Способ выделения параметра вызванной поляризации при геоэлектроразведке и устройство для его осуществления

"ф а ГОСУДАРСТВЕККЫЙ КОМИТЕПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Московский ордена ТрудовогоКрасного Знамени геологоразведочныйинститут им. С. Орджоникидзе(56) 1. Авторское свидетельство СССР9 392434 г кл. С 01 Ч 3/02 г 19722, Авторское свидетельство СССР(54) СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРА ВЫЗВАННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ПРИ ГЕОЭПЕКТРОРАЗВЕДКЕ,И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯЯ,(57) 1. Способ выделения параметравызванной поляризации при геоэлектроразведке, заключающийся в том, чтоиз измеряемого периодического сигнала исключают синхронно с моментами включения-выключения тока в источнике поля с изменяеваям временем отсечки начальную искаженную влиянием электродинамического становления поля стадию каждого импульса, и разделяют измеряемый сигнал на две последовательности импульсов, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых величин параметра вызванной поляризации , в область малых значений, выбирают в качестве первой последовательности импульсов сигналы во время пропускания импульсов тока, в качестве второй последовательности импульсов- сигналы во время пауз между импульса- ми тока, причем сохраняют одинаковой длительность отсечки после выключения и включения тока, выделяют иэ обеих пооледовательностей импульсов гармонические составляющнег частоту которых выбирают Одной и той же, и Я ,по отношению их амплитуд еудят о параметре вызванной поляризации.1038908 15 2. Устройство для осуществления способа выделения параметра вызванной поляризации при геоэлектроразведке по п. 1, содержащее предварительный усилитель, одна иэ входных шин которого служит входной шийой уст ройства, два аналоговых ключа, сигнальные входы которых подключены к выходу предварительного усилителя, два усилителя, входы которых соединены с выходами аналоговых ключей, а выходы - .с двумя входами блЬка регистрации и блок формирования импульсов, выходы которого соединены со входами управления аналоговых ключей и блока регистрацйи, а входы подключены к выходам источника опор",1Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при проведении геоэлектроразведочных работ методом вызванной поляризации,Известен способ выделения параметра вызванной поляризации (ВП) при геоэлектроразведке, заключающийся в том, что из измеряемого сигнала вырезают с разными временами отсечки синхронно с моментами изменениянаправления тока в источнике поля начальную, искаженную влиянием электродинамического становления поля стадию каждого импульса и по зависимости от времени отсечки амплитуды и фазы фильтрованного гармонического сигнала судят о наличии поляризующегося объекта 1 .Дтя осуществления данного способа используется устройство, содержащее источник измеряемого сигнала, соединенный с блоком усиления и Фильтрации сигналов, два синхронных детектора и дифференциальный вольтметр, соединенный с выходами синхронных детекторов, и источник опорного сиг" нала Г 2 Д.Недостатком данного изобретения является низкая точность определения параметра вызванной поляризации обусловленная тем, что при изменении времени отсечки изменяется амплитудно-Фазовый и частотный спектр сигнала, причем эта зависимость является довольно сложной, даже при небольших .изменениях времени отсечки фаэовые углы Фильтрованного гармонического сигнала изменяются на большие величины, и на Фоне этих неконтролируе- мых изменений невозможно точно выделить малые по величине параметры ВП.Известен также способ выделения паРаметра вызванной поляризации при ного сигнала и блока изменения длитеЛьности импульсов, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью.расширения диапазона регистрируемых величин параметра вызванной поляризасии, в него введены последовательносоединенные формирователь разнопопяриого сигнала, регулятор амплитудысигналов и блок согласования, выходкоторого включен последовательно между второй входной шиной устройства и второй входной шиной предварительного усилителя, а усилители выполнены избирательными, причем вход)правления Формирователя разнополярзого сигнала соединен с выходом блока Формированияимпульсов. геоэлектроразведке, заключающийсяв том, что иэ измеряемого периодического сигнала исключают синхронно с моментами включения-выключения тока в источнике поля с изменяемым временем отсечки начальную искаженнуювлиянием электродинамического становления поля стадию каждого импульса, разделяют измеряемый сигнал на две последовательности импульсов,в качестве первой из которых используют все импульсы с отсечкой, в качестве второй выбирают импульсы напряжения меньшей длительности, начало которых совпадает с началом импульсов первой последовательности,усиливают эти импульсы с коэффициентами усиления., отношение которых выбирают обычно пропорциональным отношению длительностей импульсов напряжений, и