СИСТЕМА ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И ЭЛЕКТРОД, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТАКОЙ СИСТЕМЕ
ELECTRO-TOMOGRAPHIC MONITORING SYSTEM AND ELECTRODE INTENDED FOR USE IN SUCH SYSTEM

Группа изобретений относится к геофизическим исследованиям и может быть использована для выявления опасных геологических процессов, которые развиваются внутри массива горных пород в верхней части разреза до глубины 100 м и более и приводят к изменениям геометрии и электрических свойств горных пород, а также для обеспечения возможности обнаружения несанкционированного доступа через контур запрещенной зоны под поверхностью земли.
Широко известны электротомографические системы (в частности, отечественные системы «Омега-48», «Скала-48»), включающие в себя набор электродов (от 48 до 128 штук), каждый из которых может быть использован и как питающий, и как приемный электрод, соединенных с помощью многопарного кабеля (т.н. «косы»), генератор, измерительное устройство, коммутатор, предназначенный для подключения выбранных питающих электродов к выходу генератора и выбранных приемных электродов к входу измерительного устройства, и блок управления, предназначенный для управления процессом съемки, обработки и интерпретации результатов изменений. Применение подобной системы описано, например, в статье Модина И.Н. и др. «Возможности электротомографических станций при выполнении мониторинговых наблюдений», Инженерные изыскания, 9-10/2014, стр. 22-31.
Подобная известная система является наиболее близким аналогом заявленной системы.
Недостаток известных систем состоит в их ограниченной функциональности, обусловленной невозможностью обеспечить высокую точность измерений при непрерывном длительном использовании, что, в свою очередь, снижает достоверность интерпретации получаемых при мониторинге результатов.
Кроме этого, известен электрод, содержащий корпус из токопроводящего материала и расположенный в нем коммутатор, включающий в себя печатную плату с установленным на ней блоком коммутации, электрически связанным с корпусом, и блок управления (см. RU 2531125 С1, 20.10.2014). Один из входов блока коммутации соединен с выходом блока управления, а второй вход выполнен с возможностью соединения с соответствующим (в данном случае, силовым) выходом многопарного кабеля. Известный электрод предназначен для использования в качестве питающего электрода электроразведочной системы.
Известный электрод является наиболее близким аналогом заявленного электрода.
Недостаток известного электрода состоит в неэффективности его использования в качестве приемного электрода системы электротомографического мониторинга, в результате невозможности обеспечить высокую точность измерений в условиях значительных суточных и сезонных колебаний температур.
Техническая проблема, решаемая заявленной группой изобретений, состоит в создании системы электротомографического мониторинга и электрода, предназначенного для использования в такой системе, обеспечивающих возможность отслеживания минимальных изменений параметров электрического поля (в частности, удельного электрического сопротивления) во времени, что, в свою очередь, позволяет обнаружить и проследить развитие негативных процессов в геологической среде на ранних стадиях и на большой глубине, а также обеспечить надежную защиту контура запрещенной зоны, в случае такой необходимости.
При этом достигается технический результат, заключающийся в обеспечении высокой точности производимых измерений и интерпретации получаемых результатов в условиях как кратковременного, так и длительного непрерывного использования системы при любых климатических условиях.
Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания системы электротомографического мониторинга, включающей в себя, по меньшей мере, один набор питающих электродов, соединенных между собой, по меньшей мере, один набор приемных электродов, соединенных между собой, по меньшей мере, один набор питающих коммутаторов, силовой вход каждого из которых является соответствующим входом каждого из питающих электродов, по меньшей мере, один набор приемных коммутаторов, измерительный выход каждого из которых является соответствующим выходом каждого из приемных электродов, блок возбуждения высокого напряжения, включающий в себя генератор высокого напряжения и средство измерения тока, соединенные последовательно, и блок управления и приема электрических сигналов. Выход блока возбуждения высокого напряжения соединен с силовым входом каждого из питающих коммутаторов, управляющий вход каждого из которых соединен с одним из выходов блока управления и приема электрических сигналов. Второй выход блока управления и приема электрических сигналов соединен с входом генератора высокого напряжения, а третий выход - с управляющим входом каждого из приемных коммутаторов. Измерительный выход каждого из приемных коммутаторов соединен с первым входом блока управления и приема электрических сигналов, второй вход которого соединен с выходом измерительного устройства.
