 описано генерация переменного магнитного поля последовательно на многих частотах. Сигнал прямого магнитного поля компенсируется путем применения двух встречновключенных приемных датчиков, и компенсация поля настраивается при расположении устройства в непроводящей среде (в воздухе). Такая конфигурация устройства позволяет при фиксированном положении генераторной петли и приемных датчиков (жесткая штанга) выполнять частотное зондирование в приповерхностном пространстве. На каждой частоте выполняется измерение реальной и мнимой компонент вторичного магнитного поля.

В большинстве геофизических устройствах для электромагнитного зондирования локальные неоднородности кажущейся удельной проводимости породы (грунта) выявляются при создании электромагнитного поля генерирующей катушкой и измерении сигнала от токов, индуцированных в земле. Схемы измерения бывают двух- или трех-катушечные с компенсацией прямого поля (поле от генераторной катушки).

В методах индукционного зондирования малых глубин надо учитывать то, что в области приемных катушек магнитное поле имеет несколько источников. Постоянное магнитное поле Земли не наводит э.д.с. в неподвижной катушке и может не учитываться в устройствах георазведки. Генерирующая катушка индукционного устройства наводит токи в грунте или проводящих объектах, находящихся в грунте. В методе индукционного зондирования переменное магнитное поле от наведенного (индуцированного) тока называется вторичным полем и является полезным сигналом, свидетельствующее об удельной проводимости подземных структур.

Существующие устройства для индукционного зондирования подповерхностного пространства имеют ряд недостатков. Если не выполняется компенсация прямого поля (двухкатушечный зонд), то это уменьшает информативность сигнала, так как сигнал от первичного поля (генераторная петля) выступает в качестве помехи.

Схемы с компенсацией первичного поля работают лучше, но их настройка и калибровка требуют применения сложных электротехнических схем и конструкционных решений.

Кроме того, в случае двух - или трех-катушечных устройств, один подземный металлический объект (аномалия в электропроводности), расположенный вблизи поверхности, может создавать два или три образа при визуализации данных.

Задачей изобретения является повышение надежности получаемых данных и упрощение конструкции устройства при электромагнитном многочастотном зондировании. Данная задача решается с помощью следующего технического решения.

На Фиг.1 представлена структурная схема бесконтактного устройства для индукционного многочастотного зондирования подземного пространства.

Устройство для электроразведки методом индукционного частотного зондирования содержит (см. Фиг.1) плоский излучающий контур 1, подключенный к усилителю мощности 2. К нижней части устройства, несущего излучающий контур 1, подсоединена несущая штанга 3, выполненная из непроводящего и немагнитного материала. Угол расположения штанги 3 к плоскости излучающего контура 1 выбирается таким, чтобы обеспечить нулевую вертикальную компоненту напряженности магнитного поля Hz на большей части несущей штанги. На наклонной штанге устанавливаются приемные катушки 4, в которых наводится э.д.с. от переменного магнитного тока. Магнитные моменты генераторной и всех приемных катушек, расположенных на штанге, параллельны между собой. Сигналы с приемных контуров последовательно поступают, обрабатываются и сохраняются в микропроцессорном модуле 5.

В одном воплощении устройства электромагнитного индукционного зондирования, излучающий контур в корпусе устройства излучает последовательно электромагнитные зондирующие импульсы на выбранной последовательности частот. Для этого из источника питания на излучающий контур подается последовательность импульсов переменного тока с различными частотами. Для зондирования грунта и земной породы, эти зондирующие частоты выбираются в интервале от 2,5 кГц до 250 кГц.

Каждая приемная катушка заранее настроена на определенную частоту из выбранной последовательности частот. Более низкие частоты соответствуют большей глубине индукционного зондирования грунта (породы) [1].

В основном варианте устройства приемные катушки располагаются на наклонной непроводящей штанге с равным интервалом между приемными катушками. Оси приемных катушек располагаются параллельно оси генераторной катушки (излучающий контур).

Наклонная штанга, изображенная на Фиг.1 и служащая для крепления набора приемных катушек, должна быть выполнена из непроводящего материала, чтобы не создавать помех в виде токов проводимости над поверхностью земли. В качестве материала для штанги могут быть выбраны диэлектрические материалы с электропроводимостью меньше чем 10-7 См/м.

Дополнительным требованием к штанге является легкость штанги, поскольку устройство обычно используется как переносное устройство зондирования. Обычно несущая штанга выполняется в виде пустотелой трубы, выполненной из таких материалов с низкой проводимостью как сухая древесина, полимер, пластик, стеклокомпозитный материал или иной композитный материал с низкой удельной плотностью на основе диэлектрической матрицы.

При расстановке приемных катушек на наклонной штанге используется эффект существования конической поверхности с вершиной в центре генераторной петли, на образующей которой вертикальная составляющая напряженности переменного первичного магнитного поля в однородном непроводящем пространстве Hz меняет знак. Для направляющей в виде круга образующая этой поверхности может быть аппроксимирована прямой с углом наклона к горизонтальной плоскости 35 градусов.

Приемные катушки располагаются вдоль одной образующей линии на прямой непроводящей штанге. Другими словами, угол наклона непроводящей штанги, на которой расположены приемные датчики индукции, составляет приблизительно 35 градуса с плоскостью генераторной петли. Генераторная петля в процессе зондирования располагается существенно параллельно земной поверхности.

Значения рабочих частот определяется расчетом равенства прироста глубины зондирования по величине . Для выбранного диапазона рабочих частот от 2,5 до 250 кГц глубинность зондирования для полупространства с УЭС 50 Ом·м (сухой грунт) составляет от 8 до 10 м [2]. Этой глубины достаточно для проведения приповерхностного зондирования грунта или породы.

В предлагаемом устройстве и способе, в отличие от других, кроме частотного зондирования выполняется геометрическое зондирование, где применяется изопараметр, равный , где l - расстояние от центра генераторной петли до приемного датчика, f - рабочая частота из набора частот. Это дополнительное условие на геометрию расположения датчиков является вторым отличием данного устройства.

Устройство для приповерхностной электроразведки методом индукционного частотного зондирования работает следующим образом. Усилитель мощности 2 создает в излучающей катушке 1 гармонический ток, генерируемый последовательно на ряде выбранных частот. Первичное электромагнитное поле индуцирует в земле индукционные токи, которые создают вторичное электромагнитное поле. Это вторичное электромагнитное поле создает э.д.с. в совокупности приемных катушек 4. На низкой частоте регистрируется сигнал от дальней катушки и, соответственно, на высокой частоте регистрируется сигнал от ближней (к генератору) катушки, и этот процесс контролируется в помощью микропроцессорного блока 5. Значения э.д.с. на каждой частоте напрямую связаны с удельной электрической проводимостью некоторого подземного объема, что составляет основу метода частотного зондирования.

Процедура установки и калибровки нуля э.д.с. в каждой премной катушке следующая. Центр каждой катушки располагается на описанной выше штанге из непроводящего материала, примерно на линии равенства нулю вертикальной компоненты напряженности поля Hz. После чего подбирается и фиксируется такое (почти вертикальное) положение каждой приемной катушки, которое обеспечивает минимальную по амплитуде э.д.с. После установки окончательного положения всех приемных катушек, описанное устройство для электромагнитного зондирования поднимается на канатах в воздух на высоту до 10 м (обычно более 3-4 метров), причем место для тестирования и настройки выбирается вдали от всех проводящих объектов (железные конструкции, линии электропередач и прочее). На таком расстоянии от земной поверхности окружающая среда может считаться однородной по магнитной проницаемости и полностью непроводящей (воздух). Значения э.д.с. всех приемных катушек, записанные для подвешенного в воздухе устройства зондирования электропроводимости грунта, принимаются за нули прибора и вычитаются из всех последующих полевых измерений э.д.с.

Описанное устройство обладает следующими преимуществами. Реализована компенсация прямого поля генератора при помощи специального размещения одиночных приемных катушек. Разнесение генераторной и приемной катушек по вертикали обуславливает преобладание единственного образа (максимума) в сигнале от локальной приповерхностной неоднородности в проводимости грунта и выполняет, кроме частотного зондирования, одновременно и геометрическое зондирование. Это позволяет избавиться от ложных сигналов. Несколько приемных катушек, расположенных на различном удалении от генераторной катушки, настроены на соответствующие (выбранные) частоты, чтобы увеличить чувствительность и эффективную глубину индукционного зондирования описанным бесконтактным устройством электромагнитного зондирования.

Литература

1. Балков Е.В., Манштейн А.К. Сравнение характеристик двух- и трехкатушечной реализации индукционных зондов для малоглубинного частотного зондирования // Геофизический вестник. - 2006. - №1. - С.12-17.

2. Балков Е.В., Эпов М.И., Манштейн А.К. Оценка глубинности наземного электромагнитного индукционного частотного зондирования // Геофизика. - 2006. - №3. - С.41-45.

1. Бесконтактное устройство для электромагнитного индукционного зондирования, содержащее плоский излучающий контур, источник переменного тока, непроводящую штангу, расположенную под углом к плоскости излучающего контура, набор приемных катушек, закрепленных на непроводящей штанге, отличающееся тем, что близкий к нулю вертикальный магнитный поток прямого поля через приемные катушки достигается с помощью угла наклона штанги.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол наклона непроводящей штанги для крепления приемных катушек имеет угол, близкий к 35°.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на излучающий контур подается последовательность импульсов переменного тока с различными частотами.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что каждая приемная катушка настроена на сигнал электромагнитного поля определенной частоты из генерируемого набора частот.

5. Устройство по любому из пп.2-4, отличающееся тем, что частоты зондирующего излучения, создаваемые в генераторной петле, выбираются из интервала от 2,5 до 250 кГц.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наклонная штанга выполнена из непроводящего стеклокомпозита, пластика, композитного материала с низкой удельной плотностью.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемные катушки располагаются с равным интервалом между собой.

8. Способ применения бесконтактного устройства для электромагнитного индукционного зондирования по п.1, отличающийся тем, что сигнал (амплитуда и фаза) с приемных катушек, настроенных на высокие частоты зондирования, соответствует зондированию малых глубин, и сигнал от приемных катушек с более низкими частотами соответствует зондированию больших глубин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электроизмерениям и предназначено для измерения напряженности переменного электрического поля в морской воде при геофизических исследованиях.

Изобретение относится к конфигурации генераторной петли, используемой для наземной и скважинной электромагнитной геофизической разведки. .

Изобретение относится к области магнитной геологоразведки и может быть использовано при разведке железорудных месторождений. .

Изобретение относится к промысловой геофизике, а именно к способам и устройствам, предназначенным для поверки аппаратуры электромагнитного каротажа. .

Изобретение относится к геоэлектроразведке и может использоваться для измерения распределения удельного электрического сопротивления в верхней части земной коры.

Изобретение относится к магнитной геологоразведке и может быть использовано при разведке железорудных месторождений. .

Изобретение относится к поисковой технике, к медицине, в частности к малоинвазивным, лапароскопическим операциям и предназначено для локализации ферромагнитных инородных предметов в тканях и органах человека, а также может быть использовано для неразрушающего контроля качества материалов и в других областях.

Изобретение относится к методам и средствам обнаружения скрытых объектов из электропроводных и/или ферромагнитных материалов и непосредственно касается индукционного способа обнаружения таких объектов и измерительного преобразователя для его осуществления.

