СТЕНД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В СЛОИСТЫХ ПРОВОДЯЩИХ СРЕДАХ

Полезная модель относится к классу экспериментальных установок для моделирования электромагнитных полей в слоистых проводящих средах.
Полезная модель может применяться при решении задач по разработке устройств, предназначенных для создания электромагнитных полей в реальных проводящих средах, а также для проверки математических моделей электромагнитных полей используемых при поиске полезных ископаемых, разработке беспроводных каналов связи, например, для управления роботизированными подводными аппаратами и т.п.
В качестве аналога, использованного для решения подобных задач можно привести устройство, описанное в работе [1, стр. 122], имеющее генераторную часть, состоящую из генератора опорного сигнала, преобразователя частоты, соединенных протяженной кабельной соединительной линией с штыревыми датчиками электрического поля.
Обладая внешними схожими конструктивными данными, такая аппаратура имеет различные результаты измерений и расчетную достоверность в зависимости от способа проведения работ.
Технический результат, на достижение которого направлена заявленная модель, заключается в исключении влияния внешних факторов путем отказа от протяженных соединительных линий, разместив генератор непосредственно в исследуемой среде и обеспечив автономность генераторной части.
При физическом моделировании электромагнитные поля частотой ƒ в проводящей среде с диэлектрической проницаемостью ε, удельным сопротивлением ρ, и проводимостью σ должны удовлетворять волновому уравнению при переходе к другим линейным масштабам [1].
где индекс «н» показывает, что соответствующие параметры относятся к натуре, а индекс «м» - к модели.
м
н
Для немагнитных сред (µ=µ) можем записать:
Если разделить второе уравнение системы (2) на первое уравнение, получим:
Уравнения (2) и (3) являются условиями геометрического и электромагнитного подобия для электромагнитных полей в немагнитных проводящих средах.
Общий вид предлагаемой полезной модели иллюстрируется схемой, изображенной на фиг. 1.
В состав полезной модели входит бассейн 1, заполненный исследуемой проводящей средой 2, излучающий несимметричный диполь 3, неподвижный 4 и подвижный 5 зондирующие электроды, подключаемые к регистрирующей аппаратуре 6, например, к осциллографу или вольтметру.
Конструктивные особенности стенда поясняет схема (фиг. 2).
Стенд представляет собой стальной бассейн 1, размерами 3,5×3,5×1 м, стенки и дно которого сварены из листов стали толщиной 3 мм. С внутренней стороны бассейн покрыт диэлектрическим слоем 7 толщиной 4 мм. Для экранирования стенда сверху бассейн закрывается стальной сеткой 8 с размером ячейки 1 мм. Бассейн заполняется до глубины Н раствором электролита 2 (например, хлорида натрия).
Для позиционирования излучателя и зондирующих электродов в пространстве бассейна, в верхней части бассейна закреплены стальные уголки (не изображены на фиг. 2), поверх которых располагается рама 9 из алюминиевых уголков. К этой раме закрепляется направляющая 10 горизонтального позиционирования с зондирующими электродами и направляющая вертикального позиционирования 11 излучающего диполя.
1
2
m
Излучающий несимметричный диполь (излучатель) изготовлен из медной проволоки сечением S и состоит из большого 12 и малого 13 плеча, разделенных диэлектрическим зазором d. Длина большого плеча L, малого - L. Излучатель подключен непосредственно к генератору последовательно через токоизмерительный резистор величиной R, который размещен внутри герметичного корпуса K. Генератор сконструирован на основе цифрового сигнального синтезатора AD9833 и питается от батарей.
С помощью зажимов 14 корпус K крепится к направляющей 11. Внутри корпуса проложены соединительные провода для контроля ЭДС и силы тока генерируемого сигнала.
Подвижный 5 и неподвижный 4 зондирующие электроды закреплены на направляющей 10, таким образом, чтобы создать точечный контакт с поверхностью раздела проводящая среда-воздух. С помощью зондирующих электродов и измерительной аппаратуры 6 регистрируется разность потенциалов на границе раздела.
Изменение глубины погружения диполя реализовано винтовым приводом по направляющей 11 (фиг. 2), который по специально разработанной программе приводится во вращательное движение шаговым мотором 15. При этом верхняя часть диполя находится в воздухе и в токораспределении не участвует. Неподвижный зонд 4 зафиксирован на необходимом расстоянии относительно верхнего плеча диполя.
Генератор может создавать переменную электродвижущую силу в широком диапазоне частот и амплитудой до 300 мВ. Конструкцией стенда предусмотрена возможность измерения величины силы тока стекающего в среду и напряжение на плечах диполя. По этим данным можно рассчитать кажущееся сопротивление среды.
ЭДС диполя индуцирует токи в проводящей среде, которые в свою очередь приводят к перераспределению потенциала на поверхности исследуемой среды. Распределение потенциалов на поверхности проводящей среды измеряются при непрерывном изменении расстояния между зондирующими электродами. Расстояние между электродами изменяется путем прямолинейного перемещения вдоль горизонтальной направляющей 10 подвижного электрода 5 по поверхности проводящей среды. Перемещение электрода осуществляется винтовым приводом, приводимым во вращательное движение шаговым двигателем 16. Для управления шаговыми двигателями написаны программы для ЭВМ.
Для моделирования слоистой среды на заданной глубине устанавливается горизонтальный диэлектрический слой 17.
Испытания показали, что результаты, полученные с помощью физического моделирования на стенде, подобны результатам теоретических расчетов [2].
Предлагаемое техническое решение позволяет минимизировать длину соединительных линий между излучателем и источником сигнала в проводящей среде, практически исключив их из конструкции. Такое решение позволяет изготовить автономное устройство.
Источники информации:
1. Нахабцев А.С. Низкочастотная электроразведка линейными источниками гармонического поля. // СПБ.: Недра, 1992, 360 с.
2. Михеев В.А. Физическое и математическое моделирование электромагнитного поля в проводящем полупространстве / Михеев В.А., Пилипенко В.А., Асмандияров И.Р. // Международный научно-исследовательский журнал. - 2013. - №10. - С. 5-8