В результате разделения питающих и приемных электродов обеспечивается возможность конфигурирования систем с различной геометрией размещения электродов для оптимального возбуждения и приема электрических сигналов, а также снижается вероятность возникновения паразитных линий связи и поляризации электродов, что, в конечном счете, приводит к повышению точности измерений. Наличие в системе наборов питающих и приемных коммутаторов (по числу питающих и приемных электродов) также позволяет повысить точность измерений в результате отсутствия необходимости в применении соединительного кабеля с большим количеством жил на большом протяжении, что неизбежно приводит к потере сигнала из-за возникновения паразитных линий связи.
Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается также в частных вариантах выполнения описанной выше системы, согласно одному из которых она снабжена, по меньшей мере, одним головным питающим коммутатором и, по меньшей мере, одним головным приемным коммутатором, обеспечивающими подключение выбранных наборов питающих электродов к блоку возбуждения высокого напряжения, а выбранных наборов приемных электродов - к блоку приема электрических сигналов и управления (при использовании наборов питающих и приемных электродов в количестве от 2 до N, где N определяется энергетическими возможностями системы). Упомянутое подключение обеспечивается по традиционным схемам и не раскрывается подробно в рамках настоящего изобретения.
Согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения, каждый из питающих или приемных коммутаторов размещен в корпусе соответствующего питающего или приемного электрода.
Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения, каждый из питающих или приемных коммутаторов размещен вне корпуса соответствующего питающего или приемного электрода.
Согласно еще одному частному варианту выполнения, система имеет возможность определения температуры геологической среды (грунта) в зонах измерений параметров электрического поля.
Это дополнительно позволяет вводить в значения измеряемых параметров электрического поля температурную поправку (пользуясь известными методиками), что повышает точность интерпретации получаемых данных.
Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается также в результате создания электрода, предназначенного для использования в описанной выше системе, содержащего корпус из токопроводящего материала и расположенный в нем блок коммутации, электрически связанный с корпусом, блок усиления с высоким входным сопротивлением, блок управления и датчик температуры. Один из входов блока коммутации соединен с выходом блока усиления с высоким входным сопротивлением, вход которого является измерительным входом приемного коммутатора, а второй вход - с выходом блока управления, один из входов которого соединен с выходом датчика температуры, а второй вход является управляющим входом приемного коммутатора.
В результате использования блока усиления с высоким входным сопротивлением обеспечивается высокая точность измерений за счет компенсации высокого переходного сопротивления «электрод-геологическая среда» в зимнее время. Наличие датчика температуры позволяет вводить в значения измеряемых параметров электрического поля температурную поправку, что повышает точность интерпретации получаемых данных.
На фиг. 1 показана структурная схема заявленной системы электротомографического мониторинга, согласно частному варианту выполнения.
На фиг. 2а показано схематичное изображение питающего электрода, согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения.
На фиг. 2b показано схематичное изображение приемного электрода, согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения.
На фиг. 3 показана структурная схема приемного электрода, согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения.
На фиг. 4 показана принципиальная схема блока усиления приемного электрода.
На фиг. 5 показана структурная схема стационарных блоков системы, согласно частному варианту выполнения.
1
2
1
2
1
2
1
2
Система электротомографического мониторинга, показанная на фиг. 1, включает в себя блок возбуждения высокого напряжения 1, блок управления и приема электрических сигналов 2 (размещаемые при использовании системы стационарно), головной питающий коммутатор 4 и головной приемный коммутатор 5, соединенные между собой (с помощью отрезков кабеля 3.1-3.4), два набора питающих электродов A.1.1-A.1.K и А.2.1-А.2.К (где K и K находятся в пределах от 2 до 256), соединенных между собой с помощью отрезков многопарного кабеля (двух питающих кос 6.1 и 6.2), и два набора приемных электродов M.1.1-M.1.L и M.2.1-M.2.L (где L и L также находятся в пределах от 2 до 256), соединенных между собой с помощью отрезков многопарного кабеля (двух приемных кос 7.1 и 7.2).
1
2
1
2
1
2
1
2
Система также включает в себя два набора питающих коммутаторов 6.1.1-6.1.K и 6.2.1-6.2.K, силовой вход каждого из которых является соответствующим входом каждого из питающих электродов A.1.1-A.1.K и А.2.1-А.2.K, а управляющий вход соединен с выходом блока управления и приема электрических сигналов 2 через головной питающий коммутатор 4, и два набора приемных коммутаторов 7.1.1-7.1.L и 7.2.1-7.2.L, измерительный выход каждого из которых являются соответствующим выходом каждого из приемных электродов М.1.1-M.1.L и M.2.1-M.2.L, а управляющий вход соединен с выходом блока управления и приема электрических сигналов 2 через головной приемный коммутатор 5.
