Устройство для моделирования электромагнитной индукции в земле

1108472 форматора, вторичная обмотка которого.подключена к информационномувходу первого преобразователя частота-напряжение, первый и второй выхо"ды первого генератора синусоидальныхсигналов соединены соответственнос первым и вторым входами блокасдвига фаз, первый и второй выходыкоторого подключены соответственно,к первому и второму входам второгоусилителя мощности, первый и второйвыходы которого соединены с первичной обмоткой третьего согласующего Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в геоэлектроразведке при решении задач электромагнитной индукции конкретных геоэлектрических 5 структур в поле искусственных дипольных источников.Известно устройство для моделирования электромагнитной индукции в земле, содержащее электролитическую 10 ванну, электроды, согласующие трансформаторы, делители направления и регистрирующий блок 11. Однако это устройство имеет низ кую точность моделирования;Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для моделирования электромагнитной индукции в земле, содер- ро жащее блок моделирования однородного слоя земли, выполненный в виде электромагнитной ванны, заполненной электролитом, в котором размещена модель неоднородного пласта земли, 25 выполненная в виде листа из электро- .проводного материала, размещенного на дне электролитической ванны, первый генератор синусоидальных сигналов, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам первого усилителя мощности, первую пару задающих электродов, расположенных в электролите, в котором размещены35 первая и вторая пара измерительных электродов, которые подключены соответственно к первой и второй паре трансформатора, вторичная обмотка которого через второй масштабный резистор подключена к второй па задающих электродов, первый и второй выводы второго масштабного резистора соединены с первичной обмоткой четвертого согласующего трансформатора, вторичная обмотка кото"рого подключена к информационномувходу второго преобразователя частота-напряжение, управляющий входкоторого соединен с выходом второгогенератора синусоидального сигнала. информационных входов блока формирования синусоидальных сигналов,первый выход которого подключен квход первого блока регистрации напряжения и к первому входу первогоблока регистрации сдвига фаз, второй вход которого соединен с входом второго блока регистрации напряжения и с вторым выходом блокаформирования синусоидальных сигналов,управляющий вход которого подключен к выходу второго генератора синусоидального сигнала и к управляющему входу первого преобразователя частота-напряжение 22Однако известное устройство позволяет моделировать электромагнитное поле только линейной поляризации, тем самым ограничивая возможность применения более рациональных методик частотных зондирований, раз-. работанных для более сложных полей(круговой, эллиптической поляризации). Кроме того, для интерпретациирезультатов моделирования необходимточный контроль тока, протекающегонепосредственно в возбуждающихэлектродах или магнитной рамке, чтоособенно технически сложно на высоких частотах из"эа невозможности согласования линии передачи свозбуждающими электродами или магнитной рамкой в широком диапазоне частот. Все это существенно ограничивает применение устройства дляинтерпретации результатов полевыхэлектромагнитных исследований методом частотного зондирования.Цель изобретения - повышение точности моделирования.Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство, содержащееблок моделирования однородногослоя земли, выполненный в виде электролитической ванны, заполненной элект. ролитом, в котором размещенамодель неоднородного пласта земли,выполненная в виде листа из электропроводного материала, размещенногона дне электролитической ванны,первый генератор синусоидальных сиг. налов, первый и второй выходы которого подключены соответственно кпервому и второму входам первогоусилителя мощности, первую пару задающих электродов расположенныхв электролите в котором размещеныпервая и вторая пара измерительныхэлектродов, которые подключены соответственно к первой и второй пареинформационных входов блока формирования синусоидальных сигналов, 25первый выход которого подключен квходу первого блока регистрации напряжения и к первому входу первогоблока регистрации сдвига фаэ, второй вход которого соединен с входомвторого блока регистрации напряжения и с вторым выходом блока формирования синусоидальных сигналов,управляющий вход которого подключенк выходу второго генератора синусоидального сигнала и к управляющемувходу первого преобразователячастота-напряжение, введены первыйи второй масштабные резисторы, вторая пара задающих электродов, расположенных в электролите, четыре согласующих трансформатора, блок сдвига фаз, второй усилитель мощности,третий и четвертый блоки регистрациинапряжения, второй блок регистрациисдвига фаз и второй преобразовательчастота-напряжение, выход которогоподключен к входу третьего блокарегистрации напряжения и к первомувходу второго блока регистрации50сдвига фаз, второй вход которогосоединен с входом четвертого блока,регистрации напряжения и с выходомпервого преобразователя частота-напряжение, первый и второй выходыпервого усилителя мощности подклю 55чены к первичной обмЬтке первогосогласующего трансформатора вторичная обмотка которого через первый масштабный резистор подключена к первой паре задающих электродов. первый и второй выводы первого масштабного резистора, соединены с первичной обмоткой второго согласующего трансформатора вторичная обмотка которого подключена к информационному входу первого преобразователя частота-напряжение первый и второй выходы первого генератора синусоидальных сигналов соединены соответственно с первым и вторым входами блока сдвига фаз, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам второго усилителя мощности, первый и второй, выходы которого соединены с первичной обмоткой третьего согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через второй масштабный резистор подключена к второй паре задающих электродов, первый и второй выводы второго масштабного резистора соединены с первичной обмоткой четвертого согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к информационному входу второго преобразователя частота-напряжение, управляющий вход которого соединен с выходом второго генератора синусоидального сигнала.На .чертеже представлена схема предлагаемого устройства.Устройство содержит блок 1 моделирования однородного слоя земли, выполненный в виде электропитической ванны 2, модель 3 неоднородного пласта земли, выполненная в виде листа 4 из электропроводного материала, генератор 5 синусоидальных сигналов, усилители 6 и 7 мощности, пары за" дающих электродов 8 и 9, пары измерительных электродов 10 и 11, блок 12 формирования синусоидальных сигналов, блоки 13 и 14 регистрации напряжения, блок 15 регистрации сдви га фаз, генератор 16 синусоидальных сигналов, преобразователи 17 и 18 частота-напряжение, масштабные резисторы 19 и 20, согласующие трансформаторы 21-24, блок 25 сдвига фаз, блоки 26 и 27 регистрации напряжений, блок 28 регистрации сдвига Фаз., Устройство работает следующим образом.В зависимости от класса решаемых задач и принятой методики интерпретации результатов моделирования рас35 Пары задающих и измерительных электродов устанавливаются на специальной передвижной платформе, которая обеспечивает перемещение и установку электродов по всей площади считываются согласно критериям подобия проводимость и толщина раствора электролита в ванне 2, проводимости и геометрические размеры моделей 3 геоэлектрических неоднород ностей, выбираются пары задающих электродов 8 и 9 и измерительные пары электродов 10 и 11. Изготовленная модель 3 погружается в электролитическую ванну 2 с приготовленным раствором электролита нужной концентрации, на поверхности которого устанавливаются пары задающих электродов 8 и 9 и пары измерительных электродов 1 О и 11. 15На чертеже представлен вариант устройства с парами задающих электродов 8 и 9 АВх, АЬ и парами измерительных электродов 10 и 11, со. стоящими из электродов МБ, М 1 И. 20 Конструктивно пары задающих электродов 8 и 9 АВ и АВЧ вместе с согласующими трансформаторами 21, 22, 23 и 24, масштабными резисторами 19 и 20, преобразователями 17 и 18 час тота-напряжение размещены в одном корпусе, составляющем так называемый возбуждающий зонд. Блок 12 формирования синусоидальных сигналов выполнен согласно прототипу, в виде от- З 0 дельного законченного прибора. Применение тех или других связано со спецификой измерения (частотным диапазоном возбуждаемого поля, типом возбуждения и т.