измеряют разность амплитуд преобразованных сигналов, по которой судят о параметре ВП. Устройство для осуществления этого способа,25 содержащее предварительный усилитель,две входные шины которого служат входными шиками устройства, два аналоговых ключа (два ключевых синхронных детектора), сигнальные входы ко торых соединены с выходом предварительного усилителя, дв нормирующих усилителя, входы которых соеди" иены с выходайи аналоговых ключей,а выходы - с двумя входами блока реЗ 5 гистрации, выполненного в виде двух интеграторов и диФференциального вольтметра, цепь обратной связи, состоящая из схемы сравнения, блока управления и источника эталонного наО пряжения, блок формирования импульсов, выходы которого соединены со ,входами управления аналоговых ключей и блока регистрации, а входы подклю.чены к выходам источника опорного сигнала и блока изменения длительности импульсов ГЗ 3.Недостатком известного способа является то, что он не позволяет измерять очень малые по величине па раметры ВП. Как показывает опыт эксплуатации данного устройства в полевых условиях, он имеет пороговую чувствительность порядка 0,1. Это обусловлено несколькими причинами. 10 Во-первых, стабильность тока в поле вых условиях не удается поддерживать более высокой,. во-вторых, усиление по двум каналам невозможно сохранять во времени с большей стабильностью 15 (или изменять коэффициент усиления одного и того же канала), так как при изменении температуры конденсаторы и резисторы изменяют величину своих номиналов, в-третьих, в полевых условияхдифференциальный вольтметр не обеспечивает более стабильного коэффициента передачи по двум входам. Таким образом, абсолютная погрешность измерений известным способом составляет не менее 0,1, поэтому с относительной погрешностью 1 этот способ позволяет измерять только величины параметра ВП свыше 1Это вполне достаточно.при прове" денни полевых работ для целей рудной ЗО электрораэведки, но совершенно недопустимо при выполнений гидрогеоло" гических и инженерно-геологических работ. Так, например, параметр ВП многих осадочных пород составляет 35 0,01-0,05, а у мерзлых пород и у льда может быть меньше 0,001. ТакиЕ величины параметра поляриэуемости известным способом не могут быть измерены. 40Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых величин параметра вызванной поляризации в область малых значений (ниже 0,1).Для достижения указанной цели в известном способе выделения парамет ра вызванной поляризации при геоэлектроразведке, заключающемся в том,.что иэ измеряемого периодического сигнала исключают синхронно с моментами включения-выключения тока О в источнике поля с изменяемым временем отсечки начальную искаженную влиянием электродинамического становления поля стадию каждого импульса и разделяют измеряемый сигнал на зз две последовательности импульсов, выбирают в качестве первой последовательности импульсов сигналы во время пропускания импульсов тока, в качестве второй последовательности бо импульсов - сигналы во время пауз между импульсами тока, причем сохраняют одинаковой длительность отсечки после выключения и включения тока, выделяют из обеих последователь- д ностей импульсов гармонические составляющие, частоту которых выбирают одной и той же, и по отношению их амплитуд судят о параметре вызванной поляризации.В известное устройство для осуществления способа, содержащее преД- варительный усилитель,.одна из входных шин которого служит входной шиной устройства, два аналоговых клю" ча, сигнальные входы которых подключены к выходу предварительного усилителя, два усилителя, входы которых соединены с выходами аналоговых ключей, а выходы - с двумя входами бло" ка регистрации, и блок Формирования импульсов, выходы которого соединены.со входами управления аналоговых ключейи блока регистрации, а выходы подключены к выходам источника опорного сигнала и блока изменения длительности импульсов, введены последовательно соединенные формирователь разнополярного сигнала, регулятор амплитуды сигналов и блок согласования, выход которого включен последо" вательно между входной шиной устрой" ства и второй входной шиной предварительного усилителя, а усилители выполнены избирательными, причем вход управления формирователя разно" полярного сигнала соединен с выходом блока формирования импульсов.На фиг.1 изображены эпюры возбуж- ,дающего тока и измеряемых напряжений; на Фиг.2 - структурная схема устройства для осуществления предла" гаемого способа.Как показано на фиг.1, ток в земле возбуждается импульсами тока Эиэ земли принимается сигнал 01, иэ этого сигнала выделяются первая последовательность импульсов О Во время прохождения импульсов тока и вторая последовательность импульсов Мэ во время пауз между импульсами тока. Кроме того, показана форма сигнала 04используемого для опре. деления знака параметра ВП.Устройство для осуществления способа (Фиг.2) содержиз входные шины 1 и 2, блок 3 согласования, включенный последовательно между входной шиной 2 устройства и входом предва- рительного усилителя 4, два аналоговых ключа 5 и б, входы которых соединены с выходом предварительного усилителя 4, два избирательных усилителя 7 и 8,входы которых подключены к выходам аналоговых ключей 5 и б соответственно, а выходы - к двум входам блока 9 регистрации, блок 10 Формирования импульсов, входы которого соединены с выходами источника 11 опорного сигнала и блока 12 изменения длительности импульсов, последовательно соединенные Формирова" тель 13 раэнополярного сигнала, регулятор 14 амплитуды сигналов и блок 3 согласования, причем выходы блока 10 формирования импульсов соединены с Входами, аналоговых ключей 5 и б, блока 9 регистрации и формирователя 13 раэнополярного сигнала, 5Способ осуществляется следующим образом.Электромагнитное поле в .исследуемом участке среды возбуждается последовательностью разнополярных пря моугольяых импульсов тока с паузами .(фиг.1). Частота тока обычно равна 0,05-1 Гц, длительность импульсов равна длительности паузы, а сила тока может достигать 20-25 А и более. В точках изме 1 Фений из земли выделяют сигналы 0, форма которых но время пропусканйя импульсов тока отличается от прямоугольной вследствие протекания вихревых токов и земле (индук. ционные эффекты электродинамического становления поля) и вследствие поляризации среды. При этом индукционные эффекты искажают начальную, а эффекты поляризации - более позднюю стадию импульса напряжения. Во время пауз между импульсами тока сигнал представляет собой сумму полей электродинамического становления и ВП. Из сигнала О исключают синхронно с моментами йключения-выключения тока в источнике ноля с изменяемым временем отсечки начальную искаженную влиянием становления поля стадию каждого импульса как но время про пускания импульсов тока, так и в паузах между ними. Интервал времени отсечки либо задаютисходя из анализа условий измерений н данном районе, в.соответстнии с выражением: 40уе/ р где а 1 - время отсечки, с;Е - длина питающей линии АВ, 45через которую в землю вводят тоК (КМ)1У - среднее удельное сопротивление исследуемого разреза,Ом;либо выбирают экспериментально, какбудет рассмотрено ниже. Затем иэпреобраэонанного укаэанным образом ,. сигнала выделяют две последовательности импульсов 02 и О, в качествепервой иэ которых выбирают последовательности импульсон во время пропускания тока (сигнал 02), а в качестве второй - последовательностьимпульсов во время пауз (сигнал Оз). Из последовательностей импульсов 02 60 и О выделяют гармоническую составляющую одной и той же частоты. Если рабочаячастота сигнала выше 0,1- 0,2 Гц, выделяют первую гармонику сигнала. На более низких частотах А 5 целесообразно выделять 3,5 или 7 гармонику сигнала. Это обусловлено тем,что амплитуды высших гармоник сигналов (фиг.1) медленно убывают с уне"личением номера гармоники. Еслидлительность отсечки сохраняют одинаковой как после включения, так ипосле выключения импульсов тока,то отношение амплитуды гармоническойсоставляющей, измеренной н паузахмежду импульсами тока, к амплитудегармонической составляющей сигналовно время пропускания импульсов тока,остается одинаковым независимо отномера гармоник (для первой, третьей,пятой и седьмой гармоник) и равнымкоэффициенту поляризуемости изучае"мого разреза. Если же длительнОстиимпульсов 02 и Оз не одинаковы,амплитудно-фазовый спектр таких сигналов оказывается разным (например,амплитуда одной или даже дВух гармоник может быть равной нулю), икоэффициент поляризуемости определитьбудет невозможно.Кроме абсолютной величины параметра ВП необходимо также знать егознак. Амплитуда же гармоническойсоставляющей ве несет информации ознаке параметра ВП. Для оПределениязнака параметра ВП последовательностьимпульсов 03 в паузах между пропусканием тока в землю суммируют совспомогательным сигналом 04, которыйимеет форму раэнополярных йрямоугольных импульсов, следующих друг задругом во время пауз между импульса"ми тока, причем после положительногоимпульса Э следует положительныйимпульс 04. Амплитуду сигнала Оустанавливают меньшей амплитуды сигнала 03 в 2-3 раза. После фиксацииамплитуд гармонических составляющихсуммируют сигналы 0 и. 04 и регист 3рируют изменения амплитуды гармонической составляющей суммарного сигнала. Если амплитуда суммарного сигнала больше, чем амплитуда гармонической составляющей сигнала О, тознак параметра ВП положительный, впротивном случае - отрицательный.При экспериментальном определениинеобходимого времени отсечки после;фиксации амплитуды сигналов последовательно несколько раз увеличиваютвремя отсечки и каждый раз регистрируют амплитуды смгналон и определяютих отношение. Предельно допустимымсчитается такое минимальное времяотсечки, начиная с которого отношение амплитуд гармонических составляющих перестает увеличиваться иостается постоянным илм уменьшаетсяУстройство для осуществления пред"лагаемого способа работает следующимобразом,На входные шины 1 и 2 устройстваподается измеряемый сигнал О . Этотсигнал усиливается предварительНым усилителем 4 и поступает на аналоговые ключи 5 и б. Ключ 5 открываетсятолько во время прохождения импульсов тока Э, причем не на все время прохождения импульса Э, а только на часть этого времени за исключением выбранного времени отсечки. На выходе ключа 5 получают сигнал О Аналогично ключ б открывается только во время пауз между импульсами тока, причем не на все время паузы, а . только на часть ее за исключением выбранного времени отсечки. На выходе ключа б получают сигнал Оз , Таким образом, иэ сигнала 0 вырезана начальная часть каждого импульса с одним и тем же временем отсечки и из полученного сигнала выделены две последовательности импульсов 0 и Оз. С помощью избирательных усилителей 7 и 8 из этих последовательнос тей импульсов выделяют гармонические составляющие. Усилители 7 и 8 содер" жат фильтры одних .и тех же частот. Отфильтрованные и усиленные сигналы с выходов избирательных усилителей 25 7 и 8 поступают на два входа блока 9 регистрации, представляющий собой двухканальный измеритель амплитуд гармонических сигналов. Порядок измерений и регистрации той или иной З 0 гармоники задается по команде, поступающей в виде импульсов с блока .10 формирования импульсов на вход уп-. равления блока 9 регистрации. В прос- тейшем случае это режим последовательных нормированных измерений с непосредственным отсчетом параметра ВП в процентах. Возможна также параллельная регистрация в цифровой форме.Управляет работой аналоговых ключей 5 и б блок 10 формирования им- "40 пульсов, соединенный с источником 11 опорного сигнала. Источник 11 опорного сигнала может быть выполнен в виде автономного кварцевого генератора, триггерных делителей частоты 45 и логических элементов И, ИЛИ, Кварцевый генератор должен периодически синхронизироваться с задающим генератором источника тока. Для управле;ния работой ключей 5 и б в блоке 10 5 Ц формируются две последовательности сдвинутых на 180 ф однополярных импульсов, длительность которых равна ,четверти периода рабочего сигнала. Первая последовательность импульсов совпадает по времени с импульсами тока 1 в питающей линии, а вторая - с паузами между этими импульсами. Начальная часть каждого из этих импульсов может быть вырезана. Времяотсечки задается блоком 12 изменения еО длительности импульсов и устанавливается одинаковым для обеих последовательностей.Кроме того, в блоке 10 формирует ся еще две последовательности одно 5,полярных импульсов, частота следования которых в 2 раза ниже, чем. частота следования импульсов управления ключами 5 и б. Первая последо" вательность импульсов по времени совцадает с паузами после выключения положительных импульсов тока, а вторая - после выключения отрицательных импульсов тока. Эти две последовательности импульсов поступают на два входа формирователя 13 разнополярного сигнала, который может быть выполнен в виде дифференциального усилителя. Когда сигналы на двух его входах равны нулю, выходное напряжение блока 13 равно нулю. Если на первый вход поступает положительный импульс, на выходе блока 13 также появляется положительный импульс. Если на второй вход блока 13 поступает положительный импульс, на выходе блока 13 появляется отрицательный импульс. Таким образом, на выходе блока 13 получают последовательность разнополярных импульсов Оследующих в паузах между импульсами тока Э и сфазированных таким образом, что после положительного импульса 3 обязательно следует положительный импульс 0 и т.д. Так как амплитуда гармонической составляющей сигнала Оз уже измерена, регулятором 14 амплитуды, в качестве которого наиболее целесообразно использовать 12-оборотный декадный потенциометр, устанавливают выходную амплитуду сигнала О в .2-3 раза меньшей амплитуды сигнала Оз и подают этот сйгнал на вход блока 3 согласования. Блок 3 наиболее целесообразно выполнить в виде эталонного резистора сопротивлением в несколько сот ом и аналогового ключа, причем эталонный резистор должен быть включен последовательно между выходной шиной 2 устройства и второй входной шиной предварительного усилителя 4, а аиалоговый ключ должен быть включен последовательно между выходом регулятора 14 и входной шиной 2. В режиме измерений амплитуды сигналов аналого" вый ключ блока 3 разомкнут, и сигнал с выхода регулятора 14 в измерительную цепь не поступает. При определении знака параметра ВП аналоговый ключ в блоке 3 замыкается, и на вход усилителя поступает суммарный сигнал. Если при этом амплитуда сигнала на выходе усилителя 8 увеличивается знак параметра ВП положительный, в противном случае отрицательный,Технико-экономическая эффективность применения изобретения,заключается в. существенном расширении диапазона измеряемых величин параметра ВП в область малых значения - ниже О,Л.1038908 фюаЕ пеико Составитель Е. Техред Ж. Кастел ляко ректор Г. Огар,едактор В. кав 6225/5 ПП фПатентф, г. Уагород,.ул. тная, 4 Фи Тир ВНИИПИ Госу по делам 035, Москва