Система, кроме этого, включает в себя выносные питающие электроды В.1 и В.2 для создания линий «бесконечности», входы которых соединенные с выходами головного питающего коммутатора 4 (с помощью отрезков кабеля 3.5 и 3.6)
1
2
1
2
В варианте выполнения, показанном на фиг. 2а и 2b, каждый из электродов А.1.1-A.l.K и А.2.1-А.2.K (M.1.1-M.1.L и M.2.1-M.2.L) имеет корпус 8а (или 8b) из токопроводящего материала, герметично закрытый с двух сторон кабельными вводами 9а (или 9b), обеспечивающих подсоединение питающей 6.1 (или 6.2) или приемной 7.1 (или 7.2) косы.
Внутри корпуса 8а (или 8b) установлено шасси 10а (или 10b), на котором закреплена, в частности, посредством механического соединения, печатная плата На (или 11b). На печатной плате 11а (или 11b) установлен блок коммутации 12а (или 12b), представляющий собой, например, реле, электрически связанный с корпусом 8а (или 8b), и блок управления 13а (или 13b), представляющий собой, например, микроконтроллер.
1
2
1
2
Один из входов блока коммутации 12а является силовым входом питающего коммутатора 6.1.1-6.1.K и 6.2.1-6.2.K и соединен с силовым выходом головного питающего коммутатора 4, а второй его вход соединен с выходом блока управления 13 а, вход которого является управляющим входом питающего коммутатора 6.1.1-6.1.K и 6.2.1-6.2.K и соединен, в свою очередь, со управляющим выходом головного питающего коммутатора 4.
1
2
1
2
Выход блока коммутации 12b является измерительным выходом приемного коммутатора 7.1.1-7.1.L и 7.2.1-7.2.L и соединен с измерительным входом головного питающего коммутатора 4, а один из входов соединен с выходом блока управления 13а, вход которого является управляющим входом приемного коммутатора 7.1.1-7.l.L и 7.2.1-7.2.L и соединен, в свою очередь, с управляющим выходом головного приемного коммутатора 5.
1
2
1
2
Электрод, принципиальная схема которого показана на фиг. 3, используемый в данной системе в качестве приемного электрода M.1.1-M.1.L и M.2.1-M.2.L, кроме этого, содержит установленные на печатной плате 11b датчик температуры 14, например, серии ADT7310, и блок усиления 15 с высоким входным сопротивлением. Второй вход блока коммутации 12b соединен с выходом блока усиления 15, вход которого является измерительным входом приемного коммутатора 7.1.1-7.1.L-7.2.1-L.
Как показано на фиг. 4, блок усиления 15 включает в себя делитель напряжения 16, представляющий собой два последовательно соединенных резистора 16а и 16b, к средней точке которого подключен вход резистора 17, выход которого (через RC-фильтр 18) подключен на неинвертирующий вход операционного усилителя 19, инвертирующий вход которого подключен к выходу делителя напряжения 16. Блок усиления 15 обеспечивает входное сопротивление до 700 МОм.
Как показано на фиг. 5, блок возбуждения высокого напряжения 1 включает в себя генератор высокого напряжения 1.1 и средство измерения тока (в частном случае, измерительный шунт) 1.2, соединенные последовательно.
1
2
Генератор высокого напряжения 1.1 обеспечивает возбуждение электрического тока в линии, заземленной через два выбранных (из набора одной и той же или разных кос 6.1 и 6.2) питающих электрода Ak и Al, где k и l находятся в диапазоне от 1 до K (или K), или через один выбранный питающий электрод Ak и один выносной питающий электрод В.1 или В.2.
Блок управления и приема электрических сигналов 2 включает в себя промышленный компьютер 2.1 и измерительное устройство 2.2. Промышленный компьютер 2.1, в свою очередь, включает в себя материнскую плату с процессором и памятью 2.1.1, соединенный с ней сенсорный экран 2.1.2 и блок низковольтного питания 2.1.3. Измерительное устройство 2.2 включает в себя аналого-цифровой преобразователь 2.2.1, соединенный с ним микроконтроллер 2.2.2 и блок низковольтного питания 2.2.3.
Промышленный компьютер 2.1 осуществляет управление системой, в частности:
- контроль работоспособности системы,
- включение и выключение системы,
- сбор, обработку, визуализацию и хранение полученных данных,
- передачу данных по каналам связи,
- формирование сообщений по удаленному доступу о состоянии системы и изучаемого инженерно-геологического массива.
Измерительное устройство 2.2 обеспечивает измерение разности потенциалов выбранной пары (или нескольких пар) приемных электродов Mi и Mj., которые возникают в соответствии с протоколом на выбранных (из набора одной и той же или разных кос 7.1 и 7.2) парах приемных электродах Mi и Mj, где i и j находятся в диапазоне от 1 до L1 (или L2).
Систему используют следующим образом.
Оператор, уяснив задачу мониторинга, на основе своего опыта, общетеоретических и методических соображений принимает решение относительно конфигурации системы и режима ее работы. Под конфигурацией понимается взаимное расположение питающих и приемных электродов (геометрия установки). Под режимом понимается периодичность опроса установки (период выполнения одного снимка), последовательность подключения питающих и приемных электродов (протокол измерения), максимальное время, отведенное на одно измерение, электрическое напряжение, которое прикладывается к питающим электродам, кроме этого, задается рабочая частота возбуждения и приема сигналов, устанавливается предельная точность измерений.
Выполняя программу, заложенную в промышленный компьютер 2.1, блок управления и приема электрических сигналов 2 выдает (посредством микроконтроллера 2.2.2) сигналы управления генератору высокого напряжения 1.1, головному питающему коммутатору 4 и головному приемному коммутатору 5.
Головной питающий коммутатор 4 обеспечивает подключение выбранных наборов питающих электродов Ak и Al к генератору высокого напряжения 1. Головной приемный коммутатор 5 обеспечивает подключение выбранных наборов приемных электродов Mi и Mj к блоку управления и приема электрических сигналов 2.
1
2
Питающие косы 6.1 и 6.2 обеспечивают подачу напряжения питания от блока питания 2.2.3 и управляющих сигналов от блока управления и приема электрических сигналов 2 к питающим коммутаторам 6.1.1-6.1.K и 6.2.1-6.2.K и подачу высокого напряжения от генератора высокого напряжения 1 к выбранным питающим электродам Ak и Al.
1
2
Приемные косы 7.1 и 7.2 обеспечивают подачу напряжения питания от блока питания 2.2.3 и управляющих сигналов от блока приема электрических сигналов и управления 2 к приемным коммутаторам 7.1.1-7.1.L и 7.2.1-7.2.L и передачу измеряемой разности потенциалов выбранных приемных электродов Mi и Mj на вход аналого-цифрового преобразователя 2.2.1 измерительного устройства 2.2.
1
2
Питающие коммутаторы 6.1.1-6.1.K и 6.2.1-6.2.K по командам, переданным по кабелю управления, выполняют подключение пары выбранных питающих электродов Ak и Al к питающему кабелю, идущему от генератора высокого напряжения 1.1.
1
2
Приемные коммутаторы 7.1.1-7.1.1L и 7.2.1-7.2.L по командам, переданным по кабелю управления, выполняют подключение выбранной пары (или нескольких пар) приемных электродов Mi и Mj к приемному кабелю, подведенному к блоку управления и приема электрических сигналов 2.
Генератор высокого напряжения 1.1 вырабатывает высокое напряжение, которое преодолевая переходные сопротивления на питающих электродах Ak и Al, возбуждает питающий ток с установленными параметрами частоты и напряжения.
Измерение величины питающего тока, подаваемого на питающие электроды Ak и Al, необходимой для определения удельного электрического сопротивления, производится путем измерения падения напряжения на измерительном шунте 1.2. Сигнал, соответствующий этому падению напряжения, подается на вход аналого-цифрового преобразователя 2.2.1 измерительного устройства 2.2.
Система предназначена для длительной автоматической работы на исследуемых объектах в течение нескольких лет. Высокая точность работы системы обеспечивает повышенную чувствительность к выявлению меняющихся во времени глубинных объектов, что очень важно для диагностики негативных геологических процессов на ранних стадиях их развития, когда нет реальной угрозы разрушения сооружений, расположенных поблизости, а также оперативного реагирования в случае обнаружения несанкционированного доступа.