д,), Например, оптические развязочные линии передачи обеспечивают абсолютную гальваническую развязку измерительных и регистрирующих блоков, но в отличие от трансформаторных линий не обладают 40 достаточным коэффициентом передачи в верхней части частотного диапазона от 3 до 10 МГц из-за ограниченной частотной характеристики существующнх фотодиодов, Поэтому оптические 45 линии развязки предпочтительнее применять для передачи сигналов низкой промежуточной частоты, а трансформаторные - для передачи высокочастот.ного напряжения гетеродинного сигнала Питание измерительного зонда автономное от гальванических батарей напряжением 9 Вэлектролитической ванны 2 на некотором фиксированном заранее определенном расстоянии г, которое можно из"менять в зависимости от характераисследований. Исходя из существующихметодик интерпретации результатовзондирования, оси задающих и измерительных электродов ориентированысоответственно принятой координатнойсетки электролитической ванны: погоризонтали - Х и 7, по вертикали - Е,Измерения проводятся блоком 12в характерных точках моделей геоэлектрических неоднородностей. Электрический ток или магнитное поле рабочей частоты Ес = 0,1-10 МГц, создаваемое в электролите электролитической ванны 2 задающими электродамиили возбуждающей магнитной рамкой,индуцирует в проводящей моделирующейсреде (электролите ванны 2 и моделях3 геоэлектрических неоднородностей)электромагнитное поле, которое наводит в измерительных электродах 10и 11 электрические напряжения, пропорциональные двум измеряемым состав-ляющим напряженности электромагнитного поля в точке наблюдения. Этинапряжения с частотой возбуждающегополя поступают на. входы блока 12,где преобразуются в сигналы, удобные для измерения на блоках 13, 14и 15 регистрации.В зависимости от принятой методики интерпретации измеряются какие-либо две составляющие напряженности электромагнитного поля, например Е и Ь, Н и Нц, Кх и Ни другие и фазовые соотношения междуними. Результаты частотного зондирования наиболее просто и удобноинтерпретировать в случае, когдаэлектромагнитное поле возбуждаетсяи измеряется электродами, напримерАВ, АВ и .1.Я, МЯ, как представлено йа чертеже.При моделировании линейнополяризованного электрического поля возбуждающими являются, например,электроды АВ а приемными - МИ.Ток 1, протекающий в возбуждающихэлектродах А 1,В, возбуждает в элект-.ролите электролитической ванны 2электрическое поле, которое создаетв электродах МЯ 1, напряжение 4,0 данной частоты. При этом цепь питаниявозбуждающих электродов АЧБА отклю-,чена и тока они не создают. Удельное кажущееся сопротивление фв точке измерения на частоте выра"зится соотношением 2 уйз дОщ - им10 где г - расстояние междуцентрами электродовАВ 1,и МЧиу1 щ, 1 м- базы электродов АВи МИ.Удельное кажущееся сопротивлениеопределяется в точке наблюдения на всех рабочих частотах, после чего строится результирующая зависимостьот периода колебаний Т исследуемого поля.Если питать пары задающих электродов АВ и АВ токами, сдвинутыми по фазе на некоторый заданныйугол, например 90, в электролите электролитической ванны 2 создается вращающееся электромагнитное поле, горизонтальные электрические состав;ляющие напряженности которого измеряются электродами 10 и 11, состоящими из электродов МИ и ММ, что позволяет одновременно производить 30 исследования электромагнитных полей при экваториальном и осевом размещении возбуждающих и приемныхэлектродов.Рассмотрим более подробно работуустройства. Синусоидальные колебания.рабочей частотыв диапазоне частот 0,1-10 МГц от генератора 5 пода- .ются на входы усилителей б и 7 мощности с регулируемыми выходами,причем на вход усилителя 6 непосредственно, а усилители 7 - через блок25, сдвигающий фазу синусоидальныхколебаний задающего генератора 5,поступающих на вход усилителя 7,на фиксированный. угол, например 90 ф .Напряжения, поступающие от усилителей6 и 7.мощности через согласующиетрансформаторы 21 и 24 на пары задаю-щих электродов 8 и 9, создают вэлектролите электролитической ванны2 гармоническое электромагнитноеноле, вектор поляризации котороговращается с цикличной частотой (9колебаний задающего генератора 5 иописывает в пространстве либо круг(если напряжения, поступающие наэлектроды АВ и АВц равны междум собой), либо эллипс (если эти напряжения различны), при этом оси эллипса ориентированы по осям возбуждающих электродов АВ и А.В, а их длины определяются соотношением питающих напряжений. В общем случае когда разница фаэ напряжений, определяемая блоком 25, отличается от 90, пространственная ориентация осей эллипса и их длина определяется углом фазового сдвига и величиной амплитуд напряжений возбуждающих электродов. Таким образом, созданное электромагнитное поле вследствие индукции в моделирующей среде испытывает изменения, которые яв-, ляются источником полезной информации о строении среды,и измеряется на поверхности электролита в характерных точках модели блоком 15. Результаты измерений в виде напряжений по развязочным линиям передачи поступают на приемно-регистрирующие приборы: на блоки 13 и 14 каналов для регистрации соответственно Еи Е - составляющих напряженности моделирующего электромагнитного поля, и на измеритель разности фаз - блок 15 для измерения фазовых соотношений между ними. Падение напряжения на масштабных резисторах 19 и 20 характеризует величину тока, протекаюещго через задающие электроды 8 и 9. Это высокочастотное напряжение с рабочей частотой Г = 0,1- 10 МГц через согласующие транСформаторы 22 и 23 поступает на преобразователи 17 и 18 напряжение-частота, на которые одновременно подается синусоидальное напряжение от генератора 16 гетеродинного сигнала с частотой Гг в диапазоне частот 0,11- 10,01 МГц, В результате частотного преобразования на выходе .преобразователей 17 и 18 образуется напряжение постоянной, сравнительно низкой промежуточнЬй частоты ЕпЧГ,- - Е10 кГц, которое по электрическим линиям передачи поступает на измерители напряжения - блоки 26 и 27, а также на измеритель разности фаз - блок 28. По измерителям напряжения- блокам 26 и 27 " контролируют уровень токов возбуждающих электродов АВ и АВ, а следовательно, необходимую форму эллипса поляризации, а измерителем разности фаэ - блоком 28 - постоянство фазового сдви-га питающих напряжений во всем частотном диапазоне устройства.Предлагаемое устройство по сравнению с базовым позволяет значительно повысить точность моделирования 5 искусственных электромагнитных полей и существенно расширить класс электроразведочных задач, решаемых с помощью физичесКого моделирования, так как позволяет моделировать элект ромагнитные поля искусственных (дипольных) источников с вращающимся вектором попяризации, что дает возможность применить для интерпретации результатов моделирования новые бо лее рациональные методики интерпретации исследований ранее применяе-мых только для естественных (магнитотеллургических) электромагнитных полей, Кроме того, применяемая в 20 устройстве объективная и независящая от частоты регистрация токов, протекающих в возбужающих электрических или магнитных диполях, заключающаяся в преобразовании частоты измеряемых 25 токов в постоянную, более низкуюпромежуточную частоту, позволяетзначительно повысить точность интерпретации результатов измерений высокочастотных электромагнитных полейдипольных источников и расширитьчастотный диапазон моделирования вего верхней части. Применяемые ранее способы регистрации токов ввозбуждающих диполях непосредственным подкЛючением . к ннм измерительных линий и приборов или спомощью согласующих устройств непреемлемы иФ"за невозможности ихсогласования в широком диапазонечастот. Применение в моделировании дипольных источников электромагнитного поля для возбуждения вращающегося вектора поляризации является новым направлением в электроразведке и эффективным методом при изучении поверхностных неоднородностей земной коры.ЯСоставитель В.Рыб Редактор М.Петрова Техред А,Бабинец орректор С.Шекма Заказ иал ППП "Патент", г, Уагород, ул. Проектная,867/36 Тираа 699 ВНИИПИ Государственно по делам изобретений 13035, Москва, Ж, РаушсПод пискоиитета СССРи открытийя наб д, 4/5