Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
Электроразведка — это один из основных методов современной разведочной геофизики, широко применяющийся для решения различных геологических задач. Конечной целью электро- разведочных исследований является построение геоэлсктричс- ского разреза изучаемого района на основании результатов измерений кажущегося электрического сопротивления, диэлектрической и магнитной проницаемости, электрохимической активности.
Определение электромагнитных параметров горных пород мо?кет быть выполнено путем измерения электрических и магнитных компонент искусственного или естественного электромагнитного поля, действующего в горных породах. К настоящему времени разработано и достаточно широко применяется несколько десятков методов, модификаций и вариантов электроразведки, предназначенных для решения узкоспециализированных геологических задач в конкретных геолого-геофизических условиях.
За последнее десятилетие в области элсктроразведочного приборостроения произошла полная смена элементной базы: заводы—изготовители электроразведочной аппаратуры отказались от применения отдельных дискретных элементов (электронных ламп, транзисторов, диодов и т. д.) и в настоящее время выпускают аппаратуру на основе микроэлектронных функциональных узлов и блоков в интегральном исполнении. Развитие интегральной микроэлектроники привело также к тому, что в полевой электроразведочной аппаратуре в ряде случаев оказалось целесообразным вместо традиционных аналоговых способов обработки геофизических сигналов применять цифровые. Это наиболее эффективно достигается тем, что в состав полевой аппаратуры включаются микропроцессорные узлы и блоки и даже микроЭВМ без существенного увеличения габаритов, массы и потребления энергии источников питания. МикроЭВМ позволяет создавать станции, выполненные в виде аг- регатироваппых информационно-измерительных комплексов электроразведочной техники (АКЭТ), предназначенных для измерений многих электроразведочных параметров.
В учебнике рассматриваются практически все виды отечественной электроразведочной аппаратуры, выпущенной серийно (или достаточно большими опытными партиями) после 1970 г. Аппаратура раппих разработок подробно описана в первом издании этого учебника и других источниках.
Приведенные виды серийной аппаратуры объединены в пять основных классов по признакам близости измеряемых параметров, видам принимаемых и измеряемых сигналов и общности 1» 3
структурных и функциональных схем. К первому классу относится аппаратура, с помощью которой выполняются электро- разведочные измерения постоянных и очень медленно изменяющихся электрических полей. Ко второму классу отнесена аппаратура для проведения измерении нестационарных электро- Магнитных полем. Третий класс включает аппаратуру для измерений электромагнитных полей звуковых и инфразвуковых частот, а четвертый — для измерений полей радиочастот. К пятому классу относится аппаратура для регистрации естественных электромагнитных полей Земли, изменяющихся по случайным законам.
Сложность принципиальных схем современной электрораз- всдочной аппаратуры, выполненной па интегральных компонентах, столь велика, что даже в заводских инструкциях и описаниях аппаратуры приводятся лишь функциональные схемы. Эго вполне оправдало и с позиций пояснения принципов работы аппаратуры, и’ с позиций ее проверки и проведения ремонтных работ, так как интегральные схемы невозможно ремонтировать, их приходится заменять исправными. В связи с этим в учебнике при описании аппаратуры приводятся, как правило, лишь функциональные схемы и подробно рассматриваются принципы работы отдельных функциональных узлов
в целом.
ГЛАВА I
ЗЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНЫЙ ИНФОРМАЦИОННО
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КАНАЛ
Электроразведочиый информационно-измерительный канал состоит из источников электромагнитного поля, возбуждаемого в Земле, измерителей параметров этого поля и устройств обработки информации.
5 I. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ
Информация об основных электрических свойствах горных пород и руд, слагающих геоэлектрический разрез, может быть получена по результатам электроразвсдочньтх измерений, выполненных па поверхности земли, в воздухе или горных выработках (скважинах, шахтах). Для каждого конкретного района существует определенная взаимосвязь между геологическими характеристиками горных пород (петрографическим составом, структурой, текстурой и т. п.) и их электрическими свойствами (удельным электрическим сопротивлением, электрохимической активностью, диэлектрической и магнитной про- ницаемостями), поэтому по результатам электроразведочных исследований удается с достаточно большой вероятностью установить геологическое строение изучаемого района или выделить локальные неоднородности, с которыми могут быть связаны месторождения полезных ископаемых.
С помощью электроразведки изучаются действующие в Земле электромагнитные поля, информационные параметры которых — напряженность, градиент напряженности, потенциал, скорость распространения электромагнитных волн и т. д.— вполне однозначно связаны с электрическими свойствами горных пород, характеризующими область действия этих электромагнитных полей. При проведении измерений электромагнитные поля преобразуются с помощью входных преобразователей (расположенных на поверхности земли, в воздухе или горных выработках) в электрические сигналы, которые затем усиливаются, преобразуются и регистрируются. Электромагнитные поля могут возбуждаться вследствие различных естественных электромагнитных процессов или протекания тока в промышленных энергоустановках (рис. J).
Естественные электромагнитные процессы, происходящие в глубинах Земли, в магнитосфере, ионосфере и тропосфере, служат источниками достаточно сильных электромагнитных полей (например, напряженность горизонтальных компонент электрического поля на поверхности земли в периоды магнитных бурь может достигать сотен микровольт на 1 м)
Рис. 1. Основные источники естественных и искусственных электромагнитных полей
с широким частотным спектром — начиная от тысячных долей герца до десятков мегагерц (с хорошо выраженными максимумами и минимумами, обусловленными резонансными свойствами магнитосферы и фильтрующими действиями волноводных каналов «поверхность земли — ионосферные слои»).
Окислительно-восстановительные процессы, протекающие в обводненных горных породах, и процессы фильтрации (просачивания) грунтовых вод через горные породы порождают постоянные электрические поля с напряженностью до десятков милливольт на 1 м.
Искусственные электрические поля большой напряженности возникают в результате производственной деятельности человека: радио- и телевизионные станции, радиолокаторы, электрифицированные железные дороги, линии телефонно-телеграфной связи, линии электропередачи, системы зажигания в двигателях внутреннего сгорания, электродвигатели и т. д.— эти устройства и системы излучают электромагнитные поля или возбуждают в Земле индустриальные блуждающие токи.
К особой группе источников поля относятся элсктроразве- дочпые генераторные станции — источники, используемые нс-
следователем и включающие в себя возбудитель электромагнитных полей (расположенный на поверхности земли, в воздухе пли горной выработке) и электроразведочное генераторное устройство, подключенное к возбудителю.
Основная особенность естественных источников электромаг- вит1Гых полей заключается в невозможности точно предсказать заранее закономерности изменения во времени и пространстве токов, порождающих эти поля, что затрудняет использование информационных электроразведочпых параметров для получения точных сведений об электрических свойствах горных пород изучаемого района. Исключение составляют только естественные поля в Земле, обусловленные электрохимическими и фильтрационными процессами, источники которых практически нс изменяют своего положения в пространстве и интенсивности во времени.
Несмотря на это, изучение таких электромагнитных нолей имеет одно важное преимущество: для их возбуждения не надо применять специальное генераторное устройство, что резко снижает энергозатраты на выполнение электроразведочных работ. Кроме того, некоторые источники, например магнитотеллурнче- ского поля, значительно удалены от точек измерений, электромагнитные волны от них проникают в Землю на большие глубины, поэтому по измерениям параметров таких полей можно получить информацию о глубинном строении Земли. При этом напряженность магнитотеллурического пиля оказывается достаточно большой и уверенно измеряется Существующими измерительными устройствами.
Для получения информации о свойствах пород на тех же глубинах при использовании искусственно возбуждаемых полей генераторное устройство должно располагаться ла расстоянии в несколько десятков—сотен километров, от измерительного устройства, а ток в возбудителе поля размером в десятки— сотни километров должен составлять десятки килоампер, что можно выполнить лишь при использовании МГДтенсраторов или высоковольтных ЛЭП постоянного тока.
Существуют методы электроразведки, с помощью которых информация о строении изучаемого гсоэлектричсского разреза получается путем измерений параметров электро- и магнитотеллурического и электрохимического нолей, полей дальних грозовых разрядов, радиостанций и т. п. Полученная информация обрабатывается с помощью устройства обработки, в состав которого, как правило, входит ЭВМ, а результаты затем интерпретируются геофизиками-интерпретаторами. Конечный результат исследовании выражается в построении ниболее вероятных геологических разрезов исследуемого района.
Каждый из информационных параметров электромагнитных полей содержит разные сведения о свойствах изучаемого гео- электрического разреза, поэтому в зависимости от поставленной задачи в каждом конкретном случае следует выбирать
наиболее оптимальный тип возбудителя и входного преобразователя электромагнитных полей, используя установленные теоретически и экспериментально связи между тем млн иным информационным параметром и особенностями строения разреза.
Все рассмотренные естественные электромагнитные поля являются помехами при измерениях искусственно возбуждаемых электромагнитных нолей, так как на входные преобразователи измерительного устройства воздействует совокупность всех полей — как подлежащих, так и не подлежащих измерениям. Особенно большую интенсивность вблизи действующих энергоустановок имеют импульсные поля-помехи, обусловленные утечками индустриальных токов (блуждающими токами). Обычно такие импульсы тока имеют длительность в единицы—десятки секунд и следуют друг за другом со случайными интервалами.
В связи с этим в электроразведочный информационно-измерительный канал обязательно должны быть включены средства, позволяющие подавлять помехи или отделять от них полезный сигнал. К таким средствам относятся различные частотные или временные фильтры, корреляторы, компенсаторы, естественного поля и т. и.
Информационно-измерительный канал должен позволять выполнять как абсолютные, так и относительные измерения параметров электрических сигналов, поступающих «а вход измерительного устройства со входных преобразователей поля. При абсолютных измерениях определяется абсолютное значение параметров: потенциал естественного (электрохимического) поля или ноля вызванной поляризации (ВП), напряженность ноля заданной электрической или магнитной компоненты.
Абсолютные измерения наиболее широко используются в методах сопротивлений (электропрофилировапие, вертикальное электрическое зондирование). При этом сигнал на выходе входного преобразователя зависит не только от удельного сопротивления изучаемой среды и тока, возбуждающего поле, во и от геометрических размеров возбудителя (питающей линии АВ) и входного преобразователя (приемной линии ММ), их взаимного расположения, рельефа поверхности изучаемого участка земли. Ошибки при разбивке топографической сети, по которой в методах сопротивлений располагаются питающие и приемные линии, обычно составляют 2—3 %, поэтому при абсолютных измерениях электрического поля (даже при использовании высокоточных измерительных устройств) погрешность определения удельного электрического сопротивления не может быть меньше 2-3%.
При относительных измерениях устанавливается отношение абсолютных значении информационных параметров электромагнитных полей или разность нормированных величин этих параметров: отношение напряженностей электрического и магнитного полей, вертикальной и горизонтальной составляющих поля, фазовых сдвигов или разностей времен запаздыва-
пия сигналов нескольких частот в точке расположения входного преобразователя поля. Как правило, относительные измерения выполнять сложнее, чем абсолютные. Однако именно относительные измерения чаще применяются в современной электроразведке, так как погрешность в данном случае в несколько раз меньше, чем при абсолютных измерениях, а на обработку результатов полевых наблюдений требуется гораздо меньше времени.
Относительные измерения широко используются в методах электро- и магнитотеллурического поля, а также в методе вызванной поляризации. Так, в методах магнитотеллурического ноля исходным интерпретационным параметром считают импеданс среды, определяемый как отношение измеренных в одной и той же точке горизонтальных компонент соответственно электрического Ех (или Е^ и магнитного Ну (или Нж) полей. Этот параметр зависит от распределения удельного сопротивления пород изучаемой среды, частоты изменения поля и практически нс связан с изменением интенсивности возбуждающего источника.
Относительные измерения используются в методе вызванной поляризации. Коэффициент поляризуемости в этом методе определяется как отношение напряженности электрического поля ВП к напряженности первичного электрического поля в среде (во время пропускания тока). При этом напряженность как первичного, так и поля ВП зависит не только от свойств среды, но и от геометрии измерительной установки (длин питающей и приемной линий, их взаимного положения); отношение же указанных величин не связано с геометрией измерительной установки, и поэтому погрешности, вызванные неточной разбивкой измерительной сети, ие изменяют величины коэффициента поляризуемости.
Если ВП измеряется на переменном токе, то абсолютное значение фазового угла (времени запаздывания) электрического или магнитного поля для фиксированной частоты в точке наблюдения определяется как поляризуемостью среды (токами ВП в горных породах), так и се проводимостью (вихревыми токами в горных породах).
Относительный же фазовый сдвиг между сигналами для двух близких частот (разность времен запаздывания) в точке измерений зависит только от поляризуемости среды и при нулевом ее значении равен нулю.
При измерениях полей грозовых разрядов или удаленных радиостанций обычно определяют отношение напряженности вторичного электромагнитного ноля (вертикальной составляющей магнитного или горизонтальной составляющей электрического поля) к напряженности первичного поля (горизонтальной составляющей магнитного или вертикальной составляющей электрического поля), что в значительной степени упрощает процесс измерений и повышает их точность.
Относительные измерения иногда проводят путем расположения одного входного преобразователя за пределами района съемки (в базисной точке), а другого входного преобразователя— на участке съемки (в полевой точке) и определения отношения сигналов на выходах этих преобразователей. Полученный таким образом параметр характеризует изменение электрических свойств изучаемого участка по отношению к электрическим свойствам участка, где расположена базисная точка, и свободен от влияния колебаний тока в источнике поля. Такой способ относительных измерений информационных элек- троразведочных параметров применяется в методе теллурических токов, а также при геологическом картировании с использованием полей индустриальных блуждающих токов.
Следовательно, выбрав несколько информационных параметров электромагнитного поля и выполнив относительные измерения, можно исключить нежелательную зависимость каждого из этих параметров от самых разнообразных мешающих факторов и тем самым повысить точность определения интерпретационных параметров.
ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ
СХЕМА АППАРАТУРЫ
Электроразведочная аппаратура для исследования искусственных электромагнитных полей состоит из генераторного устройства, подключенного к возбудителю поля, и измерительного устройства, соединенного с входными преобразователями электромагнитных полей. В состав аппаратуры могут входить также устройства обработки информации на базе микропроцессоров или микроЭВМ.
Генераторное устройство (рис. 2, а) предназначено для генерирования постоянного или переменного тока с регулируемой амплитудой и заданным спектром. К выходу генератора подключается возбудитель электромагнитного поля — пезаземлен- пая петля (рамка, магнитная антенна) или связанная с землей через систему гальванических (емкостных) электродов питающая линия (электрическая антенна). Под действием пропускаемого через возбудитель электрического тока и окружающей среде возникает электромагнитное поле, содержащее информацию о характере изучаемого гсоэлектрического разреза.
Вид возбуждаемого поля, его спектр и интенсивность определяются формой и амплитудой тока, пропускаемого через возбудитель поля, подключаемый к выходным клеммам А и В генераторного устройства. В свою очередь, форма тока зависит от формы сигналов, вырабатываемых формирователем управляющих сигналов и усиливаемых усилителем мощности. В много- частотной аппаратуре формирование управляющих сигналов заданной формы (спектра) наиболее часто осуществляется путем сложения, вычитания, умножения или деления частот несколь- 10
66aaРис. 2. Обобщенные структурные схемы генераторного (а) и измерительного (б) устройств электроразведочной аппаратурыРис. 2. Обобщенные структурные схемы генераторного (а) и измерительного (б) устройств электроразведочной аппаратуры
6
6
a
a
Рис. 2. Обобщенные структурные схемы генераторного (а) и измерительного (б) устройств электроразведочной аппаратуры
Рис. 2. Обобщенные структурные схемы генераторного (а) и измерительного (б) устройств электроразведочной аппаратуры
ких соответствующим образом подобранных последовательностей импульсов прямоугольной формы.
Алгоритм работы формирователя управляющих сигналов задается либо с помощью аппаратных средств (микросхем, жестко соединенных между собой в процессе изготовления устройства и не позволяющих вносить значительные изменения в этот алгоритм в процессе эксплуатации устройства), либо путем программного обеспечения при использовании микропроцессоров или микроЭВМ. В последнем случае алгоритм работы можно существенно и многократно изменять, что является достоинством программного метода, особенно при построении многофункциональных генераторных устройств. Однако применение аппаратных средств позволяет увеличивать быстродействие; обеспечивает простоту построения формирователя управляющих
сигналов и поэтому наиболее часто используется в специализированных генераторных устройствах.
Как правило, в состав генераторного устройства входит стабилизатор тока, соединенный с усилителем мощности к предназначенный для стабилизации тока, пропускаемого через возбудитель электромагнитного поля тока, что необходимо при изменениях во времени параметров этого возбудителя (например, при увеличении сопротивления заземлений под действием проходящего, через них тока) или напряжения Un источника первичного питания.
Контроль амплитуды постоянного тока или амплитуд и начальных фаз полезных спектральных составляющих многочастотного переменного тока осуществляется с помощью блока измерения и передачи опорных сигналов. Этот блок подключается в зависимости от назначения генераторного устройства либо к выходу эталонного резистора Кш, соединенного последовательно с выходной цепью усилителя мощности, либо к вспомогательным выходам усилителя мощности или формирователя управляющих сигналов. Стабилизатор тока обычно включают последовательно между источником питания Ь;п и усилителем мощности. В тех случаях, когда усилитель мощности выполнен на тринисторах, для коммутации которых используются реактивные элементы (дроссели и конденсаторы), часть стабилизированного тока поступает не в возбудитель электромагнитного поля, а протекает через коммутирующие элементы усилителя мощности.
При изменениях параметров коммутирующих реактивных элементов и активного сопротивления возбудителя электромагнитного поля (например, вследствие подсыхания почвы вблизи заземляющих электродов) изменяется и соотношение величин токов, протекающих через возбудитель и реактивные коммутирующие элементы. В связи с этим амплитуды и особенно начальные фазы полезных спектральных составляющих многоча- стотпого тока, пропускаемого через возбудитель, не остаются постоянными, а изменяются во времени. Для учета этих изменений с помощью блока измерения и передачи опорного сигнала регистрируются амплитуды и начальные фазы спектральных составляющих тока па эталонном резисторе /<щ, включенном последовательно с возбудителем электромагнитного поля. Градуировка блока измерений и передачи опорного сигнала проводится импульсами строго прямоугольной формы и стабильной амплитуды, подаваемыми со вспомогательного выхода формирователя управляющих сигналов или специального калибратора.
В более сложных по конструкции генераторных устройствах используется цепь обратной связи с выхода эталонного резистора Яш через блок измерения и передачи опорных сигналов па вход управления стабилизатора тока. Эта цепь позволяет с высокой степенью точности поддерживать постоянными амп-
литуду и форму тока, протекающего непосредственно через возбудитель электромагнитного поля. Иногда выход стабилизатора тока соединяют с входом управления источника питания 17ш например с обмоткой возбуждения мощного генератора постоянного тока, осуществляя стабилизацию тока путем изменения ип.
В состав блока измерения и передачи опорных сигналов входит канал проводной, оптической или радиосвязи, используемый для синхронизации работы генератора и измерителей сигналов, а также для разделения активных и реактивных составляющих, компенсации первичного поля, измерения фазовых сдвигов и т. д. Этот канал обязательно должен быть гальванически развязан от целей питания генераторного устройства, усилителя мощности и эталонного резистора /?„,.
Питание генераторного устройства осуществляется от химических источников тока, аккумуляторов, дизельных и бензо- электрических агрегатов или мощных генераторов постоянного (переменного) тока с приводом от двигателя автомашины.
Измерительное устройство элсктроразведочиой аппаратуры (рис. 2, 6) предназначено для обработки и регистрации электрических сигналов, несущих информацию о характере изучаемого геоэлектрического разреза.
Заданные электрические компоненты электромагнитного поля в электрический сигнал преобразуются с помощью приемных линий, связанных с изучаемой средой заземляющими или емкостными электродами, либо электрических антенн. Входные преобразователи магнитного ноля выполняются в виде незазем- ленных петель, рамок, магнитоивдукционных датчиков или магнитометров (статических, феррозондовых, протонных и т. д.). С входных преобразователей (приемников поля) электрические сигналы поступают па входные клеммы М и N измерительного устройства.
В блоке первичной обработки сигналов происходят согласование выходных сопротивлений приемников поля с входными сопротивлениями предварительных усилителей, компенсация сигналов естественного поля, собственной поляризации электродов, отдельных составляющих принятых сигналов, усиление или ослабление амплитуд, преобразование частот сигналов, модуляция и т. д.
В блоке основной обработки сигналы усиливаются до заданного уровня, подвергаются частотной или временной селекции от мешающих сигналов и помех и т. п. Основные информационные параметры преобразованных сигналов (амплитуды, фазы, отношения амплитуд, длительности импульсов и т. л.) выделяются и измеряются в блоке выходных преобразователей, сигнал на выходе которых выдается в форме, удобной для последующего отображения или регистрации.
Алгоритм работы измерительного устройства задается блоком управления и регистрации с помощью аппаратных средств
либо путем программного обеспечения с использованием микропроцессоров или микроЭВМ. Выходы блока управления и регистрации соединены с управляющими входами входных преобразователей, блоков первичной и основной обработки сигналов, блока выходных преобразователей и блока калибровки. Блок управления и регистрации имеет также несколько информационных выходов, соединенных с выходами блока формирования опорных сигналов и блока выходных преобразователей.
Блок формирования опорных сигналов может быть автономным, с использованием электронных кварцевых часов, которые должны быть синхронизированы с электронными кварцевыми часами, входящими в состав формирователя управляющих сигналов генераторного устройства, либо соединенным через канал связи с выходом блока измерения и передачи опорных сигналов от генераторного устройства.
Блок калибровки служит для градуировки измерительного устройства. Обычно используется один из трех способов градуировки путем подачи градуировочного сигнала: в дополнительную обмотку входных преобразователей магнитного поля, последовательно с выходом входных преобразователей либо непосредственно на входные клеммы М, N (при отключенных от этих клемм входных преобразователях). Измерительное устройство получает питание от химических источников тока или аккумуляторов.
В процессе возбуждения и измерения электромагнитных полей с помощью электроразведочной аппаратуры выполняется целый ряд преобразований сигналов: 1) генерирование напряжений заданных частот; 2) формирование напряжений заданной формы (спектра); 3) усиление интенсивности; 4) дискретизация аналоговых непрерывных сигналов и преобразование их в цифровые годы; 5) трансформация (перенос) спектров сигналов путем модуляции и детектирования; 6) изменение длительности сигналов и масштаба времени их существования; 7) фильтрация (частотное или временное избирательное выделение либо подавление отдельных составляющих сигналов в аналоговой или цифровой формах); 8) корреляционная (автокорреляционная 11 взаимокоррелящюнная) обработка сигналов (в аналоговой пли цифровой форме); 9) математические преобразования в аналоговой пли цифровой формах (сложение и вычитание, умножение и деление, возведение в степень и извлечение корней, интегрирование и дифференцирование, лога- рифмированпе и потенцирование); 10) логические преобразования цифровых сигналов (сложение, умножение, отрицание и их различные комбинации); 11) измерение параметров сигналов (амплитуды, частоты, фазы, времени запаздывания, длительности, времени появления и т. д.); 12) преобразование цифровых сигналов в аналоговую форму; 13) запоминание (запись, задержка) сигналов на заданное время п воспроизведение их; 14) отображение сигналов (преобразование в форму, удобную 14
для восприятия человеком); 15) передача сигналов в пространстве (оптическая, акустическая, электрическая и радиосвязь).
Операции, проводимые с электроразведочпыми сигналами, • стандартны, что позволяет выполнять электроразведочпую аппаратуру целиком на типовых функциональных элементах и узлах.
Серийный выпуск малогабаритных и сравнительно дешевых микропроцессоров и микроЭВМ дал возможность приступить к созданию универсальных геофизических информационло-из- мерительпых комплексов, с помощью которых будут проводиться не только одновременные измерения многих компонентов электромагнитного поля. но и полная обработка сигналов и геологическая интерпретация непосредственно в полевых условиях.
ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АППАРАТУРЫ
Современная электронная измерительная аппаратура позволяет проводить измерения абсолютных значений параметров электрических сигналов с очень высокой точностью. В частности, напряжения могут регистрироваться от единиц нановольт до нескольких десятков тысяч вольт с погрешностью до тысячных долей процента в широком частотном диапазоне'—от постоянных и очень медленно изменяющихся напряжений до напряжений с частотами в тысячи мегагерц. Минимальная сила токов, измеряемых в том же частотном диапазоне и с той же погрешностью, достигает десятых долей наноампера. Фазовый сдвиг в диапазоне инфразвуковых и звуковых частот может регистрироваться с погрешностью в единицы секунд, а в ультразвуковом и радиочастотном диапазонах — в единицы минут, Погрешность измерения времени запаздывания сигналов в наиболее совершенных видах аппаратуры ис превышает нескольких наносекунд.
Однако это вовсе не означает, чти электроразведочная аппаратура должна быть столь же высокоточной. В полевых условиях чрезвычайно сложно (а часто и лет необходимости) применять прецизионную аппаратуру с такой низкой погрешностью, ибо геологические помехи, неточности ориентации возбудителей н приемников электромагнитного поля, нарушение геометрии установки, неточности определения расстояний, электромагнитные помехи и т. п. могут быть столь значительными, что результирующая погрешность измерений будет очень большой. В связи с этим в электроразведке стремятся снижать уровень указанных погрешностей различными методическими приемами и выполнением относительных измерений величии, непосредственно связанных с электромагнитными параметрами среды (кажущимся сопротивлением, кажущейся поляризуемостью, отношением электрических компонент к магнитным — импедаи-
сов среды, отношением реактивной составляющей к активной, углом наклона эллипса поляризации, временем запаздывания между сигналами двух частот и т. п.).
С помощью электроразведочной аппаратуры можно измерять амплитуды и фазы сигналов со следующими погрешностями: I) ±2 % в методах постоянного тока; 2) ±1 % при амплитудных и ±0,03° при фазовых измерениях в методах, использующих искусственные переменные низкочастотные электромагнитные поля; 3) ±2% в методах нестационарных электромагнитных нолей (методах переходных процессов); 4) ±3 % в радиочастотных и радиоволновых методах; 5) ±3 % в методах, использующих естественные электромагнитные поля.
Указанные погрешности обеспечиваются при напряженностях электромагнитного поля не менее: 1) 50—100 мкВ/м в методах постоянного тока; 2) 5—10 мкВ/м в методах низкочастотных переменных токов; 3) 20—50 мкВ/м в методах переходных процессов; 4) 3—5 мкВ/м в радиочастотных методах.
ГЛАВА II.
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ И БЛОКИ
ТИПОВОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНОЙ АППАРАТУРЫ
ВОЗБУДИТЕЛИ ИСКУССТВЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Возбудителями (источниками) искусственных электромагнитных полей могут служить генераторная рамка, генераторная петля, заземленная питающая линия, магнитная и электрическая антенны.
Генераторная рамка представляет собой возбудитель жесткой конструкции с неизменяемой формой, состоит из неза- земленных витков провода и предназначена для преобразования питающего тока в электромагнитное поле. Если рамка имеет сердечник из ферромагнитного материала, то ее называют магнитной в отличие от воздушной генераторной рамки, не имеющей такого сердечника. Основным параметром, характеризующим генераторную рамку, является ее эффективная площадь Sr, определяемая как произведение площади среднего витка рамки на число витков и эффективную магнитную проницаемость сердечника (для магнитной рамки). Переносные генераторные рамки чаще всего выполняются без сердечников и имеют эффективную площадь около 100—500 м2 при массе до 15 кг. Перевозимые рамки, устанавливаемые па автомашинах, судах, самолетах и вертолетах, имеют эффективную площадь в пределах 400—1000 м2 при массе 20--70 кг.
Если расстояние между генераторной рамкой, обтекаемой током, и точками, в которых исследуется поле, намного превышает размеры рамки, то ноле последней совпадает с полем Магнитного диполя, ось которого перпендикулярна к плоскости питков рамки. Основным параметром магнитного диполя является его момент
Ми^18г = 1п5,
где / — ток; S — площадь среднего витка рамки; п— число витков.
К основным эксплуатационным параметрам генераторной рамки относятся ее масса Р (кг), диаметр D (м) и рассеиваемая мощность W (Вт). На низких частотах сопротивление генераторной рамки можно полагать равным сопротивлению R ее намоточного провода на постоянном токе. В этом случае
W = PR = 4DpPnld, где d-- диаметр намоточного провода; р — его удельное сопротивление.
Если масса провода генераторной рамки'
Р — nD (nda/4) п^ — лЧИЧитМ, то момент диполя определяется выражением
4 V ро
где 6 — удельная плотность намоточного провода, кг/м3.
Генераторные петли выполняют из гибкого провода, форма их может быть выбрана произвольной, а эффективная площадь изменяется в пределах 4-102—10s м2.
На практике используются питающие линии длиной от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков километров. Электрический момент заземленной линии
Ms - II = UJKR + R3) = Un [(lAfy) + (%//)]-1,
где Utt — напряжение источника питания; R — сопротивление кабеля; у—проводимость материала кабеля; I— длина кабеля; Rs — сопротивление заземления; р—площадь поперечного сечения кабеля.
Учитывая, что масса кабеля пропорциональна его длине, сечению и удельной плотности р материала, получаем:
M^-uiwtwr1.
Из этого выражения следует, что при фиксированных напряжениях питания, массе кабеля и сопротивлении заземления сечение кабеля можно выбрать таким, что момент Л4Я будет максимальным. Это сечение
Чтах =- VPIR»^.
Сопротивление линии в этом случае
Rmax ~ РР$<1тах —Ra-
Условие максимального момента совпадает с условием максимальной мощности излучения в линии. Величина согласованного момента
Матах ' ^mJ2R3 = U/2 М>) (у/р) -
Из изложенного следует, что для создания питающих линий удобно иметь кабель (провод) небольшого сечения в виде отдельных катушек или бухт. В зависимости от величины сопротивления заземлений следует подбирать такое число параллельных проводов, чтобы сопротивление линии было близко к со- противленшо заземлений.
Помимо рассмотренных возбудителей, которые применяются в методах постоянного тока и низкочастотных индуктивных, в радиоволновых методах электроразведки (диапазон частот от десятков килогерц до сотен мегагерц) используются магнитные и электрические передающие антенны. Антенны, 18
состоящие из разомкнутых отрезков проводов (или одного провода), называются электрическими, а из замкнутых витков проводов—рамочными или магнитными.
В зависимости от соотношения длин проводов, составляющих электрическую антенну, различают симметричные (дипольные) и несимметричные антенны. Частным случаем последней может служить штыревая антенна, у которой второй провод заменен системой заземлений, причем «землей» в переносной аппаратуре обычно служит корпус передающего устройства.
К основным параметрам антенн относятся их входное сопротивление, диаграмма направленности и действующая высота. Важным параметром является также сопротивление излучения, определяемое отношением излучаемой мощности к квадрату величины тока, протекающего в антенне.
Входное сопротивление (импеданс) симметричной дипольной антенны состоит нз активной и реактивной частей. Активная часть входного сопротивления ра называется средним волновым сопротивлением антенны и определяется следующим соотношением:
p:, = (Z0/n)[ln(4M)-l],
где Zq — волновое сопротивление среды, вычисляемое как отношение напряженностей электрического и магнитного полей плоской волны в данной среде; /—половина длины антенны; d — диаметр провода.
Диаграмма направленности антенны характеризует относительное изменение напряженности поля в волновой зоне (вдали от антенны) в определенной плоскости на одинаковом расстоянии от антенны. Для диполя в однородной среде диаграмма направленности определяется множителем sin В, где 0- угол между лучом, соединяющим точку измерений с диполем, и направлением момента диполя.
Действующей высотой передающего диполя называют высоту диполя, эквивалентного реальному, но имеющего равномерное распределение тока:
1д-№ tg(W2),
где к— волновое число среды.
Периметр и площадь рамочных антенн обычно малы, и их поле практически всегда можно рассматривать как поле диполя, момент которого направлен перпендикулярно к плоскости рамки. Распределение тока вдоль проводов рамки всегда можно считать равномерным, так как размеры рамки намного меньше длины волны.
Диаграмма направленности излучающей рамки в случае однородной среды, как и для электрического диполя, теоретически должна иметь вид в плоскости рамки — круга, а в плоскости, перпендикулярной к рамке,—«восьмерки». В реальной антенне условием получения теоретической диаграммы направ-
ленности является симметрия сторон рамки относительно «земли». Такая симметрия достигается применением Электростатических экранов со щелью, обеспечивающих равенство емкостей всех частей рамки по отношению к «земле».
Выбор того или иного типа антенн зависит от решаемых задач и относительной эффективности антенн, В частности, обязательно нужно учитывать поляризацию возбуждающего поля и необходимость измерения электрической или магнитной со- ставляюшей. Так, в вертикальных скважинах создать поле с горизонтальной поляризацией электрического вектора практически возможно только с помощью вертикального магнитного диполя, следовательно, в этом случае необходимо применять передающие магнитные антенны, несмотря на их меньшую эффективность ио сравнению с электрическими.
ГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА
В методах электроразведки, основанных на постоянном токе, электрическое поле возбуждается импульсами постоянного тока большой длительности с периодом десятки—сотни секунд. При этом используются как знакопеременные импульсы с паузами или без них- (рис. 3, а, в), так и однополярные с периодом Т (см. рис. 3, бу Такой же формы импульсами возбуждается электромагнитное поло в методах, основанных на переходных (нестационарных) процессах. При проведении амплитудно-фазовых исследовании в диапазоне инфразвуковых и звуковых частот электромагнитное -поле возбуждается, как правило, знакопеременным током прямоугольной (ем. рис. 3, а) или квазисииусоидальной формы (при ступенчатом изменении его амплитуды, см. рис. 3, ду либо при широтно-импульсной его модуляции по синусоидальному закону (см. рис. 3, еУ При многочастотных параллельных амплитудно-фазовых исследованиях электромагнитное поле возбуждается током прямоугольной формы со значительным числом переключений полярности за период. В частности, на рис. 3, ж приведена форма двухчастотного питающего тока (с примерно одинаковыми амплитудами первой и пятой гармоник, при весьма малых амплитудах третьей, седьмой и девятой гармоник).
На ультразвуковых и радиочастотах в генераторных устройствах используются резонансные цепи, настроенные на основную гармонику тока прямоугольной формы, вследствие чего ток в излучателе электромагнитного ноля (антенне) имеет практи чески синусоидальную форму. Генераторные устройства современной Электроразвсдочной аппаратуры обычно работают на очень стабильных, строго фиксированных частотах, хотя в некоторых случаях для снятия амплитудно фазово-частотных характеристик используются генераторы с плавно изменяемой частотой.
Мощность генераторных устройств, в зависимости от назиа-
чения, может составлять от десятых долей ватта до нескольких десятков киловатт.
В генераторном устройстве имеется пять основных блоков: задающий генератор, формирователь управляющих сигналов, усилитель мощности, подключенный к возбудителю электромагнитного поля, блок передачи синхронизирующих и опорных сигналов и источник питания, состоящий из первичного источника питания, конвертора, стабилизаторов тока и напряжения.
Задающие генераторы
Задающие генераторы в современной электроразведоч- пой аппаратуре, работающей на фиксированных рабочих частотах, выполняются да основе кварцевых резонаторов, что обеспечивает высокую стабильность частоты генерируемых колебаний (не менее 10~8 при изменении температуры на 1 °C). Необходимость в высокой стабильности частоты обусловлена применением в измерительных устройствах узкополосных избирательных (селектипных) усилителей, настроенных на фиксированные рабочие частоты.
Обычно применяют кварцевые резонаторы с частотами от
Импульсы: <т — знакопеременные без пауз, 6 — однополярные, а— разнополярные С паузами, г •- синусоидальной формы, <7 — квазисииусоидалыюй формы, е — ши- ротно-импульсио-модулированные, ^ - двухчасттпый питающий токИмпульсы: <т — знакопеременные без пауз, 6 — однополярные, а— разнополярные С паузами, г •- синусоидальной формы, <7 — квазисииусоидалыюй формы, е — ши- ротно-импульсио-модулированные, ^ - двухчасттпый питающий ток10—20 кГц до 20—30 МГц. На более низких и высоких частотах резонаторы не обладают достаточной для полевой аппаратуры механической прочностью. В связи с этим напряжения с частотами ниже 10—20 кГц получают путем деления, а выше' 20—30 МГц — путем умножения частоты задающего генератора ло нужного значения рабочей частоты.
Импульсы: <т — знакопеременные без пауз, 6 — однополярные, а— разнополярные С паузами, г •- синусоидальной формы, <7 — квазисииусоидалыюй формы, е — ши- ротно-импульсио-модулированные, ^ - двухчасттпый питающий ток
Импульсы: <т — знакопеременные без пауз, 6 — однополярные, а— разнополярные С паузами, г •- синусоидальной формы, <7 — квазисииусоидалыюй формы, е — ши- ротно-импульсио-модулированные, ^ - двухчасттпый питающий ток
Для генерирования частот в диапазоне сотен килогерц — десятков мегагерц применяют задающие генераторы, собранные по стандартной схеме с емкостной обратной связью и кварцевыми
2t
резонаторами, используемыми как высокодобротная эквивалентная индуктивность. Генераторы, работающие в диапазоне от десятков до сотен килогерц, часто выполняются на основе операционных усилителей.
Генераторы с рабочими частотами в единицы—десятки килогерц иногда выполняются на основе мультивибраторов, частота автоколебаний которых стабилизируется кварцевыми резонаторами. Задающий генератор, выполненный па основе мультивибратора, генерирует напряжение прямоугольной формы. Это удобно в случае генератора низких частот, когда "частоту генерируемых колебаний необходимо делить в заданное число раз. Если используются триггерные делители частоты с коэффициентом деления 2, то на выходе, делителя, состоящего из N триггеров, будет иметься напряжение прямоугольной формы с частотой в 2jV раз меньшей, чем исходная fo. В некоторых схемах задающих генераторов используются делители частоты с дискретно регулируемыми коэффициентами деления (например, 2—11 и т. д.), что позволяет получать целый ряд напряжений со строго кратными (квазикогерентпыми) и достаточно близкими частотами.
Еслн рабочая частота ^ должна быть выше исходной генерируемой частоты /0 в целое число раз, например /i = mfu, то синусоидальное напряжение, генерируемое задающим генератором. подвергают нелинейному преобразованию. В результате этого в преобразованном напряжении появляются гармоники — напряжения с частотами, в 2—7 и т. д. раз большими исходной частоты /о- Любое из этих напряжений может быть выделено с помощью селективного усилителя, настроенного па заданную частоту. Однако при этом следует иметь в виду, что амплитуда гармоники уменьшается обратно пропорционально ос номеру. Например, в усиленном и ограниченном по амплитуде напряжении прямоугольной формы амплитуда третьей гармоники меньше амплитуды основной частоты в 3 раза.
Иногда необходимо иметь частоты, отличающиеся в некоторое дробное числи раз от исходной генерируемой частоты, например 1\=т(п(ц. Это может быть достигнуто путем применения триггерного делителя частоты в п раз и умножителя частоты в m раз.
Формирователи управляющих сигналов
Задающие генераторы имеют выходные напряжения синусоидальной или прямоугольной формы, которые могут быть непосредственно использованы для управления работой усилителя мощности. Эти управляющие напряжения позволяют получать в нагрузке лишь прямоугольный знакопеременный, пульсирующий или синусоидальный токи. Для получения токов другого вида необходимо применять специальные преобразователи, формирующие из синусоидального или прямоугольного напряжений управляющие сигналы заданной формы.
Рис. 4. Формирователь управляющих сигналов повышенной стабильностиРис. 4. Формирователь управляющих сигналов повышенной стабильностиРис. 5. Эпюры напряжений, поясняющие работу формирователя управляющих енгиалоп
Рис. 4. Формирователь управляющих сигналов повышенной стабильности
Рис. 4. Формирователь управляющих сигналов повышенной стабильности
На рис. 4 приводится функциональная схема формирователя, обеспечивающего управление усилителем мощности импульсами с паузами. Задающий генератор ЗГ вырабатывает колебания заданной частоты. Прямоугольные напряжения Ut и И/, снимаемые с противофазных плеч триггера ТЛ, подаются через дополнительные триггеры Тг2—Тг4, делящие их частоты в 2 и 4 раза, на входы схем совпадений 1 и 2 (см. рис. 4). При этом фазы напряжений Ua, U\, Ua (рис. 5) подобраны таким образом, что их полярности совпадают лишь на одной четверти периода. Вследствие этого па выходах схем совпадений появляются импульсы напряжений (7ВЫХ) и (/Вых2 лишь в моменты времени, обозначенные на рис. 5 символами « + ». Если этими импульсами управляется двухтактный усилитель мощности, то ток /(/) в сопротивлении нагрузки имеет заданный вид.
Длительность импульсов тока и пауз между ними в этом формирователе стабильна, поскольку время переключения триггеров мало (доли микросекунды) и практически не зависит от изменений напряжений источников питания и температуры окружающей среды.
Управляющие сигналы в многочастотных генераторных устройствах формируют путем суммирования или перемножения 23
нескольких напряжений прямоугольной формы с соответствующим образом подобранными частотами. Пусть необходимо в спектре управляющего сигнала иметь две составляющие с одинаковыми амплитудами и частотами он и шг. В силу известного тригонометрического выражения это может быть достигнуто как сложением, так и умножением двух напряжений:
П2 (0 = UT sin (0, t + U2 sin oV -2^^ sin ^±ti_) t X
Если суммируют напряжения прямоугольной формы, то суммарный сигнал содержит, наряду с полезными составляющими заданных частот (oi = tou/m и о)2 = б>о/п, их высокочастотные гармоники, которые могут располагаться вблизи верхней частоты с.)2 и затруднять измерение. Влияние этих гармоник можно устранить высокоселективными фильтрами, устанавливаемыми в измерительном устройстве, или подавить в формируемом спектре суммируемых сигналов.
Формирование двухчастотного управляющего сигнала может быть произведено также перемножением двух прямоугольных напряженки с соответствующим образом подобранными частотами. Например, если необходимо получить соотношение частот полезных составляющих равным 5, то должны перемножаться прямоугольные напряжения с частотами он и «2, определяемыми из решения уравнений:
Гох + гог — 5ш0;
Г02— (Ох -соо, откуда
tot — 2о)о; ш2 — Зсо0.
При этом вспомогательные делители частоты в формирователе должны иметь коэффициенты деления п = 2, т = 3. Сформированный таким образом сигнал имеет прямоугольную форму и спектр:
U (f) ■— -4^°- ^ -*- ^2 cos —^2 cos"-^ sin ntoQt =
л-1, з. г,
= —-^^-(sinoo/ |-O,2sin3oV I" l.lSsinStoof+O.OUsinTtoo^ + • • ■)• я
Перемножающие формирователи позволяют формировать широтно-импульсно-модулированные по синусоидальному закону управляющие сигналы. Пусть имеется два прямоугольных напряжения СМИ и О-ДЦ с близкими основными частотами, например Ш|=2400 рад/с и «>2 = 2401 рад/с. В результате их пе- 21
ремиожения имеем новый спектр частот:
1. Л16У1Уд
(sinmto2f) = х
у m/ п3
m«l. 3. 5 . . .
X ^sin о^ sin to2^ 4—^—sin 3(04 sin ro^ 4- • . ) =
= J^iz!^. [Cos (to2— (01) t—cos (<£>a ■ |- 63^ 14-
+~~- cos (3»!—to^t^-cos (3«>i 4-<OsV 4- . .
В этом спектре максимальные амплитуды А\ имеют сигналы с частотами (©а—Ш|) = 1 рад/с и (®2-+-<»|) —4801 рад/с, а вблизи них располагаются их третьи гармоники 3 (ю2±й)|) с амплитудами 1/9 Аь пятые 5 ((ог±<01) с амплитудами 1/25 At и т. д. В исходных прямоугольных напряжениях эти гармоники имели соответственно амплитуды Vs; Vs и т. д. от амплитуд основных сигналов Ut и U2. Если перемножить не два, а четыре прямоугольных напряжения с определенным образом подобранными частотами, то амплитуды третьих гармоник в результирующем сигнале будут составлять лишь 1/аь а пятых—'/625 от амплитуд основных сигналов. Таким образом, произошло формирование прямоугольного напряжения, в спектре которого основная энергия сосредоточена вблизи двух частот: низкой мп= 0)4—0)3—О>2—0)1 И ВЫСОКОЙ О)в = О)4 + (1)з + <О2 + й)|, Где ОМ>О)у>и)^ >й)|.
Усилители мощности инфразвукового и звукового диапазонов частот
Усилители мощности (инверторы) генераторных устройств современной электроразведочной аппаратуры инфразвукового диапазона частот выполняются на транзисторах или тиристорах и работают в режиме переключения.
При токах до 10 А и напряжениях до 800 В инверторы создаются на основе транзисторов. При больших токах в налря- /кениях применяются тиристорные (тринисторпые) инверторы.
Принципиальная схема транзисторного инвертора приведена па рис. 6. В исходном состоянии транзисторы VT1—VT4 закрыты и через комплексное сопротивление нагрузки Zn ток не протекает. При подаче управляющих напряжений Уь У/ одновременно на входы блоков управления 5/ и Б4 транзисторы
25
VT1 и VT4 открываются и через сопротивление нагрузки Zu начинает протекать ток, вызывая па' нем падение напряжения в полярности «плюс»—слева, «минус»—справа. Если действуют управляющие напряжения Ui и U^ на входах блоков Б2 и БЗ, то открыты транзисторы VT2, VT3 и в сопротивлении нагрузки ZH ток от источника Uu изменяет направление, создавая на нем падение напряжения: справа—«плюс», слева—«минус».
В низкочастотных инверторах, где время включения и выключения транзисторов может быть большим (десятки микро-
Рис. 6. Принципиальная схема транзисторного инвертора
Д базеД базеК эмиттеруК эмиттеру'Лап'ЛапРис. 7. Функциональные схемы блока управления транзисторами инвертора с использованием высокочастотного трансформатора (а) и оптронов (б)Рис. 7. Функциональные схемы блока управления транзисторами инвертора с использованием высокочастотного трансформатора (а) и оптронов (б)
Д базе
Д базе
К эмиттеру
К эмиттеру
'Лап
'Лап
Рис. 7. Функциональные схемы блока управления транзисторами инвертора с использованием высокочастотного трансформатора (а) и оптронов (б)
Рис. 7. Функциональные схемы блока управления транзисторами инвертора с использованием высокочастотного трансформатора (а) и оптронов (б)
секунд), блоки управления выполняются по схеме, приведенной на рис. 7, а. Сигнал управления Уу в этом случае представляет собой «пакет» прямоугольных импульсов с высокой частотой следования (десятки—сотни килогерц), имеющий огибающую прямоугольной формы. Высокочастотные импульсы проходят через трансформатор Т, выпрямляются выпрямителем и поступают на фильтр /?$ Сф, выделяющий огибающую высокочастотного сигнала управления. Полученный таким образом сигнал запуска ил№ имеет почти прямоугольную форму и подается на управляемый транзистор в открывающей полярности плюс на базу, минус на эмиттер. Величина напряжения этого сигнала должна быть значительно больше, чем напряжение источника GB смещения, запирающего через резистор R транзистор в исходном состоянии.
Управление высокочастотными транзисторными инверторами с минимальными временами включения и выключения осуществляется с помощью оптронов, позволяющих так же, как и трансформаторы, практически идеально гальванически отделить цепи управления от высоковольтных цепей инвертора. На рис. 7, б приведена упрощенная схема оптронного блока управления. В исходном состоянии па вход оптрона 2 подается сигнал выключения Овыкл-
При этом светодиод VD2 излучает интенсивный поток света и фоторезистор R2 имеет минимальное сопротивление. Вследствие этого напряжение управления транзистора является отрицательным и транзистор закрыт (за счет напряжения получаемого от батареи GB2),
При подаче напряжения 17Пил на оптрон 1 светодиод VD1 начинает излучать свет, сопротивление фоторезистора R1 резко уменьшается (от 107 до 10г Ом), батарея GB1 подключается плюсом к базе, а минусом к эмиттеру управляемого транзистора и открывает его. Быстродействие этой схемы управления зависит от постоянной времени срабатывания оптрона и может быть большим, обеспечивая в сопротивлении нагрузки ток прямоугольной формы с фронтами его нарастания и спадания в единицы микросекунд.
Принципиальная схема тиристорного инвертора, вырабатывающего ток силой до 15 А при напряжении до 600 В, приведена на рис. 8, а. В исходном состоянии при отсутствии управляющих импульсов на входах тиристоры тока не проводят. Если подать импульс запуска ^n^i (см. рис. 8, б), через1 трансформатор 7/, ю произойдет включение тиристоров VD1 и VD2, сопротивление нагрузки Ru окажется подключенным к источнику питания U„ в следующей полярности: точка / к «плюсу», точка 2 к «минусу» — и в нагрузке начнет протекать ток.
В отличие от транзисторов, являющихся полностью управляемыми элементами, тиристоры (в данном случае КУ210А), используемые в инверторе, позволяют только включать ток. Для отключения тока необходимо тиристоры запирать, под-
Рис, 8. Принципиальная схема тиристорного инвертора (а) и эпюры напря женин, поясняющие его работу (б)
ключая к аноду — катоду напряжение в обратной полярности. Это достигается подключением параллельно сопротивлению нагрузки коммутирующего конденсатора CV Когда включены тиристоры VD1 и VD2 конденсатор Ск заряжается в полярности: точка / — «плюс», точка 2 —«минус». Если подать импульс запуска UM2 через трансформатор Т2, то произойдет включение тиристоров VD3 и VD4. При этом конденсатор Ск окажется подключенным через тиристоры VD3 и VD4 параллельно ранее включенным тиристорам yDl и VD2 таким образом, что к ним будет приложено напряжение в полярности: «минус»—на аноды, «плюс» — на катоды. Это приведет к запиранию тиристоров VD1 и VD2, а тиристоры VD3 и VD4 останутся включен нымн. В цепи запуска тиристоров включены резисторы R1— R4 и стабилитроны, ограничивающие амплитуды импульсов запуска в прямой и обратной полярности на уровне, допустимом для данных тиристоров.
Следует отметить, что коммутация возможна только при наличии в цепи источника питания дросселя L, имеющего большую индуктивность, препятствующую резкому изменению тока и в моменты коммутации практически отключающую источник питания от запираемых тиристоров. Наличие в схеме инвертора коммутирующего конденсатора Ск с емкостью в единицы- десятки микрофарад, приводит к тому, что форма тока 7(0. протекающего в нагрузке, отличается от прямоугольной (см. рис. 8, б), что в ряде случаев (например, при проведении прецизионных амплитудно-фазовых измерений) нежелательно. В связи с этим разработано много различных схем тиристорных инверторов, сопротивление нагрузки в которых отделено от цепей коммутации.
На рис. 9 приведена упрощенная схема подобного тиристорного инвертора. В начальный момент времени подаются импульсы запуска 1 одновременно па управляющие электроды тиристоров VD2, VD3, VD6 и VD7, которые включаются. При этом через тиристор VD3 сопротивление нагрузки Zu и тиристор VD6 начинает протекать ток, отбираемый через коммутирующий дроссель L от источника питания Un. Одновременно через включенные тиристоры VD'2, VD3 и VD6, VD7 происходит зарядка коммутирующих конденсаторов С/ и С2. Как только ток заряда конденсаторов станет меньше тока удержания тиристоров во включенном состоянии (десятки.— сотни миллиампер, в зависимости от величины номинального рабочего тока и конструктивных особенностей), происходит выключение тиристоров VD2 и VD7.
Коммутирующие конденсаторы С/ и С2 при этом оказываются заряженными в соответствующей полярности (см. рис. 9). Тиристоры VD3 и VD6, через которые продолжает проходить ток, остаются включенными. Если теперь на управляющие электроды тиристоров VD1, VD4, VD5 и VD8 подать импульсы запуска 2, то происходит переключение инвертора: тиристоры VD3 и VD6 выключаются, а тиристоры VD4 и VD5 включаются, вследствие чего направление тока в сопротивлении нагрузки изменяется. Выключение тиристоров VD3 и VD6 происходит вследствие того, что при включении коммутирующих тиристоров VD1 и VD8 напряжения на конденсаторах С/ и С2 оказываются подключенными к тиристорам VD3, VD6 в полярности «плюс»---на катод, «минус» — на анод.
При этом происходит разряд и перезаряд конденсаторов С1 и С2 в противоположной полярности, вследствие чего подготавливаются условия для нового переключения инвертора. Как и в первой фазе цикла работы, токи заряда и перезаряда конденсаторов минуют сопротивление нагрузки 2И. Важной
Рис. 9. Принципиальная схема тиристорного инвертора с от- дсленпымн от нагрузки цепями коммутации
особенностью рассмотренного инвертора является возможность работы в двухполярном и однополярном режимах с паузами, в токе.
Усилители мощности ультразвуковых и радиочастот
Генераторные устройства электроразведочной аппаратуры, работающей па частотах выше нескольких килогерц, обычно имеют усилители мощности с трансформаторным выходом. При этом: а) наиболее просто осуществлять согласование параметров сопротивления нагрузки с внутренним сопротивлением усилителя мощности, б) легко изолировать цепи нагрузки от источника питания и частотозадающей части генератора, в) применить низковольтные источники литания даже в случае очень высокого сопротивления нагрузки, поскольку коэффициент трансформации выходного трансформатора может быть большим, г) можно настраивать первичную и вторичную обмотки трансформатора в резонанс на основную частоту (или се гармоники) и пропускать через нагрузку ток практически синусоидальной формы.
Как правило, усилители мощности с трансформаторным выходом собираются по стандартным двухтранзисторпым схемам, широко применяемым в усилительной и генераторной аппаратуре радиосвязи и радиовещания. Однако при мощности свыше 3 кВт на частотах не выше 20—30 кГц часто применяются инверторы на высокочастотных тиристорах. На рис. 10 приведена схема инвертора на тиристорах типа ТЧ-25. При подаче импульса запуска <7, происходит включение тиристора VD1 и ток от источника U,, протекает по обмотке 8, 9 трансформатора Т. Коммутирующий конденсатор Ск заряжается в полярности: «плюс» на правой обкладке, подключенной к аноду тиристора VD2, а «минус» — па левой, соединенной с анодом тиристора VDL
Если после полного заряда конденсатора Ск подать импульс запуска U2 на тиристор V-D2, то произойдет его включение и конденсатор Ск (заряженный практически до полного напряжения источника анодного питания) оказываетсяпод к люченп ым
Рис. 10. Принципиальная схема тиристорного инвертора с трансформаторной нагрузкойРис. 10. Принципиальная схема тиристорного инвертора с трансформаторной нагрузкойк тиристору VD1 в запирающей полярности: «плюс» — на катод, «минус» — на анод. В резуль-
Рис. 10. Принципиальная схема тиристорного инвертора с трансформаторной нагрузкой
Рис. 10. Принципиальная схема тиристорного инвертора с трансформаторной нагрузкой
тате этого тиристор VD1 запирается, тиристор VD2 остается включенным, а конденсатор С'к перезаряжается и напряжение на нем оказывается подключенным в полярности: «плюс» — на аноде тиристора VD1, «минус» — на аноде тиристора VD2. Поэтому при подаче импульса запуска вновь на управляющий электрод тиристора VD1 происходит его включение и выключение тиристора VD2.
В зависимости от частоты коммутации, индуктивности обмоток трансформатора, емкости коммутирующего конденсатора Ск, величины сопротивления нагрузки 2Н и коэффициента трансформации форма тока в нагрузке может быть от почти прямоугольной (на сравнительно низких частотах при малой емкости конденсатора С'к) до почти синусоидальной, если колебательный контур, образованный индуктивностью обмоток 8, 9 и 9, 10 трансформатора Т и емкостью конденсатора Ск настроен в резонанс с частотой коммутации тиристоров. Отводы /—7 вторичной обмотки трансформатора позволяют регулировать выходной ток инвертора.
СТАБИЛИЗАТОРЫ ТОКА ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТРОЙСТВ ИНФРАЗВУКОВОГО И ЗВУКОВОГО ДИАПАЗОНОВ ЧАСТОТ
Генераторные устройства элсктроразведочной аппаратуры постоянного тока и инфразвукового и звукового диапазонов частот работают на сопротивление нагрузки, выполненное в виде гальванически заземленной питающей линии АВ, возбуждающей в исследуемой среде электромагнитное поле. В процессе работы может изменяться напряжение источника питания и, кроме того, при прохождении тока через заземления их сопротивление может изменяться в широких пределах, вызывая гем самым изменение величины питающего тока. Для исключения ошибки измерения из-за изменения тока величину последнего необходимо контролировать (например, регистрируя с помощью светолучевого осциллографа) или стабилизировать. При проведении высокоточных измерений стабилизация предпочтительнее. поэтому генераторные устройства современной элсктроразведочной аппаратуры имеют стабилизаторы, поддерживающие ток в сопротивлении нагрузки с погрешностью не более 1 % при двух-трехиратных изменениях сопротивления нагрузки или 30—50 %-ных изменениях напряжения первичного источника питания.
Если инвертор работает в режиме переключения и величины сопротивлений его собственных реактивных элементов (коммутирующих конденсаторов и трансформаторов) малы по сравнению с сопротивлением заземления, их влияние можно не учитывать и осуществлять стабилизацию в цепи постоянного тока, потребляемого инвертором. В общем случае стабилизацию тока можно производить, регулируя напряжение источника питания (/„ (рис. 11, «) или изменяя величину сопро-
6
Рис. 11. Структурные схемы стабилизаторов тока с регулируемым источником постоянного напряжения (а) и регулируемым резистором в цепи нагрузки (6)
Рис. 12. Структурные схемы стабилизаторов тока с регулированием тока подмагничивания в обмотке возбуждения генератора постоянного (а) и переменного (б) тока
тивления добавочного резистора R, включенного последовательно с сопротивлением нагрузки Zu (см. рис. 11, б). Критерием стабилизации в таких стабилизаторах является равенство падения напряжения Uo на калиброванном резисторе RK и эталонного источника СВ напряжения Еа. Если ток питания /п не соответствует заданному, то эти напряжения не равны, и управляющее устройство вырабатывает напряжение управления ид, которое изменяет напряжение источника питания (или добавочное сопротивление) до тех пор, пока ток питания не станет равен заданному. При этом UQ=E0. Регулирование напряжения источника питания обычно применяется в генераторных устройствах большой мощности, а также в тех случаях, когда время срабатывания системы стабилизации может быть весьма большим — десятые доли —единицы секунд.
Стабилизаторы второго типа применяются в сравнительно маломощных генераторных устройствах, а также в мощных устройствах, если необходимо большое быстродействие (единицы миллисекунд).
Если в качестве источника питания используется генератор постоянного тока, то стабилизацию тока наиболее просто осу- 32
ществлять, изменяя ток подмагничивания в обмотке возбуждения. Работа стабилизатора (рис. 12, а) с генератором мощностью в несколько киловатт основана на сравнении падения напряжения Но па калиброванном резисторе RM (включенном последовательно в цепь сопротивления нагрузки Zn) с напряжением эталонного источника GB Eq.
Напряжение Uo подается на неинвертирующий (не изменяющий полярности) вход операционного усилителя А, обозначенный плюсом, а напряжение эталонного источника — на инвертирующий (изменяющий полярность выходного напряжения по сравнению со входным) вход. В результате сравнения па выходе операционного усилителя появляется напряжение ит=Ци0—Ео), которое усиливается усилителем мощности и подается на одну из обмоток L (обычно шунтовую) возбуждения генератора G. Изменение тока подмагничивания в зависимости от его полярности или увеличивает, или уменьшает общий магнитный поток в системе статор — ротор генератора и тем самым изменяет величину генерируемого напряжение до тех пор, пока ток в цепи нагрузки не станет равен заданному.
В зависимости от суммарного коэффициента усиления в цепи регулирования (а также стабильности напряжения Ео и сопротивления резистора Як) стабилизатор может поддерживать ток в сопротивлении нагрузки неизменным (с погрешностью в десятые доли процента) при больших изменениях сопротивления нагрузки, если они происходят относительно медленно с периодом единицы — десятки секунд.
Быстрые изменения тока с периодом в десятые доли секунды (из-за неравномерности частоты вращениия двигателя, от которого осуществляется привод генератора, несимметричности обмоток ротора, неодинаковости переходных сопротивлений «контактная щетка — коллекторная пластина ротора», неравномерности магнитного потока в зазоре ротор—статор и т. д.) стабилизатором практически не убираются — слишком велика оказывается постоянная времени срабатывания. Постоянная времени тем больше, чем на большую мощность рассчитан генератор, чем выше индуктивность его обмоток и масса магнитных материалов в статоре и роторе.
При использовании в качестве первичного источника питания генератора G переменного тока (см. рис. 12, б) принцип работы стабилизатора остается неизменным. Одпако, если осуществлять стабилизацию за счет управления током подмагничивания затруднительно, то при питании генератора (рис. 13, а) от сети переменного тока используют управляемые выпрямители (см. рис. [3, б). Работа управляемого выпрямителя основана на изменении моментов включения тиристоров (см. рис. 13, в), которые могут регулироваться в пределах от нуля до половины периода Т/2 питающего напряжения Un(t). Вследствие этого напряжение на выходе фильтра управляемого выпрямителя может изменяться от максимального (при внлк>-
33332 Зака? № 1287
33
33
Рис, 13. Стабилизатор тока с управляемым выпрямителем (а), схема этого выпрямителя (б) и эпюры напряжений, поясняющие его работу (в)
чении тиристора VD3 в моменты О, Т, 2Т и т. д., а тиристора VD4— Т/2, 3]2Г и т. д.) до практически нулевого.
Функциональная схема стабилизатора иа основе управляемого выпрямителя приведена на рис. 13, а. Так же, как и в ранее рассмотренных стабилизаторах, критерием стабилизации служит напряжение U^— разность напряжения L/o, снимаемого с резистора /?«, и эталонного источника GB напряжения Ео. В зависимости от величины (и знака) этой разности (UQ— £n) X Xk=U7 (£— коэффициент усиления усилителя Л) в блоке формирования импульсов управления из синусоидального напряжения питания (подаваемого в блок формирователя от отдельной обмотки трансформатора Т1 по цепи синхронизации) формируются импульсы, включающие тиристоры VD3 и VD4 в моменты времени /, и /2.
Если ток /п в цепи нагрузки Zu меньше номинального, то управляющий сигнал U^ отрицателен и управляющие импульсы формируются в более ранние моменты времени по 34
сравнению с 6 и /2, вследствие чего среднее значение напряжения на выходе выпрямителя {/Вып увеличивается. Если ток больше номинального, то импульсы запуска формируются в более поздние моменты времени и напряжение на выходе выпрямителя уменьшается. Постоянная времени срабатывания у рассматриваемого стабилизатора велика, ибо необходимо применять фильтры с большой постоянной времени, отфильтровывающие большие пульсации выпрямленного напряжения Ub(t) (рис. 13, в) или работать на повышенных частотах питающей сети (400—1200 Гц).
Если в качестве источника первичного питания применяется низковольтный источник (аккумулятор, батарея гальванических элементов, низковольтный выпрямитель напряжения 50 гц промышленной сети, термоэлектрический преобразователь и т. д.), то обычно используется стабилизированный конвертор— преобразователь постоянного низкого напряжения в постоянное высокое напряжение.
Наивысшее быстродействие (десятые доли-• единицы ми- лисекуид) имеют стабилизаторы тока с управляемым сопротивлением, включенным последовательно с сопротивлением нагрузки. В качестве управляемого сопротивления наиболее часто применяют транзистор. На рис. 14, а приведена функциональная схема стабилизатора с регулирующим транзистором. Критерием стабилизации, как и в предыдущих схемах, является равенство напряжений TV снимаемого с калиброванного резистора Rk и эталонного источника GB напряжения Ео. Несоответствия тока питания заданной величине приводят к появлению сигнала управления UY—k^Ug—Ео), который после усиления подается на регулирующий транзистор VI, изменяя его сопротивление таким образом, чтобы (7У—>0. При этом ток /п в цепи нагрузки Z„ становится равным заданному.
Недостатком стабилизаторов с непрерывно управляемыми транзисторами является сравнительно малый коэффициент полезного действия: ведь для того, чтобы скомпенсировать снижение тока из-за увеличения сопротивления нагрузки Д/?н, необходимо иметь возможность уменьшить на величину Д/?т внутреннее сопротивление транзистора RT так, чтобы активная составляющая RH суммарного сопротивления Z„ была бы постоянной (Яп + Д/?н) + (7?т—AR?)-const. Если, например, сопротивление нагрузки увеличится на 100 Ом, то внутреннее сопротивление транзистора должно уменьшится на 100 Ом. Таким образом, в исходном режиме сопротивление транзистова должно быть не менее 100 Ом. При токе в 0,5 А это приводит к рассеиванию па транзисторе в виде тепла мощности в 25 Вт. При больших токах на транзисторе рассеивается столь большая мощность, что приходится включать несколько транзисторов параллельно и применять меры по их охлаждению.
В связи с этим при токах, больших 1—2 А, применяются
35352е
35
35
УправлениеУправлениеРис. 14. Стабилизаторы тока с одним регулируемым транзистором (а), с несколькими регулируемыми транзисторами (б) и управляемым ключом (в)Рис. 14. Стабилизаторы тока с одним регулируемым транзистором (а), с несколькими регулируемыми транзисторами (б) и управляемым ключом (в)в цепи нагрузкив цепи нагрузки
Управление
Управление
Рис. 14. Стабилизаторы тока с одним регулируемым транзистором (а), с несколькими регулируемыми транзисторами (б) и управляемым ключом (в)
Рис. 14. Стабилизаторы тока с одним регулируемым транзистором (а), с несколькими регулируемыми транзисторами (б) и управляемым ключом (в)
в цепи нагрузки
в цепи нагрузки
стабилизаторы дискретного действия с транзисторами, работающими в ключевых режимах. На рис. 14, б приведена схема простейшего стабилизатора дискретного действия. В исходном режиме регулирующие транзисторы VT1—VT5 заперты и последовательно с сопротивлением нагрузки включены резисторы I0--1 Ом. Если ток уменьшится, то на выходе усилителя мощности появится сигнал рассогласования, под действием которого сработает управляющее устройство, включив один или несколько транзисторов.
Пусть, к примеру, в цепи протекал ток 5 Л и сопротивление нагрузки увеличилось на 7 Ом. Тогда произойдут включения транзисторов VT2 и VT4 и их малые внутренние сопротивления (около 0,1 Ом в режиме насыщения) окажутся подключенными параллельно резисторам с сопротивлениями 5 и 2 Ом.
В результате этого суммарное сопротивление уменьшится примерно на 6,8 Ом и ток в цепи увеличится.
Если нужна строгая стабилизация тока, то в дополнение к дискретной стабилизации добавляется непрерывная (путем включения непрерывно управляемого транзистора), выбирающая нестабильность R« в пределах десятых долей — единиц Ом. В дискретном стабилизаторе транзисторы работают в режиме переключения (включены или выключены), вследствие чего на них рассеивается малая мощность. При использовании транзисторов ГТ806Д при токе 15" А па каждом из них при включенном состоянии рассеивается мощность не более 9 Вт.
Использование принципа дискретной стабилизации и широтно-импульсной модуляции позволят создавать быстродействующие стабилизаторы (см. рис. 14, в) с высоким коэффициентом полезного» действия. В этом стабилизаторе последовательно с сопротивлением нагрузки включен резистор R, сопротивление которого обычно выбирается равным максимальной величине ожидаемого приращения сопротивления нагрузки или несколько больше его.
Параллельно этому резистору подсоединен ключ К, выполненный на основе транзистора или тиристора. Управление работой ключа производится с помощью широтно-импульсного модулятора. В исходном режиме ток в нагрузке ZR равен заданному и напряжение управляющего сигнала {7y=fe(t/o — Eq^ минимально. При этом минимальна и длительность импульсов на выходе широтно-импульсного модулятора, вследствие чего ключ замыкается па короткое время, и ток в нагрузке определяется, в основном, ее сопротивлением и сопротивлением резистора R. Если сопротивление нагрузки возрастает, то возрастает управляющий сигнал, что повлечет увеличение длительности импульсов управления ключом. В результате среднее сопротивление системы «ключ — резистор R» уменьшится и ток в цепи нагрузки увеличится.
В рассмотренных стабилизаторах критерием стабилизации была неизменность постоянного тока питания инвертора. При этом предполагалось, "что при изменении сопротивления нагрузки соотношение между постоянным током, отбираемым от источника питания, и переменным током, протекающим в нагрузке, остается неизменным. Это достаточно строго выдерживается лишь в безреактивных инверторах (например, транзисторных), и только тогда, когда сопротивление нагрузки активно или активная и реактивная составляющие изменяются пропорционально. Однако это не всегда так, особенно при проведении многочастотных амплитудно-фазовых исследований и использовании инверторов со значительными коммутирующими реактивностями (конденсаторами или трансформаторами). В этом случае приходится использовать более сложные стабилизаторы, стабилизирующие не только амплитуду первой гармоники тока, по и фазу этой гармоники.
Стабилизация тока па выходе генераторных устройств ультразвукового и радиочастотного диапазонов не вызывает особых затруднений и осуществляется, как правило, стабилизацией напряжения питания (поскольку в этом диапазоне обычно применяются в качестве возбудителей электромагнитного поля электрические и магнитные антенны со стабильными во времени параметрами).
ПЕРЕДАЧА СИНХРОНИЗИРУЮЩИХ И ОПОРНЫХ СИГНАЛОВ
При проведении относительных амплитудных и фазовых измерений, а также измерений относительных параметров переходных процессов необходима передача синхронизирующих и опорных сигналов с генераторного устройства па приемное. Эта задача наиболее часто решается с помощью радиостанций или проводных (кабельных) линий связи.
Относительно просто передавать синхронизирующие сигналы, отмечающие характерные значения тока, возбуждающего- электромагнитное поле: включение, выключение, моменты перехода через нулевые или максимальные значения, моменты достижения заданного уровня и т. д. В эти моменты времени с помощью соответствующих устройств формируются импульсы, которые затем подаются на модулятор стандартного радиопередатчика (с амплитудной, частотной, фазовой и другими видами модуляций), в котором формируется радиосигнал, усиливаемый и излучаемый затем с помощью антенны. Из принятого с помощью радиоприемника радиосигнала восстанавливается исходный синхроимпульс, который поступает в блок управления измерительного устройства и синхронизирует его работу.
Подобным же образом осуществляется и передача импульсов синхронизации на небольшие расстояния с помощью проводной линии связи. В этом случае для устранения прямого прохождения сигнала из токовой цепи генератора па измерительную цепь линия связи подключается через импульсные трансформаторы, передающие только импульсы синхронизации.
Передача опорных сигналов наиболее сложна, ибо в этом случае необходимо передавать сигнал в целом, с мипималь- пыми искажениями его амплитуды и фазы (или даже его амплитудного и фазового спектров, что еще более трудно). Основная сложность при передаче опорных сигналов по проводной линии связи заключается в том, что опорный сигнал, снимаемый с калиброванного резистора, непосредственно передавать нельзя неизбежно возникает связь между токовой и измерительной цепями и измерения проводить станет невозможно. Трудно также использовать устройства гальванической развязки в виде оптронов (светодиод + фоторезистор) из-за их большой нелинейности, которую нс всегда удастся скомпенсировать.
Наиболее целесообразным является применение модуляции, при этом происходит перепое спектра опорного сигнала в область высоких частот, на которых можно применять высокочастотные трансформаторы, коэффициент передачи у которых на рабочей частоте исходного сигнала оказывается пренебрежительно малым, и поэтому непосредственная связь между генератором и измерителем па рабочей частоте сигнала практически отсутствует, а модулированный опорный сигнал проходит без искажений.
В настоящее время наиболее часто применяется амплитудно-импульсная модуляция, осуществляемая с помощью синхронно переключаемых транзисторных ключей. На рис. 15 приведена функциональная схема устройства передачи опорного сигнала, гальванически разделяющего генераторную и измерительную цепи, выполненная ла основе ключевого модулятора и синхронного детектора.
Роль модулятора выполняют ключи К1 и К2, поочередно замыкаемые на частоте <ок. Если на входе модулятора действует напряжение t/o (частота которого может быть как угодно мала--вплоть до нуля), то поочередное замыкание ключей К1 и К2 приводит к тому, что к обмоткам /, 2 и 2, 3 трансформатора Т поочередно подключается то + (Д, то —Un. В результате этого в магнитопроводе трансформатора возникает знакопеременное магнитное поле с основной частотой ик и на вторичных обмотках 3 и 4 индуцируется также знакопеременное напряжение прямоугольной формы.
Для восстановления напряжения UQ' из этого модулированного напряжения необходимо провести операцию детектирования, которую целесообразно осуществлять с помощью ключевой схемы, аналогичной схеме модулятора. Для этого ко вторичным обмоткам 3 и 4 подключаются ключи КЗ и К4, замыкаемые синхронно с ключами К1 и К2. В результате этого
происходит синхронное детектирование модулированного сиг
нала и восстанавливается его исходная форма.
Если все элементы попарно симметричны, частота коммутации ключей модулятора и детектора достаточно высока (и превышает частоту сигнала
+-о«о-о+-о«о-оРис. 15. Устройство передачи опорных сигналов с гальванически развязанными входными и выходными пенямиРис. 15. Устройство передачи опорных сигналов с гальванически развязанными входными и выходными пенямив 300—500 раз), а переключения совершаются без пауз, то искажения опорного сигнала могут быть очень малы. При этом очень мал и коэффициент прямой (без преобразования) передачи опорного сигнала, поскольку разделительный трансформатор рассчитывается на частоту коммутации, в 300— 500 раз большую, чем основная частота опорного сигнала.
+
-о
«о
-о
+
-о
«о
-о
Рис. 15. Устройство передачи опорных сигналов с гальванически развязанными входными и выходными пенями
Рис. 15. Устройство передачи опорных сигналов с гальванически развязанными входными и выходными пенями
При передаче опорных сигналов но радио часто используется широтно-импульсная модуляция. Обычно в качестве несущей используется частота задающего генератора данного генераторного устройства, ибо при этом колебания несущей частоты и опорного сигнала строго кратны и время запаздывания между ними строго постоянно. Это в значительной степени уменьшает погрешность преобразования непрерывного опорного сигнала в дискретизированный во времени широтно-им- пульсномодулированныц сигнал.
В последние годы созданы малогабаритные термостатированные задающие генераторы на основе высокостабильных кварцевых резонаторов, обеспечивающих стабильность частоты не более 10-7. Это позволяет проводить абсолютные фазовые (временные) измерения, не используя специальных каналов передачи опорной фазы (времени). Для этого в генераторном и приемно-измерительном устройствах устанавливаются иден- тнчные задающие генераторы, взаимно синхронизируемые перед началом работы и сохраняющие синхронность в течение всего времени проведения измерений. При этом погрешность при измерении фазы в диапазоне 0,1—100 Гц обычно не превышает 3:0,01° за 10 ч непрерывной работы.
ВХОДНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Подлежащие измерениям сигналы принимаются входными преобразователями — заземленными приемными линиями, не- заземленными рамками и петлями (магнитоиндукционпыми датчиками), а также магнитометрами — феррозондовыми, квантовыми, криогенными и т. д.
Входные преобразователи электрических компонент поля
Простейшим электрическим входным преобразователем является система из двух металлических электродов М, N стержневой формы, гальванически соединенных («заземленных») с поверхностью Земли и связанных со входом измерительного устройства соединительными проводами (рис. 16, а). Если между точками М и N имеется некоторая разность потенциалов AV^O. величина которой определяется интенсивностью и структурой исследуемого электромагнитного поля, то па входе измерительного устройства получают напряжение
UBAt^^UVHEMV)-F-N^.
где Ем (О и Е^^—ЭДС поляризации электродов М и А/.
Последние два напряжении обусловлены поляризационными электрохимическими процессами, протекающими па контактах приемных металлических электродов с электролитом (водными -10
aaИзмерительное,устройствоИзмерительное,устройствоMMРис. 16. Схема простейшей электроразведочной установки с входным преобразователем в виде приемной линии MN (а), конструкция заземлений приемной линии (и) и характеристики их шумов (б), а также экппвалснтпая электрическая схема заземлений (г)Рис. 16. Схема простейшей электроразведочной установки с входным преобразователем в виде приемной линии MN (а), конструкция заземлений приемной линии (и) и характеристики их шумов (б), а также экппвалснтпая электрическая схема заземлений (г)
a
a
Измерительное,устройство
Измерительное,устройство
M
M
Рис. 16. Схема простейшей электроразведочной установки с входным преобразователем в виде приемной линии MN (а), конструкция заземлений приемной линии (и) и характеристики их шумов (б), а также экппвалснтпая электрическая схема заземлений (г)
Рис. 16. Схема простейшей электроразведочной установки с входным преобразователем в виде приемной линии MN (а), конструкция заземлений приемной линии (и) и характеристики их шумов (б), а также экппвалснтпая электрическая схема заземлений (г)
растворами солей различных металлов), который содержится в порах горных пород в местах заземлений. Напряжение поляризации электродов зависит от материала электродов, состава и концентрации растворенных в поровой влаге солей, температуры и давления, оказываемого боковой поверхностью электрода на горную породу в местах заземлений.
Вследствие этого получить два совершенно идентичных заземления с помощью обычных металлических электродов
41
невозможно, и практически всегда в отсутствии полезного сигнала XU(t) между приемными электродами будет действовать некоторое напряжение
ХЕ^-ЕМ^-ЕНО.
изменяющееся с течением времени в широких пределах. Если приемные электроды выполнены из стали, то величина ЛЕ может достигать нескольких десятков милливольт, изменяясь в среднем на 10—20 мВ/ч (при постоянной температуре).
Если температура непостоянна, дрейф ХЕ может достигать 2—3 мВ/°С. Латунные и медные электроды более стабильны: ХЕ обычно не превышает 15—20 мВ при дрейфе среднего значения 5—8 мВ/ч. Еще большую стабильность обеспечивают электроды из кадмия и платины. Непостоянство напряжений поляризации приемных электродов и случайный характер их изменения во времени могут обусловить существенное искажение результатов измерений как па постоянном, так и на переменном токе инфразвукового и звукового диапазонов частот.
На рис. 16, б приведены графики спектральной плотности G напряжений поляризации некоторых металлических электродов, из которых видно, что хотя максимальные помехи измерениям наблюдаются в области очень низких частот, но даже на частотах в сотни тысячи герц поляризационные помехи мо- гут быть значительными. Мерой борьбы с поляризационными помехами на постоянном токе и в области очень низких частот является применение компенсаторов поляризации, управляемых вручную оператором или действующих автоматически.
В тех случаях, когда значения измеряемых сигналов очень малы и нельзя эффективно бороться с поляризационными помехами, применяются высокостабильные неполярнзующиеся электроды.
Неноляризуюшийся электрод (рис. 16, в) выполняется в виде металлического стержня (медного, цинкового, свинцового, кадмиевого, серебряного или платинового), помещенного в сосуд из пористого материала (дерево лиственных пород, керамика, ткань), заполненного насыщенным желеобразным или просто водным раствором соответствующей соли (обычно сульфатом или хлорилом) и закупоренного изоляционной пробкой. Контакт «металлический электрод — насыщенный раствор его соли» обеспечивает стабильное (и обычно достаточно малое) напряжение поляризации приемных электродов, практически не зависящее от состава и концентрации солей в поровой влаге горных пород.
Вследствие этого величина XE(t) достигает при постоянной температуре у медных электродов 5 7 мВ при дрейфе порядка 1—2 мВ/ч, для свинцовых электродов 1—2 мВ при дрейфе нс более 0,2—0,3 мВ/ч. Если температура электродов различна (один, например, освещен солнцем, другой - в гус- -12
той тени), раствор соли загрязнен примесями или входное сопротивление измерительного устройства недостаточно велико, то величина XE(t) и ее дрейф могут возрасти в несколько раз.
В общем случае переходное электрическое сопротивление системы «приемные электроды — горные породы» является комплексным, зависящим не только от материала электродов я состава электролита, но и от частоты, времени, температуры, входного сопротивления измерительного устройства и действующего между электродами напряжения ХС7(О- Упрощенная эквивалентная электрическая схема переходного сопротивления приемных электродов приведена на рис. 16. г. В этой схеме С м(1) и СаХ(1) — эквивалентные электрические емкости приемных электродов Л! и Л', удельное значение которых может достигать нескольких десятков мкФ/см-.
Величина активного переходного сопротивления R.M(t) и R»x(i) обычно составляет несколько кОм/см2. Комплексное сопротивление ZwM(t) и импеданс Варбурга Zwx(t) обратно пропорциональны корню квадратному из частоты и учитывают поляризационные процессы в системе. Электродвижущая сила поляризации электродов может составлять сотые (для неполя- ризуюшихся электродов) и десятые (для металлических электродов) доли вольта. Комплексный (и различный от точки наблюдения к точке) характер переходного сопротивления заземления приводит к появлению погрешностей при амплитудных и фазовых измерениях на переменном токе. Существенно снизить величину погрешностей удается увеличением входного сопротивления Zux измерительного устройства, увеличением (и постоянством) рабочей площади приемных электродов.
Невозможность обеспечения надежного электрического контакта с земной поверхностью прп проведении электроразвелоч- пых работ на переменном токе в движении привела к созданию емкостных приемных электродов. В простейшем случае емкостной электрод выполняется в виде металлического листа прямоугольной, эллиптической или круговой формы, размещенного над земной поверхностью (на высоте существенно большей, чем мелкие неровности земной поверхности и амплитуда колебаний кузова носителя электродов- автомашины, трактора,
Входные преобразователи магнитных компонент поля
Прием магнитных компонент ноля осуществляется с помощью магнитоприемииков. Основная характеристика магнитного поля — это магнитная индукция. Ее единицей в международной системе единиц (СП) является тесла (Тл). т. е. индукция такого однородного магнитного поля, в котором на 1 м ищейного проводника с током в 1 А действует сила в 1 Н. Поток вектора магнитной индукции через некоторую поверхность называют магнитным потоком. В системе СП единица
магнитного потока — вебер (Вб). Наряду с магнитной индукцией магнитное поле характеризуется вектором напряженности поля, измеряемой в системе СИ в амперах на 1 м (А/м), а в абсолютной электромагнитной системе (СГСМ)—в эрстедах (Э), В геофизике в качестве единицы напряженности слабых магнитных полей используют единицу, называемую гаммой и равную 10-5 Э.
Напряженности магнитного поля Нй в вакууме связана с магнитной индукцией Вп соотношением
До — V»H61
где цо соответствует магнитной проницаемости вакуума и в системе СИ цо = 4л10~7 Гн/м. В системе СГСМ магнитная проницаемость вакуума равна единице и является безразмерной величиной. Этим магнитная индукция в системе СГСМ равна величине напряженности поля, поэтому часто отсутствовало четкое разграничение этих понятий.
В системе СП индукция и напряженность поля имеют разные размерности и отличаются по величине в 4л- 10~7 раз. Современные приборы измеряют магнитные величины в единицах магнитной индукции—теслах. Приборы, проградуированные в гаммах, не требуют изменения шкалы, так как напряженность поля в 1 гамму соответствует индукции 1 нТл.
Из множества разных типов магнитоприемников в электроразведке используются преимущественно индукционные, феррозондовые и магнитостатические. Протонные и квантовые магнитометры применяются сравнительно редко.
Индукционные м а г н и то h р и е м и и к и измеряют производную но времени от внешнего поля и выполняются в виде многовитковой катушки, в центр которой часто помещается ферромагнитный сердечник, концентрирующий магнитные силовые линии поля. В общем случае ЭДС, наведенная в индукционном магнитоприемиике, определяется выражением
£(/)—— dФ/dt =p^nS cos 9 qH ^/dl t
где цс — эффективная магнитная проницаемость сердечника; п— число витков в катушке; S — средняя площадь одного витка; 9 — угол между направлением вектора напряженности магнитного поля Й(/) и осью катушки (нормалью к ее плоскости). Если магнитное поле изменяется по синусоидальному закону
Н (0 ~ Не sin и/,
то ЭДС на выходе магнитоприемпика
£(/)= — шрсп5Н0 cos gV.
:Магпитоцриемники принято характеризовать магнитным моментом М и чувствительностью Gi:
М — Цеп3;
G,= -Ь,- =(Ом,
не 50= ыЦсНЗЯо— амплитуда ЭДС, возбуждаемой в магнитоприемнике; Но — амплитудное значение напряженности магнитного поля.
Если магпитоприемник настроен в резонанс на частоту ш принимаемой магнитной компоненты, то напряжение на его выходе увеличивается в Q раз:
Q = wL„IRx, где LM — индуктивность магнитоприемника; R —суммарное сопротивление потерь магнитоприемника.
Одним из важнейших факторов, определяющих чувствительность индукционного магнитоприемника, является эффективная магнитная проницаемость сердечника ц,; чем она выше, тем магнитоприемник чувствительнее. В пределе при бесконечно длинных и бесконечно тонких сердечниках чувствительность возрастает в цм/цо раз (рм — магнитная проницаемость материала сердечника, цо— магнитная проницаемость в вакууме). В используемых на практике магнитодриемниках применяются относительно короткие цилиндрические сердечники из ферритов с Л — отношением длины / к диаметру d— ле более 10—20. Вследствие этого необходимо учитывать коэффициент размагничивания Кр!
7<р % 0,76 (_ 0,23 ( -^1Y
\ А- /\ Цу /
Из-за размагничивания эффективная магнитная проницаемость сердечника цс существенно меньше магнитной проницае- мости ц„ используемого магнитного материала:
Индукционные магннтоприемники обладают высокой чувствительностью и малыми собственными шумами, обусловленными в основном (при измерении слабых магнитных полей) тепловыми и мерцательными шумами, возникающими в проводах обмотки катушки. Недостатки индукционных магнитоприемников (особенно для работы на инфразвуковых и звуковых частотах) заключаются в сравнительно больший массе (еди- ннпы- десятки килограммов) и большой чувствительности к вибрациям: любые, даже самые малые вибрации и иеремеще-
пия магнятоирнемника в пространстве приводят к появлению ЭДС на его выходе (поскольку магнитоприемпик находится в постоянном магнитном поле Земли). Кроме того, к числу основных недостатков индукционных магнитоприемников отно- сигся уменьшение верхней частоты полосы пропускания по мере увеличения чувствительности.
М а г н и том оду л я ц и он н ы с (феррозондовые) ма гн и то и р и е м п и к и обладают малой массой (десятки — сотни граммов) и простой электрической схемой, но их чувствительность оказывается более низкой, а собственные шумы — более высокими, чем у индукционных магнитоприемников. Однако если индукционные магпитоприемники имеют нижние рабочие частоты в лучшем случае в десятые доли герца, то феррозонды могут применяться на любых, сколько угодно низких частотах, включая изучение постоянных магнитных полей.
Протонные и квантовые магнитометры используются для измерения модуля полного вектора напряженности магнитного поля п поэтому сравнительно редко применяются в электроразведке, где основная методика измерений предусматривает раздельную регистрацию компонент магнитного поля.
Магнитостатические магнитометры предназначены для регистрации медленно изменяющихся магнитных полей с периодом до 1 с. Например, магнитометр МЭ-71 (рис. 17). используется в электроразведочных станциях МТЛ-71, ЦЭС-1 и ЦЭС-2. Луч света от осветителя /7 фокусируется линзой Лн/ и направляется на отражающую поверхность магнита-индикатора МИ (А; и S— полюсы магнита). Отраженный луч, пройдя линзу Лн2, попадает на ребро призмы Пз и разделяется на два луча, которые попадают на фототранзистиры VTt. VT2.
Рис. 17. Функциональная схема мектроразведочнего магни- тсмегря МЭ-71
Разность напряжений, вырабатываемых фототранзисторами, усиливается дифференциальным усилителем. Магнитометр ох- лачен целью отрицательной обратной связи через резистор R и катушку L1, соединенные последовательно и подключенные к выходу дифференциального усилителя. Резистор R служит для регулировки тока в цепи катушки L1 и тем самым глубины отрицательной обратной связи. Катушка L1, через которую протекает ток обратной связи, создаст в области, где расположен МИ, магнитное ноле Н обратной связи, и, таким образом, магнитометр охватывается отрицательной обратной связью ио магнитному полю.
Установка магнита-индикатора МИ в исходное положение, когда освещенности фототранзисторов VTI и VT2 равны и сигнал на выходе дифференциального усилителя равен нулю, производится магнитными нолями, создаваемыми компенсационным магнитом МК и током балансировки, пропускаемым через катушку L2 балансировки и компенсации. Изменение положения компенсационного магнита МК" осуществляется вручную оператором.
Изменение компоненты поля, перпендикулярной к оси вращения и магнитному моменту магнита-индикатора, вызывает поворот магнита-индикатора. При этом освещенность одного фототранзистора увеличивается, а второго уменьшается, и па выходе дифференциального усилителя появляется сигнал, пропорциональный приращению компоненты поля, который непосредственно подается на вход станнин ЦЭС-1 (ЦЭС-2).
При работах со станцией МТЛ-71 регистрирующий прибор— гальванометр включается в цепь отрицательной обратной связи, что позволяет осциллографически записывать изменения тока обратной связи, которые пропорциональны изменениям магнитного поля, воздействующего на магнитометр.
Если изменения магнитного поля достигают больших величин, и поэтому нс могут быть скомпенсированы током обратной связи в катушке Lt, в обмотку L2 подается ток компенсации, величина которого точно известна и может ступенчато изменяться. Введение тока компенсации позволяет расширять динамический диапазон регистрируемых изменении магнитного поля и поэтому должно учитываться в процессе обработки результатов измерений.
В магнитометре МЭ 71 имеется также градуировочная и демпфирующая катушка (на рис. 17 нс показаны). Импульс тока строго известной величины, пропускаемый через градуировочную катушку, используется для градуировки магнитометра но магнитному полю. Демпфирующая обмотка при рантах со станцией МТЛ-71 подключается параллельно цепи от- рниателыюй обратной связи через конденсатор и служит для уменьшения высокочастотных колебаний магпита-иидикатора
ВХОДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Электрические сигналы, снимаемые с выходов приемников электромагнитного поля (входных преобразователей), обычно имеют малый уровень (единицы микровольт, а иногда даже сотые — десятые доли микровольта). В связи с этим входные усилители электроразведочпых измерителей должны иметь малые собственные шумы и оптимальным образом использовать энергию входного сигнала, т. е. выходные сопротивления приемника электромагнитного поля и исходное сопротивление усилителя должны быть согласованы. При этом под согласованием понимается: а) передача максимальной мощности — для усилителей, выполняемых на биполярных транзисторах, управляемых током; б) передача максимального напряжения — для усилителей, собранных на электронных лампах, полевых транзисторах или варикапах; в) отсутствие отражения в кабелях, соединяющих приемник поля с усилителем,— в случае измерений переходных характеристик геоэлектрнчсского разреза па малых временах (десятые доли —единицы микросекунд).
В области звуковых и инфразвуковых частот основную долю шумов создают шумы эффекта мерцания. Для снижения этих шумов усилительные элементы используют при пониженных напряжениях источников питания. Например, электронные лампы питаются анодным напряжением в 10—20 В, биполярные транзисторы — 0,3—1,5 В (при токах эмиттера в 0,1— 0,8 мА), полевые транзисторы—1- -2 В. Напряжение смещения на затворах полевых транзисторов и управляющих сетках ламп снижается до 0,3—1 В.
Для уменьшения низкочастотных шумов применяют модуляционные усилители, в которых подлежащий усилению низкочастотный сигнал переносится по спектру в область высоких частот, усиливается, после чего вновь осуществляется перенос спектра сигнала в исходную область низких частот. Таким образом, удается создавать усилительные устройства инфразвукового и звукового диапазонов частот с очень малыми собственными шумами.
Шумы усилителен ультразвукового и радиочастного диапазонов обусловлены дискретной природой электрического тока н проявляются в основном в виде тепловых и дробовых шумов, спектр которых мало зависит от частоты и определяется в первую очередь режимом работы усилительных элементов и особенностями нх конструктивного выполнения.
Особенностью входных усилителей современной электро- разведочной измерительной аппаратуры является широкое при менение микросхем с минимальным применением дополнительных дискретных элементов.
Входные усилители измерительных устройств инфразвукового и звукового диапазонов частот
В электроразведочной аппаратуре, разработанной до 1972 г., входные усилители, как правило, выполнялись из отдельных дискретных элементов, поскольку к этому времени еше не было начато серийное производство малошумящих усилителей в интегральном исполнении. В последние годы нашей промышленностью освоен выпуск этих приборов, имеющих малые собственные шумы. Имеется усилитель типа К548УН1А, выполненный на основе биполярных транзисторов и обеспечивающий в диапазоне I—10 Гц уровень собственных шумов не более 0,5 мкВ (при сопротивлении источника сигнала 1 кОм).
Примерно такие же шумы характерны и для операционного усилителя типа К157УД2. Усилитель типа К157УД1А, выполненный па основе биполярных транзисторов, имеет более низкий уровень шума: в полосе частот 1 —103 Гц собственные шумы, приведенные по входу, не превышают 0,1 мкВ (при сопротивлении источника сигнала 102 Ом).
При работе от высокоомных источников сигнала применяются интегральные усилители с нолевыми транзисторами на входе. Малошумящими являются усилители типа К504УН1А (напряжение шумов, приведенных по входу в полосе 1—102Гц, не превышает 1 мкВ) и операционные усилители К544УД1А и К284УД1А, уровень шумов которых в полосе 1 —10 Гц не более 0,5 мкВ.
Значительное снижение шумов интегральных усилителей может быть достигнуто путем снижения напряжений источников питания (до 2—3 В) и параллельным включением нескольких усилителей (по входу и выходу). Это позволяет получать уси- лптелн с уровнем шумов в сотые доли микровольта.
Входные усилители постоянных
и медленно изменяющихся напряжений
Усиление постоянных и медленно изменяющихся напряжений в электроразведочной аппаратуре осуществляется с помощью модуляционных усилителей. Работа модуляционных усилителей основана на переносе спектра низкочастотного сигнала в область сравнительно высоких частот (сотни герц — чесятки килогерц), где собственные шумы электронных компонентов минимальны. Это практически полностью устраняет наложение на сигнал напряжений интенсивных низкочастотных шумов, генерируемых в пассивных и активных элементах усилителей. Функциональная схема модуляционного усилителя приведена на рис. 1-8, а.
Входной низкочастотный сигнал (7ВХ поступает на модулятор, управляемый генератором, где преобразуется в переменное высокочастотное напряжение, амплитуда которого строго
tttt
t
t
t
t
Рис. 18. Функциональные схемы модуляционного усилителя (□), модулятора (б) и эпюры напряжений, поясняющие его работу (в)
пропорциональна амплитуде входного сигнала. Переменное напряжение усиливается усилителем переменного тока с малым уровнем собственных шумов до заданного уровня, после чего подается на синхронный детектор и интегратор, которые производят повторное преобразование спектра усиленного сигнала, восстанавливая его исходный низкочастотный спектр.
В старых образцах низкочастотной электроразведочной аппаратуры в качестве модуляторов и синхронных детекторов обычно использовались контакты телеграфных реле (типа РП- I) или специальных преобразователей (ВП-59, ВУ-бЗ и т. д.), синхронно переключаемых с частотой коммутации <i)K, генерируемой задающим генератором. Контактные модуляторы (и детекторы) имеют ограниченный срок службы (десятки — сотни часов, после чего необходима регулировка, шлифовка, чистка или даже смена контактных групп), поэтому в современной электроразведочной аппаратуре они уже практически не применяются, уступив место интегральным транзисторным прерывателям.
Интегральные прерыватели обычно выполняются в виде пары инверсно включенных биполярных и полевых транзисторов. На рис. 18, б приведена схема транзисторного модулятора, 50
выполненного на основе интегральных прерывателей типа КЮ1КТ1А. При подаче па выводы обмотки 5, 6 трансформатора Т управляющего напряжения Uw(t) прямоугольной формы (рис. 18, а) во время действия положительных полупериодов UY.(t) происходит отпирание транзисторов VT1 и VT2 первого интегрального прерывателя ИП1, за счет напряжения, снимаемого с обмотки VT3 и VT4. При этом на базы транзисторов второго прерывателя ИП2 с обмотки 3, 4 трансформатора подается отрицательное напряжение и они запираются. В результате этого входное напряжение почти без ослабления проходит на выход модулятора (см. рис. 18, б). Во время отрицательных полупериодов напряжения коммутации происходит запирание транзисторов прерывателя ИП1 и отпирание транзисторов прерывателя ИП2, поэтому на выходе модулятора напряжения входного сигнала практически нет. Таким образом, происходит преобразование, медленно изменяющегося напряжения входного сигнала в пульсирующее напряжение UTUX(t), следующее с частотой коммутации си к (см. рис. 18, в). По подобной схеме может быть выполнен модулятор на полевых транзисторах, а также и синхронный детектор.
Входные усилители ультразвукового и радиочастотного диапазонов
Входные усилители высокочастотной электроразведочной аппаратуры обычно выполняются на основе интегральных каскадных усилителей. В частности, широко используются интегральные усилители серии К175: па частотах до I МГц — К175УВЗА; на частотах до 10 МГц—К175УВ1А; па частотах до 150 МГц—К175УВ4. Находят применение также усилители серий К118 и К235.
ОСНОВНЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
После предварительного усиления измеряемый сигнал подвергается дальнейшему усилению до заданного уровня. При этом в аналоговой электроразведочной аппаратуре над сигналом обычно выполняются различные операции. Например, фильтрация (выделение или подавление отдельных составляющих), сложение — вычитание, умножение— деление частоты, возведение в степень, логарифмирование - аптилогарифмирова- пне и т. д. Основные усилительные каскады работают при достаточно больших уровнях сигналов, поэтому практически можно нс считаться с их собственными шумами. В то же время амплитуды сигналов не столь велики, чтобы было необходимо учитывать нелинейность амплитудных характеристик усилительных элементов.
Основные усилители низкочастотных сигналов
Усиление сигналов низких частот (от постоянных и очень медленно изменяющихся напряжений до напряжении с частотами в десятки — сотни килогерц) в измерительной аппаратуре наиболее часто осуществляется усилителями, выполненными на операционных усилителях в интегральном исполнении. Операционным принято называть усилитель постоянного тока с дифференциальным симметричным входом, имеющий высокое входное и низкое выходное сопротивления, большой коэффициент усиления и нулевые потенциалы входов и выхода относительно общей точки источников питания (в отсутствии входных сигналов).
Один из входов операционного усилителя принято называть инвертирующим, поскольку напряжение сигнала, поданного на этот вход в одной полярности, появляется на выходе в другой полярности (инвертированным). Инвертирующий вход на схемах обозначается Знаком «минус». Второй вход операционного усилителя является пеинвертирующим, полярность усиливаемого сигнала не изменяется и обозначается на схемах знаком «плюс». Наличие у операционного усилителя двух входов делает его универсальным и существенно расширяет области возможного применения.
Структурная схема инвертирующего усилителя приведена на рис. 19, а. Усилитель А охвачен цепью стабилизирующей обратной связи путем подключения резистора R2 между выходом и инвертирующим входом 1. Если входное сопротивление опе-
Рнс. 19. Схемы инвертирующего («), ненннергнрующего (б) и дифференциального (я) усилителей
52
рационного усилителя велико (Rnx—*°°) и выходное сопротивление мало (Квых—*-0) при достаточно большом коэффициенте усиления Ко (без обратной связи) токи Л и К равны и определяются как:
I^U^Ri; Ia--Uuux!R2
или
иах-1гК1;U№X = -UR2.
Поэтому коэффициент усиления с учетом отрицательной обратной связи
KSI = U™X!UBX - -1гК2!1хК1~ R2]RL
Таким образом, изменяя соотношения сопротивлений резисторов R1 и R2, можно в широких пределах изменять коэффициент усиления. При этом входное сопротивление усилителя равно величине сопротивления резистора RI: Rux^~RR
Неипвертирующий усилитель выполняется но структурной схеме рис, 19, б. Для неинвертирующего усилителя коэффициент усиления Км зависит от глубины отрицательной обратной связи, осуществляемой по инвертирующему входу /:
KM = (R2?RIH^
Входное сопротивление по неинвертирующему входу 2 определяется входным сопротивлением операционного усилителя и может быть очень велико. Например, входное сопротивление нештвертпрующего входа ио постоянному току для операционного усилителя К544УД1А составляет 103 МОм.
При использовании у усилителя двух входов (например, для суммирования — вычитания напряжений) применяется схема, приведенная на рис. 19, в. Коэффициент усиления по инвертирующему входу 1 равен:
КХ1 - -R25R1,
а по неинвертирующему входу 2
К^ = —— f— -| 1).
R3-^R4\Rl)
Реальные схемы усилителей отличаются от приведенных лишь вспомогательными элементами: резисторами балансировки нулевого выходного уровня R4, R5 и конденсаторами Ск коррекции частотной характеристики. На рис. 20, а приведена принципиальная схема инвертирующего усилителя постоянного напряжения с коэффициентом усиления Km = ~R21R1 = -—10 и входным сопротивлением ^пх = /?/ = 510 кОм. Установка нулевого выходного уровня (при отсутствии напряжения на входе) осуществляется с помощью переменного резистора R4. Питание усилителя осуществляется от двух источпи-
ОR2 5.Шб№
Рис. 20. Принципиальные схемы инвертирующего (а) и всиивертируюшсго (б) усилителей на микросхеме К284УД1Л
ков питания (-1-9) и (—9) В, общая средняя точка которых соединена с общей клеммой усилителя.
На рис. 20, б приведена принципиальная схема пеинверти- рующего усилителя переменного тока низкой частоты. Коэффициент усиления равен К^« R2)R 1 = \№; входное сопротивление Лвх^2,7 МОм. Нижняя граничная частота полосы пропускания fM определяется емкостью разделительных конденсаторов С/, С2, СЗ. При этом наиболее сильно влияет емкость конденсатора С/, включенного в цепь отрицательной обратной связи:
U > \l2nRlCL
Верхняя граничная частота полосы пропускания )в зависит от соотношения сопротивлений резисторов R2/RI и емкости корректирующего конденсатора Ск:
/, 5 RU2n\\5CKR2.
Балансировка пулевого уровня в усилителе переменного тока не имеет особого значения и осуществляется достаточно точно, если сопротивления резисторов R2 в R3 равны между собой.
Активные фильтры
В современной электроразведочной аппаратуре инфразвукового н звукового диапазона частот фильтрация сигналов наиболее часто осуществляется с помощью активных фильтров. Под активным фильтром понимается устройство, состоящее из пассивных (RI.C) и активных (усилительных) элементов, включенных таким образом, что образуется единый функциональный узел, охваченный частотно-зависимыми и частотно-независимыми положительными и отрицательными обратными связями. Известно много различных способов практической реализации активных фильтров, из которых в современной электроразведочной аппаратуре наибольшее применение нашли активные м
фильтры, выполняемые на основе операционных усилителей, и гираторные фильтры. Эти типы активных фильтров отличаются высокой стабильностью работы, малой зависимостью частотных характеристик от изменения параметров усилительных элементов it сравнительно небольшим числом используемых элементов.
На основе операционного усилителя можно выполнять различные активные фильтры с одно-двух-трех (и более)-петлевой отрицательной обратной связью. Наиболее прост синтез фильтров с однопетлевой обратной связью (рис. 21), для которых комплексная передаточная функция выражается обычным для операционных усилителей способом
К (/to) — ивих (ja)IUtx (jw) = — Z2 UtoVZl У го),
тле ZHiw) и Z2(/t»)—комплексные передаточные сопротивления пассивных /?1С-цспей на входе усилителя и в цепи обратной связи; /=V—L
располагая /?С-цепями и операционным усилителем с достаточно большим коэффициентом усиления (Ло=1О4), можно конструировать разнообразные активные фильтры. Например, установив на входе операционного усилителя Т-образный фильтр пижпих частот с передаточным сопротивлением
Z1 ^<й^-= —(р^а^Игр2
и включив в цепь отрицательной обратной связи перекрытый Т-образпый /?С-мост (состоящий из резисторов R1—R4 и конденсаторов С1—63) с передаточным сопротивлением
Z2(ia>)-. — (рфа2)/(р2 + а2р + 1),
получим активный RC-фильтр нижний частот (рис. 22,а). Здесь p=jro, й! и к — коэффициенты. Передаточная функция фильтра будет определяться как
К(М«-W+^).
(ра |- «2р + 1) (р ф а^
При синхронной настройке обеих цепей (<^=«2=0; 0,5ca< 2) передаточная характеристика может быть выражена как
/((/<,))= —/((/<,))= —р2фшоор | wgр2фшоор | wg
/((/<,))= —
/((/<,))= —
р2фшоор | wg
р2фшоор | wg
где Xs—коэффициент усиления на нулевой частоте; wn — верх-
Рис. 21. Схема усилителя С однопетлевой обратной связьюРис. 21. Схема усилителя С однопетлевой обратной связью
Рис. 21. Схема усилителя С однопетлевой обратной связью
Рис. 21. Схема усилителя С однопетлевой обратной связью
Рис. 22. Активные фильтры нижних частот с однопетлспой (а) и многопетлевой (б) обратной связью и его передаточная характеристика (а)
няя граничная частота (см. рис. 22, в), на которой коэффициент усиления госта паяет 0,7К2.
Для определения элементов фильтра необходимо задаваться величинами 0,5^а^2; Д2=1-^-102; <»0 и емкостью (меньшего из трех) конденсатора С2. Тогда остальные элементы схемы на рис. 22, а определятся по формулам:
R1 = R2 —;R3-- —;
2A;g(OoC2Ь<ОфС2
R4 ab- 1 ;С / -;
6ш0С2а1
СЗ = ——- ;b .-= 2,5—а.
ab — \
При использовании многопетлевой обратной связи число пассивных элементов может быть сокращено (но при этом несколько ухудшится стабильность работы). Например, при двухпетлевой обратной связи активный фильтр будет иметь схему, приводимую на рис. 22, б. Передаточная функция отображается той же формулой, что и для однопетлевого фильтра, а пассивные элементы рассчитываются по выбранным, как и ранее, значениям а, шо, С/, А 2:
R)=--";R2:“;
2К2й>0С1‘2о>оС1
R3 ^• С2 - —— (Ks + 1) С/.
2(/(s + 1)<.)ПС1 'а= v
Принципиальная схема активного фильтра с однопстлевой обратной связью приведена на даточная функция фильтра отображается какПринципиальная схема активного фильтра с однопстлевой обратной связью приведена на даточная функция фильтра отображается какК (jto) =-■ —К (jto) =-■ —WWверхних частот рис. 23, а. Пере- (рис. 23, z?)верхних частот рис. 23, а. Пере- (рис. 23, z?)р'2 1 <№^0 + togр'2 1 <№^0 + togДля определения элементов фильтра необходимо задаться значениями о)О, Хх=1ч-102, 0,5<ж2 и емкостью конденсатора СЗ. Тогда остальные элементы определяются по формулам:Для определения элементов фильтра необходимо задаться значениями о)О, Хх=1ч-102, 0,5<ж2 и емкостью конденсатора СЗ. Тогда остальные элементы определяются по формулам:С4-^-^_ ab — 1С4-^-^_ ab — 1C/ = C2^2KZC3;C/ = C2^2KZC3;R3 =R3 =аЬ — IЬ<а0СЗ ’аЬ — IЬ<а0СЗ ’
Принципиальная схема активного фильтра с однопстлевой обратной связью приведена на даточная функция фильтра отображается как
Принципиальная схема активного фильтра с однопстлевой обратной связью приведена на даточная функция фильтра отображается как
К (jto) =-■ —
К (jto) =-■ —
W
W
верхних частот рис. 23, а. Пере- (рис. 23, z?)
верхних частот рис. 23, а. Пере- (рис. 23, z?)
р'2 1 <№^0 + tog
р'2 1 <№^0 + tog
Для определения элементов фильтра необходимо задаться значениями о)О, Хх=1ч-102, 0,5<ж2 и емкостью конденсатора СЗ. Тогда остальные элементы определяются по формулам:
Для определения элементов фильтра необходимо задаться значениями о)О, Хх=1ч-102, 0,5<ж2 и емкостью конденсатора СЗ. Тогда остальные элементы определяются по формулам:
С4-^-^_ ab — 1
С4-^-^_ ab — 1
C/ = C2^2KZC3;
C/ = C2^2KZC3;
R3 =
R3 =
аЬ — I
Ь<а0СЗ ’
аЬ — I
Ь<а0СЗ ’
^ЛеЖОоСЗЬш^СЗ
b -2,5—а.
Принципиальная схема двухпетлевого активного фильтра (имеющего примерно такую же, как и у однопетлевого, передаточную характеристику) приведена на рис. 23, б. Для расчета элементов фильтра задаются значениями юо, К^ = 1—102; С/; 0,5<ас2, а остальные элементы определяются по формулам:
С1 = СЗ;С2 = СНК2;
XAs /XAs /
XAs /
XAs /
Рис. 24. Активные полосовые фильтры с одиопетлевон (а) и ниогопстлевой (б, г) обратной связью и его передаточная характеристика (в)Рис. 24. Активные полосовые фильтры с одиопетлевон (а) и ниогопстлевой (б, г) обратной связью и его передаточная характеристика (в)
Рис. 24. Активные полосовые фильтры с одиопетлевон (а) и ниогопстлевой (б, г) обратной связью и его передаточная характеристика (в)
Рис. 24. Активные полосовые фильтры с одиопетлевон (а) и ниогопстлевой (б, г) обратной связью и его передаточная характеристика (в)
Однопетлевой вариант активного полосового фильтра (селективного избирательного усилителя) приведен па схеме рис. 24, а. Передаточная функция фильтра
К(/<») = -К(/<») = -К £to<>p
К(/<») = -
К(/<») = -
Р1 4- аш^р 4- ю»
где а = д8квн; факи = (Оо/А® — эквивалентная добротность фильтра; Ди — полоса пропускания, определяемая на уровне 0,7Кт (см. рис. 24,6).
сз^сз^Пассивные элементы фильтра определяются по заданным значениям /(5 = 1ч-10, фаии = 5-:-50 п емкости конденсатора С2. Тогда:
сз^
сз^
R3 — -d^l-;a9C2 ’R3 — -d^l-;a9C2 ’R4 - d 1 1 ■ R3.dR4 - d 1 1 ■ R3.d
R3 — -d^l-;
a9C2 ’
R3 — -d^l-;
a9C2 ’
R4 - d 1 1 ■ R3.d
R4 - d 1 1 ■ R3.d
С4=^-;
1 + и
(2,5-«)(!-' a) .
2 4- a
Rl =-;
юоСЗК^
R2 -= — — ; toC2
С/ =
KsC2 d *
dC2 d - Т
Двухпетлевой вариант селективного #С-усилителя имеет принципиальную схему, приводимую на рис. 24, г. Для определения /?С-элементов, так же как и ранее, задаются значениями
Q»nB=5-f-50; K2 = l-e-10 и емкостью конденсатора С2, после чего рассчитываются значения остальных элементов по формулам:
С1=С2 = С; a^Q7«.
Ri -- [(OeCKj-1; R2- [®оС(-^- — Ks)]"';
R3 ^2 lawoC]-1.
Разновидностью селективного /?С-усилйтеля с мпогопетлевой обратной связью является активный фильтр, принципиальная схема которого приведена на рис. 24,6. В фильтре использован симметричный двойной Т-образный RC-moct, включенный в цепь обратной связи таким образом, что входной сигнал входит в «ножку» моста. Передаточная функция фильтра
«>,р
р2 ц.айцр |wg
где a = Qoi;D~1; Qokb= (№4-1)/4; m0=\IRC; Ко — коэффициент усиления без обратной связи.
В последние годы в электроразведочной аппаратуре инфразвукового диапазона частот (например, ЛНЧ-3) селективные усилители выполняются на основе гираторов, что позволяет сократить число пассивных частотозадающих элементов фильтра до двух.
Гиратором принято называть устройство, составленное из двух операционных усилителен: инвертирующего А1 и пеин- вертирующего А2, включенных встречно-параллельно (рис. 25, а). Уравнение передачи идеального гиратора, нагруженного на сопротивление ZH (без учетов знаков напряжений и тока), имеет вид:
U УХ = Rpl вых!^ВЫХ — ^вых//?г,
где Rr — сопротивление тирании, отображающее усилительные
свойства используемых операционных усилителей и величины их входных и выходных сопротивлений.
Из уравнения передачи гиратора можно найти его входное сопротивление
ZBx = UBX!1BX _ I Bb1xRrl U вых,
но
/вых' ^ВЫХ 1/ZH,
поэтому
zBX = №B.
Если гиратор нагружен на конденсатор С», то его выходное сопротивление имеет индуктивным характер:
= Rr Г —- j^^-L j»cR J
Поэтому, если на входе и выходе гиратора поставить конденсаторы (см. рис. 25,6), то получится активный фильтр, эквивалентный последовательному LC-контуру. Если сопротивление тирания достаточно велико (7?Г»Ю кОм), то гиратор позволяет имитировать индуктивность в несколько десятков генри при конденсаторе со сравнительно малой емкостью (десятые доли — единицы микрофарад) и тем самым создавать весьма малогабаритные высокодобротные, достаточно стабильные активные фильтры.
Очень часто в аппаратуре, работающей в диапазонах инфразвуковых и звуковых частот, устанавливаются режекторные активные фильтры, настроенные на частоту промышленной сети переменного тока 50 Гц и ее высокочастотные гармоники
Рис. 26. Режекториый фильтр (а) и его передаточная характеристика (б) 60
(обычно 150 Гц, иногда и 100 Гц). Режекторные активные фильтры выполняются па основе симметричного двойного Т-образного моста и неннвертирующего усилителя (повторителя) с коэффицептом передачи Кг = 1 (рис. 26,а). При этом в активном фильтре действует положительная обратная связь, улучшающая его фильтрируютие свойства, но практически не уменьшающая его стабильности. Эквивалентная добротность рсжектормого фильтра, выполненного ио схеме рис. 26, а, определяется как
Q,Ke-0,25/(l-/(,.),
где К г™ коэффициент передачи операционного усилителя, охваченного 100 %-ной отрицательной обратной связью.
Частота режскдип определяется частотой настройки Т-иб- разпого /?С-моста и в данной симметричной схеме равна соо= = \)RC (см. рис. 26,6).
^ 11. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
В современной электроразведочиой аппаратуре непрерывные (аналоговые) геофизические сигналы преобразуются в цифровые с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) прямого действия. Процесс прямого преобразования заключается в одновременном (параллельном или последовательном) сравнении аналоговой величины напряжения сигнала L/c с набором дискретных значений эталонного напряжения MJ и, таким образом, в определении приближенного дискретного значения непрерывного сигнала
N
Ut« 2 ЫШ.
6=0. 1.2.. . .
Результат сравнения обычно представляется в двоичном коде. В обшем случае параллельный АЦП содержит набор источников GB1, .... GBN эталонного напряжения N^U схемы сравнения и дешифратор (рис. 27,а), позволяющий представить результат преобразования в двоичном коде. Преобразователи, выполненные по параллельной схеме, обладают предельно возможным быстродействием, поскольку сравнение сигнала происходит одновременно (параллельно) со всеми эталонами, но имеют очень сложную схемную реализацию. В самом деле, при преобразовании аналогового сигнала в ^-paзpядный двоичный код необходимо иметь (2N—1) схем сравнения, столько же источников эталонного напряжения и сложную схему дешифратора. Поэтому параллельные АЦП в геофизике применяются редко.
На рис. 27,6 приведена структурная схема часто применяемого АЦП с последовательным сравнением напряжения
Рис. 27. Аналого-цифровые преобразователи параллельного (а), последовательного (б) типов, форма вырабатываемого АЦП ступенчатого напряжения (а) и масштабный усилитель (г), применяемый при преобразованииРис. 27. Аналого-цифровые преобразователи параллельного (а), последовательного (б) типов, форма вырабатываемого АЦП ступенчатого напряжения (а) и масштабный усилитель (г), применяемый при преобразованиислабых сигналов
Рис. 27. Аналого-цифровые преобразователи параллельного (а), последовательного (б) типов, форма вырабатываемого АЦП ступенчатого напряжения (а) и масштабный усилитель (г), применяемый при преобразовании
Рис. 27. Аналого-цифровые преобразователи параллельного (а), последовательного (б) типов, форма вырабатываемого АЦП ступенчатого напряжения (а) и масштабный усилитель (г), применяемый при преобразовании
сигнала Uc с напряжением ступенчатой формы kMJ (см. рис. 27, в). Работа АЦП происходит следующим образом. В некоторый момент времени, принимаемый за начальный, устройство управления подключает через ключ генератор тактовых импульсов к счетчику, состоящему из последовательно соединенных стандартных двоичных триггеров. В исходном состоянии все триггеры устанавливаются в нулевое состояние. Как только поступает первый импульс от генератора, первый триггер переключается и на его выходе появляется напряжение «1». Это напряжение подается на соответствующий вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), в результате чего па выходе преобразователя появляется эталонное напряжение MJ, величина которого обычно не превышает 0,5—I мВ. Это напряжение подается на один из входов схемы сравнения, па другим входе которой действует напряжение ски пала Ц-
Если напряжение сигнала меньше первого эталонного напряжения А(7. то на выходе схемы сравнения появляется напряжение «1», вызывающее срабатывание устройства управления и отключение счетчика от генератора импульсов. Если U^.XU, то на выходе устройства управления появляется напряжение «0» и на вход счетчика поступает следующий импульс, переключающий первый триггер в исходное состояние
«О», а второй в состояние «1». В результате этого цифро-аналоговый преобразователь выдает напряжение 2ДЦ которое сравнивается с напряжением сигнала Цс.
Если (7С>2Д(/, то процесс сравнения продолжается до тех пор, пока Uc^NMJ. При этом происходит отключение генератора импульсов от счетчика, который «запоминает» число поступивших от генератора импульсов в двоичной форме, а следовательно, и абсолютное значение и номер «ступеньки» NAU, при которой U,,~NAU, где А^Опг^+ая^г'1""1+ ...-Юо2°, а коэффициенты равны или «О», или «1». Результат измерений выводится в виде цифрового параллельного кода, снимаемого с выходов триггеров счетчика.
В тех случаях, когда измеряемый сигнал изменяется в широких пределах и может быть мал (единицы — десятки микровольт), преобразование непрерывного сигнала в цифровой код •с помощью рассмотренного АЦП производится с большой по- грешвостью, и тем большей, чем меньше величина сигнала. Например, если величина напряжения ступени ДЦ=10 мкВ, то в 14-разрядном АЦП максимальный входной сигнал Uc (равный AU-2|4 = 1,6384 В) преобразуется с ошибкой в тысячные доли процента. В то же время погрешность преобразования сигнала малого уровня, например напряжения, несколько меньшего 20 мкВ, может достигать почти 100 %. В таких случаях в схему АЦП вводят входной дискретно масштабируемый усилитель (см. рис. 27,г), коэффициент усиления которого может изменяться дискретно, с шагом «2» в заданных пределах. Это достигается включением в цепи отрицательной обратной связи резисторной матрицы R— 2R, состоящей из прецизионных резисторов R, 2R, 4R, ..., 2NR, коммутируемых ключами KI, К2, КЗ,..., KN.
В таком АЦП сигналы со сравнительно большим уровнем преобразуются без усиления, а малые — с усилением (и тем большим, чем меньше величина сигнала). Это, однако, не означает, что можно преобразовывать безошибочно любые, сколь угодно малые сигналы. Дело в том, что любой, даже самый совершенный усилитель имеет собственные шумы, которые накладываются на сигнал и вызывают ложные срабатывания схемы сравнения.
В геофизической аппаратуре часто применяются цифро- аналоговые преобразователи, выполненные на основе резистивных матриц R— 2R. На рис. 28, а приведена упрощенная схема 10-разрядпого ЦАП, который состоит из резистивной матрицы R— 2R, десяти ГМОП-ключей (АЛ ..., А/0) и суммирующего ■операционного усилителя А. Управление ЦАП осуществляется по десяти цифровым входам — /, ..., 10.
В исходном состоянии па цифровых входах /, ..., 10 действуют напряжения, отображающие логические «0» («Лог. 0») и ключи находятся в положениях «0», вследствие чего на выходе суммирующего повторителя Л напряжение равно нулю.
Рис. 28. Схема цифре аналогового преобразователя (а) и пример его использования в качестве генератора ступенчатого напряжения (5)
Если на цифровом входе 10 старшего значащего разряда (СЭР) действует напряжение логической «1» («Лог. Ь), то происходит переключение ключа КЮ в положение «1» и па выходе появляется напряжение, равное половине опорного напряжения Um; (/„,,1x10=^011/2.
Если напряжение логической «1» действует на цифровом входе 9 (на всех остальных — «О»), то (7выхд=(/пп/4.
Если напряжение «Лог. 1» действует па цифровом входе к, то
UBblxk= {Uon/2N]2k~\
где N — число цифровых входов (число разрядив ЦАП); к = = 1, ..., N. Когда напряжения логических «О» н «1». действуют одновременно на нескольких входах, то напряжение па выходе ЦАП равно сумме напряжений:
-V
li-i
где bk— 1 или 0 в зависимости от положения ключа. Например, 64
сели на цифровые входы подастся двоичное 10-разрядпое число 1110000000, то на выходе ЦАП будет действовать напряжение
UBMX - (С/оп/2'°) (1 • 2* -Ц • 2» , 1 ■ 24" 0 - 2" -| 0 - 2А+
4-0.24-0.2s4-о.24 Q.21 4-0-24= — ^,
пропорциональное цифровому коду.
Помимо преобразования цифровых сигналов в аналоговые напряжения, ЦАП широко используются в качестве генераторов ступенчато изменяющегося напряжения при построении АЦП. В этом случае цифровые входы ЦАП подключаются к выходам двоичного счетчика импульсов, составленного из последовательно соединенных двоичных триггеров Тгк .-., TeN (см. рис. 28,6). В исходном состоянии на выходах триггеров действует напряжение логических «0»; все ключи в ЦАП закрыты и на выходе напряжение равно пулю. При воздействии на вход счетчика первым импульсом происходит переключение первого триггера, на его выходе появляется напряжение «Лог. 1», переключается ключ младшего значащего разряда ЦАП и на выходе появляется напряжение Ппых ^Uou/^^AU.
При воздействии на вход счетчика вторым импульсом происходит переключение Tel и Тг2. При этом первый триггер переключается в исходное состояние и на его выходе появляется напряжение «Лог. 0», а на выходе второго триггера появляется «I». В результате в ЦАП срабатывает ключ К2 и на выходе появляется напряжение UUUn2 — 2W.
После воздействия 3-го импульса на выходе ЦАП действует напряжение Уоыху = ЗД^, после 4-го — иоых t = 4MJ и т. д. Таким образом, генерируется ступенчато изменяющееся напряжение, с которым может сравниваться напряжение преобразуемого в цифровую форму аналогового сигнала.
ВЫХОДНЫЕ АМПЛИТУДНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
6565В электроразведочной аппаратуре, предназначенной для измерения интенсивности переменных электромагнитных полей, после основных усилителей н промежуточных преобразователей включаются выходные амплитудные преобразователи, которые преобразуют подлежащие измерению параметры интенсивности сигнала в постоянное напряжение (ток), которое затем измеряется с помощью измерительных приборов постоянного тока: магнитоэлектрических приборов со стрелочным отсчетом, электронных, светолучевых (гальвапометрнческих или шлейфовых), термографических или электрографических осциллографов, самописцев и вольтметров постоянного тока с цифровым отсчетом.
65
65
Заказ К" 1287
Преобразователи средневыпрямленных значений синусоидальных напряжений
Принципиальная схема простейшего преобразователя срел- невыпрямленных значений приведена на рис. 29, у. Преобразователь состоит из двухполуперводного выпрямителя, выполненного в виде мостика из четырех диодов VD1— VD4, цепи компенсации нелинейности (резисторы R1, R2, диоды VD5, VD6^ и конденсатора фильтра Сф. К выходу преобразователя подключен измерительный прибор PV. Нелинейность вольт-амперных характеристик выпрямительных диодов особенно сильно проявляется при малых напряжениях (до 0,3—0,5 В). Если на выходе выпрямителя установить цепочку, состоящую из двух диодов VD5 и VD6 (идентичных диодам УШ — VD4^ и резистора R2, то нелинейность начального участка .вольт-амперной характеристики будет в значительной степени скомпенсирована.
Действительно, при малых напряжениях сопротивление выпрямительных диодов VD1 — VD4 велико, поэтому напряжение на выходе выпрямителя мало. По при этом велико сопротивление диодов VD5 и VD6, вследствие чего выход выпрямителя сравнительно мало шунтируется. Если напряжение на входе выпрямителя увеличивается, то сопротивление выпрямительных диодов уменьшается и напряжение на выходе выпрямителя увеличивается, по сопротивление диодов VD5 и VD6 уменьшается, поэтому увеличивается шунтирующее действие цепи VD5, VD6 и напряжение па входе преобразователя уменьшается.
Таким образом, увеличению падения напряжения (при малых сигналах) на выпрямительных диодах соответствует уменьшение шунтирующего действия компенсирующей цепи (и наоборот). В результате при идентичности характеристик всех диодов происходит почти полная линеаризация преобразователя.
Рассмотренный преобразователь имеет симметричный (относительно общего корпуса) выход или вход (если преобразователь работает от трансформатора), что затрудняет его применение на инфразвуковых частотах. Поэтому в низкочастотной аппаратуре обычно используются несимметричные двухполупе- риодные выпрямители (см. рис. 29,6), выполненные на операционных усилителях А, работающих в режиме инвертора (усилителя, изменяющего полярность входного напряжения и имеющего коэффициент усиления К=—R2JR\. = 1).
Во время положительного полупериода преобразуемое напряжение поступает на выход преобразователя через диод УШ и резистор R3. Отрицательный полупериод входного сигнала Инвертируется операционным усилителем А и через диод VD2 поступает также в положительной полярности па выход. Нелинейность диодов компенсируется цепочкой R3/VD3. Достоинством преобразователя в виде двухполуперводного выпрямителя является его несимметричный выход, однако линейность его ам- 66
Рнс. 29. Преобразователи среднее ыпря пленных значений сигнален.
а^ симметричного пассивного, б — несимметричного е инвертором, ^ — простейшего активного, г —активного с разделенными цепями обратной связи по переменному и по* стояниому току
плитудной характеристики для многих случаев (порядка ±1 %) оказывается недостаточной.
Улучшение линейности (до десятых — сотых долей процента) может быть достигнуто в активных преобразователях с отрицательной обратной связью (см. рис. 29, в). В таком преобразователе выпрямительный диодный мост VD! ■ - VD4 включен в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя Л между его входом п выходом. В связи с этим коэффициент усиления системы в целом зависит от уровня входного сигнала: чем сигнал меньше, тем суммарное солротявление выпрямительного моста больше и гем больше коэффициент усиления и напряжения сигнала па выходе усилителя.
Таким образом, происходит компенсация падения напряжения на выпрямительных диодах при малых уровнях сигнала и зависимость между входным и выходным напряжениями преобразователя становится строго линейной в диапазоне от нескольких милливольт до нескольких вольт. Для улучшения работы преобразователя и независимости регулировки режимов по постоянному и переменному току часто используется несколько иной вариант амплитудного преобразователя — с раздельными пенями обратной связи но постоянному и переменному току (см. рис. 29,г).
В данном случае исходный режим работы операционного усилителя задается, как н обычно, с помощью резисторов R1 и R2. Напряжение сигнала выпрямляется с помощью диодного моста VD1- VD4, подключенного к выходу операционного усилителя через конденсатор СЗ и резистор R4. При работе преобразователя на. резисторе R4 появляется переменное напряжение U<> с, которое используется в качестве напряжения отрицательной обратной связи, подаваемой па вход операционного усилителя через цепочку R3C2.
Напряжение L/o-<. пропорционально току, протекающему через выпрямительные диоды VD1 — VD4, вследствие чего при малых уровнях сигнала сопротивление диодов велико н ток через диоды мал. Соответственно напряжение Uu.r. невелико, глубина отрицательной обратной связи мала, поэтому коэффициент усиления операционного усилителя возрастает. При больших уровнях сигнала сопротивление диодон мало, и глубина отрицательной обратной связи увеличивается, а коэффициент усиления уменьшается. Следовательно, параметры преобразователя всегда можно рассчитать так, что нелинейность выпрямительных диодов будет практически полностью скомпенсировала действием отрицательной обратной связи.
Преобразователи амплитудных значений синусоидальных и импульсных напряжений
Амплитудное (наибольшее за период) значение синусоидального напряжения может быть измерено с помощью преобразователя амплитудных значений синусоидальных напряжений 68
Рис. 30. Однополуиернодные (а) и двухполуиерподные (6) преобразователи амплитудных значений синусоидальных напряжений
(рис. 30,а). При подаче на первый вход напряжения сигнала диод VD1 пропускает на конденсатор С/ только положительные полупериоды напряжения. Если постоянная заряда т3 = С/Х X (Яд.u+Явых) мала, а постоянная разряда тР=С/(/?д. об/^вх) (где /?д.п и R^ об — соответственно прямое и обратное сопротивления диода; /?пх— входное сопротивление полевого транзистора) велика, то постоянное напряжение па конденсаторе С/ будет равно амплитуде входного сигнала. Это напряжение измеряется с помощью вольтметра PV, подключенного к выходу истокового повторителя.
Разряд конденсаторе! С1 производят нажатием кнопки SA1. Если необходимо измерить полный размах напряжения — от максимальной величины напряжения в области положительных значений до максимальной величины в области отрицательных значений, то применяется преобразователь, схема которого приведена на рис. 30,б. Основу преобразователя составляет двух- полуперподпый выпрямитель амплитудных значений, выполненный на диодах VD1, VD2 и конденсаторах С1 и С2. Конденсатор С/ заряжается до напряжения положительной амплитуды сигнала, а С2— до отрицательной. Напряжения с конденсаторов подаются на инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя Л, в результате чего на конденсаторе СЗ действует напряжение, пропорциональное суммарному напряжению на конденсаторах С/ и С2.
Недостатком рассмотренных преобразователей является нелинейность их амплитудных характеристик, обусловленная нелинейностью вольт-амперных характеристик диодов. Нелинейность, как и у преобразователей средпевыпрямленных значений, компенсируется отрицательной обратной связью.
Применение ключевых элементов (вместо выпрямительных диодов) п амплитудных преобразователях практически полностью снимает проблему линейности выпрямительных диодов и позволяет создавать высокоточные преобразователи амплитудных, средневыпрямлепных и мгновенных значении измеряемых сигналов.
Управление работой ключевых элементов осуществляется от операторного устройства (однако при этом необходима коррек-
69
тировка фазового сдвига) или автономно путем формирования сигналов управления непосредственно из преобразуемого сигнала. На рис. 31,о приведена схема синхронного преобразователя средневыпрямленных значений синусоидальных напряжений, основанная на ключевом двухполупериодном выпрямителе, синхронно переключаемом при изменениях полярности входного сигнала. Напряжение управления ключами и«(Д формируется из входного синусоидального напряжения путем его усиления— ограничения (см. рис. 31,6) операционным усилителем А 2 с коэффициентом усиления примерно 103.
Во время положительных полупериодов входного сигнала из него формируется прямоугольное напряжение отрицательной полярности (см. рис. 31,б),которым отпирается транзистор VT2, имеющий p-канал, и запирается транзистор VT1, имеющий п-ка- нал. Через открытый транзистор VT2 напряжение во время положительного полупериода входного сигнала поступает на вход интегратора Ин. Во время отрицательных полупериодов входного сигнала открыт транзистор VT1 и заперт VT2. При этом на вход интегратора поступают также импульсы положительной полярности, инвертируемые из отрицательных полупериодов входного сигнала усилителем АЛ.
Таким образом, в результате работы этого преобразователя на его выходе, как и в обычном преобразователе (например, диодном), действует выпрямленное входное напряжение (см. рис. 31,6).
Достоинством рассмотренного синхронного преобразователя, наиболее полно проявляющимся в режиме внешнего управления, является его селективность. Постоянная составляющая в преобразованном сигнале может появиться только в случае
Рис. 31. Ключевой амплитудный преобразователь (с) и эпюры напряжений, поясняющие его работу (б)
70
когерентности входного и управляющего сигналов. Вследствие этого все шумы и помехи, сопутствующие входному сигналу, проходят через преобразователь без выпрямления, не дают постоянной составляющей и поэтому могут быть отфильтрованы с помощью фильтра. В связи с этим в электроразведочной аппаратуре, особенно при работе в диапазонах звуковых радиочастот, синхронные выпрямители находят широкое применение.
ВЫХОДНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ
Выходные преобразователи фазовых измерителей современной электроразведочной аппаратуры по принципу действия делятся па амплитудные и временные. Амплитудные (или векторе мерные) фазовые измерители основаны на преобразовании фазового сдвига между измеряемым и опорным сигналами в постоянное или переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна фазовому сдвигу.
Во временных фазовых измерителях фазовый сдвиг преобразуется во временной интервал — в простейшем случае в последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых строго пропорциональна фазовому сдвигу.
Фазовые измерители амплитудного действия
Если имеются два синусоидальных напряжения соответственно измеряемого Uc (0 - t/cSin (wZ+tp) и опорного t/on(0 = = t/,msin(of сигналов (рис. 32, а, б), то по измерениям их амплитуд Uс и и,)Гт и амплитуды суммарного сигнала U2 можно вычислить фазовый сдвиг между этими сигналами:
^z(0-= (/c(0 + ^on(0=”^zsin(6>N ф);
|(7 2 = Vu? + C/о,, + 2i/^vn cos <р ;
ф —arctg — ^s^.
О о» + Uccns^
Если амплитуды опорного и измеряемого сигпалов равны Uг = U(JU = U, то U s =2l/cos(qV2). Отсюда ip=arclg(<72/2£/).
Таким образом, с помощью сумматора X и вольтметра Р\ можно проводить измерения фазовых сдвигов. При этом шкала вольтметра может быть проградуирована непосредственно в угловых градусах. Погрешность измерений в основном определяется погрешностью работы вольтметра и обычно не превышает 1—2 %.
Если в цепи опорного сигнала (см. рис. 32,в) установить регулируемый фазовращатель и аттенюатор, то фазовый измеритель может работать по суммируемому принципу: когда at. плитуды измеряемого и опорного сигналов одинаковы, то при
?1
Рис. 32. Фазовые измерители амплитудного действия.а — векторные диаграммы намеряемого t/c и опорного Uotl сигналов: б фазометркомпенсационного типа; в — то же, суммирующего типаРис. 32. Фазовые измерители амплитудного действия.а — векторные диаграммы намеряемого t/c и опорного Uotl сигналов: б фазометркомпенсационного типа; в — то же, суммирующего типа
Рис. 32. Фазовые измерители амплитудного действия.
а — векторные диаграммы намеряемого t/c и опорного Uotl сигналов: б фазометр
компенсационного типа; в — то же, суммирующего типа
Рис. 32. Фазовые измерители амплитудного действия.
а — векторные диаграммы намеряемого t/c и опорного Uotl сигналов: б фазометр
компенсационного типа; в — то же, суммирующего типа
синфазности сигналов амплитуда суммарного сигнала удваивается, а при противофазное™ — равна нулю.
Противофазный компенсационный режим используется чаще, поскольку при этом вольтметр играет роль пуль-индикатора и его погрешность и стабильность работы, нелинейность характеристик и другие параметры практически не влияют на измеряемый сигнал. При этом погрешность измерений определяется только погрешностью градуировки фазовращателя и стабильностью его параметров. Подобного типа измерители используются при работе в области достаточно высоких частот (сотни герц и выше), где конструирование точных и стабильных фазовращателей не представляет особенной сложности.
УсУсRe Uq ^опRe Uq ^опВ настоящее время широко используется квазикомпенсаци- опный метод, который основан на компенсации лишь активной Re^c компоненты сигнала противофазным ей опорным напряжением — Uon (рис. 33). Это обусловлено тем, что квазнкомпен- сационные измерения проводятся с помощью простой аппаратуры, которая легко калибруется и имеет малую погрешность (сотые доли процента). Фазовый сдвиг на 180° в опорном канале обеспечивается инвертирующим усилителем или трансформатором. Изменение амплитуды опорного сигнала достигается стандартным аттенюатором. При работе на высоких частотах в качестве сумматора используется трансформатор с тремя обмотками (сигнальной, опорной и выходной), а при работе па низких частотах — усилитель с дифференциальным входом, набор резисторов и т. д.
Ус
Ус
Re Uq ^оп
Re Uq ^оп
Рис. 33. Диаграммы, поясняющие работу кпазикомиеисаци- онных фазовых измерителей
Фазовый сдвиг можно также определить и по произведению измеряемого и опорного напряжений
U (0 _ Uc V) ит (П - -^L, cos ф _ _£^ cos (2й/ + ф) _
— У пост ^лер-
Зная амплитуды измеренного Uc и опорного Уоп сигналов и измерив ла выходе постоянное напряжение С/пост, можно определить фазовый сдвиг ((| = аг^(2УПост/УсУ<>п).
Важнейшей особенностью фазометров, основанных па использовании произведения сигналов, является их высокая помехоустойчивость, поскольку измеряемая постоянная составляющая па выходе появляется только при когерентности частот измеряемого и опорного сигналов. Поэтому все помехи и шумы, наложившиеся на измеряемый сигнал на пути его распространения от генераторного устройства к измерительному, при перемножении дадут переменные напряжения, которые могут быть сравнительно легко отфильтрованы. Фазометры перемножающего типа в настоящее время выполняются на основе синхронных детекторов.
Время-импульсные фазометры
Во врсмя-импульспых фазометрах из измеряемого Uc и опорного Uon сигналов (рис. 34, о) в моменты их переходов через пулевые значения формируются прямоугольные импульсы У/ и Umi, временной сдвиг Xt между которыми пропорционален фазовому сдвигу. Длительность импульсов измеряется с помощью стандартных измерителей временных интервалов. Измерители временных интервалов, применяемые в современных электроразведочных фазометрах, выполняются на основе интеграторов (см. рис. 34,6) или электронных счетчиков (см. рис. 34,в). Измерители на основе интеграторов отличаются простотой при достаточно высокой точности измерений (десятые доли процента) и широко применяются в области высоких частот (>i Гц).
В фазометрах па основе интеграторов измерения проводятся следующим образом. Импульс управления, пришедший по опорному каналу через формирователь импульсов ФИ2 (см. рис. 34,6), производит с помощью ключа К подключение источника GB эталонным напряжением £о к интегратору Ин. При этом начинается заряд конденсатора С, входящего в состав интегратора, током неизменной величины (/я= const), в результате чего через время Xt, когда приходит импульс из сигнального канала через формирователь импульсов ФИ1, на конденсаторе имеется заряд q = f3Xi. Ио заряд па конденсаторе q= — И^С, поэтому напряжение на конденсаторе Uv.=qiC= — t,k!C^ Xt = kXt, где k^LJC— постоянная величина, пропорцио-
a
Рис. 34. Эпюры напряжений (а), поясняющие работу время-импульс - пых фазометров на основе интегратора (6) и цифровой (у)
налитая величине измеряемого временного интервала. Это напряжение измеряется вольтметром PV.
С понижением частоты измеряемых сигналов (<1 Гц) постоянную времени интегрирования приходится увеличивать до нескольких десятков—сотен секунд, что затрудняет начальную, нулевую установку прибора и проведение измерений в полевых условиях. В связи с этим в низкочастотных фазометрах используются электронно-счетные измерители (см. рис. 34, в), в которых импульсы, приходящие из опорного канала, подключают генератор импульсов с частотой Г« и амплитудой Ги к электронному счетчику, а импульсы из сигнального канала отключают его. Результат измерений регистрируется с помощью цифрового индикатора, проградуированного в единицах угловых градусов или единицах времени. В последнем случае фазовый угол вычисляют по формуле
Ф = 360(Д(/Т)^360ДГД
где Д/ абсолютное значение временного сдвига между опорным и измеренным напряжениями; 7, /—период и частота измеряемого напряжения.
ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА И УСТРОЙСТВА ВИЗУАЛЬНОГО ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Цифровые оперативные и долговременные запоминающие устройства (ЗУ) в электроразведочной аппаратуре предназначены для приема, хранения и воспроизведения информации, представленной цифровыми кодами.
Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) используются для кратковременного хранения информации, получаемой в процессе проведения (или обработки) измерений. При отключении питания электроразведочной аппаратуры хранимая в ОЗУ информация разрушается. Для обеспечения возможности запоминания и считывания информации в любой произвольный момент времени после выполнения измерений применяются долговременные запоминающие устройства, из которых наиболее часто используют полупроводниковые достоянные запоминающие устройства (ПЗУ) и цифровые магнитофоны.
Долговременные запоминающие устройства обеспечивают храпение информации при выключенных источниках питания, что позволяет применять их также для хранения программ работы генераторно-измерительных устройств. Кроме того, па цифровые магнитофоны записывают результаты полевых измерений, которые в дальнейшем либо вводятся в ЭВМ для выполнения количественной интерпретации, статистической обработки и т. п„ либо используются для построения карт и графиков распределения электроразведочных параметров по исследуемой площади.
Среди полупроводниковых ПЗУ выделяют однократно программируемые (ППЗУ) и многократно репрограммируемые (РПЗУ) запоминающие устройства. Первые позволяют записывать в ячейки памяти заданную программу на этапе изготовления конкретного типа электроразведочиой аппаратуры. Средства записи информации в ПЗУ являются сравнительно энергоемкими, а сама запись требует достаточно много времени. В связи с этим в полупроводниковые ПЗУ результаты полевых измерений не записываются.
По способу хранения информации оперативные запоминающие устройства делят на статические и динамические. В статических запоминающих устройствах, выполняемых на основе триггеров, записанная информация сохраняется в течение длительного времени, пока не отключится питание. В динамических ОЗУ время храпения информации обычно ограничено несколькими десятками миллисекунд, вследствие чего необходима се периодическая перезапись, т. е. регенерация.
Элементной базой полупроводниковых запоминающих устройств являются большие интегральные схемы (БИС ЗУ). Конструктивно БИС ЗУ состоят из накопителя и схем обрамления. Накопитель имеет А' ячеек; он предназначен для хранения информации и представляет собой матрицу запоминающих элементов, содержащую V^ строк и aJ N столбцов. Запоминающие элементы статических БИС ЗУ выполняются на основе триггеров. В динамических .запоминающих элементах информация наиболее часто хранится в виде заряда на конденсаторе, включенном последовательно с полевым транзистором. Так как закрытый полевой транзистор имеет очень большое, но вполне определенное сопротивление утечки (/?>■>-108, .... 1012 Ом), то запоминающий конденсатор, емкость которого десятки—сотни пикофарад, с течением времени разряжается, что требует периодического восстановления (регенерации) заряда на нем.
Запоминающие элементы РПЗУ часто выполняют в виде нолевого транзистора с изолированным затвором. При записи информации на емкости «изолированный затвор — основание» накапливается отрицательный заряд, который открывает транзистор и может храниться в течение длительного времени (тысячи часов), поддерживая транзистор в открытом состоянии. Для стирания информации затвор полевого транзистора облучают ультрафиолетовыми лучами (или другими видами ионизирующих излученй), в результате чего накопленный на затворе заряд устраняется и транзистор запирается.
В схему обрамления БИС ЗУ входят адресная и числовая части, а также блок местного управления.
Адресная часть содержит дешифраторы строк и столбцов и обеспечивает выдачу па выход БИС информации, записанной в тот запоминающий элемент, адрес которого соответствует числовой комбинации двоичных сигналов, поданной па адресные 76
входы БИС. Числовая часть содержит усилители записи — считывания, с помощью которых передача информации от входа БИС ЗУ К выбранному запоминающему элементу (при записи) или от выбранного запоминающего элемента к выходу БИС ЗУ (в режиме считывания).
Блок местного управления преобразует первичные команды, поданные на входы БИС ЗУ, ио вторичные управляющие сигналы, осуществляющие координацию работы всех узлов в режимах записи, хранения, считывания, регенерации пли стирания информации. Наибольшее распространение имеет одноразрядная организация БИС ЗУ. Структурная схема одной из широко используемых статических БИС ЗУ с такой организацией (серия К.565РУ2) изображена на рис. 35, а (цифрами 1—16 обозначены выводы микросхемы).
Микросхема К565РУ2 содержит 1024 ячейки памяти (статические триггеры), входящие в состав накопителя, выполненного в виде матрицы 32><32 ячейки, пять усилителен адреса строк, пять усилителей адреса столбцов, три входных усилителя, дешифраторы строк и столбцов, входные усилители ввода — вывода, блок местного управления и выходной каскад.
Адрес ячейки памяти накопителя, в которую записывается (или из которой считывается) информация, определяется поразрядным двоичным кодом, который подается на пять адресных входов строк (выводы 4—3 микросхемы) и пять адресных входов столбцов (выводы /, 2, И—16 микросхемы). Режим записи или считывания задается сигналом, подаваемым па вывод <3 микросхемы: если сигнал соответствует «Лог. О» (напряжение 0—0,4 В), микросхема работает в режиме записи, если же «Лог. 1» (2,4—5 В), в режиме считывания. Подлежащая записи информация подается па вывод 11. а выходной сигнал (сигнал считывания) снимается с со вывода 12 микросхемы.
Таким образом, БИС ЗУ (серия К565РУ2) имеет один вход и один выход, а запись информации в накопитель (или ее считывание) проводится последовательно путем поочередной смены кода адреса строк и столбцов. Если объем памяти одной микросхемы (1024 ячеек) оказывается недостаточным, то параллельно соединяют несколько микросхем п информация в них записывается (или считывается) поочередно.
Особенность большинства БИС ЗУ заключается в возможности отключения накопителя от входных и выходных выводов дополнительным сигналом, подаваемым па специальный вывод микросхемы. Так, если на выход /3 подан сигнал «Лог. 1», то нельзя проводить ни запись, ин считывание информации но этой микросхеме, она находится в режимах хранения информации. При этом выходной каскад имеет очень высокое выходное сопротивление, что позволяет соединить выходы нескольких микросхем параллельно и тем самым значительно увеличить объем памяти ЗУ (при этом микросхемы должны работать обя-
Вых. 1рВыкЛбр
Рис, 35. Структурная схема БИС ЗУ серии К565РУ2 (а) и модуль ЗУ. выполненный на этих БИС (б)
загельво строго синхронно-). Выбор же тон или иной микросхемы, которая в заданный отрезок времени должна работать в режиме записи или считывания, проводится путем подачи на вывод 13 этой микросхемы сигнала «Лог. О».
Питается микросхема от источника напряжением 5 В, который подключен к выводам 9—10.
В электроразведочной аппаратуре команды управлении и информация об измеряемых параметрах обычно выдаются в виде 8—16-разрядных слов, поэтому необходимая длина слова памяти достигается включением нескольких БИС ЗУ в модуль ЗУ. Структурная схема такого модуля на 4096 16-разрядных слов с использованием БИС серии К565РУ2 изображена на рис. 35,6. Модуль содержит 64 БИС, включенных в виде матрицы, Матрица имеет четыре строки, а каждая строка состоит из 16 столбцов. Каждый столбец содержит четыре микросхемы К565РУ2, что обеспечивает информационную емкость столбца, равную 4096 одноразрядных слов. На рис. 35, б показан первый столбец, состоящий из микросхем D1.1— D1.4 и 16-й столбец, состоящий из микросхем D16.1 — D16.4.
Адресные входы АО — А9 всех микросхем и входы запись — считывание (Зп/Сч) соединены параллельно. Информационные входы Вх и выходы Вых микросхем каждого столбца соединены также параллельно и образуют соответственно информационные входы (ВхЛр— ВхЛбр) и выходы (ВыхЛр—ВыхЛбр) модуля для каждого разряда 16-разрядиого слова.
Запись и считывание 16-разрядных слов проводится построчно. Для этого вначале устанавливается 10-разрядный код адреса слова, па шипу 3 подается код режима записи (или считывания), а затем на шипу 1 выбора микросхем ВМ первой строки подается сигнал «Лог. 0», переводящий микросхемы первой строки D1Л — D16.1 из режима хранения в режим записи пли считывания. На шинах 2 второй — четвертой строк поддерживается сигнал «Лог. 1», что обеспечивает режим храпения информации в микросхемах, входящих в состав этих строк. Как уже отмечалось выше, в режиме хранения выходные каскады БИС находятся в состоянии «выключено», поэтому на выходы Вых.1р— ВыхЛбр поступает информация только из микросхем цервой строки DL1 — D16.I.
Когда объем памяти первой строки исчерпан (1024 16-разрядных слова), на шину 1 ВМ первой строки подается сигнал «Лог. 1», переводящий микросхемы первой строки в режим хранения, и подается сигнал «Лог. 0» па «ходы ВМ второй строки, затем третьей и четвертой, а переадресовка слов производится так же, как и в первой строке. Таким образом, в модуле ОЗУ поочередно записывается и считывается 4096 16-разрядных слов. При необходимости дальнейшего увеличения объема памяти организуются блоки ОЗУ, состоящие из нескольких модулей и вспомогательных узлов, обеспечивающих необходимую развязку по цепям управления.
Аналогично выполняются модули и блоки постоянных запоминающих устройств (ПЗУ). Измеренные и обработанные данные записываются на магнитную ленту цифровые магнитофоном, печатаются на бумажную ленту цифропечатающим устройством или выводятся на устройства визуального отображения— цифровые знаковые индикаторы (дисплеи).
В электроразведочной аппаратуре наиболее широко используются 7-сегмснтпыс цифровые индикаторы: светодиодные, вакуумные люминесцентные и жидкокристаллические.
Светодиоды, разработанные но полупроводниковой кремниевой технологии, генерируют инфракрасное излучение, которое затем преобразуется в видимое излучение с помощью люминофоров. Для обеспечения достаточно яркого свечения через светодиод пропускают постоянный ток силой 10—20 мА.
Современные индикаторы с крупными цифрами изготавливают по принципу диффузного рассеяния и отражения света, излучаемого кристаллом, что обеспечивается помещением его в специальную полость. Такая полость имеет форму прямоугольного конуса, обращенного вершиной к кристаллу, а основание, площадь которого в 20 -30 раз больше площади кристалла, образует сегмент индикатора. Свет, излучаемый кристаллом, рассеивается внутри полости и образует равномерно светящийся сегмент. Вакуумные, сегментные люминесцентные индикаторы по конструкции представляют собой многоаподный триод с положительной сеткой и катодом прямого накала, В качестве анодов используется восемь сегментов, расположенных в одной плоскости п покрытых люминофором. Из семи сегментов образуют десятичную Цифру при включении соответствующей комбинации элементов, восьмой сегмент используется в качестве запятой при индикации разряда числа.
В жидкокристаллических индикаторах используется эффект динамического рассеяния света внешнего источника в жидких кристаллах, возбуждаемых электрическим полем. При этом пленки жидких кристаллов изменяют свою прозрачность. Каждый из- сегментов жидкокристаллического индикатора подключается к источнику питания через токоограничинающий резистор. Параллельно сегменту включается транзисторный ключ. Когда транзистор открыт, ключ шунтирует электроды индикатора п напряжение, подаваемое на эти электроды, очень мало. Сели же ключ закрыт, то псе напряжение источника питания подастся на электроды элемента. 13 результате на включенном сегменте изменяется прозрачность и происходит динамическое рассеяние света, получаемого от внешнего источника.
Па рис. 36, а изображена структурная схема устройства вывода информации из ОЗУ для отображения па цифровом индикаторе. Цифровой код записанных в ОЗУ чисел выводится в буферную память, с выхода которой 4-раЗрядпый двоично-десятичный кол 8-4- 2— 1 подается на дешифратор, преобразующий двоично-десятичный код в код ссмисегментного индика- яо
Рис. 36. Структурная (о) к принципиальная (6) схемы вывода информации из ОЗУ для отображения на светодиодном цифровом индикаторе (б) или вакуумном люминесцентном индикаторе (е)
тора. Семь выходов дешифратора соединены с соответствующими входами сегментов индикатора. [Га восьмой сегмент (занятую) Н сигнал управления поступает из буферной памяти.
Если информация в ОЗУ записана в виде двоичных кодов, то в буферной памяти необходимо произвести преобразование двоичных кодов в двоично- десятичные, необкодим.ые для управления цифровыми индикаторами (см. рис. 36. б). В исходном состоянии на один из входов трехвходового логического элемента И (микросхема D2) поступает сигнал «Запись» («Лог. О»), Поэтому импульсы с выхода тактового генератора не проходят на счетные входы С двоичною 4-разрядиого счетчика D3 и двоично-десятичиого счетчика D5.
В этом режиме код ^-разрядного слова из ОЗУ, начиная г младшего разряда, вводится последовательно в счетчик 133
с инвертированием (если, например, амплитуда сигнала, преобразованного в цифровой код, была равна 11 мВ, то код слова в ОЗУ будет 1011, а в счетчик D3 будет записан код 0100). Последовательный ввод разрядов слова обеспечивает распределитель импульсов, на четырех выходах которого последовательно появляется сигнал «Лог. 1», и четыре логических элемента И — НЕ (D1.1— В1Д), выходы которых соединены с входами 5/—S4 («Уст. 1») счетчика D3. После окончания записи на вход элемента D2 поступает сигнал «Считывание» — «Лог. 1», и тактовые импульсы от тактового генератора через элемент D2 поступают на счетные входы счетчиков D3 и D5. После прохождения М импульсов на 12-й импульс сработает триггер D4, который блокирует элемент D2, ввиду чего тактовые импульсы перестают поступать на счетные входы счетчиков.
Выходной код счетчика D5 (например, серии К155ИЕ2) будет 0001 с переносом 1 в следующий разряд индикации. Двоично-десятичный код 8—4—2—1 подается на входы А. В, С и D дешифратора D6 (серия К514ИД2). Выходы а — g дешифратора через токоограиичивающне резисторы Ri — R7 соединены с одноименными входами светодиодного индикатора Н (АЛС324Б). Восьмой сегмент (запятая) управляется через резистор R8 от дополнительного элемента буферной памяти.
Все аноды светодиодов индикатора И подсоединены к источнику питания 5 В. В приведенном примере на индикаторе // будет гореть цифра /, а также будет горсть цифра 1 на индикаторе следующего разряда, и общий отсчет будет равен ] 1 мВ.
Имеются светодиодные индикаторы, у которых выведен общий катод светодиодов, а аноды разъединены. Для управления таким индикатором в качестве дешифратора используются микросхемы К514ИД1.
На рис. 36, о показана схема управления вакуумным люминесцентным индикатором (например, ИВ-22). Двоично-десятичный код счетчика О/ буферной памяти преобразуется дешифратором D2 в код a — g 7-сегментного индикатора. Выходы дешифратора соединены с базами транзисторов VI1— VT7, работающих в ключевом режиме. Коллекторы транзисторов со- единепы с анодами Н. Резисторы R1—R7, соединенные с шиной питания (27 В), служат анодной нагрузкой семи сегментов, a R8— анодной нагрузкой восьмого сегмента (запятой). Через R9 на сетку индикатора подается положительное напряжение. К цепи накала подключен источник питания (1,2 В).
В соответствии с кодом сигналов па выходе дешифратора D2 часть транзисторов VTI--VT7 оказывается открытой, другая часть —закрытой. Открытые транзисторы шунтируют анодную цепь соответствующего сегмента индикатора и эти сегменты не светятся. К остальным анодам приложено напряжение 27 В, и они начинают светиться, образуя десятичную цифру. Восьмой сегмент (запятая) включается или выключается сигналом «Упр. запятой», подаваемым на базу транзистора VT8.
ГЛАВА |||Д
АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ I
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОСТОЯННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
В Земле существуют разнообразные естественные электромагнитные ноля, среди которых важное место занимают постоянные электрические, возникающие в результате физико-химических процессов, протекающих в увлажненных горных породах. Особенно большую интенсивность имеют электрохимические процессы в многофазных средах, содержащих электропопрово- дящие включения. Исследования постоянных электрических полей естественного происхождения являются основными для поисков месторождений сульфидных руд, графита, антрацитовых углей, магнетитовых руд, а также при геологическом картировании.
Схема образования естественного поля вокруг залежи пирита (FeS?) и график изменения потенциала, измеренного па земной поверхности вдоль профиля, проходящего над этой залежью показаны на рис. 37. На границе электронного проводника (пирита) с обводненной, имеющей ионную проводимость вмещающей средой существует двойной электрический слой, обусловливающий скачок потенциала, величина которого зависит от свойств соприкасающихся сред и условий, в которых они находятся. В верхней части залежи, расположенной выше уровня грунтовых вод, преобладают процессы окисления пирита (на рис. 37 прерывистыми стрелками показано, какие молекулы HzO, О2ре(ОН)з, катионы (Н+, Fe44") и анионы (ОН-) движутся к залежи и выносятся от нее вместе с перемещающимися водами), а в нижней части, расположенной ниже уровня грунтовых вод, основными являются процессы восстановления.
Ввиду этого ЭДС двойного слоя в разных частях границы залежи пирита с вмещающей средой имеет не только различную величину, по и разный знак, что приводит к возникновению естественного электрического поля вокруг электроноироводящей залежи и протеканию электрического тока как внутри электронного проводника, так и во вмещающей среде. На земной поверхности над такой залежью наблюдаются аномальные значения потенциала отрицательного знака (см. рис. 37).
Если залежь можно аппроксимировать поляризованным шаром с удельным сопротивлением pj и радиусом а, залегающим в однородной среде с удельным сопротивлением рг, то величину потенциала U, создаваемого таким шаром на земной ловерх- 83
Рис. ЗТ. График изменения потенциала |'и схема образования естсст- nemioit) поля вокруг залежи пиритаРис. ЗТ. График изменения потенциала |'и схема образования естсст- nemioit) поля вокруг залежи пирита
Рис. ЗТ. График изменения потенциала |'и схема образования естсст- nemioit) поля вокруг залежи пирита
Рис. ЗТ. График изменения потенциала |'и схема образования естсст- nemioit) поля вокруг залежи пирита
пости вдоль профиля, проходящего через эпицентр шара, можно рассчитать следующим образом:
pi ha
U - — ЧЕ» Ра"'2Р1 "3. *
(*а 4- х»)<z
где Еп — максимальный скачок потенциала, равный разности потенциала внешней среды и шара на границе их соприкосновения по вертикальной оси поляризации; h — глубина залегания центра шара; х — координата точки наблюдений (начало координат расположено в точке, совпадающей с центром шара).
Из анализа этого выражения следует, что максимальные значения абсолютной величины потенциала естественного поля наблюдаются при х=0, т. с. непосредственно над центром шара, а при x»h потенциал стремится к пулю. Для определения глубины залегания центра шара можно воспользоваться соотношением: А = 0,65р, где 9--ширина наблюдаемой аномалии на уровне 1/2 от максимальных значений потенциала.
По графикам распределения потенциала естественного электрического поля можно установить местоположение локальных элсктронопроводящих объектов, а также глубину их залегания.
Помимо естественных полей, в электроразведке широко применяются искусственные постоянные электрические поля, возбуждаемые с помощью заземленных питающих линий пли диполей. Их применение позволяет целенаправленно воздействовать на изучаемую среду: изменяя геометрию установки, изменять глубинность исследований, выбирая таким образом оптимальные режимы изучения различных геоэлектричсских разрезов.
Рассмотрим принцип электроразведочных измерений искус-
ственных постоянных электрических полей. Источник постоянного напряжения (батарея GB^ с помощью проводов подключен к двук1 точечным электродам А и В, расположенным на темной пойерхности (рис. 38). Последовательно с батареей GB в питающую линию АВ включен амперметр РЛ, измеряющий ток. В заданных точках располагаются приемные электроды Л( и N, к которым подключен вольтметр постоянного напряжения PV1. измеряющий разность потенций нов MJ^x.
Сравним такой метод электроразведочных намерений с методом определения удельного сопротивления проводов, применяемым в электротехнике. Подключим вольтметр PV2 к точкам т, п отрезка провода длиной /, затем измерим напряжениеSU^n ц ток 7 и рассчитаем удельное сопротивление рш> (Ом-м) материала, из которого изготовлен провод:
„5 ^U тп , &U пт
Рпр —у«пр у
где 5 — сечение провода; АПр—геометрический коэффициент, определяющийся сечением и длиной отрезка используемого провода, м.
Точно по такой же формуле вычисляется удельное сопротивление «земли» но результатам электроразведочных измерений:
р^/г^^!-*-,
где к — коэффициент установки, м. Величина коэффициента установки зависит от расстояний гАМ, гЛх, гНм, г их между питающими А, В и приемными М. N электродами и рассчитывается по формуле
6 2„Г_!_.।.Д-Г.
L ГАМг ЛКТпм rBN J
В данном случае удельное сопротивление будет равно истинному только тогда, когда среда однородна. Нели же среда не-
Рис. 38- Схема, иллюстрирующая принцип электрорл.зпедоч- пых измерений постоянных электрических нолейРис. 38- Схема, иллюстрирующая принцип электрорл.зпедоч- пых измерений постоянных электрических нолей
Рис. 38- Схема, иллюстрирующая принцип электрорл.зпедоч- пых измерений постоянных электрических нолей
Рис. 38- Схема, иллюстрирующая принцип электрорл.зпедоч- пых измерений постоянных электрических нолей
Рис. 39. Силовые (0 к эквипотенциальные (2) линии электрического поля в неоднородной среде с объектами повышенного (3) я пониженного (■/) сопротивленийРис. 39. Силовые (0 к эквипотенциальные (2) линии электрического поля в неоднородной среде с объектами повышенного (3) я пониженного (■/) сопротивленийоднородна, то результат вычислений дает величину, получившую название кажущегося удельного сопротивления рк.
Рис. 39. Силовые (0 к эквипотенциальные (2) линии электрического поля в неоднородной среде с объектами повышенного (3) я пониженного (■/) сопротивлений
Рис. 39. Силовые (0 к эквипотенциальные (2) линии электрического поля в неоднородной среде с объектами повышенного (3) я пониженного (■/) сопротивлений
Схема силовых / и эквипотенциальных 2 линий электрического поля в неоднородной среде (3 — объект повышенного, а 4 — пониженного сопротивленийводнородной
среде) показаны на рис. 39. Постоянныйток обтекает
объект повышенного я концентрируется в объекте пониженного сопротивления, а эквипо
тенциальные линии электрического поля, измеренного па земной поверхности, располагаются более густо над первым объектом и более редко над вторым. В связи с этим для изучения геологического строения заданного участка земной поверхности следует измерять характер распределения на нем одного или нескольких информационных параметров искусственного электрического поля (например, распределение эквипотенциальных линий электрического поля, см. рис. 39).
Если один из питающих электродов, например В, удален на значительное расстояние от А, то потенциал О и напряженность Е электрического поля в точке М, расположенной на расстоянии Гам от точечного электрода А, равны соответственно:
у _ _с£_!.£ — р^ 1,
9^^— -к.9^^— -к.ЕЕг ।2,г ।2,Измерив потенциал или напряженность постоянного электрического поля, можно определить удельное электрическое сопротивление среды:
9^^— -к.
9^^— -к.
Е
Е
г ।
2,
г ।
2,
где коэффициенты установки ki—2.WAM\ кг — 2яг'?лм.
Таким образом, основными информационными параметрами искусственно создаваемого постоянного электрического поля являются его потенциал и напряженность. Однако величина потенциала (или напряженности) постоянного электрического поля зависит от значения возбуждающего постоянного тока. Для того чтобы проводить сопоставление результатов измерений при разных величинах возбуждающего тока, необходимо измерять его величину либо сразу определять нормированное на величину тока значение потенциала (напряженности) электрического поля.
ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ПОСТОЯННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
При проведении электроразведочных работ методом естественного электрического ноля измерительное устройство должно регистрировать потенциал в отдельных точках поверхности изучаемого участка относительно потенциала точки, удаленной за его пределы («в бесконечность»), или разности потенциалов между множеством пар точек, расположенных на изучаемом участке.
Если исследования проводятся с использованием искусственных полой, то приходится учитывать, что эти поля суммируются с существующими в Земле постоянными естественными электрическими полями. Кроме того, собственные потенциалы приемных электродов не равны друг другу, поэтому па выходе приемной линии всегда имеется постоянное напряжение, которое называется собственной разностью потенциалов (напряжением поляризации) приемных электродов и обычно составляет единицы милливольт (для неполяризующихся электродов).
Влияние естественного поля и поляризации приемных электродов при измерениях искусственных полей можно учитывать двумя способами. В первом способе до возбуждения искусственного поля измеряют разность потенциалов естественного поля и напряжение поляризации электродов на выходе приемной линии. Затем во время пропускания в Землю постоянного тока измеряют суммарную разность потенциалов искусственного, естественного полей и поляризации электродов. В процессе обработки результатов измерений из второго отсчета вычитают первый, получая таким образом разность потенциалов искусственного электрического поля.
Такой способ требует применения высокоточной измерительной аппаратуры и практически может применяться только при слабых естественных полях (разность потенциалов не более 10— 20 мВ). Однако, как показывает опыт полевых работ, в некоторых случаях разность потенциалов естественного поля может достигать 2,5—3 В и более.
Пусть, например, требуется измерить разность потенциалов искусственного поля, равную I мВ, с относительной погрешностью 1 % при разности потенциалов естественного поля, равной 1 В. Для обеспечения относительной погрешности 1 % абсолютная погрешность определения разности потенциалов искусственного поля не должна превышать 10 мкВ. Чтобы получить такую абсолютную погрешность, сначала должна быть измерена разность потенциалов естественного поля в 1 В с абсолютной погрешностью не более ±5 мкВ. а затем суммарная разность потенциалов 1,001 В с той же абсолютной погрешностью.
Для проведения таких измерении необходимо использовать аппаратуру, обеспечивающую относительную погрешность не более 0,0005 %, что практически неосуществимо в полевых
87
условиях (отметим, что в лабораторных цифровых вольтметрах для обеспечения такой точности измерений используются 20-раз- рядные АЦП, в то время как в долевой аппаратуре применяются не более чем 12-разрядпые АЦП).
Второй, широко применяемый способ учета естественного поля и поляризации приемных электродов при измерениях искусственных полей состоит в использовании в измерительном устройстве вспомогательного регулируемого источника постоянного напряжения — компенсатора поляризации. Измерения в данном случае проводятся следующим образом. До пропуска - иия постоянного тока разность потенциалов на выходе приемной линии полностью компенсируется компенсатором поляризации, а затем во время пропускания тока регистрируется только сигнал искусственного постоянного электрического поля. Такой метод позволяет использовать измерительную аппаратуру, относительная погрешность которой равна заданной относительной погрешности определения параметра искусственного постоянного электрического поля (в рассмотренном выше примере 1 %, а по 0,0005%, как при использовании первого способа).
При анализе результатов измерений постоянного искусственно создаваемого электрического поля нормированные по отношению к току значения потенциала (разности потенциалов) нормируются вторично, для чего умножаются на геометрический коэффициент установки; это позволяет проводить сопоставление данных, полученных при работе с различными установками. Как показывает опыт проведения полевых работ, при повторных наблюдениях размеры и расположение измерительной установки могут отличаться от первоначальных на 2—3%. На такую же величину будут отличаться и коэффициенты установок. Поэтому при работе по стандартной методике нет смысла использовать высокоточную аппаратуру. Практически погрешность измерений применяемой полевой аппаратуры составляет 1—2%,
Аппаратура для измерения искусственных постоянных электрических полей (рис. 40) содержит источник Uu постоянного напряжения, который через выключатель SA1 и эталонный резистор /?ш соединен с выходными клеммами А и В, и измеритель сигналов, подключенный через тумблер SA2 либо к входным клеммам /И и .V при измерениях сигналов на выходе приемной линии, либо к эталонному резистору R.u при регистрации величины возбуждающего тока. Управление работой аппаратуры осуществляется либо вручную оператором, либо автоматически с помощью блока управления и регистрации.
При ручном управлении измерения сигналов проводятся в следующем порядке. До включения тока тумблер SA1 разомкнут, а с помощью тумблера SA2 к входу блока согласования оператор подключает приемную линию MN. Блок согласования в простейшем случае представляет собой сумматор, с помощью которого складываются сигналы приемной линии MN и компенсатора поляризации. Для суммирования сигналов либо вклю- 88
Рис. 40. Обобщенная структурная схема электроразвсдочной аппаратуры для измерения искусственных постоянных электрических полей
чают выход компенсатора поляризации последовательно с выходом приемной линии MN (в этом случае клемма N не может быть соединена с общей шиной измерительного устройства, что в некоторых случаях необходимо для снижения различных наводок и утечек), либо подключают приемную линию к одному входу суммирующего операционного усилителя, а компенсатор поляризации — к другому его входу (в этом случае клемма № может быть соединена с общей шиной измерительного устройства, но суммирующий усилитель блока согласования должен иметь входное сопротивление не менее 2—3 МОм).
Для компенсации естественного поля и поляризации электродов оператор замыкает тумблер ЗАЗ, подсоединяя ко второму входу блока согласования компенсатор поляризации. Сигнал, пропорциональный разности напряжений на приемной липни MN и компенсаторе поляризации, с выхода блока согласования поступает на усилитель (преобразователь) напряжения и далее па индикатор амплитуды сигнала. С помощью регулирования напряжения компенсатора поляризации оператор добивается нулевых показаний индикатора при максимальном коэффициенте передачи усилителя (преобразователя) напряжения. На этом цикл компенсации естественного поля и поляризации электродов закапчивается.
Усилитель (преобразователь) напряжения в разных конструкциях устройства может быть выполнен по-разному. В аналоговых измерителях он представляет собой либо стандартный усилитель постоянного напряжения с переключаемым коэффициентом передачи, либо автокомпенсатор (принцип работы авто- компенсатора будет рассмотрен ниже), а индикатором служит стрелочный прибор.
В цифровых измерителях усилитель (преобразователь) напряжения содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
89
с масштабным усилителем на входе, а индикатор выполнен в виде цифрового табло, на котором отображается значение амплитуды измеряемых сигналив. После окончания компенсации оператор замыкает тумблер SA1 и от источника Ии пропускает постоянный ток в питающую линию АВ. При этом отсчет на индикаторе соответствует разности потенциалов искусственного ноля между точками, в которых расположены приемные электроды М и N.
Затем оператор размыкает ключ ЗАЗ и переключает тумблер SA2, подключая ко входу блока согласования эталонный резистор Rxu. Падение напряжения на этом резисторе, пропорциональное току в питающей линии, отсчитывается по индикатору.
На этом цикл измерений искусственного электрического поля в заданной точке заканчивается. Результаты измерений напряжения на выходе приемной линии и тока в питающей линии могут быть автоматически записаны в блоке управления и регистрации электроразведочным осциллографом или цифровым магнитофоном.
При автоматическом управлении вместо тумблеров SA1— ВАЗ используются электронные ключи (илп электромеханические реле, контакторы), управляемые от блока управления и регистрации (цепи автоматического управлении ключами SA1 — ЗАЗ на рис. 40 не показаны), а усилитель (преобразователь) напряжения представляет собой аналого-цифровой преобразователь с автоматическим переключателем пределов измерения.
По первой команде, вырабатываемой в блоке управления, ключи SA1 и ЗАЗ размыкаются, а ключ 3.42, представляющий собой коммутатор каналов, подключает ко входу блока согласования приемную линию MN. По второй команде сигнал естественного поля и поляризации приемных электродов, поступающий па усилитель, с помощью АЦП преобразуется в 8—10-разряд- ный цифровой код, который записывается в регистр старших разрядов оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) блока управления. Выходы ОЗУ подключены ко входам компенсатора поляризации, являющимся в данном случае автоматическим. В соответствии с полученным цифровым кодом на выходе компенсатора поляризации появляется постоянное напряжение, равное с точностью до 0,1—0,5 % разности потенциалов естественного электрического поля и поляризации электродов.
Третья команда, вырабатываемая блоком управления, используется для замыкания ключа ЗАЗ. При этом на второй вход блока согласования поступает сигнал с выхода компенсатора поляризации и таким образом осуществляется грубая компенсация естественного поля.
По четвертой команде с помощью АЦП, входящего в состав усилителя (преобразователя) напряжения, педокомпенсирован- пый сигнал па выходе блока согласования преобразуется в 8— 10-разрядный цифровой код, который записывается в регистр младших разрядов ОЗУ блока управления.
Пятая команда используется для подачи сигналов с выхода регистра младших разрядов ОЗУ па управляющие входы компенсатора поляризации, в результате чего осуществляется точная компенсация ссгеетвенпого поля и поляризации электродов.
По шестой команде замыкается ключ ЯДУ и в питающую линию АВ пропускается ток от источника Uu. Через промежуток времени, достаточный для исчезновения вихревых токов в земле, обусловленных скачкообразным изменением магнитного поля при включении тока в питающую линию АВ (например, через 1 с после замыкания ключа SA/), в блоке управления вырабатывается седьмая команда, по которой АЦП преобразует сигнал искусственного постоянного поля в цифровой код, который отображается па цифровом табло индикатора (для визуального контроля оператором) и записывается в электронную память (или цифровым магнитофоном в блоке управления и регистрации).
Для измерения силы тока в питающей линии АВ блоком управления вырабатывается восьмая и девятая команды. При этом сначала размыкается ключ ЗАЗ, а ключ ЗАЗ переключается но второе положение, подключая к входу блока согласования эталонный резистор Рш, включенный последовательно в питающую линию АВ. Затем по девятой команде сигнал с выхода эталонного резистора /?ш, пропорциональный току в питающей линии, с помощью АЦП преобразуется в цифровой код, который также отображается па цифровом табло и записывается в блоке управления и регистрации.
Десятая команда, служащая командой на окончание цикла измерений, используется для выключения тока в питающей линии АВ путем размыкания ключа SA1.
После окончания измерений оператор может вывести любой из записанных в электронную память отсчетов разности потенциалов (или тока) на цифровое табло индикатора, и, если этот результат его по каким-либо причинам не удовлетворяет, провести повторное измерение в указанном выше порядке.
Если вместо одного ключа S/12 на входе блока согласования установить коммутатор каналов, то получим многоканальный измеритель постоянных электрических полей с последовательным опросом каналов.
Устройство, схема которого изображена на рис. 40, может быть использовано не только для выполнения непосредственных измерений, но и для компенсационных. При компенсационных измерениях (см. рис. 41, а) принимаемый сигнал сравнивают с эталонным напряжением образцового источника (измерительный прибор отмечает лишь их равенство), а величину сигнала отсчитывают по шкале калиброванного регулятора эталонного напряжения.
Изменением сопротивления калиброванного переменного резистора Ro добиваются нулевых показаний гальванометра РА. При этом напряжение сигнала Uc равно компенсирующему
Рис. 41. Принципиальная («) и структурная (б) схема компенсационного измерителя постоянного напряжения
напряжению Uy„ ток в цепи источника сигнала Е(. (приемной линии с внутренним сопротивлением RMN) практически не протекает и погрешность измерений в основном определяется погрешностью калибровки шкалы переменного резистора и стабильностью источника GB эталонного напряжения.
В упрощенной схеме, поясняющей работу устройства (см. рис. 41,6), в режиме компенсационных измерений вместо гальванометра РА, отмечающего равенство измеряемого и компен- сирующего напряжений, в качестве нулевого индикатора используется электронный усилитель (преобразователь) напряжения, а роль источника эталонного напряжения выполняет компенсатор поляризации с проградуированными регуляторами эталонного напряжения, выполненными в виде цифро-аналоговых преобразователей. В режиме компенсации естественного поля и поляризации приемных электродов с выхода блока управления подают сигналы управления на первый ЦАП, который вырабатывает ступенчато изменяющееся напряжение с амплитурой ступеньки 10 мкВ.
Разностный сигнал усиливается и подается па вход компаратора, входящего в состав усилителя (преобразователя) напряжения. Выходное напряжение компенсатора поляризации ступенчато изменяется до тех пор, пока не сработает компаратор, отмечающий равенство нулю сигнала рассогласования, т. е. равенство разности потенциалов на выходе приемной линии MN и компенсирующего сигнала на выходе компенсатора поляризации. После срабатывания компаратора прекращается подача управляющего сигнала на вход компенсатора поляризации, поэтому его выходное напряжение перестает изменяться.
В режиме измерений сигналов искусственного поля напряжение ла выходе первого ЦАП, равное разности потенциалов естественного поля и поляризации электродов, поддерживается
неизменным, а сигнал управления подается с выхода блока управления и регистрации па вход второго ЦАП компенсатора поляризации, причем выходные напряжения первого и второго ЦАП суммируются и суммарное напряжение является выходным напряжением компенсатора поляризации.
В этом режиме напряженно на выходе второго ЦАП изменяется до тех пор, пока вновь не сработает компаратор и не прекратится подача управляющего сигнала на второй ЦАП. Коды управляющих сигналов, поданных из блока управления и регистрации на входы первого и второго ЦАП, записываются в этом ■блоке и используются для определения разности потенциалов естественного и искусственного нолей.
Метод компенсационных измерений позволяет получить более высокую точность, чем метод непосредственных измерений, гак как, во-первых, при компенсационных измерениях нестабильность коэффициента передачи усилителя (преобразователя) напряжения не играет существенной роли, а во-вторых, в режиме компенсации ток по входной цели практически равен пулю, что исключает погрешности, связанные с падением части измеряемого напряжения на внутреннем сопротивлении Rmn входного преобразователя — приемной линии MN.
Однако быстродействие устройств, реализующих компенсационный метод измерений, оказывается низким в виду того, что компенсирующее напряжение вводится непосредственно во входную цепь измерителя. Так как в состав измерительного устройства обязательно должны входить фильтры нижних частот для фильтрации полезных сигналов от помех, то любые изменения компенсирующего сигнала вызывают переходные процессы в измерительном устройстве, и каждый следующий такт (шаг) изменения компенсирующего напряжения можно проводить только после окончания переходных процессов, вызванных предыдущим тактом.
Зависимость точности измерений от тока, протекающего во входной пени измерительного устройства, показана на рис. 42, а. Измеритель, имеющий входное сопротивление /?иХ" Цщ/Ля,
Рис. 42. Эквшза.и-птнан схема входных испей э.чсктроразведочного измерителя (а) « схема устройства, позволяющего исключать погрешность измерений из-за неидеалышстп входных цепей (б)
соединен со входным преобразователем с внутренним сопротивлением Rmn ((Ах — входное напряжение, Ах —ток на входе). Из
эквивалентном схемы следует, прибора будут соответствовать £нх, воспринимаемому входным ной линией MN). Поскольку(■Ах — Ах^вх =эквивалентном схемы следует, прибора будут соответствовать £нх, воспринимаемому входным ной линией MN). Поскольку(■Ах — Ах^вх =что показания измерительного напряжению L/nx, а не сигналу преобразователем поля (прием-г*R кхhXП 1“MN + "вхчто показания измерительного напряжению L/nx, а не сигналу преобразователем поля (прием-г*R кхhXП 1“MN + "вх
эквивалентном схемы следует, прибора будут соответствовать £нх, воспринимаемому входным ной линией MN). Поскольку
(■Ах — Ах^вх =
эквивалентном схемы следует, прибора будут соответствовать £нх, воспринимаемому входным ной линией MN). Поскольку
(■Ах — Ах^вх =
что показания измерительного напряжению L/nx, а не сигналу преобразователем поля (прием-
г*R кх
hXП 1
“MN + "вх
что показания измерительного напряжению L/nx, а не сигналу преобразователем поля (прием-
г*R кх
hXП 1
“MN + "вх
то показания измерителя будут меньше истинных на величину &U=EM—UMv а относительная погрешность
6 = — 100% .-= —^N- юо%.ЕвхRmn + R«x
Если, например, /Ах=Ю0 кОм, /?м,у=Ю кОм, то 6 = 9,09%. При непосредственных (абсолютных) измерениях для уменьшения погрешности необходимо увеличивать /Av до нескольких мегаомов, чтобы в самом неблагоприятном случае выполнялось условие RBX>50 Rmn (при этом б не будет превышать 2 %).
Входное сопротивление в несколько мегаомов можно получить, используя в измерителе электронный усилитель. При этом должна быть обеспечена стабильность коэффициента усиления (учитывая, что электроразведочная аппаратура должна работать при колебаниях в широком диапазоне температуры окружающей среды и значительных изменениях напряжений источников питания). Для контроля и учета изменений коэффициента усиления электронного усилителя в схему измерителя включают градуировочное устройство (см. рис. 42,6).
Измеритель состоит из усилителя постоянного тока (УПТ) с вольтметром PV и регистратора. Напряжение градуировки Ur вводится через сопротивление RP последовательно с источником сигнала — приемной линией MN и входом компенсатора поляризации, содержащим два источника напряжения 1,5 В и регулируемый делитель па резисторах R» и Ru. Поэтому в процессе градуировки учитывается также изменение величины Rmn и выходного сопротивления компенсатора поляризации. Однако введение градуировки при каждом измерении приводит к снижению производительности труда.
Протекание тока во входной цепи измерителя приводит также к поляризации приемных электродов и увеличению уровня поляризационных шумов, генерируемых этими электродами. Обычно при измерениях добиваются максимально возможных амплитуд входных сигналов (увеличением тока, возбуждающего искусственное поле) для снижения влияния внешних промышленных и естественных помех на точность измерений. Увеличение входных сигналов ведет к увеличению входного тока, если значительно не повысить входное сопротивление измерителя.
hiкгhiкгРис. 43. Обобщенная функциональная схема автокомпенсатораРис. 43. Обобщенная функциональная схема автокомпенсатораОднако величина этого сопротивления не может быть выше нескольких мегаомов из-за необходимости снижения уровня собственных шумов электронного усилителя и влияния всевозможных утечек тока.
hiкг
hiкг
Рис. 43. Обобщенная функциональная схема автокомпенсатора
Рис. 43. Обобщенная функциональная схема автокомпенсатора
Как отмечалось выше, при прочих равных условиях наименьший ток протекает по входных цепях измерителей, реализующих компенсационный способ измерений. Поэтому такие измерители обеспечивают наиболее
высокую точность измерения постоянных электрических полей. Одним из вариантов компенсационного способа является ав-
токомпспсационный способ измерений, при котором уравнивающее входной сигнал напряжение подбирается автоматически е помощью усилителя постоянного тока, охваченного 100 %-ной отрицательной обратной связью.
Автокомпенсатор (рис. 43) содержит усилитель постоянного напряжения А, охваченный двумя цепями отрицательной обратной связи. Первая цепь отрицательной обратной связи (ООС) ■с выхода на инверсный вход усилителя А через резисторы R2, R] используется для задания фиксированного коэффициента йу усиления усилителя А при разомкнутой второй цепи ООС (£у = = R2[Riy Вторая цепь ООС включена с выхода усилителя А в выходную цепь источника измеряемого сигнала Ес (приемной линии MN с выходным сопротивлением Rmn) через микроамперметр РА и резистор обратной связи Ro. с. При измерениях во второй цепи ООС протекает ток обратной связи Л,. е с выхода усилителя А через микроамперметр РА и резистор обратной связи Ro. <: на общую шипу устройства. Этот ток создает на резисторе R„. с напряжение UBmx, равное, напряжению па выходе усилителя А (внутренним сопротивлением микроамперметра, гораздо меньшим R,,. с, пренебрегаем) и противоположное по знаку напряжению, обусловленному протекающим во входной цепи током от источника £с через последовательно соединенные резисторы Rnx (сопротивление этого резистора равно входному сопротивлению усилителя А) и Ro. „. Ток во входной цепи
/ Ес и вых,RMN "V Rax + Ro. с
Обычно Ro. с<£ДРмх A-RbA> поэтому его величиной пренебрегают. Учитывая, что UUblx=kyUBx, где UBx^1t>xR»x, а /их определяется приведенным выше выражением, имеем
О вых — k^Ec.
Здесь kz — коэффициент передачи измерительного устройства с учетом действия обеих цепей ООС;
Lьх J
Выбрав коэффициент усиления Ау достаточно большим (1000—10 000), получим kz=\. Действительно, если Ау—101, то при RMNiRBx = 0A АЕ=0,9989; при Rmn(Rrx=1 Az = 0,998, т. е. при изменении соотношения Rmn/Rbx в 10 раз коэффициент передачи автокомпенсатора изменился всего на 0,1 %. Изменения коэффициента усиления Ау также мало изменяют величину коэффициента передачи А$: при увеличении ку в 10 раз кт. изменяется лишь па 0,9%. Ввиду этого UBUX = EC, а /о. с — E^R^(;, т. с. ток /и с в цепи ООС, измеряемый микроамперметром РА, прямо пропорционален амплитуде измеряемого сигнала Ес, причем пределы измерения Ес в данном устройстве можно изменять путем переключения градуированных резисторов обратной СВЯЗИ R» с.
Таким образом, автокомпенсатор позволяет проводить высо- точные измерения постоянных напряжений, погрешность которых практически не зависит от изменения сопротивления источника сигнала и коэффициента усиления используемого электронного усилителя.
Помимо высокой стабильности автокомпснсатор имеет высокое эффективное входное сопротивление К^вх, во много раз превышающее входное сопротивление Rn* электронного усилителя.
Пусть
п UmN Ес — Rmn1 вх—,' вх/ вх
подставим в эту формулу приведенное выше выражение для /пх и найдем
D .. . п Г 1 + ^Rmn'Rrx) кх 1
Если /г7 —10я, RmnIRbx = 1, Аз =0,998, то Rxhx= 103Rbx.
Измерители, выполненные но автокомпенсационной схеме, обеспечивают измерения постоянных напряжений с погрешностью, определяемой классом точности используемого индикагорного прибора РА. Однако в полевой аппаратуре, работающей в сложных климатических условиях, при повышенной влажности, в условиях сильных механических воздействий нормально работают индикаторные приборы магнитоэлектрической системы класса точности нс выше 0,5.
Вследствие этого электроразведочные автокомпенсаторы могут иметь минимальную погрешность до ±0,5%. При этом измеряются сигналы с напряжениями нс менее десятых долей милливольта, так как коэффициент передачи As автокомпенсатора 96
близок к единице, а в качестве индикаторных приборов обычно используются микроамперметры с максимальной чувствительностью 0,5—1 мкА/дел и внутренним сопротивлением в сотни омов. Иногда вместо микроамперметров в автокомпенсаторах используются милливольтметры, включенные па выходе усилителя А параллельно резистору /?0-с-
АВТОКОМПЕНСАТОР АЭ-72
Электроразведочный автокомпепсатор АЭ-72 предназначен для проведения электроразведочных работ на постоянном токе и позволяет измерять разность потенциалов в приемной цепи MN и ток в питающей цепи АВ. При исследованиях сравнительно высокоомных геоэлектрических разрезов автокомпснса- тор можно применять для измерений с питающими линиями АВ длиной не более 2 км.
Основные технические характеристики автокомпенсатора АЭ-72
Измеряемое напряжение, мВ 0,1—1000
Измеряемый ток, мА 3—3000
Максимальная погрешность измерений, % 3
Максимальное коммутируемое напряжение в цепи АВ, В . . . ,500
Максимальный коммутируемый ток, А .. .3
Максимальная коммутируемая мощность, Вт 500
Пределы изменения напряжения компенсатора поляризации, мВ . ±0,01—500
Номинальное напряжение внутреннего источника питания, В . . ,14
Максимальный уровень собственных шумов, мкВ 20
Максимальный потребляемыйток,мА 35
Временной дрейф нуля автокомпенсатора, мкВ/ч 30
Входное сопротивление, МОм 1,5
Масса, кг 4
Прибор (рис. 44) имеет четыре входных клеммы: Af и N для подключения входного преобразователя (приемной линии), А и В для включения автокомпенсатора последовательно в питающую линию (при измерениях искусственных электрических полей). Последовательно с клеммами А и В включены кнопка SA1 коммутации тока в питающей линии и эталонный резистор R1 с сопротивлением 0,1 Ом. На входе автокомпенсатора установлены также тумблер SA2 рода работы (измерение сигнала с выхода приемной линии MN или напряжения на резисторе R1, пропорциональному току в питающей линии) и компенсатор поляризации, выполненный по мостовой схеме, два первых плеча которой содержат резисторы R2—R4, два других плеча содержат резисторы R5—R7, в одну диагональ схемы включен гальванический элемент GB с напряжением 1,5В через выключатель компенсатора поляризации (тумблер) SA3, а другая диагональ моста через подвижные контакты переменных резисторов R2 и R6 включена последовательно во входную цепь прибора.
Мостовая схема позволяет при использовании однополярного источника GB, включенного в одну' диагональ моста, получить 4 Заказ № 1287 97
Рис. 44. Функциональная схема автокомпенсатора ЛЭ-72
на второй диагонали (выходе компенсатора поляризации) разнополярное напряжение, регулируемое в пределах ±500 мВ. Предусматривается трехступенчатая регулировка: грубая резистором R2, средняя резистором R6 и точная резистором R3. Тумблер S/43 предназначен для отключения элемента GB компенсатора поляризации (в режиме измерения естественного поля и питающего тока в цепи АВ).
После компенсатора поляризации измеряемый сигнал через переключатели полярности сигнала SA4 и пределов измерений SA5J и SA5.2, а так>ке фильтр нижних частот, содержащий интегрирующую цепочку (резистор R15 и конденсатор С/), и делитель, состоящий из резистора R16 и ключа Кл.1, поступает на вход предварительного усилителя ПУ.
Переключатель пределов измерений 5Л5 имеет семь положений. В положениях 1—4 (пределы 1; 3; 10; 30 мВ) входной сигнал проходит без ослабления, а в положениях 5—7 (пределы 100; 300; 1000 мВ) ослабляется в 31,6 раз с помощью делителя па резисторах R8, R9 (во входной цепи прибора используются две платы переключателя SA5.1 и SA5.2). Фильтр нижних частот подавляет помехи, имеющие частоту 50 Гц и выше. Параллельно конденсатору С/ включен ограничитель на диодах VD1, VD2, который защищает автокомпснсатор от перегрузки ио напряжению, возникающей при разности потенциалов на входе более 3 В.
С помощью преобразователя (модулятора), выполненного на резисторе R16 и электронном ключе Кл.1, постоянное входное напряжение преобразуется в пульсирующее. Когда ключ Кл.1 закрыт, на вход предварительного усилителя ПУ поступает измеряемый сигнал, а когда ключ Кл.1 открывается, на вход ПУ поступает нулевое напряжение. Частота переключения ключа Кл.1 равна 130 Гц. Переменная составляющая пульсирующего 98
напряжения отфильтровывается на входе предварительного усилителя фильтром верхних частот, а затем усиливается ПУ и основными усилителями У1 и У2. Предварительный усилитель — малошумящий, он выполнен на полевом транзисторе типа КШОЗ. Усилители У! и У2 смонтированы на интегральных микросхемах К167УШ. Общий коэффициент усиления усилителей ПУ, У1 и У2 равен 2500 и уменьшается в 3,16 раз на пределах 10 и 300 мВ, а из пределах 30 и 1000 мВ — в 10 раз с помощью переключателя SA5.4, переключающего в цепи отрицательной обратной связи усилителя У2 резисторы R20 и R21. Уменьшение коэффициента усиления на указанных пределах необходимо для повышения устойчивости работы автокомпенсатора.
Так как микросхема К167УН1 имеет высокое выходное сопротивление, к выходу усилителя У2 подключен согласующий эмиттерный повторитель ЭП, имеющий низкое выходное сопротивление и повышенную нагрузочную способность.
Усиленное переменное напряжение выпрямляется электронным ключом Кл2, который переключается синхронно с Кл.1. Во время действия положительного полупериода переменного напряжения ключ Кл.2 открыт и выходное напряжение полностью падает па резисторе R17. Когда Кл.2 закрыт, отрицательный полуперпод сигнала через разделительный конденсатор С2 поступает на интегрирующую цепочку (резисторы R17, R18, конденсатор СЗу Таким образом, на СЗ действует постоянное напряжение, пропорциональное входному сигналу. Это напряжение измеряется милливольтметром PV, подключенным к СЗ через ограничивающий резистор R19.
Постоянное выходное напряжение с конденсатора СЗ подается также в цепь отрицательной обратной связи автокомпенсатора, содержащей делитель на R14 и одном из резисторов R10—R13. Делитель коммутируется переключателем пределов измерений ЗЛ5.3, позволяет изменять глубину обратной связи и тем самым коэффициент передачи автокомпенсатора.
Электронный ключ Кл.1 содержит полевой транзистор с изолированным затвором тина КПЗО1, а ключ Кл.2 — два биполярных транзистора типа КТ203. На затвор полевого транзистора и базы биполярных транзисторов подаются отрицательные импульсы коммутации с амплитудой 9 В и частотой 130 Гц. Импульсы коммутации вырабатываются задающим генератором ЗГ, выполненным в виде симметричного мультивибратора, и усиливаются усилителем УЗ. Импульсы имеют прямоугольную, форму и скважность, равную 2.
Для надежного запирания ключа Кл.2 во время пауз между отрицательными импульсами коммутации на базы биполярных транзисторов подается также положительное опорное (запирающее) напряжение с амплитудой 4,5 В. Формирователь опорного напряжения ФОН представляет собой эмиттерный повторитель, к выходу которого через разделительный конденсатор подключен стабилизированный выпрямитель.
4* . 99
Ввиду леидеальности ключей Кл.1 и Кл.2 (во включенном состоянии на них имеется остаточное напряжение, часть сигнала из цепи управления попадает в выходную цепь) показания милливольтметра PV могут быть не равными нулю при отсутствии входного сигнала. Для установки перед началом измерений нулевого отсчета используется компенсационная цепь постоянного напряжения, содержащая переменный резистор R22, масштабный делитель МД, выход которого через добавочный резистор R23 подключен ко входу предварительного усилителя. Масштабный делитель подключен к формирователю опорного напряжения положительного знака, а через переменный резистор R22— к стабилизатору напряжения СН2 отрицательного знака. При изменений сопротивления резистора R22 выходное напряжение масштабного делителя изменяется таким образом, что во входную цепь ПУ вводится компенсирующее' постоянное напряжение в пределах от (—250) до ( + 175) мкВ, обеспечивающее установку нулевого отсчета автокомпенсатора.
В автокомпепсаторе АЭ-72 используются два стабилизатора напряжения CH 1 и СМ2, которые питаются от источника питания С'п (четырех батарей 3336-Л или от внешнего источника питания с напряжением от 14 до 22 В). Контроль напряжения источника питания осуществляется тем же милливольтметром PV (на рис. 44 цепи подключения прибора PV к источнику питания не показаны). Стабилизатор напряжения СН1 подключен к цепям питания ПУ, основных усилителей У1, У2 и эмиттерного повторителя ЭП, а стабилизатор СН2— к цепям питания ЗГ, усилителя УЗ и формирователя ФОН.
К недостаткам автокомпенсатора АЭ-72, усложняющим его эксплуатацию, относится сравнительно большой дрейф нулевого уровня при изменении температуры окружающей среды, что вынуждает периодически корректировать нулевой уровень переменным резистором R22.
ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
Сравнительно медленно изменяющиеся во временя электрические напряжения и токи (с периодами, большими 0,1 с) в электроразведке обычно измеряют и регистрируют с помощью светолучевых осциллографов со шлейфовыми гальванометрами. ■Осциллографы могут использоваться самостоятельно или входить в комплект электроразведочных станций постоянного тока.
В электроразведочной. аппаратуре используется несколько типов осциллографов (ЭПО-4—ЭПО-10), отличающихся друг от друга числами каналов, используемых гальванометров, шириной фотобумаги, скоростью ее движения, массой и т. д.
Типовым электроразведочпым осциллографом можно назвать
эпо-ю.
100
Основные технические характеристики осциллографа ЭПО-10
Число регистрирующих гальванометров 12
Ширина фотобумаги, мм 200
Скорость движения фотобумаги, мм/с . . . . 0,06—100
Интервалы подачи марок времени, с 0,5—1000
Емкость приемной кассеты, м 15
Ток накала осветительной лампы,А 0,9
Номинальное напряжение накала,В 6
Постоянная по току, Л-мм'м. гальванометров, регистрирующих: разность потенциалов 1-10”я
ток 5-Ю-’
Сопротивление рамки, Ом, гальванометров, регистрирующих: разность потенциалов 100
ток 30
Внешнее критическое, сопротивление, кОм, гальванометров, регистрирующих: разность потенциалов 2,7
ток 0,12
Линейность, %, гальванометров, регистрирующих: разность потенциалов. . 2
ток 0,5
Масса, кг 20
Осциллограф (рис. 45) содержит три группы магнитоэлектрических (шлейфовых) гальванометров. Первая группа состоит из пяти гальванометров, предназначенных для регистрации разности потенциалов на выходах измерительных каналов (на рис. 45 показано только два гальванометра РА1 и РА2 из этой группы, к которым подключены клеммы Вх.1 и Вх.2 разъема XI). Вторая группа содержит два гальванометра РАЗ и РА4 для нанесения на фотоленту меток времени и другой служебной информации. Третья группа состоит из пяти гальванометров, предназначенных для регистрации тока на выходах измери-
Ряс. 45. Функциональная схема осциллографа ЭПО-10
тельных каналов (па рис. 45 показано только два гальванометра РА5 и РА6 из этой группы, к которым подключены клеммы Вх.З и Вх.4 разъема Х2у
Для гальванометров в осциллографе предусмотрены индивидуальные осветители: для первой группы и РАЗ—лампа Н1, а для третьей группы и РЛ4— лампа Н2. Источник питания 6 В подключается к клеммам разъема ХЗ. Это напряжение подается па узлы осциллографа через предохранитель Г и тумблер SA1 включения питания. Лампы Н1 и Н2 подключаются к цепи питания при использовании для регистрации входных сигналов первой пли третьей (или обеих вместе) групп гальванометров через индивидуальные выключатели SA2 и 5ЛЗ. Ток накала этих ламп и яркость их свечения регулируются переменными резисторами RI, R2. Напряжение па элементах схемы осциллографа контролируется вольтметром PV через переключатель SA4: в положении 1—'Напряжение источника питания осциллографа, в положениях 2 и 4—соответственно на лампах Н2 и Н1, в положении 5—на электродвигателе МР1.
Электродвигатель МР1 предназначен для привода лентопротяжного механизма кассетного типа и тем самым перемещения фотобумаги во время регистрации сигналов. Питание этого электродвигателя включается тумблером 5Л5, а число оборотов и, следовательно, скорость движения фотобумаги регулируется переменным резистором R3.
Кроме, того, ведущий вал электродвигателя МР1 связан с. лентопротяжным механизмом через коробку передач с электромеханическим переключателем, что позволяет дискретно изменять скорость протяжки ленты, получая следующие ее величины: 1; 2,4; 6,4; 16; 40; 100 мм/с.
Промежуточный редуктор позволяет снижать число оборотов ведущего вала еще в 15 раз и тем самым во столько же раз уменьшать указанные величины скорости движения фотобумаги. Целостность движущейся ленты фотобумаги контролируется лампой НЗ, в цепь питания включена кнопка 5Л6. При движении фотобумаги вращается контактное колесо, которое эксцентриком периодически нажимает на кнопку ЗЛб, размыкает контакты, что вызывает мигание лампы НЗ. При обрыве фотоленты прекращается вращение контактного колеса и мигания этой лампы не происходит.
Переключение скорости движения фотоленты следует проводить при выключенном электродвигателе MPL Если же по ошибке оператора переключение будет проведено во время работы электродвигателя, то может произойти обрыв фотобумаги. Для предотвращения этого в цепи питания электродвигателя МР1 установлена кнопка SA7-. во время переключения скорости движения ведущего вала эта кнопка автоматически нажимается, что приводит к реверсированию электродвигателя и созданию небольшого запаса свободной фотоленты. После переключения скорости кнопка 5Л7 автоматически отпускается, а запас сво- 102
бодной фотоленты предотвращает ее обрыв во время скачкообразного изменения скорости.
Для правильной обработки записанных на фотоленту результатов измерений необходима привязка по времени регистрируемого процесса. Для такой временной привязки па движущуюся фотобумагу наносятся марки времени. Осциллограф ЭПО-10 имеет несколько режимов формирования отметок времени, которые переключаются переключателем ЗЛУ (платы SA8.1—SA8.4).
Эти режимы отличаются друг от друга тем, что, во-первых, отметки времени могут наноситься на фотобумагу либо осветителем (лампа НА^ в виде тонких поперечных линий по всей ширине фотобумаги, либо гальванометром РА4 в виде продольной прерывистой линии. Источником марок времени может быть внешняя линия синхронизации (радиоканал, канал проводной связи), подключенная к клеммам «Марки» разъема Х4, либо внутренний генератор марок времени.
В положении / переключателя ЗЛУ через платы SA8.1 и SA8.2 внешняя линия синхронизации «Марки» включается последовательно в цепь питания реле К1, а через плату SA8.3 к нормально разомкнутым контактам К1.1 реле подключается лампа Н4. В исходном состоянии, когда питание на реле К1 не подано, конденсатор С/, параллельно которому тумблером SA10 может быть включен конденсатор С2, через нормально замкнутые контакты KL2 реле и переменный резистор R4 заряжается до напряжения источника питания 6 В.
При поступлении сигнала внешней марки времени, например по радиоканалу, на выходе радиоприемника включается на короткое время телевключатель, цепь «Марки» замыкается, реле К1 включается, контакты КД.2 размыкаются, a KL1 замыкаются и конденсатор С/ разряжается через лампу Н4 и вызывает короткую вспышку света, который через узкую щель попадает на фотобумагу и засвечивает ее. После выключения телевключателя реле К1 выключается, конденсатор С/ вновь заряжается, подготавливая таким образом возможность нанесения следующей отметки времени.
Режим работы отметчика времени в положении 4 переключателя ЗЛУ отличается от рассмотренного выше только тем, что в цепь разряда конденсатора С/ включается не лампа Н4, а гальванометр РА4 через токоограничивающий резистор R5 и плату SA8.3. Поэтому при замыкании телепключателем цепи «Марки» на фотобумагу от гальванометра РА4 наносится короткая продольная линия.
В положениях 2 и 5 переключателя ЗЛУ марки времени на фотобумагу наносятся от внутреннего генератора, выполненного на электродвигателе МР2 и пяти кнопках SA17—SA21 с нормально разомкнутыми контактами. Для работы внутреннего генератора марок времени тумблером ЗЛУ включают в цепь питания реле К1 контакты кнопок SA17—SA21 и через тумблер SA11
юз
и диод VO подают питание на электродвигатель МР2, зашупти- рованный конденсаторами СЗ и С4. Все кнопки SA17—SA21 соединены параллельно, поэтому при нажатии любой из них замыкается цепь питания реле KL Ось двигателя МР2 имеет частоту вращения 1 об/мин.
Шестерни исполнительного механизма приводят во вращение зубчатые диски, которые своими выступами последовательно нажимают кнопки SA17—SA21 и те замыкаются через 0,5; 2; 20; 200 или 1000 с к зависимости от положения переключателя на передней панели осциллографа (на рис. 45 не показан).
На каждом замыкании одной из этих кнопок срабатывает реле К1 и. па фотобумагу наносится метка времени с помощью либо лампы Н4, либо гальванометра РА4. При срабатывании реле К1 замыкаются также нормально разомкнутые контакты KL3, при этом по цепи «Марки» замыкается телевключатель передающего устройства и марки времени поступают по каналу связи па измерительную или генераторную станцию, вместе с которыми работает осциллограф, для их синхронизации.
При работе внутреннего генератора меток кнопки SA17— SA21 замыкаются на короткий промежуток времени и для увеличения быстродействия параллельно конденсатору С1 через плату SA8.4 подключается источник питания 6 В.
Особые метки на фотобумагу могут быть нанесены оператором с помощью гальванометра РАЗ при нажатии кнопки SA12. В этом случае напряжение от источника питания осциллографа через добавочный резистор R6 подается в цепь гальванометра и на фотобумагу наносится дополнительная метка, например глубины при подъеме измерительного зонда из скважины.
Гальванометры РА1 и РА2 снабжены переключателями SA13 и SA14, позволяющими либо закоротить гальванометры в процессе транспортировки, либо подключить емкостные фильтры С5, С6 в процессе регистрации сигналов. Для закорачивания гальванометров РА5, РА6 при транспортировке используются тумблеры SAIS, SA16.
ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНАЯ ГЕНЕРАТОРНАЯ СТАНЦИЯ
СГЭ-72
Станция СГЭ-72 предназначена для возбуждения в земле постоянного электрического поля при глубинных исследованиях низкоомных геоэлектркческих разрезов. Она смонтирована в автомобиле УАЗ-469Б и содержит генератор П-72 постоянного тока с приводом от двигателя автомобиля, пульт управления генератором и силовой блок.
Основные технические характеристики станции СГЭ-72
Максимальная мощность, кВт14,5-
Ток в питающей линии. А; максимальный 31,5
104
минимальный0.6
Максимальное напряжение в питающей линии, В . 460
Время выключения тока, с0,1
Относительная величина колебаний тока при постоянной нагрузке, %3
Время установления тока при подключении генератора к питающей линии, с _2.5
Время непрерывной работы,ч 8
Масса, кг 2100
Выход генератора (рис. 46) постояпого тока подключается к разъему X/ «Генератор*. Во входной цепи установлены предохранители F1 и F2, служащие для защиты генератора при коротком замыкании в линии АВ или силовом блоке, вольтметр PV для измерения выходного напряжения генератора, амперметр РА, подключаемый к эталонным резисторам RI—R3 через переключатель ЗА/ для измерения силы тока в питающей линии АВ, а также реле минимального тока А/. Амперметр РА вместе с переключателем ЗА/ обеспечивают три предела измерения тока: 10, 15 и 30 А.
Нагрузка (питающая линия) подключается к клеммам АВ выходного разъема Х2. Напряжение от генератора подается в питающую линию АВ через коммутатор, выполненный на нормально разомкнутых контактах К2.2, К2.3, КЗ.2, КЗ.З контакторов К2 и КЗ. Питание на обмотки этих контакторов подается от аккумулятора с напряжением 12 В через клеммы « + » и «—» разъема ХЗ и тумблер SA2 (для включения питания тумблер SA2 необходимо установить в положение /). Полярность напряжения, подаваемого в питающую линию АВ, переключается тумблером SA4. Если тумблер SA4 установлен в положение 1, то питание подается на обмотку контактора К2, и через замкнутые контакты К2.2 и К2.3 напряжение от генератора подается в полярности «плюс» — на клемму В, «минус» — на клемму А.
Одновременно к аккумулятору через замкнутые контакты K2J подключается лампочка Н/, свечение которой указывает на обратную полярность подключения генератора к клеммам АВ.
Рис. 46. Принципиальная схема станции СГЭ- 72Рис. 46. Принципиальная схема станции СГЭ- 72
Рис. 46. Принципиальная схема станции СГЭ- 72
Рис. 46. Принципиальная схема станции СГЭ- 72
Если тумблер SA4 установлен в положение 2. то срабатывает контактор КЗ, генератор подключается в полярности «плюс» — к клемме А, «минус» — к клемме В и загорается лампочка Н2. Конденсаторы С/ и С2 предназначены для снижения перенапряжений при разрыве цепей питания контакторов К2, КЗ, тумблерами SA2, SA4.
Тумблер 5ЛЗ предназначен для запуска двигателя автомобиля по цепи зажигания. Если тумблер SA2 находится в положении 2 («Выключено»), то при замыкании тумблера SA3 через клемму «Зажиг.» разъема ХЗ в цепь зажигания двигателя подается напряжение 12 В от аккумулятора. При включении контакторов контакты тумблера SA2 блокируются контактами К1.1 реле минимального тока. Если ток в питающей линии станет меньше 0,6—I А, например при обрыве питающей линии, реле К1 выключается, контакты К 1.1 размыкаются, разрывая цепь зажигания двигателя и тем самым прекращая работу станции.
ГЛАВА IV.
АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
НЕСТАЦИОНАРНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
ОСНОВНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
К нестационарным относятся электромагнитные поля, устанавливающиеся в Земле после включения (выключения) тока в возбудителе поля. Если через неэаэемленную петлю или заземленную линию пропустить импульс тока прямоугольной формы, то в пространстве, окружающем этот возбудитель, возникнет первичное электромагнитное поле, изменяющееся в момент включения тока от нуля до некоторой постоянной величины, а затем от нее до нуля (после выключения тока).
Под действием изменяющегося скачкообразно электромагнитного поля в проводящей среде индуцируются нестационарные вихревые электрические токи. Во время пропускания тока в окружающем возбудитель пространстве действует суммарное поле (первичное и вторичное), а после выключения тока — только вторичное. Это поле обусловлено в проводящей нсполя- ризующейся среде вихревыми токами, интенсивность и скорость изменения которых в первую очередь зависят от электрической проводимости геологических образований.
При крутых фронтах импульсов тока в моменты резкого изменения первичного электромагнитного ноля вторичные вихревые токи распределяются в приповерхностных областях проводящих пород, затем они проникают на все большую глубину, постепенно затухая из-за тепловых потерь. Поэтому, измеряя изменения во времени напряженности вторичного электромагнитного поля, можно получать информацию об изменениях электрических свойств изучаемого геоэлектрического разреза с глубиной, т. е. проводить зондирование становлением поля (индукционное зондирование) без изменения разноса между возбудителем и входным преобразователем (которое необходимо при выполнении геометрических зондирований иа постоянном токе).
Если электромагнитное поле возбуждается в проводящей пеноляризующейся среде с помощью вертикального магнитного диполя, то для компонент электромагнитного поля при поздних временах регистрации имеем:
Е^ = 8л3Л1мгр/т*; Bz = — 16л3Ммгр/т «.
где Ev и В, — напряженности азимутальной составляющей электрического и вертикальной составляющей магнитного поля в точке измерений; Мм—момент магнитного диполя; р — удель-
107
ное электрическое сопротивление среды; г —расстояние от диполя до точки измерения; тм = -\/2nl0’p/ параметр становления магнитного поля; / — время измерения переходного процесса после выключения тока.
Таким образом, по напряженности нестационарных электромагнитных полей, возбуждаемых магнитным диполем, можно определять удельное сопротивление проводящей неполяризую- щейся среды и его изменение с глубиной.
При измерениях параметров нестационарных полей, возбуждаемых заземленным кабелем длиной 2£ с током /, выражение для напряженности электрического поля, обусловленного вихревыми токами, при поздних временах регистрации имеет вид
где у — расстояние от точки наблюдения до кабеля; та = ц£2/4р— параметр становления электрического поля; ц — магнитная проницаемость среды, равная 4л-10~7 Гн/м.
Графики напряженности индукционного электрического поля, наблюдаемого по линии, параллельной кабелю и находящейся от него на расстоянии у=0,1 L, показаны на рис. 47. Графики соответствуют разным моментам времени и нормированы по напряженности £0 поля постоянного тока в центре питающей линии.
Напряженность индукционного электрического поля на поверхности однородного полупространства практически постоянна вдоль всего кабеля, что позволяет легко выделять на этом постоянном фоне локальные проводящие объекты в геоэлектриче- ском разрезе.
Напряженность неустановившегося магнитного поля зависит также от параметров проводящего локального объекта: чем
больше размеры объекта и чем выше его проводимость, тем
больше интенсивность вторичного поля и тем более длителен
Рис. 47. Графики напряженности индукционного поля по линии, параллельной кабелюРис. 47. Графики напряженности индукционного поля по линии, параллельной кабелюпереходный процесс. Указанные особенности используются для обнаружения локальных проводящих объектов методом переходных процессов.
Рис. 47. Графики напряженности индукционного поля по линии, параллельной кабелю
Рис. 47. Графики напряженности индукционного поля по линии, параллельной кабелю
В обшем случае нестационарные электромагнитные поля обусловлены не только вихревыми токами. В сложных многофазных средах, к числу которых относятся горные породы и руды, па границах раздела фаз при прохождении через них
электрического тока протекают электрохимические процессы, сопровождаемые возникновением дополнительных ВТОРИЧНЫХ ЭДС, ИЗ-
меняющих величину электромагнитного поля во время пропускания тока в среде и существующих некоторое время после выключения тока. Поле этих вторичных электрохимических ЭДС называется полем вызванной поляризации (ВП). Электрохимические- процессы обычно протекают очень медленно, поэтому вторичное поле ВП существует значительно дольше после включения (выключения) тока, чем вихревые токи, и для полного их установления или исчезновения требуется длительное время.
Пропускание тока в течение нескольких минут, как правило, не приводит к полному установлению поля в многофазных средах, а после его выключения спад напряжения ВП наблюдается в течение единиц—десятков минут, что в тысячи раз превышает длительность протекания электродинамических (индукционных) переходных процессов. Измеряемый потенциал (пли напряженность поля) во время пропускания тока в земле изменяется за счет поля ВП, а поэтому величина удельной электропроводности оказывается не постоянной, а зависящей от момента измерения. В простых случаях эта зависимость имеет вид
а (0 = ог0 Г1 + n exp VQ'4) erfc (Q V/ П,L 1 —nJ
где а0 —удельная электропроводность, измеренная после длительного пропускания тока; р и Q — амплитудный и временной параметры поля ВП, влияющие на величину и скорость изменения поля ВП.
В качестве меры поляризуемости среды обычно используют кажущуюся поляризуемость
т]к — (Д(/вп/Д1/пр) 100%, где Д(/Вп — разность потенциалов между приемными электродами в определенный момент (обычно через 0,5 с) после выключения тока; Д(7ир—разность потенциалов между'- теми же электродами в конце интервала пропускания тока.
Зависимость т|к от времени имеет вид
t|K(0=m/(l 4-m), где
tn — -—2— exp(Qit) erfclQ! VO-
vj — кажущаяся поляризуемость, измеренная в момент # = 0; а время t отсчитывается от момента выключения тока.
Временной параметр Q, является важным информационным параметром поля ВП, величина которого связана со структурно-текстурными особенностями поляризующихся объектов. Так, обычно у ионопроводящих пород и у пород, содержащих мелкую электронопроводящую вкрапленность, 0,l<Qi<10; у вкрапленных сульфидных руд 0,01 <Qi <0,1; у прожилково-
вкрапленных руд 0,001 <Qi<0,01, а у массивных сульфидных руд Qi<0,001 (размерность Qi — 1/с).
Вызванная поляризация минералов, имеющих электронную проводимость, значительно больше, чем ионопроводящих пород, поэтому локальные геологические объекты, сложенные электронопроводящими минералами, отмечаются интенсивными полями ВП. На рис. 48 изображена форма сигналов на выходе входных преобразователей электрического (Z?) и магнитного (Я) полей при использовании в качестве возбудителя поля заземленной питающей линии с током /. Различие в форме импульсов электрического и магнитного полей объясняется тем, что вторичное электрическое поле ВП, вызванное появлением зарядов на гра- лицах поляризующегося объекта, возбуждаемого однородным электрическим полем с плотностью тока /0 (рис. 49), пропорционально произведению плотности вторичного тока /е на удельное сопротивление пород ре, причем в точке измерений О над объектом направление вторичного электрического поля ВП совпадает ■с направлением первичного поля как во время пропускания импульса тока, так и после его выключения. Первичное электрическое поле, в свою очередь, пропорционально произведению плотности тока /0 па удельное сопротивление пород ре, т. е. вторичное электрическое ноле ВП оказывается пропорциональным первичному.
Магнитное поле, измеряемое в точке О, состоит из нормального поля, обусловленного введением тока в землю через питающую линию, и аномального поля, обусловленного концентрацией протекающего тока внутри объекта с удельным сопротивлением р,, причем амплитуда нормального ноля не зависит от сопротивлений р( п р,. Аномальное магнитное поле пропорционально не нормальному (первичному) магнитному нолю.
Рис. 48. Формы возбуждаюРис. 48. Формы возбуждающего тока / рического С полей для средыщего тока / рического С полей для средыи сигнала элект- и магнитного // поляризующейсяи сигнала элект- и магнитного // поляризующейсяРнс. 49. Поляризующийся объект в однородном электрическом полеРнс. 49. Поляризующийся объект в однородном электрическом поле
Рис. 48. Формы возбуждаю
Рис. 48. Формы возбуждаю
щего тока / рического С полей для среды
щего тока / рического С полей для среды
и сигнала элект- и магнитного // поляризующейся
и сигнала элект- и магнитного // поляризующейся
Рнс. 49. Поляризующийся объект в однородном электрическом поле
Рнс. 49. Поляризующийся объект в однородном электрическом поле
а избыточной плотности тока, протекающего внутри объекта, т. е. разности плотностей тока /; и /о, которая, в свою очередь, зависит от соотношения удельных сопротивлений р, и рг., а также от степени вытянутости объекта по направлению вектора первичного тока.
Если объект имеет форму шара, а сопротивление объекта значительно меньше сопротивления вмещающей среды, то плотность тока внутри шара почти в 3 раза превышает плотность тока во вмещающей среде. В связи с этим в начальный момент времени после включения импульса тока, когда электрохимические процессы на поверхности объекта имеют малую интенсивность, плотность тока внутри объекта максимальна, что вызывает максимальную амплитуду аномального магнитного поля над объектом. По мере увеличения длительности пропускания тока плотность зарядов на границах объекта возрастает, а это приводит к увеличению во времени сопротивления объекта, к уменьшению плотности тока внутри поляризующегося объекта и уменьшению во времени аномального магнитного поля в точке измерений О.
После выключения импульса тока через поляризующийся объект начинает протекать ток вызванной поляризации, направление которого внутри объекта противоположно направлению первичного магнитного поля, чем и объясняется различие в форме сигналов электрического и магнитного полей (см. рис. 48). При малых плотностях возбуждающего тока ЭДС ВП линейна и достаточно строго пропорциональна току. В общем случае коэффициент пропорциональности нелинеен и зависит от направления тока, что отражает различие анодной и катодной поляризации объекта (анодная поляризация наблюдается на той части поверхности поляризующегося объекта, откуда ток выходит, а катодная — где он входит).
Информационным параметром, определяющим нелинейность характеристик поля ВП, обусловленную указанными различиями, служит коэффициент нелинейности ВП, равный относительным изменениям коэффициента поверхностной поляризации ВП:
А = (^а—^VQ*» -Ь^к)|
где 7.— коэффициент поверхностной поляризации ВП, отнесенный к единице напряженности поля в электролите вблизи контактной поверхности, индекс «а» указывает на анодную поляризацию, индекс «к» — на катодную. Чаше всего у галенитовых, халькопиритовых руд Д имеет отрицательный, а у графита — положительный знак.
Потенциал поля нелинейной вызванной поляризации (НВП). равный полусумме значений потенциала ВП, измеренного при обеих полярностях питающего тока, над нелинейно поляризующейся сферой пропорционален напряженности поля ВП:
^нвп = Т^вп; у—1/ЗДа,
где a — радиус электронопроводЯ1ией сферы. Поэтому по
11).
результатам измерений поля НВП можно судить об эффективном размере включений (радиусе сферы а) и, учитывая знак потенциала НВП, о минеральном составе этих включений.
При больших плотностях возбуждающего тока ЭДС ВП ле пропорциональны току, причем формы токовых зависимостей определяются видом электрохимических реакций и составом реагирующих веществ. Один из способов изучения электрохимических процессов состоит в последовательном их возбуждении на границе рудных тел с вмещающими породами при постепенном изменении величины тока, пропускаемого через рудный объект, и регистрации электрохимических процессов в форме поляризационных кривых (контактный способ поляризационных кривых КСПК).
На поляризационных кривых в виде отдельных ступеней каждый процесс отражается индивидуально и характеризуется своим потенциалом и предельной величиной тока реакции. По сравнениям измеренных значений с известными потенциалами реакций для разных минералов устанавливают минеральный состав рудных тел. По предельной силе тока реакций судят о величине поверхности рудных тел и количестве соответствующего минерала в оруденении (подсчитывают запасы руды).
Таким образом, основными информационными параметрами нестационарного электромагнитного поля являются напряженность и потенциал вторичного поля, скорость спада (нарастания) неустановившегося поля, зависимость характеристик не- установившегося поля от направления и силы возбуждающего тока, а также от разноса и времени регистрации.
ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Нестационарные электромагнитные поля возбуждают либо отдельными (единичными) импульсами тока, либо периодической последовательностью разнополярных или однополярных импульсов тока с паузами. Измерения параметров нестационарных полей проводят обычно после выключения импульса тока (во время пауз между импульсами тока), а в методе вызванной поляризации также и во время пропускания импульсов тока. Поэтому аппаратура для измерения нестационарных полей должна позволять регистрировать величину и изменения напряженности или потенциала вторичного поля, величину суммарного поля, а также возбуждающий ток.
Диапазон времен регистрации нестационарного поля зависит от характера решаемой задачи и различен в разных методах. Так, при изучении ранней стадии вызванной поляризации (метод PC ВП) используется диапазон времен от нескольких микросекунд до нескольких десятков миллисекунд после выключения (включения) тока. В методе зондирования становлением поля диапазон времен регистрации составляет от десятков мил-
лнсекунд до десятков секунд, а в методе зондирования становлением в ближней зоне (ЗСБЗ) — от десятков микросекунд до нескольких секунд. В методе переходных процессов используется диапазон времен от нескольких единиц до нескольких десятков миллисекунд, в методе ВП — от десятков миллисекунд до десятков минут и даже часов.
Существуют два способа измерений нестационарных полей: непрерывной (например, осциллографической) записи и стробоскопический, при котором измеряют мгновенные значения сигналов переходного процесса в заданные моменты времени (или амплитуду проинтегрированных за короткий промежуток времени стробов сигналов). При этом интервал времени между стробами выбирается достаточно малым, что позволяет по дискретным значениям сигнала достаточно точно восстановить всю переходную характеристику нестационарного поля.
Временные диаграммы, поясняющие способы измерений нестационарного поля, возбуждаемого единичным импульсом тока и серией разнополярных импульсов тока, показаны на рис. 50. При возбуждении нестационарного поля единичным импульсом тока /, вводимым в землю с помощью питающей линии, электрическое поле Е состоит из трех частей: постоянного первич-
Рис. 50. Временные диаграммы, поясняющие способ измерения нестационарного поля, возбуждаемого единичным импульсом тока (а) и серией разнополярных яыиульсоп тока (6}Рис. 50. Временные диаграммы, поясняющие способ измерения нестационарного поля, возбуждаемого единичным импульсом тока (а) и серией разнополярных яыиульсоп тока (6}
Рис. 50. Временные диаграммы, поясняющие способ измерения нестационарного поля, возбуждаемого единичным импульсом тока (а) и серией разнополярных яыиульсоп тока (6}
Рис. 50. Временные диаграммы, поясняющие способ измерения нестационарного поля, возбуждаемого единичным импульсом тока (а) и серией разнополярных яыиульсоп тока (6}
ного ноля, спадающего во времени вторичного индукционного поля и возрастающего со временем вторичного поля ВП. Измерив ноле Е в два момента времени 6 и /2. по приращению \ЕХ можно определить параметр вторичного индукционного поля, а измерив значение поля Е в два момента времени ti и /3, по приращению Д£2 можно установить параметр вторичного поля ВП.
После выключения тока электрическое поле Е состоит из двух частей: вторичного индукционного поля и поля ВП, которые убывают со временем с различной скоростью и имеют разный знак. В момент времени tV напряженность индукционного пола больше, чем напряженность поля ВП, а на интервале времени t»—tj влиянием индукционного поля можно пренебречь, и именно на этом интервале измеряют сигналы поля ВП на выходе. входного преобразователя. Сигналы, изображенные на риб. 50, а, могут быть либо полностью записаны на осциллографическую лепту, либо измерены в фиксированные моменты времени: Л, ^2, Ц, tx , k', t^' и т. д. Такой способ измерений имеет низкую помехозащищенность, так как регистрирующее устройство должно быть широкополосным и в нем недопустимо использовать электрические фильтры.
Для повышения помехоустойчивости измерений используется метод накопления сигналов. При этом электромагнитное поле Е в Земле возбуждается серией импульсов тока 1 (см. рис. 50, б) и па входе измерительного устройства появляются однополярные импульсы напряжения UU1 из которых в паузе между импульсами тока вырезаются стробы из сигнала вторичного поля на заданном интервале времени t0—t». Стробы сигнала подаются на накопитель, с помощью которого за определенный промежуток времени сигнал усредняется, а затем происходит регистрация усредненного сигнала U№. Если вместо одного строба регистрируется усредненный сигнал из п стробов, точность измерений повышается в У» раз.
Аппаратура, с помощью которой регистрируется пеустано- внвшссся электромагнитное поле во время пропускания импульса тока в возбудителе, снабжается специальными электрическими компенсаторами первичного поля, выполненными либо в виде трансформаторов постоянного тока ио схеме модулятор— трансформатор — демодулятор, либо преобразователя на оптронах, вход которого подключен к эталонному резистору, включенному последовательно в цепь возбудителя поля, а выход подключен последовательно с выходом входного преобразователя ноля. С помощью регулирующих элементов (аттенюаторов или цифро-аналоговых преобразователей) вначале сигналы первичного поля компенсируются, а затем регистрируется нестационарное поле. Использование компенсирующего сигнала, пропорционального току в возбудителе поля, позволяет значительно уменьшать погрешности, вызванные нестабильностью во времени питающего тока.
Рис. 51. Обобщенная структурная схема э.'1сктрораэведочной аппаратуры для измерения нестационарных электромагнитных полей
Аппаратура для измерения нестационарных электромагнитных полей (рис. 51) содержит источник Un постоянного напряжения, который через коммутатор и эталонный резистор R™ соединен с выходными клеммами Л, В. и измеритель сигналов, подключаемый через мультиплексор (коммутатор каналов) либо ко входным клеммам М,. N при измерениях сигналов па выходе входного преобразователя поля, либо через блок развязки к эталонному резистору /?ш при измерениях тока в возбудителе поля. Управление работой аппаратуры осуществляется либо автоматически с помощью блока управления и регистрации по заданной до начала измерений оператором программе, либо полуавтоматически с участием оператора.
При автоматическом управлении измерения сигналов электрического поля проводятся в следующем порядке. До включения тока в возбудителе поля к входу блока согласования через мультиплексор по первой команде из блока управления подключается выход приемной линии MN, а выходное напряжение компенсатора поляризации, выполненного автоматическим, устанавливается равным нулю. Блок согласования (см. рис. 40) представляет собой сумматор, с помощью которого суммируются сигналы с выхода приемной линии MN, компенсатора поляризации и, в случае необходимости, с выхода блока гальванической развязки.
В этом же блоке устанавливается предварительный усилитель, коэффициент усиления которого может уменьшаться в 10 раз во время припускания тока в возбудителе пиля. Предварительный усилитель должен быть малошумящим и иметь
высокое входное сопротивление. При этом на вход усилителя (преобразователя) напряжения поступает сигнал естественного электрического поля, поляризации электродов и остаточное напряжение предварительного усилителя. Усилитель (преобразователь) напряжения содержит ЛЦП с масштабным усилителем на входе.
Далее в блоке управления последовательно вырабатывается вторая — пятая команды (аналогичные командам при работе устройства, изображенного на рис. 40), в результате чего происходит полная компенсация естественного поля, напряжения поляризации электродов п остаточных напряжений измерительного устройства.
Аналогичным образом по шестой — девятой командам сначала открывается коммутатор (например, тринисторный инвертор), в питающую линию АВ пропускается ток от источника питания Un и в конце пропускания импульса тока с помощью АЦП поступающий с выхода приемной линии сигнал ДЦпр преобразуется в цифровой код, который записывается в регистраторе. Затем выключается компенсатор поляризации, а мультиплексор подключает ко входу блока согласования выход блока гальванической развязки и с помощью АЦП сигнал с эталонного резистора /?ш, пропорциональный току в питающей линии АВ. преобразуется в цифровой код и также записывается в регистраторе.
По десятой команде коммутатор закрывается, ток в цепи АВ выключается, компенсатор поляризации вновь включается, а к входу блока согласования через мультиплексор подключается выход приемной линии MN. После этого через заданные интервалы времени с помощью АЦП преобразуются в цифровой код сигналы вторичного поля и записываются в регистратор. Если сигнал вторичного поля изменяется достаточно быстро, то на входе усилителя (преобразователя) напряжения используется стандартное устройство выборки—хранения (УВХ), содержащее ключ и интегратор.
При замыкании ключа на короткое время (например, на 20 мс) напряжение входного сигнала запоминается на интегрирующем конденсаторе, а затем после размыкания ключа оно поступает па вход АЦП и преобразуется в цифровой код. Если время интегрирования кратно 20 мс. т. о. периоду напряжения промышленной сети с частотой 50 Гц, то помеха с этой частотой подавляется не менее чем в 100—200 раз, что позволяет существенно повысить точность измерений.
Далее результаты измерений выводятся из регистратора на блок индикации. Если сигнал вторичного поля записан достаточно хорошо, без видимых помех, то результаты измерений из оперативной памяти регистратора перезаписываются в долговременную память (например, на магнитную ленту с помощью цифрового магнитофона) для последующей обработки в камеральных условиях. Если запись осложнена помехами, то в землю
повторно пропускаются импульсы тока обеих полярностей (инвертирование тока производится с помощью инвертора по командам, поступающим из блока управления), а измеритель работает в режиме накопления до тех пор, пока воспроизводимая на экране индикатора-дисплея кривая спада будет достаточно гладкой, без видимых помех. Для автоматического управления работой аппаратуры и первичной обработки результатов измерений в состав блока управления включается микропроцессор или микроЭВМ.
Режим полуавтоматических измерений электрического поля обычно используется в тех случаях, когда в аппаратуре отсутствует АЦП и автоматический компенсатор поляризации. Такая аппаратура содержит ручной компенсатор поляризации, а усилитель (преобразователь) напряжения выполнен в виде устройства выборки — хранения сигналов, подключенного к индикатору (милливольтметру). В отличие от автоматического режима, в данном режиме оператор компенсирует естественное поле и поляризацию электродов вручную, измерение вторичного поля производит только в один из фиксированных моментов времени после выключения тока, а при необходимости измерить вторичное поле в другие моменты времени повторно пропускает импульсы питающего тока, после чего проводит измерения в выбранные моменты времени.
При измерениях нестационарных магнитных полей в составе измерительной аппаратуры обычно отсутствует компенсатор поляризации, а в остальном структурная схема остается такой же, как и рассмотренная выше.
Как правило, в настоящее время измерители нестационарных полей выполняются по многоканальным схемам. Следует отметить, что под термином «многоканальные» понимают две группы устройств. К первой группе относятся устройства, позволяющие измерять сигналы (одновременно или поочередно), поступающие с нескольких датчиков, т. е. устройства, имеющие множество входных клемм, к которым подключаются датчики сигналов, например станции ЦЭС-1,2. Вторая группа объединяет устройства для измерения сигналов с одного датчика, содержащие несколько каналов обработки сигнала — например, отдельные каналы для измерения вторичного магнитного поля в каждый из заданных моментов времени после выключения тока в возбудителе поля (например, аппаратура АМПП-2).
Многоканальные устройства, относящиеся к первой группе, являются более совершенными и прогрессивными, так как они позволяют получить ту же информацию, что и устройства второй группы, но нс с одного, а с множества датчиков сигналов. Структурные схемы многоканальных измерителей нестационарных полейте одновременными и поочередными измерениями сигналов, поступающих от нескольких датчиков на входные клеммы АД, М2, Мз, ..., /V, представлены на рис. 52. Для повышения быстродействия устройства обоих типов имеют одинаковые
Рис. 52. Структурные схемы многоканальных измерителей нестационарных полек с одновременным (<т) «поочередным (б) измерением сигналов
многоканальные входные устройства и автоматические многоканальные компенсаторы поляризации, на которые код компенсации сигналов каждого канала подается из ОЗУ.
Измеритель параллельного типа работает следующим образом. До пропускания тока в возбудителе поля происходит компенсация напряжений естественного поли и поляризации электродов одновременно по всем каналам точно так же, как и в рассмотренной выше схеме одпоканального измерителя. Отличие от одноканального измерители заключается в том, что коды компенсации сигнала в каждом канале с выходив многоканального АЦП передаются в блок управления и далее в ОЗУ через мультиплексор цифровых сигналов поочередно. После окончания компенсации естественного ноля и поляризации электродов многоканальный АЦП преобразует сигналы нестационарного поля в заданные моменты времени синхронно по всем каналам, а в паузах между измерениями цифровые коды через мультиплексор поочередно записываются в регистраторе.
В измерителе последовательного типа компенсация естественного поля и поляризации электродов проводится поочередно, начиная с первого канала. Для этого по командам из блока управления аналоговый мультиплексор подключает ко входу АЦП поочередно выход каждого канала многоканального входного устройства, код преобразованного сигнала записывается
Рис. 53 Диаграмма, поясняющая принцип исключения погрешностей многоканальных измерителей с поочередным измерением сигналов, обусловленных несинхронной регистрацией сигналов по разным каналамРис. 53 Диаграмма, поясняющая принцип исключения погрешностей многоканальных измерителей с поочередным измерением сигналов, обусловленных несинхронной регистрацией сигналов по разным каналамв ОЗУ и преобразуется в компенсирующий сигнал в многоканальном автоматическом компенсаторе поляризации.
Рис. 53 Диаграмма, поясняющая принцип исключения погрешностей многоканальных измерителей с поочередным измерением сигналов, обусловленных несинхронной регистрацией сигналов по разным каналам
Рис. 53 Диаграмма, поясняющая принцип исключения погрешностей многоканальных измерителей с поочередным измерением сигналов, обусловленных несинхронной регистрацией сигналов по разным каналам
Точно так же, начиная с первого канала, поочередно преобразуются сигналы нестационарного поля с помощью одного АЦП п последовательно записываются цифровые коды сигналов в регистраторе. Структурная схема измерителя последовательного типа проще, чем измерителя параллельного типа, за счет использования одноканального АЦП вместо многоканального (следует отметить, что в состав каждого канала многоканального АЦП должны входить как минимум грн масштабных усилителя, три компаратора и блок логических элементов). Однако при поочередном измерении переходных процессов по каждому каналу оказываются разными моменты времени измерений, что затрудняет сравнение результатов измерений по соседним каналам. Этот недостаток можно в значительной мере устранить, если сигнал вторичного поля Uc(t) измерять дважды: сначала от первого до п-го капала, а затем в обратном порядке, начиная с п-го до первого канала через те же интервалы времени А/ (рис. 53). При этом полусумма из результатов измерений по каждому каналу будет близка к значению сигнала в момент времени /#, з который и требуется измерить сигналы по всем каналам.
ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНАЯ СТАНЦИЯ ЦЭС-2
Станция ЦЭС-2, как и ранее выпускавшаяся станция ЦЭС-1,. предназначена для регистрации в цифровой форме па магнитной ленте компонент электромагнитного поля для последующего ввода информации в электронные вычислительные машины для автоматической обработки. Станция применяется при поисках месторождений нефти и газа методом зондирования становлением поля (ЗС) и магнитотеллурического зондирования (МТЗ). В состав станции не входит генераторное устройство, поэтому при выполнении работ по методу ЗС в качестве генераторной установки дополнительно используется станция ЭРС-67. Для синхронизации работы станций ЦЭС-2 и ЭРС-67 используются радиостанции типа 50РТМ-А2-4Л). Станция ЦЭС-2 смонтирована на автомобиле ГАЗ-66.
Основные технические характеристики станнин ЦЭС-2
Число регистрирующих каналов 5
Коэффициенты преобразования датчиков поля. В/(А/м):
магнитометра на частоте 1 Гц . 20
индукционного датчика на частоте 1 Гц 0,5
измерительной петли на частоте 1 Гц 4.7
Коэффициент передачи канала, не менее 100
Ослабление коэффициента передачи канала, дБ О—36
Динамический диапазон измерений, дБ: без учета компенсации 66
с учетом компенсации 96
Время между кодированиями, мс 2,5—72
Уровень шумов каналов в полосе частот 0—16 Гн, мкВ . . . .0.5
Емкость катушки магнитнойлепты,м 525
Скорость движения магнитной ленты в режиме, мм.с: записи 11—320
воспроизведения 250
Входное сопротивление усилителей,кОм 50—80
Потребляемая мощность. Вт . . . . 250
В качестве входных преобразователей электрического поля (датчиков ДЭ1, ДЭ2) станции (рис. 54) используются два электрических (заземленных) диполя, подключенных к двум каналам регистрации, а в качестве входных преобразователей магнитного поля (датчиков ДМ1—ДМЗ^ используются либо три
Рнс. 54. Функциональная схема станции ЦЭС-2
магнитостатических магнитометра МЭ-71, либо три магнитоиндукционных датчика, выполненных в виде многовитковых секционированных катушек, имеющих • сердечник • из материала с высокой магнитной проницаемостью, либо одна измерительная петля, представляющая собой 27-жильный кабель длиной 610 м, который выкладывается на местности в виде квадрата 150Х Х150 м. Выбор того или иного входного преобразователя зависит от частотного диапазона, к которому относится измеряемый сигнал: при регистрации сигналов в диапазоне частот 0—0,1 Гц используются магнитометры, а в диапазонах 0,1—1 и 1 —10 Гц — индукционные магнитоприемники.
На входе каждого из пяти измерительных каналов станции установлены блоки градуировки и балансировки: в каналах регистрации электрического поля — блоки БГЭ1, БГЭ2, а в каналах регистрации магнитного поля — блоки БГMl—БГМЗ. Эти блоки предназначены, во-первых, для подачи градуировочного сигнала известной амплитуды во входную цепь каждого канала, а во вторых, для начальной балансировки пулевого уровня каналов.
В каналах регистрации электрического поля градуировочный сигнал представляет собой прямоугольный импульс напряжения, вводимый последовательно с выходом датчиков ДЭ1 и ДЭ2. В каналах регистрации магнитного поля градуировочный сигнал представляет собой прямоугольный импульс тока, пропускаемый от блоков БГМ1—БГМЗ в градуировочные катушки датчиков ДМ1—ДМ3 и создающий градуированное по напряженности магнитное поле в точках расположения магниточувствительных элементов этих датчиков.
В каналах регистрации электрического поля последовательно' с выходом блока градуировки включен выход блока балансировки, формирующего напряжение компенсации смещения нуля, а в каналах регистрации магнитного поля выход блока балансировки пЪдключен к обмотке L2 магнитометра (см. рис. 17), через которую пропускается ток балансировки.
Напряжения, представляющие собой сумму сигналов, полученных па выходах датчиков ДЭ1, ДЭ2, ДМ1—ДМ3, а также выработанных блоками градуировки и балансировки БГЭ1, БГЭ2, БГМ1—БГМЗ, подаются на усилители постоянного напряжения У/—У5. Во всех каналах последние выполнены по одинаковым схемам (рис. 55 )и содержат последовательно соединенные входной фильтр, модулятор, усилитель переменного' напряжения, демодулятор и блок выходных фильтров. Входной фильтр нижних частот используется для подавления высокочастотных помех, причем частота среза фильтра устанавливается оператором и переключается при изменении режима регистрации. В состав входного фильтра входит также делитель напряжения, ослабляющий сигнал на 24 дБ. Этот делитель включается тумблером на панели блока управления и используется для увеличения пределов регистрации канала.
Рис. 55. Схема усилителя постоянного напряжения станции ЦЭС-2
С помощью модулятора низкочастотный сигнал или сигнал нестационарного поля преобразуется в высокочастотный сигнал, огибающая которого изменяется пропорционально входному сигналу. В модуляторе используются электронные ключи в интегральном исполнении серии К101КТ1, цепи управления которых развязаны с помощью высокочастотных трансформаторов. Частота переключения ключей равна 10,7 кГц.
Усилитель переменного напряжения состоит из масштабного и регулируемого усилителей. Масштабный усилитель выполнен на малошумящих полевых транзисторах и имеет коэффициент усиления, равный 15. Этот блок имеет дополнительный вход, на который подается сигнал управления отсечкой с выхода блока управления и синхронизации (БУС) в режиме измерения становления поля. При подаче сигнала управления на дополнительный вход во время пропускания тока в возбудителе поля и некоторое время спустя после выключения тока, пока не закончатся собственные переходные процессы в датчиках магнитного поля, прохождение сигнала на выход станции прерывается, выход масштабного усилителя отключается от входа регулируемого усилителя и нагружается на эквивалентную нагрузку. Благодаря этому устраняется перегрузка каналов мешающими сигналами и обеспечивается последующее высокое быстродействие при измерениях полезного сигнала. Регулируемый усилитель выполнен па трех операционных усилителях К140УТ1 и позволяет регулировать с помощью переключателя «Ослабление» на панели блока управления и синхронизации коэффициент усиления, выбирая его равным 80; 40; 20; 10; 5; 2,5; 1,25.
С выхода масштабного усилителя переменного напряжения усиленный сигнал через трансформатор поступает на демодулятор, который синхронно выпрямляет и сглаживает сигнал. Демодулятор содержит фазовочувствитсльный детектор на электронных ключах KI01KT1, сглаживающий /?С-фильтр и усилитель постоянного напряжения с коэффициентом усиления, равным 2.
К выходу демодулятора через переключатель SA1 подключен блок выходных фильтров, содержащий заграждающий (ре- 122
жекторный) фильтр, настроенный на частоту 50 Гц, фильтр верхних частот ФВЧ и фильтр нижних частот ФНЧ. Включение и выключение их осуществляется переключателем SAI. Если SA1 находится в положении / («Выкл.»), то фильтры 50 Гц и ФВЧ отключаются, и к выходу демодулятора через третью плату переключателя SA1.3 подсоединяется вход фильтра нижних частот, частота среза которого может регулироваться оператором при изменении диапазона регистрируемых сигналов.
В положении 2 («50 Гц») переключателя SAI сигнал с выхода демодулятора через платы SAM и SA1.3 поступает на вход фильтра нижних частот. Фильтр 50 Гц обеспечивает максимальное подавление сигнала, равное 40 дБ, на частоте 50,6 Гц. В положении 3 («ВЧ») переключателя SA1 через платы SA1.2 и SA1.3 сигнал с выхода демодулятора поступает на вход фильтра нижних частот через фильтр верхних частот, ограничивающий полосу регистрируемых частот ниже 0,1 Гц (в тех случаях, когда более низкочастотные составляющие сигнала не требуется регистрировать).
Частота среза ФВЧ, как и ФНЧ, также может переключаться оператором. Если переключатель ЗА? находится в положении 4 («50 Гц—ВЧ»), то выход демодулятора подключается ко входу фильтра нижних частот через платы SAM—SA 1.3 и последовательно соединенные фильтр 50 Гц и фильтр верхних частот. Все фильтры выполнены по схеме типовых активных RC- фильтров на операционных усилителях К140УТ1, дополненных на входе парой согласованных нолевых транзисторов, обеспечивающих высокое входное сопротивление.
Сигналы с выходов усилителей постоянного напряжения У?—У5 (см. рис. 54) поступают на первые входы сумматоров С1—С5, а на вторые входы этих сумматоров подаются напряжения с выходов автоматических компенсаторов АК1—АК5, управляемых блоком управления компенсаторами (БУК).
Каждый из автоматических компенсаторов АК1—АК5 представляет собой стандартный 6-раэрядный цифро-аналоговый преобразователь. Разряды ЦАП переключаются с помощью реле, которые управляются 6-разрядным параллельным двоичным кодом, формируемым в блоке БУК. Источник опорного напряжения общий как для ЦАП автоматических компенсаторов, так и для АЦП, поэтому величина ступени компенсации в единицах кода регистрации не зависит от опорного напряжения. Выходной сигнал ЦАП имеет 64 ступени, а каждая ступень соответствует 840 единицам десятичного кода, формируемого измерительным ЦАП, и равна 190 мВ.
Сумматоры С/—С5 выполнены по одинаковым схемам ие- инвертирующих усилителей на интегральных микросхемах К140УТ1 с суммированием сигналов по неинвертирующему входу. Коэффициент усиления суммарного сигнала равен 6. С учетом выходного сопротивления автоматического компенсатора и того, что в точке суммирования неинвертирующего сум-
матора сигнал ослабляется в 2 раза, одна ступень выходного напряжения автоматического компенсатора равна 420 мВ.
Автоматические компенсаторы включаются в тех случаях, когда входной сигнал большой и усилители постоянного напряжения У/—У5 перегружаются. Компенсирующий сигнал на входе соответствующего сумматора увеличивается до получения на выходе сумматора достаточно малого сигнала, нс перегружающего соответствующий усилитель постоянного напряжения. Код сигнала компенсации, вводимого в каждый канал, фиксируется в блоке БУК.
Сигналы с выходов сумматоров С/ —С5 поступают на устройства выборки—храпения УВХ1—УВХ5. каждое из которых содержит конденсатор, подключенный через электронный ключ типа КЮ1КТ1 к выходу соответствующего сумматора. К выходам устройств выборки—хранения УВХ1—УВХ5 подключены электронные ключи Кл. 1— Кл. 5 типа К101КТ1. Устройства УВХ1 — УВХ5 и ключи Кл. 1 — Кл. 5 образуют мультиплексор. В исходном положении ключи Кл. 1—Кл.5 закрыты, а входные ключи устройств УВХ1—УВХ5 открыты, поэтому напряжения па конденсаторах равны выходным напряжениям сумматоров С1—С5. В заданный момент времени измерений по команде, формируемой в блоке управления мультиплексором (БУМ), входные ключи УВХ1—УВХ5 закрываются. При этом на запоминающих конденсаторах фиксируются и хранятся напряжения ла уровнях, равных измеряемым сигналам в момент подачи командного импульса.
Далее ключи Кл. 1—Кл. 5 поочередно открываются (начиная с первого ключа Кл. /) и запоминающие конденсаторы поочередно подключаются ко входу усилителя мощности (УМ), имеющего высокое входное сопротивление. Выходные сигналы усилителя мощности подаются на АЦП, который поочередно, начиная с первого канала, преобразует аналоговые сигналы в цифровой код.
Так как сопротивление утечки закрытых ключей Кл. 1—Кл. 5 и входное сопротивление усилителя мощности очень велико, то за время поочередных измерений сигналов от первого до пятого каналов изменения напряжения на запоминающих конденсаторах не превышают допустимой погрешности измерений.
После окончания цикла преобразования аналоговых сигналов во всех каналах в цифровой код мультиплексор возвращается в исходное состояние: ключи Кд. 1—Кл. 5 закрываются, входные ключи устройств У В XI—У В Ко открываются, и станция вновь подготовлена к следующему циклу преобразования аналоговых сигналов в цифровой код.
Усилитель мощности выполнен на операционном усилителе К140УТ1, дополненном парой согласованных полевых транзисторов на входе, имеет высокое входное сопротивление (1,5 МОм) и малое выходное (100 Ом). Поэтому постоянная времени разряда запоминающего конденсатора больше 1,5 с, что обеспечп-
вает изменение амплитуды выборки измеряемого сигнала не более, чем на 0,03 %.
Аналого-цифровой преобразователь (рис. 56) выполнен по стандартной схеме 11-разрядного преобразователя поразрядного уравновешивания на дискретных элементах. Он содержит двоичным 11-разрядный Делитель напряжения на проволочных резисторах RI—RG (на рис. 56 условно показано только три разряда АЦП), И триггеров Tri—Trll, которые используются в качестве ключей, подключающих или отключающих резисторы R1. R3, R5 от источника питания (—12) В (являющегося одновременно источником питания триггеров Tri—Trll и источником опорного напряжения АЦП в целом),формирователь напряжения смещения 6 В на операционном усилителе А1 и компаратор на операционном усилителе А2. В схеме АЦП станции ЦЭС-2 компаратор выполнен па двух последовательно соедн-' ценных операционных усилителях К140УТ1 (второй из этих усилителей па рис. 56 не показан). Сигналы управления на АЦП подаются из блока управления БУ, входящего в состав блока управления и синхронизации (БУС) станции.
С помощью управляемого двоичного делителя па выходе (в точке «о») формируется ступенчато изменяющееся напряжение от нуля до (—12) В. Если выходные транзисторы всех триггеров Tri—Trll открыты, то напряжения в точках подключения резисторов RI, R3, R5 к выходам триггеров близки к нулю, а поэтому и напряжение в точке «а* равно нулю. Когда выходной транзистор триггера старшего значащего разряда (СЭР) Tri закрыт, а у триггеров Тг2—Тг11 открыт, то па выходе триггера Тг! появляется напряжение (—12) В, а в точке «а»— (—6) В, так как структура делителя на резисторах RI— R6 такова, что каждая его ступень делит напряжение в 2 раза.
Рис. 56. Упрощенная схема аналоге цифрового преобразователя станции ЦЭС-2
Запирание выходного транзистора триггера Тг2 приводит к появлению па его выходе напряжения (—12) В, которое делится в 2 раза и равно в точке «б» (—6) В, а затем делится еще в 2 раза и увеличивает напряжение в точке «о-» из 3 В (когда заперты выходные транзисторы триггеров Tri и Тг2, напряжение в точке «а» будет равно (—9) В). Запирание выходного транзистора следующего триггера приводит к увеличению напряжения в точке «а» па (—1,5) В и т. д., причем за счет запирания триггера Trll младшего значащего разряда (МЗР) напряжение в точке «а» увеличивается всего на (—5,8) мВ.
Усиленное измеряемое напряжение U$, величина которого может изменяться в пределах ±6 В, через резистор R13 подастся па неинвертирующий вход компаратора А2 (в точку «в»), коэффициент усиления которого определяется соотношением резисторов R15 и R14. К этой же точке подключен выход двоичного делителя напряжения (точка «а») и через масштабный резистор R12 — напряжение смещения 6 В, вырабатываемое операционным усилителем А1 тина К140УТ1.
Формирователь напряжения смещения на усилителе Л1 введен для того, чтобы создать регулируемое разнополярное напряжение, с помощью которого можно в точке суммирования «8» компенсировать входное разнополярное напряжение.
Напряжение смещения +6 В формируется из напряжения питания (—12) В триггеров Tri—Trll путем деления его делителем на резисторах R7—R9 и инвертирования усилителем А1, коэффициент передачи которого выбирается соответствующим подбором резисторов R10 и R1L
Для точной установки напряжения смещения +6 В запирают сигналом из БУ выходные транзисторы триггеров Тг2— Trll, подавая таким образом в точку «в» напряжение (—6) В, а затем при нулевом значении напряжения Ux, перемещая движок переменного резистора R8, добиваются в точке «в» суммарного напряжения, равного нулю, что отмечается срабатыванием компаратора А2.
Таким образом, код управляющих сигналов на входах триггеров Тг1—Trll, соответствующий входному измеряемому напряжению Ux, равному нулю, будет 10000000000. Если напряжение равно, например 6 В, то в процессе уравновешивания для получения в точке суммирования «в» пулевого напряжения необходимо подать с выхода двоичного делителя напряжение (—12) В, а для этого необходимо запереть все выходные транзисторы триггеров Tri—Trll. При этом код управляющих сигналов на входах этих триггеров, соответствующий входному измеряемому напряжению Ux, равному 6 В. будет 11111111111.
Если же измеряемое напряжение имеет отрицательный знак, например равно (—4,5) В, то для получения нулевого сигнала в точке суммирования «в» с выхода двоичного делителя необходимо подать напряжение (—1,5) В. При этом код управляющих сигналов на входах триггеров Trl—Trll, соответствующий
входному измеряемому напряжению Ux, рапному (—4,5) В, будет 00011111111, а для измеряемого напряжения Ux, равного (—6) В—00000000000 (в данном случае входной сигнал Ux будет скомпенсирован напряжением смещения 6 В. вырабатываемого усилителем А1). Код сигналов управления на входах триггеров Tri—Trll, формируемый в БУ, соответствует цифровому коду измеряемых сигналов UK и поступает с выхода «Код» блока управления для дальнейшей обработки в формирователе слов ФС станции (см. рис. 54).
Как следует из рассмотренных примеров, код первого (старшего) разряда определяется полярностью измеряемого сигнала: он равен 1 для положительной полярности и 0 — для отрицательной полярности сигнала. Остальные 10 разрядов кода соответствуют амплитуде измеряемого сигнала, но при этом одинаковому абсолютному значению амплитуды, например 6 В, в зависимости от полярности сигнала будет соответствовать разный 10-разрядный код (в приведенных примерах для сигнала положительной полярности будет код 1111111111, а для отрицательной полярности — 0000000000).
Такая форма представления кода неудобна для дальнейшей обработки полученной информации. Поэтому в ФС содержится преобразователь кодов, с выхода которого поступает для дальнейшей регистрации на цифровом магнитофоне (ЦМ) нормированный цифровой код. В этом нормированном коде положительной полярности измеряемого сигнала соответствует 0 первого (старшего) разряда, отрицательной полярности—1 первого разряда, а остальной 10-разрядный код прямо пропорционален амплитуде сигнала независимо от полярности (например, абсолютному значению измеряемого напряжения 6 В соответствует 10-разрядный код 1111111111, а нулевому измеряемому напряжению—код 0000000000).
Формирователь слов в целом формирует коды слов, предназначенные для записи на цифровом магнитофоне (рис. 57) и индикации на экране электронного осциллографа, а также вырабатывает признак перегрузки канала.
косНомер оазрядаНазначение разрядакосНомер оазрядаНазначение разряда
кос
Номер оазряда
Назначение разряда
кос
Номер оазряда
Назначение разряда
uuu и [ПГ ‘Uиии■иии'
0 !'01811 I 9 М9МРI1153 '
15 16123456769 10И!213141516123ч
1 КС 9ч.Stoic^OMnt.5^256 128 64 32168421КСЧч.Зони^Чомп
г*—Слухе ишр—^. Кой сигнала—- Слцкинф.
НСлови -,'
Рис. 57. Форма записи сигналов на цифровом магнитофоне станции ЦЭС-2
Под словом в данном случае понимают результат одного замера сигнала в одном канале, а также дополнительные сведения, позволяющие выделять это слово из всего цикла записи и установить режим работы станции, при котором выполнен данный замер. Слова записываются на магнитную ленту во время пауз между измерениями (выборками). Разряды слова записываются последовательно без пауз между словами. Запись производится в виде 16-разрядных слов: 1—4-й и 16-й разряды каждого слова предназначены для записи двоичных кодов служебной информации («Служ. инф.»), а 5—15-й разряды — для записи 11-разрядного двоичного кода измеряемого сигнала.
Для разделения магнитной ленты на участки используется 1-й разряд слова «Уч.» (код участка). На каждом из участков запись проводилась при постоянных параметрах работы станции. Между участками на отрезках магнитной ленты длиной 3—5 м запись слов не производится. Все слова одного участка имеют одни и тот же код в 1-м разряде, устанавливаемый переключателем «Участок» на панели АЦП.
Для разделения записи в пределах одного и того же участка на зоны применяется 2-й разряд слова «Зона» (код зоны). Все слова одной зоны имеют один и тот же код. Код зоны изменяется автоматически на обратный через определенное число слов. Межзонных пауз нет. Число слов в эоне на один канал может быть равно 256, 512, 1024, 2048 или 4096 и устанавливается переключателем «Зона» на панели блока управления и синхронизации.
Для отметки слов по первому каналу используется 3-й разряд слова «Канал» (код канала). В этом разряде записывается код 1 для слов по первому каналу и код 0 для слов по остальным каналам. При воспроизведении слова по 2—5 каналам различаются по их порядковому номеру после слова по первому каналу.
Значение кода в 4-м разряде «Комп.» (код компенсации) изменяется на обратный (0 на 1 или 1 на 0) в словах по данному каналу в момент срабатывания автоматического компенсатора в этом канале. Этот разряд предназначен для отметки моментов срабатывания компенсаторов. Код 4-го разряда вводится в ФС с выхода блока БУК. В свою очередь формирователь слои анализирует код сигнала в каждом слове и в том случае, если нормированный цифровой код равен 01111111111 или ШИНИН, вырабатывает признак перегрузки данного канала. Сигнал признака перегрузки с выхода формирователя слов через блок управления и синхронизации автоматически поступает на блок управления компенсаторами и служит для изменения выходного напряжения одного из автоматических компенсаторов АЮ—АК5 из одну ступень, что и отмечается изменением значения кода в 4-м разряде регистрируемого слова.
Автоматические компенсаторы АК1—АК5 используются только при регистрации магнито- и электротеллурического поля. 128
При регистрации сигналов становления поля 4-й разряд служит для отметки моментов включения и выключения отсечки. При включенной отсечке код 4-го разряда равен I, а при выключении — 0.
В 5—15-м разрядах слова записывается двоичный код измеряемых сигналов: в 5-м разряде «±» — код полярности сигнала, а в 6—15-м разрядах код модуля сигнала, веса разрядов которого имеют последовательность 512, 256, 128,..., 1. В 16-м разряде слова записывается признак конца слова (КС).
Слова записываются на двух дорожках магнитной ленты. На первой дорожке записываются импульсы, соответствующие кодам 1, а па второй — кодам 0 в разрядах слова. В 16-м разряде импульсы записываются одновременно на двух дорожках. При воспроизведении совпадение импульсов на двух дорожках служит признаком конца слова.
Воспроизведение записи производится той же магнитной головкой цифрового магнитофона, что и запись. Полученные импульсы формируются в последовательные 16-разрядные слова, которые имеют тот же вид, что и при записи. Как во время записи сигналов, так и при их воспроизведении цифровой код отображается на цифровом индикаторе (ЦИ), а также преобразуется в аналоговую величину цифро-аналоговым преобразователем ЦАП. С выхода ПАП сигналы в аналоговой форме поступают на электронный осциллограф (ЭО) для визуального контроля качества записываемой информации. В качестве ЦАП используется такой же преобразователь па двоичных делителях напряжения, как и в АЦП, также управляемый триггерами па дискретных элементах. Вид индикации устанавливается соответствующим переключателем па панели управления. Служебная информация отображается па световом табло.
В блоке управления и синхронизации (БУС) сосредоточены цифровые логические схемы, которые выполняю! следующие функции: а) задают программу поразрядного уравновешивания измеряемого сигнала эталонным напряжением, вырабатываемым АЦП; б) формируют сигналы синхронизации работы станции в целом; в) управляют режимом работы цифрового магнитофона; г) передают результаты оценки кодов сигналов формирователем слов на блок управления компенсаторами; д) управляют блоками градуировки по программе градуировки каналов; е) задают программу работы блока управления мультиплексором.
При совместной работе станции с другими станциями или с генераторной установкой блок управления синхронизируется по радиоканалу (РК). Питание аппаратура получает от бензо- электрического агрегата через три блока питания.
К недостаткам станции ЦЭС-2 относятся низкое входное сопротивление каналов регистрации электрического поля (50 кОм), а также использование большого числа дискретных элементов, в том числе выполнение па них цифровых логических схем
(АЦП. ЦАП), что снижает надежность работы станции, затрудняет ее эксплуатацию и настройку. Так, например, использование в схемах ЦАП и АЦП вместо стандартных ключей триггеров привело к тому, что транзисторы, на которых выполнены эти триггеры, подбираются специально: нужно, чтобы остаточное падение напряжения па них не превышало 20 мВ, а отклонение остаточного напряжения было не более ±1,5 мВ от среднего значения для всех триггеров данного преобразователя.
АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПО МЕТОДУ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
В рудной электроразведке для поисков и разведки хорошо проводящих рудных тел широко применяется метод переходных процессов. Полевые работы по методу переходных процессов в настоящее время наиболее часто выполняются с помощью серийной аппаратуры МПП-4, «Цикл-2», «Импульс-Ц».
Аппаратура МПП-4
Аппаратура МПП-4 предназначена для наземных и скважинных векторных исследований методом переходных процессов при поисках месторождений массивных и прожилковых сульфидных руд. В отличие от аппаратуры типа МПП-3, МППУ-2, «Цикл-2», аппаратура МПП-4 позволяет проводить исследования в скважинах диаметром 46 мм и более с измерением трех составляющих вектора магнитного поля при одной спуско-подъемной операции.
Основные технические характеристики аппаратуры МПП-4
Максимальный ток в петле, А 20
Максимальная мощность импульсов тока, кВт 2
Измеряемое напряжение, мкВ5—15-10*
Длительность импульсов тока, мс 24 и 48
Длительность регулируемой паузы, мс 48—64или
96—128
Частота следования импульсов, Гн 16 и 8
Время измерения, мс I—48
Погрешность измерения тока, % 3
Погрешность измерения экспоненциально изменяющегося напряжения с постоянной времени 1,5—20 мс, % 5
Максимальная длительность фронта спада импульсов тока при активном сопротивлении петли 2,5 Ом и индуктивности 3 мГн, мс 0,1 Подавление помех, дБ:
с частотой 50 Гц 80
синфазных ЮО
Диаметр скважинного прибора, мм 40
Собственная резонансная частота приемной рамки, Гц 3000
Эффективная площадь приемных рамок, м2:
осевой 400
поперечных 100
Масса, кг: генератора 14
L30
измерителя 10
выпрямителя 2.5
блока управления 5
приемной рамки 6
скважинного прибора Б
Аппаратура МПП-4 позволяет выполнять нолевые работы в однопстлсвом, рамочно-петлевом наземном п скважинном варианте. Во всех этих вариантах первичное магнитное поле возбуждают импульсами тока в генераторной петле, расположенной на земной поверхности, а прием вторичного поля осуществляют либо с помощью той же петли (одноистлевои вариант), либо с помощью индукционной приемной рамки (рамочно-петлевой вариант).
При наземных измерениях в рамочно-петлевом варианте приемную рамку последовательно ориентируют в трех взаимно перпендикулярных направлениях и измеряют три составляющие вектора производной по времени вторичного магнитного поля. В варианте скважинных исследований измеряют поточечно на фиксированных глубинах три составляющие вектора производной по времени вторичного магнитного поля в единой, определенным образом ориентированной в пространстве системе прямоугольных координат.
В состав аппаратуры входит наземная установка, состоящая из генератора импульсов тока, измерителя переходных процессов, блока питания генератора и приемной рамки, а также скважинный прибор п блок управления этим прибором.
В генераторное устройство аппаратуры МПП-4 (рис. 58) входят силовой ключ, блок защиты, коммутатор 1 и блок питания, состоящий из силового трансформатора, выпрямителя и LC-фильтра. В блоке управления генерируются и формируются напряжения управления тринисторами силового ключа, а также импульсы синхронизации измерительного устройства. Блок управления содержит симметричный мультивибратор и логические элементы, формирующие необходимые для управления работой силового ключа и измерителя последовательности импульсов. Блок защиты предназначен для отключения тока при возникновении аварийных ситуаций — короткого замыкания в нагрузке (петле, подключаемой к выходным клеммам Л, В генераторного устройства) или перегрузки по выходному току. Последовательно с выходом силового ключа включен эталонный резистор /?»т.
Импульсы напряжения на этом резисторе, пропорциональные току в петле, поступают на измеритель тока, содержащий усилитель, два электронных ключа и два накопительных конденсатора. Во время прохождения импульса тока в петле открывается один из ключей и заряжается подключенный к нему конденсатор. В паузах между импульсами тока открывается второй ключ и заряжается второй конденсатор остаточным напряжением на выходе усилителя. Разность напряжен???"? на
Рис. 58. Функциональная схема аппаратуры МПП-4
этих конденсаторах, пропорциональная среднему значению тока в импульсе, измеряется стрелочным прибором.
Коммутатор / установлен па выходе силового ключа и используется для подключения его к петле, соединенной с клеммами А и В, па время пропускания импульса тока, отключения выхода силового ключа и подключения петли к цепи «Выход 1» при работах в однопетлевом варианте МПП. В этом случае цепь «Выход 1» соединяется с входными клеммами «Вход» измерительного устройства. Коммутатор состоит из двух последовательных ключей, выполненных на полевых транзисторах. Во время прохождения импульса тока эти ключи закрыты, что предотвращает попадание высокого напряжения на вход измерительного устройства.
Питание силового ключа постоянным током подастся либо от блока питания, либо от аккумулятора, подключаемых к силовому ключу переключателем SAL На входе блока питания установлен силовой трансформатор, па который подается либо напряжение 220 В (50 Гц), либо 115 В (400 Гц) от промышленной сети или бензоэлектричсского агрегата. Ко вторичной обмотке трансформатора подключены выпрямитель и LC-фильтр с конденсатором емкостью 45 000 мкФ.
С выхода блока управления импульсы синхронизации работой измерительного устройства через переключатель SA2 передаются на радиопередатчик или проводной канал связи. В приемном устройстве полученные с выхода радиоприемника или проводного канала связи импульсы синхронизации через переключатель SX3 подаются на блок запуска и калибровки.
Измерительное устройство предназначено для измерения разности двух значений напряжения переходного процесса в начале и конце постоянного по длительности временного интервала. Измеряемый сигнал через входные клеммы «Вход» и переключатель SA4 поступает на входной усилитель, обеспечивающий глубокое подавление синфазных помех. Коэффициент передачи этого усилителя близок к единице.
Далее сигнал подается на входной коммутатор, работающий в режиме стробирования и вырезающий из входного сигнала два строба длительностью по 1 мс. Интервал времени между стробами кратен периоду помехи промышленной сети с частотой 50 Гц и равен 20 или 40 мс. Благодаря этому достигается существенное подавление указанной помехи. Входной коммутатор состоит из двух ключей на полевых транзисторах: последовательного и параллельного.
Полученные строб-импульсы напряжения усиливаются импульсным усилителем, имеющим коэффициент передачи, равный 1000, и поступают на коммутатор-накопитель, содержащий два ключа на полевых транзисторах и два накопительных конденсатора. Один из ключей открывается в момент прохождения первого строб-импульса, и этим напряжением заряжается первый накопительный конденсатор. Во время прохождения второго строб-импульса открывается второй ключ, через который заряжается второй накопительный конденсатор. Конденсаторы подключены к двум входам усилителя постоянного тока, имеющего высокое входное сопротивление и выполненного по схеме дифференциального усилителя с симметричным входом. Отсчет, соответствующий разности амплитуд двух строб-импуль- сов. берется по показаниям стрелочного индикатора PV1.
Управляют работой входного коммутатора и коммутатора- накопителя формирователи импульсов / и 2, подключенные к формирователю строб-импульсов, который выдает два строб- импульса длительностью 1 мс, отстоящих друг от друга на 20 или 40 мс. Время задержки первого строба относительно фронта выключения тока в петле имеет ряд фиксированных значений
в интервале 1—48 мс и выбирается оператором с помощью блока запуска и калибровки.
После поступления с выхода переключателя ЗАЗ синхро-импульса, соответствующего фронту выключения тока в петле, в блоке запуска с выбранной оператором задержкой формируется импульс запуска делителя частоты, счетчика и формирователя строб-импульсов. По переднему фронту этого импульса формируются передние фронты строб-импульсов на выходах формирователей / и 2. Через 1 мс с выхода счетчика па формирователь строб-импульсов поступает сигнал запрета, и на выходах формирователей 1, 2 формируются задние фронты строб-импульсов. Затем через 20 или 40 мс на выходе счетчика появляется второй импульс длительностью 1 мс, которыми управляет работой формирователей / и 2.
Импульсы высокой частоты на делитель частоты и счетчик подаются с выхода задающего генератора, работа которого стабилизирована кварцевым резонатором.
Для защиты измерительной схемы от перегрузки в моменты коммутации входных цепей служит схема блокировки. Изменение полярности измеряемого сигнала как в однопетлсвом, так и в рамочно-петлевых вариантах, в том числе при измерениях в скважинах, осуществляется переключателем полярности.
При выполнении наземных измерений в рамочно-петлевом варианте сигналы принимаются приемной рамкой, выполненной в виде многовитковой катушки с ферритовым сердечником. В корпусе приемной рамки размещены также предварительный усилитель / с источником питания. Коэффициент передачи этого усилителя равен 2. Усилитель имеет симметричные вход и выход, причем на входе имеется дистанционный переключатель, позволяющий изменять полярность подключения приемной рамки по команде, вырабатываемой переключателем полярности. Конструкция рамки позволяет ориентировать ее в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Цепь «Выход 2» через катушку с двухпроводной линией подсоединяется к клеммам «Вход» измерительного устройства.
При выполнении скважинных измерений сигналы принимаются трехкомпонентным датчиком, входящим в состав скважинного прибора. Датчик, жестко связанный с корпусом скважинного прибора, содержит три расположенные взаимно перпендикулярно многовитковые катушки, намотанные па один ферритовый сердечник (одна осевая и две поперечные рамки). Угол ориентации скважинного прибора отсчитывается по показаниям стрелочного прибора измерителя углов. Измеритель углов содержит мост сопротивлений, в диагональ которого включен стрелочный индикатор PV2. В скважинном приборе размещен блок ориентации в виде реостата, включенного в одно из плеч моста сопротивлений. При изменении ориентации скважинного прибора изменяется сопротивление реостата, что и фиксируется по показаниям стрелочного индикатора PV2.
Режим измерений скважинного прибора задается коммутатором 2, управляемым селектором команд по сигналам, вырабатываемым формирователем команд, расположенным на земной поверхности. Коммутатор 2 содержит дистанционные переключатели, с помощью которых к цепи «Выход 3» поочередно подключаются выход блока ориентации или выходы приемных рамок (через предварительный усилитель 2, конструкция которого аналогична предварительному усилителю /). При выполнении скважинных измерений цепь «Выход 3» подключается к клеммам «Вход» измерительного устройства.
В режиме калибровки на вход измерительного устройства через переключатель SA4 подаются прямоугольные импульсы напряжения со строго известной амплитудой, сформированные блоком запуска и калибровки. Необходимые для управления работой блока калибровки последовательности импульсов поступают с выхода счетчика через замкнутый выключатель 5/45.
Аппаратура «Импульс»
Аппаратура «Импульс» с расширенным диапазоном времени регистрации предназначена для выполнения работ методами переходных процессов и становления поля в ближней зоне при поисках как хорошо, так и плохопроводящих объектов, а также при геологическом картировании.
Основные технические характеристики аппаратуры «Импульс»
Максимальный ток в петле, А 20
Максимальное напряжение в петле, В 24
Максимальная коммутируемая мощность, Вт 500
Частота следования импульсов тока в петле, Гн10
Длительность импульсов тока, мс 0,1;1; 10; 50
Длительность фронта выключения тока при работе на активную нагрузку, мкс 2
Число временных диапазонов регистрации 6
Число точек измерений в каждом диапазоне 9
Время измерения, мкс 2—1,8-10*
Длительность строба, мкс 2;8; 32; 128;
512; 1024
Минимальный измеряемый сигнал,мкВ I
Количество накоплений 10—1000
Собственный шум, приведенный ко входу, мкВ 5
Коэффициент усиления 1000
Масса аппаратуры без источников питания, кг 10
Аппаратура «Импульс» (рис. 59) состоит из генераторного и регистрирующего блока. В генераторном блоке вырабатываются сигналы управления коммутатором, переключающим ток в петле, и последовательность импульсов, которая задаст выборки сигнала после выключения тока в петле и точную фиксацию количества накапливаемых импульсов в регистрирующем блоке.
В качеетве задающего генератора используется мультивибратор, вырабатывающий импульсы с частотой следования
Рис. 59. Структурная схема аппаратуры «Импульс»
10 Гц. Сигнал с выхода задающего генератора подается на вход формирователя импульсов, содержащего ждущий мультивибратор, триггер и парафазвый усилитель мощности. Ждущий мультивибратор вырабатывает импульсы, длительность которых можно дискретно изменять и выбирать равной 0,1; 1; 10; 50 мс. С помощью триггера Тг формируются два противофазных сигнала, следующие с частотой 5 Гц. Из этих сигналов (совместно с сигналом ждущего мультивибратора) ларафазный усилитель мощности формирует две последовательности импульсов, частота следования которых равна 5 Гц, а длительность равна длительности импульсов на выходе ждущего мультивибратора.
Этими импульсами управляются ключевые транзисторы коммутатора, выполненного по мостовой схеме инвертора на четырех транзисторах типа ГТ806А и КТ803А. Нагрузкой коммутатора является петля, служащая источником возбуждающего электромагнитного поля. Ток в петле имеет форму прямоугольных разнополярных импульсов с паузами, причем длительность импульсов тока равна длительности импульсов, вырабатываемых ждущими мультивибраторами формирователя импульсов.
В цепь питания инвертора от аккумулятора Акк по постоянному току включен дифференцирующий трансформатор, иа выходе которого появляются короткие импульсы, соответствующие фронтам выключения тока в петле и служащие для синхронизации работы остальных узлов аппаратуры.
Импульсом синхронизации с выхода коммутатора запускается триггер Тг, на его выходе появляется сигнал «Лот. 1», служащий сигналом разрешения работы формирователя последовательности импульсов ФПИ. Формирователь ФПИ содержит генератор импульсов, стабилизованный кварцевым резонатором с частотой 500 кГц, двоичные счетчики импульсов и дешифраторы. Генератор запускается только после подачи сигнала разрешения с выхода триггера Тг, и па девяти выходах дешиф-
раторов появляются различные последовательности импульсов, причем длительность импульсов каждой последовательности может быть выбрана дискретно по диапазонам, равным 2; 8; 32; 128; 512, 2048 мкс, с помощью переключателя диапазонов (на рис. 59 не показан). Этим переключателем, а также переклю чатслем SA1 на девять положений «Каналы» оператор может выбрать значение одной из 54 времен задержки после выклю чения тока в петле, на которой проводятся измерения сигнала, начиная с 2 мкс.
Измеряемое напряжение с выхода приемной рамки через переключатель SA2 («Работа—калибровка») и аттенюатор (Атт) поступает на вход широкополосного усилителя У, полоса пропускания которого может дискретно изменяться и составлять 1000; 250; 64; 16; 4 и 1 кГц. Усиленный трехкаскадным усилителем У с автоматической коррекцией нулевого уровня двухполярный сигнал поступает на электронный ключи Кл.1 и Кл.2, причем па электронный ключ Кл.1— непосредственно, а на ключ Кл.2— через инвертор, выполненный на операцией ном усилителе AI, коэффициент передачи которого устанавливается строго равным единице путем подбора резисторов R1 и R2 с одинаковым сопротивлением.
Сигналы управления с выхода формирователя последовательностей импульсов подаются через переключатель SA1 поочередно то па ключ Кл.1, то на ключ Кл.2. При этом сигналы положительной полярности с выхода У проходят через ключ Кл.1, а сигналы отрицательной полярности после инвертирования операционным усилителем А1 также в положительной полярности проходят через ключ Кл.2.
К выходам ключей Кл.1 и Кл.2 подключен электронный интегратор, выполненный на операционном усилителе А2. Постоянная времени интегратора зависит от номиналов резистора R3 и интегрирующего конденсатора С и выбирается равной 1,5 мс. Перед началом измерений конденсатор С должен быть разряжен, что достигается нажатием кнопки SA4 («Разряд конденсатора»). Отсчет проинтегрированного измерения берется по показаниям прибора РА, подключенного к выходу интегратора через токоограничивающий резистор R4.
После прохождения первого импульса тока в петле на интегратор поступает только один строб-импульс измеряемого напряжения в выбранный оператором момент времени. Затем формирователь импульсов ФИ вырабатывает сигнал включения коммутатора, причем по переднему фронту импульса тока в петле сигналом с выхода ФИ опрокидывается триггер Те и тем самым блокируется работа формирователя последовательности импульсов.
После прохождения второго импульса тока в петле задним фронтом этого импульса вновь запускается триггер Тг, начинает работать ФПЙ и импульс измеряемого сигнала в тот же момент времени после выключения тока, что и в предыдущем
цикле, поступает на электронный интегратор. Устройство работает в режиме автоматического накопления при заранее заданном оператором число импульсов, причем число накапливаемых импульсов может быть выбрано от 10 до 1000. Для подсчета числа накапливаемых импульсов сигнал с выхода ЗГ поступает также на счетчик импульсов СИ. После накопления выбранного оператором количества импульсов на выходе счетчика СИ появляется сигнал, который блокирует работу задающего генератора и открывает цепь питания лампочки И («Готов»). Свечение лампочки Н указывает на то, что цикл измерений закончился и необходимо считать результат измерений с прибора РА.
Для очередного запуска схемы измерений служит кнопка S.45 («Пуск»), нажатием которой оператор снимает сигналы блокировки с задающего генератора со счетчика импульсов.
Работоспособность аппаратуры и точность измерений проверяются при помощи блока калибровки БК, подключаемого к регистрирующему устройству тумблером SA2. Блок Б К вырабатывает знакопеременные импульсы прямоугольной формы.
Аппаратура «Импульс» выполнена полностью на интегральных схемах. Имеется вариант «Импульс-Ц» с многоканальным цифровым регистратором.
Цифровая аппаратура «Цикл-2»
Аппаратура «Цикл-2» предназначена для проведения элект- роразведочных работ методом зондирования становлением поля в ближней зоне при решении задач геологического картирования, поисков месторождений нефти, газа и различных руд методом переходных процессов.
В аппаратуре «Цикл-2» применяются цифровая обработка и регистрация измеряемых сигналов с использованием методов накопления, динамической фильтрации, подавления импульсных и периодических промышленных помех, что позволяет применять ее в переносном варианте с относительно маломощными источниками зондирующих импульсов. В состав аппаратуры входит генераторное устройство, которое конструктивно выполнено в виде блока коммутатора тока и блока управления, а также измерительное устройство и блок питания.
Генераторная и приемная петля, аккумуляторы, силовой источник питания и радиостанция, необходимые для работы, в комплект аппаратуры не входят. При выполнении полевых работ генераторное и измерительное устройства могут быть пространственно совмещены или разнесены на расстояние до 5 км.
Основные технические характеристики аппаратуры «Цикл-2»
Максимальные коммутируемые генераторным устройством:
мощность, кВт 30
напряжение, В 500
ток, Л 100
Длительность фронта выключения тока генераторного устройства, мкс, при работе: на активную нагрузку 50
на одновитковую петлю 1X1 км 400
Динамический диапазон измерения сигнала любой полярности, дБ 100 Число разрядов ЛЦП 10
Дискретность кодирования напряжения, приведенная ко входу, мкВ 1 Максимальное измеряемое напряжение, В 0,4
Погрешность одиночного измерения напряжения и тока (без накопления), % 3
Максимальная полоса пропускания усилителя, кГц 100
Шумы усилителя, приведенные ко входу, мкВ: в полосе до 100 Ги 3
в широкой полосе 20
Диапазон времени регистрации, мс 0,1—50-103
Число поддиапазонов времени регистрации .. . .12
Число точек регистрации в каждом поддиапазоне 40
Число циклов накоплений 1,100, 1000
Время кодирования АЦП одного замера, мкс 10
Максимальный измеряемый сигнал при 1000 накоплениях, мВ, с полярностью: положительной 80
отрицательной 10
Максимальная потребляемая мощность питания цепей управления генераторным устройством, Вт 36
Мощность питания, потребляемая измерительным устройством, Вт 36
Генераторное устройство (рис. 60) предназначено для возбуждения в Земле электромагнитного поля путем пропускания в генераторной петле разнополярных прямоугольных импульсов тока с паузами, причем длительность паузы в 3 раза меньше длительности импульса тока.
Элементом, задающим основной временной режим работы генераторного устройства, является задающий генератор, собранный по схеме автоколебательного мультивибратора на интегральной микросхеме с частотозадающей ЯС-цепочкой. Этот мультивибратор вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой следования 2 кГц. К выходу задающего генератора подключен делитель частоты, имеющий 12 выходов (по числу под-
Рис. 60. Структурная схема генераторного устройства аппаратуры «Цикл-2»
диапазонов времени регистрации). Период следования импульсов па каждом из выходов делителя частоты увеличивается и равен соответственно 10; 20; 50; 100; 200 мс; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50 с. В аппаратуре «Цикл-2» предусматривается изменение длительности импульсов тока в генераторной петле при изменении поддиапазона времени регистрации таким образом, что максимальное время регистрации в каждом поддиапазоне равно длительности паузы между импульсами тока (указанные выше 12 значений от 10 мс до 50 с), а длительность импульсов тока всегда в 3 раза больше паузы между импульсами.
Выбор той или иной длительности импульсов тока, которые должно вырабатывать генераторное устройство, производится оператором с помощью переключателя SA1 одновременно с выбором того или иного поддиапазона времени регистрации в измерительном устройстве. К выходу переключателя SA1 подключен формирователь импульсов, вырабатывающий последовательность импульсов со скважностью 4 (длительность паузы равна максимальному времени регистрации для выбранного поддиапазона, а длительность импульсов в 3 раза больше паузы). При этом период следования импульсов всегда кратен 20 мс, т. е. периоду промышленной сети с частотой 50 Гц, что применяется для ослабления влияния промышленных периодических помех в измерительном устройстве.
Формирователь импульсов используется для получения трех различных сигналов. По положительным фронтам сигнала с первого выхода формирователя импульсов с помощью блока запуска формируются импульсы включения силовых триписторов коммутатора тока длительностью 150 мкс. По положительным фронтам сигнала со второго выхода формирователя в блоке кодирования вырабатывается кодовая посылка, состоящая из трех импульсов длительностью 500 мкс с паузами, равными 1 мс.
Эта кодовая посылка поступает па выходной разъем «Синхронизация» для управления работой измерительного устройства по проводному каналу связи или с помощью радиопередатчика, который должен быть установлен в генераторном устройстве. Кроме того, первый импульс кодовой посылки со второго выхода блока кодирования поступает в блок гашения, предназначенный для формирования импульсов выключения силовых тринисторов коммутатора тока длительностью 40—70 мкс и одновременного включения тока в балластной нагрузке.
Импульсы управления тринисторами с выходов блоков запуска и гашения через распределитель импульсов поступают на усилитель мощности, к шести выходам которого подключены управляющие электроды триписторов коммутатора тока (рис. 61).
Для включения тока в генераторную петлю, подключенную к разъему А, В, импульсы управления вначале подаются на управляющие электроды тринисторов VD1, VD4; эти тринисторы
Рис. 61. Схема коммутатора тока аппаратуры «Цикл-2»Рис. 61. Схема коммутатора тока аппаратуры «Цикл-2»
Рис. 61. Схема коммутатора тока аппаратуры «Цикл-2»
Рис. 61. Схема коммутатора тока аппаратуры «Цикл-2»
открываются и ток от внешнего источника питания и^ протекает в генераторную петлю.
Через 3—5 мс после включения тока подается импульс на управляющий электрод тринистора VD9 и от внутреннего источника питания 300 В производится зарядка коммутирующих конденсаторов С1 и С2. Как только эти конденсаторы зарядятся, ток, протекающий через трипистор VD9, уменьшается до пуля, и триннстор VD9 выключится.
Для Выключения тока в генераторной петле подаются импульсы включения тринистора VD5 (импульс гашения) и тринистора VD? балластной цепи. Как только трипистор VD5 открывается, конденсатор С/ подключается параллельно трипи- стору VD1 через коммутирующий дроссель L1, причем полярность подключения конденсатора С/ будет следующая: «плюс» — па катод, «минус» — на анод тринистора VDL Поэтому тринисторы VD1 и VD4 закрываются, импульс тока в генераторной петле прекращается, а внешний источник питания Uu нагружается па балластный резистор R1, сопротивление которого должно быть близким к активному сопротивлению генераторной петли.
Включение в генераторную петлю импульса тока противоположной полярности производится путем подачи импульса гашения на управляющий электрод тринистора VD8 и импульсов запуска на управляющие электроды тринисторов VD2, VD3. Через открытый триннстор VD8 и коммутирующий дроссель L2 конденсатор С2 оказывается подключенным к тринистору VD7 в Полярности «плюс» — на катод, «минус» — на апод, что приведет к запиранию тринистора VD7. Ток от источника литания Un через открытые тринисторы VD2 и VD3 будет протекать в петле в противоположном по сравнению с предыдущим направлении. Через 3—5 мс после включения тока вновь подастся импульс на управляющий электрод тринистора VD9 и коммутирующие конденсаторы Cl, С2 вновь заряжаются от источника напряжения 300 В.
Для выключения импульса тока этой полярности подается импульс на управляющий электрод тринистора VD6 (импульс гашения) и импульс включения тринистора VD7 в балластной цепи. Через открытый триннстор VD6 и дроссель L1 коммути-
рующий конденсатор Cl подключается параллельно тринистору VD2, что приводит к запиранию тринисторов VD2 и DV3. Ток во время паузы протекает через балластный резистор R1. Далее весь описанный цикл многократно повторяется: включаются то тринисторы VD1, VD4, то тринисторы VD2, VD3, а во время пауз — тринистор VD7.
Последовательно в цепь питания коммутатора тока включен эталонный резистор R2, выход которого соединен с оптроном (см. рис. 60), предназначенным для гальванической развязки входных цепей от силовой высоковольтной цепи коммутатора тока. Напряжение на выходе оптрона, пропорциональное силе тока, пропускаемого в генераторную петлю, измеряется с помощью аналого-цифрового преобразователя и отображается на цифровом индикаторе. В измерителе тока аппаратуры «Цикл-2» используется АЦП двойного интегрирования, управляемый сигналами с выхода блока включения. Предусмотрена возможность 100 накоплений результатов измерений тока. В зависимости от положения тумблера SA2 на цифровой индикатор поступает либо результат единичного измерения, либо усредненный результат за 100 накоплений.
Измеряемое напряжение подается на вход интегратора через аналоговый ключ, который открывается на строго заданное время. После окончания интегрирования производится разряд интегрирующего конденсатора эталонным напряжением обратной полярности. В АЦП двойного интегрирования время разряда конденсатора до нуля оказывается прямо пропорциональным регистрируемому напряжению, а полученный интервал времени измеряется путем заполнения его высокочастотными импульсами и подсчета числа этих импульсов счетчиком.
При накоплении результата 100 замеров на входе счетчика включается делитель частоты на 100, поэтому на цифровом индикаторе будет отображен усредненный отсчет. Сброс результатов измерений и установка всех логических элементов счетчика накоплений, счетчика импульсов и АЦП в исходное состояние производится кнопкой SA3. Момент измерения тока выбирается в конце пропускания импульса тока в генераторную петлю формирователем импульсов, сигнал с третьего выхода которого поступает на блок включения цифрового измерителя тока (цифрового амперметра). Для измерения тока, протекающего через балластный резистор, необходимо нажать дополнительную кнопку (па рис. 60 не показана).
Сигнал с. выхода приемной петли измерительного устройства (рис. 62) поступает на входные клеммы MN устройства. Кроме того, на вход устройства управления поступает сигнал «Синхронизация» с проводного канала связи от генераторного устройства (или. в случае использования радиоканала, с выхода радиоприемника). Измеряемый сигнал, усиленный усилителем, поступает на АЦП. На второй вход АЦП с устройства управления подаются сигналы разрешения кодирования из
Рис. 62. Структурная схема измерительного устройств аппаратуры «Цикл-2»
40 фиксированных временах задержки после выключения импульса тока в генераторной петле, причем абсолютные значения времен задержки зависят от выбранного оператором поддиапазона времени измерений (табл. 1).
Времена задержки распределены равномерно в логарифмическом масштабе по 20 точек на декаду, причем каждое последующее значение времени задержки увеличивается по сравнению с предыдущим в 1,12 раз.
В заданные моменты времени измеряемое напряжение кодируется 10-разрядным АЦП, выполненным ио схеме поразрядного уравновешивания. Опорное напряжение АЦП имеет только положительный знак, поэтому усилитель формирует выходной сигнал только положительной полярности независимо от полярности входного напряжения, а также выдает код полярности сигнала.
Так как входной сигнал изменяется в широких пределах и может отличаться в 10000 раз, то 10-разрядный АЦП не позволяет получить необходимую точность измерений во всем диапазоне изменений входного сигнала. Поэтому в усилителе производится автоматическое переключение пределов измерений таким образом, что на вход АЦП всегда поступает сигнал, изменяющийся в пределах от 0.4 до 4 В. Если, например, входной
Таблица 1
Номер поддиапазона
Время регистрации, с
Номер поддиапазона
Время регистрации, с
начальное
конечное
начальное
конечное
1
0,1
0,01
7
10
1
2
0,2
0,02
8
20
2
3
0,5
0,05
9
50
5
4
1,0
0,1
10
100
10
5
2,0
0,2
11
200
20
6
5,0
0,5
12
500
50
сигнал равен 100 мкВ, то он будет усилен усилителем в 101 раз и на вход АЦП поступит сигнал 1 В,
Если же входной сигнал будет равен 1 мВ, то коэффициент усиления автоматически уменьшится в 10 раз (будет равен 10s), и на вход АЦП вновь поступит сигнал 1 В. Для того чтобы установить, какой масштабный коэффициент усиления использовался при кодировании сигналов, усилитель формирует также двухразрядный код масштаба усиления.
Код масштаба, а также одноразрядный код полярности сигнала со вспомогательных выходов усилителя через устройство управления подаются на вход регистра обмена информацией. На второй вход этого регистра подается 10-разряднын код сигнала с выхода АЦП. В регистре обмена формируется 13-разрядпое слово, соответствующее результату однократного измерения сигнала. При измерениях на задержках времени до 10 мс полученное 13-разрядное слово записывается в ОЗУ для кратковременного хранения. После окончания замеров па всех 40 временах задержки выбранного поддиапазона все полученные 40 слов поочередно вызываются из ОЗУ в регистр обмена, а оттуда подаются в арифметическо-логическое устройство (АЛУ), вновь вводятся в регистр обмена и записываются в накопительное запоминающее устройство (НЗУ).
Если оператор установил переключателем на панели управления нс один цикл измерений, а 100 или 1000 циклов накопления, то после первого кодирования сигналов на 40 временах задержки в генераторную петлю включается второй импульс тока, а перезапись слов из ОЗУ в НЗУ проводится во время пропускания импульса тока в петле. После выключения второго импульса тока производится кодирование сигналов на тех же 40 временах задержки, полученные 40 слов вновь записываются в ОЗУ.
Далее в петлю включается третий импульс тока, и во время его пропускания первый и второй замеры усредняются на каждом времени задержки. Для этого из ОЗУ через регистр обмена в АЛУ выводится код первого слова второго замера, а затем из НЗУ через регистр обмена выводится код первого слова первого замера. В АЛУ эти слова суммируются с учетом полярности и масштаба каждого слова и полученная сумма вновь записывается в ту же ячейку памяти НЗУ. После этого точно так же обрабатываются результаты замеров на всех остальных временах задержки и полученные суммы записываются в соответствующие ячейки памяти НЗУ.
Работа устройства в том же порядке продолжается до тех пор, пока не будет отработано заданное количество циклов накопления (100 или 1000). При этом в ячейках памяти НЗУ хранится 40 сумм значений сигнала переходного процесса для 40 фиксированных значений времени.
Если сигналы регистрируются иа задержках времени свыше 10 мс, то процесс измерений усложняется за счет того, что из- 144
меренис на каждом фиксированном времени проводится в каждом цикле несколько раз в окрестности каждой точки измерений. Так, например, если требуется выполнить замер на времени задержки 100 мс, то в аппаратуре «Цикл-2» первый замер начинается на времени задержки 99,5 мс, второй — 99,6 мс и т. д., а десятый—100,4 с, т. е. на отрезке времени в 1 мс в окрестности фиксированного момента времени 100 мс проводится 10 отдельных замеров и среднее из них служит в качестве единичного замера для времени задержки 100 мс. Для усреднения все 10 замеров с выхода регистра обмена сразу подаются в АЛУ, где они суммируются с учетом полярности и масштаба усиления, затем делятся на число замеров (в данном случае па 10) н преобразуются в нормальное 13-разрядное слово, которое выводится в регистр обмена и записывается в ОЗУ.
Такое усреднение в каждом цикле проводится для каждого времени задержки более 10 мс, после чего в ОЗУ оказывается записано 40 усредненных слов для 40 фиксированных задержек времени.
Если оператор установил 100 или 1000 циклон накопления, то в ячейки памяти НЗУ будет записано 40 сумм усредненных значений сигнала переходного процесса для 40 фиксированных значении времени.
По мере увеличения времени задержки увеличивается период повторных замеров в окрестностях точки измерений, а также число повторных замеров. Так, на интервале времени задержки от 10 мс до 0,5 с используется 10 повторных замеров, а период увеличивается дискретно от 0,1 до 8 мс, на интервале времени задержки от 1 до 5 с используется 100 повторных замеров, а период увеличивается от 1 до 8 мс и на интервале времени задержки от 10 до 50 с используется 1000 повторных замеров с периодом от 1 до 4 мс. Так осуществляется цифровое интегрирование измеряемых сигналов в окрестностях заданных времен измерений, причем интервал времени цифрового интегрирования значительно меньше абсолютного значения времени задержки (примерно 1.%), что позволяет отнести усредненный отсчет строго к заданному фиксированному моменту времени измерений.
Цифровое интегрирование сигналов во время каждого цикла измерений, а также накопление полученных результатов за 100 или 1000 циклов позволяет значительно повышать точность измерений.
Так как в генераторной петле поочередно протекает ток положительной и отрицательной полярностей, то на выходе приемной петли поочередно появляются полезные сигналы соответственно этих полярностей. В процессе накопления сигналы вычитаются (складываются с учетом знаков), причем в каждой паре сигналов переходных процессов для двух соседних циклов измерения проводится сложение полезных сигналов и вычитание постоянных составляющих (медленно изменяющиеся
составляющие естественных магнитных полей, дрейф нуля измерительного тракта и т, д.).
Аналогично подавляется периодическая помеха промышленной сети с частотой 50 Гц: частота коммутации тока в генераторной петле выбрана всегда кратной 50 Гц. В связи с этим сигнал помехи для каждого времени задержки постоянен по величине и знаку, что приводит к вычитанию основной составляющей этой помехи в процессе сложения результатов измерений в двух соседних циклах. Остающаяся нескомпенсирован- пой из-за небольших колебаний частоты промышленной сети составляющая помехи ослабляется за счет накопления 100 или 1000 циклов измерений.
Для устранения влияния импульсных помех используется подавитель помех, включенный между входом и выходом усилителя. Если на вход усилителя поступает импульсная помеха, подавитель помех вырабатывает сигнал, по которому запоминается значение выходного напряжения усилителя в момент, предшествующий приходу помехи. Это напряжение используется в качестве выходного напряжения на время действия помехи. Подавитель помех представляет собой обнаружитель помехи и исполнительное устройство, обеспечивающее фиксацию сигнала на уровне, предшествующем приходу помехи.
Обнаружитель помехи выполнен в виде усилителя переменного тока с автоматической регулировкой коэффициента усиле имя. Так как помеха имеет более широкий частотный спектр, чем сигнал переходного процесса, то в момент прихода помехи на выходе усилителя переменного тока появляется сигнал, пропорциональный ее амплитуде. С выхода усилителя сигнал помехи подается на двухполярный триггер Шмитта, который срабатывает только в том случае, если ее амплитуда превышает в 3 раза и более уровень белого шума. Триггер Шмитта управляет логической схемой фиксации уровня выходного сигнала усилителя.
Считывания накопленной в НЗУ информации производится с табло цифрового индикатора при нажатии кнопки «Считывание». При каждом нажатии этой кнопки в устройстве управления запускается программа «Индикация». При этом информация, записанная для каждого времени задержки, хранящаяся в соответствующих ячейках памяти НЗУ, переписывается через регистр обмена в АЛУ, нормализуется и выводится на цифровой индикатор. На цифровом табло отображается полярность сигнала, три десятичных разряда числа и десятичная цифра порядка числа, а также порядковый помер (01, ..., 40) времени задержки.
Усилитель, используемый в аппаратуре «Цикл-2» (рис. 63), содержит четыре операционных усилителя А1—Л4, каждый из которых имеет коэффициент передачи, равный 10. К выходам операционных усилителей подключен автоматический переключатель пределов измерений, состоящий из ключей Кл. 1—Кл. 4
Pm. 63. Схима хасштабпотр усилители аппаратуры «Цикл-2»
и анализатора сигналов. Анализатор выполнен на логических элементах. Он позволяет выключать первый операционный усилитель, который перегружен большим входным сигналом любой полярности, п замыкает ключ, подключенный к выходу операционного усилителя, предшествующего первому перегруженному операционному усилителю. Так, например, если входной сигнал равен 10 мВ, то третий и четвертый операционные усилители АЗ и А4 окажутся перегруженными, на выходе усилителя А2 будет сигнал 1 В, и анализатор выдает команду на включение ключа Кл. 2.
На выходе усилителя установлен нормализатор полярности сигнала, состоящий из повторителя напряжения Л5, инвертора Аб, компаратора и двух ключей Кл. 5 и Кл. 6. Сигнал с выхода включенного ключа (одного из Кл. 1— Кл. 4, в приведенном примере — ключа Кл. 2) подается на вход повторителя напряжения А5, а с его выхода — па вход компаратора, инвертора Аб и ключа Кл. 5.
Если входной сигнал имеет положительную полярность, то управляющий сигнал с выхода компаратора включает ключ Кл. 5, и через этот ключ на ЦАП поступает усиленный входной сигнал без изменения его полярности. Если же сигнал имеет отрицательную полярность, то управляющим сигналом с выхода компаратора включается ключ Кл. б и па вход АЦП подастся инвертированный инвертором Аб входной сигнал, т. с., по-прежнему, усиленный входной сигнал, но с измененной полярностью. Коэффициент передачи усилителей АЗ, А4 и инвертора Аб устанавливается соответствующим выбором резисторов R1—R6. Опи выбраны так, что R2=9R1; R4 = 9R3, поэтому коэффициент передачи усилителей АЗ и А4 равен 10, a R6= -R5, поэтому коэффициент передачи инвертора Аб равен I.
С выхода анализатора выдается двухразрядный код «Масштаб», который соответствует номеру включенного ключа (,Кл. 1—Кл. 4), а с выхода компаратора — одноразрядный код «Полярность», которые вместе с 10-разрядным кодом с выхода АЦП образуют 13-разрядпый код измеряемого сигнала.
В цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя А2 включен фильтр нижних частот, полоса пропускания которого автоматически уменьшается по мере увеличения времени после выключения импульса тока в генераторной петле. Фильтр ФНЧ содержит 11 интегрирующих /?С-цепочск и 11 электронных ключей. Так, на временах регистрации до 1 мс полоса пропускания уменьшается со 100 до 20 кГц, на интервале 1—10 мс — от 10 до 2 кГц, на 1 —100 мс — от 1 до 0,2 кГц, на 0,1—0,5 с — от 100 до 20 Гц; на остальном временном участке полоса пропускания ФНЧ остается постоянной, равной 0—20 Гц. Ключи ФНЧ. собранные па микросхемах К284КН1, управляются сигналами, вырабатываемыми устройством управления (см. рис. 62).
Операционный усилитель Al выполнен на микросхеме К140УТ1 с транзисторной сборкой серии К159НТ1 на входе, усилитель А2— на микросхеме К284УД1А, остальные усилители, повторитель, инвертор и компаратор — ла микросхемах К140УТ1 (см. рис. 63).
Для уменьшения помех, изменяющихся гораздо медленнее, чем регистрируемый полезный сигнал, и дрейфа нуля усилителя, в последнем используется устройство автоматической подстройки нуля, состоящее из двухуровневого порогового устройства (ПУ), 8-разрядного двоичного реверсивного счетчика, ЗГ и ЦАП.
Установка нуля усилителя производится автоматически в конце паузы между импульсами тока, после измерения сигнала на последнем, 40-м времени задержки, по команде «Уст. 0», поступающей на вход реверсивного счетчика и снимающей сигнал блокировки со входа «Запрет» реверсивного счетчика. На выходы «Сложение» и «Вычитание» счетчика подаются сигналы с двух выходов порогового устройства, содержащего два триггера Шмитта, срабатывающих при превышении сигнала па их входах соответственно ( + 0,1) и (—0,1) В, что соответствует изменению сигнала на входе MN ±10 мкВ.
Если, например, выходное напряжение операционного усилителя А4 в конце паузы превысит +0,1 В, с выхода порогового устройства будет подан сигнал разрешения, на вход «Сложение» реверсивного счетчика начнут поступать импульсы, которые соответственно увеличивают выходной код реверсивного счетчика
Этот код преобразуется в напряжение с помощью ЦАП, причем в приведенном примере на выходе ЦАП будет увеличиваться напряжение положительной полярности до тех пор, пока выходном сигнал усилителя А4 не станет меньше 0.1 В. При этом триггер Шмитта порогового устройства возвратится в исходное состояние, со входа «Сложение» реверсивного счетчика будет снят разрешающий сигнал и в дальнейшем выходное напряжение ЦАП, компенсирующее дрейф нуля усилителя и входные медленно изменяющиеся сигналы, будет поддержи-
вагься постоянным до следующего цикла коррекции нулевого уровня во время следующей паузы между импульсами тока.
Следует иметь в виду, что в данной схеме дрейф нуля корректируется только на выходе операционного усилители Л4. Если же, к примеру, сползание нуля операционного усилителя АЗ составляет плюс 30 мВ, а усилителя А4 — минус 30 мВ, то суммарный дрейф нуля на выходе операционного усилителя будет равен нулю, и во время цикла коррекции пуля выходное напряжение ЦАП не будет изменено. Во время измерения входного сигнала, равного, например 0,5 мВ, анализатор даст команду на включение ключа Кл. 3 и на АЦП с выхода АЗ' поступит усиленный входной сигнал (500 мВ) вместе с напряжением сползания нуля усилителя АЗ (300 мВ). Ввиду этого погрешность измерений за счет дрейфа нуля усилителя превысит 5%, хотя на выходе усилителя М дрейф нуля отсутствует.
Цифровая аппаратура « Импульс-Ц»
Аппаратура «Импульс-Ц» предназначена для проведения работ методом переходных процессов в труднодоступных районах и в условиях сильных промышленных помех. К числу задач, решаемых при использовании этой аппаратуры, относятся поиски хорошо проводящих объектов, слабо проводящих тел трубчатого типа в высокоомных средах (например, кимберлитовых трубок), определение мощности и удельного сопротивления верхнего слоя рыхлых отложений, геологическое картирование, изучение строения верхней части разреза (до глубины 50 м) при решении задач гидрогеологии и инженерной геологии.
В состав аппаратуры входят генераторное и измерительное устройства.
Основные технические характеристики аппаратуры «Импульс-Ц»
Максимальные коммутируемые генераторным устройством: . . . . напряжение. В 120
ток, А 40
Минимальный коммутируемый генераторнымустройством ток, А5
Длительность фронта выключения тока, мкс, в петле: 60X 50 м при токе 5А 10
200x200 м при токе 40 А 100
Максимальная частота следования импульсов тока, Гц 50
Динамический диапазон измерения сигнала любой полярности, дБ 140 Число разрядов АЦП 16
Время кодирования АЦП одного замера., мс . . . ...... .2
Максимальное измеряемое напряжение, В 4
Погрешность измерения напряжения и тока, % 2
Шумы усилителя, приведенные ко входу в полосе 1 кГц, мкВ . . .2
Ослабление гармонических помех с частотой 50 Гц± 0,2 Гц, дБ .60
Диапазон времени регистрации, мс , 0,04—100
Максимальное число циклов накоплений 4096
Информационная емкость оперативного запоминающего устройства, 16-разрядное двоичное слово . . 512
Информационная емкость постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), 16-разрядное двоичное слово 1024
Время хранения информации в ПЗУ при отключенном напряжении питания, ч 3000
Число циклов перепрограммирования информации в ПЗУ . . .10*
Цикл обращения к памяти ПЗУ, мкс, в режиме: считывания 8
записи 6000
Диапазон периодов измеряемых таймером периодических помех, мкс 65—1000
Дискретность измерения периода помехи, мкс I
Объем адресуемой памяти и данных процессора, 16-разряднос двоичное слово 64 000
Число команд процессора 190
Быстродействие выполнения операций типа сложения в последовательности нс менее трех команд, операция в 1 с . . 50 000
Общее число регистров процессора 13
Число регистров общего назначения 4
Разрядность операндов, бит 16
Потребляемая мощность питания измерительным устройством, Вт 10
Максимальная средняя мощность, затрачиваемая в генераторном устройстве от отдельного источника па формирование выключения тока, Вт . 120
Аппаратура «Импульс-Ц» (рис. 64) построена на основе общей унифицированной магистрали с микропрограммным управ- лелием. За основу взят унифицированный интерфейс микроЭВМ «Электроннка-НЦ-ОЗТ». Измеритель аппаратуры выполнен в виде совокупности устройств измерения, обработки, хранения данных и коммутации связей, объединенных магистралями передачи информации.
Перед началом измерений оператор должен установить переключателями на панели блока управления длительность импульса тока в генераторной петле, время измерения после выключения импульса тока и число циклов накопления. Эти данные считываются в память процессора. Кроме того, в память
Рис. 64. Структурная схема аппаратуры «Импульс-Ц»
процессора записываются значения периода промышленной помехи.
Периодическая помеха выделяется методом цифровой фильтрации до включения тока в генераторную петлю, когда в приемной петле наводится только ЭДС помехи, которая в частном случае представляет собой промышленную помеху 50 Гц, про- модулированную более высокочастотной составляющей. Электродвижущая сила помехи подастся с выхода приемной петле па входные клеммы М, N измерительного устройства, усиливается усилителем и поступает на АЦП и таймер. Устройство цифровой фильтрации, содержащееся в таймере, определяет период промышленной помехи и моменты перехода ее через пулевое значение.
Процессор обрабатывает указанные выше данные, записанные в его память, и выдает команды таймеру, необходимые для запуска устройства управления и АЦП. Устройство управления формирует импульсы включения коммутатора тока, и от источника питания Цп с напряжением 12—120 В в генераторную петлю, подключенную к выходным клеммам АВ генераторного устройства, подается импульс тока.
Во время пропускания импульса тока напряжение на эталонном резисторе R, включенном последовательно с генераторной петлей, пропорциональное току в петле, подается на вход устройства выборки — хранения тока и далее на вход АЦП, где преобразуется в двоичный код. Полученный код тока считывается в память процессора.
Как только длительность импульса тока станет равной установленной оператором переключателем на панели блока управления, таймер вырабатывает команду на выключение тока, поступающую на устройство управления, которое формирует импульсы выключения коммутатора тока.
После выключения тока ЭДС переходного процесса с выхода приемной петли, подключенной к входным клеммам М и N измерительного устройства, усиливается усилителем и подастся на вход устройства УВХН, По результатам измерения помех до включения тока таймер вырабатывает методом экстраполяции импульсы синхронизации, соответствующие предполагаемым моментам перехода через нуль промышленных периодических помех во время пропускания импульса тока в петле и после его выключения. В момент перехода ЭДС помехи через нуль таймер подает команду на УВХН, на котором запоминается и хранится в дальнейшем напряжение, пропорциональное мгновенному значению измеряемого сигнала в этот момент. Напряжение с выхода УВХН подается на вход АЦП, где преобразуется в двоичный код, который считывается в память процессора.
Рассмотренный выше цикл измерений повторяется до тех пор, пока не будет выполнено заданное оператором число циклов накопления.
После окончания измерений усредненное значение ЭДС переходного процесса делится с помощью процессора на величину тока в генераторной петле и полученный результат в цифровой форме отображается на индикаторе блока управления. При отсутствии периодической промышленной помехи работа аппаратуры «Импульс-Ц» синхронизируется от внутреннего генератора—таймера.
Так как генераторная петля имеет определенную индуктивность, зависящую от размера петли, то при подаче импульсов гашения на коммутатор ток в генераторной петле выключается нс мгновенно, а спадает с постоянной времени т (вс), которая приближенно может быть рассчитана по формуле:
т^(2,25//?п)10-6,
где /?п — активное сопротивление провода генераторной петли. Если, например, используется геофизический провод типа ГПМП, для которого /?п = 3 Ом/км, то для петли размером 250X250 м получим т = 720 мкс. Так как время спада тока в генераторной петле равно 3—5 т, то это значит, что в данном случае ЭДС переходного процесса можно начинать измерять нс ранее, чем через 2—4 мс после подачи импульсов выключения на коммутатор тока, что является недопустимым.
Для уменьшения времени слада тока в генераторной петле в аппаратуре «Импульс-IJ,» используется устройство форсирования выключения тока.
Принцип форсирования заключается в том, что в генераторную петлю вводится дополнительный импульс тока, действующий в противофазе, по отношению к ЭДС самоиндукции в генераторной петле. Амплитуда дополнительного импульса тока регулируется таким образом, чтобы суммарный ток в генераторной петле был равен нулю, что позволяет уменьшить постоянную времени спада тока до 2 мкс.
Форсирующий формирователь представляет собой генератор импульсного напряжения с трансформаторным выходом, состоящий из накопителя, нелинейного дросселя, блока подмагничивания, триннсторного ключа и форсирующего трансформатора 7, выходная обмотка которого включена последовательно с выходом коммутатора тока и генераторной петлей. Формирователь работает следующим образом. Во время пропускания импульса тока в генераторной петле и в паузах между импульсами тока накопитель нспреревно запасает энергию, вырабатываемую преобразователем, питаемым от дополнительного мощного аккумулятора, выходное напряжение U„ которого равно 19 В. В момент подачи импульса гашения на коммутатор тока устройство управления вырабатывает импульс запуска ключа.
При этом через открытый ключ и первичную обмотку трансформатора 7 протекает импульс тока, за счет которого во вторичной его обмотке формируется высоковольтный импульс
напряжения, компенсирующий ЭДС самоиндукции в генераторной петле. Форма импульса форсирующего тока автоматически регулируется изменением тока, пропускаемого от блока подмагничивания через дополнительную обмотку форсирующего трансформатора Т.
При изменении амплитуды тока подмагничивания изменяется индуктивность обмоток трансформатора, а поэтому и форма импульса форсирующего тока. Импульсы, вырабатываемые формирователем, имеют значительную мощность (до единиц киловатт), однако средняя мощность, расходуемая на процесс форсирования, составляет 20—120 Вт (в зависимости от амплитуды импульса тока в генераторной петле). Для обеспечения такой мощности используется накопитель, который за большой промежуток времени запасает энергию, а потом быстро ее расходует.
Триписторный ключ содержит два тринистора, один из которых используется для включения импульса тока в обмотку трансформатора Т, а второй — для выключения первого трн- нистора. Нелинейный дроссель выполняет функции ограничителя разрядного тока накопителя во время выключения первого тринистора ключа.
Коммутатор тока представляет собой стандартный мостовой инвертор, выполненный на четырех высокочастотных три- нисторах типа ТЧ-40, причем в каждом из плеч моста параллельно одному из тринисторов включен мощный высокочастотный транзистор. В устройстве управления содержится шесть блокинг-генераторов, четыре из которых вырабатывают импульсы запуска тринисторов моста, а остальные два вырабатывают импульсы длительностью 40 мкс включения транзисто ров, которые служат для выключения тринисторов. Когда открывается транзистор, включенный параллельно открытому тринистору, ток через этот трипистор становится меньшим тока удержания, и тринистор закрывается. После этого снимается импульс управления транзистором, транзистор запирается и импульс тока на выходе коммутатора прекращается.
Входные устройства аппаратуры «Импульс-Ц» (рис. 65) содержат усилитель с переключателем масштаба, УВХН, УВХТ и АЦП. Измеряемый сигнал, поступающий на входные клеммы MN, усиливается трехкаскадным широкополосным усилителем постоянного тока на операционных усилителях /I /—АЗ. Коэф фициенты передачи каждого операционного усилителя устанавливаются соответствующим подбором резисторов R1—R6. Выходы операционных усилителей АЛ—АЗ подключены к трем входам аналогового коммутатора, причем выход каждого каскада сосдинеп также со входами компаратора 1 и 3. На входе управления аналогового коммутатора установлен регистр, к входам которого подключены выходы компараторов.
При поступлении сигнала выборки напряжения в регистре запоминается начальное выходное состояние компараторов.
Рис, 65 Функциональная схема входных устройств аппаратуры «Пмпулъс-Ц»
я затем в течение всего цикла выборки напряжения выходные сигналы регистра остаются неизменными несмотря на то, что состояние компараторов может измениться. Это предотвращает переключение коммутатора во время выборки напряжении.
Пороги срабатывания компараторов подобраны таким образом, что срабатывают только те компараторы, которые подключены к перегруженным операционным усилителям. Аналоговый коммутатор пропускает па выход сигнал только с последнего не перегруженного операционного усилителя, чем достигается оптимальный подбор масштаба усиления входного сигнала. Двухразрядный код масштаба усиления с выхода регистра считывается в память процессора.
С выхода аналогового коммутатора измеряемое напряжение .поступает на устройство выборки—хранения напряжения, со-
бранное на двух повторителях напряжения А4, А5, ключе Кл. t и запоминающей интегрирующей цепочке R7, CL При поступлении сигнала выборки напряжения на вход управления нормально разомкнутого ключа Кл- 1 этот ключ замыкается и запоминающий конденсатор С1 заряжается напряжением, поступающим с выхода повторителя А4, имеющего малое выходное сопротивление. Постоянная времени заряда запоминающего- конденсатора С/ изменяется в зависимости от длительности импульса выборки напряжения путем переключения емкости конденсатора С/ (цепи автоматического переключения емкости конденсатора С/ на рис. 65 не показаны). После окончания импульса выборки напряжения ключ Кл. t запирается, а на выходе повторителя А5 устанавливается постоянное напряжение, равное напряжению на запоминающем конденсаторе CL
Аналогичным образом во время пропускания импульса тока в генераторной петле через входную шину «Ток» на вход устройства выборки—хранения тока поступает сигнал, пропорциональный силе тока. УВХТ содержит ключ Кд. 2, запоминающую интегрирующую цепочку R8, С2 и повторитель напряжения Аб. При поступлении сигнала выборки тока на вход управления нормально разомкнутого ключа Кл. 2 он замыкается, и запоминающий конденсатор С2 заряжается до амплитуды напряжения входного сигнала. После окончания импульса выборки тока ключ Кл. 2 запирается, а на выходе повторителя Аб устанавливается постоянное напряжение, равное напряжению на запоминающем конденсаторе С2.
Выходы повторителей напряжения А5 и Аб подключены к двум входам АЦП, который содержит два входных ключа Кл. 3, Кл. 4, суммирующий усилитель А7, ЦАП, компаратор 4 и аналоговое запоминающее устройство (АЗУ), состоящее из двух ключей Лл. 5, Кл. 6, операционного усилителя АЗ и запоминающего конденсатора СЗ. Работает АЦП следующим образом. При измерении напряжения замыкается ключ Кл. 3, а па выходе ЦАП устанавливается нулевое выходное напряжение. Ключи Кл. 5 и К л. 6 должны быть разомкнуты. На выходе усилителя А7, коэффициент усиления которого устанавливается подбором резисторов R9, R10, получают усиленное входное напряжение, полярность которого (с учетом инверсии усилителем А7) определяется компаратором 4.
Одноразрядный код полярности измеряемого сигнала считывается с выхода компаратора 4 в память процессора. Компаратор 4 выдает также команду на ЦАП для формирования на его выходе сигнала противоположной полярности по сравнению с измеряемым сигналом. ЦАП содержит всего четыре разряда и позволяет изменять выходное напряжение ступенями 2; 1; 0,5 и 0,25 В.
Работу АЦП поясним на примере кодирования измеряемого напряжения 3,72 В. В первом цикле кодирования ЦАП начинает поразрядно изменять выходное напряжение, причем
команду на увеличение или уменьшение выходного напряжения выбранного разряда ЦАП выдает компаратор. Для приведенного примера на управляющих входах ЦАП будет последовательно, начиная со старшего разряда, установлен код 1110, что соответствует выходному напряжению (—3,5) В.
В следующем такте код на входе ЦАП станет 1111, выходное напряжение ЦАП будет равно (—3,75) В, что превышает измеряемый сигнал. Поэтому компаратор 4 выдаст команду на сброс последнего разряда ЦАП, а выходной код старших разрядов (первого цикла) измеряемого сигнала будет 1110. Обычно величины сопротивлспиий резисторов R9, RH и RI2 выбирают одинаковыми, в 16 раз меньшими сопротивления резистора R10. Это обеспечивает одинаковый коэффициент передачи усилителя А7 по всем трем входам, равный 16.
После окончания первого цикла кодирования на входе усилителя А7 будет действовать сигнал педокомпепсации, равный ■0,22 В, а на выходе усилителя А7 — сигнал (—3,52) В. Во втором цикле замыкается ключ Кл. 5 и усиленный недокомпепси- роваппый сигнал запоминается на конденсаторе СЗ. Так как ■сопротивления резисторов R12 и R14 равны между собой, то на выходе операционного усилителя А8 установится напряжение 3,5 В. В третьем цикле размыкаются ключи Кл. 3 и Кл. 5 и замыкается ключ Кл. 6. При этом на два входа сумматора поступит напряжение 3,5 В с выхода А8 и напряжение с выхода ЦАП. Последний работает точно так же, как и в первом цикле, и после Кодирования сигнала во втором цикле па его входах устанавливается код 1110, а выходное напряжение ЦАП равно (—3,5) В. Недокомпснсированный сигнал 0,02 В усиливается усилителем А7, на выходе которого появляется напряжение (-0.32) В.
В четвертом и пятом циклах это напряжение запоминается на втором аналоговом запоминающем устройстве (на рис. 67 не показано), поэтому на два входа сумматора поступят напряжения 0,32 В со второго АЗУ и с выхода ЦАП. В процессе кодирования па входах ЦАП будет установлен код 0001, а его выходное напряжение равно (—0,25) В. Недокомпенсирован- ный сигнал 0,07 В усиливается усилителем А7, па-выходе которого появляется напряжение (—1,12) В.
В шестом цикле замыкается ключ Кл. 5, и усиленный нсдо- компснсироваиный сигнал запоминается на конденсаторе СЗ, так что на выходе Л5 устанавливается напряжение 1,12 В В седьмом цикле ключ Кл. 5 размыкается, а ключ Кл. 6 замыкается, и на два входа суммирующего усилителя А7 поступают напряжения 1,12 В с выхода А8 и с выхода ЦАП. На входах ЦАП будет установлен код 0100 и на этом кодирование закапчивается.
После каждого цикла кодирования 4-разрядный код записывается в регистр числа. В результате четырех циклов кодирования напряжения 3,72 В в регистре числа будет сформи-
рован 16-разрядный код 1110111000010100, который с высокой степенью точности соответствует напряжению 3,72 В. Из регистра числа код переписывается в память процессора.
Аналогичным образом АЦП кодирует ток, только в начале •цикла кодирования замыкается не ключ Кл. 3, а ключ Кл. 4.
Постоянное запоминающее устройство (см. рис. 64) является (^программируемым и используется для записи и храпения программ работы аппаратуры «Импульс-Ц». В состав ПЗУ входят репрограммируемое постоянное запоминающее устройство (РПЗУ), состоящее из- 16 микросхем К558РЕ11, объединенных по адресным и управляющим входам, а также вспомогательные устройства управления, преобразования уровней сигналов и т. д., обеспечивающие работу РПЗУ. Объем памяти ■одной микросхемы РПЗУ составляет 1024 бит=1К Так как цифровая часть аппаратуры «Имнульс-Ц» оперирует 16-раз- рядпыми словами, то емкость ПЗУ составляет !К слов. Устройство ПЗУ работает в трех, режимах: запись, считывание, стирание. В его режиме записи записывается заданная программа работы аппаратуры, которая в режиме считывания управляет работой процессора по информационной магистрали. В режиме стирания импульсом длительностью 5 мс и амплитудой (—30) В стирается информация во всех ячейках ПЗУ одновременно.
Устройство ОЗУ предназначено для записи, хранения и считывания двоичных кодов и является основным устройством внутренней оперативной памяти аппаратуры «Импульс-Ц». В состав ОЗУ входит накопитель информации емкостью 512 16-разрядпых слов, а также вспомогательные устройства, обеспечивающие асинхронный обмен 16-разрядными словами между накопителем и информационной магистралью. Объем памяти одной микросхемы ОЗУ типа К561РУ2А составляет 256 бит. Всего в ОЗУ используется 32 микросхемы,- объединенные в две группы по 16 микросхем. Внутри группы микросхемы ■объединены по адресным и управляющим входам, а числовые входы и выходы подключены к 16-разрядной магистрали.
Устройство ОЗУ работает в трех режимах: запись, хранение, считывание. В режиме записи в ячейки памяти, соответствующие коду адреса, записывается результат измерений, обработанный процессором. В режиме, считывания при изменении кода адреса на цифровое табло блока управления последовательно выводится содержащаяся в ячейках памяти ОЗУ информация, которая фиксируется оператором и записывается в полевой журнал.
Процессор является основным устройством обработки информации и управления в измерителе аппаратуры «Импульс-Ц». Интерфейсный блок процессора обеспечивает подключение, адресацию, асинхронный обмен информации и управление запоминающими и внешними устройствами, подключенными к информационной магистрали. В состав процессора входят четыре основных функциональных блока, объединенных внутренней
16-разрядной магистралью процессора; операционный блок, блок внутреннего управления и синхронизации, блок наружного управления и интерфейсный блок. Последние два блока подключены к информационной магистрали.
Операционный блок состоит из 16-разрядного арифметического устройства, выполненного на четырех соединенных параллельно по входам управления микросхемах К587ИК2, микропрограммной адресной управляющей памяти, выполненной па микросхеме К587РП15, и микропрограммной операционной управляющей памяти, выполненной на микросхеме К587РП14, Разделение памяти на две указанные части обусловлено тем, что микропрограмма выполнения любой команды процессора делится па две относительно независимые части — адресную и операционную. Вход обеих блоков памяти подключены к 16-разрядной магистрали процессора .для приема кодов команд, подлежащих выполнению, а для обеспечения совместной синхронной работы одноименные выводы управляющих сигналов этих блоков памяти объединяются.
Блок внутреннего управления предназначен для управления обменом по внутренней магистрали процессора и по информационной магистрали по инициативе процессора. Этот блок является основным структурным элементом процессора, обеспечивающим его начальный запуск и выполнение команды в операционном блоке. Основным элементом блока внутреннего управления является микросхема К587РП13.
Блок наружного управления предназначен для управления обменами при обращении к процессору по адресам его регистров из информационной магистрали. Блок выполнен на микросхемах К587ИК1, К587РП12 и серии К176.
Интерфейсный блок представляет собой четырехмагистральное асинхронное устройство, предназначенное для хранения, трансляции адресов и операндов при обращении процессора к устройствам информационной магистрали. Блик выполнен на двух микросхемах К587ИК1.
Таймер предназначен для формирования управляющих сигналов запуска генераторного устройства и АГ.1П, синхронизированных с периодической помехой, наводящейся в приемной петле. В состав таймера входят устройство синхронизации с помехой, измеритель периода помехи, формирователь временных интервалов и устройство управления таймером. Таймер выполнен на микросхемах серий К.561, К176 и К553.
АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПО МЕТОДУ ВЫЗВАННОЙ поляризации
Станция СВП-74
Станция вторичных полей СВП-74 преназпачена для комплексного изучения возбуждаемых в земле электрических полей и может быть использована для поисков и разведки месторож-
дений полезных ископаемых, представленных электронопроводящими минералами (сульфидами, магнетитом, графитом, пиролюзитом я т. п.) или находящихся с этими минералами в закономерной связи.
Станция позволяет определять следующие параметры изучаемых геоэлектрических разрезов: а) кажущееся удельное сопротивление па постоянном и низкочастотном переменном токе, б) кажущуюся поляризуемость в импульсном режиме измерений или кажущийся фазовый угол ВП па низкочастотном переменном токе, в) кажущееся переходное сопротивление по измерениям электрической компоненты индукционного электромагнитного поля, г) временные (переходные) характеристики ВП и становления электрического поля в диапазоне от миллисекунды до десятков минут и более, д) коэффициенты нелинейной вызванной поляризации па постоянном и переменном токе.
По результатам интерпретации комплекса указанных параметров можно дифференцировать аномалии, обусловленные массивными прожилково-вкрапленными сульфидными рудами, рассеянной сульфидной и графитовой вкрапленностью, графитовыми телами и т. д., и тем самым сократить объем проверочных горных и буровых работ.
Основные технические характеристики станции СВП-74
Генераторная установка: максимальная мощность, кВт 21
рабочее напряжение, В . . . . .. . .100—460
ток п нагрузке, А 0,75—45
сопротивление нагрузки, Ом 10—600
Переносной генератор: максимальная мощность, Вт 100
рабочее напряжение, В 10—100
ток в нагрузке, Л 0,03—I
сопротивление нагрузки, Ом 60—1500
Длительность импульсов поляризующего тока, с0,0256—3- 10я
Скважинность импульсов 2; 6
Частота переменного тока, Гц 0,039—19,5
Стабильность длительности импульсови частоты тока, %0,1
Измеряемое напряжение, мВ: постоянное 10—10*
импульсное 0,3—300
переменное 0,01—1000
Погрешность измерения напряжений, % 3
Погрешность стабилизации и измерения тока, %. . . .3
Минимальное время задержки стробирования, мс. . . .0,8
Рабочие частоты прибора переменного тока, Гц2,44; 4,88; 9,7;
19,5
Входное сопротивление измерительных приборов, МОм . .0,8
Напряжение компенсаторов поляризации, мВ(—250)—(+250)
Максимальная глубина исследования скважины, м . . . .500
Масса установки, кг:
генераторной 8120
приемной 8440
Масса прибора переменноготока, кг 5,5
Станция состоит из генераторной (ГУ) и приемной (ПУ) установок (рис. 66), смонтированных ла автомобилях повышенной проходимости ЗИЛ-131.
Генераторная установка служит мощным источником тока, пропускаемого в заземленной питающей линии АВ для возбуждения в земле постоянных, нестационарных или переменных электромагнитных нолем.
Первичным источником тока генераторной установки является электромашинный генератор постоянного тока типа 2ПН225МУ4 с приводом от двигателя автомобиля. Генератор имеет номинальную мощность 22 кВт, максимальное напряжение 460 В и ток до 45 А. Его выходное напряжение регулируется изменением числа оборотов двигателя или тока в иарал-
Рис. 66. Структурная схема станции СВП-74
рабатыеаемых станцией СВП-74рабатыеаемых станцией СВП-74
рабатыеаемых станцией СВП-74
рабатыеаемых станцией СВП-74
дельной (шунтовой) обмотке возбуждения регулировочным реостатом, включенным последовательно с обмоткой возбуждения. Регулировочный реостат входит в состав устройства управления, которое содержит также приборы контроля за напряжением и током в силовой цепи генераторной установки.
С выхода устройства управления напряжение генератора по- стояниого тока подается на два тринисторных коммутатора: внешней нагрузки (питающей линии АВ) и балластной нагрузки (внутреннего мощного балластного резистора). Первый предназначен для формирования в питающей линии АВ импульсов тока заданной длительности и полярности. С помощью второго во время пауз между импульсами тока в питающей лилии АВ к выходу генератора постоянного тока подключается балластный резистор, сопротивление которого подбирают примерно равным сопротивлению линии АВ. Благодаря тому обеспечивается постоянство нагрузки генератора при коммутации тока, что позволяет стабилизировать работу двигателя автомобиля и генератора постоянного тока.
Сигналы управления коммутаторами формируются в блоке управления. Станция СВП-74 имеет два одинаковых блока управления, один из которых размещен в генераторной установке и используется при автономной ее работе. Второй блок управления размещен в приемной установке и используется при совместной работе установок, а также при автономной работе приемной установки. Подключение того или иного блока для управления работой станция производится переключателем SA.
Блок управления позволяет оператору вручную включать в питающую линию АВ импульсы тока / и выключать их в любой момент времени (см. рис. 67, а), причем имеется возможность выбрать любую полярность импульсов тока, а также осуществить пять автоматических
режимов коммутации тока в источнике поля: а) однополярные периодические импульсы (см рис. 67,6) со скважностью, равной 2 (равные длительности импульса тока и паузы), и ручным переключением полярности кытудъеоь тока; б) разнополярные периодические импульсы (см. рис. 67, в) со скважностью, равной 2; в) разнополярные периодические импульсы (см. рис. 67, г) со скважностью, равной 6 (длительность паузы в 5 раз больше длительности импульса тока); г) переменный ток прямоугольной формы (рис.
д) с ручным переключением частоты; д) одиночные импульсы фиксированной длительности (рис. 67, е) с ручным выбором длительности этого импульса.
В генераторной установке используется стабилизатор тока, который путем автоматического изменения тока в обмотке возбуждения генератора поддерживает неизменным установленное оператором среднее значение тока независимо от изменения сопротивления нагрузки и скорости вращения якоря генератора.
Схема защиты (см. рис. 66) предназначена для предотвращения возможности поражения током обслуживающего персонала и выхода из строя электронного оборудования станции в аварийных ситуациях: при увеличении выходного напряжения генератора до 500—600 В и более, при коротком замыкании или обрыве нагрузки, в случае появления на корпусе автомобиля напряжения свыше 70 В, а также при разблокировке узлов аппаратуры, содержащих силовые цепи. Срабатывание схемы защиты приводит к автоматическому выключению генератора и остановке двигателя автомобиля. Кабель защиты, соединяющий генераторную и приемную установки в общую систему защиты от поражения током, используется также для телефонной связи между установками.
Компенсатор /, предназначенный для формирования опорного напряжения, пропорционального току в питающей линии АВ и повторяющего форму этого тока, соединен с эталонным резистором RL включенным последовательно в питающую линию. Важной особенностью компенсатора / является отсутствие гальванической и емкостной связи между его выходной и входной цепями, что позволяет подавать сигнал с выхода компенсатора во входную цепь измерительного прибора и компенсировать измеряемый сигнал опорным сигналом, пропорциональным току (омическую составляющую принимаемого из земли сигнала во время пропускания импульса тока или активную составляющую при измерениях на переменном токе).
Так как выходное напряженно компенсатора 1 пропорционально току питающей линии, то оно используется также для измерения этого тока тем же прибором, который применяется для измерения принимаемых из земли сигналов, что позволяет повысить точность определения параметров изучаемого геоэлек- трического разреза. Компенсатор 1 имеет две идентичные гальванически развязанные выходные лепи.
Приемная установка содержит двухканальное измерительное устройство, состоящее из двухкалального компенсатора 2, двух импульсных измерительных приборов, а также переносный маломощный генератор, блок управления 2, электроразве- дочный осциллограф ЭПО-9 и лебедку с каротажным кабелем.
Принимаемые из земли с помощью .двух приемных линий M^Ny и M2N2 сигналы через компенсаторы поляризации (па рис. 66 не показаны) поступают на компенсатор 2, который вы-
полнен точно по такой же схеме, как и компенсатор 1, по содержат дополнительно два плавно-ступенчатых аттенюатора в выходных цепях, предназначенных для регулировки амплитуды опорного сигнала. Если приемная установка работает в автономном режиме, то вход компенсатора 2 соединен с эталонным резистором R2, включенным последовательно в питающую линию АгВ1, соединенную с переносным генератором.
При совместной работе генераторной и приемной установок два выхода компенсатора / подключаются к плавно-ступенчатым аттенюаторам в выходных целях компенсатора 2, причем выходное напряжение этих аттенюаторов вводится последовательно с сигналами, принимаемыми приемными линиями MVN\ и М^2. Полученные суммарные сигналы с двух выходов компенсатора 2 измеряются либо двумя импульсными приборами / и 2, выполненными по одинаковым схемам, либо прибором переменного тока (на рис. 66 не показан). В тех случаях, когда не требуется компенсировать омическую составляющую напряжения, выходные цени компенсатора 2 закорачиваются п сигналы с выходов приемных линий MiN\ и MiN? поступают непосредственно па входы импульсных приборов / и 2.
Импульсные приборы предназначены для измерения сигналов первичного и вторичного поля в заданные фиксированные моменты времени, а также для усиления принимаемых из земли сигналов при записи их с помощью осциллографа ЭПО-Э.
Значения напряжения в приемной липин в фиксированные моменты времени — от единиц до сотен миллисекунд после выключения тока в питающей линии АВ — определяются по показаниям стрелочных индикаторов импульсных приборов 1 и 2. Для регистрации более поздних стадий переходного процесса напряжения с выходов импульсных приборов 1 и 2 подаются на два гальванометра осциллографа ЭПО-9 и записываются на фо- толепту. Сигналы управления импульсными приборами формируются в блоке управления 2 синхронно с сигналами управления коммутаторами тока в источнике поля.
Переносной генератор с внутренним стабилизатором тока используется при работах с небольшими разносами питающих линий Д»В2 и при каротаже скважин. Он управляется от блока управления по тем же программам, что и коммутатор внешней нагрузки генераторной установки, а для питания используются батареи 29-ГРМЦ-13. Связь между операторами приемной и генераторной установок, а также обслуживающим персоналом на профилях наблюдений осуществляется по телефону.
При выполнении электроразведочных работ с использованием скважин в зависимости от типа применяемой установки к трем жилам М, N и В каротажного кабеля через гнезда коллектора лебедки может быть подключено от одного до трех приемных или питающих электродов. Лебедка соединяется специальными кабелями с блоками приемной и генераторной установки (на рис. 66 не показано).
Рис. 68. Упрощенная функциональная схема силового блока генераторной установки станции СВП-74
Генератор (рис. 68) постоянного тока (обозначенный на рис. 73 «МР») через предохранитель F на 60 А и шунт R1 подключен к автоматическому выключателю SAL В цепи обмотки возбуждения (ОВ), подключенной к якорю генератора, установлены реостат возбуждения R2 и тумблер SA2, с помощью которого можно отключить цепь возбуждения и тем самым получить нулевое выходное напряжение генератора во время вращения якоря от двигателя автомобиля. К шунту R1 подключен амперметр РА, позволяющий контролировать ток в выходной цепи генератора, а напряжение измеряют вольтметром PV. В силовую цепь генератора включены также реле минимального и максимального напряжения (па рис. 68 не показаны), срабатывающие соответственно при напряжениях мепее 75 В и более 500 В.
Выход генератора подключается к основной силовой цепи с помощью автоматического выключателя SA1. В аварийных ситуациях, например при срабатывании реле минимального или максимального напряжения, на обмотку дистанционного отключения выключателя SA1 подается импульс напряжения, что приводит к размыканию контактов SA1 и аварийному отключению генератора от силовой цепи.
Через автоматический выключатель SAf напряжение генератора поступает на Два параллельно включенных триннстор- ных коммутатора. Первым (до включения тока в питающую линию АВ) срабатывает коммутатор балластной нагрузки. Для этого из блока управления (на рис. 68 не показан) вначале подаются импульсы управления на управляющие электроды трп- нисторов VD1.2, VD18. При включении тринпстора У£>12 балластная нагрузка — резистор R10 — подключается параллельно 164
выходу генератора постоянного тока МР. Одновременно через открытые тринисторы VD12. VD13 в токоограничивающий резистор R9 заряжается до напряжения генератора коммутирующий конденсатор С5 в полярности, указанной на рис. 68. В момент, когда ток заряда конденсатора С5 становится меньше тока удержания трнннстора VD13, этот тринистор запирается.
Для отключения балластной нагрузки подастся импульс управления на управляющий электрод трнннстора VD1L Ток разряда конденсатора С5 протекает через тринистор VD12 в направлении, обратном направлению тока через балластный резистор R10, так как этот конденсатор подключается к трннпстору VD12 в обратной полярности: «минус» — к аноду, «плюс»—к катоду этого трнннстора. Когда суммарный ток через тринистор VD12 становится меньше тока удержания, этот тринистор выключается и балластный резистор R10 отключается от генератора постоянного тока.
Одновременно с этим подаются импульсы управления на тринисторы VD5, VD6 и VD8 коммутатора внешней нагрузки и питающая линия АВ подключается к выходу генератора постоянного тока. Ток в ливни АВ протекает до тех пор, пока тринисторы VD6, VD8 не будут заперты.
Цепь гашения (выключения) тринисторов VD6—VD8 мостового инвертора состоит из тринисторов VD3, VD4, дросселя L, конденсатора С2 и трансформатора Т. Тринистор VD3 открывается одновременно с включением любой пары тринисторов моста: VD6, VD8 или VD7, VD9. При этом конденсатор С2 заряжается через дроссель L до напряжения генератора в полярности (см. рис. 68). Для гашения тринисторов моста и трини- стора VD5 подается импульс на управляющий электрод трини- стора VD4, этот тринистор открывается и конденсатор С2 разряжается через обмотку трансформатора Т.
Суммарное напряжение на обмотках трансформатора Т при разряде конденсатора С2 превышает напряжение генератора н имеет обратную ему полярность. Поэтому к мостовому инвертору на триннсторах VD6—VD9 на короткое время прикладывается напряжение в обратной полярности: «плюс» — к катодам, «минус» — к анодам тринисторов и включенные до этого тринисторы моста выключаются. После окончания разряда конденсатора С2 тринистор VD4 запирается, и оба трннисторных коммутатора подготовлены для очередного включения.
Последовательно с выходными клеммами Л и В мостового инвертора включен эталонный резистор R3. который подключается к входу компенсатора для получения опорного сигнала, пропорционального току в питающей линии. Управляющие электроды тринисторов VD3—VD9 и VD11-—VD13 соединены с выходами усилителей мощности блока управления (на рис. 68 не показаны).
В силовую цепь последовательно включен еще один эталонный резистор — R2.
Падение напряжения на этом резисторе, пропорциональное постоянному току питания коммутаторов внешней и балластной нагрузки, суммируется с постоянным напряжением, вырабатываемым источником опорного напряжения ИОН, и разностный сигнал подается на вход стабилизатора тока. Стабилизатор изменяет выходное напряжение генератора постоянного тока так, чтобы падение напряжения на резисторе R2 с высокой степенью точности было равно напряжению опорного источника, а разностный сигнал был равен нулю.
На входе стабилизатора тока установлен модулятор Мд, преобразующий разностный сигнал в прямоугольные импульсы напряжения с частотой 500 Гн, которые подаются на первичную обмотку разделительного трансформатора, установленного на входе усилителя У/. Наличие модулятора и трансформатора позволяет гальванически развязать входную часть (резистор R2, источник опорного напряжения ИОН, модулятор Мд^, находящуюся под потенциалом питающей линии, от устройства управления, состоящего из усилителей и источников питания. Усилитель У/ предназначен для усиления модулированного разностного сигнала и представляет собой усилитель переменного напряжения, обеспечивающий вместе с входным трансформатором коэффициент усиления, равный 3200.
К выходу усилителя У/ через два эмиттерных повторителя ЭП1 и ЭП2 подключено два синхронных детектора, каждый из которых содержит электронный ключ (Кл. 1 и Кл. 2) и цепь выделения сигнала положительной полярности (цепочки VD10, R5 и VD14, R6). На входы ключей поступают разнополярные прямоугольные импульсы напряжения, постоянная составляющая которых отделена с помощью конденсаторов СЗ и С4. Резисторы; R4 и R7 предотвращают короткое замыкание выходов эмиттерных повторителей ЭП1 и ЭП2 при открывании ключей Кл.1 и Кл. 2, которые управляются синхронно с модулятором Мд, преналами, вырабатываемыми ЗГ.
Сигналы управления с выхода ЗГ на ключи Кл. 1 и Кл. 2 подаются в противофазе, поэтому продектированный сигнал на выходе одного ключа имеет вид однополярных импульсов положительной полярности, а на выходе другого — отрицательной полярности, причем та или иная полярность сигнала на выходе ключа определяется полярностью исходного разностного сигнала. Так, например, если выходной ток генератора меньше заданного оператором, то напряжение на шунте R2 будет меньше опорного сигнала, разностный сигнал имеет отрицательный знак, полярность напряжения на выходе ключа Кл. / будет отрицательной, а на выходе ключа Кл. 2 — положительной.
Положительные импульсы напряжения с частотой 500 Гц. с выходов ключей через диоды VD10 и VD14, нагрузкой которых служат резисторы R5 и R6, подаются па входы усилителей мощности У2 и УЗ, усиливаются и поступают на управляющие электроды тринисторов VD1 или VD2. В рассмотренном выше
примере положительные импульсы подаются на тринистор VD1, который открывается и шунтирует реостат возбуждения R2. Благодаря этому ток в цепи обмотки возбуждения резко возрастает, что приводит к увеличению выходного напряжения генератора постоянного тока и увеличению тока в выходной цепи. По мере увеличения тока напряжение на шунте R2 сначала станет равным напряжению опорного источника, а затем превысит его и знак разностного сигнала станет отрицательным. При этом изменится полярность импульсов на выходах ключей: на выходе ключа Кл. 1 импульсы будут иметь положительную полярность, а на выходе ключа Кл. 2 — отрицательную полярность. .Усиленные положительные импульсы с выхода усилителя ^2 будут поданы на управляющий электрод тринистора VD2; этот тринистор, соединенный с силовой цепью через нагрузочный резистор R8, открывается, подключая конденсатор С1 в обратной полярности к тринистору VDI: «плюс» — на катод, «минус» — на анод, что приводит к запиранию тринистора VD1, уменьшению тока в цепи обмотки возбуждения и уменьшению выходного тока генератора.
Такая схема стабилизации обеспечивает постоянство среднего значения тока в нагрузке. Рассмотренный выше принцип стабилизации такой, что ток в процессе стабилизации непрерывно изменяется с периодом примерно 0,1 с, так что среднее его значение сохраняется постоянным. В режиме стабилизации соотношение между длительностями включенного и выключенного состояния тринистора VD1 автоматически изменяется так, что средний ток в нагрузке генератора поддерживается около одного из трех выбранных оператором значений: 50, 10 или ЗА.
Блок управления (рис. 69) предназначен для формирования временных последовательностей импульсов управления коммутаторами внешней и балластной нагрузки, а также коммутационными элементами (реле) импульсного прибора, обеспечивая их синхронную работу. Задающий генератор блока управления вырабатывает стабилизированный по частоте сигнал 100 кГц. Импульсы генератора поступают на вход счетчика импульсов СИR содержащего цепочку последовательно соединенных триггеров, формирующих из сигнала задающего генератора периодические импульсы разной длительности. Переключателем, установленным на передней панели блока, возможно изменять период подаваемых на вход дешифратора сигналов от 0,8 мс до 6,55 с. Счетчик формирует также импульсы «Метки времени» длительностью 0,41 и 3,28 с. используемые при измерениях сигналов осциллографом ЭПО-9.
Дешифратор предназначен для формирования импульсов стробирования, управляющих работой реле импульсных приборов и определяющих момент регистрации напряжения в приемной линии. Кроме того, дешифратор осуществляет деление в 32 раза частоты импульсов, поступающих с его выхода па вход второго счетчика импульсов СИ2. Второй счетчик импульсов,
Рис. 69. Функциональная схема импульсного измерительного прибора и блока управления станции СВП-74
как и первый, содержит цепочку триггеров, формирующих импульсы, длительность которых равна выбираемой оператором длительности импульсов тока з источнике поля. Переключателем на панели блока управления можно увеличить период импульсов на выходе второго счетчика в 1—1024 раза по сравнению с их периодом на входе.
Распределитель импульсов РИ формирует последовательности импульсов управления, которые После усиления формирователями запуска ФЗ используются для включения и выключения тринисторов, входящих в коммутаторы внешней и балластной нагрузок («Упр. ТК»), а также и другие последовательности импульсов, необходимые для работы самого блока управления и других блоков станции,
К выходам дешифратора подключей также синхронизатор, содержащий формирователи импульсов управления всех реле, входящих в состав импульсных приборов. Формирователи соединены с усилителями мощности У/—У9, нагрузками которых служат реле Kt—К9. Синхронизатор содержит также генератор внутреннего запуска, позволяющий управлять импульсными при-
борами автономно, без использования сигналов синхронизации, снимаемых с дешифратора блока управления.
Импульсные приборы служат для регистрации разности потенциалов между приемными электродами во время пропускания в землю поляризующего тока и после его выключения. Прибор позволяет или измерять мгновенные значения быстро изменяющихся сигналов путем их стробирования, или усиливать медленно изменяющиеся сигналы для их последующей регистрация осциллографом ЭПО-9.
Напряжение с приемных электродов подается па входные клеммы М и N прибора через компенсатор поляризации (на рис. 69 не показан), В режиме стробирования при измерении сигналов положительной полярности синхронизатор вначале вырабатывает команды на включение реле КЗ, Кб и К8. При этом реле срабатывают и контакты К3.1, К6.1 и К8.1 замыкаются, на неинвертирующий вход операционного усилителя А1 поступает измеряемый сигнал, а так как цепь обратной связи усилителя А1 оказывается замкнутой накоротко через контакты реле К6.1, то на выходе усилителя А1 и на конденсаторе С/ установится напряжение, равное входному сигналу. На этом заканчивается цикл выборки.
Началом цикла хранения служит команда на выключение реле КЗ, Кб и включение реле К2, КЗ (реле К8 остается включенным), по которой контакты К2.1 и K5J замыкаются. В режиме хранения операционные усилители охватывают общей цепью отрицательной обратной связи с выхода инвертирующего усилителя А2 через делитель (резисторы R7, R8) на неинвертирующий вход усилителя А1. Входной сигнал, хранящийся на конденсаторе С1, усиливается этими усилителями, причем коэффициент усиления может быть изменен путем переключения резисторов R7, R8 делителя в цепи отрицательной обратной связи. Усиленное постоянное входное напряжение регистрируется стрелочным прибором РА.
Когда на вход стробирования синхронизатора поступает следующий импульс, реле К2 и КЗ отключаются, а реле КЗ и Кб включаются (реле К8 остается включенным), на конденсаторе С1 устанавливается новое значение измеряемого сигнала (в момент второго стробирования). Для того чтобы после отключения реле Кб не наблюдалось резких колебаний стрелки прибора РА, к входу усилителя А2 подключен запоминающий конденсатор, который хранит то напряжение, которое было па нем до размыкания контактов К5.1, и тем самым поддерживает неизменным отсчет по прибору РА.
После окончания второго цикла выборки вновь размыкаются контакты К3.1, Кб.! и замыкаются контакты К2.1 и К5.1, усилители AI и А2 вновь работают в режиме хранения — усиления запомненного на конденсаторе С/ входного сигнала.
Если проводится измерение разнополярных сигналов чередующейся полярности, то при поступлении на вход импульсных
приборов сигнала отрицательной полярности вначале отключаются реле К2, К.5 и К8 и включаются реле КЗ, Кб и К9. Входное напряжение отрицательного знака запоминается на конденсаторе С2.
Затем в режиме хранения — усиления реле КЗ и Кб отключаются, включаются контакты К1.1 и К7.1, в цепь отрицательной обратной связи включается усилитель АЗ и инвертированный сигнал через делитель (резисторы К9, К10) и контакты К1.1 поступает па вход усилителя .4/. При этом усилитель А2 хранит сигнал положительной полярности, который был запомнен конденсатором СЗ, а усилитель АЗ — сигнал отрицательной полярности.
Так как стрелочный прибор РА включен через токоограничи- вающие резисторы Rll, R12 между выходами усилителей А2 и ДЗ, то его отсчет будет пропорционален алгебраической разности сигналов разной полярности, т. е. сумме их абсолютных значений. Конденсатор С4 поддерживает неизменным выходное напряжение усилителя АЗ, а резисторы R5 и R6 служат резисторами утечки усилителей А2 и АЗ по пеинвертирующему входу. Резисторы R3 и R4, включенные последовательно с запоминающими конденсаторами Cl и 02, обеспечивают накопление напряжения на этих конденсаторах за несколько стробов с постоянной времени около 30 мс, что повышает помехозащищенность измерений.
На входе усилителя А1 установлен делитель измеряемого напряжения на резисторах R1, R2. При включении реле К4 его контакты К4.1 размыкаются и делитель оказывается включенным, что расширяет диапазон измерений до 30 В.
В режиме непрерывной регистрации поступающего па вход сигнала управление импульсными приборами осуществляется от внутреннего генератора, входящего в состав синхронизатора. При этом синхронизатор вырабатывает строб-импульсы длительностью 3,2 мс, следующие с частотой около 80 Гц и не синхронизированные с фронтами включения и выключения тока в питающей линии АВ. Как и в рассмотренных выше случаях, в данном режиме сначала на 3,2 мс включаются реле КЗ, Кб, К8 и на конденсаторе С/ накапливается и запоминается входной сигнал, затем реле КЗ и Кб отключаются и включаются реле К2, Кб, причем указанный цикл периодически с частотой 80 Гц повторяется. Сигнал с выхода усилителя А2 поступает на стрелочный прибор РА и на вход осциллографа ЭПО-9, е помощью которого он записывается на фотоленту.
Станция СВП-74 содержит также прибор переменного тока, представляющий собой избирательный милливольтметр, настроенный на фиксированные частоты 2,44; 4,88; 9,7 и 19,5 Гц, который вместе с компенсаторами активной составляющей сигнала позволяет регистрировать мнимую компоненту первой гармоники напряжения в приемной линии в основном при измерениях нелинейных параметров ВП.
Аппаратура С-003
Аппаратура С-003 предназначена для измерения ранней стадии ВП с изучением временных характеристик нарастания сигнала ВП во время пропускания импульсов тока в землю или спада сигнала после их выключения. По результатам исследований ранней стадии ВП в относительно простых геоэлектриче- ских условиях (высокоомный разрез, неглубокое залегание рудных тел — до 10—20 м), а также большому объему параметрических измерений и анализов образцов пород и руд в районе работ удается отбраковывать геофизические аномалии, связанные с пиритизированными и графитизированными породами, выделять среди этих пород сульфидные руды полиметаллического, медного, золото-сульфидного составов.
Аппаратура С-003 является переносной и выполнена в виде четырех отдельных блоков: генератора, источника питания генератора, измерителя и калибратора.
Основные технические характеристики аппаратуры С-003
Максимальная мощность поляризующего тока, Вт . . . .400
Максимальная амплитуда тока в импульсе, А I
Частота следования импульсов тока, Гц 20
Скважность импульсов тока 2
Относительная нестабильность частоты следования импульсов тока, % 10
Потребляемая генератором мощность внутреннего источника питания, Вт 1,6
Пределы измерения напряжения Д(/Пр в приемной линии во время пропусканиятока.мВ 10—3000
Пределы измерения напряжения АУвп вызванной поляризации, мВ 3—3000
ПогрешностьизмеренияД17пр, % 3
Погрешность измерения Аб'еп. (при относительной поляризуемости среды более 1 %), % 5
Время отсечки начальной части измеряемых импульсов напряжения, мс 0,1
Фиксированные времена регистрации напряжения относительно момента коммутации тока, мс0,2; 0,3; 0,4; 0,6;
1; 2; 6; 10; 20
Минимальное входное напряжение, обеспечивающее синхронизацию по исследуемому сигналу, мВ 10
Входное сопротивление измерителя, Мом 2
Потребляемая измерителем мощность внутреннего источника питания, Вт 0,6
Дрейф нулевого уровня отсчета измерителя. мВ/°С . . . .100
Амплитуда выходного напряжения L/K калибратора, В . . .1
Погрешность амплитуды ик, % I
Постоянная времени выходного напряжения {/к калибратора, мс 0,3
Погрешность постоянной времени U^. % I
Максимальное напряжение внешнего источника питания калибратора, В 30
Максимальный ток, вырабатываемый калибратором во внешней нагрузке, А . 0,1
Потребляемая калибратором мощность внутреннего источника питания, Вт 0,5
Рис. 70. Функциональная схема аппаратуры С-003
Элементом, задающим временной режим работы генератора (рис. 70), является мультивибратор Мв, работающий в режиме автоколебаний. Этот мультивибратор, выполненный на микросхеме К284УЭ1, вырабатывает импульсы, следующие с частотой 40 Гц, поступающие на вход триггера Тг, собранного на микросхеме К218ТК1. Триггер Тг управляет работой ключевого каскада, включающего в себя транзисторы VT1—VT3.
В исходном положении до пропускания импульса тока в питающую линию на выходе триггера, соединенного со стабилитроном VD, установлен сигнал «Лог. 1», транзистор VT1 оказывается закрытым, поэтому па базе транзистора VT2 будет потенциал, близкий к нулю. Транзистор VT2 будет Закрытым, а ток в цепи АВ не протекает. Кроме того, со второго выхода триггера Тг на базу транзистора VT3 подается сигнал «Лог. 0», поэтому транзистор VT3 будет запертым.
После изменения состояния триггера Тг транзисторы VT1 и VT3 открываются и с делителя на резисторах RI, R2 через конденсатор С на базу транзистора VT2 поступает прямоугольный импульс напряжения длительностью 25 мс. При этом транзистор VT2 типа КТ809А открывается и в цепи АВ от источника напряжения GB2 протекает импульс тока. В качестве источника питания используется либо четыре батареи 100-АМЦГ-19О, либо несколько батарей 69-ГРМЦ-6. Ток в цепи АВ контролируется стрелочным прибором РА, подключенным к эталонному резистору R3.
Для предотвращения возможности выхода из строя транзистора VT2 в генераторе предусмотрена электронная защита от короткого замыкания, включающая в себя схему защиты СЗ, соединенную входом через ограничивающий резистор R5 с резистором R4, а выходом — с входом «Уст. 0» триггера Тг. Если ток через транзистор VT2 превысит 1 А, падение напряжения на резисторе R4 окажется достаточным для срабатывания схемы зашиты СЗ, которая представляет собой транзистор; в его базовую цель включен туннельный диод, соединенный также через резистор с источником питания.
Туннельный диод срабатывает при увеличении напряжения на резисторе R4 сверх допустимого, транзистор открывается и с выхода схемы защиты СЗ на установочный вход триггера Те подается сигнал «Лог. О». Это приводит к запиранию транзисторов VK—VT3. После устранения причины перегрузки необходимо выключить и вновь включить генератор, так как даже после устранения перегрузки туннельный диод в схеме защиты СЗ остается «замкнутым» и для возвращения его в исходное состояние необходимо отключить от него питание.
Резисторы R6, R7 обеспечивают необходимый режим отпирания и запирания транзистора VT1 в зависимости от уровня напряжения, поступающего с выхода триггера Тг через стабилитрон VD. Резистор R8 ограничивает ток в цепи базы транзистора VT2 при открытом транзисторе VT1. Цепи Виталия мультивибратора Мв и триггера Тг подключены к источнику GB1 (батарее 11.5-ПМЦГ-120).
Генератор аппаратуры С-003 обеспечивает в нагрузке—питающей линии АВ— однополярные импульсы тока, причем длительность импульсов тока и пауз всегда сохраняется одной и той же, равной 25 мс.
Временной режим работы измерителя (рис. 71) задается устройством синхронизации по исследуемому сигналу, которое работает следующим образом. 11а вход повторителя напряжения, выполненного на полевом транзисторе кТ/ типа КП103, сигнал Umn с приемной линии MN подается через интегрирующую цепочку Ri, С1, предназначенную для фильтрации высокочастотных помех. Сигнал Umn (рис. 72) имеет вид однополярных
Рис. 71 Упрошенная схема измерителя аппаратуры С-003-
Рис. 72. Эпюры напряжении, поясняющие работу измерителя аппаратуры С-003Рис. 72. Эпюры напряжении, поясняющие работу измерителя аппаратуры С-003сти гораздо больше, чем для сти из-за того, что резисторсти гораздо больше, чем для сти из-за того, что резисторимпульсов с некоторой постоянной составляющей, обусловленной естественным полем, ЭДС поляризации приемных электродов и вызванной поляризацией среды под действием постоянной составляющей серин однополярных импульсов тока.
Рис. 72. Эпюры напряжении, поясняющие работу измерителя аппаратуры С-003
Рис. 72. Эпюры напряжении, поясняющие работу измерителя аппаратуры С-003
сти гораздо больше, чем для сти из-за того, что резистор
сти гораздо больше, чем для сти из-за того, что резистор
Переменная составляющая этого сигнала с нагрузки повторителя — резистора R2 (см. рис. 71) через дифференцирующую цепочку С2, R3 и переключатель ЗЛУ подается на вход двустороннего усилителя-ограничителя, выполненного на операционном усилителе Л/ серин К140УД1. Резисторы R4 и R5 в цепи прямого и инверсного входа усилителя ДУ используются в качестве резисторов утечки, а конденсатор СЗ служит для устранения возбуждения усилителя на высокой частоте. Выходное напряжение U\ усилителя А1 имеет вид прямоугольных разнополярных импульсов (см. рис. 72).
К выходу усилителя-ограничителя А1 подключена интегрирующая цепочка R6, R7 и С4, постоянная времени которой для сигнала отрицательной полярно- сигнала положительной полярно- R6 зашунтирован диодом VD1.
Форма напряжения U2 на выходе интегрирующей цепочки по
казана на рис. 72. Сигнал с выхода интегрирующей цепочки через резистор R8 подается на вход преобразователя уровней, выполненного на операционном усилителе А2 серии К140УД2. Усилитель охвачен положительной обратной связью, осуществ- вляемой через делитель на резисторах R9. R10, увеличивающей крутизну фронтов выходного напряжения и обеспечивающей гистерезис этого порогового устройства. Благодаря этому пороги срабатывания Uo и Uq преобразователя А2 для сигналов разной полярности оказываются разными, причем постоянная времени интегрирующей цепочки и пороги срабатывания преобразователя А2 подобраны таким образом, что задержка отрицательного фронта сигнала <7з на выходе преобразователя А2 относительно положительного фронта сигнала U। (и сигнала
Umn) составляет 0,1 мс (см. рис. 72).
К выходам усилителя-ограничителя Л1 и преобразователя А2 (см. рис. 71) подключены две схемы совпадений (логические элементы Я): первая на диодах VD2, VD3 и резисторе R11, а вторая на диодах VD4, VD5 и транзисторе VT2.
Если сигнал на выходе хотя бы одной из микросхем Л / или А2 имеет отрицательную полярность, то напряжение (Д на выходе первой схемы совпадений будет также отрицательным, и только в случае, если U^ и Ua одновременно имеют положительную полярность, сигнал Ua будет равен нулю (см. рис. 72). Выходной сигнал Ua второй схемы совпадений имеет отрицательную полярность, если хотя бы один из сигналов U, или Ua имеет положительную полярность, и только в случае, когда U> и Ua одновременно имеют отрицательную полярность, U3 будет равен нулю.
Действительно, если сигнал па выходе микросхемы А1 пли АЗ (пли обоих вместе) будет положительным, хотя бы один из диодов VD4 или VD5 (см. рис. 71) открывается, на базу транзистора VT2 через резистор R12 поступает положительное напряжение, транзистор VT2 закрывается и из его выходе будет отрицательное напряжение U5. В том же случае, когда Uv и U^ имеют одновременно отрицательный знак, диоды VD^, VDS оказываются запертыми, на базу транзистора VT2 через делитель на резисторах R12, R13 будет поступать отрицательное напряжение источника питания Un, транзистор VT2 открывается, все напряжение источника питания будет падать на резисторе R14, а сигнал U5 будет равен нулю.
Сигналы Ua и Us с выходов двух схем совпадений подаются па переключатель SA2 и используются для управления ключом, выполненном на полевом транзисторе VT3.
Напряжение lUa с выхода преобразователя А2 также дифференцируется цепочкой С5, RJ5 и задний фронт этого сигнала, поступающий через диод VD6 и делитель на резисторах R16, R17, используется для запуска первого заторможенного мультивибратора, выполненного па операционном усилителе ЛЗ серии К140УД2. Усилитель охвачен цепью положительной обратной связи через резисторы RI8 и R16, а также цепью отрицательной обратной связи через резисторы R19, R20. Длительность импульса, вырабатываемого мультивибратором, устанавливается путем переключения сопротивления резистора R19 и емкости конденсатора С6 (на рис. 71 переключатели не показаны), причем задержка переднего фронта сигнала U6 относительно переднего фронта сигнала UMN может быть выбрана равной 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 1; 2; 4; 6; 10; 20 мс (см. рис. 72).
По положительному фронту сигнала Umn формируется отрицательный импульс U7 длительностью 50 мкс с помощью второго заторможенного мультивибратора ЗМв (см. рис. 71) с фиксированным временем задержки. Этот мультивибратор выполнен на дискретных элементах — двух биполярных транзисторах, четырех резисторах и конденсаторе по стандартной схеме.
Импульс Ui с выхода мультивибратора ЗМв используется для управления второго ключа на полевом транзисторе VT4.
Таким образом, устройство синхронизации вырабатывает три последовательности сигналов — Щ,-U5 и Ui, предназначенные для управления работой измерителя.
Собственно измеритель содержит два повторителя напряжения на микросхемах А4, Аб. дифференциальный усилитель А5 и два ключа на полевых транзисторах VT3, VT4. Измеритель работает следующим образом. Измеряемый сигнал Umr через резистор R20 поступает па вход повторителя А4 серии К284УЭ1, на выходе которого установлен фиксатор уровня сигнала, выполненный на конденсаторе С7.
При измерениях во время пропускания тока переключатель А2 устанавливается в положение, показанное на рис. 71, и на затвор транзистора VT3 типа КПЗОЗ поступает сигнал U*. В течение промежутка времени, равного 0,1 мс после включения тока в питающую линию АВ, транзистор VT3 открывается сигналом Ua, конденсатор заряжается до амплитуды сигнала Umn, а напряжение U8 на прямом входе дифференциального усилителя А5 равно нулю. После запирания ключа VT3 на входе усилителя А5 постепенно увеличивается напряжение в соответствии с увеличением напряжения на выходе линии MN (сигнал на выходе усилителя А5 пропорционален падению напряжения ла его входном сопротивлении; это напряжение, в свою очередь, пропорционально току зарядки конденсатора С7 при разомкнутом ключе VT3, а ток зарядки будет только в том случае, если изменяется выходное напряжение повторителя А4). Форма напряжения U8 па входе усилителя А5 показана на рис. 72.
Усиленный сигнал с выхода дифференциального усилителя А5 (см. рис. 71) поступает на устройство выборки-хранения, собранное на ключе (транзистор VT4 типа КП103), запоминающем конденсаторе С8 и повторителе Аб с высоким входным сопротивлением (микросхема К284УЭ1). Ключ VT4 открывается на время действия строб-импульса (50 мкс) сигнала Ui в выбранный оператором момент времени измерении, на конденсаторе С8 запоминается мгновенное значение амплитуды измеряемого сигнала, которое сохраняется неизменным до прихода следующего строб-импульса на вход ключа VT4. Поэтому на выходе повторителя Аб поддерживается постоянное напряжение, пропорциональное измеряемому сигналу ВП. Резистор R21, включенный последовательно с конденсатором С8, увеличивает постоянную времени интегрирования, уменьшая таким образом влияние помех.
К выводу повторителя Аб подключены последовательно соединенные стрелочный прибор РЛ и резистор обратной связи R22. Показания прибора РА пропорциональны измеряемому сигналу, а предел измерений изменяется путем переключения сопротивления резистора R22 (переключатель на рис. 71 не показан), подключенного к инверсному входу дифференциального усилителя
А5. Меняя величину сопротивления резистора R22, можно изменять глубину отрицательной обратной связи усилителя А5 и тем самым коэффициент усиления этого усилителя. Конденсатор С9 используется для сглаживания пульсаций выходного напряжения повторителя Аб.
Для измерения сигнала ДС/П», т. е. полного напряжения на приемных электродах во время пропускания тока, переключатель SA2 устанавливают во второе положение, так что на вход транзистора VT3 подается сигнал U6. При этом транзистор VT3 открывается в паузе между импульсами (в промежуток времени, когда напряжение U^ равно нулю), на конденсаторе С7 фиксируется сигнал ЭД С поляризации электродов естественного поля, а во время пропускания импульсов тока на вход дифференциального усилителя А5 поступает не напряжение U%, a Ug (см. рис. 72), которое соответствует полезному напряжению на выходе приемной линии MN.
За 5 мс до выключения тока вырабатывается строб-импульс U7, который открывает ключ VT4, и на запоминающем конденсаторе С8 устанавливается напряжение, пропорциональное At/np. Таким образом, с помощью данного измерителя можно только поочередно измерять сигналы ВП в заданные моменты времени и Д(7пр в соответствии с установленным оператором режимом измерений.
Измеритель (установка пулевого отсчета) балансируется потенциометром R23 при закорачивании входа повторителя А4 кнопкой ЗАЗ.
Для того чтобы проводить измерения ВП не во время пропускания тока, а в паузах между импульсами тока, достаточно переключить переключатель SA1 во второе положение. При этом сигнал Ux будет инвертирован по сравнению с сигналом UMN, на фиксаторе уровня (конденсаторе С7) запоминается напряжение в конце предыдущей паузы, а измерения проводятся во время начальной части текущей паузы с повторной фиксацией уровня в конце ее и т. д. Для питания измерителя используются две батареи типа 11,5-ПМЦГ-120.
Схема калибратора (рис. 73) отличается от схемы генератора только выполнением выходных каскадов. Как и у генератора, частото-задающим элементом калибратора служит мультивибратор Me, собранный на микросхеме К284УЭ1 и вырабатывающий колебания с частотой 40 Гц. Импульсы с выхода мультивибратора поступают на триггер Тг, работающий в режиме деления частоты. Выходные напряжения триггера Тг используются для управления работой трех транзисторов VT1— УГЗ.
Для получения высокостабильного по амплитуде выходного напряжения через нагрузку калибратора — резистор R1 пропускают ток, вырабатываемый генератором стабильного тока ГСТ. Ток через резистор R1 коммутируется транзистором VT1, работающим в ключевом режиме. Для того чтобы в паузе между
CB1CB1MBMBРис. 73. Структурная схема калибратора аппаратуры С-003Рис. 73. Структурная схема калибратора аппаратуры С-003
CB1
CB1
MB
MB
Рис. 73. Структурная схема калибратора аппаратуры С-003
Рис. 73. Структурная схема калибратора аппаратуры С-003
импульсами тока через закрытый транзистор VII пе протекал остаточный ток, используется транзистор VT2, который открывается только тогда, когда транзистор VT1 запирается. При этом напряжение на стоке закрытого транзистора VT1 оказывается близким к нулю, что обеспечивает практически нулевое напряжение на резисторе R1 в паузе между импульсами тока.
Для того чтобы имитировать нарастание сигнала во время пропускания тока и спад после его выключения, аналогичные сигналу ВП, параллельно резистору RI с помощью переключателя SA может быть подключена интегрирующая цепочка R2C, постоянная времени которой равна 0,3 мс и определяется сопротивлениями резисторов RI, R2 и емкостью конденсатора С. Выходные клеммы MN калибратора подключаются к одноименным входным клеммам измерителя.
Калибратор может использоваться и как маломощный генератор импульсов. Для этого в нем установлен ключ на транзисторе VT3, на базу которого через делитель па резисторах R3, R4 подается сигнал управления со второго выхода триггера Тг. Транзистор VT3 коммутирует в цепи АВ ток от внешнего источника GB2 с напряжением до 30 В. Питание цепей калибратора поступает от источника GB1 (батарея 11.5-ПМЦГ-120).
АППАРАТУРА ДЛЯ АЭРОЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПО МЕТОДУ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
Аэроэлектроразведочная аппаратура метода переходных процессов (АМГШ) предназначена для поисков промышленных месторождений хорошо проводящих сульфидных руд и решения задач геологического картирования. Обычно аппаратура располагается на борту вертолета и имеет ряд особенностей, отличающих ее от наземного варианта аппаратуры.
Основные технические характеристики аппаратуры АМПП
Амплитуда импульса тока в рамке. А:
генераторной горизонтальной 200
вспомогательной вертикальной 20
Диаметр генераторной рамки, м 7
Эффективная площадь рамки, ма: генераторной300
вспомогательной 60
приемной 1700
Длительность импульса чока в рамке, мс: генераторной4
вспомогательной 1,5
Длительность паузы между импульсами тока в генераторной рамке, мс: 4
Пороговая чувствительностьизмерителя,мкВ 10
Расстояние между генераторномиприемнойрамками, м 35
Функциональная схема цифровой измерительной аппаратуры ДМПП изображена на рис. 74. Аппаратура содержит систему генераторной и вспомогательной рамок и компенсационную рамку, которые размещены вокруг корпуса вертолета (на рис. 74 не показаны), и выпускное устройство с приемной рамкой в гондоле, буксируемой на кабель-тросе длиной 35 м, а также цифровой регистратор сигналов, радиовысотомер и азрофотоаппарат.
Электромагнитное иоле в воздухе и земле возбуждается импульсами тока полусинусомдальной формы, пропускаемыми от генераторного блока в горизонтальной генераторной рамке, а вторичное поле принимается с помощью приемной рамки при высоте полета 40—50 м над земной поверхностью.
Особенностью аэроэлектроразведочных измерений по сравнению с наземными является высокий уровень различного вида помех на входе измерительного канала АМПП. К числу основ-
Рис. 74. Функциональная схема измерителя аппаратуры АМПП
ных помех относятся сигналы, обусловленные магнитным полем вихревых токов, протекающих в корпусе вертолета и возникающих при включении и выключении импульсов тока в генераторной рамке, а также сигналы, возникающие при «болтанке» приемной рамки в магнитном поле Земли.
Уменьшение помех, обусловленных «болтанкой» приемной рамки, достигается тем, что приемная рамка размещается в массивном корпусе, имеющем амортизационную подвеску', а влияние корпуса вертолета снижается с помошью методов электрической компенсации помех. Обычно в аппаратуре ЛМПП используются три независимых цепи электрической компенсации помех: две цепи компенсации сигналов, обусловленных горизонтальной и вертикальной составляющими вихревых токов, протекающих в корпусе вертолета, и одна пень компенсации изменений плотности вихревых токов, вызванных изменением электрического сопротивления контактов между составными частями корпуса и другими агрегатами вертолета во время его полета. Первые две цепи компенсации содержат по дпа цифро-аналоговых преобразователя (ЦАП): ЦАП1, ЦАП2 и ЦАПЗ, ЦАП4, а третья цепь компенсации содержит компенсационную рамку, предварительный усилитель и ЦАП5.
Сигнал, принимаемый приемной рамкой и затем усиливаемый предварительным усилителем, расположенным вместе с приемной рамкой в гондоле, поступает па один из входов сумматора, а па остальные три его входа подаются сигналы с выходов трех цепей электрической компенсации помех. Выходное напряжение сумматора, свободное от влияния указанных видов помех, преобразуется в цифровой код широкодиапазонным АЦП с автоматически переключаемыми пределами измерений. Работой всего устройства, в том числе и генераторного блока (на рис. 74 не показан) управляет блок управления и регистрации, в состав которого входит микро-ЭВМ и цифровой магнитофон. Код АЦП, а также информация, поступаемая от радиовысотомера и аппаратуры аэрофотопривязки, записываются па магнитную ленту.
Принцип формирования сигналов компенсации помех поясняется эпюрами формы импульсов тока / в системе генераторных рамок и напряжения U на выходе приемной рамки (рис. 75).
Ток в горизонтальной генераторной рамке имеет форму разнополярных полусиносоидальных импульсов с амплитудой /(. Паузы между импульсами равны их длительности. Ток во вспомогательной вертикальной рамке имеет форму таких же импульсов, следующих в конце паузы между импульсами тока в горизонтальной рамке, однако амплитуда этих импульсов /? в 10 раз меньше амплитуды /|, а длительность в 4 раза меньше длительности импульсов в горизонтальной рамке.
Под действием токовых импульсов, пропускаемых через горизонтальную п вертикальную рамки, на выходе приемной рамки возникает сигнал первичного поля, амплитуда которого
Рис. 75. Диаграмма, поясняющая принцип формирования сигналов компенсации помех в аппаратуре АМППРис. 75. Диаграмма, поясняющая принцип формирования сигналов компенсации помех в аппаратуре АМПП
Рис. 75. Диаграмма, поясняющая принцип формирования сигналов компенсации помех в аппаратуре АМПП
Рис. 75. Диаграмма, поясняющая принцип формирования сигналов компенсации помех в аппаратуре АМПП
(7(6) во время пропускания тока достигает 0,3—0,4 В (при раз* посс 35 м). После выключения тока крутая левая ветвь спадающего сигнала связана с собственным переходным процессом в приемной рамке, настроенной на близкий к критическому слабоколебательный режим. Пологая правая ветвь, начиная с момента времени 6 = 0,4—0,5 мс, обусловлена вихревыми токами в корпусе вертолета, причем уровень этого сигнала в диапазоне времен 0,4—4 мс после выключения тока в горизонтальной рамке изменяется от 10 до 3 мВ.
Вначале по команде из блока управления и регистрации устанавливают выходные напряжения на ЦАП2, ЦАЛЗ и ЦАП5 равными нулю, с помощью АЦП измеряют амплитуду сигнала (7(6) и передают код этого сигнала на входы управления ЦАП1. В результате на выходе ЦАП1 получают постоянное выходное напряжение, равное (7(6), которое используется в качестве опорного напряжения ЦАП2. Далее в момент времени 6 сигнал с выхода ЦАП2 подают па вход сумматора и изменяют код управляющих сигналов, поступающих с выходов блока управления и регистрации па входы ЦАП2, до компенсации сигнала (7(6) напряжением с выхода ЦАП2.
Таким образом, производится компенсация той части сигнала (7(6), которая связана с текущими в горизонтальных плоскостях в корпусе вертолета вихревыми токами. Указанная компенсация проводится в процессе настройки аппаратуры при расположении центров вертолета и приемной рамки на одной вертикальной осп.
При движении вертолета в горизонтальном направлении гондола вместе с приемной рамкой оказываются позади него,
поэтому режим компенсации оказывается нарушенным из-за влияния магнитного поля вихревых токов, текущих в вертикальных плоскостях в корпусе вертолета. Для компенсации влияния этой составляющей вихревых токов в конце паузы между импульсами тока в горизонтальной рамке пропускают импульс тока меньшей амплитуды и длительности в вертикальную рамку и в момент времени t3 с помощью АЦП измеряют сигнал U(t3). Код сигнала U(t3) подают на управляющие входы ЦАП4, на выходе которого получают постоянное напряжение, равное U(t3). Это напряжение используется в качестве опорного напряжения для ЦАПЗ. Далее, не меняя амплитуды компенсирующего напряжения па выходе ЦАП2, в момент времени t\ компенсируют сигнал рассогласования, изменяя код управляющих сигналов ЦАПЗ, и таким образом исключают помехи, обусловленные вихревыми токами в вертикальных плоскостях вертолета.
Если в процессе полета предусмотрено зарегистрировать переходный процесс не на одном времени /2, а на нескольких временах задержки ti(t'i), то компенсация в указанном выше порядке проводится для каждого tu а коды компенсирующих сигналов, подаваемые на управляющие входы ЦАП2 и ЦАПЗ, записываются в ОЗУ блока управления и регистрации для последующего вывода их на входы указанных ЦАП в процессе регистрации полезных сигналов. По существу, ЦАП2 и ЦАПЗ используются в качестве масштабных делителей сигналов (7(6) и U(13), амплитуды которых запоминаются и хранятся соответственно на выходах ЦАП1 и ЦАП4.
Для того чтобы компенсация не нарушалась также из-за изменений электрического сопротивления контактов между различными частями корпуса я агрегатами вертолета, используется сигнал с компенсационной рамки, пространственно совмещенной ■с горизонтальной генераторной рамкой. Этот сигнал при наличии импульса тока в горизонтальной рамке пропорционален току и «следит» за его изменениями. В паузе между импулнеами он пропорционален интенсивности вихревых токов в корпусе вертолета, «следит» за их изменениями и не зависит от наличия проводящих объектов в земле, так как площадь компенсационной рамки почти в 40 раз меньше площади приемной (и во столько же раз сигнал от проводящих объектов в земле на выходе компенсационной рамки меньше, чем на выходе приемной). При начальной настройке, когда проводится компенсация сигналов напряжениями с выходов ЦАП2 и ЦАПЗ, на выходе дифференциального преобразователя, соединенного с опорным входом ЦАП5, устанавливается нулевое напряжение.
Дифференциальный преобразователь включает в себя блок запоминания напряжения на выходе компенсационной рамки в момент времени (] (например, первый дополнительный ЦАП), подключенный к первому выходу дополнительного сумматора, и регулируемый делитель сигналов на выходе компенсационной рамки в моменты времени /2, t\ (например, второй дополнитель-
ный ЦАП). Начальная настройка дифференциального преобразователя заключается в компенсации сигналов на выходе компенсационной рамки в моменты времени /2, ti (в паузе между импульсами тока) сигналом, действовавшим в момент Л (данная операция полностью повторяет описанную выше по компенсации сигналов на выходе приемной рамки, обусловленных вихревыми токами в горизонтальных плоскостях корпуса вертолета).
Окончательная настройка третьей компенсационной цепи проводится при измерениях в нормальном поле (например, при полете вертолета на большой высоте вад землей). В этом случае из-за нарушения контактов между различными частями корпуса вертолета изменяется интенсивность вихревых токов в его корпусе и поэтому в моменты времени /2, ti появляются сигналы раскомпенсацни на выходах сумматора, соединенного с приемной рамкой и дифференциального преобразователя, соединенного с компенсационной рамкой. Компенсация помехи во третьей цепи заключается в подаче па четвертый вход сумматора выходного напряжения ЦАП5 и подборе этого выходного напряжения в каждый из моментов времени регистрации U, ti таким, чтобы на выходе сумматора был получен нулевой сигнал. Коды управляющих сигналов, подаваемых па входы ЦАП5 для компенсации помех в каждый из моментов времени задержки (?, ti, записываются в ОЗУ и хранятся в блоке управления.
Во время полета при проведении съемки, когда пропускается каждый импульс тока, измеряются напряжения 1/Ц1), U(f;^, t7(/'i), ^(^з) коды этих сигналов подаются на входы ЦАП] и ЦАП4. Коды управляющих сигналов, поступающих синхронно на входы ЦАП2, ЦАПЗ и ЦАП5, для каждого времени регистрации ^2, ti, f^ 1\ выводятся из ОЗУ блока управления и соответствуют кодам, записанным в ОЗУ в режиме настройки компенсационных цепей. Благодаря этому в моменты времени <?, ti сигналы электрических помех почти полностью компенсируются., что позволяет значительно повысить точность измерений.
ГЛАВА V.
АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ДИАПАЗОНЕ
ИНФРАЗВУКОВЫХ И ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ НИЗКОЧАСТОТНОГО ПЕРЕМЕННОГО ПОЛЯ И УСЛОВИЯ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ
Составляющие переменного электромагнитного поля различных источников связаны с электромагнитными свойствами горных пород через волновой параметр кг, который в обшем случае представляет собой комплексную величину:
кг = £еЛ
расстояние; |й|,волнового числарасстояние; |й|,волнового числаЗдесь г — расстояние между точкой наблюдения и питающим
расстояние; |й|,волнового числа
расстояние; |й|,волнового числа
диполем; £= |&|г— приведенное (численное) — + 4 j—соответственно модуль и аргумент
■среды; /=}'—!;
к — л/jaa^ + ерю2,
где о, s и р — соответственно удельная электрическая проводимость, диэлектрическая и магнитная проницаемости среды; о> — круговая частота.
Квадрат волнового числа — это комплексная величина, мнимая часть которой зависит от плотности тока проводимости, а вещественная — от плотности тока смещения. Для одних и тех же значений о и е отношение плотностей тока проводимости и смещения зависит от частоты используемого электромагнитного ноля. В соответствии с этим электромагнитные поля условно разделяют на низкочастотные и высокочастотные. К низкочастотным относятся поля, в которых токи смещения малы и ими можно пренебречь, а к2 считать чисто мнимой величиной. Если токи смещения значительны по величине, к2 должно быть ком- плексной величиной; в данном случае электромагнитные поля считаются высокочастотными. Однако это справедливо, если в горных породах при протекании в них тока не происходят электрохимические процессы вызванной поляризации.
Если среда поляризуется, то выражение для ее проводимости может быть записано в виде:
о-=ст0 + КеДо + ] Im До,
где о» — проводимость, измеренная на постоянном токе; КеДо и 1тДо — соответственно активная и реактивная составляю-
щис проводимости, обусловленные процессами поляризации среды.
Волновое число поляризующихся сред представляет собой комплексную величину:
|fea| = <o|a|p;
Ф = arcsin (Im Да/| а [).
Таким образом, на сравнительно низких частотах комплексность 62 может быть обусловлена не токами смещения, а электрохимически и и процесса ми.
В общем случае составляющие переменного низкочастотного электромагнитного поля, принимаемого из земли, зависят от проводимости, поляризуемости и магнитной проницаемости изучаемого разреза. В соответствии с этим параметры низкочастотных переменных электромагнитных полей могут быть использованы для определения указанных характеристик разрезов. В зависимости от величины приведенного расстояния Ё в поле любого источника выделяют три зоны: ближнюю (или индукционную), дальнюю (или волновую) и промежуточную. В ближней зоне |A|r<cL что эквивалентно условию г<^Х в дальней l&jr»! или гЗ>А, а в промежуточной (/гjг имеет значение, близкое к единице (здесь X —длина волны). Приведенное расстояние § для низкочастотного электромагнитного поля определяют по формуле
^ 2,81г У^-,
где f—частота поля, Гц; р — удельное сопротивление среды, Ом • м.
При использовании переменных токов величина кажущегося удельного сопротивления (>K=K^V)1 (где К — коэффициент установки: Д17 и / — измеряемые напряжение и ток) оказывается не постоянной даже для однородного полупространства и зависит от частоты тока. Поэтому в методах, основанных на использовании переменных электромагнитных полей, вводится понятие эффективного параметра поля р. Под этим параметром понимается некоторая приведенная функция поля, которая для однородного и изотропного полупространства, независимо от типа и размеров установки, по размерности и величине равна удельному сопротивлению среды. Поскольку расстояние между источником и приемником и частота, на которой проводятся измерения, всегда известны, то по значению £ эффективное (удельное) сопротивление р вычисляется с помощью следующего равенства:
Р-7,89(г/^.
Численное расстояние 5 может быть определено по любой характеристике электромагнитного поля при условии однозначной зависимости ее от |,
В волновой зоне напряженность электрического поля вертикального магнитного диполя однозначно связана с удельным сопротивлением среды:
Еф = — ЗМр/2лг4,
где М — момент магнитного диполя.
Аналогичные выражения получены и для других компонент электромагнитного поля различных источников в волновой зоне, что позволяет использовать ее для простого определения удельного сопротивления однородного полупространства.
Если полупространство неоднородно, зависимости имеют более сложным характер. Это связано с тем, что глубина проникновения электромагнитного поля в землю зависит от частоты (длины волны): в волновой зоне гармоническое поле затухает с глубиной г по экспоненциальному закону ехр(—2лг/Х). На глубинах, превышающих 0,5 ?«, плотность тока составляет доли процента от соответствующего значения на поверхности. Изменяя частоту колебаний можно управлять длиной волны и, следовательно, глубиной проникновения тока, т. е. осуществлять частотное зондирование. Таким образом, в основу частотных зондирований, как и зондирований становлением поля, положен принцип скин-эффекта: при постоянном довольно большом разносе кажущееся удельное сопротивление изменяется в зависимости от длины волны.
Если, например, глубина проникновения меньше мощности верхнего пласта двухслойного разреза, то компоненты электромагнитного поля практически совпадут со значениями, соответствующими однородному полупространству с удельным сопротивлением рь Если же глубина проникновения много больше мощности верхнего пласта и электромагнитное поле поглощается преимущественно в пределах второго слоя, то компоненты будут соответствовать однородному полупространству с удельным сопротивлением подстилающего слоя ра.
При изучении электромагнитных полей, создаваемых локальными хорошо или плохо проводящими объектами, важную роль играет способ возбуждения первичного поля. Существует три основных способа возбуждения в индуктивном способе источниками поля служат иезаземлениые контуры (петля, магнитный диполь) или кабель с заземлениями, расположенными достаточно далеко от точек измерений. Поле изучается на расстояниях от источника, во много раз меньших, чем длина волны во вмещающей среде.
Переменный ток в петле создает в окружающем пространстве. переменное магнитное поле, изменение которого вызывает появление вихревого электрического поля. Под действием его 18(5
в рудных телах и вмещающих породах возникают вихревые токи. Силовые линии первичного электрического поля пересекают поверхности рудных тел и на них возникают электрические заряды. Электрическое поле поверхностных зарядов вызывает появление токов внутри рудных тел и ослабляет первичное электрическое поле.
Таким образом, источниками вторичного поля являются как вихревые токи внутри и вне рудного тела, так и электрические заряды, возникающие на поверхности раздела сред с различной проводимостью. В соответствии с этим наблюдаемое электромагнитное поле можно представить в виде суммы следующих полей: а) первичного поля источника, расположенного на земной поверхности, б) вихревых токов во вмещающих породах, в) вихревых токов в рудном теле, г) переменных электрических зарядов, индуцированных на поверхности тела.
Часть поля, связанную с вихревыми токами, обычно называют вихревой, а с электрическими зарядами — потенциальной. Зависимость вихревой части магнитного поля от его частоты определяется параметрами рудных тел. Это позволяет решать обратную задачу — по наблюденной частотной характеристике находить параметры рудных тел, т. е. использовать переменные электромагнитные поля для решения классификационных задач.
При индуктивном возбуждении понижение частоты вызывает возрастание доли потенциальной части электрического поля по сравнению с вихревой, а отношение магнитного поля вихревых токов к магнитному полю, связанному с электрическими зарядами, стремится к постоянной величине, не зависящей от частоты, а определяемой лишь геометрическими факторами и соотношением проводимостей рудного тела и вмещающей среды. В связи с этим для решения классификационных задач лучше всего пользоваться замкнутой петлей при измерениях в пределах ее центральной части, где первичное электрическое поле сильно ослаблено и существует наименьшая возможность для появления потенциальной части поля.
Относительная амплитуда аномального вторичного поля, обусловленная вихревыми токами в рудных телах, зависит от произведения ^а2, где a — некоторый геометрический параметр рудного тела (для сферы а — ес радиус). С увеличением ^а2 амплитуда и активная составляющая аномального поля растет от нуля до предельного значения, равного единице. Реактивная составляющая в данном случае увеличивается с ростом §а2 а достигает максимума при Е,«2^10, а затем убывает до пуля. Аналогичен и характер изменения фазы суммарного поля. Фаза аномального поля близка к 90° при малых значениях параметра §«2 и по мере увеличения его стремится к нулю.
В том случае, когда рудное тело магнитно, помимо аномалии, связанной с вихревыми токами в нем, появляется аномалия, обусловленная индукционным, намагничиванием тела во
внешнем переменном магнитном поле. Наиболее сильно это влияние сказывается на активном компоненте магнитного поля при малых параметрах £а2 (на низких частотах), когда величина этой компоненты совпадает с напряженностью поля непроводящего магнитного тела с тем же значением магнитной проницаемости.
Вторым способом возбуждения низкочастотного переменного электромагнитного поля является гальванический. В данном случае источником поля служит электрический диполь. Этот способ благоприятен для изучения вызванной поляризации и наименее пригоден для решения классификационных задач индуктивной электроразведки. Отношение первичных электрического и магнитного полей не зависит от их частот и прями пропорционально удельному сопротивлению вмещающих пород. Потенциальная часть электрической и магнитной компонент поля во много раз больше вихревой части, независимо от проводимости тела. Сведения о проводимости, получаемые от измерения параметров поля при его гальваническом возбуждении, по-сущсству такие же, как и в методах постоянного тока.
Рассмотрим частотные характеристики действительной (активной) ReE,. и мнимой (реактивной) ImEr составляющих радиальной компоненты электрического поля заземленного диполя над неполяризующимся и поляризующимся лолупрост- ранствамп, нормированные па напряженность Ет° радиальной компоненты электромагнитного поля того же диполя, питаемого постоянным током. Зависимости от частоты активной составляющей для неполяризующейся (рис. 76, кривая /) и поляризующейся (кривая 2) сред различны. Еще большая разница наблюдается для реактивной составляющей. Если среда не поляризуется (кривая 3), то реактивная компонента в области малых параметров поля зависит прямо пропорционально от частоты. Если же среда поляризуется (кривая 4), то частотная зависимость реактивной компоненты становится более сложной. Как видно из этих графиков, влияние поляризуемости среды особенно сильно в области малых параметров поля.
Третий способ возбуждения низкочастотного электромагнитного поля отличается от первых двух тем, что источники возбуждения находятся на большом расстоянии от точек наблюдения, и в данном случае первичное поле можно рассматривать как плоскую или квазиплоскую волну. При возбуждении электромагнитного поля плоской волной потенциальная часть электрического поля имеет преобладающее значение, особенно для плохо проводящих тел. Измерение напряженности электрического поля не позволяет классифицировать аномалии от локальных объектов по проводимости.
Для полной характеристики магнитного поля в точке измерений следует определять шесть независимых функций, которые можно выбирать по-разному. В простейшем случае ими могут
Рис. 76. Частотные характеристики действительной (1, 2) и мнимой (3, 4) составляющих радиальной компоненты электрического поля заземленного диполя над иеполярнзуюшимся (/, 3) и поляризующимся (2, 4) полупространствами
быть ортогональные компоненты магнитного поля Нх, Ну, Нт и их фазовые сдвиги <рх, фу, ф^, отсчитываемые от опорного сигнала. Однако при полевых измерениях ограничиваются, как правило, изучением лишь некоторых из этих функций. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, основная информация, которая используется при интерпретации результатов измерений, часто содержится в части элементов, определяющих поле, и при его полном изучении дополнительная информация несущественна. Во-вторых, наблюдение всех элементов связало со значительными методическими и техническими затруднениями. В связи с этим на практике проводят абсолютные или относительные измерения одного, двух или, в крайнем случае, трех элементов поля.
Обычно измеряют абсолютные значения амплитуды и фазы напряженности низкочастотного переменного электромагнитного поля или ее активную и реактивную составляющие. За нулевую обычно принимают фазу тока в источнике. Результат относительных измерений может быть представлен в виде отношения амплитуд или разностей фаз напряженности поля в двух точках (или разных компонент в одной точке).
ОБОБЩЕННЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
При абсолютных измерениях определяют полные значения амплитуды, амплитуды и фазы, только фазы или активной и реактивной составляющих различных компонент электромагнитного поля в точке наблюдений.
Обобщенная структурная схема амплитудно-фазового измерителя, предназначенного для выполнения абсолютных измерений. состоит из компенсатора поляризации, источника опорного сигнала, преобразователя сигналов и регистратора (рис. 77). Компенсатор поляризации в этом устройстве используется в тех случаях, когда измерения проводятся на очень низких частотах (0,01—0,1 Гц) и на входе нецелесообразно устанавливать разделительный конденсатор пз-за большой постоянной времени установления сигнала. В этом случае преобразователь сигналов выполняют в виде двух синхронных детекторов с фильтрами нижних частот на выходе, которые управляются двумя опорными сигналами, сдвинутыми относительно друг друга на 90° и вырабатываемыми источником опорного сигнала. При измерениях на более высоких частотах компенсатор поляризации из схемы устройства исключается и заменяется разделительным конденсатором.
В качестве преобразователя сигналов могут применяться, помимо синхронных детекторов, избирательные усилители с обычными детекторами на выходе или с формирователем импульсов и временных интервалов, мосты переменного тока с ручным или автоматическим уравновешиванием и т. д.
С помощью регистратора записываются результаты измерения либо в аналоговой, либо в цифровой форме. В качестве регистратора можно использовать стрелочный индикатор, аналого- цифровой преобразователь с цифровым табло или цифропечатающим устройством на выходе и т. п.
Если из схемы (см. рис. 77) исключить источник опорного сигнала, то, включив в преобразователь детектор (линейный или квадратичный), устройство позволит измерять только амплитуду (интенсивность) входного сигнала.
Интенсивность синусоидального напряжения 1/с(0 = = Уо51п(уо<+ф) сигнала с частотой уо и начальным фазовым сдвигом фо может определяться несколькими величинами: амплитудой UQ (наибольшим значением напряжения сигнала за
Рис. 77. Обобщенная структурная схема амплитудно-фазового измерителя
период Г), средневыпрямленным напряжением
l/cp = 4-Jl^(OI^=O,637t/o.' о
и эффективным напряжением
U^ = Y -^UUM -0,707(/о.
Абсолютные значения любого из этих параметров измеряют по единой методике с помощью специальных -устройств (рис. 78,а). Подлежащий измерению синусоидальный сигнал Ucit) проходит через аттенюатор и усилитель и доводится до уровня в несколько вольт, затем выпрямляется и интегрируется. Полученное постоянное напряжение измеряется стандартным измерителем постоянного напряжения. Применяемые измерители различаются лишь видом используемого выпрямителя, который может быть амплитудным, линейным или квадратичным. Наличие в схеме устройства усилителя (широкополосного или избирательного в зависимости от уровней сигнала и внешних электромагнитных помех) и выпрямителя (элементов с потенциально нестабильными параметрами) приводит к тому, что абсолютные измерения этим устройством выполняются с погрешностью не менее ±0,5—1 %.
Располагая источником опорного сигнала, когерентного измеряемому напряжению (т. е. жестко связанного с ним по фазе и строго кратному по частоте), с помощью амплитудно-фазового измерителя (см. рис. 77) можно определить абсолютное значение фазового сдвига сигнала методом непосредственного измерения.
Фаза фо синусоидального напряжения
^с V) "^ ^о sin (iM + ф0) = Uo sin (1>0 V -г (фо/wo)] = Wo sin «о (<1Ь М (где /0 = фо/<1)о — время запаздывания; оо— круговая частота) отображает его временное смещение относительно некоторого заданного (например, нулевого) момента времени. Поэтому измерить фазу (или фазовый сдвиг) синусоидального напряжения— это значит измерить абсолютный или относительный интервал времени между моментом, принятым за пулевой, и моментом перехода этого напряжения через нулевое (или максимальное) значение. Для удобства анализа фазу обычно измеряют о относительных единицах (радианах, градусах), выражаемых в долях периода Т синусоидального напряжения,
фо = 2л (^ц/Т) = СОд/о.
Понятие фаза (фазовый сдвиг, разность фаз) распространяется на когерентные (получаемые от одного и того же генератора) колебания одной и той же частоты. Колебания с разными частотами (различающимися в п раз) только в случае их стро-
Рис. 78. Структурные схемы устройства для амплитудных измепспий синусоидальных сигналов (а) и векторомерного фазометра перемножающего типа (6)Рис. 78. Структурные схемы устройства для амплитудных измепспий синусоидальных сигналов (а) и векторомерного фазометра перемножающего типа (6)
Рис. 78. Структурные схемы устройства для амплитудных измепспий синусоидальных сигналов (а) и векторомерного фазометра перемножающего типа (6)
Рис. 78. Структурные схемы устройства для амплитудных измепспий синусоидальных сигналов (а) и векторомерного фазометра перемножающего типа (6)
гой кратности и квазикогерептности (если они получены в результате деления или умножения частоты колебаний одного и того же генератора) характеризуются временем запаздывания (абсолютным временным сдвигом)—интервалом времени, выраженным в секундах, между моментами перехода через нулевое значение опорных и измеряемых сигналов /0 = Фо/юо или /пО^фисМ^О-
Для непериодических и периодических сигналов со сложными спектрами, рассматриваемых в целом без разделения на гармоники, понятие фаза неприменимо; в этих случаях измеряют лишь временные интервалы, например групповое время запаздывания или время, за которое сигнал достигает некоторого заданного уровня.
В электроразведке чаще измеряют фазовые параметры, поскольку с их помощью в ряде случаев легче получить информацию об особенностях геоэлектрического разреза по сравне- имю с амплитудными измерениями. Если модель геоэлектряче- ского разреза линейна, то амплитудные и фазовые измерения полностью адекватны, поэтому достаточно зарегистрировать лишь один параметр. Однако при изучении нелинейных свойств геоэлектрического разреза (например, нелинейной вызванной поляризации горных пород и руд) амплитудные и фазовые измерения дают различную информацию об электрофизических свойствах опорных пород, поэтому следует проводить их одпо- премевпо.
В электроразведке из множества известных в радиоэлектронике способов непосредственного измерения фазовых сдвигов наиболее часто применяют два: векторомерный и время — импульсный.
Векторомерный фазометр работает следующим образом (см. рис. 78,6). На вход перемножителя (в качестве которого обычно используется стандартный синхронный или фазовый детектор) подаются напряжение сигнала Нс (0 и опорное напряжение Уоп(0 с заранее известными амплитудами. В результате пере- 192
множения имеем два напряжения: постоянное (Упои и переменное Упер:
U (0 = Ус(?) иои (t) ^ Уо sin (too^ -|- у») Уоп sin соо/ =
= 6обоп cos ^ JA^on. cos ^у^ _|_ ф0) = (/^ + ^пер-
Постоянное напряжение пропорционально искомому фазовому углу сигнала q\o и, если амплитуды сигнала Ус=1 В, а опорного напряжения Уоп—2 В, фазовый угол легко определить по формуле
ф0 - arccos (д~" ) - arccos (/„ост.
Переменное напряжение второй гармоники 2ш» (а также напряжения помех и шумов) отфильтровывается с помощью интегратора. Постоянное напряжение измеряется стандартным измерителем постоянного напряжения, например вольтметром, шкала которого может быть проградуирована непосредственно п угловых единицах: градусах или радианах. Погрешность измерений фазового угла фо зависит от точности подбора амплитуд напряжений Uo и U№ и погрешности измерений результирующего постоянного напряжения (она может быть не более ±1,0°).
Векторомерные фазометры обычно применяют при проведении исследований на частотах выше нескольких герц. При выполнении исследований па более низких частотах возникают трудности, связанные с разделением постоянного и переменного напряжений, приводящие к необходимости использовать интеграторы с большой постоянной времени (десятки — сотни секунд) .
193193Электроразведочный амплитудно-фазовый измеритель с время- импульсным фазометром (рис. 79,а) преобразует фазовый сдвпг между первой гармоникой Ux сигнала, выделяемой избирательным усилителем, и импульсами опорного напряжения Уоп, совпадающими с моментами перехода через нуль первой гармоники Л тока 1 ди прямоугольной формы (см. рис. 79.6), используемого для возбуждения в земле электромагнитного поля. Прямоугольные импульсы напряжения U2 на выходе формирователя импульсов, фронты которых совпадают с моментами перехода через поль первой гармоники (Л измеряемого сигнала, а также импульсы опорного напряжения UOn на выходе источника опорного сигнала управляют работой формирователя временных интервалов. Формирователь включается импульсами Uau, а выключается передними фронтами импульсов U2. Поэтому на выходе формирователя временных интервалов получают импульсы напряжения (У3, длительность которых пропор- шюналыга измеряемому фазовому сдвигу.
193
193
7 Зи кэз № 128”
Градуировку измерителей по амплитуде во время полевых работ проводят обычно 2—3 раза в день следующим образом. На входные клеммы Ai, N измерителя подают градуировочный сигнал и подстроечным резистором устанавливают указанный в паспорте аппаратуры отсчет на вольтметре.
Градуировку по фазе выполняют чаще, иногда после каждого рабочего замера. Если во время рабочего замера при подаче на входные клеммы М, N измеряемого сигнала отсчет равен сумме фазовых сдвигов ф1 = фо + фа принимаемого из земли сигнала фо и аппаратурного фазового сдвига фа, то при градуировочном замере, когда па входные, клеммы Al, N подается градуировочный сигнал, измеряют только аппаратурный фазовый сдвиг ф2~<ра. Фазу измеряемого сигнала вычисляют как разность между рабочим и градуировочным замерами (ро = ф1—фг- 'Полевые элсктроразведочные время-импульсныс фазометры инфразвукового диапазона частот с электронно-счетными измерителями временных интервалов, имеющими цифровую индикацию, имеют основную погрешность измерений, равную 0,01— 0,05°.
Амплитудно-фазовые измерители (см. рис. 79, а) могут применяться не только для регистрации на одной частоте, но и для исследования амплитудно- и фазово-частотных характеристик геоэлсктричсского разреза в широком диапазоне частот. В этих случаях избирательный усилитель снабжается набором фильтров, настроенных на дискретные заданные частоты, отличающиеся друг от друга в 1,5—2 раза. Наличие большого числа фильтров приводит к громоздкости конструкции избирательного усилителя, что ограничивает область применения подобных устройств.
Если можно получить полезный сигнал, значительно превышающий уровень помех, то вместо избирательного (см. рис. 79, а) устанавливают широкополосный усилитель, полосу которого изменяют всего в 2--3 раза при изменении частоты в 100—1000 раз и более путем переключения фильтров нижних и верхних частот. Однако широкополосный измерительный канал даже при наличии интегратора-накопителя с постоянной времени 3—5 с имеет погрешность измерений при слабых внешних электромагнитных помехах не менее ±5 %. В связи с этим при высоком уровне помех или слабых полезных сигналах применяют аппаратуру с узкополосным измерительным каналом (рис. 81), в котором используются синхронные детекторы.
Напряжение сигнала Щ^, поступающего на входные клеммы М, N, усиливается широкополосным усилителем и подастся на два идентичных синхронных детектора / и 2, где умножается па опорные напряжения:
б^ом ([) ~ бАп sin (о/
и Vong (0 = tA>nCO$ tot, 198
Рис 81. Амплитудно-фазовый измеритель с синхронным детектором
вырабатываемые источником опорного сигнала и сдвинутые относительно друг друга на 90°. Пусть напряжение на выходе широкополосного усилителя равно
[/у (?) = Uу sin (tot + qp).
Тогда на выходе синхронного детектора 1 напряжение
У»ых1 (0 = Vy sin (tot 4 ф) Uon sin tot = UyUont2 [cos ф —cos x
X (2u)/ 4 ф)]= Unoen tjnepi, где (/пост । и (/Пер i — постоянное и переменное напряжения на выходе детектора /.
Па выходе синхронного детектора 2 получим:
(/выхг (0 = (/у sin (со/ 4 ф) Uon cos 6)/ —■ UyUonl2 [sin ф 4 sin х
X (2<4 4 ф)1" ^поста + ^пера»
«ле L'noCT 2 и ипеу 2 — постоянное и переменное напряжения на выходе детектора 2.
Проинтегрировав напряжения Uuux2 и (/Пер2 интеграторами / и 2, освободимся от всех переменных составляющих и получим па их выходах постоянные напряжения, амплитуды которых [при постоянной амплитуде опорного сигнала) пропорциональны активной и реактивной составляющим измеряемого сигнала:
U1ЮКП1 ~ ((/у(/оп/2) сокф —(/оп Re |(/у (01;
U ПОСТУ —■ (t/y(/on/2) sin <р Uo„ Im [(/у (0J.
Эти напряжения подаются на регистратор и при изменении частоты возбуждающего поля па ленте записывается частотная характеристика активной и реактивной составляющих измеряемых сигналов.
Если при решении поставленной задачи достаточно регистрировать только амплитудно-частотную характеристику исследуемого геоэлсктрического разреза, синхронные детекторы не применяют, а амплитуды постоянных напряжений возводят в квадрат квадраторами / и 2 с последующим суммированием на сумматоре:
U4 -. 1/®о=т1 -Г (/пост? - UWoni^.
Основная погрешность измерения амплитуд сигналов таким измерителем обычно не превышает ±10%. Введение в измеритель синхронных детекторов позволяет в 20—30 раз увеличивать помехозащищенность по сравнению с широкополосным измерителем, имеющим идентичные интеграторы-накопители, хотя и вызывает увеличение погрешности измерений в 2—3 раза из-за неточного сдвига фазы опорного сигнала на 90°, нестабильности амплитуды опорного напряжения, различия коэффициентов передачи синхронных детекторов и интеграторов.
В ряде случаев частотные характеристики в инфразвуковом диапазоне частот устанавливают путем возбуждения электромагнитного поля прямоугольными периодическими импульсами с известными амплитудными и фазовыми спектрами, приема заданных компонент поля в точке наблюдения и записи их в цифровой форме на магнитофон. Затем магнитограммы обрабатываются на ЭВМ: проводится разложение записанного сигнала в ряд Фурье и вычисление амплитудного и фазового спектров. Однако погрешность измерений даже первых 11 гармоник достаточно высока, обычно не менее ±5%, но большая помехозащищенность измерений может быть обеспечена применением узкополосной цифровой фильтрации, осуществляемой ЭВМ.
Достоинствами измерителей с непосредственным отсчетом полезного сигнала являются их быстродействие и высокая степень автоматизации процесса измерений, а недостатком — необходимость поддержания постоянным комплексного коэффициента передачи устройства или систематического выполнения градуировки по амплитуде и фазе.
В компенсационных измерителях регистрируемый сигнал суммируется с эталонным (опорным), параметры которого изменяют до получения нулевого результирующего сигнала.
В схеме устройства для измерения амплитуды и фазы компенсационным способом в приемную линию MN, последовательно со входом избирательного усилителя включен источник опорного сигнала с регулятором амплитуды (аттенюатором) и фазы (фазовращателем). К выходу избирательного усилителя подключен выпрямитель и вольтметр (рис. 82). Изменяя амплитуду и фазу опорного сигнала проградуированными аттенюато-
Рис. 82. Структурная схема компенсационного амплитудио-фазо кого измерителя
ром и фазовращателем, добиваются полной компенсации измеряемого сигнала, поступающего па входные клеммы М, N. При этом суммарный сигнал рабочей частоты должен стать равным нулю на входе избирательного усилителя, настроенного на рабочую частоту, что фиксируется по равенству нулю постоянного напряжений на выходе выпрямителя с помощью вольтметра. Отсчеты амплитуды и фазы измеряемого сигнала берут по показаниям аттенюатора и фазовращателя.
Достоинство устройства, реализующего такой метод измерений, заключается в том, что на результаты замеров не оказывают влияния параметры избирательного усилителя, выпрямителя и вольтметра, т. о. величина и нестабильность коэффициента передачи этих блоков, нелинейность амплитудной характеристики вольтметра и т. д. Кроме того, в момент компенсации во входной цени и через приемные электроды М и N проходит очень незначительный ток. Поэтому уменьшаются погрешности, обусловленные поляризацией приемных электродов под действием проходящего через них переменного тока и переходным сопротивлением этих электродов, что особенно важно при измерениях в условиях плохих заземлений.
Для повышения чувствительности устройства выпрямитель может быть синхронным (за счет подключения его к источнику опорного сигнала), что значительно увеличивает помехоустойчивость измерений.
К недостаткам данного устройства относятся повышенные требования к стабильности параметров аттенюатора м фазовращателя, необходимость исключения влияния этих блоков друг на друга, а также низкая производительность измерений, обус- ловлениая малой быстротой уровиовешивания по двум параметрам (амплитуде и фазе) при наличии только одного нуль-индикатор а.
Устройство для измерения активной и реактивной составляющих сигнала компенсационным способом (рис. 83) содержит источник опорного сигнала, имеющий три выхода, с которых снимаются сигналы (£7 sinы/), находящиеся в фазе с током в питающей линии, t/cosi»/— сдвинутые па 90° относительно фазы тока, а также постоянное напряжение Uo. К выходам источника опорного сигнала подключены три регулятора сигналов, выполненных на резисторах RI, R3, R5. Приемная линия ММ через два повторителя напряжения Al, А2 и резисторы R7, R8 соединена с двумя входами дифференциального усилителя АЗ, к инверсному входу которого через масштабные резисторы R2, R4, R6 подключены также выходы регуляторов сигналов. В цепь отрицательной обратной связи усилителя АЗ включен резистор R9, обеспечивающий стабильность его работы.
С помощью дифференциального усилителя АЗ осуществляется суммирование измеряемого и компенсирующих сигналов, поступающих с выхода источника опорного сигнала. Компенсация происходит путем изменения выходных напряжений регуля-
щих измеряемого сигнала берутся по показаниям регуляторов соответственно RI, R5 и R3.
В данном устройстве, отсутствуют избирательные усилители и помехозащищенность его обеспечивается только наличием синхронных детекторов 1, 2 и фильтров нижних частот на выходе (конденсаторы С/—СЗ, резисторы R14—R16). Синхронные детекторы /, 2 управляются сдвинутыми на 90° двухполярными опорными сигналами и выполнены в виде четырех ключей — по два ключа в каждом детекторе, причем выходы ключей в каждом детекторе соединены между собой и подключены к входам повторителей АЗ и А7. На входы ключей подаются два сдвинутых на 180° сигнала: с выхода усилителя А4 и инвертора А5 (резисторы R12 и R13 имеют одинаковое сопротивление, поэтому коэффициент передачи инвертора А5 равен 1). Благодаря этому синхронные детекторы 1 и 2 осуществляют двухполупериодное выпрямление, подавая на выход то сигнал с усилителя А4, то с инвертора А5.
Достоинством данной схемы является наличие двух каналоь индикации для активной и реактивной составляющих, позволяющих проводить компенсацию независимо по двум координатам. Кроме того, канал компенсации постоянной составляющей позволяет исключать разделительные конденсаторы и тем самым уменьшать переходные процессы, возникающие при компенсации сигналов, К недостаткам схемы относятся наличие фазовращателя на 90° в источнике опорного сигнала, стабильность работы которого трудно обеспечить в широком диапазоне инфранизких частот, а также низкая производительность измерений и большая трудоемкость, связанные с ручным уравновешиванием сигналов.
В квази компенсационных измерителях компенсируют только активную составляющую сигнала, а реактивную измеряют амплитудным вольтметром. Благодаря этому из схемы измерителя можно исключить фазовращатель, и сам процесс компенсации несколько ускорится (см. рис. 83).
Критерием компенсации активной составляющей сигнала является установление минимальных значений амплитуды суммарного сигнала. Измеряемый сигнал можно представить в виде вектора М\ амплитуда которого равна AU, а сдвиг фазы относительно направления вектора тока ср (рис. 84, а). Вектор AU разлагается на две составляющие: активную ReAt/ и реактивную 1тДН. Если сигнал AU просуммировать с компенсирующим сигналом АМь находящимся в противофазе с током / в питающей линии АВ, то путем изменения амплитуды компенсирующего сигнала можно добиться равенства: AU^=—ReAU. При этом амплитуда результирующего сигнала раина реактивной составляющей измеряемого сигнала. Недокомпенсания или переком- пепсация активной составляющей приводит к увеличению ам- плитуды суммарного сигнала.
Рис. 84. Функциональная схема квазикамиенсациопного амплитудно-фазового измерителя (б) и диаграмма, поясняющая принцип его работы (а)Рис. 84. Функциональная схема квазикамиенсациопного амплитудно-фазового измерителя (б) и диаграмма, поясняющая принцип его работы (а)
Рис. 84. Функциональная схема квазикамиенсациопного амплитудно-фазового измерителя (б) и диаграмма, поясняющая принцип его работы (а)
Рис. 84. Функциональная схема квазикамиенсациопного амплитудно-фазового измерителя (б) и диаграмма, поясняющая принцип его работы (а)
Измерительное устройство квазнкомпенсационного типа содержит источник опорного сигнала, выход которого через аттенюатор (регулятор амплитуды компенсирующего сигнала) включен последовательно между выходом приемной линии MN и входом избирательного усилителя, выпрямитель и вольтметр (см, рис, 84,6). Измерения проводят следующим образом. Регулируя аттенюатором амплитуду опорного компенсирующего сигнала, добиваются наименьших значений амплитуды суммарного сигнала па входе избирательного усилителя, что фиксируется по минимальным показаниям вольтметра. При этом по мерс компенсации активной составляющей увеличивают коэффициент передачи избирательного усилителя таким образом, чтобы в момент компенсации отсчет по вольтметру был достаточно большим, что позволяет с высокой точностью зафиксировать момент достижения суммарным сигналом минимальной амплитуды. Отсчет коэффициента передачи по аттенюатору соответствует величине активной составляющей, а отсчет по вольтметру с учетом коэффициента передачи избирательного усилителя — реактивной составляющей сигнала.
Для того чтобы исключить влияние изменений коэффициента передачи измерительного устройства, приводящих к погрешностям измерений реактивной составляющей, используют метод нормированных измерений, который заключается в следующем. Вначале выход источника опорного сигнала отключают от аттенюатора, подают на вход MN измеряемый сигнал и, регулируя коэффициент передачи избирательного усилителя, устанавливают фиксированный отсчет по вольтметру (например, 100 дел.). Затем подают компенсирующий сигнал от источника опорного сигнала и аттенюатором компенсируют активную составляющую сигнала, добиваясь минимальных показаний вольтметра, который в этом случае может быть проградуирован непосредственно в процентах от амплитуды измеряемого сигнала или градусах фазового угла:
« Im MJА sin Ф « Ф,
&.Uт т
где А — отсчет но вольтметру.
Абсолютное значение реактивной составляющей можно рассчитать по формуле
lmA(7 = 5tgcp, где В — отсчет активной составляющей по показаниям аттенюатора.
Таким образом, для определения активной и реактивной составляющих нормированным квазикомпепсационным способом не требуется точно звать величину коэффициента передачи измерительного устройства, а также поддерживать его постоянным в течение длительного времени. В данном случае достаточно, чтобы коэффициент передачи был постоянным только в течение цикла измерений от установки фиксированного отсчета амплитуды сигнала (нормирования коэффициента передачи) до отсчета реактивной составляющей но вольтметру.
При отно игольных измерениях определяют отношение амплитуд двух сигналов, разность их фаз, разность времен запаздывания сигналов двух частот в точке наблюдений и т. д. Относительные измерения используются в электроразведке чаще, чем абсолютные. Во-первых, очень часто знание только абсолютного значения амплитуды или фазы сигнала фиксированной частоты не позволяет определять тс или иные свойства геоэлектрического разреза. Например, по измеренным значениям амплитуды можно установить только удельное электрическое сопротивление пород, а поляризуемость нельзя. Во-вторых, технически иногда проще осуществлять относительные измерения, чем абсолютные, и при этом получать необходимую информацию об электрических свойствах пород. Например, параметр поляризуемости проще определить путем измерения разности времен запаздывания сигналов двух частот в точке наблюдений, так как при этом способе измерений не требуется передачи опорных или синхронизирующих сигналов от генераторного к измерительному устройству, что обеспечивает полную автономность работы измерителей".
При выполнении относительных измерений используют установленные закономерности изменения амплитудно- и фазово-частотных характеристик различных геоэлектрических разрезов. Известно, что при увеличении длительности импульсов тока, пропускаемых в землю, амплитуда сигнала А(/ на приемных электродах за счет поляризуемости пород увеличивается (рис. 85, в). Если электромагнитное поле в земле возбуждать импульсами переменного тока, период следования которых изменяется от Т, до Tt, то амплитуда принимаемого сигнала с увеличением периода будет расти. В сравнительно узком диапазоне частот (при изменении их в 10—50 раз) амплитудно-частотная характеристика ВП в логарифмическом масштабе частот 0=1/7) имеет вид прямой линии (см. рис. 85,6-). Следовательно,
А1/вп = Д^-А^1-/г(^/а-18М,
Рис. 85. Зависимость напряжения на помещенных в поляризующуюся среду приемных электродах от длительности импульса тока (а) или частоты (б) для токов двух частот (в) и сигналов этих же частот (г)
где & —некоторый коэффициент (называемый иногда коэффициентом частотной дисперсии), величина которого прямо пропорциональна поляризуемости пород.
Для определения к возбуждают электромагнитное поле в земле токами Л и Л двух частот (см. рис. 85, о); в точке измерений принимают сигналы AtA и МА (см. рис. 85, г) и по их отличию, зная абсолютные значения двух частот А и /2, по приведенной выше формуле вычисляют коэффициент 6, который тем больше, чем выше удельное сопротивление пород. Для исключения этой зависимости обычно измеряют частотно-поляризационный коэффициент
Лки=(Д^,-АС/1)/д(/1.
Как уже указывалось, разность амплитуд сигналов двух частот возрастает при увеличении отношения этих частот. Чтобы сравнивать результаты измерений, выполненных при разном отношении частот, вычисляют нормированный частотно-поляризационный коэффициент
Лк. ну — Лкш^б VfiHaY
Если амплитудно-частотная характеристика какого-либо объекта имеет вид, изображенный на рис. 85, б, то фазово-частотная характеристика в этом же диапазоне частот является плоской, т. е. величина фазовых углов q:Bn постоянна при изменении частоты (рис. 86, ц). При измерениях в широком днапа-
Рис. 86. Фазово-частотная характеристика ВП при изменении частоты в узком диапазоне (в 2—10 раз) (а), а также амплитудно-частотная (ДУ) и фазово частотная (фвп) характеристики ВП при изменении частоты в широком диапазоне (б)
зоне частот (от тысячных долей до тысяч герц и более) на фазово-частотной характеристике ВП обнаруживаются один или несколько экстремумов, а амплитудно-частотная характеристика At/ представляет собой пологую, выходящую на асимптоту кривую в области очень низких и довольно высоких частот (см. рис. 86, б).
Для получения отношения амплитуд сигналов одной или разных частот в простейшем случае измеряют амплитуды каждого сигнала в отдельности, после чего вычисляют их отношение. Измерения по такой методике являются абсолютными и не могут быть выполнены с большой точностью при использовании относительно простой переносной аппаратуры.
Однако применение принципа нормирования позволяет создавать простые измерители с непосредственным отсчетом отношения амплитуд сигналов с одной частотой или несколькими различными частотами (рис. 87, а). Если на вход избирательного микровольтметра через переключатель 5Д в положении 1 подать сигнал напряжением СЛ (£), принимаемый за опорный, и, изменив чувствительность, добиться 100 %-кого отключения стрелки индикаторного прибора, то при подаче на вход микровольтметра напряжения 1/з(0 (положение 2 переключателя ЗД) показания прибора будут соответствовать отношению напряжений Л2=(6/2/(/|) . 100 %.
При подаче на вход микровольтметра напряжения U^f) в положении 3 переключателя ЗЛ показания индикаторного прибора будут равны отношению Лз~ ((/зАЛ) • 100 %.
Если все рабочие сигналы имеют разные частоты, то усилитель микровольтметра должен иметь один и тот же коэффициент усиления для сигналов каждой из частот. Это достигается применением широкополосного усилителя (что не всегда нежелательно, ибо микровольтметр теряет помехоустойчивость), избирательного усилителя с гребенчатой формой амплитудно-частотной характеристики или переключением фильтров усилителя
в
Рис. 87. Измерители отношении амплитуд нескольких сигналов:
я — простейший; б • с автоматической подстройкой чувствительности: о- • двухчастотный
с помощью блока изменения частоты настройки. При измерении сравнительно быстро изменяющихся сигналов (например, при электроразведочпых работах в движении) используют системы с автоматической подстройкой чувствительности. Автоматический измеритель (рис. 87,6) отношения двух сигналов U^Ui состоит из двух синхронных ключей К1 и К2, усилителя детектора Д двух интеграторов И1 п 112 для интегрирования пооче- редгго выпрямленных напряжений Ux (1) и 7/^(7) сумматора У н регистратора. Опорное напряжение иг, действующее на выходе интегратора 2, сравнивается в сумматоре с эталонным Ей источника GB, принимаемым за 100 %-нос выходное напряжение. Суммарный сигнал Uz = Ea—Ua усиливается и подается в цепь управления входным управляемым аттенюатором, который изменяет свой коэффициент деления до тех пор, пока U^ не станет равным нулю. При этом U^ стремится к 100%, а напряжение U\ па выходе интегратора 1 равно отношению указанных входных напряжений, выраженному в процентах. Это нормированное напряжение подастся на регистратор и записывается. По такой же схеме выполняют измерители отношения напряжений трех, четырех сигналов и более.
Способ нормированных компенсационных измерений может использовался также для непосредственной регистрации относительного прцра^нщя амплитуд 1Л и U2 двух напряжений различных частот:
* Д -|((/2 — и 1)/^11100 %.
Сигналы 0’1(7) и С/2(0 через переключатель SAi (см. рис. 87, в) поочередно подают на вход избирательного усилителя, коэффициент передачи которого регулируется аттенюатором. К избирательному усилителю подключен также блок изменения частоты настройки. Вначале усилитель настраивают на частоту первого сигнала {Д(0- Отфильтрованный сигнал выпрямляется выпрямителем и поступает на один из входов сумматора. Ко второму входу сумматора через SA2 подключен источник GB эталонного напряжения Еи. Выход сумматора через интегратор подключен к вольтметру. В исходном положении тумблер SA2 разомкнут и на сумматор поступает только выпрямленный сигнал Ui, который измеряется вольтметром. После этого SA2 замыкают и от источника Ео на второй вход сумматора поступает постоянное напряжение, полярность которого противоположна полярности Ш. Как и в предыдущем случае, эталонное Ей принимают за 100 %-нос выходное напряжение, так как оно вызывает полное отклонение стрелки вольтметра (например, 100 делений).
Далее коэффициент передачи избирательного усилителя регулируют аттенюатором, добиваясь нулевых показаний вольтметра (в чем убеждаются, увеличивая в 10—100 раз чувствительность вольтметра переключателем пределов измерений). Если теперь через переключатель SAi на вход измерителя подать сигнал с напряжением С2(/) (переключив частоту настройки избирательного усилителя), то показания вольтметра будут равны:
Лн = ((L/a—(/J/L/J 100 %.
В самом деле, выполняя нормирование, осуществляют операцию увеличения 17, до 100%. Скомпенсировав выходное напряжение, «запоминают» его величину, а затем (при прежнем нормированном коэффициенте усиления) путем вычитания сравнивают с ней выходное напряжение, обусловленное вторым входным сигналом. Рассмотренные операции могут быть записаны в виде следующей пропорции:
иг—100 %^-U^-A»,откуда
л„-[(V,-Ui№ 100 %, причем разность амплитуд сигналов измеряется на очень чувствительной шкале вольтметра, что обеспечивает необходимую
точность измерений. Основная погрешность измерений сигналов одной и тон же частоты определяется классом точности измерительного прибора, стабильностью сопротивлений аттенюатора, погрешностью установки нулевого и максимального (100%- ного) показаний этого прибора. Если измеряются сигналы разных частот, то погрешность увеличивается из-за различия коэффициентов усиления и разного изменения их при колебаниях температуры. Основная погрешность полевых измерительных приборов подобного типа не более ±0,1 %.
Измерители разности времен запаздывания сигналов разных частот часто применяют в методе вызванной поляризации. Как уже отмечалось, в сравнительно узком диапазоне частот фазовые сдвиги, обусловленные поляризуемостью среды, от частоты не зависят, а возникающие из-за проводимости среды (за счет электродинамических процессов становления в области малых параметров поля) изменяются пропорционально ей.
В точке наблюдения имеется двухчастотный сигнал с кратными квазикогерентными частотами игЛт = const—пл
^вх (0 ~ ^А sin (со tf • I* Фх) -(- U^ sin (ма/ -|- (pg)= U\ sin юх (^ -H^1) 4~ + ^2 sino2(/ + /2), где абсолютные времена запаздывания сигналов относительно нулевого момента времени:
G ~ Ф1^1<^2 ~ ф2^®2*
Так как
Ф1 — Фвп |-я®х; фа'"фоп l-Q®si то после измерения абсолютных значений фазовых углов <pj и ф2 на каждой из рабочих частот можно найти разность времени запаздывания:
Af — А /3 — фвп [(l/®i) ( 1/oj2)J.
Одпако погрешность измерений по такой методике будет велика — до 0,3—0,5°.
Разность времени запаздывания сигналов двух частот в точке приема может быть непосредственно измерена двухчастотным диффевепциалъным измерителем (рис. 88). В нем производится автоматическое промежуточное запоминание временного сдвига одной из частот и измерение разности времен запаздывания между сигналами второй частоты и промежуточным опорным. Устройство работает следующим образом. На вход предварительного усилителя поступает двухчастотный сигнал. Составляющие двух частот (см. рис. 89. о и г) фильтруются избирательными усилителями / и 2. Из синусоидального напряжения низкой частоты формирователем импульсов / (см. рис. 88) формируются короткие импульсы (например, длительность несколько микросекунд) (см. рис. 89, б). Они использу- 208
Рис. 88. Структурная схема дифференциального измерителя разности времен запаздывания сигналов двух частотРис. 88. Структурная схема дифференциального измерителя разности времен запаздывания сигналов двух частотРис. 89. Эпюры напряжений, поясняю тис работу измерителя разности времен запаздывания сигналов двух частотРис. 89. Эпюры напряжений, поясняю тис работу измерителя разности времен запаздывания сигналов двух частот
Рис. 88. Структурная схема дифференциального измерителя разности времен запаздывания сигналов двух частот
Рис. 88. Структурная схема дифференциального измерителя разности времен запаздывания сигналов двух частот
Рис. 89. Эпюры напряжений, поясняю тис работу измерителя разности времен запаздывания сигналов двух частот
Рис. 89. Эпюры напряжений, поясняю тис работу измерителя разности времен запаздывания сигналов двух частот
ются для синхронизации кварцевых часов (см. рис. 88), поэтому выходное опорное напряжение последних имеет ту же частоту, что и частота настройки избирательною усилителя 2, а фронты опорного напряжения совпадают с моментами перехода через нуль синусоидального напряжения па выходе избирательного усилителя / (см. рис. 89, о). Синхронизирующий импульс на кварцевые часы поступает I раз за каждый период первой частоты.
Из сигнала второй частоты на выходе избирательного уси- лителя 2 (см. рис. 89, г) формирователем импульсов 2 формируется сигнал, показанный на рис. 89, д. На два входа измерителя временных интервалов (см. рис. 88) поступают два сигнала второй частоты, фронты одного из которых совпадают с моментами перехода через нуль сигнала первой частоты, а фронты второго совпадают с моментами перехода через нуль сигнала второй частоты. На входе измерителя временных интервалов установлен двухвходовой элемент И или триггер, форми-
рующий импульсы, длительность которых равна разности времени запаздывания сигналив двух частот (см. рис. 89, е). Эти временные интервалы измеряются измерителем временных интервалов (см. рис. 88).
Если кварцевых часов в схеме ист, то на вход измерителя временных интервалов нужно устанавливать триггер, к счетному входу которого подключен формирователь 1 низкочастотного канала, а к входу «Уст. О» — формирователь 2 высокоча- стотпого канала. Длительность сформированного триггером импульса (см. рис. 89,ж) меньше периода высокочастотного сигнала на время запаздывания между сигналами двух частот. Дополнительная постоянная составляющая измеренного временного интервала, не зависящая от фазовых сдвигов сигналов обеих частот, исключается при вычитании из результатов измерений отсчета, полученного при градуировке прибора.
Недостаток рассмотренной схемы заключается в том, что в качестве формирователя временных интервалов используется триггер, который при наличии помех может многократно ложно срабатывать.
Менсе чувствительными к импульсным помехам являются формирователи временных интервалов на логических элементах /V. В измерителях с формирователем временного интервала на трехвходовом элементе И (рис. 90) двухчаетотпый сигнал поступает па предварительный усилитель, разделяется на составляющие двух частот избирательными усилителями 1 и 2 и поступает на два формирователя импульсов 1 и 2, которые выполняют по схеме усилителей-ограничителей. К выходу избирательного усилителя / низкой частоты (см. рис. 90) подключен также преобразователь уровня (например, триггер Шмитта), вырабатывающий сигнал запрета (см. рис. 89, к). Таким образом, на три входа элемента И (см. рис. 90) поступают три сигнала (см. рис. 89, z/, /с), из которых па выходе элемента И формируются импульсы, длительность которых пропорциональна разности времен запаздывания сигналов двух частот (рис. 89, л). Эти импульсы поступают па измеритель временных интервалов (см. рис. 90), где регистрируется их длительность.
В качестве примера рассмотрим структурную схему измерителя IPRF-2 (рис. 91) разработанного канадскими геофизиками фирмы «Синтрекс». Этот измеритель позволяет одновременно измерять разность времен запаздывания сигналов двух частот и относительную разность амплитуд сигналов этих частот. Устройство работает следующим образом. Двухчастотный сигнал с отношением частот, равным п, после усиления в предварительном усилителе разделяется на две составляющие избирательными усилителями / и 2. К выходу усилителя 1 подключен линейный умножитель частоты в п раз. На его выходе получают синусоидальный сигнал той же частоты, что и па выходе избирательного усилителя 2, с амплитудой, равной амплитуде сигнала на выходе избирательного усилителя I, а фаза 210
Рис. 90. Структурная схема помсхбзащищешюго измерителя разности времен запаздывания сигналов двух частот
Рис. 91. Функциональная схема измерителя IPRF-2 канадской фирмы «Сап- трекс»
увеличена в п раз по сравнению с фазой сигнала па выходе усилителя 1. Полученные два синусоидальных сигнала с одинаковой частотой поступают па автоматический мост переменного тока, в котором один сигнал векторно уравновешивается другим, а результаты уравновешивания отображаются на индикаторах фвн (разности времен запаздывания) и пкю (относительной разности амплитуд).
Погрешность работы двухчастотного дифференциального измерителя определяется в основном стабильностью фазово-частотных характеристик избирательных усилителей, которая при использовании высокостабильных RC- и LC-фильтров может быть достаточно велика, чтобы обеспечить измерения с погрешностью не более ±(0,1- 0,3)%. Это особенно важно при измерениях компарациоппым способом с использованием градуировочного цикла.
Основной недостаток дифференциального двухчастотного измерителя времени запаздывания заключается в необходимости разделения суммарного двухчастотного сигнала на две составляющие. Избирательные усилители, применяемые в данном случае, должны иметь предельно узкие полосы пропускания. Но чем узкополоснее усилитель, тем труднее обеспечивается стабильность его амплитудно-фазовой характеристики. В связи с этим для измерения времени запаздывания сигналов с близкими частотами, когда избирательность усилителей дифференциальных измерителей должна быть очень высока, используют интегральные измерители. В них суммарный двухчастотный сигнал обрабатывается в целом (без разделения на отдельные
составляющие) в одиокапальпом усилительно-измерительном устройстве.
Если имеется двухчастотный сигнал
(/х (0 = <Vi sin (со/ + фг) + U. sin (о/ + ф2)
с одинаковыми амплитудами U\^Ui = U и строго кратными квазикогерентными частотами <02/0)1 = 2, то он будет периодическим и с формой в пределах каждого периода, изображенной на рис. 92, а. Определим моменты прохождения суммарного сигнала через нулевые значения. Для этого необходимо решить следующее уравнение:
(/$ (0 — U (sin (о/ + ф,) + sin (2со/ -|- ф2)] — -у- sin X
ЗьЩ + Ф1 + фг to\t + Фг ~ Ф1 п
Х 22
Откуда моменты времени:
^о = — (фт + фаУЗо)!; /1-[2л—(ф1 + ф8)]/3со1;
/2 ^= (л—(<р2—ф/]/^;^ = [4л - (фх + фг)]^^;
t4 = [6n— (ф^фв)!^.
Найдем разность полупериодов суммарного сигнала (см, рис. 92,а):
Д/„ = А^ Мг — Цй-^ /1 —"^ ~ "Т— (2ф1 фг)-
а
Рис. 92. Структурная схема интегрального измерителя разности времен запаздывания сигналов двух частот (б) л эпюры напряжений, поясняющие его работу («)
Таким образом, интегральные измерители так же, как и дифференциальные, позволяют регистрировать разность времен запаздывания сигналов двух частот. Однаки в данном случае ^то достигается использованием лишь простой одноканальной схемы (см. рис. 92,6), содержащей усилитель-ограничитель, дифференциатор, диод VD и измеритель временных интервалов. Па выходе усилителя-ограничителя получают двухполяр- ный сигнал прямоугольной формы Ux (см. рис. 92, а) с переходами через пулевое значение в моменты времени tx—/4. Этот сигнал проходит через дифференциатор, на выходе которого получают короткие разнополярные импульсы U2 в те же моменты времени.
Длительность интервалов времени между импульсами положительной полярности Д/, и Д/г (длительность полупериодов) оказывается разной. Разность длительностей регистрируется измерителем временных интервалов. Диод VD не пропускает па вход измерителя временных интервалов импульсы отрицательной полярности с выхода дифференциатора. Данная схема обладает также более высокой стабильностью по сравнению с дифференциальными двухчастотными измерителями.
§ 28. ИЗМЕРИТЕЛИ КАЖУЩЕГОСЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Аппаратура АНЧ-3
Аппаратура АНЧ-3 (рис. 93) предназначена для измерения кажущегося сопротивления геоэлектрического разреза па низкой частоте. Она состоит из стационарного и переносного генераторов, а также избирательного микровольтметра.
Основные технические характеристики аппаратуры АНЧ-3
Рабочая частота, Ги . . . . / 4,88
Максимальная мощность генератора, Вт: стационарного 300
переносного 30
Максимальный ток генератора, А: стационарного 2
переносного 0,1
Максимальное напряжение генератора, В: стационарного 350
переносного 250
Нестабильность фиксированных значений тока, % I
Измеряемое напряжение, мкВ 10--30000
Ширина полосы пропускания микровольтметра на уровне 0,95, Гн 0,1
Ослабление напряжения третьей гармоники. дБ 40
Ослабление напряжения с частотой 50 Гц, дБ 60
Уровень собственных шумов, приведенный к входу, мкВ . . . .1
Масса генератора, кг; стационарного 10
переносного 6
Масса микровольтметра, кг 3,5
Рис, 93. Структурная схема аппаратуры АНЧ-3,
Гейераторное устройство: а — стационарное, б — переносное: о — микровольтметр
Стационарное генераторное устройство (см. рис. 93,а) со- стоит из бензоэлектрического агрегата АБ-0,5-0/115—400, вырабатывающего напряжение 115 В с частотой 400 Гц, выпрямителя и транзисторного инвертора мощностью 300 Вт; инвертор управляется задающим генератором и нагружен на питающую линию АВ.
Переносное генераторное устройство (рис. 93, б) содержит конвертор-стабилизатор, питаемый от аккумулятора напряжением 36 В и соединенный с транзисторным инвертором мощностью 30 Вт. Для зарядки аккумулятора служит зарядное устройство, которое подключают к источникам напряжения или 220 В (50 Гц), или 115 В (400 Гц) либо к источнику постоянного напряжения 36 В.
Микровольтметр питается от конвертора-преобразователя, соединенного с аккумулятором напряжением 9 В. Микровольтметр со стрелочным индикатором PV подключен к приемной линии MN (см. рис. 93, в).
Ток, вырабатываемый стационарным и переносным генераторами имеет прямоугольную, двухполярную форму. Ток в нагрузке поддерживается постоянным на четырех фиксированных значениях (от 10 до 100 мА) при использовании переносного генератора для колебаний сопротивления нагрузки в пределах 0,3- 12 кОм и на семи фиксированных значениях (0,1—2 А) при использовании стационарного генератора, когда сопротивления нагрузки изменяются в 2 раза. При колебаниях сопротивления нагрузки в больших пределах на передней панели генератора зажигается и начинает мигать сигнальная лампочка, указывающая на отсутствие стабилизации тока и необходимость перехода на другой предел измерения.
Аппаратура ЭРП-5
Аппаратура ЭРП-5 используется при проведении работ методом сопротивлений на переменном токе низкой частоты для геологического картирования и поисков рудных месторождений в горно-таежной местности. Она состоит из переносного генератора и двух избирательных микровольтметров.
Основные технические характеристики аппаратуры ЭРП-5
Рабочая частота, Гн 4,88
Максимальная мощность, Вт 5
Ширина полосы пропускания микровольтметра, Гц0,2
Чувствительность, мкВ 3
Масса генератора, кг3
Масса микровольтметра, кг 2
Структурная схема ЭРП-5 аналогична схеме АПЧ-3. Генератор состоит из задающего генератора, стабилизированного кварцевым резонатором, делителя частоты, усилителя мощности, стабилизатора и регулятора тока, В микровольтметре аппаратуры ЭРП-5, в отличие от АНЧ-3, используется узкополосный кварцевый синхронный фильтр, что в 3—5 раз увеличивает чувствительность и помехозащищенность измерений. Микровольтметр аппаратуры ЭРП-5 может работать совместно с генератором аппаратуры АНЧ-3.
§ 29. АППАРАТУРА МЕТОДА ВЫЗВАННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ
Аппаратура ВП-Ф
Электроразведочная аппаратура ВП Ф предназначена для проведения полевых работ в труднодоступной местности и при повышенном уровне электрических помех методом вызванной поляризации на переменном токе инфранизких частот. Аппаратура работает в режиме измерения разности времен запазды- вапия сигналов двух частот в точке приема и позволяет непосредственно определять фазовый угол <рвп» отнесенный к частоте первой гармоники питающего тока.
Основные технические характеристики аппаратуры ВП-Ф Максимальная мощность генератора, Вт:
стационарного 300
переносного 50
Напряжение в питающей линии. В: максимальное 400
минимальное 70
Ток в питающей линии. А: максимальный 4
минимальный 0,1
Измеряемое напряжение первой гармоники, мВ 0,03—Ю*
Измеряемые фазовые углы, градус (—30)—(-|-30)
Рабочие частоты первой гармоники. Гц 0,305—4.88
Подавление помех с- частотой 50 Гц, дБ . . . 40
.Погрешность измерения: напряжения, % 2
тока, % 2,5
фазовых углов <Рвц, градус 0,06
Нестабильность фиксированных значений тока при изменении входного напряжения или сопротивления нагрузки в 1,5 раза, %1
Входное сопротивление измерителя, МОм 3
Номинальное напряжение питания измерителя, В 24
Потребляемая мощность измерителя при отключенном литании индикаторов цифрового табло, Вт 1,5
Время установления рабочих режимов генератора, стабилизатора тока и измерителя, мин 2
Время непрерывной работы станции, ч 8
Масса, кг:
генератора (без источников питания) ,.15
стабилизатора тока 3,6
блока измерителя (без источников питания) 4
блока аккумуляторов для питания к^мерителя 1,5
В состав станции входят генераторное устройство и три идентичных измерителя. Аппаратура ВП-Ф и необходимое для полевых работ вспомогательное оборудование на время транспортировки к месту полевых работ и. обратно устанавливаются в кузове автомобиля ГАЗ-66. Сейчас выпускают модернизированную аппаратуру ВП-Ф (рис. 94), которая отличается от предыдущей модели вводом стабилизатора тока в генераторное устройство, цифрового вольтметра и блока фазировки градуировочного сигнала в измерительное устройство, а также измененной схемой измерителя временных интервалов и цепей коммутации измерительных устройств при сохранении прежнего принципа работы.
В состав генераторного устройства входят тринисторный инвертор, блок управления, блок питания и стабилизатор перемен-
Рис. 94 Структурные схемы генераторного (а) и измерительного (б) устройств аппаратуры ВП-ФРис. 94 Структурные схемы генераторного (а) и измерительного (б) устройств аппаратуры ВП-Ф216216pLU 4pLU 4
Рис. 94 Структурные схемы генераторного (а) и измерительного (б) устройств аппаратуры ВП-Ф
Рис. 94 Структурные схемы генераторного (а) и измерительного (б) устройств аппаратуры ВП-Ф
216
216
pLU 4
pLU 4
пого тока прямоугольной формы. В блоке управления генерируются и формируются напряжения сигналов заданной частоты и формы, которые управляют работой тринисторного инвертора. Последний получает питание постоянным током от блока питания. Этот блок питания трансформирует до заданного уровня, выпрямляет и фильтрует напряжение 115 В (400 Гц), генерируемое бензоэлектрическим агрегатом АБ-0,5-0/115-400, а также преобразует постоянное напряжение 12,6 В, отбираемое от аккумуляторной батареи, в переменное напряжение, трансформирует его до заданного уровня с последующим выпрямлением и фильтрацией. Последовательно с нагрузкой инвертора (питающей линией Ай) включен стабилизатор тока, поддерживающий постоянство импульсов выходного тока разной полярности при изменении сопротивления нагрузки (питающей линии .45) или напряжения источников питания.
Измерительное устройство состоит аз предусилителя (вход которого через переключатель рода работ соединяется с приемными электродами М и N либо с калибратором), блока избирательных усилителей, настроенных па частоты w и Зю, блока усилителей-ограничителей, измерительного блока и автономного калибратора. Принятый из земли приемной линией MN двухчастотный сигнал после усиления разделяется в блоке избирательных усилителей на составляющие двух частот (® и 3®). Блок усилителей-ограничителей формирует из сигналов синусоидальной формы прямоугольные импульсы, фронты которых соответствуют моментам перехода синусоидальных сигналов через нулевые значения. ,
В измерительном блоке формируются и регистрируются временные интервалы между моментами перехода через нуль прямоугольных импульсов двух различных частот. Эти интервалы пропорциональны разности времен запаздывания сигналов двух частот (первой и третьей гармоник питающего тока одной из фиксированных частот: 0,305; 0,61; 1,22; 2,4 4 и 4,99 Гц) в точке приема. Эта разность времен запаздывания пропорциональна фазовому сдвигу ВП, отнесенному к частоте первой гармоники тока и обусловленному поляризуемостью горных пород. Кроме того, измерительный блок используется для контроля и измерения амплитуд синусоидальных сигналов двух частот па выходах блока избирательных усилителей.
Градуировка измерительного устройства по амплитуде и фазе осуществляется от автономного калибратора, который вырабатывает двухполярный прямоугольный сигнал со строго известной амплитудой и нулевым фазовым сдвигом между составляющими двух частот. Для того чтобы в измерительном устройстве не возникал длительный переходный процесс при отключении от входа предусилителя переключателем рода работ приемной линии MN и подключении выхода калибратора, градуировочный сигнал фазируется сигналом с выхода блока усилителей-ограничителей перед началом градуировочного цикла.
Аб-0,5-400Аб-0,5-400Чнибемальный „ Блок выпрямите; с1—1 ^ ифи/нтроВЧнибемальный „ Блок выпрямите; с1—1 ^ ифи/нтроВтрансформатортрансформатор'блокзащиты'блокзащитыАккумуляторАккумуляторПрео5пазо5«тыь\ ДФармиробатель lj ‘ напряжения ™ импульсов 1Прео5пазо5«тыь\ ДФармиробатель lj ‘ напряжения ™ импульсов 1частотычастотыЗаЗаюирш. генераторЗаЗаюирш. генераторДифференциальный усилительДифференциальный усилительнапряжениянапряженияИнверторИнверторИзмерительтокаИзмерительтокаЙрлатёдЬ — ^оркирабатш _ЙрлатёдЬ — ^оркирабатш _импульсоВ 2импульсоВ 2УШ- VPPУШ- VPPИнтегратор -* КомпараторИнтегратор -* КомпараторММИсточникИсточникввАА<8<8
Аб-0,5-400
Аб-0,5-400
Чнибемальный „ Блок выпрямите; с1—1 ^ ифи/нтроВ
Чнибемальный „ Блок выпрямите; с1—1 ^ ифи/нтроВ
трансформатор
трансформатор
'блокзащиты
'блокзащиты
Аккумулятор
Аккумулятор
Прео5пазо5«тыь\ ДФармиробатель lj ‘ напряжения ™ импульсов 1
Прео5пазо5«тыь\ ДФармиробатель lj ‘ напряжения ™ импульсов 1
частоты
частоты
ЗаЗаюирш. генератор
ЗаЗаюирш. генератор
Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель
напряжения
напряжения
Инвертор
Инвертор
Измерительтока
Измерительтока
ЙрлатёдЬ — ^оркирабатш _
ЙрлатёдЬ — ^оркирабатш _
импульсоВ 2
импульсоВ 2
УШ- VPP
УШ- VPP
Интегратор -* Компаратор
Интегратор -* Компаратор
М
М
Источник
Источник
в
в
А
А
<8
<8
',Г.< Д'. Рис. 95. Функциональная схема генераторного устройства аппаратуры ВП-Ф («), форма вырабатываемого им тока (б) и форма тока с улучшенным соотношением первой и третьей гармоник (в)
В генераторном устройстве (рис. 95, а) напряжение первичного источника питания (бензоэлектрического агрегата} подается на универсальный трансформатор, имеющий две первичные и несколько вторичных обмоток, одна из которых (силовая) позволяет получать на выходе регулируемое напряжение, изменяющееся от 70 до 400 В дискретно с шагом примерно 30 % (в зависимости от используемого отвода силовой обмотки). С выходов универсального трансформатора переменное напряжение поступает в блок выпрямителей и фильтров, содержащий силовой выпрямитель, подключенный к силовой обмотке трансформатора, а также четыре маломощных выпрямителя, использующихся для питания вспомогательных блоков. Выход силового выпрямителя через сглаживающий фильтр и блок защиты подключен к основной цепи питания триннсторного инвертора.
При питании генераторного устройства от батареи аккумуляторов постоянное напряжение 12,6 В преобразуется в переменное преобразователем напряжения, выход которого соединен со второй первичной обмоткой универсального трансформатора (к первой обмотке подключается выход бензоэлектрическото агрегата). Благодаря этому йа выходах универсального транс-
форматора получают одни и те же напряжения как при питании генераторного устройства от бензоэлектрического агрегата,, так и от батареи аккумуляторов.
Управляющие работой инвертора импульсы заданной частоты формируются из синусоидального напряжения частотой 1,28 МГц, генерируемого задающим генератором, работа которого стабилизируется кварцевым резонатором. Деление, частоты задающего генератора до заданных значений рабочей частоты осуществляется стандартным делителем, выполненным на триггерах. С противофазных выходов последнего триггера делителя частоты прямоугольные напряжения, сдвинутые по фазе на 180°, подаются па формирователи импульсов / и 2, вырабатывающие импульсы длительностью 30 мкс в моменты поступления на их вход передних фронтов этих напряжений. Затем эти импульсы усиливаются усилителями мощности и подаются па два трансформатора, каждый из которых имеет две вторичные обмотки, соединенные с управляющими электродами триписторов инвертора.
Последний собран по стандартной четырехтринисторной мостовой схеме, в одну диагональ которой включен источник постоянного напряжения (выход силового выпрямителя), а в другую— нагрузка (питающая линия АВ и стабилизатор тока), параллельно которой подсоединен коммутирующий конденсатор. Подавая поочередно импульсы запуска на обе пары тринисто- ров инвертора через промежуток времени, равный половине периода (Г/2) рабочей частоты, получают в нагрузке разнополярные импульсы тока амплитудой /0, форма которых близка к прямоугольной (см. рис. 95, бу
Спектр такого тока содержит нечетные гармоники основной частоты ю:
/(О—^-(sinroH l/3sin3^+l/5sin5to< + . . .У л.
При выполнении работ с аппаратурой ВП-Ф используют только первую и Третью гармоники, причем амплитуда третьей в 3 раза меньше амплитуды первой гармоники. Ввиду этого мощность, затрачиваемая генератором на возбуждение в земле сигнала третьей гармоники, почти в 10 раз меньше мощности, используемой на возбуждение сигнала первой гармоники. Поэтому во время приема из земли сигналов отношение сигнал/по- меха для третьей гармоники гораздо хуже, чем для первой. Кроме того, амплитуда пятой гармоники в таком сигнале близка к амплитуде третьей, а частоты этих гармоник отличаются всего в 1,66 раза, что сильно затрудняет фильтрацию полезного сигнала. Сказанное выше указывает на то, что в аппаратуре ВП-Ф используется не оптимальная форма возбуждающего тока.
Опыт показывает, что указанные недостатки можно устранить, генерируя ток другой формы (см. рис. 95, в). Если в первый полупериод он выключен в промежуток времени 0,2 Т—
0,3 Г, а в течение второго полупернода — от 0,7 Т до 0,8 Т, (см. рис. 95, е), то спектр такого тока записывается п виде:
1 (/) -= _У22д_ (Sin ю/ а. 0,873 sin Зю/ 4-0,187 sin 7t»t + 0,11 sin ,:х<Ы-Е . . .).
В таком токе амплитуды первой и третьем гармоник отличаются незначительно, а пятой гармоники равна пулю.
Пели форма импульсов тока не отличается от прямоугольной, то фазовый сдвиг всех гармоник равен пулю. Если же она нс прямоугольна, то появляются фазовые сдвиги гармоник, которые необходимо измерять и учитывать в процессе полевых работ.
Для поддержания постоянства амплитуды и прямоугольной формы импульсов тока в генераторном устройстве используете» •стабилизатор переменного тока, включенный последовательно •с нагрузкой (питающей линией АВ). Переменный выходной ток инвертора протекает через измеритель тока, питающую линию АВ и диодный мост, выполненный1 на четырех диодах VD1—VD4 (см. рис. 95, а). Нагрузкой диодного моста служат эталонный резистор R1, балластный резистор R2 и транзистор' VT, через которые протекает только постоянный (выпрямленный) ток независимо от полярности тока в питающей линии АВ.
Постоянное напряжение с R1 и эталонное напряжение, вырабатываемое источником Е3т, поступают па два входа дифференциального усилителя, который их сравнивает.
Разностный сигнал с выхода дифференциального усилителя •интегрируется интегратором и полученное напряжение пилообразной формы подается на компаратор, который сравнивает входное напряжение с заданным уровнем напряжения. Импульсы прямоугольной формы с выхода компаратора служат для управления ключом, выполненным на транзисторе VT. Скважность управляющего напряжения непрерывно изменяется таким образом, чтобы разность между напряжениями па R1 и Е-л стремилась к пулю.
Если, например, из-за подсыхания почвы вокруг питающих электродов ток в липин АВ уменьшается, увеличиваются промежутки времени, в течение которых транзистор VT открывается, шунтируя балластный резистор R2. сопротивление которого выбирают равным 10—15 % от сопротивления питающей линии АВ. Тем самым увеличивают среднее значение тока, протекающего в питающей линии АВ. и далее поддерживают его неизменным при изменении сопротивления нагрузки или напряжения на выходе блока выпрямителей. В результате этого форма тока в питающей линии АВ становится эквивалентна прямоугольной форме, а начальные фазовые сдвиги гармоник тока будут тем ближе к нулю, чем выше частота переключения транзистора VT.
Амплитуда стабилизированного тока выбирается оператором
дискретно п плавно и контролируется с помощью измерителя тока.
Трпнисторный инвертор надежно защищен от возможных перегрузок по току и напряжению блоком защиты, отключающим напряжение питания от инвертора при переходе его в критические режимы работы. В состав блока защиты входит роле, в цепь питания которого включен тринистор, а через нормально замкнутые контакты подается питание в диагональ инвертора. К управляющему электроду тринистора подключены три независимых цепи управления.
В исходном состоянии тринистор заперт, так как на его управляющем электроде поддерживается нулевое напряжение. Если ток в питающей линии АВ превышает 4,6 А, срабатывает первая цепь управления и на управляющий электрод трини- стора подастся положительное напряжение. В этом случае тринистор открывается, через обмотку реле протекает ток, реле срабатывает и отключает выход силового выпрямителя от инвертора. При обрыве питающей линии АВ или уменьшении тока в нагрузке (ниже 60—80 мА) срабатывает вторая цепь управления, а при увеличении напряжения на инверторе (свыше 460—470 В) —третья цепь, что также приводит к включению тринистора, подаче питания на обмотку реле и отключению питания от инвертора.
Повторно генератор после устранения причины срабатывания блока защиты включается кнопкой «Пуск». При этом тринистор запирается, а контакты роле замыкают цепь питания тш- вертора.
В измерительном устройстве (рис. 96) двухчастотный сигнал, принимаемый заземленной линией MN или индукционным датчиком, через переключатель рода работ в первом положении «Измерение» и входное устройство поступает на входы избирательных усилителей / и 2. Входное устройство содержит аттенюатор, предварительный усилитель и предназначено для нормирования входного сигнала во амплитуде. Нормирование производится путем ослабления амплитуды входного сигнала аттенюатором или изменения коэффициента передачи предварительного усилителя таким образом, что при колебании амплитуды измеряемого сигнала от 30 мкВ до 10 В выходной сигнал входного устройства изменяется в пределах 2,6—8,7 мВ. Пределы измерений переключаются электронными ключами и реле.
Избирательные усилители / и 2 настроены соответственно на резонансные частоты первой и третьей гармоник fp питающего тока. Эти частоты в зависимости от условий полевых работ и поставленных геологических задач могут составлять пять пар: 0,305 и 0,915 Гц; 0,61 и 1,83 Гц; 1,22 и 3,66 Гц; 2,44 и 7,3 Гц; 4,88 и 14,64 Гц.
Избирательные усилители двухкаскадныс, выполнены по типовым схемам активных полосовых фильтров на двойных
КалибраторКалибраторМ>- — — Переключатель рода Ny работ
Калибратор
Калибратор
Ключ 2' EZКлюч 2' EZ► Входное устройство► Входное устройствоIIИзбирательныйусилитель 1Избирательныйусилитель 1и,и,11СтрелочныйСтрелочныйИзбирательныйусилитель 2.Избирательныйусилитель 2.и2и2«5«5«6«6ИнтеграторИнтеграторКлюч 4Ключ 4КомпараторКомпараторКлюч 5Ключ 5ТриггерТриггерУсилитель- ограничитель /Усилитель- ограничитель /Счетчик результатовСчетчик результатов«8«8ЦоЦоУстройства выборки-храненияУстройства выборки-храненияФормирователь импульсов запускаФормирователь импульсов запускаПреобразователь временных интерваловПреобразователь временных интерваловКлюч 3Ключ 3Делительчастоты 2Делительчастоты 2V»V»Усилитель- рграничитель 2Усилитель- рграничитель 2Задающий генераторЗадающий генераторБлок — управленииБлок — управлении* Жирщий у мультивибратор* Жирщий у мультивибратор, М3, М3ЦифровойиндикаторЦифровойиндикатор
Ключ 2
' EZ
Ключ 2
' EZ
► Входное устройство
► Входное устройство
I
I
Избирательныйусилитель 1
Избирательныйусилитель 1
и,
и,
1
1
Стрелочный
Стрелочный
Избирательныйусилитель 2.
Избирательныйусилитель 2.
и2
и2
«5
«5
«6
«6
Интегратор
Интегратор
Ключ 4
Ключ 4
Компаратор
Компаратор
Ключ 5
Ключ 5
Триггер
Триггер
Усилитель- ограничитель /
Усилитель- ограничитель /
Счетчик результатов
Счетчик результатов
«8
«8
Цо
Цо
Устройства выборки-хранения
Устройства выборки-хранения
Формирователь импульсов запуска
Формирователь импульсов запуска
Преобразователь временных интервалов
Преобразователь временных интервалов
Ключ 3
Ключ 3
Делительчастоты 2
Делительчастоты 2
V»
V»
Усилитель- рграничитель 2
Усилитель- рграничитель 2
Задающий генератор
Задающий генератор
Блок — управлении
Блок — управлении
* Жирщий у мультивибратор
* Жирщий у мультивибратор
, М3
, М3
Цифровой
индикатор
Цифровой
индикатор
К ь Рнс. 96. Функциональная схема измерительного устройства аппаратуры ВП-Ф
Т-образных jRC-мостах. Первый и второй фильтры расстроены на величину ±0,03 fp, что стабилизирует амплитудно-фазовую характеристику избирательных усилителей п целом. Коэффициенты усиления избирательных усилителей 1 и 2 соответственно равны 35—37 и 100—110.
Напряжения U\ и U2 первой и третьей гармоник, форма которых близка к синусоидальной, с выходов избирательных усилителей поступают на входы усилителей-ограничителей соответственно / и 2, которые преобразуют синусоидальные сигналы в напряжения U^ и U4 прямоугольной формы. Усилители-ограничители— двухкаскадные. Первый каскад выполнен в виде преобразователя уровней на операционном усилителе с нелинейной отрицательной обратной связью через диоды и частотно- зависимой положительной обратной связью через конденсатор, а второй — на транзисторе, работающем в режиме переключения.
Сигналы с выходов усилителей-ограничителей 1 и 2 подаются на формирователь импульсов запуска, использующийся при измерении амплитуд сигналов первой и третьей гармоник, и преобразователь временных интервалов, предназначенный для ре-
гистрацин разности времен запаздывания сигналов указанных гармоник. Режим измерений задается блоком управления.
' При регистрации амплитуды первой гармоники переключатель SA1 устанавливают в положение /. С выхода формирователя импульсов запуска подаются сигналы отпирающий на ключ / и запирающий на ключ 2, а на вход устройства выборки-хранения — синусоидальное напряжение Ux первой гармоники. Кроме того, в формирователе импульсов запуска вырабатывается короткий импульс U5 в. момент перехода синусоидального напряжения Ut через максимальное значение. При поступлении импульса Ub на вход управления устройства выборки-храпения входной ключ этого устройства открывается и на запоминающем конденсаторе устанавливается напряжение U8, близкое к максимальному значению амплитуды сигнала Uv (см. рис. 97, о). Через несколько периодов сигнала низкой частоты напряжение Ufi достигает максимального значения и в дальнейшем сохраняется неизменным.
Для получения импульса управления Us, появляющегося точно в момент максимума синусоидального сигнала Ux, в формирователе импульсов запуска (см. рис. 96) используются ждущий мультивибратор и импульсная линия задержки. При поступлении па вход мультивибратора положительных фронтов прямоугольного напряжения U^ на его выходе появляются короткие импульсы Uа (см. рис. 97, а), которые подаются на импульсную линию задержки.
Эта линия обеспечивает задержку импульса на ее выходе точно па *Л периода первой гармоники относительно входного импульса. Поэтому импульс Us появляется точно в момент максимума Ux. Напряжение Us контролируется стрелочным индика-
Рис. 97. Эпюры напряжений, поясняющие работу устройства выборки— хранения (л) и аналого-цифрового преобразователя (б) аппаратуры ВП Ф
тором. Если переключатель SA1 установить в положение 2 (см. рис. 96), то будет закрыт ключ / и открыт ключ 2, на вход устройства выборки-хранения поступит синусоидальное напряжение (/2 третьей гармоники. При этом ждущий мультивибратор в формирователе импульсов будет запускаться фронтами сигнала Щ, а импульсами [Д устройство выборки-хранения откроется точно в моменты максимума сигнала (Ль и напряжение Ofe будет равно амплитуде сигнала третьей гармоники.
Напряжение Ue, т. е. амплитуда первой или третьей гармоники, измеряется цифровым вольтметром однократного интегрирования. При нажатии кнопки SA2 в блоке управления формируется короткий импульс Ui (рис. 97, 6), который поступает на вход «Уст. 1» триггера. Последний срабатывает и своим сигналом открывает ключ па входе интегратора, подключая через этот ключ к входу интегратора выход устройства выборки-хранения. Напряжение Ue на выходе интегратора, подключенного ^ к первому входу компаратора, линейно нарастает (см. рис. 97, 6), и в тот момент, когда оно становится равным пороговому напряжению Uo, поданному на второй вход компаратора (см. рис. 96), компаратор срабатывает, возвращая триггер в исходное состояние.
Таким образом, на выходе триггера формируется импульс напряжения U9 (см. рис. 97, б), длительность которого пропорциональна амплитуде измеряемого сигнала. По заднему фронту импульса U» формируется короткий импульс UXU) которым открывается ключ разряда интегрирующих конденсаторов в интеграторе (см. рис. 96). Интегрирующие конденсаторы быстро разряжаются, и устройство подготавливается к следующему измерению.
Временной интервал, сформированный триггером, через ключ 3 заполняется высокочастотными импульсами Fo, генерируемыми задающим генератором и сформированными из выходе делителя частоты 1. Полученная пачка импульсов с выхода ключа 3 через ключ 5 поступает на счетчик результатов измерений. Число подсчитанных импульсов, пропорциональное амплитуде измеряемого сигнала, отображается на цифровом индикаторе.
Постоянное напряжение UG во временной интервал преобразуется однократно только при нажатии кнопки 5Л2. В этот момент в блоке управления вырабатывается короткий импульс установки в исходное состояние триггеров счетчика результатов, импульс запуска преобразователя напряжения во временной интервал, сигнал, отпирающий ключ 3,. и сигнал, запирающий ключ 4. Время преобразования составляет 15 мс.
При отпускании кнопки SA2 триггеры счетчика результатов устанавливаются в исходное состояние и начинается измерение разности времени запаздывания сигналов первой и третьей гармоник. Импульсы, длительность которых пропорциональна этой разности времен запаздывания, формируются в преобразователе
временных интервалов. Полученные интервалы заполняются импульсами высокой частоты, которые через ключи 4 и 5 подаются на счетчик результатов измерений. Результат считывается с цифрового индикатора при нажатии кнопки ЗА? в блоке управления. После фиксации отсчета и отпускания кнопки 3/13 вновь производится сброс счетчика результатов измерений и повторный запуск преобразователя временных интервалов, т. е. повторное измерение временных интервалов, пропорциональных сдвигу фаз.
После окончания рабочего цикла проводят калибровку измерителя по амплитуде и фазе путем подачи па вход измерительного устройства через переключатель рода работ во втором положении напряжения с выхода калибратора. Калибровочное напряжение имеет прямоугольную форму (вследствие чего первая и третья гармоники синфазны), ту же частоту, что и измеряемый сигнал, и известную "амплитуду. Это достигается тем, что на вход калибратора подают сигнал, вырабатываемый задающим генератором н преобразованный до значения рабочей частоты делителями частоты 1 и 2. Работа генератора стабилизирована кварцевым резонатором с частотой 1,28 МГц. В калибраторе этот сигнал превращается в прямоугольные разнополярные импульсы напряжения, амплитуда каждого из которых равна 70 мВ.
Для уменьшения времени установления сигналов при переходе от рабочего к калибровочному циклу измерений градуировочный сигнал фазируют рабочим (т. е. калиброванный сигнал подают в фазе с рабочим). Устройство фазировки содержит ждущий мультивибратор, который при отсутствии сигнала запрета во каждому положительному фронту напряжения U> на выходе усилителя-ограничителя / первой гармоники вырабатывает короткий импульс установки нуля триггеров делителя частоты 2. Поэтому переход через нуль первой гармоники калибровочного сигнала совпадает по времени с переходом через нуль первой гармоники измеряемого сигнала. При поочередной подаче па вход устройства таких сигналов в избирательных усилителях наблюдаются минимальные переходные процессы. Это позволяет сократить время наблюдений примерно на 30 %, что существенно при работе на самых низких частотах. Когда переключатель рода работ устанавливается во второе положение «Калибровка», со входа ждущего мультивибратора снимается сигнал разрешения и он прекращает вырабатывать импульсы.
Если переключатель рода работ установлен в третье положение «Линия», то приемная линия MN подключается к омметру в блоке стрелочного индикатора, с помощью которого контролируется выходное сопротивление приемной линии.
Рассмотрим структурную схему преобразователя временных интервалов (рис. 98). На выходе преобразователя установлены два ключа / и 2, которые управляются кнопкой ЗЛ. Если кнопка не нажата, то на выход ключей / и 2 проходят инвертировап-
р£л£ -' Pw. 9&. Структурная схема преобразователя временных интервалов, аппаратуры ШЧФ
ные сигналы Uj и Щ с выходов усилителей-ограничителей / и 2 (см. рис. 96). Эти сигналы прямоугольной формы управляют работой трех формирователей 1—3 временных интервалов (см. рис. 98). Формирователь / запускается каждым фронтом прямоугольного напряжения U^ и сбрасывается в нуль фронтами сигнала U4, причем если запуск производится положительным фронтом Us, то сброс в нуль происходит по первому следующему за ним отрицательному фронту U*. При запуске отрицательным фронтом U$ сброс осуществляется по первому следующему за ним положительному фронту' U^. Форма выходного напряжения U5 формирователя / временных интервалов, а также синусоидальных сигналов иъ U2 на выходе избирательных усилителей 1, 2 и прямоугольных инвертированных напряжений С/з, U» на выходе усилителей-ограничителей 1, 2 показана па рис. 99.
Сигнал U6, получаемый из напряжения U^ путем деления его частоты, формируется на втором выходе формирователя 1 (см. рис. 98) с помощью триггера и используется для управления работой формирователя 2 временных интервалов, который выполнен по аналогичной схеме, описанной для формирователя 1. Он запускается каждым фронтом прямоугольного напряжения (76
и сбрасывается в нуль, как и формирователь /, то отрицательным, то положительным фронтами инвертированного инвертором прямоугольного напряжения Щ. На выходе формирователя 2 получают сигнал U7 (см. рис. 99), а также напряжение, пода-
ваемое на запуск формирователя 3 временных интервалов, схема его аналогична рассмотренным выше.
Формирователь 3 запускается положительными и отрицательными фронтами сигнала с выхода формирователя 2, а сбрасывается в нуль то отрицательным, то положительным фронтом U^. Сигналы Us, Щ непрерывно подаются на входы преобразователя временных интервалов, а поэтому напряжения,^, Ui, U% (см. рис. 99) непрерывно действуют на выходах формирователей )—3 (см. рис. 98). Эти сигналы поступают на три входа блока временной селекции. На четыре других входа этого же блока подаются напряжения с частотами f, 2f, 3/ и 4/ с выходов преобразователя частоты, который формирует их из сигнала с частотой Fq, вырабатываемого в блоке делителя частоты 1 (см. рис. 96). Частота Л'о зависит от выбранной рабочей частоты измерителя и переключается одновременно с ней. Если, например, частота первой гармоники равна 4,88 Гц, то fo=64O кГц, а / = = 88 кГц. При уменьшении рабочей частоты в 2, 4, 8, 16 раз во столько же раз снижаются значения FQ и f.
Для измерения времени запаздывания между сигналами двух частот нажимают н отпускают кнопку ЗДЗ (см. рис. 96). При отпускании ее в блоке управления автоматически формируется импульс U9 «Сброс» (см. рис. 99), который подается на установочные входы устройства запуска, счетчика периодов осреднения и делителя частоты, входящих в состав преобразователя временных интервалов (см. рис. 98). Предварительно оператором с помощью переключателя периодов осреднения должно быть установлено выбранное число периодов накопления результатов измерений (например, 2).
Счетчик периодов формирует временной интервал, равный произведению периода первой гармоники сигнала рабочей частоты на число, установленное переключателем периодов осреднения (2, 4, 8,..., 256). Счетчик периодов должен всегда включаться в момент перехода через нулевое значение синусоидального напряжения первой гармоники. Для такой синхронизации его работы служит устройство запуска, состоящее из формирователя импульсов и триггера и вырабатывающее напряжение £Ло (см. рис. 99). Формирователь импульсов по каждому фронту сигнала U^ вырабатывает короткий импульс, т. е. удваивает частоту. Триггер сбрасывается в нуль импульсом сброса [/9 и первым же фронтом сигнала (/3, следующим после импульса U9, устанавливается в состояние «Дог. 1» (независимо от того, положительный иди отрицательный, фронт сигнала U-o поступает первым). Далее триггер перебрасывается при поступлении па его вход каждого фронта сигнала U3.
Первым же после поступления импульса Щ положительным фронтом напряжения U1U запускается счетчик периодов (см. рис. 98), который через ключ 3 управляется также сигналом с переключателя периодов осреднения. Выходное напряжение Uu счетчика периодов (см. рис. 99) служит сигналом, разре- 228
тающим работу блока временной селекции (см. рис. 98) и поступающим на восьмой вход этого блока. Устройство запрета вырабатывает запрещающий сигнал («Лог. О») при отсутствии на его входе напряжения U4 с частотой третьей гармоники измеряемого сигнала.
В блоке временной селекции временные интервалы, сформированные формирователями 1—3, заполняются импульсами различной частоты (f—4f), поступающими с выходов преобразователя частоты. В модернизированном варианте аппаратуры ВП-Ф блок временной селекции производит обработку поступающих на его входы временных интервалов, связанных с моментами перехода через нуль синусоидальных сигналов первой и третьей гармоник, в соответствии с выражением:
физ» — (60/Т [4 (Д(о14" А^) 4*3 (Af124~ А/м) -(- 2 (А^з+А^) 4~ 4" (А^ 4-А68)],
где временные интервалы между соответствующими моментами времени перехода через нуль первой Uv и третьей Ui гармоник сигнала (см. рис. 99) Д^ —fi—t0; Af12 = /2—Л; •■•; A^zs—is—h; T — период сигнала первой гармоники.
Из рис. 98 видно, что
А 41 --Д/45 = Д^вп-А^2 " А^28 = А^в -■= Д^вт = 776;
А 41 = A4$ "~7/6— Д^ВП'
откуда
Фиэм = (А^вл/У) 360° + 120й,
здесь Д^вп—разность времен запаздывания сигналов первой и третьей гармоник в точке измерений.
Соответствующие временные интервалы на коэффициенты 4, 3, 2, 1 умножаются в блоке временной селекции путем заполнения этих интервалов высокочастотными импульсами с 4/, 3[, 2f 11 f (где ) = 360/0,02 Т, Ги). При этом импульсы с частотой 4)" поступают на выход блока временной селекции, если сигналы "Us и Ua имеют уровень «Лог. 1», а сигнал U7— «Лог. О». Когда сигнал 'U5 — «Лог. 1», a Ut и Ug— «Лог. О», то на выход блока временной селекции проходят импульсы с частотой 3/. Аналогично этому в течение временных интервалов 4—4 и 4—4 на выход блока поступают импульсы с частотой 2/, а в промежутки времени 1$—4 и ^—<7— с частотой {. Следует иметь в виду, что на выход блока временной селекции импульсы проходят только в том случае, если имеется сигнал разрешения работы па выходах счетчика периодов и устройства запрета.
Импульсы сигнала 1^2 (см. рис. 99) с выхода блока временной селекции поступают на делитель частоты, коэффициент пересчета которого изменяется синхронно с переключением числа периодов накопления, задаваемых переключателем периодов
осреднения, выходным напряжением которого управляется ключ 4. С выхода делителя частоты импульсы через ключи 4 и 5 (см. рис. 96) поступают на счетчик результатов измерений, содержащий десятичные счетчики, дешифраторы и токовые ключи. К последним подсоединены цифровые индикаторы и источник их питания, в качестве которого используется блокипг-геператор, запускающийся только при нажатии кнопки SA2 или ЗАЗ в блоке управления.
Питаются цифровые индикаторы импульсным напряжением (скважность импульсов равна 4, ток потребления в импульсе 22—25 мА), причем только при нажатии кнопки SA2 или ЗАЗ, что позволяет значительно снизить потребляемую измерителем мощность. Кнопку SA3 «Табло N» следует нажимать только после того, как на цифровом индикаторе начнет светиться точка, что указывает па окончание работы преобразователя временных интервалов и можно брать отсчет измеряемого фазового угла.
В результат измерений помимо дополнительного фазового сдвига 120°, обусловленного различием частот сигналов первой и третьей гармоник, входит также и временной интервал, обусловленный собственными фазовыми сдвигами в измерительных каналах этих гармоник. Для учета и исключения этого дополнительного фазового сдвига и временного интервала 'после взятия рабочего отсчета Ур с цифрового индикатора (во время рабочего цикла измерений) проводят градуировку измерителя, во время которой берут отсчет Nr, соответствующий дополнительному фазовому сдвигу и фазовым сдвигам в измерительных каналах. Окончательный результат рассчитывается по формуле
Твпк = 0,036 (^Р-ЛГГ),
В станции ВП-Ф предусматривается возможность проверки правильности работы блока временной селекции (см. рис. 98). При нажатии кнопки SA «Самоконтроль» на выходы ключей / и 2 проходят контрольные импульсы с частотой FK и 4Fк. Не отпуская этой кнопки, кратковременно нажимают и отпускают кнопку SA3 в блоке управления (см. рис. 96). Точка на цифровом табло гаснет на время, равное произведению периода первой гармоники рабочей частоты на выбранное оператором число периодов осреднения, а затем загорается, сигнализируя о готовности результата измерений. Вновь нажимают кнопку SA3 и берут отсчет по цифровому индикатору, который должен быть равен 5632± 1 при нормальной работе цифровой части измерителя. Измеритель работает в режиме самоконтроля только па частоте 4,88 Гц.
В качестве первичного источника питания измерительного устройства используется батарея аккумуляторов, состоящая из 20 последовательно соединенных аккумуляторов типа ЦНК-0,9- Н-У2, имеющая номинальное напряжение 24 В. Батарея соединена с блоком питания, содержащим ключевой стабилизатор на-
пряжения и конвертор, с выходов которого снимаются необходимые напряжения для питания отдельных узлов измерителя. При изменении входного напряжения от 30 до 20 В выходное напряжение ключевого стабилизатора напряжения поддерживается постоянным, равным 14 В. Поэтому гга выходах конвертора стабилизаторы отсутствуют (за исключением двух параметрических, которые используются для питания предварительных усилителен) .
Аппаратура ЭВП-203
Электроразведочная аппаратура ЭВП-203 представляет собой усовершенствованный аналог станции ВП-Ф и предназначена для полевых работ в тех же условиях. Станция ЭВП-203 работает в режиме измерения разности времен запаздывания сигналов двух пли трех частот в точке приема, что позволяет непосредственно определять фазовый угол фВП> отнесенный к частоте первой гармоники питающего тока. Введение трехчастотного режима измерений позволяет исключать фазовые углы, обусловленные индукционными эффектами, пропорциональные не только частоте fi первой гармоники тока, но и J^, что существенно расширяет область применения этой станции.
Основные технические характеристики аппаратуры ЭВП-203
Максимальная мощность генератора, Вт: стационарного 6000
переносного 50
Напряжение в питающей линии. В; максимальное 1000
минимальное 100
Ток в питающей линии, А: максимальный 15
минимальный I
Измеряемое напряжение нерпой гармоники, мВ 0,03—104
Измеряемые фазовые углы, градус (—30)—(+30)
Рабочие частоты первой гармоники, Гц 0,076—312,5
Погрешность измерения: напряжения, % 2
фазовых углов фвп. градус 0,06
Входное сопротивление измерителя, МОм 3
Масса измерителя без источника питания, кг 7
В состав станции входят генераторное устройство п три идентичных измерителя. Питается генераторное устройство, имеющее блочную конструкцию, либо переменным трехфазяым напряжением с частотой 400 Гц, вырабатываемым стандартным бензоэлектрическим агрегатом, либо постоянным напряжением, подаваемым от батареи аккумуляторов. Масса каждого из трех блоков, входящих в состав генераторной установки, не превышает 50 кг.
Функциональные схемы генераторных устройств станций ЭВП-203 и ВП Ф одинаковы (см. рис. 95, а), за исключением
Рис. 100. Структурная схема измерительного устройства аппаратуры
ЭВП-203‘''
того, что в схеме станции ЭВП-203 отсутствует стабилизатор тока.
В измерительном устройстве (рис. 100) трехчастотпый сигнал (первой, третьей и пятой гармоник рабоче;\частоты), принимаемый заземленной линией MN или миоговитковой приемной рамкой, через переключатель рода работ в первом положении «Измерение», аттенюатор и предварительный усилитель поступает па входы трех избирательных усилителей /—3, настроенных на частоты первой, третьей и пятой гармоник питающего тока. К выходам избирательных усилителей 1- -3 подключены входы усилителей-ограничителей 1—3, а также (через переключатель ЗЛУ) аналого-цифрового преобразователя. Результат измерения амплитуды гармоник сигнала (в зависимости от положения переключателя 5Л/) отображается на табло цифрового измерителя. Кроме того, к выходу переключателя 5Л/ подсоединен стрелочный индикатор, который позволяет непрерывно контролировать выходное напряжение избирательных усилителей /—3 (на рис. 100 стрелочный индикатор не показан).
Усилители-ограничители 1—3 преобразуют синусоидальные сигналы Uv-U3 в напряжения Щ—(А прямоугольной формы, фронты которых совпадают с моментами перехода через нуль этих синусоидальных сигналов Ut—t/з- Выходные напряжения усилителей служат для управления работой преобразователя временных интервалов, который формирует временные интервалы, пропорциональные разности времени запаздывания сигналов двух или трех частот (в зависимости от положения переключателя SA2). Длительность полученных временных интерва-
лов измеряется цифровым измерителем, на вход которого поступают пачки высокочастотных импульсов. Они формируются делителем частоты /, на вход которого подаются сигналы с выхода задающего генератора; работа этого генератора стабилизирована кварцевым резонатором.
Для градуировки измерительного устройства по амплитуде и фазе служит калибратор, вырабатывающий двухполярные сигналы прямоугольной формы рабочей частоты. Как и в аппаратуре ВП-Ф, градуировочный сигнал фазируется рабочим для сокращения времени переходного процесса при переключении переключателя рода работ из положения / («Измерение») в положение 2 («Калибровка»).
Функцию синхронизатора выполняет ждущий мультивибратор, который вырабатывает короткие импульсы сброса в нуль триггеров делителя частоты 2 но каждому положительному фронту сигнала t/< на выходе усилителя-ограничителя /. При переходе к режиму калибровки переключатель рода работ снимает разрешающий сигнал со входа управления ждущего мультивибратора, и он прекращает работу на время градуировочного цикла.
В цифровом измерителе (рис. 101) сигналы с двух выходов преобразователя временных интервалов поступают на входы ключа / и счетчика периодов. Число периодов накопления задается оператором с помощью переключателя периодов осреднения. Этим переключателем синхронно изменяется число периодов сигнала, передаваемого на счетчик, и коэффициент пересчета делителя частоты /. Счетчик периодов формирует импульс, длительность которого равна произведению периода сигнала первой гармоники на выбранное оператором число периодов осреднения. Этот импульс открывает ключ /, через который пачки высокочастотных импульсов с выхода преобразователя временных интервалов подаются на делители / и 2. Делитель частоты / осредняющий, а делитель 2 сохраняет цену деления одного импульса. равную 0.0Г, при переходе от одной рабочей частоты к другой. Коэффициент пересчета делителя частоты 2 изменяется синхронно с переключением частоты настройки измерительного устройства.
В режиме градуировки ключ 2 закрыт, поэтому импульсы с. выхода делителя частоты 2 поступают в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и далее через вычитающее устройство на вход электронного коммутатора, служащего для изменения режима измерений. При нажатии кнопки SA1 на вход счетчика результата подается код с выхода АЦП, и на цифровом индикаторе отображается результат измерений амплитуды выбранной гармоники сигнала. Если же нажата кнопка SA2, то на вход счетчика результата подается код с выхода вычитающего устройства, который в данном случае соответствует собственному фазовому сдвигу между сигналами измерительного устройства. При отпускании кнопки SA2 записанная ранее
Рис. 101.ЭВП-203Рис. 101.ЭВП-203Функциональная схема цифрового измерителя, аппаратуры
Рис. 101.
ЭВП-203
Рис. 101.
ЭВП-203
ВходВходИзбирательныйусилитель •Избирательныйусилитель •ИИИзбирательныйусилитель 2Избирательныйусилитель 255Избирательныйусилитель 3Избирательныйусилитель 3ккУсилитель-ограничитель 2Усилитель-ограничитель 2ФормировательФормировательУсилитель- ограничитель /Усилитель- ограничитель /и5и5Усилитель-ограничитель 3Усилитель-ограничитель 3»6»6ИнверторИнвертор'в Формирователь'в ФормировательПредварительныйусилитель
Вход
Вход
Избирательныйусилитель •
Избирательныйусилитель •
И
И
Избирательныйусилитель 2
Избирательныйусилитель 2
5
5
Избирательныйусилитель 3
Избирательныйусилитель 3
к
к
Усилитель-ограничитель 2
Усилитель-ограничитель 2
Формирователь
Формирователь
Усилитель- ограничитель /
Усилитель- ограничитель /
и5
и5
Усилитель-ограничитель 3
Усилитель-ограничитель 3
»6
»6
Инвертор
Инвертор
'в Формирователь
'в Формирователь
15
Генератор импульсовГенератор импульсов
Генератор импульсов
Генератор импульсов
Элемент
И2дю
ЭлементИ1
1,9
Делительчастоты
Счетчик периодов
Элемент ИЛИ
^1
Ай77№<У J
результат^
Рис. 102. Упрощенная схема трехчастотного измерительного устройства аппаратуры ЭВП-203
в ОЗУ информация стирается, блок запуска вырабатывает импульс сброса счетчика периодов и делителей частоты I, 2, что приводит к автоматическому повторению измерений и записи н ОЗУ новой информации.
Когда переключатель рода работ устанавливается в положение / («Измерение»), на ключ 2 подается отпираюшее напряжение, а на ОЗУ — сигнал запрета перезаписи. В результате этого в ОЗУ хранится код результата градуировочных измерений, который поступает на первый вход вычитающего устройства. Импульсы, соответствующие относительному фазовому сдвигу между гармониками принимаемого из земли сигнала, в данном случае с выхода делителя частоты 2 через ключ 2 подаются на второй вход вычитающего устройства, на выходе которого получают код, соответствующий разности рабочего и калибровочного измерений. Этот код при нажатой кнопке S.42 отображается на цифровом индикаторе.
В варианте трехчастотных измерений (рис. 102) поступающий на вход предварительного усилителя трехчастотный сигнал разделяется па составляющие Ux, Ui, Ug избирательными усилителями 1—3 трех частот. Усилители-ограничители /—3 преобразуют синусоидальные сигналы в напряжения^—Us (рис. 103) прямоугольной формы, которые используются для управления работой формирователей 1 и 2 временных интервалов. Они запускаются обоими фронтами сигнала U^ первой гармоники и сбрасываются в нуль первыми следующими за ними фронтами противоположной полярности сигналов U& и U6 соответственно третьей и пятой гармоник (если запуск производится положительным фронтом, то сброс — отрицательным, и наоборот). Формы сигналов Ui и Ug на выходах формирователей 1 и 2, а также U^—Ug показана на рис. 103.
Временные интервалы, соответствующие длительности импульсов Ug, в элементе И1 (см. рис. 103) заполняются высокочастотными импульсами, получаемыми на выходе делителя частоты, к входу которого подключен генератор импульсов. С помощью элемента И2 формируется временной интервал, равный разности длительностей импульсов (/7 и Ug. Операция вычитания производится путем подачи на один из входов элемента И2 непосредственно импульсов £77, а на другой — инвертированных инвертором импульсов Us. Полученный разностный импульс заполняется в элементе И2 высокочастотными колебаниями, вырабатываемыми генератором импульсов. Полученные на выходах элементов И1 и И2 пачки импульсов U^ и С7|0 проходят через элемент ИЛИ на счетчик результатов, где их число отображается на цифровом индикаторе. Число периодов осреднения результатов измерения задает счетчик периодов, подключенный к выходу усилителя-ограничителя 1 сигнала первой гармоники.
Возможность разделения индукционных и поляризационных эффектов по разности времен запаздывания сигналов трех частот в точке приема основана на известной зависимости фазо-
Рис. 103. Эпюры напряжений, поясняющие работу трехчастотного измерительного устройства аппаратуры ЭВП-^03
вых сдвигов ф электрической составляющей гальванически возбуждаемого в земле электромагнитного ноля от частоты ю:
ф “—фВП "b^i^ ' I* Og<B ' |- O3W 4” • • • ।
где й|, «2, «з— постоянные коэффициенты, не зависящие от ча-
236
гтоты и определяющиеся только размерами установки, координатами точки измерений, проводимостью среды и т. д.
Поэтому времена запаздывания G—/3 сигналов первой-- третьей гармоник в точке приема (см. рис. 103) относительно соответствующих гармоник возбуждающего тока равны:
СО
G--4-01-1-02 (ЛО))'2 -|-a3(n®)3'’’ I- . . . .
G -+ «I + о2 (т<о)12 4- а3 (тю)3'2 --...,
та
где п = 3, ш = 5.
Без учета последних слагаемых в уравнениях для G—t» после решения системы этих трех уравнении, получаем:
Фвп = -^—(A^s + 2,5Д <м) 360 ,
где &Z13=G—G; Д^з^г—^з— интервалы времени между моментами перехода через нуль напряжений соответственно первой и пятой и третьей и пятой гармоник.
Из рис. 103 видно, что в аппаратуре ЭВП-203 заполняются высокочастотными импульсами не непосредственно временные интервалы Д^з и Д/23, а интервалы, дополняющие их до половины периода сигнала пятой гармоники, и разности нолупе- риодов третьей и пятой гармоник. Такая конструкция позволяет получать однозначные отсчеты измеряемого фазового угла как при отрицательном, так и при положительном их знаках.
Указанные постоянные величины временных интервалов формируются также и во время выполнения градуировочного цикла измерений, а разность рабочего н градуировочного замеров определяется только фазовым сдвигом фВц.
Прибор переменного тока станции СВП-74
В комплект станции СВП-74 помимо измерителя переходных процессов входит также прибор переменного тока, позволяющий измерять частотные параметры — эффективные значения модуля и реактивной компоненты переменного напряжения на четырех фиксированных частотах. Прибор переменного тока, в котором реализован квазикомпенсационный способ измерений, обеспечивает проведение работ .методами сопротивления, вызванной поляризации и нелинейной вызванной поляризации на переменном токе. При этом для возбуждения переменного электромагнитного поля в земле используются те же стационарный и переносной генераторы, которые применяются при измерениях нестационарных полей.
Рис. 104. Схема прибора переменного тока станции СВП-74Рис. 104. Схема прибора переменного тока станции СВП-74Основные технические характеристики прибора переменного токаОсновные технические характеристики прибора переменного токастанции СВП-74станции СВП-74
Рис. 104. Схема прибора переменного тока станции СВП-74
Рис. 104. Схема прибора переменного тока станции СВП-74
Основные технические характеристики прибора переменного тока
Основные технические характеристики прибора переменного тока
станции СВП-74
станции СВП-74
Рабочие частоты, Гн 2,44;4,88;
9,75; 19,5
Измеряемое напряжение, мВ0,01—3-103
Входное сопротивление, МОм 0,8
Остаточный сигнал недокомпенсации активной составляющей напряжения по отношению к величине компенсируемого сигнала, %0,25
Масса, кг 5,5
На вход избирательного милливольтметра прибора переменного тока (рис. 104) поступает сумма принимаемого из земли приемной линией MN сигнала и компенсирующего напряжения, пропорционального току в питающей линии АВ. Компенсирующий сигнал с эталонного резистора (шунта), включенного последовательно в питающую линию АВ, через блок гальванической развязки и регулятор сигналов вводится последовательно с принимаемым из земли сигналом во входную цепь избирательного м и л л и вол ьт м ет р а.
При выполнении работ сначала отключают блок гальванической развязки от регулятора сигналов и избирательным милливольтметром измеряют амплитуду принимаемого из земли сигнала (отсчет берут пи показаниям стрелочного индикатора PV). Затем блок гальванической развязки подключают к регулятору сигналов, которым регулируют амплитуду компенсирующего сигнала до получения минимальных показаний стрелочного индикатора PV. Ручки регулятора сигналов указывают отсчет активной составляющей сигнала, а показания стрелочного прибора PV— реактивной.
Избирательный милливольтметр прибора переменного тока выполнен по той же структурной схеме, что и измеритель в аппаратуре АНЧ-3. Отличие состоит лишь в том, что в рассматриваемом приборе избирательные усилители настроены не на одну, а на четыре фиксированные частоты. Милливольтметр содержит предварительный усилитель, два перестраиваемых гираторных фильтра в амплитудный детектор. Калибровка милливольтметра производится специальным калибратором, входящим в состав станции СВП-74.
Аппаратура ФД-4
Низкочастотная аппаратура ФД-4 для измерения вызванной поляризации и удельного сопротивления геоэлектрических разрезов разработана в Венгерским геофизическом институте им. Л. Этвеша.
Основные технические характеристики аппаратуры ФД-4
Рабочие частоты, Гц0,1; 0,4; 1,0
и 6,5
Максимальная мощность генераторного устройства, 6т ... .200
Фиксированные значения тока в питающей линии, А . . . . 0,03; 0,06;
0,1; 0,3; 0,6;
1.0
Максимальное напряжение в питающей линии, В 400
Погрешность стабилизации тока, % 0,1
Измеряемое напряжение, мВ 0,02—190
Измеряемые фазовые углы, градус (—10)—(+10)
Погрешность измерения: напряжения, % 0,1
фазовых углов, градус 0,1
Входное сопротивление измерителя, МОм 10
Аппаратура ФД-4 работает па четырех фиксированных частотах я измеряет кажущееся удельное сопротивление и фазовый сдвиг между первыми гармониками напряжения на приемных электродах и тока в питающей линии. В состав аппара- гуры входят генераторное и измерительное устройства, а также бензоэлектрический агрегат. Измеритель работает автономно от генератора, а синхронизация их работы осуществляется двумя одинаковыми кварцевыми часами, обеспечивающими стабильность частоты 5-10-9.
Первичным источником питания (рис. 105, а) генератора служит бензоэлектрический агрегат АБ-0,25-50 с номинальной мощностью 250 Вт, напряжением 220 В и частотой 50 Гц. В блоке питания переменное напряжение преобразуется в постоянное и подается па инвертор. Моменты коммутации тока в инверторе задаются импульсами, подаваемыми от блока управления. Эти импульсы формируются из синусоидального высокочастотного напряжения, вырабатываемого задающим
Рис. 105. Функциональная схема генераторного устройства аппаратуры ФД-4 (п) и форма тока (б), вырабатываемого этим устройствомРис. 105. Функциональная схема генераторного устройства аппаратуры ФД-4 (п) и форма тока (б), вырабатываемого этим устройством
Рис. 105. Функциональная схема генераторного устройства аппаратуры ФД-4 (п) и форма тока (б), вырабатываемого этим устройством
Рис. 105. Функциональная схема генераторного устройства аппаратуры ФД-4 (п) и форма тока (б), вырабатываемого этим устройством
генератором, работа которого стабилизирована кварцевым резонатором.
Инвертор нагружен на питающую линию АВ и вырабатывает импульсы тока с паузами (рис. 105,6), причем время пропускания тока в 2 раза больше длительности паузы. В спектре такого тока отсутствует третья гармоника, что позволяет получать более высокую точность измерения фазовых сдвигов первой гармоники.
Ток в питающей линии АВ стабилизирован ключевым стабилизатором, состоящим из регулятора тока и дифференциального усилителя А. Па один из его входов подастся эталонное напряжение от источника Еэт, а на второй—напряжение на эталонном резисторе ROT, пропорциональное току питания инвертора. Регулятор тока поддерживает постоянной величину тока таким образом, чтобы падение напряжения на резисторе R,4 было равно напряжению Ечт. Путем изменения сопротивления резистора /?йт дискретно устанавливается одно из шести значений тока от 30 мА до 1 А.
Блок синхронизации предназначен для начальной синхронной установки в пуль кварцевых генераторов и триггеров, входящих в состав блоков управления генераторного устройства и измерителя.
В измерительном устройстве (рис. 106) поступающий из приемной линии MN сигнал усиливается предварительным усилителем, фильтруется от помех избирательным усилителем и подается па преобразователь напряжения, который, во-первых, выпрямляет сигнал синусоидальной формы, а во-вторых, вырабатывает импульсы в моменты перехода синусоидального напряжения через нулевое значение.
Выпрямленный сигнал с выхода преобразователя напряжения поступает па аналого-цифровой преобразователь (АЦП), представляющий постоянное напряжение в виде последовательности импульсов, частота следования которых пропорциональна амплитуде постоянного напряжения. Полученная последовательность поступает па первый вход логического элемента И,
Рис. 108. Функциональная схема измерителя Аппаратуры ФД-4
а на второй — управляющий сигнал с блока управления. Последний формируется из напряжений, вырабатываемых кварцевым генератором (кварцевыми часами), и представляет собой прямоугольный импульс, длительность которого может быть установлена оператором равной (14-256)7, где Т— период рабочего сигнала. Элемент И открыт для прохождения импульсов с выхода АЦП только во время поступления на его второй вход управляющего сигнала с блока управления. Число импульсов на выходе элемента И подсчитывается счетчиком, а среднее значение амплитуды измеряемого сигнала считывается с цифрового индикатора при нажатии кнопки (на рис. 106 но показаны) на передней панели блока управления.
При максимальной чувствительности измерительного устройства иена деления младшего разряда четырехразрядного цифрового индикатора соответствует 0,1 мкВ. Предусмотрена возможность установки считывания с цифрового индикатора непосредственно величины кажущегося сопротивления с погрешностью, не превышающей 0,3%.
Импульсы, соответствующие моментам перехода через нулевое значение синусоидального сигнала, с выхода преобразователя напряжения подаются на один из входов преобразователя временных интервалов. А на второй его вход поступает опорный сигнал рабочей частоты с выхода блока управления. На входе преобразователя установлен формирователь временного интервала, который создает импульс напряжения. Его начало совпадает с фронтом импульса опорного сигнала, а конец— с фронтом импульса, вырабатываемого преобразователем напряжения. Длительность этого импульса пропорциональна измеряемому фазовому сдвигу.
В преобразователе временных интервалов имеется также трехвходовой логический элемент И и счетчик, выход которого подключен к цифровому индикатору. На один из входов трех- входового элемента И поступают импульсы, пропорциональные по длительности измеряемому фазовому углу, на второй — импульсы высокой частоты от кварцевого генератора, а на третий — управляющий импульс с выхода блока управления. Длительность последнего устанавливается оператором и равна п периодам рабочей частоты. Число импульсов, подсчитанное счетчиком на выходе преобразователя временных интервалов, пропорционально измеряемому фазовому углу и снимается с цифрового индикатора при нажатии второй кнопки на передней панели блока управления. Цена деления младшего значащего разряда на цифровом индикаторе фазовых сдвигов составляет 0,1°.
Начальная установка кварцевого генератора и делителей частоты в блоке управления производится 1 раз в день по цепи синхронизации от генераторного устройства, что обеспечивает точность измерений фазовых углов ±0,1° на частотах до 1,6 Гц в течение рабочего дня.
АППАРАТУРА НИЗКОЧАСТОТНЫХ ИНДУКТИВНЫХ МЕТОДОВ И ЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
ЗОНДИРОВАНИЙ
Аппаратура ЭВА-203
Электроразвсдочпая аппаратура ЭВА-203 предназначена для возбуждения и измерения переменных электрических и магнитных полей в диапазоне от сотых долей до тысячи герц. Она может быть использована для комплексного изучения параметров геоэлектрических разрезов но результатам измерений параметров индуктивно возбуждаемых и принимаемых полей, а также гальванически возбуждаемых полей с измерением параметров электрического и магнитного поля при повышенном уровне промышленных и других видов помех. Несколько режимов измерений станции позволяют применять се при производстве работ методом вызванной поляризации, низкочастотными индуктивными методами, методами глубинных частотных зондирований и сопротивлений в условиях сложных низкоомных геоэлектрических разрезов.
Основные технические характеристики аппаратуры ЭВА-203
Максимальная мощностьгенераторного устройства, кВт . . .13
Напряжение в Читающей линии, В максимальной 1 460
минимальное ЮО
Ток в питающей линии, Л максимальный 30
минимальный I
Рабочие частоты первой гармоники, Гц 0,038—312,5
Максимальная дальность передачи опорных сигналов по радиоканалу, км 10
Измеряемое напряжение первой гармоники, мВ 0,03—101
Измеряемые фазовые углы, градус, в режиме: одночастотном(—90)—(+90)
двухчастотном(—60)—(+60)
трехчастотком(—18)— (+18)
Погрешность измерения: фазовых углов, градус 0,06
напряжения, % 2
Входное сопротивление измерителя, МОм . . . 3
Станция ЭВЛ-203 состоит из генераторной установки, смонтированной на автомобиле повышенной проходимости УЛЗ-469Б, и созданной на базе стандартной электроразведоч- ной станции СГЭ-72. а также измерительной установки, размешенной в кузове автомобиля повышенной проходимости типа ГАЗ-6Б.
В комплект измерительной установки входят также две многовитковые рамки эффективной площадыо 5000 м2, намотанные на кольцевые каркасы, и две двухпроводные витые линии длиной по 500 м, намотанные на переносные катушки. Измерительная установка содержит два одинаковых измерителя, один
из которых используется для полевых измерений, а другой — для контроля амплитуд и соотношения фазовых сдвигов гармоник витающего тока в генераторной установке.
Силовая часть генераторной установки (рис. 107) собрана по типовой схеме, работающей следующим образом: постоянное напряжение, вырабатываемое генератором достоянного тока с приводом от двигателя автомобиля, преобразуется в переменное напряжение прямоугольной формы тринпсторным инвертором. Его работой управляет высокостабильный задающий генератор. частота колебаний которого делится в заданное оператором число раз стандартным двоичным делителем частоты. Тринисторы инвертора включаются и выключаются импульсами, подаваемыми с выхода блока запуска. Импульсы сигнала опорной фазы, частота которых в 2 раза выше частоты первой и третьей гармоник рабочего сигнала, подаются на модулятор радиопередатчика. Эти импульсы вырабатываются формирователем опорных сигналов из напряжений, которые служат также для запуска тринисторов инвертора.
Питающая линия АВ (или незаземленная петля) подключается к выходу инвертора через эталонный резистор RS1, сопротивление которого равно 0,01 Ом. Падение напряжения на этом резисторе, пропорциональное току в питающей линии, поступает на измеритель тока, с помощью которого Оператор генераторной установки измеряет амплитуды перйОк, третьей и пятой гармоник тока, их начальные фазовые сдвиги относительно опорных сигналов, передаваемых радиопередатчиком, а также относительные фазовые сдвиги сигналов первой и третьей гармоник (в режиме двухчастотных измерений) или первой, третьей и пятой гармоник (в режиме трехчастотных измерений).
Нагрузкой генераторной установки может служить только питающая линия или петля, представляющие собой последовательно включенные индуктивность, величина которой не больше 10 мГн, и активное сопротивление (>10 Ом).
В измерительной установке (рис. 108. а) принимаемый из земли приемной линией MN или приемной рамкой сигнал через переключатель / и аттенюатор 1 поступает на вход предварительного усилителя /, а через переключатель 3 и аттенюатор 2 на вход предварительного усилителя 2. Необходимость установки па входе измерителя трех переключателей, двух аттенюаторов и двух предварительных усилителей обусловлена тем. что приемная рамка имеет ограниченную полосу пропускания частот, и поэтому соотношение амплитуд первой, третьей и пятой гармоник измеряемого сигнала оказывается разным при использовании в качестве датчика приемной линии MN или рамки.
На рис. 108,6 изображена амплитудно-частотная характеристика коэффициента передачи приемной рамки, зашунтирован- ной /^С-цепочкой, корректирующей эту характеристику в обла-
Рис. 107. Структурная схема генераторного устройства аппаратуры ЭВА-203
а
Рис. 108. Функциональная схема измерительной установки аппаратуры ЭВА-203 (а) и амплитудно-частотная характеристика (б) приемной рамки этой установки
ста высоких частот. Коэффициент преобразования приемной рамки G\=UXIHX, где Ux — амплитуда сигнала первой гармоники, выделенная из выходного сигнала рамки при воздействии на нее магнитного поля с амплитудой Нх. Амплитудно-частотная характеристика становится плоской, т. о. такой же, как и у приемной линии MN, начиная только с частоты 39 Гц (см. рис. 108,6).
В связи с этим при выполнении двухчастотных измерений магнитного поля на частотах ниже 39 Гц в измерительном устройстве осуществляется независимое усиление с помощью предварительных усилителей 1 и 2 (см. рис. 108, а) входного сигнала, поступающего на вход избирательного усилителя / первой гармоники и избирательного усилителя 2 третьей гармоники. В этом случае переключателем 3 вход избирательного усилителя / отключается от выхода предварительного усилителя 2 и через переключатель 2 подключается к выходу предварительного усилителя /. Аттенюаторы 1 и 2 служат для независимой регулировки амплитуды сигнала, поступающего на входы предварительных усилителей / и 2.
При измерениях с выхода приемной линии MN сигнал через переключатель / и 3, аттенюатор 2 и предварительный усилитель 2 поступает одновременно на входы всех избирательных усилителей /—3.
Если регистрация проводится при наличии помех, то в измерительные каналы переключателями 2 и 3 могут быть включены фильтры-пробки 1 и 2, подавляющие помехи с частотами 50 и 150 Гц. Фильтр-пробка / используется только при измерениях магнитного поля и включается в канал первой гармоники.
К выходам избирательных усилителей 1—3 подключены формирователи импульсов /—3, вырабатывающие короткие импульсы в моменты перехода синусоидальных сигналов через нулевые и максимальные значения. Первые выходы формирователей /—3 через разделительные трансформаторы подключены к измерителю временных интервалов, а выходы избирательных усилителей /—3 и вторые выходы формирователей импульсов через переключатели SAL! и SA1.2 подсоединены к вольтметру. С помощью последнего поочередно измеряются амплитуды сигналов первой и третьей гармоник па выходах избирательных усилителей. Так как на вход синхронизации вольтметра поступают импульсы синхронизации с выходив формирователей 1—3 в моменты максимума синусоидальных напряжений, то отсчет пи нему соответствует максимальному значению амплитуды синусоидального сигнала.
Благодаря наличию разделительных трансформаторов на выходах формирователей импульсов 1—3 отсутствует гальваническая связь между малосигнальной аналоговой частью измерителя и цифровой схемой измерителя временных интервалов, что значительно уменьшает паразитные связи между этими частями
измерителя и позволяет повысить чувствительность устройства.
На четвертый вход измерителя временных интервалов подаются импульсы опорной фазы с выхода радиоприемника. Из-' меритель временных интервалов может работать в одном из четырех режимов, задаваемых оператором: а) измерений абсолютного значения фазового сдвига сигнала первой гармоники Относительно импульсов опорной фазы; б) измерений абсолютного значения фазового сдвига сигнала третьей гармоники относительно импульсов опорной фазы; в) двухчастотных измерений разности времен запаздывания сигналов первой и третьей гармоник; г) трехчастотных измерений разности времен запаздывания сигналов первой, третьей и пятой гармоник.
Измерительное устройство градуируется по амплитуде и фазе с помощью калибратора, который вырабатывает двухпо- лярпое напряжение прямоугольной формы рабочей частоты. Сигнал управления на калибратор подается с выхода делителя частоты, входящего в состав измерителя временных интервалов. Режим градуировки устанавливается переключателем / (рода работ) при измерениях электрического поля. Если измеряется магнитное поле, то сигнал градуировки с выхода калибратора подается непосредственно в приемную рамку, благодаря чему в цепь градуировки включается не только измерительный тракт устройства, но и приемная рамка.
На входе измерителя временных интервалов (рис. 109) установлено коммутирующее устройство, выходы которого подключены к селектору импульсов. Четыре входа коммутирующего устройства соединены с выходами формирователей импульсов /—3 и радиоприемника. Один из четырех указанных
Рис. 109. Структурная схема измерителя временных интервалов аппара туры ЭВА-203
выше режимов работы селектора импульсов задастся переключателем Л подключенным к коммутирующему устройству. Блок самоконтроля, служащий для контроля правильности работы цифровой части измерительного устройства, вырабатывает импульсы с частотой первой, Третьей и пятой гармоник и опорные импульсы с определенными, точно известными, временными сдвигами, которые подаются на входы коммутирующего устройства. В зависимости от положения переключателя 1 на цифровом индикаторе появляются контрольные числа, которые должны соответствовать указанным в паспорте станции, что будет свидетельствовать о нормальной работе измерителя временных интервалов.
Вырабатываемые селектором импульсов временные интервалы, пропорциональные измеряемым фазовым сдвигам, заполняются высокочастотными импульсами, поступающими от задающего генератора через делитель частоты /. При трсхчастот- ных измерениях, как и в аппаратуре ЭВП-203, для заполнения временных интервалов в селектор поступают импульсы двух различных частот с выходов делителя частоты 1.
С выхода селектора последовательности импульсов подаются на делитель частоты 2, коэффициент пересчета которого задается переключателем 3. Делитель частоты 2 служит для поддержания одинакового значения одного счетного импульса в градусах при переключениях рабочих частот переключателем 3. Через переключатель 4 выходные импульсы делителя частоты 2 поступают на вход осредняющего счетчика, коэффициент деления которого соответствует выбранному оператором числу периодов накопления, устанавливаемому переключателем 5. Этим же переключателем задастся число периодов осреднения в счетчике периодов, вырабатывающем импульс, длительность которого равна периоду первой гармоники, умноженному на выбранное число периодов осреднения. После окончания этого импульса измерение фазовых углов заканчивается. С выхода осредняющего счетчика импульсы подаются на счетчик результатов измерений. Полученные данные запоминаются в оперативном запоминающем устройстве и отображается па табло цифрового индикатора.
Измерительное устройство запускается при нажатии кнопки в блоке запуска. Оно может работать также в автоматическом режиме, что устанавливается переключателем 6. При повторном пуске измерительного устройства блок запуска возвращает в исходное состояние селектор импульсов, осредияюший счетчик, счетчик результатов и делитель частоты 2, а ОЗУ подготавливается к записи п него результата измерений.
В аппаратуре ЭВА-203 имеется анализатор фазовых сдвигов, который используется для отключения осредняющего счетчика от выхода делителя частоты 2 в тех случаях, когда временные интервалы значительно отличаются от среднего значения, полученного путем осреднения результатов измерений за
несколько предыдущих периодов. Анализатор содержит несколько регистров памяти, схем вычитания и сравнения, с помощью которых определяется разность между текущим значением измеряемого фазового угла и средним значением фазовых сдвигов за несколько предыдущих и последующих периодов сигнала, следующих до и после измерения текущего значения фазового угла. Если полученная разность не превышает заданного значения (0,1—0,2Э), то информация о величине текущего фазового сдвига переносится в осредняющий счетчик. Если же указанная разность превышает заданный предел, информация из анализатора в осредняющий счетчик не заносится, а счетчик периодов не срабатывает, т. е. производится пропуск этого отсчета. Информация из анализатора переносится в осредняющий счетчик тактовыми импульсами с выхода делителя частоты /. Таким образом, из результатов измерений исключаются ошибки, обусловленные действием помех на вход измерительного устройства. При отсутствии помех анализатор отключается переключателем 4.
Сигнал управления калибратором вырабатывается делителем частоты 1 и подается через переключатель 3 и блок самоконтроля на вход калибратора.
Питается измерительное устройство стабилизированными напряжениями, вырабатываемыми двумя конверторами, подключенными к двум первичным источникам — аккумуляторам. Первый конвертор используется для питания аналоговой части, а второй — цифровой части измерительного устройства.
Аппаратура АМЗ-1
Электроразведочная аппаратура АМЗ-1 предназначена для возбуждения и измерения переменных электрических и магнитных полей в диапазоне звуковых и инфразвуковых частот. Она применяется при исследованиях низкочастотными индуктивными методами, методами заряда, сопротивлений и вызванной поляризации на переменном токе.
Основные технические характеристики аппаратуры АМЗ-1
Максимальная мощность генераторного устройства, кВт . . .25
Рабочие частоты, Гц. при измерениях: разности электрических потенциалов 0,3; 1,22
магнитной индукции 19,5;78
Измеряемая разность электрических потенциалов, мВ . . . .0,01—1000
Измеряемая магнитная индукция, Тл10~и—10-t
Погрешность измерения квадратурных компонент магнитной индукции при их величине более 5пТл, % I
Подавление помех с частотой 50 Гц, дБ, при измерениях: разности электрических потенциалов 60
магнитной индукции 100
Подавление импульсных помех, дБ, при измерениях; разности электрических цотенииалоп 20
магнитной индукции 60
Максимальная площадь исследований при одном заряде, км2 . .25—30
Масса, кг:
генераторного устройства (без первичного источникапитания)40
измерителя 6
магнитоиндукционного преобразователя с треногой8
В состав аппаратуры входит генератор возбуждающего тока, измеритель электромагнитных полей и магпитоиндукци- онный преобразователь, выполненный в виде катушки с ферритовым сердечником.
Генераторное устройство станции АМЗ-1 (рис. НО), содержащее тринисторный инвертор и блок управления /, питается от генератора постоянного тока, нс входящего в состав станции. В качестве генератора постоянного тока могут быть использованы генераторные группы стандартных электроразве- дочных станций СГЭ-72, ВП-62, ВПС-63, ЭРС-67 и др. Блок управления вырабатывает импульсы запуска тринисторов инвертора одной из четырех фиксированных рабочих частот. Инвертор преобразует постоянное напряжение, вырабатываемое генератором постоянного тока, в прямоугольные разнополярные импульсы напряжения без пауз. К выходным клеммам А н В инвертора может быть подключена заземленная питающая линия или незаземленная петля.
К выходу блока управления 1 подключен также формирователь синхроимпульсов, вырабатывающий две последовательности прямоугольных импульсов напряжения, следующих с частотой рабочего сигнала и сдвинутых относительно друг друга на 90°, причем фронты импульсов одной последовательности совпадают с моментами коммутации тока тринисторным инвертором.
Рис 110, Структурная схема станции АМЗ-1
Измерительная установка состоит из приемного датчика, избирательного усилителя, преобразователя напряжение—частота, реверсивного счетчика с цифровым индикатором на выходе. Управление работой измерительного устройства осуществляется от блока управления 2, на который поступают сигналы синхронизации, принимаемые приемником синхроимпульсов. Принятый из земли приемным датчиком (заземленным диполем MN или магннтошщукционным преобразователем) сигнал фильтруется от помех избирательным усилителем, настраиваемым на одну из четырех рабочих частот, и подается на преобразователь напряжение—частота. В качестве преобразователя, применяется модулятор с центральной частотой fo=6O кГц и крутизной характеристики /(=1 МГц/B. Выходной сигнал преобразователя имеет частоту
1^ -lo^KXU^,
где ДУ (/)—амплитуда синусоидального напряжения на выходе избирательного усилителя в текущий момент времени t, а знак «±» означает, чти в положительный полупериод синусоидального напряжения частота на выходе преобразователя увеличивается по сравнению с центральной частотой f0, а в отрицательный полупериод — уменьшается.
Частотно-модулированная последовательность импульсов с выхода преобразователя напряжение — частота поступает на счетный вход реверсивного счетчика. Опорное напряжение прямоугольной формы, частота которого совпадает с рабочей частотой, а фазовый сдвиг относительно питающего тика равен О или 90°, передается ни проводам (или по радиоканалу) от формирователя синхроимпульсов генераторного устройства на приемник синхроимпульсов и далее через блок управления 2— ла входы управления реверсивного счетчика. Если, например, фазовый сдвиг принятого из земли сигнала относительно питающего тока равен нулю, то в положительный полупериод синусоидального напряжения на выходе избирательного усилителя управляющий опорный сигнал устанавливает реверсивный счетчик в режим сложения, и он будет суммировать поступающие на его вход импульсы:
k^-t^^u^.
Во время действия отрицательного нолупериода выходной сигнал преобразователя имеет частоту
Ш=^-К^1^,а управляющий опорный сигнал устанавливает реверсивныйсчетчик в режим вычитания, так что за один период счетчикомбудет подсчитано число импульсов, равноед^МО-МО^кдщо,
По этому полученному числу импульсов, зная крутизну характеристики Л' преобразователя, можно определить амплитуду измеряемого сигнала АЩ1).
Если же фазовый сдвиг опорного сигнала, подаваемого на входы управления реверсивного счетчика, равен точно 90° относительно синусоидального напряжения на выходе избирательного усилителя, то в режиме сложения на вход счетчика в течение первой четверти периода поступят сначала импульсы с частотой hW’ а во второй четверти — импульсы с частотой /?(0> так что суммарная частота, подсчитанная счетчиком, будет f0.
Во второй полупериод опорного напряжения реверсивный счетчик работает в режиме вычитания, так что к концу периода отсчет по реверсивному счетчику будет равен нулю. Таким образом, осуществляется фазочувствительное измерение принимаемых из земли сигналов: если опорный сигнал имеет нулевой фазовый сдвиг относительно тока в питающей линии, то измеряется активная компонента принимаемого из земли сигнала, а при фазовом сдвиге опорного сигнала, равном 90°, регистрируется реактивная компонента сигнала. Результаты измерений отображаются на табло цифрового индикатора.
АППАРАТУРА НИЗКОЧАСТОТНОЙ АЭРОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ
В настоящее время созданы разнообразные варианты аппаратуры низкочастотной аэроэлектроразведки, которые реализуют различные способы измерений, соответствующие разным методам низкочастотной аэроэлектроразведки. Выделяют два основных метода низкочастотной аэроэлектроразведки: ближней зоны (метод индукции) и комбинированной зоны (метод бесконечно длинного кабеля БДК). В свою очередь, в методе ближней зоны выделяется ряд модификаций: разнесенных рамок, совмещенных рамок (компланарных или взаимно перпендикулярных), вращающегося магнитного поля (ВМП) и др.
Аппаратура ВМП
Аэроэлектроразведочпая аппаратура ВМП применяется для поисков геологических объектов повышенной проводимости, а также для геологического картирования изучаемого района работ.
Основные технические характеристики аппаратуры ВМП
Максимальная мощность генераторного устройства, Вт 750
Рабочие частоты, Гц 612,1225,
2450
Максимальный разнос между генераторной и приемной рамками, м 300
Минимальная высота буксировки приемной рамки, м 50
Средняя производительность съемки, км^/день 150
Масса бортовой аппаратуры, кг 138
Аппаратура ВМП размещается на двух самолетах АН-2, летящих друг за другом (рис. Ill,а). Как правило, впереди находится самолет /, который транспортирует на кабель-троссе длиной 20 м гондолу 2 с приемными рамками. Сзади па одной высоте с гондолой 2 движется второй самолет 3 с генераторными рамками. Такой порядок полета позволяет непрерывно корректировать высоту полета самолета 3 таким образом, чтобы он располагался примерно в одной горизонтальной плоскости с гондолой 2.
Генераторное устройство аппаратуры ВМП (рис. 111,6) содержит две взаимно перпендикулярные генераторные рамки 1 и 2, питаемые от генератора через усилители мощности 1 и 2 токами одной частоты и одинаковой амплитуды, но сдвинутыми фазовращателем / относительно друг друга по фазе па 90°. Моменты этих рамок ориентированы перпендикулярно к профилю наблюдений. Магнитное поле такой системы рамок имеет круговую поляризацию. Это значит, что вектор напряженности магнитного поля вращается вокруг оси х в перпендикулярной
Рис. 111. Схема полета самолетов ная схема этой аппаратуры (6)Рис. 111. Схема полета самолетов ная схема этой аппаратуры (6)с аппаратурой ВМП (а) и структурс аппаратурой ВМП (а) и структур
Рис. 111. Схема полета самолетов ная схема этой аппаратуры (6)
Рис. 111. Схема полета самолетов ная схема этой аппаратуры (6)
с аппаратурой ВМП (а) и структур
с аппаратурой ВМП (а) и структур
к ней плоскости с частотой, равной частоте тока в рамках (не изменяя своем величины). Конец вектора напряженности образует окружность с центром на оси х (поле имеет такую структуру, как если бы оно было создано за счет механического вращения постоянного магнита с частотой переменного магнитного поля вокруг той же оси х).
Измерительная установка также состоит из двух ортогональных приемных рамок 1 и 2, буксируемых в гондоле одного из самолетов. Если самолеты движутся над однородным проводящим полупространством, то сигналы на выходах приемных рамок 1 и 2 равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на 90° (при совпадении их оси с осью х генераторных рамок 1 и 2). Через входные усилители 1 и 2 и фазовращатель 2, сдвигающий фазу одного из сигналов па 90°, напряжения с выходов приемных рамок / и 2 поступают на входы вычитающих устройств 1 и 2, формирующих на своих выходах сигналы, пропорциональные амплитудному А и фазовому Д<р параметрам:
Л ~Ц/,|—|С/у|;
Дф=ф,—фу,
где Uz, Uy — сигналы в приемных рамках 1, 2; ф2, фу — фазовые сдвиги этих сигналов относительно питающего тока.
Параметры А и Аф записываются регистраторами /, 2 на бумажной или магнитной ленте. В однородной и, в частности, непроводящей среде (в воздухе на большой высоте) параметры /1 и Аф равны нулю.
В измерительном устройстве аппаратуры ВМП имеются регуляторы амплитуд и корректирующие фазовращатели, с помощью которых при полете на большой высоте осуществляется настройка аппаратуры — установка нуля по обоим параметрам. Эта настройка позволяет сводить к минимуму влияние вихревых токов в корпусе самолета. Влияние вихревых токов в корпусе самолета, несущего приемные рамки, а также его собственного электро- и радиооборудования ослаблено из-за выноса приемных рамок в гондолу на расстояние 20 м.
После настройки аппаратуры самолеты снижаются до допустимой по условиям местности высоты и проводится съемка. В аппаратуре ВМП суммарный уровень остаточных помех равен примерно 1 % первичного поля по амплитудному и 1° по фазовому параметрам при разносе рамок до 600 м. Присутствие проводящего объекта в земле в пределах зоны чувствительности установки вызывает разбаланс по обоим параметрам. Эта компенсация не нарушается при вращательных движениях систем рамок вокруг оси х (или при изменениях расстояния между ними). В случае смещения системы рамок от общей оси t появляются помехи или «ложные аномалии», что затрудняет проведение съемки в условиях сложного рельефа.
Аппаратура БДК-70
Аппаратура БДК-70 предназначена для решения задач структурно-тектонического картирования главным образом вытянутых протяженных зон тектонических нарушений и может быть использована также для картирования исследуемого района по удельному сопротивлению и поиска месторождений хорошо проводящих руд.
Основные технические характеристики аппаратуры БДК-70
Максимальная мощность генераторного устройства, кВт . . . .5
Максимальный ток в питающей линии, А 3
Рабочие частоты, Гц 625; 1250;
2500
Измеряемые напряжения на выходе ферритовой антенны, мВ . . 0,01—30
Минимальная высота буксировки приемной антенны, м50
Средняя производительность съемки, км’/день 40
Максимальная длина питающей линии, км 40
Аппаратура БДК-70 (рис. 112) состоит из наземной генераторной установки и измерительного устройства, транспортируемого самолетом типа АН-2. Приемная ферритовая антенна установлена в гондоле, которая жестко крепится к борту самолета. Наименьший уровень вибрационных помех достигнут при подвесе ферритовой антенны внутри гондолы на трех резиновых жгутах диаметром 15—20 мм к бандажу, размешенному в центре гондолы. Бортовая аппаратура БДК-70 входит в состав одного из каналов комплексной аэрогеофизической станции.
Делитель частотыДелитель частотыЗадающий генераторЗадающий генераторРис. 112. Структурная схема аппаратуры БДК-70Рис. 112. Структурная схема аппаратуры БДК-70Управляющие усилителем мощности напряжения формируются из сигнала, вырабатываемого задающим генератором, его работа стабилизирована кварцевым резонатором. Деление частоты задающего генератора до значений рабочих частот осуществляется стандартным делителем частоты. Усиленные предварительным усилителем напряжения рабочих частот подаются на вход усилителя мощности, в качестве которого используется стандартный трансляционный усилитель ТУ-5. Питается усилитель мощности от сети переменного тока с напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Нагрузка — заземленный кабель длиной 15—-
Делитель частоты
Делитель частоты
Задающий генератор
Задающий генератор
Рис. 112. Структурная схема аппаратуры БДК-70
Рис. 112. Структурная схема аппаратуры БДК-70
Предварительный... Усилитель
усилитель" мощности.
40 км подключается к выходным клеммам АВ усилителя мощности.
В измерительном устройстве принимаемые ферритовой антенной сигналы усиливаются тремя усилителями: выносным, расположенным вблизи антенны, широкополосным, коэффициент передачи которого равен 1000, и избирательным. Последний предназначен для подавления внешних помех и собственных шумов измерителя. Он содержит активные /?С-фильтры, представляющие собой комбинацию фильтров верхних (ФВЧ) и нижних (ФНЧ) частот. Отфильтрованный полезный сигнал выпрямляется выпрямителем и регистрируется на" бумажной или магнитной! ленте регистратора.
Основной результат измерений с помощью аэроэлектрораз- ведочной аппаратуры БДК-70 представляет собой карту графиков аномального магнитного поля (Яха), получаемых в результате вычитания из измеренных значений амплитуды (Я*), теоретически рассчитанных. По этой карте выделяются аномальные зоны, связанные, с тектоническими нарушениями или рудными телами.
ГЛАВА VI
АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ДИАПАЗОНЕ ВЫСОКИХ ЧАСТОТ
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 0.01-100 МГц
И ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ
Электромагнитные поля б диапазоне радиочастот обладают некоторыми особенностями, отличающими их от электромагнитных полей звуковых и инфразвуковых частот. Одна из них — это существенное влияние на характер поля токов смешения, интенсивность которых определяется величиной диэлектрической проницаемости среды,
Когда длина волны существенно меньше расстояния от источника до точек, в которых измеряется поле, а также меньше линейных размеров изучаемых геологических объектов, к переменному электромагнитному полю применяют законы геометрической оптики и изучают эффекты отражения, преломления, поляризации электромагнитных воли у поверхности раздела сред с различными электрическими свойствами, образования теневых зон из-за усиленного поглощения электромагнитной энергии хорошо проводящими объектами и т. п.
При распространении радиоволн вдоль земной поверхности происходит постепенное их затухание вследствие непрерывного оттока в глубь земли части энергии, которая испытывает дифракцию, отражение и преломление на участках, где сменяются электрические свойства пород. Часть этой энергии поля преобразуется и в виде вторичного излучения возвращается к земной поверхности. Если неоднородности геологического строения вертикальны или наклонны относительно направления распространения радиоволн, то возвращающаяся часть энергии, несущая информацию об этих объектах, обусловлена путем вторичного излучения, т. е. полем вихревых токов, индуцированных первичным полем в этих объектах.
Вторичное поле состоит из двух составляющих: синфазной с первичным полем и сдвинутой на 90° относительно первичного поля. При сложении с первичным полем первая составляющая вызывает аномалии амплитуды напряженности радио- поля и искажения радиопеленга, т. е, азимута прихода волны. Вторая составляющая влияет на изменение фазовой структуры и создает в зоне аномалии эллиптическую поляризацию поля. В зависимости от типа аномальных объектов возникает преимущественно либо синфазное, либо сдвинутое по фазе вторичное поле, чти используется в качестве критерия для классифи-
калии измеряемых аномалии. Например, над контактами разнородных пи удельному сопротивлению пород, над массивными, хорошо проводящими рудными телами пластообразной формы возникает в основном синфазное поле, а над рудными телами, v которых электропроводность невелика,— сдвинутое по фазе вторичное поле. Указанные особенности радиочастотных полей используются при радиоволновом профилировании.
Особенно эффективно применение радиополей в горных выработках. Помещая источники и приемники поля в горные выработки, можно осуществить радиоволновое просвечи- в а н и е. Предпосылкой для успешного использования данного метода является прямая зависимость между интенсивностью поглощения радиоволн и проводимостью среды, в которой эти полны распространяются. Поэтому, если между двумя горными выработками в плохоироводяшей среде расположен локальный объект с высокой проводимостью, в результате просвечивания (например, при фиксированном положении радиопередатчика п перемещающемся приемнике) будет обнаружена зона с высоким поглощением электромагнитной энергии. После перемещения радиопередатчика и другую точку можно вновь получить зону с высоким поглощением электромагнитной энергии. Пред- ставив результаты измерений в виде, лучевой диаграммы, ио положению лучей, ограничивающих конус тени, можно приблизительно определит!, положение рудного тела (в пространстве) между выработками.
При выполнении радиоволнового просвечивания электромагнитное поле возбуждается автономными радиопередатчиками мощностью от 0,5 до 10 Вт, работающими на частотах в диапазоне 0,15—40 МГн.
В методах радиоволнового профилирования используют электромагнитные поля радиовещательных радиостанций пли сверлдлпиповолновых (СДВ) радиопередатчиков В табл. 2
Таблица 2
Позывные ра дпостаи- цим
Местоположение стации
Районы использования в СССР
Частота излучения» кГц
Мощность излуче- КИЯ, кВт
FBR
Франция
Европейская часть, Средняя Азия, Западная Сибирь
15,100
500
GBR
Великобритания
То же
19,575
100
NDT
Япония
Дальний Восток, Восточная Сибирь
17,425
40
NAA
США (Восточное побережье)
Европейская часть
17,800
1000
XPG/NLK
США (Западное побережье)
Дальний Восток, Восточная Сибирь
18,600
130
NWC
Австралия
То же
22,300
1000
^ Заказ К» 1287
257
приведен перечень регулярно действующих СДВ-радиопередат- чиков, поля которых могут быть использованы в методах радиоволнового профилирования, а также основные технические характеристики этих радиопередатчиков.
При работах в диапазоне радиочастот измеряют различные характеристики магнитного и электрического полей: составляющие магнитного поля ио осям прямоугольной системы координат Их, Ну, Н2; модуль горизонтальной компоненты магнитного поля
Нг^Н^Н-у\
модуль полного вектора
Н=--^НН H't + H't;
угол наклона вектора Н к горизонту ^arctg(Hz/Hy);
угол отклонения вектора Н от оси Оу у r= arctg <Нх!Нн\
азимутальный угол, соответствующий пеленгу; горизонтальные составляющие электрического ноля по координатным осям Ех, Еу или суммарную горизонтальную составляющую
Ет= л/ Ех-т •-«
Магнитное поле измеряют приемными рамками (магнитными антеннами), выполненными в виде катушки на ферритовом сердечнике или многовитковой воздушной рамки. Для регистрации заданной компоненты магнитного поля ось приемной рамки (нормаль к плоскости витков этой рамки) ориентируют по направлению той или иной составляющей вектора магнитного доля. При измерениях пеленга ось приемной рамки устанавливают горизонтально и, вращая рамку в горизонтальной плоскости, добиваются минимальных значений сигнала на выходе магнитной антенны. Ось рамки в этом случае совпадает с направлением прихода радиоволны, которое фиксируют буссолью с последующим введением поправки за магнитное склонение.
Для измерения электрического поля используют заземленные на концах или изолированные диполи (электрические антенны), напряжение на выходе которых пропорционально напряженности составляющей вектора электрического ноля по линии расположения диполя.
В ряде случаев измерения составляющих электромагнитного поля проводят па нескольких частотах (радиоволновое зондирование для определения глубин залегания горизонтальных слоев с различными электромагнитными свойствами). Кроме того»
используют амплитудно-фазовые методы, основанные на одновременных измерениях амплитуды и фазы компонент напряженности поля, или двухчастотные фазовые методы, позволяющие измерять фазовые сдвиги без специальной линии передачи опорного сигнала.
Принцип действия большинства видов аппаратуры высокочастотной аэроэлектроразведки заключается в том, что первичное электромагнитное поле СДВ радиостанций в первом приближении можно представить полем вертикального электрического диполя, возбуждающего сферический волновод, ограниченный слабопроводящей поверхностью земли и нижней границей ионосферы. Так как измерения проводятся в волновой зоне источника первичного поля, то вектор папряжепности электрической составляющей первичного поля в воздухе почти вертикален, а магнитной — горизонтален. Вторичное электромагнитное поле возбуждается частью первичной электромагнитной волны, преломившейся па границе раздела земля — воздух и распространяющейся в глубь земли по нормали к ее поверхности. Ориентация вектора папряжепности вторичного электромагнитного поля зависит от структуры геоэлектрического разреза и обязательно имеет составляющую, отсутствующую в первичном поле. Такими аномальными составляющими напряженности являются вертикальная составляющая в магнитном и горизонтальная составляющая в электрическом полях. Именно эти составляющие чаще всего измеряют при выполнении аэро- электроразведочных работ. Кроме того, для нормирования вторичного поля па величину первичного поля измеряют также напряженность горизонтальной составляющей магнитного и вертикальной составляющей электрического поля.
ОБОБЩЕННЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПАССИВНОЙ И АКТИВНОЙ РАДИОВОЛНОВОЙ АППАРАТУРЫ
Аппаратура для измерения параметров электромагнитных полей радиочастот подразделяется на два вида: а) с местным (автономным) генератором радиоволн (применяется, как правило. при проведении работ методами радиоволнового просвечивания и зондирования); б) для измерения полей удаленных радиостанций [используется при проведении работ методом ра- диоволнового профилирования — раднокомпарирования и пеленгации (радиокип)].
Общим для аппаратуры обоих видов является высокочувствительный измеритель напряженности радиополя (рис. 113). Измеряемая составляющая электромагнитного поля преобразуется в электрический сигнал магнитной или электрической антенной, подключенной через переключатель SA к входу усилителя высокой частоты. Этот усилитель настроен на частоту рабочего сигнала и служит для предварительного усиления и фильтрации полезного сигнала от помех. За усилителем
Рис. ИЗ. Структурная схема измерителя напряженности радиополя
высокой частоты устанавливают аттенюатор, дающий возможность изменять в широких пределах диапазон измерения напряженности поля.
К выходу аттенюатора подключен первый вход смесителя, на второй вход которого подастся сигнал от гетеродина. Гетеродин представляет собой автономным генератор, частота колебаний на выходе которого отличается на небольшую, но всегда фиксированную величину от частоты рабочего сигнала. Если, например, частота рабочего сигнала равна 10 МГц, то частоту гетеродина выбирают равной 10,16 МГц. Если же частота рабочего сигнала равна 10 кГц, то частоту гетеродина выбирают равной 10,16 кГц.
В смесителе производится перемножение синусоидальных сигналов рабочей частоты и гетеродина. Благодаря этому на выходе смесителя имеется два напряжения, частоты которых равны соответственно сумме и разности частот гетеродина и рабочего сигнала. Сигнал разностной частоты (в приведенных примерах 0,16 МГц или 0,16 кГц) выделяется и усиливается избирательным усилителем промежуточной частоты, выполняющим функции основного усилителя и фильтра измерителя. Далее этот сигнал выпрямляется выпрямителем и подается на цифровой или аналоговый регистратор. Цифровой регистратор представляет собой стандартный аналого-цифровой преобразователь с цифровым индикатором или цифровым магнитофоном на выходе. Аналоговый регистратор выполняют в виде стрелочного индикатора или самописца; он используется при отсутствии цифрового регистратора или совместно с ним (когда, например, для получения непрерывной длительной записи обтаем памяти цифрового регистратора недостаточен).
В измерителе относительной разности амплитуд и фаз двух составляющих электромагнитного поля радиочастот (рис. 1 14) магнитная и электрическая антенны (возможно использование также двух антенн одного и того же типа) преобразуют измеряемые компоненты вектора электромагнитного поля в электрические сигналы рабочей частоты, которые поступают на измерительные усилители / и 2, содержащие, как и измеритель Напряженности поля (см. рис. 113), усилитель высокой частоты, аттенюатор, смеситель, гетеродин и усилитель промежуточной частоты. Усиленные и отфильтрованные от помех сигналы одной и той же промежуточной частоты с выходов измерительных
Рис. 114. Функциональная схема измерителя относительной разности амплитуд и фаз двух составляющих электромагнитного поля радиочастот
усилителей 1 и 2 подаются через регулятор фазы (регулируемый фазовращатель) и регулятор амплитуды (аттенюатор) на входы синхронных детекторов / и 2, вычитающего устройства и квадратурного фазовращателя, сдвигающего по фазе на 90° один из сигналов. Относительная разность амплитуд и фаз двух сигналов на выходах измерительных усилителей 1 и 2 определяются компенсационным способом. Для этого вначале регулируемым фазовращателем изменяют фазу сигнала на выходе измерительного усилителя до тех пор, пока на два входа синхронного детектора не поступят сигналы, сдвинутые по фазе на 90°, что будет отмечено по пулевым показаниям стрелочного индикатора PVL
Синхронный детектор 1 перемножает поступающие на его входы сигналы, а постоянная составляющая выходного сигнала будет равна нулю только в том случае, если сигналы сдвинуты друг относительно друга по фазе па 90 или 270°. При этом по ручкам отсчетного устройства /, которое ступенчато и плавно управляет работой регулируемого фазовращателя, берут отсчет фазового угла, равный 90*'—<р, где ср — фазовый сдвиг между составляющими магнитного и электрического поля, принимаемыми магнитной и электрической антеннами.
Затем, не меняя фазового сдвига на выходе регулируемого фазовращателя, аттенюатором изменяют амплитуду сигнала па выходе измерительного усилителя 2. Так как сигнал на выходе регулируемого фазовращателя сдвинут относительно сигнала на выходе аттенюатора на 90°, то к аттенюатору подключен дополнительный квадратурный фазовращатель.
Это позволяет подать на два входа вычитающего устройства два синфазных синусоидальных напряжения. Изменяя амплитуду одного из этих напряжений аттенюатором, добиваются их равенства, что фиксируется по нулевым показаниям стрелочного индикатора PV2. Синхронный детектор 2 предназначен
для повышения помехоустойчивости измерений; он управляется сигналом, синфазным с напряжениями на входах вычитающего устройства, поэтому постоянная составляющая на выходе синхронного детектора пропорциональна разности амплитуд сигналов на входах вычитающего устройства и равна нулю только в том случае, если эти амплитуды равны друг другу.
По ручкам отсчетного устройства 2, управляющего работой аттенюатора, берут отсчет отношения амплитуд напряженностей магнитного и электрического поля, принимаемого магнитной и электрической антенной. Отсчетные устройства 1 и 2 могут управляться автоматически, при этом их показания записываются на бумажную или магнитную ленту, что позволяет осуществлять непрерывные измерения в движении, например с борта самолета или вертолета.
В генераторном устройстве (рис. 115) задающий генератор, стабилизированный кварцевым резонатором В, вырабатывает колебания с частотой несколько единиц — десятков мегагерц. К выходу этого генератора подключен делитель частоты, выходное напряжение которого через переключатель SA1.1 подается на вход буферного каскада. Задающий генератор и делитель частоты выполнены на интегральных микросхемах. Буферный каскад, собранный по схеме эмиттерного повторителя, является широкополосным и предназначен для согласования выходов интегральных микросхем делителя частоты со входом предварительного усилителя па транзисторе VTL
Предварительный усилитель является избирательным, что обеспечивается включением в цепь коллекторной нагрузки через переключатель SAL2 резонансных контуров. В зависимости от выбранной оператором частоты рабочего сигнала одновременно с переключением платы SAL1 в цепь коллекторной нагрузки транзистора VII подключается тот или иной резонанс-
Рис. 115. Обобщенная функционально-принципиальная схема генераторного устройства высоких частот
иый контур. Режим работы транзистора VT1 стабилизирован цепью отрицательной связи по постоянному току на резисторе R1 и конденсаторе С1.
Резонансные контуры выполнены на индуктивностях первичных обмоток трансформаторов Т1, Т2 и емкостях конденсаторов 02, СЗ. Вторичные обмотки трансформаторов Т1, Т2 через переключатель ЗЛЛЗ подключаются между базой и эмиттером выходного транзистора VT2. Выходной каскад па этом транзисторе включен ио схеме с общим коллектором и индуктивной нагрузкой на трансформаторе ТЗ.
Вторичная обмотка трансформатора ТЗ через переключатель SA2 соединена с антенной (Ант.) передатчика. Оптимальное значение связи антенны с трансформатором ТЗ подбирается путем коммутации числа витков вторичной обмотки трансформатора. Для расширения полосы пропускания выходного каскада параллельно первичной обмотке трансформатора ТЗ подключен резистор R2.
Мощность излучения радиопередатчика контролируется путем измерения тока миллиамперметром РА, включенным последовательно с антенной. Выходное напряжение трансформатора ТЗ может быть изменено путем регулировки тока, протекающего через транзистор VT2. Регулировка производится резистором R3. В цепь коллекторного питания транзистора VT2 включен заградительный фильтр, состоящий из дросселя L и конденсатора С4. Фильтр предотвращает прохождение высокочастотной переменной составляющей тока через источник питания UIV передатчика. При работе на частотах в десятки мегагерц обычно трансформаторы Т1—ТЗ не содержат сердечников из магнитных материалов.
При измерениях абсолютных значений сдвига фаз какой- либо составляющей электромагнитного поля радиочастот одной из сложных проблем является передача опорных сигналов от радиопередатчика к измерительному устройству. Использовать канал проводной связи трудно в связи с искажениями этим каналом структуры возбуждаемого электромагнитного поля, особенно вблизи измерительного устройства, к которому этот канал подключен. При передаче опорных сигналов на ешс более высоких частотах (по тому принципу, который используется в низкочастотной электроразведке) неконтролируемо изменяется их фазовый сдвиг за счет прохождения этих сигналов через проводящую среду, что приводит к большим погрешностям фазовых измерений.
Принцип работы аппаратуры для абсолютных амплитудно- фазовых измерений составляющих электромагнитного поля радиочастот (рис. 116) заключается в том, что в двух точках измерений располагают два приемопередатчика, один из которых работает в режиме ретрансляции. Передатчик из первой точки излучает в изучаемую среду радиоимпульсы заданной ча- стоты, во второй точке сигнал принимается радиоприемником
Рис. 116. Функциональная схема аппаратуры для абсолютных амплитудно- фазовых измерений составляющих поля радиочастот
и используется для синхронизации по фазе колебаний, излучаемых ретранслятором в промежуток времени, когда радиопередатчик в цервой точке не работает.
Ретранслированный сигнал принимается в первом точке и сравнивается по амплитуде и фазе с опорным сигналом, используемым для излучения из первой точки измерений.
Задающий генератор / в первой точке измерений вырабатывает непрерывный гармонический сигнал рабочей частоты, который усиливается усилителем мощности / и через антенный переключатель / подается па .4нг. /, с помощью которой излучается в окружающее пространство. Антенный переключатель / периодически отключает Лиг. / от выхода усилителя мощности / и подключает ее к входу приемно-усилительного блока /. В первой точке расположен также амплитудно-фазовый измеритель, на один из входов которого непрерывно поступает опорный сигнал с выхода задающего генератора, а па другой вход периодически подаются пачки радиоимпульсов с выхода ирнемпо-уенлителыгого блока /.
Когда .Ант. / подключена к выходу усилителя мощности 1, Ант. 2 во второй точке измерений через антенный переключатель 2 соединяется с входом прием по-усилительного блока 2. Оба приемно-усилительных блока 1 и 2 выполнены по одинаковым схемам радиоприемников прямого усиления. Сигнал рабочей частоты с выхода приемно-усилительного блока 2 поступает на блок фазовой автоподстройки частоты, который синхронизирует по фазе работу задающего генератора 2. После того как фаза колебании задающего генератора 2 совпадает с фазой принимаемого Ант. 2 сигнала, антенный переключатель 2 подключает эту антенну к выходу усилителя мощности 2 и в окружающую среду из второй точки излучается сигнал,, фаза которого равна фазе ранее принятого в этой точке сигнала.
Во время ретрансляции сигнала антенный переключатель / подключает Ант. / к входу приемно-усилнтельного блока Л Измеряемый сигнал, пройдя дважды через изучаемую среду (сначала от первой точки до второй, а затем в обратном направлении), с выхода приемно-усилнтельного блока / подается
на амплитудно-фазовый измеритель, с помощью которого измеряется амплитуда и фаза этого сигнала относительно опорного сигнала, вырабатываемого задающим генератором /.
Работой антенных переключателей 1 и 2 управляют генератор низкой частоты в первой точке, вырабатывающий им- пульсы с частотой примерно 300 Гц, и блок фазовой автопод- стройки частоты в ретрансляторе (второй точке). Коммутация переключателей осуществляется так, что усилители мощности отключаются от антенны раньше, чем к ним подключаются приемно-усилительные блоки. Это позволяет исключить наводки в приемных цепях от собственных генераторов.
Аппаратура, построенная по рассмотренному принципу, позволяет получить погрешность измерения амплитуд сигналов нс более 5%, фазовых сдвигов на частотах до 500 кГц — 2°, а на более высоких частотах — 5°.
АППАРАТУРА РАДИОВОЛНОВОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ И ПРОСВЕЧИВАНИЯ
Аппаратура АЭММ-ВЧ
Высокочастотная аппаратура АЭММ-ВЧ электромагнитных методов предназначена для поисков и разведки рудных тел, геологического картирования, решения ряда инженерных и горнотехнических задач. В состав аппаратуры входят два передатчика, два приемника — шахтные и скважинные и микровольтметр, к которому при измерениях подключается выход того или иного приемника. Благодаря такому конструктивному выполнению аппаратура АЭММ-ВЧ позволяет проводить исследования между скважинами (горными выработками), между скважинами п горными выработками или в околоскважинном (около- выработочном) пространстве. Специальное вспомогательное оборудование позволяет вести исследования в скважинах любого направления (восстающие, горизонтальные, вертикальные, наклонные).
Основные технические характеристики аппаратуры АЭММ-ВЧ
Рабочие частоты, МГц,5 и 10
Максимальная мощность радиопередатчика. Вт шахтного 6
скважинного 0,9
Максимальный КПДрадиопередатчиков,% 50
Чувствительность, мкВ измерительного канала 0,3
микровольтметра 15
Динамический диапазон микровольтметра, дБ 70
Погреншость измерений микровольтметра, % 2
Рабочая частота микровольтметра, кГц 160
Полоса пропусканиямикровольтметра по уровню 0,7, кГц 2,8
Продолжительность непрерывной работы аппаратуры, ч 7
Максимальное допустимое гидростатическое давление на кожухи сква- жинпых снарядов, Пл 7,5-10»
Максимальная глубина погружения скважинных снарядов в вертикаль
ные скважины, м 500
Диаметр скважинных снарядов, мм 34
Шахтный радиопередатчик (рис. 1)7) содержит два задающих генератора, настроенных па частоты 5 и 10 МГц, и выполненных по одинаковой схеме на одном транзисторе с кварцевым резонатором в цени обратной связи. Сигнал синусоидальной формы через переключатель SA1.1 и буферный каскад поступает на предварительный усилитель. Буферный каскад служит для устранения влияния входного сопротивления предварительного усилителя на режим работы задающего генератора. Нагрузкой буферного каскада служит широкополосный трансформатор.
Предварительный усилитель, выполненный на одном транзисторе КТ904, усиливает входной сигнал и служит для управления работой оконечного усилителя мощности. К выходу предварительного усилителя подключен импульсный трансформатор, напряжение со вторичной обмотки которого подастся в цепь базы транзистора КТ903 оконечного усилителя мощности. Нагрузкой этого транзистора, работающего в режиме усиления тока, служит высокочастотный дроссель. Величина отдаваемой оконечным усилителем в антенну мощности регулируется резистором R путем изменения напряжения питания транзистора оконечного усилителя.
К выходу оконечного усилителя через переключатель SAL2 подключены фильтры на 5 или 10 МГц, предназначенные для согласования выходного сопротивления оконечного усилителя с входным сопротивлением антенны. Фильтры выполнены по схеме П-образных контуров и уменьшают также мощность побочных излучений, являясь фильтрами нижних частот. Ток в цепи антенны контролируется стрелочным прибором РА.
Антенна Ант. подключена к выходам фильтров на 5 или 10 МГц через переключатель SAL3 и элементы настройки — дроссели LI, L2 и переключатель SAL4. Дроссель L1 представляет собой вариометр, позволяющий изменять индуктивность дросселя L1 в 4 раза. При работе на частоте 5 МГц
АнтАнтРис. 117. Функциональная схема шахтного радиопередатчика аппаратуры АЭММ-ВЧРис. 117. Функциональная схема шахтного радиопередатчика аппаратуры АЭММ-ВЧ
Ант
Ант
Рис. 117. Функциональная схема шахтного радиопередатчика аппаратуры АЭММ-ВЧ
Рис. 117. Функциональная схема шахтного радиопередатчика аппаратуры АЭММ-ВЧ
б цель антенны включен также удлиняющий дроссель L2, который при переходе на частоту 10 МГц закорачивается переключателем SA1.4.
В качестве антенны шахтного радиопередатчика используется электрический штыревой диполь, устанавливаемый на поворотном механизме передней панели передатчика. Поворотный механизм позволяет устанавливать и измерять углы поворота электрического диполя в вертикальной плоскости в пределах О—90°. Шахтный радиопередатчик устанавливается на угломерном поворотном столе с треногой, чтобы проводить отсчет угла поворота передатчика в горизонтальной плоскости по угломерному лимбу в пределах 0—360°.
Скважинный передатчик (рис. 118) состоит из сменных блоков, настроенных на частоты 5 или 10 МГц. и блока питания, размещенных в герметичном охранном кожухе, а также сменных электрических антенн длиной 4 и 6 м.
Скважинный радиопередатчик выполнен по такой же структурной схеме, как и шахтный. Он содержит последовательно соединенные задающий генератор, буферный каскад, предварительный усилитель, оконечный усилитель мощности, фильтр и вариометр, выход которого подключен к электрической антенне (Ант.). Отличия этих радиопередатчиков состоят в следующем. В скважинном радиопередатчике не предусматривается переключение частот настройки 5 и 10 МГц: при необходимости работы на обеих частотах в скважинном снаряде передатчик, настроенный на первую частоту, заменяется другим, настроенным на вторую частоту. Так как мощность блока питания скважинного передатчика ограничена, то буферный каскад, предварительный и оконечный усилители являются маломощными. Ввиду этого в буферном каскаде отсутствует выходной транс- форматор, а предварительный и оконечный усилители выполнены соответственно на транзисторах KT3I5 и КТ904, работающих в режиме усиления напряжения.
Блок питания скважинного радиопередатчика содержит отсек для 13 элементов 343, стабилизатор напряжения и дистанционный выключатель, выполненный на двух герметизированных контактах и поляризированиом реле РЛС-20. Включение и выключение питания производятся приближением постоянного магнита к месту расположения первого и второго герметизнро- ианпого контактов КЭМ-2а.
Шахтный радиоприемник (рис. 119) предназначен для приема магнитной составляющей электромагнитного поля, возбужденного шахтным или скважинным рпднопередатчиком. Сигнал, принимаемый магнитной антенной Ант., усиливается усилителем высокой частоты и подается на один из входов смесителя. Па его второй вход поступает напряжение высокой частоты с выхода гетеродина. В сместителе эти два сигнала перемножаются и напряжение разностной частоты через эмиттерный повторитель подается на вход микровольтметра.
Рис. 118. Структурная схема скважинного радиопередатчика аппаратуры ЛЭММ-ВЧ
Рис. 119. Функциональная схема шахтного радиоприемника аппаратуры АЭММ-ВЧ
Рис. 120. Структурная схема скважинного приемного устройства аппаратуры АЭММ-ВЧ
Рис. 121. Функциональная схема микровольтметра аппаратуры АЭММ-ВЧ
Магнитные антенны шахтных приемников выполнены в виде рамки из трех (для частоты 5 МГц) или двух ,(для частоты 10 МГц) витков провода, размещенного в электростатическом экране. Параллельно выходу антенны подключены конденсаторы, служащие для настройки антенны в резонанс. Двухкаскадный усилитель высокой частоты содержит в цепи нагрузки второго каскада резонансный контур, настроенный на рабочую частоту. Смеситель выполнен на одном транзисторе, в цепь базы которого поступает сигнал с выхода усилителя высокой частоты, а в цепь эмиттера — сигнал гетеродина. В коллекторную цепь транзистора включен резонансный контур, настроенный на промежуточную (разностную) частоту 160 кГц. Гетеродин выполнен точно по такой же принципиальной схеме, как и задающий генератор скважинного передатчика. В приемнике, настроенном на частоту 5 МГц, гетеродин вырабатывает колебания с частотой 5,16 МГц, а при частоте настройки приемника, равной 10 МГц, частота колебаний гетеродина равна 10,16 МГц.
Скважинное приемное устройство (рис. 120) предназначено для приема электрической составляющей электромагнитного поля, возбуждаемого скважинным или шахтным радиопередатчиком. Устройство состоит из блока приемника, настроенного па частоту 5 или 10 МГц. электрической антенны длиной 4 или 6 м, стабилизированного блока питания с дистанционным выключателем, которые размещены в охранном герметичном кожухе, соединителей, заградительных фильтров /, 2 и лебедки с кабелем.
Блок приемника выполнен по той же структурной схеме, что шахтный радиоприемник. Он содержит усилитель высокой частоты, смеситель, гетеродин и эмиттерный повторитель. Блок приемника получает питание от блока питания, который имеет такую же конструкцию, как и аналогичный блок скважинного радиопередатчика.
Заграждающие фильтры и соединители предназначены для ослабления антенного эффекта кабеля, соединяющего скважинный радиоприемник с микровольтметром. Заграждающий фильтр 1 представляет собой П-образиый LC-фильтр нижних частот, обеспечивающий подавление несущей частоты более 10 дБ. Заграждающий фильтр 2 представляет собой трансформатор, включенный в разрыв жил кабеля. Длины соединителей выбраны таким образом, чтобы разрыв гальванической связи в месте установки фильтра приходился на пучность тока стоячей волны, возникающей в ближайшем к скважинному снаряду отрезку кабеля и имеющему место при работе без фильтра.
Конструктивно фильтры представляют собой герметичные стсклотекстолитовые цилиндры, имеющие на концах коаксиальные гнезда для соединения с кабелем, и размещенную внутри плату с элементами фильтра. Микровольтметр (рис. 121) предназначен для совместной работы с шахтным пли скважин-
ным приемником и служит для усиления и измерения принятого ими сигнала. На входе микровольтметра установлен 7-сту- пенчатый аттенюатор, имеющий входное сопротивление 43 Ом и позволяющий ступенями через 10 дБ ослаблять измеряемый сигнал. Входной и основной усилители выполнены по одинаковым схемам па двух транзисторах с резонансным СС-коптуром в коллекторпоп цепи второго транзистора. В усилителях используются две цени термокомпенсации: в цени смещения первого транзистора установлен терморезистор, а в цепи резонансного контура — конденсатор небольшой емкости (39 пФ), имеющий отрицательный температурный коэффициент емкости. Частота настройки входного и основного усилителей одинакова п равна 160 кГц.
Выпрямитель предназначен для преобразования сигнала промежуточной частоты в постоянный ток, величина которого пропорциональна амплитуде входного сигнала. Для повышения линейности детектора измерительный прибор PV включен в цепь обратной связи двухкаскадцого усилителя с гальваническими связями, установленного на выходе выпрямителя.
Важное достоинство аппаратуры АЭММ-ВЧ заключается в автономности работы скважинного радиопередатчика, что позволяет опускать его в скважину на капроновом тросе и тем самым предотвращать вынос энергии вдоль кабеля, соединяющего наземный пульт передатчика с его скважинной частью (антенной).
Аппаратура СРП-30
Аппаратура скважинного радиоволнового просвечивания СРП-30 предназначена для выполнения просвечивания между скважинами, а также радиоволнового профилирования н зондирования п одиночной скважине.
Основные технические характеристики аппаратуры СРП-30
Рабочие частоты,МГц0,16—37,7
Максимальная мощность передатчиков. Вт, для частот, МГц: 0,16-10 10
20 6
37.7 2
Максимальная чувствительность приемного устройства, мкВ . .0,5
Погрешность измерений. % 3
Максимальная глубина погружения скважинных снарядов в вертикальные скважины, м 2000
Диаметр скважинных снарядов,мм 30
Максимальная мощность потреблении генераторного устройства, Вт40
Максимальная мощность потребления измерительного капала, Вт .30
Аппаратура СРП-30 (рис. 122) состоит из скважинных передатчика и приемника, а также наземных блоков питания и регистрации. Скважинный передатчик содержит задающий генератор и усилитель мощности, к выходу которого подключена передающая антенна Ант. 1. Задающий генератор вырабатывает колебания девяти фиксированных частот в диапазоне
Рис. 122. Структурная схема аппаратуры СРП-30
0,16—37,7 МГц. Работа его стабилизирована кварцевым резонатором. Переход от одной рабочей частоты к другой осуществляется заменой кварцевых резонаторов в задающем генераторе и резонансных контуров в усилителе мощности. В последнем сигнал несущей частоты, вырабатываемой задающим генератором, модулируется напряжением низкой частоты 40 Гц, и усиленный модулированный сигнал излучается электрической антенной.
Модулирующий сигнал с частотой 40 Гц поступает с наземного пульта от преобразователя 2, подключенного к аккумулятору 1. Преобразователь 1, также подключенный к аккумулятору /, используется для питания нитей накала ламп передатчика. Частота сигнала, вырабатываемого преобразователем 2, равна 750 Гц. Напряжения питания на передатчик подаются через каротажный кабель, расположенный на лебедке / Для уменьшения антенного эффекта кабеля в скважинах используется Т-образный заграждающий фильтр /.
Подлежащий измерениям сигнал принимается электрической антенной Ант. 2, усиливается усилителем высоком частоты и подается на первый вход смесителя /. Па второй его вход поступает сигнал с выхода гетеродина. Напряжение первой промежуточной частоты, равной 100 кГц, выделяется и усиливается усилителем промежуточной частоты /, а затем через заграждающий Т-образный фильтр 2 и кабель, расположенный на лебедке 2, поступает на вход буферного каскада в наземном пульте.
Буферный каскад предназначен для согласования выходного волнового сопротивления каротажного кабеля и входного соггротавлення смесителя 2, на первый вход которого должен быть подан сигнал с выхода каротажного кабеля. Ко второму входу смесителя подключен выход гетеродина 2. Напряжение второй промежуточной частоты, равной 4,1 кГц, выделяется и усиливается усилителем промежуточной частоты 2, выпрямляется синхронным детектором и через логарифмические усилители 1, 2 подается на вход самописца. Логарифмические усилители обеспечивают необходимый динамический диапазон регистрирующего тракта. Автоматическая непрерывная запись показаний производится стандартным каротажным самописцем ПАСК или регистратором Н-361.
Питание скавжинного приемника осуществляется напряжением с частотой 750 Гц, вырабатываемым преобразователем 5, подключенным к аккумулятору 2. При переходе от одной рабочей частоты к другой в скважинном приемнике заменяются кварцевые резонаторы в гетеродине / и резонансные контуры в усилителе высокой частоты.
ИЗМЕРИТЕЛИ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ.
АППАРАТУРА СДВР-3
Сверхдлипноволновый радиоприемник СДВР-3 предназначен для выполнения нолевых работ методом радиокип. Аппаратура позволяет измерять следующие параметры электромагнитных полей промышленных радиостанций: напряженность вертикальной и горизонтальной составляющих электрического поля, вертикальной и суммарной горизонтальной составляющих магнитного поля, малую ось и угол наклона эллипса поляризации магнитного поля.
Основные технические характеристики аппаратуры СДВР-3
Рабочие частоты, кГц 10—30
Чувствительность по магнитному полю, мкА/м 0,1
Измеряемое напряжение, .мкВ 1—1000
Погрешность измерения напряженности магнитного поля, %. . .3
Погрешность измерения угла наклона эллипса поляризации магнитного поля, градус I
Полоса пропускания.кГп 0,2
Входное сопротивление,кОм . . . 500
Масса, кг 5
Прибор СДВР-3 (рис. 123) состоит из микровольтметра, на вход которого подают усиленный антенным усилителем сигнал
Рис 123 Функциональная схема аппаратуры СДВР-3
с выхода магнитной или электрической антенны. При измерениях эти антенны переключателем SA поочередно подключают к антенному ламповому усилителю с высоким входным сопротивлением и коэффициентом усиления, равным 60.
На входе микровольтметра установлен шестиступенчатый аттенюатор, каждая ступень которого ослабляет измеряемый сигнал на 10 дБ. Нормированный по амплитуде сигнал с выхода аттенюатора поступает на широкополосный усилитель высокой частоты и далее на смеситель, ко второму входу которого подключен гетеродин. С выхода смесителя снимается сигнал разностной частоты 2,5 кГц. Через узкополосный двухкаскадный фильтр сосредоточенной селекции он подается на усилитель промежуточной частоты, имеющий коэффициент усиления, равный 1000. Преобразованный и усиленный сигнал промежуточной частоты выпрямляется выпрямителем, интегрируется ин- югратором, установленным на выходе выпрямителя, и измеряется стрелочным индикатором PV. Интегратор имеет регулируемую в пределах от 0,1 до 10 с постоянную времени, что позволяет измерят средний уровень поступающего на вход прибора сигнала и, следовательно, избавиться от влияния его медленных изменений. Предусмотрен также выход сигнала через усилитель звуковой частоты на головные телефоны для слухового контроля за работой радиостанции.
Магнитная антенна снабжена поворотным механизмом с угломерным устройством, позволяющим вращать антенну в вер- шкальной плоскости и устанавливать ее угол наклона по вертикальному лимбу.
Аппаратура снабжена также калибратором, который вырабатывает сигналы с калиброванной амплитудой 1 мВ для проверки чувствительности приемника.
АППАРАТУРА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ АЭРОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ. ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНЫИ КАНАЛ СТАНЦИИ СКАТ-77
Электроразведочиая аппаратура комплексной аэрогеофизи- ческой станции СКЛТ-77 предназначена для поисков полезных ископаемых с пониженным или повышенным удельным элект-
рическим сопротивлением относительно вмещающих пород и геологоструктурного картирования методом радиокип на сверхдлинных радиоволнах. В состав аппаратуры входит два отдельных измерительных канала, каждый из которых содержит сверх- длинноволповый радиоприемник, выполненный по схеме прямого усиления. Одновременная регистрация сигналов с различными пеленгами, возбуждаемых двумя сверхдлшшоволновыми СДВ-радиостанциямн повышает информативность элсктрораз- ведочной аэросъемки за счет более четкого выявления геологических структур с различными направлениями простирания. Аппаратура предусматривает измерение горизонтальной составляющей магнитного поля СДВ-радиостанций, что позволяет обнаруживать и прослеживать проводящие объекты — сульфидные оруденения, тектонические нарушения, области распространения графитизированных пород.
Основные технические характеристики электроразведочиой аппаратуры
С КАТ-77
Рабочие частоты, кГц 15,1—22,3
Измеряемое напряжение, мкВ • 5—400
Фиксированная частота настройки антенн, кГц 18,7
Полоса пропускания антенн па уровне 0,5, кГц 7.2
Максимальный коэффициент усиления измерительных каналов 106 Максимальное выходное напряжение измерительных каналов, В 5 Полоса пропускания измерительных каналов на фиксированных рабочих частотах на уровне 0,7, Гц . . .150
Максимальная относительная погрешность измерений, % . . •88
Уровень шумов, приведенных ко входу, мкВ 0,5
Цикличность записи на цифровой магнитофон, с 0.25; 0,5 и 1
Напряжение питания, В 27
Потребляемая мощность, Вт 21)
Масса, кг.•15
Комплексная аэрогеофизнческая станция СКАТ-77 смонтирована на самолете Ан-2 и предназначена для комплексного изучения радиоактивных, магнитных и электрических свойств горных пород исследуемого района. В состав станции входят гамма-спектрометр, протонный магнитометр, электроразведоч- пая аппаратура, устройство штурманской привязки, устройство управления работой станции и цифровой магнитофон РУМС-2000. Информация, поступающая в процессе проведения аэрогеофизической съемки от гамма-спектрометра, электрораз- ведочной аппаратуры и устройства штурманской привязки, записывается дсвятиканальным аналоговым регистратором гамма- спектрометра. Кроме того, вся информация, поступающая из разных каналов станции, записывается па цифровом магнитофоне для последующей обработки полученных данных па ЭВМ.
Измерительные устройства станции объединены в единый комплекс системой сбора и регистрации информации в цифровой форме, состоящей из блока управления работой станции, цифрового магнитофона и цифровой магистрали, по которой
происходит обмен информацией между устройством управления и измерительными приборами. Устройство штурманской привязки обеспечивает получение к передачу «а аналоговые регистраторы и в цифровую магистраль станции данных о высоте полета самолета, профиле земной поверхности по трассе полета, времени, гипах и номерах маршрутов, ориентирах и т. д. В станции СКАТ-77 предусмотрена также возможность подключения радиовысотомеров типа РВ-2 или РВ-УМ п азро- фотоаипарата типа АФА.
Блок управления станции вырабатывает команды для последовательного опроса измерительных устройств по девяти адресам (пять каналов гамма-спектрометра, два электроразве- дочпых канала, один магнитометр и устройство штурманской привязки). Частный цикл опроса отдельных устройств станции выбирается равным 0,25; 0,5; 1; 2; 20 или 40 с при полном цикле 40 с. Изменение программы опроса осуществляется заменой кодовой вставки на одной из плат устройства управления. Информация по цифровой магистрали передается в виде последовательных двоично-десятичных кодов. Числа представляются с фиксированной запятой. Код адреса опрашиваемого устройства посылается в цифровую магистраль в виде 4-разряд- ных двоичных чисел вместе с импульсами синхронизации и сигналом управления, одинаковыми для всех кодов адреса.
Поступающая информация может контролироваться по показаниям цифрового индикатора. Десятичная клавиатура устройства управления позволяет оператору вводить дополнительные данные в регистратор для записи их на магнитную ленту. Устройство управления имеет также контроллер, который обеспечивает чтение информация, записанной цифровым магнитофоном, а также выборочный контроль принимаемой информации в однократном или периодическом режиме с индикацией се на цифровом табло.
В электроразведочной аппаратуре станции (рис. 124) электромагнитное поле СДВ радиостанций преобразуется в электрические сигналы двумя магнитными антеннами / и 2, каждая из которых содержит четырехсекционную катушку с феррито- вым сердечником. помешенную в электростатический экран. Индуктивность антенны равна 10 МГц. Катушка вместе с подстроечным конденсатором образует антенный контур, имеющий добротность 8—9 и настроенный па частоту 18,7 кГц (центральная частота рабочего диапазона сверхдлинпых воли). Параллельно антенному контуру подключей резистор с сопротивлением 33 кОм для расширения полосы пропускания до 7,2 кГн.
В непосредственной близости от магнитных антенн 7 и 2 установлены широкополосные антенные усилители /, 2, выполненные на микросхемах К284УД1А и К284УЕ1А, выходное сопротивление которых равно 150 Ом, что обеспечивает низкий уровень наводок в кабеле, соединяющем выходы антенных усилителей 7, 2 со входами предварительных усилителей 7, 2.
Рис. 124. Функциональная схема электроразведоччого канала станция СКАТ-77
Антенные устройства, содержащие антенны и антенные усилители, помещаются в обтекаемый кожух, выполненный из полистирола, и с помощью кронштейнов устанавливаются под фюзеляжем самолета Ан-2. Перед началом полета самолет ориентируют вдоль профилей съемки, ослабляют крепление кронштейнов и, вращая антенное устройство, добиваются максимального уровня принимаемого сигнала на выбранной рабочей частоте. Аналогичным образом ориентируют второе антенное устройство, добиваясь максимального уровня сигнала второй рабочей частоты, а затем фиксируют крепления кронштейнов.
Предварительные усилители 7, 2 содержат на входе потоковые повторители, нагрузкой которых служат резисторы аттенюаторов /, 2. Аттенюаторы /, 2 ступенчато ослабляют уровень измеряемого сигнала с шагом 2 дБ и обеспечивают максимальное подавление сигнала 38 дБ. Далее измеряемое напряжение усиливается операционным усилителем и подается на фильтры сосредоточенной селекции 1, 2, обеспечивающие основную изби-
рательность измерительного канала и выполненные в виде электромеханических стержневых фильтров (ЭМСФП). Температурный коэффициент ЭМСФП составляет не более 2,5 10~5 1/°С. Для обеспечения стабильной полосы пропускания (150± ±60 Гц) па корпусе фильтра расположен нагреватель, поддерживающий постоянство его температуры при изменении температуры окружающей среды от —10 до + 50 °C. Фильтр позволяет получить глубокое подавление сигналов вне полосы пропускания (коэффициент прямоугольное-™ по уровням 3 и 40 дБ не более 2) при малом коэффициенте затухания (нс более 12 дБ) и малом уровне собственных шумов, приведенном ко входу (не более 30 мкВ).
Отфильтрованные сигналы усиливаются основными усилителями 1, 2, выпрямляются однополупсриодными выпрямителями 1, 2 и через интегрирующие цепочки поступают на двухкаскадные усилители постоянного тока / и 2. Первые каскады, к выходам которых подсоединены аналого-цифровые преобразователи 1, 2 и стрелочные индикаторы PV1, PV2, служат для согласования низкого входного сопротивления АЦП и стрелочных индикаторов с высоким выходным сопротивлением выпрямителей 1, 2. Во вторых каскадах усилителей постоянного тока 1, 2 компенсируется основная часть измеряемых сигналов и с их выходов на входы аналоговых регистраторов 1, 2 подается аномальная часть этих сигналов, что позволяет по диаграммам записи более наглядно выделять аномальные объекты.
Преобразование измеренных в обоих каналах значений сигналов в цифровые коды и передача этих кодов вместе с кодами, соответствующими положению переключателей аттенюаторов: 1, 2, и кодами выбранных рабочих частот на цифровой магнп- юфоп осуществляется в течение цикла опроса. Приемно-передающее устройство служит для декодирования кода адреса, поступающего на его вход из цифровой магистрали.
Если код адреса соответствует элсктроразведочвому каналу, в приемно-передающем устройстве вырабатываются сигналы, разрешающие работу устройства обмена. При этом в устройстве обмена из импульсов, поступающих с выхода тактового генератора, формируются четыре последовательности тактовых импульсов, служащих для временного распределения и синхронной работы устройства обмена и присмно-псрсдающсго устройства. Кроме того, из устройства обмена поступают сигналы сброса в исходное состояние регистров /, 2 и регистров шифратора /, 2, запуска АЦП /, 2 и сигнал «Сдвиг», по которому информация, которая была записана в предыдущем цикле кодирования, передастся из регистров 1, 2 и регистров шифратора 1, 2 через приемно-передающее устройство в цифровую магистраль для записи на цифровой магнитофон.
Каждый из АЦП содержит цифро аналоговый преобразователь (ЦАП), компаратор и схему управления ЦАП. При поступлении сигнала запуска АЦП на схему управления ЦАП
подастся последовательность импульсов и на выходе ЦАП формируется ступснчато-нарастающсе напряжение пилообразной формы. Это напряжение вместе с измеряемым напряжением с выхода усилителя постоянного сока 1 или 2 поступает па два входа компаратора. Одновременно эти же импульсы заполняют информационный счетчик на выходе АЦП. В момент равенства измеряемого и ступенчато возрастающего эталонного напряжений компаратор срабатывает и подает сигнал запрета на вход информационного счетчика импульсов. Далее двоично- десятичный код, сформированный на выходах информационного счетчика импульсов, переписывается в регистр / или 2. После этого тактовые импульсы продолжают поступать на схему управления ЦАП и информационного счетчика до тех пор, пока эти счетчики, а следовательно и АЦП, установятся в исходное состояние. Следующим цикл преобразования начинается с приходом очередного импульса запуска с выхода устройства обмена на вход АЦП,
Таким образом, после окончания цикла преобразования в регистры I п 2 записывается код измеряемых сигналов, сформированный АЦП / и 2. Кроме того, в регистры шифратора 1 и 2 записывается код состояния положения ручек аттенюаторов /, 2 п переключателей рабочих частот, сформированный шифратором. Конструктивно регистры /, 2 выполнены в виде одного сдвигового регистра, служащего для хранения цифровой информации, так же как и регистры шифратора /, 2.
Последовательность работы всех регистров следующая. По сигналу с выхода приемно-передающего устройства, разрешающего работу устройства обмена, на выходе устройства обмена формируются две команды ввода информации, разрешающие, поочередное прохождение тактовых импульсов, на входы регистров /, 2 и регистров шифраторов /, 2. По этим тактовым импульсам информация в регистрах последовательно сдвигается вправо и через приемно-передающее устройство вводится в цифровую магистраль.
После выдачи информации триггеры регистров устанавливаются в нулевое положение импульсом сброса с выхода устройства обмена. Далее устройство обмена формирует импульс запуска АЦП /, 2, а затем две команды ввода информации, пй которым результаты кодирования с выходов АЦП /, 2 и шиф-1 ратора записываются в сдвиговые регистры. Коды на выходе шифратора в любой момент времени соответствуют выбранным положениям переключателей на панели прибора.
Для контроля работы АЦП I, 2 и цифровой части устройства нажатием кнопки «Контроль» па вход АЦП 1. 2 подается! постоянное контрольное напряжение, равное 3,15 В.
Конструктивно измерительный блок электроразведочпон аппаратуры выполнен на 22 печатных платах размером 160X Х80 мм, размещенных в типовом измерительном блоке станции СКАТ-77.
ГЛАВА VII
АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ЗЕМЛИ1
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЕСТЕСТВЕННЫХ ПЕРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ЗЕМЛИ И ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ
К естественным переменным электромагнитным полям Земли относятся поля, связанные с токовыми вихрями, возникающими в ионосфере при воздействии па нее потока заряженных частиц, излучаемых Солнцем, а также поля, источником которых являются атмосферные разряды (мировые грозы). Естественные электромагнитные поля первого вида — это поля инфразвуковых частот (максимальная интенсивность колебании с периодом доли секунды — нескольких минут); условно их называют магнито-теллурическими. Поля второго вида, обусловленные в основном грозовыми разрядами, имеют спектр частот сигналов, в котором сосредоточена основная часть их энергии, от 10 до 30 кГц с преобладанием от 60 до 1000 Гц; они условно называются высокочастотными естественными электромагнитными полями (ЕЭМП).
В магнитотеллурическое поле входят электрическое поле Е с составляющими Ех, Еи, Ez и переменное магнитное поле Н с составляющими Ну, Нх, Н,. Изменения магнитотеллуричсского поля во времени называют вариациями.
При геофизических работах изучают секундные и минутные вариации поля, относящиеся к классу короткопернодпых колебаний (КПК). Их интенсивность зависит от солнечной активности и состояния ионосферы. Среди факторов, воздействующих на КПК, важную роль играют электрические свойства верхних слоев Земли. Среднее значение амплитуды вариаций электрической составляющей магнитотеллуричсского поля в средних широтах составляет 3—10 мВ/км, а магнитной составляющей 0.1—5 нТл, причем интенсивность КПК в высоких широтах больше, чем в приэкваториальных областях.
Выделяют два типа КПК. Первый тип — устойчивые вариации Рс, длящиеся несколько часов без перерывов, обычно наблюдающиеся в утренние и дневные часы. Вариации Рс имеют максимум интенсивности в интервале 10—60 с. Второй тип — нерегулярные вариации, представляющие собой кратковременные серии (цуги) колебаний, разделенные периодами спокойного поля. Интенсивность этих вариаций максимальна в ночное время.
Соавтором гЛ. VII является Б. Л. Бобровников.
Векторы Е и И магнитотеллурического поля а каждой точке земной поверхности изменяются во времени по величине и направлению. Изменения величины и направления поля в данной точке можно охарактеризовать кривой — годогра- фом, которую описывают своими концами векторы Е и Н. Годографы векторов Е и Н обычно представляют собой сложные фигуры. Они могут быть изомерными (нелинейная поляризация) или вытянутыми в каком-либо направлении (квазилинейная поляризация). Линейная (квазилинейная) поляризация характерна для узких впадин и бортовых зон крупных бассейнов, нелинейная— для центральных районов крупных осадочных бассейнов.
Несмотря на то, что электромагнитные волны, излучаемые источниками токов в ионосфере, имеют очень сложный характер, в пределах исследуемых площадей они представляют собой практически плоские электромагнитные волны. Это связано о тем, что магнитотеллурические поля изучаются в точках поверхности, удаленных от токов в ионосфере на очень большие расстояния, и линейные размеры исследуемых площадей невелики по сравнению с этими расстояниями. Плоская электромагнитная волна падает на земную поверхность под произвольным утлом, зависящим от расположения источника ноля относительно исследуемого участка, п, преломляясь на земной поверхности, распространяется в вертикальном направлении. В не1 однородных средах характер электромагнитного поля существ венно зависит от параметров геоэлектр и ческого разреза, что и обусловливает возможность использования магнитотелдури- ческого поля для исследования этих разрезов.
В связи с тем, что интенсивность магнитотеллурического поля зависит как от электрических свойств изучаемого участка, так и от характера процессов в источнике тока (который неизвестен), для измерения магнитотеллурических полей исполь- , зуют методику относительных измерений. В простейшем варианте (метод теллурических токов) регистрируют вариации I электрического поля с периодом от 10 до 80 с в двух точках одновременно: базисной (неподвижной) и полевой (nd редвигающейся). Заключение о характере геоэлектрического разреза делают на основании изучения распределения по про» Филям и площади теллуропараметра ц:
^ "-Ем1Ец,।
где Ем и Е,у — напряженности поля (усредненные или измд* ренпые в один и тот же момент времени). Соответственно в полевой и базисной точках. По полученным результатам можно определить Только относительную суммарную продольную проводимость надопириой толщи S (в случае слоистого разреза со слабопроводяшим основанием) в долях этого обобщенного параметра разреза на опорной точке.
Широкий диапазон изменения частоты вариаций позволяет использовать магнитотеллурические поля для индукционных зондирований. Для магнитотеллурического поля, как и для искусственных электромагнитных полей, характерно то, что глубина проникновения поля зависит от его частоты и возрастает с ее уменьшением. Магнитотеллурическос зондирование (МТЗ) — разновидность частотного электромагнитного зондирования. В МТЗ регистрируют вариации электрического и магнитного полей с периодом сотые доли секунды — несколько минут. Наблюдения обычно ведут в одной точке. Основным параметром служит отношение напряженности электрического и магнитного полей, называемое импедансом:
Z--.EJHU.
В случае однородной среды
Z - —/<н/А,
где 6) — частота регистрируемых колебаний; / = у—1;
к—волновое число проводящего полупространства.
Учитывая, что волновое число связано с удельным сопротивлением среды р и частотой м, имеем:
р — 2Т | Z |а,
где Т — период колебаний.
В случае слоистого разреза по этому выражению определяется некоторый эффективный параметр, имеющий смысл кажущегося сопротивления. Это кажущееся сопротивление, получаемое в результате полевых наблюдений, связано с параметрами геоэлектрического разреза и частотой магнитотеллурического поля, что позволяет использовать его для изучения геоэлектрического разреза. Построив зависимость кажущегося сопротивления от частоты и сравнив ее с теоретическими графиками, рассчитанными для известных разрезов, можно установить параметры изучаемых геоэлсктрических разрезов.
Если регистрировать вариации электрического и магнитного полей в ограниченном диапазоне периодов (10—80 с) вдоль профилей наблюдений, то глубинность исследований во всех точках будет примерно одинакова, а результаты измерений аналогичны результатам электропрофилирования. Такой метод измерений называется методом магнитотеллурического профилирования (МТП). По результатам измерений Ех и Ну в каждой точке определяется импеданс, а затем и кажущееся сопротивление. В благоприятных условиях по наблюдениям МТП устанавливают суммарную продольную проводимость S надопорной толщи и строят карту S по исследуемому участку, а при наличии дополнительной информации о закономерностях изменения среднего продольного сопротивления этой толщи можно преобразовать карту S в структурную
карту' поверхности опорного горизонта высокого сопротивления.
Для регистрации электрического и магнитного полей обычно применяют осциллографическую запись измеряемых компонентов ноля или цифровую обработку сигналов с помощью цифровых электроразведочных станций.
Высокочастотные ЕЭМП используются в индуктивных методах разведки. В средних широтах наибольшее значение в формировании ЕЭМП имеют мировые грозы с очагами в субтропических и тропических районах Земли. Наблюдаемое поле носит случайный характер во времени и с некоторым прибли- ?кснием может быть представлено суммой, большого числа электромагнитных полей, возбуждаемых отдельными импульсами тока различной длительности и амплитуды во многих действующих одновременно источниках.
Электромагнитная энергия, освобождающаяся во время гроз, распространяется но сферическому волноводу, ограниченному земной поверхностью и нижней поверхностью ионосферы. При движении вдоль однородной поверхности вертикальная состав, ляющая магнитного поля затухает значительно быстрее горизонтальной. В результате этого при большом удалении от источника энергии (на тысячи километров) переменное поле, если оно распространяется над однородной и изотропной средой, становится горизонтально поляризованным. Таким образом, в районе геофизической съемки обычно наблюдают практически плоскую волну, имеющую только горизонтальную магнитную составляющую.
Аналогичная картина наблюдается и для электрической составляющей поля, только в волновой зоне (вдали от источника) вектор напряженности электрической составляющей первичного поля в воздухе почти вертикален. Вторичное электромагнитное поле возбуждается частью первичной электромагнитной волны, преломившейся на границе земля—воздух и распространяющейся вглубь Земли по нормали к ее поверхности.
Ориентация вектора напряженности вторичного электромагнитного поля зависит от структуры геоэлсктричсского разреза, по это поле обязательно имеет составляющую, отсутствующую в первичном поле. Такими аномальными составляющими напряженности являются вертикальная в магнитном и горизонтальная в электрическом полях. Суммарное поле при измерениях в узкой полосе частот достаточно полно может быть охарактеризовано параметрами «усредненного эллипсоида» поляризации.
Случайный характер поля затрудняет выделение гсоэлек- трических неоднородностей по результатам измерений абсолютных значений напряженности ЕЭМП. Для получения информации о гсоэлектрическом разрезе измеряют относительные характеристики поля, связанные с его пространственными составляющими в вертикальной плоскости. Такими характеристик
ками, не зависящими от изменения напряженности первичного' поля, являются отношение малой оси эллиптически поляризованного поля к его.большой оси (коэффициент эллиптичности), угол наклона большой оси и угол наклона плоскости поляризации к горизонту, а также отношение полуосей проекции эллипса на вертикальную плоскость.
По отношению к источникам вторичных полей (локальным геологическим объектам повышенной проводимости) измерения выполняют преимущественно в зоне индукции, поэтому преобладающей будет магнитная составляющая напряженности электромагнитного поля, по фазе которой можно судить о проводимости геоэлектрического разреза. Измеряют также реактивную и активную составляющие вертикальной компоненты магнитного поля в долях горизонтальной компоненты этого же поля, используемой в качестве опорного сигнала.
Рассмотренные выше величины представляют собой информационные параметры естественных переменных электромагнитных полей Земли и используются для решения различных задач структурной и рудной геофизики.
§ .38. АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ В ДИАПАЗОНЕ ИНФРАНИЗКИХ ЧАСТОТ. МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ МТЛ-71
Лаборатория МТЛ-71 предназначена для проведения работ методами магнитотеллурического зондирования (МТЗ), магнитотеллурического профилирования (МТП) и теллурических токов (МТТ) при картировании геологических структур в районах с осадочным чехлом мощностью 1—10 км и суммарной продольной проводимостью 100—1000 См. Форма регистрации сигналов электромагнитного поля — аналоговая, с записью на фотобумагу шлейфовым осциллографом.
Основные технические характеристики лаборатории МТЛ-71
Рабочие частоты регистрируемых сигналов, Гц0—1
Число измерительных каналов 5
Чувствительность каналовизмеренияэлектрическогополя, мм/мкВ . . . 3
Коэффициент преобразованиямагнитометров,В/(А/м)20
Входное сопротивление каналов измерения электрического поля, кОм: без усилителя 0,6
с усилителем20
Собственные шумы каналов измерения поля, приведенные ко входу: электрического (с усилителем), мкВ 1
магнитного, нТл 0,01
Относительная погрешность измерений, %..............2
Максимальное ослабление чувствительности,дБ 30
Динамический диапазон регистрации на каждой чувствительности, дБ . . 46
Коэффициент усиления по напряжению 30
Дальность синхронизации, км80
Потребляемая мощность, Вт 20
Масса измерительных блоков, кг 57
Рис. 125. Функциональная схема лаборатории МТЛ-71Рис. 125. Функциональная схема лаборатории МТЛ-71
Рис. 125. Функциональная схема лаборатории МТЛ-71
Рис. 125. Функциональная схема лаборатории МТЛ-71
Блоки, входящие в состав лаборатории, размещены в салоне автомобиля повышенной проходимости ГАЗ-66. Лаборатория (рис. 125) содержит пять каналов, по которым одновременно можно регистрировать три компоненты магнитного поля и две электрического. При одновременной регистрации сигналов несколькими лабораториями, расположенными на значительных расстояниях друг от друга, работа аппаратуры синхронизируется по радиоканалу автоматическим синхронизатором осциллограмм.
Каждый из трех каналов измерения магнитного поля содер жит стандартный электроразведочный магнитометр МЭ-71 (см рис. 17). К обмоткам компенсация магнитометров 1—3 иодклю ясны компенсаторы магнитного поля /—3, содержащие авто помимо источники питания и плавноступенчатые регулятору тока. Изменяя ток в компенсационных обмотках, компенсируют внешнее магнитное поле, действующее на магниты-индикатори! магнитометров 1—3 перед началом измерений, а также и теХ случаях, когда амплитуда регистрируемого сигнала превышает пределы измерений измерительного капала.
На входах каналов измерения электрического поля установлены компенсаторы поляризации, каждый из которых содержит автономный источник питания и два регулятора напряжения для грубой и точной компенсации ЭДС поляризации электродов приемных линий MXNX и М^Ч и постоянного естественного
электрического поля. Пределы измерений каналов регистрации магнитного и электрического нолей устанавливаются оператором вручную переключателями пределов измерений /—5 па 11 положений. Далее сигналы через контакты разъема XL1— XI.5 подаются непосредственно на осциллограф через контакты разъема Х3.1—Х3.5 либо через усилители 1—5 (в этом случае через контакты разъема Х2.1—Х2.5 они включаются между разъемами XI и ХЗУ
Усилители 1—5 предназначены для усиления измеряемых сигналов и повышения входного сопротивления регистрирующих каналов и содержат последовательно соединенные входной преобразователь, усилитель переменного напряжения и синхронный детектор. Входное постоянное или медленно изменяющееся напряжение преобразуется в переменное, усиливается усилителем переменного напряжения и синхронно выпрямляется. Входной преобразователь и синхронный выпрямитель, работой которых управляет автономный генератор, выполнены па электронных ключах серин КЮ1КТ1.
На входах усилителей 1—5 установлен регулируемый фильтр нижних частот, обеспечивающий подавление переменных составляющих с частотой выше 1 Гц. Усилитель переменного напряжения собран на кремниевых транзисторах. Коэффициент его усиления может дискретно изменяться переключателем, подключающим нужный резистор в цепь отрицательной обратной связи.
Регистрируемые сигналы с выходов усилителей /—5 подаются в цепи гальванометров стандартного электроразведочного осциллографа ЭГТО-9.
Градуировочное устройство позволяет поочередно подавать на вход каждого канала импульсы различной величины и полярности. Выход блока градуировки через переключатель SA подключается либо к градуировочным обмоткам магнитометров /—3 при градуировке каналов измерения магнитного поля, либо последовательно с выходом компенсаторов поляризации I, 2 при градуировке каналов измерения электрического поля.
Блок градуировки содержит автономный источник питания и регулируемый делитель, ток в цепи которого контролируется миллиамперметром. При градуировке ток в цепи делителя устанавливается равным 0.1 или 0,5 мА, а градуировочное напряжение может выбираться одним из 10 фиксированных значений от 0,2 до 25 мВ (или от 0,2 до 25 нТл при градуировке каналов измерения магнитного поля). Кроме того, на панели блока градуировки имеются еще два переключателя, позволяющие уменьшать указанную амплитуду выходного сигнала точно в 5 раз и изменять полярность градуировочного сигнала.
Миллиамперметр, который используется для точной установки тока градуировки, может быть подключен последовательно в выходную цепь каждого из магнитометров 1—3. Это позволяет контролировать силу тока в цепи обратной связи
магнитометров, причем отклонение стрелки миллиамперметра на 100 делений соответствует измеряемому току в 5 мА.
Для эталонирования магнитометров /—3 и блока градуировки служит пульт эталонирования, который подключается, к кольцам Гельмгольца либо к переключателю SA вместо блока градуировки. Пульт эталонирования содержит внешний источник питания 1,5—ЗВ, микроамперметр и магазин высокоточных резисторов с шестью декадными переключателями. Силу тока эталонирования (200 мкА) устанавливают по показаниям микроамперметра, а выходной сигнал пульта эталонирования определяют по положениям ручек управления декадными переключателями.
Контрольные кольца Гельмгольца закреплены на поворотном столе, который установлен па ч'репогс, снабженной нивелировочными винтами. Поворотный стол фиксируется на треноге винтом. Стол устанавливается в горизонтальное положение нивелировочными винтами, чти контролируется шаровым уровнем, а ориентировку производят с помощью съемной буссоли. Магнитометр устанавливают строго в центре колец. Это достигается путем помещения нивелировочных винтов магнитометров в имеющиеся на плите поворотного стола специальные углубления. Кольца могут монтироваться на поворотном столе в горизонтальном или вертикальном положениях.
Прием и передача марок времени по радиоканалу и подача этих меток на осциллограф производится автоматическим синхронизатором осциллограмм (рис. 126), подключенным к осциллографу и радиостанции. Элементом, задающим режим работы синхронизатора, служит автоколебательный мультивибратор, вырабатывающий прямоугольные импульсы напряжения,, следующие с периодом 5 с. Частота этих импульсов делится триггерами 1—4, из которых триггеры 1 и 4 работают в режиме деления частоты на два, а триггеры 2 и 3 совместно образуют делитель частоты на три, благодаря наличию цепи обратной связи с выхода триггера 3 на один из входов триггера 2. Триггер 2 запускается по счетному входу положительными фронтами импульсов U2 (см. рис- 127) на выходе триггера /, а также с некоторой задержкой по цепи обратной связи фронтами импульсов Щ на выходе триггера 3. В свою очередь триггер 3 .запускается по счетному входу положительными фронтами импульсов Из на выходе триггера 2. Из сигналов У2 — ий на выходах триггеров 1—4 формируется последовательность опорных импульсов Ue длительностью 5 с, следующих с периодом 60 с. Эта последовательность формируется четырсхвходо- вым логическим элементом И (см. рис. 126), к входам которого подключены выходы триггеров 1—4.
Со второго, инверсного выхода мультивибратора прямоугольные импульсы через эмиттерный повторитель поступают па дифференцирующую цепочку. Ее постоянная времени подобрана таким образом, что на выходе по фронтам импульсов, выраба- 286
Рис. 126. Структурная схема автоматического синхронизатора осциллограмм лаборатории АПЛ-71Рис. 126. Структурная схема автоматического синхронизатора осциллограмм лаборатории АПЛ-71
Рис. 126. Структурная схема автоматического синхронизатора осциллограмм лаборатории АПЛ-71
Рис. 126. Структурная схема автоматического синхронизатора осциллограмм лаборатории АПЛ-71
Эдшшш!^^
^Ьпппппппппппппг ^ЦГЕГТЪППЛД^П . 1L_JZZU~~l I Um_E.
Рис. 127. Эпюры напряжений, поясняющие работу автоматического синхронизатора осциллограммРис. 127. Эпюры напряжений, поясняющие работу автоматического синхронизатора осциллограмм
Рис. 127. Эпюры напряжений, поясняющие работу автоматического синхронизатора осциллограмм
Рис. 127. Эпюры напряжений, поясняющие работу автоматического синхронизатора осциллограмм
тывасмых мультивибратором, формируются короткие импульсы длительностью 0,4—0,5 с.
Сигналы с выхода элемента И и дифференцирующей цепочки подаются на двухвходовый логический элемент ИЛИ. Напряжение U4 на выходе элемента ИЛИ (см. рис. 127) представляет собой совокупность коротких импульсов длительностью 0,4—0,5 с, следующих через каждые 5 с, и опорных импульсов длительностью 5,4 с, следующим через каждые 60 с. Длительность опорных импульсов на выходе элемента ИЛИ
(сигнал U^ на 0,4 с больше, чем па входе элемента И (сигнал иЛ. так как одновременно с окончанием отрицательного импульса длительностью 5 с на первом входе элемента ИЛИ. на втором вход поступает отрицательный импульс с выхода дифференцирующей цепочки, а элемент ИЛИ эти импульсы пропускает друг за другом.
Сигнал с выхода элемента ИЛИ (см. рис. 126) поступает на переключатель рода работ и далее в положении «Передача» на вход электронного ключа, который управляет работой реле К1. Реле К1 срабатывает па каждый отрицательный импульс напряжения Ui и выключается в паузах между импульсами. Нормально разомкнутые контакты КМ реле подключены к модулятору радиопередатчика. При срабатывании реле контакты КМ замыкаются и радиостанция излучает непрерывную телеграфную посылку, представляющую собой высокочастотные колебания, модулированные частотой (500±50 Гн. Одновременно замыкаются нормально разомкнутые контакты К 1.2 реле, и на фотобумагу осциллографа наносятся метки через каждые 5 с.
При синхронной работе нескольких лабораторий для приема меток времени по радиоканалу от другой лаборатории переключатель рода работ устанавливают в положение «Прием». При этом отключается питание от мультивибратора, триггеров, элементов И, ИЛИ и подастся па избирательный усилитель (цепь питания электронного ключа и реле сохраняется включенной). С выхода радиоприемника радиостанции па избирательный усилитель поступают телеграфные посылки, представляющие собой лачки импульсов длительностью 0,4 -0,5 с (или 5,4 с при излучении передающей станцией опорных импульсов), заполненные колебаниями с частотой 1500 Гц.
Избирательный усилитель выполнен на транзисторе с трансформатором па входе, обмотки которого вместе с конденсаторами образуюг резонансные контуры, настроенные на частоту 1500 Гц. Сигнал с выхода избирательного усилители выпрямляется выпрямителем и сглаживается емкостным фильтром. Форма сигнала па выходе выпрямителя с фильтром близка к форме сигнала (/; на выходе элемента ИЛИ (см. рис. 126). Полученные на выходе выпрямителя импульсы через переключатель рода работ и электронный ключ управляют работой реле К! (см. рис. 126). Через замкнутые контакты Kt.2 реле поступает напряжение в цепь маркирующего устройства осциллографа.
В третьем положении переключателя рода работ «Выключено» отключается питание от всех блоков автоматического синхронизатора осциллограмм, а метки на фотобумагу наносятся по сигналам, вырабатываемым собственным генератором меток времени осциллографа.
Блоки аппаратуры магнитотеллурической лаборатории питаются от батарей и аккумуляторов. Для зарядки последних в лаборатории имеется зарядное устройство и бепзоэлектриче- ский агрегат АБ-0, 5-0/115-400.
288
g г к-8 st ssesES’ses s $ в s? s s а лг ^
§ 39. АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИИ В ПОЛЯХ ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ
Электроразведочные работы с использованием естественного переменного электромагнитного поля Земли звуковых частот в настоящее время проводят двумя методами — методам переменного естественного электрического поля (ПЕЭП) и переменного естественного магнитного поля (ПЕМП). Эти методы находятся на стадии промышленного внедрения. Ниже кратко рассматриваются два типа аппаратуры, использующейся для выполнения полевых работ этими методами.
Элекгроразведомный прибор ЭСП-101
Прибор ЭСП-101 предназначен для выполнения полевых работ методом переменного естественного электрического поля на трех частотах. По результатам измерений оконтуривают площади распространения пород, имеющих разное удельное электрическое сопротивление, выяляют зоны тектонических нарушений, дайки, жилы, рудные тела, изучают морфологию поверхности горизонтов повышенного сопротивления, например, кристаллического фундамента иод толщей осадочных пород.
Основные технические характеристики прибора ЭСП-101
Рабочие частоты, Гц 6,20 к 300
Измеряемое напряжение, мкВ0,5—1000
Погрешность измерений. % 6
Подавление промышленных помех, дБ SO
Входное сопротивление, МОм I
Время осреднения измеряемых сигналов, с 10 и 20
Потребляемая мощность, Вт 0,4
Время подготовки прибора к работе, мни 10
Масса, кг 3,5
В приборе ЭСП-101 (рис. 128) измеряемый сигнал с выхода приемной линии MN подается на предварительный усилитель, служащий для регулировки усиления сигналов и динамического диапазона прибора. К выходу предварительного усилителя подключей фильтр подавления промышленных импульсных помех, содержащий блок амплитудной селекции, а также усилитель с пенью АРУ.
Рис. 128. Функциональная схема прибора ЭСП-101Рис. 128. Функциональная схема прибора ЭСП-101
Рис. 128. Функциональная схема прибора ЭСП-101
Рис. 128. Функциональная схема прибора ЭСП-101
289289
289
289
0 3;,каэ № 1287
Фильтрация полезных сигналов осуществляется избирательным усилителем, настроенным на частоту рабочего сигнала (при поочередном измерении сигналов трех частот используется один избирательный усилитель с перестраиваемыми фильтрами, а при одновременных измерениях — три избирательных усилителя, настроенных на фиксированные частоты).
Выпрямленные сигналы подаются па интегратор, на входе которого установлен электронный ключ. Сигнал интегрируется в течение 10 или 20 с, затем интегратор отключается от выпрямителя и берется отсчет по стрелочному прибору PV. Управляется электронный ключ сигналом, вырабатываемым реле времени.
В схеме может быть использован корректор времени интегрирования, который увеличивает время интегрирования на ту величину, на которую фильтр подавления промышленных помех отключал вход избирательного усилителя от выхода предварительного усилителя во премя действия импульсной помехи.
Аппаратура ИНВЕМП
Измеритель наклона вектора естественного магнитного поля (ИНВЕМП) предназначен для геологического картирования в районах с крутопадающими границами раздела пород с различными сопротивлениями, а также для поисков локальных объектов с низким удельным сопротивлением (сульфидных рудных тел, графитизированных зон и т. п.).
Основные технические характеристики аппаратуры ИНВЕМП
Полоса рабочих частот, Гн 175—185
Погрешность измерения отношения амплитуд двух сигналов, %3,5
Погрешность измерения угла наклона большой полуоси эллипса поляризации, градус 2
Время одного наблюдения, с 30
Максимальное расстояние между датчиками поля и измерительным пультом, м 5
Масса (с источниками питания), кг ..16
Аппаратура (рис. 129) содержит две расположенные' взаимно перпендикулярно рамки (вертикальную и горизонталь- иую) с ферритовыми сердечниками, устанавливаемыми на треноге, два предварительных усилителя 1 и 2, расположенные в непосредственной близости от рамок, и измерительный пульт, который удаляют на расстояние до 5 м от приемных рамок для устранения па них наводок от работающих радиоэлектронных блоков в измерительном пульте.
На входе измерительного пульта установлены блоки избирательных усилителей / и 2, содержащие последовательно соединенные широкополосные усилители с аттенюаторами для выбора пределов измерения и собственно избирательные усилители с фильтрами, обеспечивающими усиление сигналов только в полосе частот 175—185 Гц.
Рис. 129. Структурная схема аппаратуры ИНВЕМП
С помощью вертикальной рамки принимают горизонтальную составляющую магнитного поля, сигнал от которой используют в качестве опорного. С выхода избирательного усилителя 1 изменяемый регулятором амплитуды опорный сигнал подается на один из входов вычитающего устройства. На его второй вход с выхода избирательного усилителя 2 поступает рабочий сигнал, пропорциональный напряженности вертикальной составляющей магнитного поля. Регулируя амплитуду опорного сигнала, добиваются нулевых показаний стрелочного прибора PV, установленного на выходе фазочувствительного детектора.
Таким образом, аппаратура работает по принципу компенсации сигнала с выхода горизонтальной рамки (аномального сигнала) частью сигнала с выхода вертикальной рамки (сигнала нормального поля), а момент компенсации устанавливается при помощи фазочувствительного нуль-индикатора, управляемого сигналом нормального поля. Результат измерений представляет собой отношение средней величины вертикальной составляющей магнитного поля, синфазной с горизонтальной составляющей магнитного поля, к средней величине горизонтальной составляющей. Этот результат измерений, величина которого пропорциональна углу наклона большой полуоси эллипса поляризации магнитного поля, считывается по показаниям органов управления и регулятора амплитуды, шкала которого представлена непосредственно в градусах.
ГЛАВА vm.
АГРЕГАТИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС
ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНОЙ ТЕХНИКИ
§ 40. АГРЕГАТИРОВАНИЕ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНОЙ ТЕХНИКИ
Анализ функциональных и принципиальных схем различных видов аппаратуры, рассмотренных в предыдущих главах, показывает, что при общем сходстве функциональных схем принципиальные схемы и конструкция каждого типа аппаратуры существенно отличаются друг от друга. Каждый элсктроразведоч- ный прибор своеобразен, уникален, выполнен с применением самой разнообразной элементной базы (от давно устаревших электронных ламп к электромеханических переключателей — контакторов до новейших больших интегральных схем и микропроцессоров). Это вызывает значительные трудности как при серийном изготовлении такой аппаратуры, так к при ее эксплуатации, ремонте и обслуживании.
Электроразведочная аппаратура по своему назначению относится к классу информационно-измерительных систем, широко используемых в различных отраслях пауки и техники и входящих в Государственную систему приборов (ГСП). К одному из важнейших требований к приборам, входящим в эту систему, относится их унификация за счет использования однотипной элементной базы и других комплектующих изделий, стандартных узлов и блоков, которые в зависимости от поставленных задач могут соединяться между собой по той или иной структурной схеме, позволяющей создать конкретный прибор определенного назначения.
Измерительные комплексы, построенные на основе использования унифицированных узлов и блоков (агрегатов), позволяющие применять одни и те же агрегаты для создания различных измерительных систем, называют агрегатированными пли агрегатными.
В настоящее время приборостроительной промышленностью и связанными с ней организациями, обеспечивающими разработку и выпуск геофизической аппаратуры, формируется агре- гатированный комплекс средств геофизической техники, одним из слагаемых которого является а грека тирован ный комплекс электроразведочной техники (АКЭТ).
Первый вариант комплекса электроразведочной техники предназначен для выполнения электроразведочных работ боль-
шпнством основных методов наземной электроразведки: переходных процессов, вызванной поляризации, сопротивлений, естественного электрического поля, частотного зондирования, становления электроиагииткосо поля. АКЭТ может быть использован также при осуществлении не требующих применения каротажного оборудования скважинных вариантов электроразведки, например метода заряда.
В целом же АКЭТ должен заменить почти всю выпускаемую серийно электроразведочную аппаратуру, что позволит значительно упростить выпуск и эксплуатацию этой аппаратуры.
В состав АКЭТ входят: I) три генераторных устройства (ТУ)—малой мощности (ГУ-MM), средней (ГУ-CM) и большой (ГУ-БМ); 2) четыре импульсных измерителя параметров нестационарных электромагнитных полей — ранних стадий (НРС) электрического поля Е и производной напряженности Н магнитного поля по времени i {dHIdt'}, средних стадий (ИСС) переходного процесса Е и dHIdt, поздних стадий (ИПС) переходного процесса Е, средних и поздних стадий (ИМИ) напряженности Н магнитного поля; 3) четыре измерителя гармонических нолей — высокочастотных (ИГВ) электрических и магнитных полей {Е и dHIdt), среднечастотных (ИГС) электрических и магнитных полей (£ и dH[dt), низкочастотного (ИГН) электрического поля Е и напряженности (ИМЧ) Н низкочастотного магнитного поля; 4) комплекс входных преобразователей, состоящих из неполяризующихся электродов, дипольной электрической (бесконтактный входной преобразователь напряженности переменного электрического поля Е}, широкополосной магнитной и импульсной магнитной антенны; 5) универсальным канал синхронизации измерительных устройств опорными сигналами от генераторных устройств.
Из указанных узлов АКЭТ монтируются электроразведочные станции: а) легкая станция на одном автомобиле УАЗ-452 с генераторным устройством средней мощности и двумя измерителями (гармонических или импульсных сигналов); б) средняя станция с генераторным устройством большой мощности, устанавливаемым на одной автомашине, и набором измерителей, размещенных на другой автомашине; в) тяжелая станция с генераторными устройствами большой и средней мощностей на одном автомобиле ЗИЛ-131 и большим набором измерителей на другом автомобиле этой же марки,
. ГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА АКЭТ
Генераторные устройства АКЭТ отличаются от рассмотренных ранее повышенной унификацией применяемых в них узлов и блоков, а также возможностью использования, одного к того же генераторного устройства при проведении работ многими методами электроразведки. Ввиду этого большинство технических параметров, характеризующих устройства АКЭТ, имеют
гораздо более широкие пределы по сравнению с узкоспециализированной аппаратурой того или иного метода электроразведки.
Основные технические характеристики генераторных устройств А КЭТ
Максимальная мощность генератора. Вт; малой мощности 50
средней мощности 500
большой мощности 15 000
Максимальное напряжение генератора н питающей линии, В: малой мощности 250
средней мощности 300
большой мощности ..1000
Максимальный ток генератора в питающей липин, Л: малой мощности 1
средней мощности 5
большой мощности 100
Рабочие частоты генератора, Гц: малой мощности .................. , . . . 0—10 000 Средней мощности 0—2500
большой мощности 0—400
Погрешность стабилизаций тока генератора, %: малой мощности 0,2
средней мощности . . . . .. .0,2
генератора большой мощности 0.5
Масса генератора (без первичного источника питания), кг: малой мощности 4
средней мощности 7
большой мощности 200
В генераторных устройствах АКЭТ (на рис. 130) первичным источником питания генератора малой мощности служит батарея аккумуляторов (например, типа ЗО-КНГ-1,5 массой 3— 4 кг); генератора средней мощности — бензоэлектричсский агрегат постоянного тока с номинальным напряжением 30 В (типа АБ-О.5-П/ЗО массой 21 кг); генератора большой мощности — передвижные электростанции с дизелем ДЗ-7Е массой не более 1000 кг. Важная особенность дизельных электростанций заключается в том, что при отключении нагрузки от выхода генератора дизель практически нс изменяет числа оборотов. Это позволяет не подключать балластную нагрузку к выходу генера-
Рис. 130. Структурная схема генераторных устройств АКЭТ
тора в паузах между импульсами тока, пропускаемого в землю, что упрощает конструкцию генераторного устройства.
К выходу первичного источника питания Un подключен конвертор, представляющий собой преобразователь постоянного тока в постоянный с промежуточным преобразованием в переменный ток. На выходе преобразователя постоянного тока в переменный установлен трансформатор с секционированной вторичной обмоткой. Постоянное напряжение на выходе конвертора получают путем выпрямления переменного напряжения с частотой 5—10 кГц, на которой работает конвертор.
К его выходу через стабилизатор тока подключен коммутатор тока, выполненный в виде мостового инвертора. Инвертор содержит четыре высоковольтных мощных транзистора (в генераторах малой и средней мощностей) или четыре тринистора (в генераторах большой мощности). Режим работы коммутатора тока задается формирователем управляющих сиглалов, на вход которого подаются колебания, вырабатываемые высокоста- бильпым кварцевым задающим генератором. К выходу коммутатора тока подключена нагрузка в виде заземленной питающей линии или пезаземленной петли.
Последовательно с нагрузкой включен эталонный резистор, напряжение с которого подастся на стабилизатор тока. Последний работает в ключевом режиме и обеспечивает стабильность тока непосредственно в нагрузке с погрешностью ле более 0,2—0,5 %.
К нагрузке подключено также устройство защиты, которое предназначено для отключения генератора от нагрузки при воз- никповенни аварийного режима работы ^обрыв питающей линии, короткое замыкание и др.). Устройство защиты блокирует работу коммутатора тока, стабилизатора и конвертора при возникновении аварийной ситуации.
§ 42. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА АКЭТ
Измерительные устройства АКЭТ, как и генераторные, обладают повышенной унификацией используемых в них узлов и блоков и имеют более широкую область применения, чем узкоспециализированные измерители.
Основные технические характеристики измерительных устройств АКЭТ
O.IO-1O ООО 0,1—10 0001 — 10 000 0,01—10 000 0,01—10 000 0,03—10 000O.IO-1O ООО 0,1—10 0001 — 10 000 0,01—10 000 0,01—10 000 0,03—10 000Измеряемое напряжение, мВ, измерителем:
O.IO-1O ООО 0,1—10 000
1 — 10 000 0,01—10 000 0,01—10 000 0,03—10 000
O.IO-1O ООО 0,1—10 000
1 — 10 000 0,01—10 000 0,01—10 000 0,03—10 000
ранних стадий
средних стадий поздних стадий
высокочастотным ,, , . .
среднечастотным
низкочастотным . .
1 —1051 —1011 —1051 —101Измеряемое постоянное магнитное поле, нТл, измерителем магнитного поля: импульсным частотным
1 —105
1 —101
1 —105
1 —101
Измеряемое нестационарное магнитное поле, нТл, импульсным измерителем магнитного поля . . . 0.01—1000
Измеряемое переменное магнитное поле, пТл, частотным измерителем магнитного поля • • . . 0,01—1000
Время измерения, мс, измерителем:
ранних стадий 0,1-20
средних стадий 1—1000
поздних стадий . - более100
импульсным магнитного поля 40—10"
Рабочие частоты. Гн, для измерителей: высокочастотного 78—10 000
среднечастотного 2,5—1000
низкочастотного . 0,03—20
частотного магнитного поля 0.03--78
Пт решность измерений всех измерителей, % 0,1
Уровень собственных шумов, приведенных ко входу, мкВ, для измерителей:
ранних стадий ОД
средних стадии . . . . I
поздних стадий .. .5
высокочастотного 0,02
среднечастотиого 0,1
низкочастотного 5
Уровень собственных шумов, приведенных ко входу, нТл, для измерителен магнитного ноля:
импульсного 0,003
частотного 0,003
Потребляемая мощность. Вт: измеритель ранних,средних и поздних стадий 3
импульсный п частотный измеритель магнитного поля . . .8
измеритель высокочастотный, среднечастотпый и низкочастотный 2
Масса, кг, измерителя: ранних стадий 6
средних стадий 7
поздних стадий 5
импульсного магнитного ноля 7
высокочастотного, среднечастотиого и частотного измерителя8
магнитного поля низкочастотного 6
В унифицированном импульсном измерителе АКЭТ
(рис. 131) сигнал переходного процесса с выхода входного преобразователя подается па модулятор, формирующий из этого сигнала переменное напряжение. В блоке вычитания из суммарного сигнала вычитается постоянная составляющая, обусловленная ЭДС поляризации приемных электродов, сползанием нуля блоков измерительного устройства и другими причинами. Далее сигнал усиливается, фильтруется синхронным фильтром, и заданные моменты времени измерений стробируется блоком стробирования и поступает в устройство выборки-хранения, поддерживающее амплитуду измеряемого сигнала постоянной на время преобразования аналоговой величины в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Полученная информация в цифровой форме дополнительно фильтруется от помех, накапливается и обрабатывается по заранее заданному алгоритму блоком цифровой обработки, к выходу ко-
Рис, 131. Структурная схема уиифициропанного импульсного измерителя АКЭТ
торого подсоединен цифровой индикатор, обеспечивающий отсчет измеряемого параметра в виде трехзначного числа (три десятичных разряда).
В состав импульсных измерителей входит автоматический компенсатор поляризации, содержащий два цифро-аналоговых преобразователя ЦАГ1 1, 2 и сумматор, выход которого соединен с одним из входов блока вычитания. В тот промежуток времени, когда измеряемый сигнал нестационарного ноля отсутствует, постоянная составляющая входного сигнала преобразуется с помощью АЦП в цифровой код в два такта.
В первом такте выходные напряжения ЦАП 1 и 2 устанавливают равными пулю и на выходе АЦП получают 8—10-раз- рядный код постоянной составляющей входного сигнала. Во втором такте полученный цифровой код с выхода АЦП передастся на информационный входы ЦАП L Полученное на выходе ЦАП / напряжение, пропорциональное постоянной составляющей входного сигнала, вычитается из этой составляющей в блоке вычитания и полученный разностный сигнал (недокомпеиси- рованная часть постоянной составляющей входного сигнала) вновь преобразуется в 8—10-разрядный код с помощью АЦП.
Этот код (код точной компенсации) передается на ЦАП 2. Выходное напряжение ЦАП 2 через делитель в 256—1024 раз (соответствующие числу разрядов передаваемого кода) подается на второй вход сумматора, чем обеспечивается компенсация ЕП с очень высокой точностью (до 5—10 мкВ и менее) Во время измерения сигналов нестационарного поля код на управляющих входах ЦАП / и 2 сохраняется неизменным. '
Синхронизация работы измерителя производится сигналами, вырабатываемыми формирователем управляющих сигналов, который выполнен по той же схеме, что и формирователь управляющих сигналов генераторного устройства, причем задающие генераторы обеих формирователей содержат кварцевые резо-
наторы со строго одинаковыми частотами. Благодаря этому на выходах формирователей получают одинаковые последовательности импульсов, которые сдвигаются по фазе друг относительно друга даже из-за очень небольшой разницы частот кварцевых резонаторов. Чтобы избежать возможных ошибок синхронизации, формирователи управляющих сигналов работающих совместно генераторных и измерительных устройств периодически фазируются сигналами, поступающими от генераторного устройства и принимаемыми датчиком сигналов синхронизации измерительного устройства.
В унифицированном измерителе гармонически изменяющихся полей (рис. 132) реализуется принцип раздельного измерения активной, реактивной составляющих и модуля (амплитуды) сигнала, поступающего с выхода входного преобразователя и отфильтрованного от помех и нечетных гармоник синхронным и аналоговым, фильтрами. Измеряемый сигнал синусоидальной формы с выхода аналогового фильтра подается на первые входы двух синхронных выпрямителей / и 2.
На вторые два входа этих выпрямителей с двух выходов формирователя управляющих сигнала поступают прямоугольные напряжения, одно из которых имеет ту же фазу, что и фаза тока в источнике поля, а второе сдвинуто по фазе на 90°. Благодаря этому на выходе синхронного выпрямителя I после интегрирования получают постоянное напряжение, пропорциональное активной составляющей измеряемого сигнала, а на выходе синхронного выпрямителя 2— пропорциональное реактивной составляющей. Эти напряжения через переключатель режимов измерений ЗА подаются на вход АЦП, где сигнал кодируется. Цифровые коды обрабатываются в блоке цифровой обработки по заранее запрограммированному алгоритму, а затем результат измерений отображается на цифровом индикаторе.
Для того чтобы получить постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде измеряемого сигнала, постоянные иапря-
Рнс. 132. Структурная схема унифицированного измерителя гармонически меняющихся полей АКЭТ
жения с выходов синхронных выпрямителей / и 2 преобразуются в переменное напряжение модуляторами / и 2, причем управляющие сигналы, поступающие на модуляторы / и 2, имеют прямоугольную форму и сдвинуты друг относительно друга на 90°.
Выходные напряжения модуляторов 1 и 2 суммируются в блоке векторного сложения, а суммарный сигнал выпрямляется амплитудным выпрямителем. Как показывают расчеты, при таком алгоритме обработки сигналов постоянное напряжение на выходе амплитудного выпрямителя пропорционально амплитуде измеряемого сигнала. Таким образом, в зависимости от положения переключателя 5Л измеряется либо активная (положение /), либо реактивная составляющая (положение 2), либо амплитуда сигнала (положение ЗУ
Формирователь управляющих сигналов и датчик сигналов синхронизации в измерителе гармонических сигналов выполняются точно так же, как и в измерителе импульсных сигналов.
ГЛАВА IX.
НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНОЙ АППАРАТУРЫ
§ 43. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Под надежностью электронной аппаратуры принято понимать ее свойство сохранять работоспособность в течение заданного интервала времени, а работоспособностью считается такое состояние аппаратуры, при котором вес его основные метрологические параметры соответствуют заданным. При этом допускается некоторое изменение параметров, когда погрешность измерений нс превышает допустимую техническими условиями. Выход аппаратуры из строя (отказ) является обычно состоянием случайным и обусловлен отказом (или резким изменением параметров) одного или нескольких слагающих ее элементов.
Основными количественными показателями надежности являются; среднее время ТсР безотказной работы (интервал времени между двумя отказами); интенсивность отказов X; вероятность Р (/) безотказной работы за время I.
Среднее время безотказной работы рассчитывается или определяется экспериментально, по результатам испытаний:
7„-7.[|„^Г’’
где То — время испытаний, ч; N — общее число испытываемых приборов; п— число отказавших приборов.
Интенсивность отказов обратно пропорциональна среднему времени безотказной работы:
Х = 1/Тф.
Вероятность появления п отказов за время / в простейшем случае определяется законом Пуассона:
Р„(0= Мп<^мМ
Вследствие этого вероятность безотказном работы за время / подчиняется экспоненциальному закону:
Если аппаратура содержит т одинаковых элементов, каждый из которых имеет интенсивность отказов X, и отказ одного элемента вызывает выход из строя всей аппаратуры, то интен-
сивность отказов аппаратуры в целом
Х^ —■ тХ.
Интенсивность отказов аппаратуры, состоящей из разнородных элементов q, равна сумме интенсивностей отказов всех элементов:
аXv = Хх -f- Ха -)- Х$ । . . . -f-X* - Xfe.fc=i
С увеличением длительности работы аппаратуры интенсивность отказов, как правило, уменьшается, ибо все отказавшие надежные элементы постепенно заменяются новыми. В связи с этим для повышения надежности наиболее важные узлы собирают из предварительно «тренированных» (50—100 ч) элементов.
^ 44. ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Все радиоэлектронные компоненты — электронные лампы, полупроводниковые диоды, транзисторы, интегральные схемы, контакторы, реле, переключатели, резисторы, конденсаторы, трансформаторы, разъемы и т. д. имеют ограниченный срок службы. Это обусловлено различными причинами и в первую очередь: 1) неидеальностью конструктивного выполнения, 2) влиянием окружающей среды (изменениями температуры, воздействием космического и естественного радиационного излучений, химическими реакциями, обусловленными влагой и различными гадами), 3) перегрузками в моменты включения и выключения, 4) механическими воздействиями и т. д.
Интенсивность отказов Хо, определяемая по результатам испытаний в нормальных условиях (температура 20°C; относительная влажность 65 %; атмосферное давление 105 Па и номинальный рабочий режим) для различных радиокомпонептов приводится в табл. 3. Однако аппаратура работает обычно в условиях, отличающихся от нормальных, вследствие чего интенсивность отказов может как увеличиваться, так и уменьшаться. В общем случае суммарная интенсивность отказов какого-либо раднокомпонента (и всей аппаратуры в целом) определяется как произведение нормальной интенсивности отказов Хо на коэффициенты, учитывающие механические воздействия, влажность, давление, температуру окружающей среды и отличия режима •от номннальното:
Х2 = Х^кг.
Коэффициент А, учитывает условия эксплуатации аппаратуры и изменяется от 1 до 3—4 при эксплуатации аппаратуры на открытом воздухе, в скважинах и т. д. Величина коэффициента к2 зависит от значения коэффициента нагрузки ки, кото-
f П Ч‘ ^эф Ч" f tpf П Ч‘ ^эф Ч" f tpКН»КН»рый рассчитывается для каждого элемента. Значение к2 берется из соответствующих таблиц, учитывающих температуру окружающей среды. В частности, коэффициент нагрузки Кн для всех типов резисторов определяется по формуле
f П Ч‘ ^эф Ч" f tp
f П Ч‘ ^эф Ч" f tp
КН»
КН»
f ном
где Л,, Рэ»— мощности рассеиваемого резистором соответственно постоянного и переменного токов; Рср— среднее значение мощности импульсных токов; Рном—допустимая (номинальная) мощность, рассеиваемая резистором.
Таблица 3
Нгименованис радиокомпоиентов
Ко-10*. 1/ч
Минимальной время работа* тыс. ч
Резисторы углеродистые;
постоянные
0,7
12
переменные
1,5-3
5—10
Конденсаторы
Диоды:
0,2—1,2
5—10
маломощные
0,1—0,5
8
высоковол ьтные
0,8-4,0
8
стабилитроны Транзисторы:
0,2-0,4
8
маломощные
0.3-0,9
10
мощные
0,5-3,0
10
Интегральные схемы Трансформаторы:
0,002-0,02
10
низкочастотные
1—5
10
высоковольтные
30—70
10
импульсные
3—5
5
Реле
5—10
5
Тумблеры, переключатели
2—8
5
Разъемы
2—15
5
Электродеигател и
Одна лайка при монтаже:
10-15
1—2
печатном
0,1
20
навесном
0,03
20
объемном
0,01
20
залитом лаком
0,002
20
В табл. 4 приведены значения коэффициента К* для постоянных резисторов, а в табл. 5 —для переменных резисторов.
Коэффициент нагрузки Л\ для конденсаторов определяется по формуле
у ^П Д И Я» Ч~ (/нмп
и ном
где U», U^—напряжения на конденсаторе соответственно но- 302
стоянного и переменного тока; Уимп — импульсное напряжение; ^«отл—номинальное рабочее напряжение конденсатора.
Таблица 4
Температура, °C
Коэффициент А= при Кн. равном
0,1
0.2
0.4
0.8
1.0
20
0,15
0,2
0,35
0,72
1.0
40
0.27
0,33
0,51
1,11
1,74
80
0,54
0,64
0.94
1,69
4,40
Таблица 5
Температура,
Коэффициент Ад при Кн, равном
0.1
0,2
0,4
о.в
1.0
20
0,15
0,2
0,35
0,72
1.0
40
0/27
0,33
0,51
1.1
1,71
80
0,54
0,61
0,84
2,48
4,4
100
0,69
0,78
1,00
3,6
6,7
В табл. 6 приведены значения кг для металлобумажных конденсаторов, а в табл. 7 —для конденсаторов со слюдяным диэлектриком.
Таблица 6
Температура,
Коэффициент Ад при Ки. равном
0,2
0.4
...
20
о.н
0,2
0,41
0.8
1,0
40
0,13
0,23
0.42
1.0
1,4
80
0,33
0.38
0,8
3,7
7,8
. Таблица 7
Температура, °C
Коэффициент Л2 при Ки. рапном
0,1
0.2
0.4
0.8
1.0
20
0,03
0,06
0,1
0.4
1,0
40
0,08
0.11
0,25
0,6
1,6
80
0,48
0,58
0,71
1,7
4,8
Для полупроводниковых диодов и стабилитронов коэффициент нагрузки определяется по формуле
К» — / ср//доп,где /СР — среднее значение выпрямленного (стабилизируемого)пока; /доп — допустимое максимальное значение тока через диод.
В табл. 8 и 9 приведены значения коэффициента А2 соответственно для кремниевых диодов и стабилитронов.
Таблица 8
Температура» “С "
Коэффициент *2 при Кя. равном
ОД
0.2
0,4
0.8
1.0
20
0,01
0,07
0,2
0,7
1,0
40
0,03
0,10
0,33
1,13
1,-58
80
0,07
0,35
0,54
2,05
5,3
100
0,09
0,58
1,46
4,2
9,1
Таблица 9
Температура»
Коэффициент k* пря Лн< равно*
ОД
0,2
0,4
0,8
L0
20
0,008
0,06
0,23
0,75
1,о
40
0,02
0,08
0,38
1,30
3,1
80
0,08
0,22
0,76
2,4
17,0
Коэффициент нагрузки Л'к для транзисторов
Кц — (Р .х^РкУР ном»
Рвх — входная мощность, рассеиваемая на переходе база — эмиттер; Рк— мощность, рассеиваемая на переходе база — коллектор.
В табл. 10 и 11 приведены значения коэффициента к2 соответственно для германиевых и кремниевых транзисторов.
Таблица 10
Температура, “С
Коэффициент *а при Кк. равном
0,1
0,2
0,4
0,8
1.0
20
0,20
0,23
0,35
0,74
1.0-
40
0,25
0,32
0,55
1,22
1,65
80
0,51
0,83
1,36
2,65
3,83.
Таблица 11
Коэффициент k$ при К^. ровном
Температура,
0.1
0,2
0.4
0.6
1.0
20
0,06
0,12
0,16
0,66
1.0
40
0.07
0,14
0,18
0.70
1.12
80
0,09
0,18
0,25
1.14
1,8
100
0,10
0.20
0,35
1,57
2,5
120
0,14
0,30
0,65
2,25
3,6
Интегральные микросхемы обычно используются в номинальных режимах, поэтому коэффициент к2 учитывает лишь изменения температуры окружающей среды. Значения к2 для инте- гральпых микросхем изменяется от 1,6 при температуре 40°C до 5 при температуре 80 °C.
Из рассмотрения приведенных таблиц следует, что интенсивность отказов, пропорциональная величине коэффициента к2, резко возрастает с увеличением коэффициента нагрузки и температуры окружающей среды практически для всех радиоким- понентов. Поэтому заводы-изготовители рекомендуют применять радиокомпопенты в облегченных режимах при коэффициенте нагрузки в пределах /(„^0,54-0,8 и принимать меры но снижению температуры внутри аппаратурных отсеков (за счет принудительного воздушного или даже водяного охлаждения).
При храпении аппаратуры на складах интенсивность отказов уменьшается примерно в I02 раза:
^хр = 0,01Ау.
Если аппаратура хранится па открытых площадках, в кузовах автомобилей, то интенсивность отказов в среднем составляет
Лхр = 0,1 Aq.
Расчет надежности аппаратуры сводится к определению Х£— суммарной интенсивности отказов отдельных ее компонентов. Исходные данные берут с принципиальной и монтажной схем диаграмм рабочих режимов всех компонентов, справочных данных поминальных режимов этих компонентов, согласно условиям эксплуатации и хранения, средней температуры внутри корпуса аппаратуры во время работы. По найденной величине Х^ устанавливается время Гср (ч) безотказной работы аппаратуры
7ер --1А,.
и делается заключение о возможности применения данной аппаратуры для полевых электроразведочных работ. Если обеспе-
305305н Заказ № 1287
305
305
чить безотказную работу в течение полевого сезона (6 мес или 1150 ч) нельзя, то аппаратура снабжается запасными узлами и блоками.
§ 45. НЕИСПРАВНОСТИ В ЭЛЕКТРОННОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЕ И МЕТОДИКА ИХ ОБНАРУЖЕНИЯ
В общем случае неисправность электронной геофизической аппаратуры может быть обусловлена: 1) механическими повреждениями корпуса, лицевых и монтажных панелей, монтажных и печатных плат, отдельных узлов и элементов; 2) нарушениями электрической изоляции между отдельными узлами и элементами; 3) нарушениями электрических контактов в местах сварки, пайки и в элементах коммутации; 4) значительными изменениями параметров отдельных пассивных и активных (усилительных) элементов; 5) выходом из строя (отказом) отдельных пассивных и активных элементов.
Поиск неисправностей в отказавшей аппаратуре в значительной мере облегчается знанием наиболее вероятной причины, вызвавшей отказ.
Явными причинами отказа могут быть: 1) сильные механические воздействия — удары, падения со значительной высоты, сотрясения и вибрации при транспортировке с большой скоростью по плохой дороге и т. п.; 2) длительная работа со значительной перегрузкой в условиях высокой температуры окружающей среды, повышенном напряжении питания, коротких замыканиях или обрывах в цепи нагрузки; 3) попадание внутрь корпуса прибора значительных количеств пыли, паров агрессивных жидкостей; длительное хранение в условиях повышенной влажности.
Поиск неисправностей в аппаратуре, отказавшей в результате механических воздействий, целесообразно проводить в следующем порядке. Отсоединить аппаратуру от источников питания (внешних и встроенных). Проверить все провода и кабели на отсутствие скрытых обрывов в токонесущих жилах, в том числе па участках вблизи разъемов и креплений кабелей к корпусу. Затем необходимо осмотреть батареи гальванических элементов и аккумуляторов, обращая особое внимание на целостность их корпусов, чистоту контактов, отсутствие просачивания электролита. Аккумуляторы и гальванические элементы на ощупь нс должны быть теплее корпуса прибора.
После проверки источников питания прибор извлекают из корпуса и пытаются установить механические повреждения па монтажных и печатных платах. Сильные механические воздей- ствия (особенно интенсивные вибрации) могут привести к образованию трещин и микротрещин печатных плат, выполненных из гетинакса или текстолита. Трещины разрывают печатные токонесущие цепи и нарушают работу полностью. Мпкротрсщппы также разрывают токовые цепи, по часто не полностью, обра-
зуя «блуждающий» контакт, который время от времени нару- шастся и вновь восстанавливается.
Печатные платы обычно залиты тонким слоем эластичного защитного лака, поэтому микротрешины (как правило, не повреждающие слой лака) визуально не обнаруживаются. Поиск микротрсщмн наиболее целесообразно вести методом омметра, но с повышенным в измерительной цепи током — до 0,2—0,5 А. Для этого используют амперметр на 0,5—1 А и одну банку щелочного аккумулятора (напряжение до 1,25 В). Проверяя таким прибором все проводники печатной платы, можно легко обнаружить микротрещины со значительными нарушениями контакта и провести сварки печатных проводников в тех случаях, когда микротрещина весьма узка. Обнаружив в печатной плате хотя бы одну микротрешину, необходимо принять меры но прекращению ее дальнейшего развития, засверлив в ее концах отверстия в 0,5—2,0 мм (в зависимости от плотности монтажа).
Особенно внимательно следует осмотреть монтажные и печатные платы в местах крепления массивных деталей: трансформаторов, дросселей, конденсаторов большой электрической емкости, ламповых панелек, разъемов и переключателей. В этих местах вероятны растрескивания плат и нарушения контактов.
Далее необходимо удостовериться в отсутствии внутренних обрывов в гибких монтажных проводах, особенно в местах изгибов и переходов от закрепленного состояния к висящему (например. вблизи колодок, разъемоп, переключателей, навесных плат и т. п.). Это выполняют с помощью омметра (или амперметра и источника питания). Следует заметить, что омметр с повышенным током в измерительной цепи следует применять очень осторожно, не допуская прохождения измерительного тока ни через один элемент схемы, кроме проводника печатной платы или монтажного проводника.
Если аппаратура в своем составе содержит приборы светолучевого действия (свстолучевые осциллографы, статические магнитометры, гальпанометрические усилители и т. п.), необходимо проверить правильность ориентировки световых потоков. Для этого надо проследить весь путь светового луча — от осветителя до поверхности фотобумаги или окоп фотоприемников. Наиболее просто это делать в темноте с помощью узкой полоски кальки, помещая ее на пути светового потока в наиболее характерных точках: после фокусирующих линз, перед отражающими зеркалами, фотобумагой, окном гальванометра ит. д.
Если механическому воздействию подверглась лицевая панель прибора с органами управления, следует проверить их исправность. Для этого нужно осмотреть все платы переключателей и убедиться, что нет их осевого смещения, контакты не погнуты, в платах нет трещин. Надо также проверить резисторы переменного сопротивления: не погнуты ли их осн и не произошло ли смещение вследствие удара. Когда в аппаратуре в качестве индикаторов применены стрелочные приборы магнито-
электрической системы класса точности 1—0,5 или выше, желательно провести их калибровку, поскольку сильные механичс- ские воздействия могут привести к деформации возвращающих пружин и изменению шкалы измеряемой величины.
Затем необходимо осмотреть все электронные лампы (особо тщательно, если сильное механическое воздействие произошло при включенном напряжении питания, при разогретых и поэтому легкодеформируемых нитях накала).
После устранения всех обнаруженных механических повреждений можно контролировать работу аппаратуры в заданном режиме. Если она не работает, то необходимо измерять все напряжения, проверив сначала во всех контрольных точках (согласно инструкции по эксплуатации и ремонту) электрическое сопротивление, постоянное и переменное напряжения и форму сигналов. Это позволит найти и устранить неявное механическое повреждение в пассивных или активных элементах схемы прибора.
При попадании внутрь корпуса прибора влаги, пыли, паров агрессивных жидкостей (например, паров электролита, выделяющихся при зарядке щелочных или кислотных аккумуляторов) происходят; а) нарушение изоляции между отдельными элементами схемы; б) окисление и нарушение всех незащищенных электрических контактов — в переключателях, реле, разъемах и т. и. Очищать аппаратуру от пыли следует с помощью струй сжатого воздуха. Таким же образом и просушивают аппаратуру. После очистки и просушки необходимо протереть спиртом монтажные и печатные платы и все элементы коммутации. Если протирка контактов спиртом не позволяет спять пленку окислов, контакты следует прошлифовать с помощью листка обычной писчей бумаги (содержащем в своем составе очень мелкие абразивные частицы белой глины и мела). После шлифовки контакты вновь протирают спиртом.
При длительной работе аппаратуры с перегрузкой (или в предельных режимах по току пли напряжению) в условиях повышенной температуры наиболее часто происходят отказы из- за выходов из строя активных элементов в цепях усилителен мощности, выпрямителей, стабилизаторов тока и напряжения, конверторов (преобразователей напряжения питания) и цепей защиты. Поэтому при отказе аппаратуры при работе в условиях повышенной температуры прежде всего необходимо проверить с помощью омметра: а) мощные транзисторы, тиристоры и выпрямительные диоды; б) выходные трансформаторы и дроссели (в цепях выпрямителей); в) электролитические конденсаторы в фильтрах выпрямителей; г) реле и контакторы в цепях защиты от перегрузок. После обнаружения я замены неисправных элементов следует проверить постоянные и переменные напряжения в контрольных точках схемы н при необходимости просмотреть форму напряжений сигналов в контрольных точках в соответствии с инструкцией по эксплуатации и ремонту.
ГЛАВА X.
ОСНОВНОЕ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
§ 46. ЗАЗЕМЛЕНИЯ ПИТАЮЩИХ И ПРИЕМНЫХ ЛИНИЙ
Заземления в методах электроразведки выполняют с помощью металлических электродов (пикетов) или неполяризую- шихся электродов. В питающих линиях заземления обычно выполняют с помощью железных (стальных), но иногда и латунных или медных электродов стержневого типа. Чаще всего стержневые электроды изготавливают из стального прута (трубки) диаметром 15—20 мм и длиной 0,7—1,5 м. Основная характеристика заземления — это его сопротивление, определяемое как сопротивление, которое оказывает однородное полупространство току, стекающему с электрода. Сопротивление заземления R3 стержневого электрода может быть рассчитано по формуле
Зла b
где р — удельное сопротивление среды; а — глубина погружения электрода в среду; b— диаметр электрода.
Для уменьшения сопротивления заземлений применяют группы параллельно соединенных электродов (сложные электроды). Расстояние между электродами в сложном заземлении (рис. 133) должно равняться двух-трехкратнон длине погруженной в землю части электродов. Основное требование, предъявляемое к заземлениям питающей линии,— стабильность сопротивления заземлений во времени. В свою очередь, она за-
Рис. 133. Схема оборудования сложного заземления питающих линий
висит от условий заземления и силы тока, протекающего через электрод.
Опыт проведения полевых работ свидетельствует о том, что в условиях сухих степей устойчивость силы тока в течение нескольких часов обеспечивается в тех случаях, когда плотность тока, стекающего с электрода, нс превышает 0,1 мА/см2. При большей нагрузке сопротивление заземлений с течением времени начинает быстро расти из-за процессов электрохимической поляризации поверхности электродов и отложения на их поверхности продуктов электролиза, а также вследствие электроосмотического высушивания приэлектродпых зон. В условиях влажной тайги допустимая плотность тока может быть увеличена примерно в <5 раз. Такую же плотность тока можно использовать и в степных районах при поливке заземлений водой, особенно соленой. В морской электроразведке питающие электроды изготавливают из железных стержней или труб длиной 2—3 м и диаметром 25—75 мм.
При перемещении по морскому дну электроды часто обрываются, поэтому в последнее время начали применять шаровые электроды с регулируемой плавучестью (за счет заполнения части внутренней полости шара морской водой). Электрод (рис. 134, а) состоит из пустотелого металлического шара / с муфтой 2 для подсоединения питающего кабеля, В корпусе шара / имеется отверстие с ввинчивающейся пробкой 3 для заполнения внутренней полости шара водой при необходимости регулирования плавучести электрода.
При выполнении морских электроразведочных работ используют также секционированные электроды (см. рис. 134, б), к которым подсоединяют питающий кабель (. Секции электрода представляют собой отрезки стального троса 2 диаметром 15—35 мм и длиной 1 —1,5 м, скрепленные соединительными муфтами 3. Каждая муфта состоит из свинчивающихся частей, в торцах которых проточены углубления, соответствующие диаметру троса. Трос приваривают латунью к муфте, а питающий кабель припаивают. Секции свинчиваются между собой и могут образовать электрод любой длины.
При работе с железными, электродами на поверхности земли и в горных выработках используют следующее вспомогательное оборудование: кувалды, кусачки, плоскогубцы, напильники, ножи, изоляционную ленту. "Железные кувалды массой 3—5 кг служат для забивки электродов в землю. Остальное оборудование необходимо для соединения электродов в сложное заземление и подключение их к проводам питающей линии.
Приемные линии при измерениях искусственно создаваемых электромагнитных полей чаще всего заземляются стержневыми медными или латунными электррдами. На их контактах с электролитом, содержащемся в горных породах, возникают поляризационные ЭДС электрохимического происхождения. В связи с этим разность потенциалов измеряемого поля включает в себя
Рис. 134. Шаровой (а) и сек- цнопирооаниый (б) морские электроды питающих линий
разность ЭДС обоих электродов. В тех случаях, когда не требуется высокой точности измерений постоянных искусственно создаваемых полей, ЭДС электродов компенсируют до возбуждения искусственного поля, а затем после включения тока измеряют полезный сигнал.
Если используются переменные токи, то разность ЭДС приемных электродов нс компенсируется, так как на входе измерительных устройств установлен конденсатор и постоянная ЭДС приемных электродов не поступает на измерительную схему.
Величина электродных потенциалов металлических электродов нс постоянна во времени. Поэтому в тех случаях, когда требуется высокая точность измерений (например, в методе ВП, а также при регистрации естественных полей), применяют не- иоляризующиеся электроды. Так, разность потенциалов пары заземленных железных электродов достигает десятков и даже первых сотен милливольт, а изменение ее в течение нескольких минут составляет единицы — первые десятки милливольт. Более устойчивые и меньшие по величине разности электродных потенциалов получаются при измерениях с латунными электродами, однако и в этом случае они ие настолько малы и постоянны, чтобы их величиной можно было пренебречь. При устройстве заземлений с помощью неполяризующихся электродов указанные недостатки металлических электродов практически устраняются.
Нестабильность электродных потенциалов металлических электродов обусловлена в основном процессами, связанными с переходом вещества металла в раствор и ионов из раствора на поверхность металла, т. е. с процессами обмена попами разлого типа. Такие системы являются неравновесными, и величина электродного потенциала зависит от многих случайных причин, что и вызывает ее неустойчивость ио времени. Нсполя- ризующийся электрид устроен таким образом, что металл соприкасается со своей собственном солью, которая является промежуточной средой, соединяющей металлический электрод с землей. На границе металл — раствор происходит обмен ионами одного типа, что и определяет равновесность и обратимость системы.
Случайный характер солей среды, соприкасающейся с растворами солей электрода, влияет только на диффузионный потенциал электрода, который значительно меньше электродного потенциала и существенного влияния на величину и устойчивость потенциала электрода в целом не оказывает.
их вызванная поляризация будет примерно на порядок выше. Таким образом, вызванная поляризация приемных электродов, связанная с прохождением тока а цепи приемных электродов, является источником систематических погрешностей, причем их абсолютная величина тем больше, чем больше входной ток (т. с. чем выше уровень измеряемого входного сигнала или чем меньше входное сопротивление измерительного прибора).
Имеется также составляющая тока, протекающая через поверхность раздела металл электрода — электролит, которая представлена током, проходящим в земле от одного питающего электрода к другому и пересекающим на своем пути границу раздела электрод — электролит. Первая составляющая тока может быть скомпенсирована путем ввода последовательно с приемной лилией и входом измерительного устройства компенсирующего напряжения, равного по величине и противоположного по знаку внешней разности потенциалов, действующей между приемными электродами. Для уменьшения второй составляющей необходимо уменьшать поверхность металлического электрода, погруженного в землю.
При использовании неполяризующихся электродов корпус их может быть удлинен, а металлический стержень укорочен таким образом, чтобы в погруженной в землю части электрода находился только электролит, а металлический стержень был в растворе выше уровня поверхности земли. Задача уменьшения поляризации приемных электродов, обусловленной прохождением тока, особенно актуальна при проведении вертикальных электрических зондирований ВЭЗВГ1 с малыми разносами (например. при решении гидрогеологических и инженерно-геологических задач), когда плотность тока в земле достаточно велика, а полезный сигнал мал.
Необходимость погружения приемных электродов в землю на достаточно большую глубину обусловлена тем, что в верхней части почвенного слоя трудно обеспечить стабильное сопротивление заземлений вследствие недостаточной влажности этого слоя, колебаний электрода под действием ветра и т. д. Для того чтобы уменьшить поляризацию обычных электродов за счет прохождения через их поверхность тока, проходящего по земле от одного питающего электрода к другому, используют приемный электрод ограниченных размеров, погруженный в землю на определенную глубину (см. рис. 136). Такой электрод 6 через изолирующую прокладку 5 закрепляют на направляющем стержне 2.
Для подключения электрода 6 в стержне 5 имеется отверстие 3, через которое пропущен соединительный провод 4, подсоединенный к выходному контакту /. В данном электроде обеспечивается хороший контакт с землей при минимальной площади электрода 6. Такая конструкция электрода обеспечивает меньший уровень шумов, зависящих от воздействия атмосферных электростатических зарядов, вибрации электрода под дей-
станем ветра и т. д. На обычных металлических электродах, расположенных в двух точках поверхности Земли, накапливаются электростатические заряды под действием электростатического поля земли, напряженность которого у поверхности земли достигает 100— 300 В/м. Вследствие неодинаковых условий заземления, а также флюктуаций электростатического поля заряды па поверхности электродов изменяются, что приводит к колебанию разности потенциалов электродов. Особенно сильные изменения наблюдаются при порывах ветра и большом переходном сопротивлении заземлений.
Рис. 136. Металлический приемный электрод улучшенной конструкцииРис. 136. Металлический приемный электрод улучшенной конструкцииДля контроля и учета изменений разности потенциалов электродов вследствие колебания температуры измеряют температуру электродов, а затем по результатам лабораторных измерений— температурный коэффициент изменения потенциала каждого электрода, вводят поправки за изменение температуры электродов. Для ее измерения используют два термометра.
Рис. 136. Металлический приемный электрод улучшенной конструкции
Рис. 136. Металлический приемный электрод улучшенной конструкции
Иногда выносят металлических стержень 4 за пределы основного корпуса 1 и помещают его в трубку 3, заполненную тем же электролитом 2, что и основной корпус / (см. рис. 137, д). В этом случае трубка вместе с металлическим стержнем 4 может быть размешена в термостате, постоянно поддерживающим одинаковую температуру электрода и тем самым устраняющим изменения разности потенциалов, вызванные колебанием температуры.
Рис. 137. Нсполярнзующнеся электроды для высокоточных измерений с пы- несенным металлическим стержнем (в) и перекрывающимися отверстиями (б)Рис. 137. Нсполярнзующнеся электроды для высокоточных измерений с пы- несенным металлическим стержнем (в) и перекрывающимися отверстиями (б)Одним из методических приемов, позволяющим уменьшить погрешности, обусловленные нестабильностью собственных потенциалов приемных электродов, является группирование этих электродов. Сущность приема заключается в том. что каждое из заземлений, к которому подключают приемную линию, вы-
Рис. 137. Нсполярнзующнеся электроды для высокоточных измерений с пы- несенным металлическим стержнем (в) и перекрывающимися отверстиями (б)
Рис. 137. Нсполярнзующнеся электроды для высокоточных измерений с пы- несенным металлическим стержнем (в) и перекрывающимися отверстиями (б)
полняют из нескольких электродов, соединенных друг с другом. В зависимости от применяемой измерительной установки расстояние между электродами в каждой группе выбирают от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров и более. При этом электроды располагают в точках с разной температурой почвы. Так как степень высачиванпя электролита зависит от пористости, влажности и других характеристик почвенного слоя, которые изменяются от одной точки к другой ио случайному закону, величина разности потенциалов двух групп приемных электродов оказывается гораздо меньше, а ее стабильность значительно больше, чем при использовании только двух приемных электродов.
Для того чтобы не вносить искажения в структуру искусственно возбуждаемых полей, приемные электроды в каждой группе следует располагать по эквипотенциальной линии первичного поля (поля, создаваемого двумя точечными заземлениями). Если поиск эквипотенциальных линий из-за резко неоднородного строения изучаемого участка затруднен, приемные электроды в каждой группе соединяют между собой через мпо- говходовый сумматор с высоким входным сопротивлением или повторители напряжения.
Для контроля состояния пеполяризуюшихся электродов регистрируют разность потенциалов между двумя электродами, установленными в почвенный слой земли па расстоянии около I м друг от друга. Изменение разности потенциалов не должно превышать 0,03 мВ/мин. Затем в приемную линию вводят градуировочный импульс напряжения, определяют начальное значение разности потенциалов, а затем и устанавливающееся значение. Разность этих двух отсчетов не должна превышать 1 — 2 %. В противном случае электроды чистят, промывают и заправляют свежим раствором электролита.
В последние годы разрабатываются методические приемы (и новые конструкции приемных электродов), позволяющие непосредственно при проведении измерений контролировать собственную разность потенциалов приемных электродов. Один из таких приемов использован при проведении морских электро- разведочных исследований. Сущность приема заключается в том, что приемные электроды / (см. рис. 137, б) помещают в общий корпус 3, выполненный из непроводящего материала и заполненный морской водой 4. Соединительные провода 5 подключены к электродам и через герметичную пробку 6 выведены во внешний кабель 7.
Электроды находятся вблизи отверстий на двух концах кор пуса. Отверстия снабжены диафрагмами 2 из непроводящего материала, которые позволяют полностью их перекрывать. При открытых отверстиях измеряются внешнее поле и собственная разность потенциалов электродов, а при закрытых — внешнее поле экранизируется и измеряется только собственная разность потенциалов электродов.
В корпусе 3 размещено также вспомогательное оборудование (на рис. 137 не показало): блок дистанционно управляе- емого- моторчика, дающего возможность приводить в движение диафрагмы 2, и компенсатор поляризации. Когда диафрагмы закрыты, компенсатор автоматически компенсирует собственную разность потенциалов электродов; при открытых диафрагмах регистрируется внешнее электрическое поле. Таким образом значительно повышается точность намерений.
При выполнении долговременных наблюдений теллурических полей или стационарных режимных измерениях удельного сопротивления и поляризуемости приемные электроды располагают на глубинах до 1—2 м и более от поверхности Земли. В таких условиях электроды выполняют в виде пластинок из серебра (или свинца), окруженных раствором хлористого серебра (или хлористого свинца).
Экспериментально доказано, что на практике лучше использовать свинцовые электроды в среде из хлористого свинца. Они имеют такой же уровень собственных шумов па частоте 1 Гц, что и серебрянные (примерно 0,4 мкВ), а на более низких частотах уровень их шумов (1—2 мкВ при частоте 0,01 Гц) меньше, чем у серебрянпых. Свинцовые электроды имеют в 10 раз меньший температурный коэффициент [(—40) мкВ/°С вместо (—450) мкВ/°С для серебряцных электродов] и отличаются большей стабильностью ЭДС поляризации во времени (изменения ЭДС составляют 1 мВ/мес, а для серсбрянных электродов— 2 мВ/мес).
§ 47. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНОЙ АППАРАТУРЫ
В электроразведке для создания искусственных полей применяют различные источники тока: химические (гальванические элементы или первичные источники тока и электрические аккумуляторы или вторичные источники тока) и механические (машинные генераторы постоянного и переменного токов, бензо- электрические агрегаты и генераторы для зарядки аккумуляторов).
Химические источники тока
Гальванические элементы
К наиболее широко применяемым гальваническим элементам относятся стаканчиковые и галетные марганцево-цинковые (МЦ) элементы. Положительным электродом стаканчикового элемента служит двуокись марганца, напрессованная на угольный стержень в смеси с порошкообразным графитом. Цинковый стакан служит отрицательным электродом. Электролит состоит из хлористых аммония и цинка.
В галетном элементе в качестве положительного электрода используется брикет из двуокиси марганца. Электролитом про-
питана картонная прокладка между брикетом и цинковой пластиной, являющейся отрицательным электродом. Цинковая пластина с наружной стороны покрыта электропроводящим слоем, который при соединении элементов в батарею обеспечивает хороший электрический контакт. Чехол из полихлорвиниловой пленки обеспечивает прочность сборки элемента и его изоляцию.
МЦ элементы разделяются па летние (Л) с температурным интервалом (—20) —( + 60) °C и универсальные (У) с интервалом температур (—4б)— (+60) °C.
Особо следует выделить воздушно-цинковые (ВЦ) элементы с щелочным электролитом, у которых роль положительного электрода выполняет кислород воздуха. Эти элементы имеют большие сроки службы и сохранности, отличаются возможностью перезарядок.
Элементы ВЦ и МД с щелочным электролитом характеризуются более длительным периодом времени работы по сравнению с элементами на солевом электролите. Например, батарея КБС рамочной конструкции превосходит по длительности разряда батарею 3,7-ФМЦ-0,5 (КБС-Л-0,5) в 4 раза. Ртутно-цин- ковые элементы (РЦ) не имеют себе равных по удельной энергии, удобству и простоте эксплуатации.
Активная масса положительного электрода РЦ элемента состоит из окиси ртути с добавкой графита, а отрицательного— из порошкообразного цинка с небольшим количеством ртути. Положительная масса запрессована в корпус элемента, а отрицательная — в крышку. Между корпусом и крышкой помещается пропитанная раствором едкого калия пористая бумага. Низкое внутреннее сопротивление элемента позволяет получать большой разрядный ток.
Эти элементы по сравнению с МЦ элементами имеют ничтожный годовой саморазряд: их работоспособность от 12 мес и до конца срока службы снижается не более чем на 10 %.
Для обозначения типа батарей пользуются условными обозначениями: А — анодная; € — сеточная; Г — галетная; М — марганцевая; Ц — цинковая; У—универсальная; X — холодоустойчивая; П — приборная; Т — телефонная; Ф — фонарная; О — окисная; Р — ртутная; первая цифра означает начальное напряжение в вольтах, последняя — начальную емкость в ампер-часах; буква Ч и следующие за ней цифры показывают время работы батареи в часах при номинальном сопротивлении нагрузки.
Аккумуляторы
Наибольшее применение имеют щелочные аккумуляторы кадмиево-никелевые (КН) и железо-никелевые (ЖН). Отрицательные пластины КН аккумуляторов состоят из смеси гидрата закиси кадмия и гидрата закиси железа. Активная масса положительных пластин состоит из водной окиси никеля с примесью
графита. Корпус аккумулятора соединен с положительными пластинами; он представляет собой сосуд плоской формы, сваренный из тонкой листовой стали и никелированный с наружной стороны. Аккумулятор имеет ЭД С 1,2 В. Обычно собирают батареи по пять аккумуляторов с напряжением 6 В и по десять аккумуляторов с напряжением 12 В. При использовании щелочных аккумуляторов необходимо помнить, что зарядный ток не должен превышать четверти, а разрядный — восьмой части емкости аккумулятора.
Дисковые к адм ий - ни келевы е аккумуляторы. Аккумулятор состоит из корпуса, в котором размещаются положительный и отрицательный электроды, разделенные сепараторной прокладкой. Корпус аккумулятора имеет положительную полярность.
Дисковые герметичные аккумуляторы КН могут эксплуатироваться в режиме непрерывного подзаряда. Они работоспособны при температуре от —10 до +35 °C. При более низких температурах аккумуляторы способны отдавать только до 50 % своей емкости. Зарядный ток не должен превышать 10 % поминальной емкости; ускоренный режим заряда не обеспечивает своевременного поглощения кислорода отрицательным электродом, что может привести к раздутию аккумулятора и потере герметичности.
Цилиндрические герметичные кадмиево-ни- к е л е в ы е (ЦНК) аккумулятор ы. Эти аккумуляторы отличаются от дисковых формой, степенью герметизации, позволяющей выдерживать повышенное внешнее давление за счет гофрированного корпуса. Корпус имеет отрицательную полярность. Конструкция допускает 100 %-ный перезаряд по емкости и дает возможность проводить форсированные режимы разряда без нарушения герметичности, поэтому ЦНК аккумуляторы применяются в устройствах с кратковременными зарядами — разрядами током большой силы.Температурный режим (—15) — ( + 35) °C. Срок службы — 100—-300 циклов.
Герметичные кадмиево-пике левые (КНР) аккумуляторы. Выпускаются аккумуляторы трех видов: КНГ-Д, КНГ-С и КНГ-К соответственно для длинных, средних и коротких режимов разряда. Систематические перезаряды с превышением на 50 % фактической емкости уменьшают емкость аккумуляторов и снижают срок службы. Температурный режим (0) — ( + 40) °C. Напряжение одного аккумулятора 1,26 В. При соединении аккумуляторов в батареи необходимо подбирать их по фактической емкости в пределах 3—4 %; напряжение батареи в конце разряда не должно падать ниже 1 В на каждом аккумуляторе.
Серебря ио-цинковые аккумуляторы (СЦ). Положительным электродом СЦ является прессованное порошкообразное металлическое серебро па проволочном каркасе. Отрицательный электрод представляет собой проволочную сетку
€ напрессованной на нее порошкообразной смесью окиси цинка и цинковой пыли; он не растворяется в щелочном электролите. Аккумуляторы применяются в виде отдельных элементов и батарей. Срок службы их до 100 циклов. Выпускаются аккумуляторы для разных режимов разряда: С — среднего, Д — длинного, М—многоциклового, Б —буферного. По удельным характеристикам СЦ аккумуляторы значительно превосходят все .химические источники тока.
Малая масса, незначительные габариты, повышенное напряжение, независимость емкости от разрядного тока, работоспособность при пониженном атмосферном давлении делают СЦ аккумуляторы незаменимыми для использования в малогабаритной переносной аппаратуре. Эти аккумуляторы чувствительны к перезаряду и чистоте электролита. Значительный перезаряд приводит к разрушению, поэтому заряжать и разряжать в параллельном соединении нельзя. В качестве электролита применяется водный раствор химически чистого едкого калия плотностью 1,4.
Серебряно-кадмиевые аккумуляторы (СК). Кадмий превосходит цинк по сроку службы, уступая ему по величине электродного потенциала. Положительным электродом служит одновалентная окись серебра, напресованная на проволочный токоотвод. Отрицательный электрод изготавливается из окиси кадмия. Электролит —раствор едкого калия плотностью 1,4. Особенности эксплуатации СК аккумуляторов заключаются в необходимости трехступенчатого режима заряда тока от номинальной емкости: первая ступень — 30 % номинальной емкости, вторая — 15 %, третья — 5 %. При таком заряде практически не происходит газовыделения.
Кислотные аккумуляторы. Для питания электрооборудования электроразведочных станций, смонтированных на автомашинах, обычно используют кислотные аккумуляторы. Положительным электродом служит перекись свинца, отрицательным— губчатый свинец. Электроды находятся в растворе серной кислоты. Внутреннее сопротивление у кислотных аккумуляторов (при одинаковой емкости) в 2—4 раза меньше, чем у щелочных, и составляет тысячные — сотые доли ома, нормальное напряжение одного аккумулятора — 2 В.
Механические источники тока
Машинные генераторы
При проведении электроразведочных работ с токами, превышающими 5—10 Л, и с большими разносами питающих линий (более 2—3 км) используются машинные генераторы. В основном это генераторы постоянного тока серии ПН и П мощностью 4,8—27 кВт, вырабатывающие напряжение 460 В при токе до 30 Л. Генераторы приводятся во вращение от двигателей авто-
машин, в кузове которых смонтированы генераторные электро- разведочные станции.
В генераторных электроразведичных станциях устанавливаются по одному или два генератора, которые при необходимости могут подключаться параллельно или последовательно (табл. 12).
Таблица 12
Тип тенератора
Мощность на зажимах. кВт
Напряжение. В
Частота вращения, об-'МКН
Потребляемая мощность, кВт
Масса, кг
ПН-68
4.8
460
1450
5,8
138
ПН-100
11,65
460
1460
14,3
290
ПН-145
16,5
460
1160
20,0
330
П-72
14.5
460
1460
—
—
Бензоэлектрические агрегаты
При проведении электроразведичных работ с токами 1—5 А (например, с аппаратурой ВПО-62, ВПП-67, ИКС-50, АНЧ-3; ВП-Ф- и др.) в качестве источников тока для питании генераторных устройств используются бензоэлектрические агрегаты серии АБ. Они представляют собой автономные источники постоянного или переменного тока. Агрегаты могут работать длительное время на открытом воздухе при любой погоде.
Бензоэлектрические агрегаты АБ (табл. 13) снабжены генераторами мощностью 0,5; 1; 2 и 4 кВт, рабочее напряжение 30; 115; 230 В, частота переменного тока 50 и 400 Гц.
Таблица 13
Тип агрегата
Й и . о -3 ж а.
<
о
5
Я
<
L.
” X
X
cl
X
и
2 я =; с о
о
АБ-0,5 п/30
0.5
16,7
30
0
4000
СД-60
1
0,63
22
АБ-0,5 0 115/4-400
0.5
4.35
115
400
4000
СД-60
0,63
23
АБ-1 П/30
1.0
33,3
30
0
3000
2СДВ
1,5
0.9
70
АБ-1 0/230
1.0
5.5
230
50
3000
2СДВ
1.5
0,9
72
АВ-2 П/115
2,0
17.4
115
0
3000
УД-1
3
1.5
200
АБ-2 0 230
2.0
10.9
230
50
3000
УД-1
3
1.5
205
АБ4П/115
4.0
40,0
115
0
3000
УД-2
6
3,0
268
АБ-4 0/230
4,0
21,8
230
50
3000
УД-2
6
3,0
270
Генераторы для зарядки аккумуляторов
В полевых условиях для зарядки аккумуляторов и аккумуляторных батарей используются генераторы постоянного тока серии ЗДН (табл. 14). Генераторы дают одновременно два напряжения. Вращение риторов генераторов осуществляется бензиновыми двигателями.
Таблица 14
Генератор
Мощность на зажкмах. кВт
Частота крашения.
об/мин
Пнпря- жепне.
В
Ток нагрузки. А
Потребляемая МОЩНОСТЬ. кВт
Масса, кг
ЗДН-1000АН
0,432—0.48
1800
36-120
12-4
1.4
34
ЗДН-1000Н
0.275—1,1
2200
40-125
27,5—2.2
2.1
34
ЗДН-2500
0,65—1,85
1800
24-120
27-15,4
3,3
93
ЗДН-ЗОООА
1,5
2200
60
25
4,0
93
§ 48. ПРОВОДА, ПРИМЕНЯЕМЫЕ
В ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКЕ
Провода, применяемые в электроразведке для создания измерительных установок, должны обладать большой механической прочностью и высококачественной электрической изоляцией. Это вызвано тем, что измерительные установки монтируются в самых разнообразных географических и климатических условиях (в горах, тайге) на короткое время, многократно сматываются, разматываются и перемещаются вручную или с помощью транспортных средств. При работе с установками больших размеров основная часть общего сопротивления питающей линии приходится на собственное сопротивление проводов, соединяющих источник питания с заземлением.
В связи с этим для питающих линий следует выбирать провода с малым сопротивлением тонконесущих жил и большим (до 100 МОм/км) сопротивлением изоляции, чтобы избежать возможных утечек тока в землю, приводящих к возникновению значительных погрешностей измерений. В настоящее время используются провода различных марок. Это специализированные геофизические провода типа ГПМП, ГПСМП, ГПСМПО, КГПВ, (Г — геофизический, П — провод; М — медный, СМ - - сталемед- пый, О — облегченный, П — полиэтиленовый, В — хлорвиниловый), а также провода сейсморазведочные полиэтиленовые ПСРП-1 и ПСРП-2 (табл. 15).
Кабель КГПВ-6 представляет собой специализированный силовой геофизический кабель, разработанный для метода КСПК и других методов, использующих ток большой величины. Кабель имеет три силовые и три вспомогательные жилы. Сопротивление параллельно соединенных силовых жил равно
0,8 Ом/км. Для кабелей и проводов целесообразно иметь секционные соединения, позволяющие подбирать длину питающей линии таким образом, чтобы она была всегда минимальной.
Таблица 15
Марка провод»
_ 5
Хн &= х§
2
X
Зе 55
Д - л - S
2 R S
о X 5
Si ко
» "С S
= § X 5 2
5 с « §5
Si н=2
ol 5 - §S
Назначение
ГПМП
5,6
73
3,1
100
1 350
ВЭЗ с линиями АВ — ^8—10 км; 43, ЗС, ВП с большими разносами; кепк
темп
4,6
38
10
100
2 000
ВЭЗ с линиями АВ — = 3—8 км, профилированные с АВ > 3 км
темпо
3,25
14,5
50
100
1 000
ВЭЗ с АВ < 3 км, элек- троразведочные работы с малыми установками
кгпв-6
25
400
0,8
100
25 000
КСПК. ВП, метод заряда
ПСРП-1
1.4
5,5
300
100
Электроразведочные работы с малыми установками
ПСРП-2
2,5
9,3
100
100
—
То же
На сравнительно высоких частотах ток от генераторного устройства в землю может протекать не только через заземления, ио и через распределенную емкость соединительных проводов. Погонная емкость лежащего на земле провода определяется ■следующим выражением:
24, i Зе -10-’24, i Зе -10-’
24, i Зе -10-’
24, i Зе -10-’
где е — относительная диэлектрическая проницаемость материала изоляции провода; h и г — соответственно расстояние от осн провода до поверхности земли и радиус металлической части провода.
Для лежащего на земле провода марки ГПМП имеем /1 — 2,8 мм, г = 0,32 мм; е=4; поэтому С = 0,077 мкФ/км.
Индуктивность лежащего на земле провода может быть рассчитана по приближенной формуле:
£ = 2/10-“ fin£ = 2/10-“ fin41 d41 d0,75)0,75)
£ = 2/10-“ fin
£ = 2/10-“ fin
41 d
41 d
0,75)
0,75)
где / п d— длина и диаметр провода.
Электроразведочпые линии малых размеров иногда оборудуют проводами полевой телефонной связи и некоторыми другими видами хлорвиниловой изоляции. Такие же провода (ПВР), учитывая высокое входное сопротивление измерительных устройств, целесообразно применять в приемной линии. Хлорвиниловые провода особенно желательно использовать при работе с длинными приемными линиями. Однако далеко не все хлорвиниловые провода удобны для полевых работ. Из многочисленных марок для работ пригодны только многожильные провода с эластичной изоляцией. Совершенно непригодны для работ монтажные провода с грубой изоляцией и мало пригодны — одножильные с тонком металлической жилой.
Для продления срока службы проводов необходимо оберегать от повреждении их изоляцию и металлические жилы. При пересечении дорог и участков работ сельскохозяйственных машин провода питающих линий следует закапывать в землю, подвешивать на опорах, деревьях. Если закопать или подвесить провод пет возможности (например, при пересечении бетонированной или асфальтированной дороги с интенсивным движением транспорта), необходимо воспользоваться ближайшим мостиком или водоотводом под этой дорогой. Мокрые провода перед смоткой ira катушки следует просушить.
Если же вследствие метеорологических условий этого сделать не удалось, провода следует просушить при первой же возможности. Не разрешается сматывать в бухты провода длиной более. 50—100 м, так как это может привести к запутыванию их, образованию петель, являющихся причиной быстрого выхода из строя изоляционного покрытия, обрыва металлических жил. При сматывании, разматывании и перемещении проводов нельзя допускать их механических перегрузок. Часть провода, перетаскиваемая с одного захвата, не должна превышать для прочных проводов 0,5—1 км на ровной и 0,1—0,3 км на пересеченной местности. При сматывании провода не допускается подтаскивание его петлями. Смотку проводов на облегченные катушки целесообразно проводить в процессе движения рабочего с катушкой вдоль провода. Такой метод смотки особенно эффективен при работе в залесенной или каменистой местности, когда при перетаскивании провода происходят его повреждения.
Оборванные провода соединяют следующим образом. Так как в местах обрыва на металлические жилы кабеля обычно попадает влага и они окисляются, вначале удаляют по 5—10 см провода в обе стороны от места разрыва. Затем оба конца провода оголяют па 4—5 см (чем толще провод, тем больший участок провода должен быть оголен), отделяют стальные жилы провода от медных и связывают стальные жилы проводов в узел. Узел плотно затягивают, внешние концы провода туго закручивают, обжимают плоскогубцами и сверху обматывают в несколько слоев медными жилами провода так, чтобы они обеспечили хороший контакт между собой и плотно прижимали
стальной провод, исключая тем самым возможность повреждения изоляции стальными проводниками.
Полученный таким образом сросток проводов и прилегающие к нему участки изолированного провода длиной 5—7 см покрывают несколькими слоями резиновой ленты с проклейкой резиновым клеем, а затем — несколькими слоями изоляционной лепты.
Если провод не оборван, а только повреждена изоляция, следует ее удалить в месте повреждения па 2-3 см, на очищенное место нанести слой резинового клея, дать ему подсохнуть и изолировать так же, как и при сращивании проводов.
Перед началом работ провода должны быть проверены и размечены в соответствии с принятой схемой работ и размерами линий. Метки ставят через 20 или 100 м. Они служат для контроля за правильностью передвижения измерительной установки. При постановке меток через 20 м каждую пятую метку' (на 100; 200 м и т. д.) отмечают особо, чтобы ее отличить от соседних.
Наиболее часто метки изготовляются из изоляционной ленты. Для этого в заданном месте провод обматывают изолентой на участке длиной 2—3 см, причем каждый следующий слой изоленты имеет меньшую ширину, чем предыдущий, поэтому метка имеет овальную форму. Метки должны плотно прилегать к проводу и не двигаться во время его перемещения. В тех случаях, когда проведение работ связано с перетаскиванием проводов в особо неблагоприятных условиях (в скалистой, горной местности, тайге), изготовляют проволочные метки путем закрепления в заданном участке кабеля па слое изоляционной ленты петли из медной проволоки, закручивания концов этого провода, пропускания оставшихся концов через петлю и затягивания ее.
Все провода должны быть тщательно изолированы и концы закреплены в стандартные вилки. Особенно необходимо следить за изоляцией проводов в сырую погоду или при росе, когда даже незначительная утечка тока может внести в результаты серьезные погрешности. В случае использования системы проводов с отводами все не занятые при данном измерении отводы следует закрыть чехольчиками из изоляционного материала, а провод в месте отвода подвесить на деревья, кусты или специальные рогатки. Провода питающих и приемных линий не должны соприкасаться и по возможности не должны находиться в непосредственной близости. Во время работы запрещается связывать провода питающих и приемных линий в один кабель. Провода должны храниться и перевозиться, как уже указывалось, на катушках. Катушки также используются для связи с электродами в тех случаях, когда во время работ провод не полностью сматывается с катушек.
УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИИ, РАЗМОТКИ И СМОТКИ ПРОВОДОВ
В процессе проведения элсктроразведочных работ методами искусственных полей (ВЭЗ, ДЭЗ, 43, ЗС) применяют измерительные установки с питающими линиями больших размеров. Для получения необходимой точности измерений величину питающего тока следует выбирать равной нескольким десяткам ампер, что обеспечивается только при хорошем качестве выполнения заземлений. Операции по подготовке измерении с указанными установками (смотка и размотка питающих и приемных линий, оборудование заземлений) оказываются малопроизводительными, требуют больших затрат времени и тяжелого физического труда.
Для облегчения и ускорения вспомогательных работ созданы агрегаты ЭВ-1 и ЭРА. Они служат для задавливания и извлечения электродов из земли, разматывания и сматывания проводов питающих и приемных линий в движении. Установка ЭВ-1 смонтирована на базе автомобиля повышенной проходимости ГАЗ-63А. Она позволяет залавливать штанги диаметром 42 мм вертикально на глубину 2; 4; 6; 8 и 10 м. Электроды в необходимом количестве залавливаются на расстоянии нескольких метров друг от друга. На двух барабанах установки ЭВ-l помешается 8 км провода марки ГПМП. Применение установки ЭВ-1 дает возможность повысить производительность работ больше чем на 30 %.
Электрорааведочпый агрегат ЭРА (по сравнению с установкой ЭВ1) имеет следующие преимущества: он позволяет достичь большей глубины заземления, допускает возможность использования в качестве электродов штанг из гладкоствольных бурильных труб, способствует ускорению процесса извлечения электродов, дает возможность создавать питающие линии различной длины (кратные 500 м), обладает лучшей проходимостью по грунтовым дорогам в условиях бездорожья.
Электроразведочиый агрегат ЭРА смонтирован на автомобиле высокой проходимости ЗИЛ-131. Он состоит из механизма для погружения и извлечения электродов заземлений, смоточ- ных станков и съемника катушек. Для вдавливания и извлечения электродов используется перемещающийся гидроцилиндр, на штоке которого установлен гидромеханический патрон. Электроды выполняют из штанг, число которых увеличивается в процессе вдавливания до необходимой глубины. Провода разматывают и сматывают с помощью смоточных станков, установленных на платформе. Съемные катушки позволяют создавать питающие линии в один или два провода. После размотки катушку с помощью съемника, выполненного в виде лебедки, перемещают за пределы станка, а на ее место устанавливают другую катушку. При сматывании проводов механически достигается их равномерная укладка на катушках.
Основные технические характеристики агрегата ЭРА
Максимальное усилие подачи, Н: при вдавливании 56 000
при извлечении 79 500
Электрод, мм диаметр штанги и наконечника 33,5
длина штанги 1500
Максимальная скорость разматывания к сматывания проводов, км/ч 30
Число смоточных станков 2
Число катушек на одном станке: емкостью 500 м 4
емкостью 1000 м 4
при марке провода ГПМП
Привод рабочих органов Гидравлический
Размеры агрегата, мм: длина 7070
ширина 2500
высота 3500.
Масса полностью снаряженного агрегата, кг 10 400
Для оборудования установок с размерами питающий линий до 2—3 км используют переносные катушки с электроразведоч- ными проводами. Облегченные катушки (см. рис. 138, а) применяются при работах с проводом ГПСМО. Такая катушка вмещает до 500 м этого провода. Более распространенная катушка вмещающая до 500 м провода ГПСМП, изображена на рис, 138, б. Барабан и щеки катушки изготовляют обычно из листового железа. Наматываемый на нее провод подключают с внутренней стороны к стандартной вилке, укрепленной на одной из щек. Внешний вывод вилки используют для подключения провода, намотанного па катушку, к генераторному или измерительному устройствам.
Более легкая катушка, служащая для смотки хлорвиниловых или специальных медных проводов длиной до 200—400 м, изображена на рис. 138, а. Такие катушки применяют при смотке приемных линий, раскладке небольших питающих петель во время проведения работ методом переходных процессов. Облегченные катушки удобны в работе и транспортировке; их переносит один человек, что позволяет сматывать провода в процессе движения рабочего без их подтаскивания. Более тяжелая полевая электроразведочпая катушка устанавливается на
Рис. 138. Электроразве- дочные катушки:и — облегченные; б — с повышенной емкостью барабана; о — малогабаритные для проводов приемных линийРис. 138. Электроразве- дочные катушки:и — облегченные; б — с повышенной емкостью барабана; о — малогабаритные для проводов приемных линий
Рис. 138. Электроразве- дочные катушки:
и — облегченные; б — с повышенной емкостью барабана; о — малогабаритные для проводов приемных линий
Рис. 138. Электроразве- дочные катушки:
и — облегченные; б — с повышенной емкостью барабана; о — малогабаритные для проводов приемных линий
подставке, что вынуждает подтаскивать провода во время их смотки.
Подключают рабочие линии к измерительным приборам, источникам и заземлениям с помощью разъемных соединений, в качестве которых используют нолевые вилки стандартного типа. Вилка представляет собой текстолитовый корпус, в который заштампованы медные буксы с резьбовыми отверстиями. Для соединения двух вилок в одно из резьбовых отверстий каждой вилки ввинчивают гнездо, а в другое — штырь. Это позволяет соблюдать одну и ту же полярность подключения проводов при многократных разъединениях их в процессе работы. В тех случаях, когда провода перетаскивают, на их удаленных концах монтируют однополюсные вилки обтекаемой формы. Необходимо следить, чтобы при перетаскивании проводов вилки не обрывались и не разбивались.
ТРАНСПОРТИРОВКА И ХРАНЕНИЕ ЗЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНОЙ АППАРАТУРЫ И ОБОРУДОВАНИЯ
В стационарных условиях хранение электроразведочной аппаратуры производится в помещениях при влажности до 30 % с температурой 10—35 °C при условии отсутствия в воздухе паров, вызывающих коррозию деталей и узлов аппаратуры. При длительном хранении аппаратуры целесообразно все металлические части, не имеющие лакокрасочного покрытия, смазать консервирующим составом ЦИАТИМ-201, запасные части и инструмент обернуть в упаковочную бумагу и уложить в ящики запасных инструментов и принадлежностей.
Во время полевых работ должно быть обеспечено правильное хранение аппаратуры и оборудования. Аппаратура и источники питания должны находиться в сухом прохладном месте. Ее нужно защищать от влаги и пыли, а также от действия солнечных лучен. В условиях очень низких температур ящики с аккумуляторами и батареями необходимо закрывать слоем войлока, а в жаркую погоду уберегать от нагревания солнечными лучами (укрывать фанерой, брезентом).
При транспортировке аппаратуру и оборудование следует упаковывать в ящики. На ящики, требующие осторожного обращения. наклеивают соответствующие ярлыки. Измерительную аппаратуру в зависимости от ее характера перевозят сотрудники партии (отряда) в пассажирских вагонах, самолетах и другими средствами передвижения, обеспечивающими ее сохранность в пути. При перевозке измерительной аппаратуры автомобильным или гужевым транспортом ее устанавливают на надежные амортизаторы.
Все провода, за исключением неиспользованных бухт, следует перевозить и хранить на катушках. При транспортировке необходимо предохранять провода от механических поврежде-
ний. При перевозках проводов в катушках их нельзя укладывать рядом с острыми предметами, боковые поверхности катушек рекомендуется закрывать мешковиной или рогожей.
Металлические заземлители (электроды) при транспортировке укладывают в ящики и обертывают мешковиной или рогожей. Пеполяризуюшнеся электроды перевозят в специальных упаковочных яшиках или медных бачках (в процессе работы). При длительных перерывах между наблюдениями стержни не- поляризующихся электродов вместе с пробками вынимают из. пористых сосудов, насухо вытирают и завертывают в вату. Пористые сосуды помешают в воду. По окончании полевых работ пористые сосуды промывают, просушивают и храпят с ввинченными пробками.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТАХ
С ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНОЙ АППАРАТУРОЙ
И ОБОРУДОВАНИЕМ
Электроразведочныс работы обычно связаны с использованием электрического тока силой до 250 А и напряжением до 900 В. Кроме того, в период работы проводятся спуско-подъемные операции с кабелем в скважинах или горных выработках, используются электромеханические агрегаты в станциях, станции транспортируются в нужные районы съемок и т. д. Все это требует выполнения правил техники безопасности, изложенных в соответствующих инструкциях.
К работе на электроразведочных станциях допускаются лица, сдавшие экзамены по технике безопасности. Обслуживающий персонал станции должен иметь электротехническую квалификационную группу не ниже II, а начальник отряда не пиже III. Повторный инструктаж по технике безопасности проводится пе реже одного раза в полугодие. Обучение и повторный инструктаж регистрируется в «Книге регистрации обучения и инструктирования сотрудников по технике безопасности», которая хранится у начальника отряда (партии).
Небрежное обращение с источниками тока или с токонесущим оборудованием даже при относительно низких напряжениях (например, электроразведочныс батареи 29-ГРМЦ-13; 69-ГРМЦ-6 и др.) при неблагоприятных условиях может привести к поражению током с тяжелыми последствиями.
Наиболее сильное физиологическое воздействие электрический ток оказывает при протекании через тело человека от одпой руки к другой или от руки к противоположной ноге. Опасным или смертельным называют такой ток, кото* рый приводит к нарушению функционирования жизненно важных органов человека. Степень воздействия тока на каждый орган зависит от его величины и относительного расположения точек электрического контакта данного органа с источником напряжения. При протекании тока свыше 10 А наблюдаются
серьезные ожоги и физические повреждения, сопровождаемые, как правило, дыхательным параличом. Если величина тока составляет 2—10 А, то это приводит к полному сокращению сердечной мышцы, прекращению работы сердца и остановке кровообращения. Если кровообращение не будет восстановлено через несколько минут, то вследствие прекращения доступа кислорода к тканям мозга наступает смерть. В случае отключения через короткий промежуток времени тока сердцебиение самопроизвольно восстанавливается. Сердце наиболее чувствительно к воздействию электрического тока, так как протекание даже небольшого тока через волокна сердечной мышцы может привести к тяжелым последствиям.
Установлено, что при силе тока 0,1—2 А наблюдается частичное возбуждение части волокон сердечной мышцы, изменяющее пути распространения электрического возбуждения в миокарде. Это может десинхронизировать работу сердца и вызвать случайную и не аффективную деятельность мышц — фибрилляцию. При фибрилляции желудочков сердце не в состоянии перекачивать кровь. Желудочковая фибрилляция обычно необратима, и если опа возникает, то регулярный ритм деятельности сердца самостоятельно не восстанавливается даже тогда, когда ток прекращается. Желудочковая фибрилляция бывает наиболее частой причиной смерти при несчастных случаях, связанных с поражением током.
Для восстановления нормальной деятельности сердца необходимо стимулировать сердечную мышцу с помощью достаточно сильного импульса тока от специального устройства — дефибриллятора. При этом возможно полное сокращение всех волокон сердечной мышцы и имеется вероятность восстановления синхронности ее работы. Таким образом, небольшой ток, не вызывающий сокращения всей сердечной мышцы, может быть даже более опасным, чем достаточно большой, который приводит к непрерывному сокращению миокарда.
Если электрический ток попадает в центр мозга, управляющий дыханием, могут возникнуть спазмы мышц грудной клетки, приводящие к дыхательному параличу.
При протекании через тело человека тока силой 0,01—0,1 А ощущается боль, может произойти ожог, судорожное сокращение мышц, при котором сокращаются все мышечные волокна и создается максимально возможное мышечное усилие, которое может привести к ее повреждению.
Когда один из контактов с источником тока создался из-за того, что человек взял проводник рукой, то ток больше 10— 120 мА может вызвать спазм мышц руки, что не позволит отпустить или отбросить проводник. Поэтому минимально допустимый ток, при котором возникают такие условия, называют «неотпускающим» током.
У большинства людей пороговый (ощутимый) ток — это ток, равный 0,5 мА, что ощущается при легком прикосновении
пальца к источнику тока. При полном обхвате проводника рукой порог составляет приблизительно 1 мА. Ток менее 5 мА обычно считают неопасным, хотя при этом ощущение может быть неприятным и лаже болезненным.
Воздействие ток21 почти не зависит от его частоты вплоть до 1000 Гц. Выше этой границы тот же самый эффект возникает при увеличении тока пропорционально частоте.
Напряжение, под действием которого через тело человека протекают указанные токи, зависит от электрического сопротивления тела, большую часть которого составляет сопротивление кожи, изменяющееся в зависимости от различных факторов в пределах от единиц омов до единиц мегаомов.
Во избежание случаев поражения человека током электро- разведочные станции должны быть обеспечены средствами индивидуальной защиты: диэлектрическими перчатками, галошами и ковриками, которые следует периодически проверять в соответствии с существующими нормами. Кроме того, станции обеспечиваются комплектом предупреждающих и запрещающих плакатов, которые размещают па рабочих местах, а также устанавливают вокруг питающих заземлителей.
Перед началом исследований следует оградить заземлители предупредительными щитами. В местах движения населения у заземлителей должны находиться дежурные для предотвращения несчастных случаев, жители населенных пунктов, на территории которых будут проводиться работы, должны быть извещены о возможности поражения током в случае порчи проводов, заземлений и другого оборудования. Генераторы, корпуса аппаратуры и все устройства, находящиеся под высоким напряжением, должны надежно заземляться. Сопротивление вспомогательного защитного заземления не должно превышать 10 Ом.
Кроме того, проверяется исправность аппаратуры, состояние защиты блоков и узлов станций, изоляция токонесущих ее частей л силовых цепей, проводов, исправность оборудования для смотки и размотки проводов, качество подвесок и закапывания кабелей на участках движения транспорта.
Во время работы около аппаратуры должны находиться только те люди, которым разрешено ее обслуживание. Нельзя проводить исправления пли монтаж схем, находящихся под напряжением, выполнять работы на линии без разрешения операторов, проводить какие-либо операции с проводами и заземлениями, находящимися иод током. При спуске кабеля запрещается отключать лебедку от двигателя и спускать его под действием собственного веса, регулировать вручную движение кабеля и укладывать его, а также наносить метки на кабель. Средства медицинской помощи и тушения пожара нужно располагать в доступном месте и в готовности к немедленному применению. Участки силовых цепей н вспомогательных заземлений должны находиться под постоянным наблюдением.
Кроме того, необходимо соблюдать следующие правила. Запрещается проводить измерения при неисправной изоляции, наличии утечки и в грозу.
При проверке питающей линии концы провода следует поднимать в воздух при помощи приспособления, изолирующего рабочего от провода. При этом рабочий должен быть одет в защитные (резиновые) перчатки и сапоги.
Переезд к месту работы и обратно допускается только на автомашинах, специально оборудованных для перевозки людей.
Весь персонал партии, непосредственно работающий с элек- троразведочной аппаратурой и оборудованием, должен уметь оказывать первую помощь пострадавшему от поражения током. Ответственность за технику безопасности в отряде (партии) несет начальник отряда (партии).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бобровников Л. 3., Кадыров И. К., Попов В. А. Электроразцедочиая аппаратура и оборудование. М., Недра, 1979.
Вешев Л. В. Электропрофилирование па постоянном и переменном токе. Л., Недра, 1980.
Комаров В. А. Электроразведка методом вызванной поляризации Л., Недра, 1980.
Методические рекомендации по фазовым измерениям электромагнитных полей при поисковых плошадвых исследованиях в рудных районах. Алма-Ата. 1980.
Семенов А. С. Электроразведка методом естественного электрического ноля. Л„ Недра, 1980.
Шило В. Л. Функциональные аналоговые интегральные микросхемы. М„ Радио и связь, 1982.
Электроразведка. Справочник геофизика. М., Недра. 1980.
Якубовский К). В, Ляхов Л. Л. Электроразведка. Изд. 4-е, псрераб. М., Недра. 1982... .
Автокомпснсатор 97
Агрегат электроразведочный 326
— ЭВ 1 326 — ЭРА 326 Агрегаты бензоэлектричсскис 321 Аккумуляторы 318—320 Антенны 18—20, 253, 262, 265. 273, 275 Аппаратура АКЭТ 293—296 — генераторная 293—295 — лрпемпо-пзмерительная 295—299 Аппаратура аэроэлектроразведочная 178, 251, 273 — АМПП 178—180 - БДК-70 254, 255 - ВАШ 251-253 — СКАТ-77 273—275, 278 Аппаратура переносная.
— АНЧ-3 213
АЭ-72 97
— АЭММ-ВЧ 265, 270
-• ВН-Ф 2)5,216, 219, 229
— «Импульс» 135, 138
— «Импульс-Ц» 149, 150, 153, 157
—ИНВЕМП 290, 291
— МПП-4 1.30-132 — С-003 171. 173 — СДВР-3 272, 273 — СРП 30 270, 271 — ФД-4 238, 239 -«Цикл-2» 138—141, 145, 146 — ЭВП 203 231, 232, 237 — ЭРП-5 215 - ЭСП-101 289 — радиоволновая 259 — скважинная 265, 267—269
Воздействие тока физиологическое 329
Гальванические элементы 317, 318 Генераторы 21, 320. 321 — задающие 21, 22 — переменного тока 321 — постоянного тока 320 322
Инвертор 25—29 — транзисторный 25 27 — тиристорный 27—29 Индикаторы цифровые 75. 80, 91, 195 — жидкокристаллические 80 — люминесцентные вакуумные 80 — 82 — светодиодные 80—82 Измерения: — абсолютные 8, 9. 190. 191, 205 — кваэикомпснсацпопныс 201—203
— компенсационные 198—201, 207
— относительные 8—10, 203 Измерители:
— активной и реактивной компонент 199, 200
— амплитудно-фазовые 190,191,
193—198, 202
— амплитудные 191, 192
— временных интервалов 193, 210
вызванной поляризации 9•
двухчастотные 206, 211
— дифференциальные 208, 209, 211, 213
импульсные 112
интегральные 211—213
кажущегося сопротивления 213
напряженности поля 272
отношения амплитуд 206
• переходных процессов 112 — разности времен запаздывания 208. 210, 212
Катушки электроразведочные 326. 327
Компенсатор автоматический поляризации электродов 88—90. 116
Линия:
— питающая 18, 91
— приемная 40. 310
Магнитометр МЭ-71 46, 47
Магпитоприемники 43 —47
— индукционные 44, 45
— статические 46, 47
феррозондовые 46
Методы измерения полей:
естественных переменных 279
—низких частот 189
нестационарных 112, 113, 115,117, 118
— постоянных 87—89 радиоволновых 259 -261, 263,264
Надежность 300, 301, 305
--основы теории 300 — расчеты 301, 305
Оборудование электроразведочное 309
Осциллографы электроразведочные ЭПО-10 100. 101
Параметр среды волновой 184 Параметры информационные полей — естественных переменных 279—281 - нестационарных 107—112 — низкочастотных 185—189. 279
— постоянных 83—86
— радиоволновых 256
Поляризуемость 109—П1
— истинная 109. ПО
— кажущаяся 109
— нелинейная 111
Преобразователи:
— амплитудный 68—70
— аналого-цифровой (АЦП) 61—63.
65. 123, 125—127, 128. 130, 143
— временных интервалов 73, 74
— входные магнитные 43
— входные электрические 40. 41
— выходные амплитудные 65
— выходные фазовые 71
— среднсвыпрямленных значений 66.
67 "
- цифро-аналоговый (ЦАП) 62—65, 123, 129, 130
Провода электроразведочные 322—
325
Рамка генераторная 17, 18
СДВ-рыдиостанции 257, 258
Сигналы:
— опорные 38—40
— синхронизации 38, 40
Сопротивление:
— заземления .31, 309, 315
— истинное 85, 86
— кажущееся 86
Стабилизаторы 31—37, 215, 216
— переменного тока 32
— постоянного тока 31. 32
Станции элсктроразведочные:
— АМЗ-1 248. 249
— МТЛ-71 283, 284
— СВГ1-74 158—161, 168 169
--СГЭ72 104. 105
— ЦЭС-2 И9. 120. 122, 125, 127, 129
— ЭВА-203 242. 244, 246. 247
Усилители:
— входные малошумящие 48
— дифференциальные 52
— инвертирующие 52—54
— мощности 25
неиивертирующие 52—54
— операционные 52, 53, 55, 60
постоянного напряжения 49, 53
Устройства:
лыборкн-храпепня 124
долговременные запоминающие 75
— оперативные запоминающие 75
Фазометр:
--амплитудный 71, 72
-■ время-пмиульсный 73. 74
— перемножающий 73
— суммирующий 71, 72
Фильтры.
— активные 54—58. 60
- верхних частот 57
— гираторные 59, 60
— нижних частот 55
— полосовые 58—60
— режекторные 60, 61
Формирователи:
— опорных сигналов 38—40
спектра сигналов 24, 25
Электроды 42, 43. 309—317
морские 310, 313
пеполяризуютиеся 309, 311—314
— питающие 3)0
— сложные 309
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие . . . . 3
Глава 1. Электроразведочный информационно-измерительный канал . .5
Методы измерения информационных параметров5
Обобщенная структурная схема аппаратуры . . .10
Основные метрологические параметры аппаратуры15
Глава П. Основные функциональные узлы и блоки типовой электрораз- ведочной аппаратуры 17
Возбудители искусственных электромагнитных полей17
Генераторные устройства 20
Стабилизаторы тока генераторных устройств инфразвукового н звукового диапазонов частот31•
Передача синхронизирующих и опорных сигналов38
Входные преобразователи измерительных устройств40
Входные усилители48
Основные усилители и промежуточные преобразователи аналоговых
сигналов ...................... 51
Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи . . . . 61
Выходные амплитудные преобразователи65
Выходные преобразователи фазовых измерителей71
Запоминающие устройства и устройства визуального отображении информации75
Глава Ш. Аппаратура для измерения постоянных электрических полей 83
Информационные параметры постоянных электрических полей . . 83
Основные способы измерения параметров постоянных электрических полей87
Автокомпеисатор АЭ-72 97
Электроразведочные осциллографы . . 100
Элсктроразвсдочная генераторная станция СГЭ-72104
Глава IV. Аппаратура для измерения нестационарных электромагнитных полей107
Основные информационные параметры нестационарныхэлектромагнитных полей107
Основные способы измерений параметров нестационарных электромагнитных полей 112
Цифровая электроразведочная станция ЦЭС-2 . 119
Аппаратура для намерений по методу переходныхпроцессов...130
Аппаратура для измерений по методу вызваннойполяризации..158
Аппаратура для аэроэлсктроразведочных измерений по методу переходных процессов178
Глава V. Аппаратура для измерения электромагнитных полей в диапазоне инфразвуковых и звуковых частот.. 184
Информационные параметры низкочастотного переменного поля и условия их измерения ....184
Обобщенные функциональные схемы аппаратуры для измерения параметров низкочастотных электромагнитных полей190
Измерители кажущегося сопротивления21:3
Аппаратура метода вызванной поляризации215
Аппаратура низкочастотных индуктивных мстодоп п частотных электромагнитных зондирований242
Аппаратура низкочастотной аэроэлектроразведки 251
Глава VI. Аппаратура для измерения влектромагнитиых полей в диапазоне высоких частот256
Информационные параметры электромагнитных полей в диапазоне частот 0,01—100 МГн и основные методы их измерения256
Обобщенные функциональные схемы пассивной и активной радиоволновой аппаратуры259
Аппаратура радиоволнового профилирования и просвечивания . . 265
Измерители напряженности поля. Аппаратура СДВР-3272
Аппаратура высокочастотной аэроэлектроразведки Электроразведоч- нын канал станции СКАТ-77 273
Глава VJI. Аппаратура для измерения естественных электромагнитных полей Земли279
Информационные параметры естественных переменных электромагнитных полей Земли и основные методы их измерения279
Аппаратура для измерений в диапазоне инфраннзкнх частот. Магнитотеллурическая лаборатория МТЛ-71 283
Аппаратура для измерений в полях звуковых частот 289
Глава УШ. Агрегатированный комплекс электроразведочной техники 292
Агрегатирование средств электроразведочной техники292
Генераторные устройства АКЭТ293
Измерительные устройства АКЭТ ... 429а
Глава IX. Надежность электроразведочной аппаратуры300
Основные понятия надежности электронной аппаратуры . . . . 300
Принципы расчета надежности электронной аппаратуры . . . . 301
Неисправности в электронной геофизической аппаратуре и методика их обнаружения306
Глава X. Основное электроразведочнос оборудование309
Заземления питающих » приемных линий309
Источники питания электроразведочной аппаратуры . . . , . . 317
Провода, применяемые в электроразведке322
Установки для оборудования заземлений, размотки и смотки проводов 326
Транспортировка и хранение электроразведочной аппаратуры п оборудования 328
Техника безопасности при работах с электроразведочной аппаратурой а оборудованием 329
Список литературы332
Предметный указатель 333
Л.З.БОБРОВНИКОВ, И.Н.КАДЫРОВ, В.А.ПОПОВ
ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНАЯ
АППАРАТУРА
И ОБОРУДОВАНИЕ
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для геофизических специальностей средних специальных учебных заведений
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
МОСКВА „НЕДРА"1985МОСКВА „НЕДРА"1985
МОСКВА „НЕДРА"1985
МОСКВА „НЕДРА"1985
УДК 550.837(075)
Бобровников Л. 3., Кадыров И. И., Попов В. А, Электро- разведочная аппаратура и оборудование: Учебник для техникумов— 2-е изд., нерераб. и дои.—М.: Недра, 1985.— 336 с.
Изложены принципы построения аналоговой и цифровой аппаратуры; структурные п принципиальные схемы основных функциональных узлов се (излучателей электромагнитных полей. генераторов, преобразователей, усилителей, запоминающих устройств, источников питания я др.). Описаны аппаратура для измерения постоянных электрических, нестационарных электромагнитных полей, оборудование и методика работы.
По 2-м издании (1-е над,— 1979) переработаны it допо.ч- пены разделы, касающиеся принципов построения и устройства аппаратуры.
Для учащихся геофизических специальностей нефтяных, горных и геологоразведочных техникумов.
Табл. 15. пл. 138. синеок лит,— 8 пззв.
Рецензент— инж. А. М. Ларионов (Старооскольский геологоразведочный техникум)
Леонид Захарович Бобровников,
Ирк Набиевич Кадыров,
Владимир Александрович Попов
ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНАЯ АППАРАТУРА И ОБОРУДОВАНИЕ
Редактор издательства Т. А. Ярмахоеа
Технический редактор Л. Н. Шаманова
Корр..«гор А .4. Нередерникоаа
НБ № 5611
Слано и набор 29.U6.84. Подписано в печать 23.10.84. Т-20И8 формат 60X90’/i«. Бумаге книжно-журнальная. Гарнитура «Литературная». Печать высокая. Уел.-пет. л. '21,0. Уст. ар. отт. 21,0. Уч.-ыд. „ 22.89. Тираж 33W эка. Заказ № 1287,‘9129—3. Цена 1 руб.
Ордена «Знак Почета» издательстпц «Недра», 103633, Москра.
К 1'2. Третьяковский проезд 1,49
■Ленинградская типография № 4 Ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского 'об'Ьсиинсннл «Техничика» хннгн* нм Еегеяя» Соколовой Союзпаоигрэфярома при Го- судирственном Комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торгокли. 191128. Ленинград. Социалистическая ул , 14.
ББ1904050000—00.3043(01)-851904050000—00.3043(01)-85108—85108—85© Издательство «Недра*, 1985© Издательство «Недра*, 1985
Б
Б
1904050000—00.3
043(01)-85
1904050000—00.3
043(01)-85
108—85
108—85
© Издательство «Недра*, 1985
© Издательство «Недра*, 1985