Изобретение относится к средствам радиочастотного сканирования МИТ сканирования пациентов. Способ сканирования объекта заключается в проведении РЧ симуляции для оценки или прогнозирования значения РЧ электромагнитного воздействия, наложенного на объект, в зависимости от предполагаемых рабочих параметров МИТ на основе модели элемента или катушки РЧ передатчика и на основе модели самого объекта, сравнении оценочного или прогнозируемого значения РЧ электромагнитного воздействия с предельным или пороговым значением и проведении МИТ сканирования посредством предполагаемых рабочих параметров, если значение РЧ электромагнитного воздействия ниже предельного или порогового значения, если значение РЧ электромагнитного воздействия равно предельному или пороговому значению или превышает его, повторяют этап с модифицированными предполагаемыми рабочими параметрами МИТ. На компьютерно-считываемом носителе хранится компьютерная программа, адаптированная для выполнения способа. Устройство мониторинга для проведения РЧ МИТ сканирования содержит направленный ответвитель на входе катушки РЧ передачи для отведения части мощности прямого переданного РЧ сигнала, которую подают на РЧ передающую катушку, и части мощности отраженного переданного РЧ сигнала, который отражен на катушке РЧ передачи, и устройство сравнения и завершения для предоставления фактически переданной РЧ мощности, приложенной к объекту. Система магнитной индукционной томографии содержит устройство мониторинга. Использование изобретения позволяет предотвратить превышение РЧ воздействия, приложенного к исследуемому объекту. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области интроскопии и может быть использовано для решения задачи обнаружения металлических объектов, находящихся в различных укрывающих средах. Металлодетектор содержит датчик металлодетектора, содержащий последовательно соединенные первый конденсатор С1 и возбуждающую катушку L1, параллельно соединенные вторую сигнальную катушку L2 и второй конденсатор С2, свободный контакт конденсатора С1 является входом тока возбуждения первой частоты, первый контакт сигнальной катушки L2 является первым выходом датчика, второй контакт сигнальной катушки L2 подключен к общей точке схемы, возбуждающая катушка L1 и сигнальная катушка L2 размещены на одной плоскости и частично совмещены друг с другом с величиной зоны совмещения, выбранной таким образом, чтобы величина потока индукции через сигнальную катушку L2, продуцируемого возбуждающей катушкой L1, была минимальна, датчик дополнительно снабжен последовательно соединенными катушкой L3 и конденсатором С3, причем свободный контакт катушки L3 подключен к входу тока возбуждения первой частоты, свободный контакт конденсатора С3 подключен к средней точке последовательного соединения конденсатора С1 и возбуждающей катушки L1, датчик также дополнительно снабжен последовательно соединенными катушкой L4 и конденсатором С4, при этом свободный контакт катушки L4 подключен к первому выходу датчика, свободный контакт конденсатора С4 подключен к общей точке схемы, датчик снабжен вторым выходом датчика, которым является средняя точка последовательного соединения катушки L4 и конденсатора С4, датчик также снабжен входом тока возбуждения второй частоты, которым является свободный контакт возбуждающей катушки L1. Технический результат - повышение чувствительности металлодетектора при работе одновременно на различных частотах. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ и устройство автоматической фиксации несанкционированного прохода через зону контроля производят формирование стереоизображениея зоны контроля, определение наличия контролируемого параметра для человека, находящегося в зоне контроля. Также с помощью обзорной камеры формируют изображение зоны контроля в направлении, обратном прямому разрешенному направлению прохода через средство контроля. Обеспечивают запись в базу данных в памяти блока управления изображения со стереокамеры и обзорной камеры. На основании полученных данных производят анализ стереоизображения. При наличии сигнала тревоги фиксируют нарушение и формируют доказательную базу. Технический результат заключается в создании системы и способа автоматической фиксации несанкционированного прохода через зону контроля с увеличенной эффективностью и функциональностью за счет автоматического определения несанкционированного прохода через зону контроля (в том числе нескольких идущих вплотную друг за другом людей) с последующим формированием доказательной базы в форме архива видеозаписи с отмеченными на временной шкале моментами времени прохода человека и сигналами тревог от средства контроля, а также возможности определения присутствия сотрудника охраны на посту в зоне контроля. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх