Электроразведочная аппаратура
Источник: http://geophys.geol.msu.ru/ems/appar00.doc
Составил: Шустов Н.Л.
1.Особенности электроразведочной аппаратуры.
Электроразведка выделяется среди других геофизических методов большим разнообразием методик наблюдений. Это обуславливает и большое разнообразие применяемой аппаратуры. Однако, принципы архитектуры этой аппаратуры очень схожи. Среди многообразия электронных характеристик и схем аппаратуры следует научиться выделять то, что важно для геофизика как пользователя и заказчика этого оборудования.
2.Цифровой и аналоговый подход к созданию аппаратуры.
В принципе, существует два основных подхода в проектировании радиоэлектронных устройств: аналоговый и цифровой.
При аналоговом подходе исследуемый сигнал усиливается (чаще всего по напряжению), проходит необходимые преобразования (активные и пассивные фильтры, например RC-цепочки, LC-цепочки, гираторы, модуляция-демодуляция), затем выводится в аналоговом виде (на стрелочный индикатор или осциллограф). Управление аппаратурой в этом случае также производится аналоговым образом (переменные резисторы, конденсаторы и т.п.).
При цифровом подходе исходный сигнал оцифровывается через определенные промежутки времени (эти промежутки называются периодом опроса). Оцифровка заключается в представлении амплитуд исходного сигнала в двоичной форме. Все последующие преобразования сигнала (фильтрация, спектральный анализ, хранение информации) могут производиться с помощью цифровых элементов (процессоры, устройства хранения информации и т.п.). Управление аппаратурой в этом случае может осуществляться по программно формируемым цифровым командам.
Как правило, в современной аппаратуре сочетаются оба этих подхода. При измерениях сигнал аналоговым образом усиливается, иногда фильтруется, затем оцифровывается. В генераторных установках цифровые команды управляют мощными аналоговыми коммутирующими устройствами.
3.Классификация по признаку генераторы измерители.
Всю электроразведочною аппаратуру можно разделить на два основных класса: генераторы и измерители.
4.Общие характеристики генераторных устройств.
Большинство методов электроразведки ВЭЗ, ДЭЗ, ЭП, ЧЗ, ДЭМП, ЗС и др. используют в качестве возбудителя первичного поля искусственные источники. Эти приборы сильно различаются по своим характеристикам в зависимости от модификации метода.
Основные характеристики генераторных установок следующие:
· форма возбуждаемого сигнала постоянный ток, прямоугольные импульсы, меандр и т.д.;
· возможный тип возбудителя поля заземленный электрический диполь, петля - вертикальный магнитный диполь, антенна;
· максимальная сила тока и напряжение в выходной цепи;
· рабочий интервал генерируемых частот (или временные характеристики вырабатываемых импульсов);
· источник питания генераторной установки;
· габаритные размеры аппаратуры.
Максимальные значения силы тока, напряжения и сопротивления нагрузки связаны между собой законом Ома. Как правило, важно поддерживать определенную (большую) силу тока в выходной цепи. Этого можно достигнуть методически - уменьшая сопротивление заземления или увеличивая количество витков в возбуждающей петле, или аппаратурно - изменяя выходное напряжение в зависимости от изменения сопротивления нагрузки.
Общая блок-схема генераторных установок выглядит следующим образом (рис.1):
Рис. 1. Общая блок-схема генераторных установок.
Преобразователь напряжения обеспечивает поддержку необходимого напряжения в выходной цепи в зависимости от изменения параметров возбудителя поля через цепь обратной связи, либо по командам с пульта управления (как аналогового, так и цифрового). Коммутатор обеспечивает необходимую форму и частоту выходного сигнала под управлением задающего генератора. Возбудитель поля преобразует электрическую энергию в необходимую компоненту электромагнитного поля (это источник поля).
5. Датчики для измерений параметров электромагнитного поля (ЭМП).
Датчиком или первичным измерительным преобразователем называется устройство, преобразующее значение измеряемой компоненты ЭМП в выходной сигнал, удобный для передачи и регистрации, и функционально связанный с информативным параметром входного сигнала. В качестве выходного чаще всего используется напряжение значительно реже частота, длительность импульса, ток и т.д.
В качестве датчиков для регистрации разлицных компонент ЭМП Земли используются индукционные датчики (ИД) при регистрации вариаций магнитного поля на высоких частотах, кварцевые магнитометры (ММ) на низких частотах, заземленные электрические диполи (МN) или емкостные датчики для регистрации вариаций электрического поля, антенны при регистрации вариаций ЭМП на очень высоких частотах.
Индукционный датчик представляет собой многовитковую катушку с ферритовым сердечником. Переменное магнитное поле индуцирует в катушке ЭДС.
Чувствительной частью магнитометра является магнит с зеркалом, вращающийся на кварцевой нити. Световой поток отражается от зеркала и попадает на призму под углом, зависящим от интенсивности магнитного поля. После преломления в призме световой поток попадает на фотодиоды. Таким образом, разность потенциалов на фотодиодах зависит от интенсивности магнитного поля.
При измерении вариаций электрического поля для устранения влияния собственной поляризации электродов применяются неполяризующиеся электроды. В методах постоянного тока для этих же целей применяется низкочастотный ток типа меандр. Помимо заземленного электрического диполя в качестве датчика электрической компоненты ЭМП Земли могут применяться также бесконтактные емкостные датчики. У датчиков такого типа очень высокое сопротивление.
Особенностью датчиков для измерения высокочастотных сигналов являются специфические требования к геометрии датчиков. Наиболее известное требование – длина антенны должна быть кратна длине волны. Кроме того, нельзя забывать о том, что антенны обладают свойством направленности.
Следует помнить о том, что собственное сопротивление датчика должно быть в десятки раз меньше входного сопротивления аппаратуры. В случае заземленного электрического диполя этого можно достигнуть уменьшением переходного сопротивления электродов (увлажнение почвы, увеличение площади соприкосновения со средой).
6.Общие характеристики измерительных устройств.
Измерители предназначены для регистрации электромагнитного поля как искусственного, так и естественного происхождения. Классифицировать измерительную электроразведочную аппаратуру можно по двум параметрам: по способу регистрации и представления информации и по группам электроразведочных методов.
Общая схема построения измерительной аппаратуры представлена на рис. 2.
Рис. 2. Общая блок-схема измерительных электроразведочных устройств.
Основные характеристики измерителей следующие:
· форма регистрируемого сигнала;
· применяемый тип датчиков поля /регистрируемые компоненты электромагнитного поля/;
· количество каналов;
· входное сопротивление усилителей;
· чувствительность по каналам;
· динамический диапазон;
· регистрируемый диапазон частот (или временные параметры);
· наличие встроенных аналоговых фильтров;
· тип индикатора /стрелочный, цифровой/;
· для цифровой аппаратуры - период опроса (частота дискретизации);
· наличие встроенных носителей информации и их емкость;
· возможность автоматизированной обработки данных;
· источник питания.
Чувствительность аппаратуры - минимальное значение амплитуды регистрируемого сигнала. В цифровой аппаратуре чувствительностью удобно называть значение единицы АЦП в физических единицах. Однако следует помнить о том, что в общем случае чувствительностью называют минимальный сигнал, который можно выделить на фоне собственных шумов аппаратуры.
Динамический диапазон - соотношение максимального к минимальному измеряемому сигналу. Измеряется в ДБ= 20lg Max/Min. Более удобно измерять этот параметр в значениях максимальной и минимальной амплитуды регистрируемого поля. В цифровой аппаратуре этот параметр может измеряться в единицах АЦП (разрядность АЦП). Параметр важен для того, чтобы предотвратить зашкаливание аппаратуры.
Для расширения динамического диапазона применяются следующие методы:
n компенсация постоянной составляющей (балансировка);
n уменьшение коэффициента усиления аппаратуры (аттенюатор) - это приводит к уменьшению чувствительности.
Наличие встроенных аналоговых фильтров - обеспечивает возможность фильтрации исследуемого сигнала на фоне помех. Фильтры бывают следующих типов: ФНЧ, ФВЧ, режекторный, полосовой (рис АЧХ фильтров). Выбор фильтров обеспечивает регистрацию в нужном частотном диапазоне и отфильтровывание помех.
Период опроса при цифровой записи обеспечивает регистрацию в необходимом диапазоне частот. Выбор периода опроса теоретически определяется теоремой Котельникова - Шеннона - 2 отсчета на период. Реально необходимо минимум 10 точек на период.
7.Классификация помех при измерениях.
В современной электроразведке стоит задача регистрации слабых аномалий на фоне помех, характеризующихся сравнимыми амплитудами и частотным диапазоном. Задача выделения полезного сигнала на фоне помех становиться все более актуальной.
Помехи бывают следующих типов:
- геологические (зависят от разреза и геологической задачи борьба с ними относится к методическим особенностям измерений);
- промышленные (внешние электромагнитные поля) ( 50 Гц , 100 Гц, их гармоники, зеркальные частоты, импульсы при включениях и т.п.)- способы борьбы: режекторные фильтры, усиление сигналов в непосредственной близости от датчиков;
- аппаратурные (наводки по цепям питания, наводки по корпусам аппаратуры, наводки на датчики) - способ борьбы - заземление: общий принцип - заземление в одной точке.
8. Классификация измерительной аппаратуры по группам методов.
В современной электроразведке измерительная аппаратура может быть узко специализированна, что связано с особенностями методик измерения. Можно выделить несколько классов аппаратуры.
Аппаратура, предназначенная для измерения методами постоянного тока (ВЭЗ и его модификации, ЭП) (АЭ-72,АНЧ-3Ю,ЭИН-204,ЭРА) .При работе методами постоянного тока возникает проблема компенсации постоянной составляющей поля(электродного потенциала). Эта проблема решается либо введением систем ручной или автокомпенсации (АЭ-72), либо работой на низкочастотном сигнале типа меандр, при частоте, обеспечивающей отсутствие реактивных сопротивлений (АНЧ-3,ЭРА,ИН-204) . Аппаратура для этих методов требует уменьшения габаритных и весовых характеристик.
Аппаратура, предназначенная для электрохимических методов (ЭП, ВП) (АЭ-72,ЭРА). Особенностью данных измерений является необходимость регистрации постоянных потенциалов на поверхности земли. Проблема собственной разности потенциалов электродов здесь решается путем применения неполяризующихся электродов (медный стержень в медном купоросе, графит в графитовом порошке).
Аппаратура, предназначенная для временных измерений (ЗС) (КОД-1).В данном методе необходимо производить измерения на открытом канале. Метод не позволяет использовать аналоговые фильтры на входе аппаратуры. Основным способом борьбы с помехами в данном случае является метод накопления сигнала, при котором помехи являются случайной величиной и могут быть осреднены и вычтены из основного сигнала.
Аппаратура предназначена для частотных методов (ЧЗ, МТЗ) (ИН-204, ЦЭСМ). В данной разновидности методов, как правило, применяемая аппаратура должна иметь возможность выделения узкочастотного диапазона регистрации путем введения аналоговых фильтров.
Аппаратура, предназначенная для проведения исследований в высокочастотных диапазонах (ДЭМП, Георадар,СДВР). Особенностью этой аппаратуры является проблема оцифровки очень высокочастотных сигналов. АЦП, предназначенные для работы в этом частотном диапазоне дороги и энергоемки.
ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ > Автобиография | Реферат | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание