СПОСОБЫ, СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИНДИКАЦИИ И ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ
METHODS, SYSTEMS AND DEVICES FOR EARTH ELECTRIC FIELD INTENSITY INDICATION AND MEASUREMENT

Область изобретения
Настоящее изобретение, в общем, относится к системам, способам и устройствам для измерения напряженности электрического поля в исследуемой среде, такой как Земля. Более конкретно изобретение относится к системам, способам и устройствам для индикации и измерения напряженности электрического поля участков земной поверхности, на которых известные электрохимические способы, реализованные с использованием электродов, действующих на основе ионного обмена с окружающей средой, не обеспечивают надлежащего функционирования.
Уровень техники
Описанные в настоящем документе примеры осуществления изобретения, в общем, относятся к индикации и измерению напряженности электрического поля земли. В данной заявке термин «земля», в общем, обозначает литосферу Земли, а в более общем смысле - любую область, в которой проводятся геофизические исследования. Литосфера может охватывать один или большее число природных материалов, таких как земля, песок, горная порода, солончак, вечномерзлый грунт либо искусственных материалов, таких как асфальт или бетон.
В описанных примерах осуществления настоящего изобретения используется термин «электропроводность». В то же время, электрическое сопротивление представляет собой обратную величину электропроводности, причем оба термина являются взаимозаменяемыми и могут применяться с сохранением смыслового содержания и универсальности изложения. В связи с осуществлением процессов поляризации, обусловленных физико-химическими явлениями, возникающими при протекании электрического тока в земной поверхности, электропроводность материалов земной поверхности, таких как горные породы и (или) текучие среды имеет сложный характер и зависит от частоты. Один или большее число примеров осуществления настоящего изобретения могут использоваться с целью измерения напряженности электрического поля для определения на основе полученных результатов электропроводности и (или) диэлектрической проницаемости и (или) параметров ослабления вызванной поляризации, таких как, среди прочего, поляризуемость грунта и (или) постоянная времени и (или) частотная постоянная геологических структур и (или) искусственных объектов.
Электромагнитное (ЭМ) зондирование обеспечивает определение электропроводности в зависимости от латерального положения и глубины размещения в земле исследуемых материалов. Представляющие интерес геологические структуры и (или) искусственные объекты охватывают, среди прочего, месторождения полезных ископаемых, залежи углеводородов, флюиды, закачиваемые в процессе добычи нефти усовершенствованными и вторичными методами, и пластовые флюиды, текучие среды и тампонажные растворы, закачиваемые при использовании метода гидроразрыва пласта, резервуары грунтовых вод, фронты флюидов, загрязнения, вечномерзлый грунт, зоны выветривания, элементы инфраструктуры, туннели и подземные сооружения. Поскольку электропроводность таких объектов и окружающих материалов, в общем, значительно отличается, то теоретически их можно разделить посредством измерения проводимости подземного пласта. С использованием данного метода можно определить глубину размещения, толщину и латеральные размеры объектов, представляющих интерес, при наличии естественных источников электромагнитного излучения или управляемых источников электромагнитного излучения, таких как передатчики.
Методы зондирования, связанные с настоящим изобретением, в основном касаются объектов, размещенных на глубине более 30 м от поверхности земли. Исследование объектов, размещенных на значительной глубине, требует применения частоты, в общем, ниже 10 кГц, а чаще всего ниже 100 Гц. В частности, требование, касающееся обеспечения достаточной глубины исследования и использования низких частот является отличительным признаком устройства по настоящему изобретению в сравнении с устройствами картирования методом сопротивлений, предназначенными для идентификации объектов и определения положения в пределах первых 10 м и, предпочтительно, первых 5 м от поверхности земли. К этим устройствам, обеспечивающим исследование на незначительной глубине, не предъявляются строгие требования по чувствительности на низких частотах и воспроизводимости результатов, вследствие чего для осуществления более глубокого зондирования требуются определенные усовершенствования, предусмотренные настоящим изобретением.
Для целей зондирования используются различные методы, в том числе методы, предусматривающие проведение измерений на основе естественных и (или) управляемых источников электрического и (или) магнитного поля с применением различных комбинаций источников и (или) приемников и (или) расположения элементов наземных систем, схем подачи сигнала из скважины к поверхности земли, от поверхности земли к скважине, исследования отдельных скважин и нескольких скважин (например, межскважинные измерения). Зондирование с использованием естественных источников или пассивное зондирование охватывает методы магнитотеллурического зондирования (МТЗ), например, аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ) и магнитовариационного зондирования (МВЗ), которые предусматривают контроль вблизи от поверхности земли электрической и (или) магнитной составляющей длинноволновых сигналов естественных источников электромагнитного излучения, таких как грозовые разряды и колебания магнитного поля Земли, с целью определения полного электрического сопротивления земли в функции от глубины. Использование управляемых источников электромагнитного излучения охватывает измерение как частотных, так и временных параметров полей, полученных в результате воздействия искусственно генерированных электромагнитных сигналов. Проведение электромагнитных исследований на основе временных параметров, обычно используемое в данной области техники, осуществляется посредством измерения при помощи антенны напряженности магнитного поля, генерированного подземными токами, наведенными в земле индуктивным источником электромагнитного излучения, таким как генерирующий контур. Проведение резистивной томографии (РТ) или исследования методом сопротивлений, которые обычно применяются в данной области техники, предусматривает измерение напряжения и (или) напряженности электрического поля, генерированного подземными токами, наведенными в земле комплектом передающих электродов, с использованием комплекта приемных электродов. Метод вызванной поляризации (ВП) или спектральной вызванной поляризация (СВП), обычно используемый в данной области техники, предусматривает измерение напряжения и (или) напряженности электрического поля, генерированного подземными токами, наведенными в земле комплектом передающих электродов, при помощи группы приемных электродов. При использовании методов магнитной вызванной поляризации (МВП) или магнитометрического измерения сопротивлений (ММС) либо магниторазведочных исследований в инфразвуковом диапазоне (SAM), которые обычно применяются в данной области техники, с использованием комплекта приемных электродов осуществляется измерение напряжения и (или) напряженности электрического поля, генерированного подземными токами, наведенными в земле комплектом передающих электродов. Метод аудиомагнитотеллурического зондирования с использованием управляемых источников (CSAMT) или магнитотеллурического зондирования с использованием управляемых источников (CSMT), обычно применяемый в данной области техники, предусматривает измерение напряжения и (или) напряженности электрического поля при помощи комплекта приемных электродов, а также измерение магнитного поля, генерированного подземными токами, наведенными в земле комплектом передающих электродов, с использованием группы приемных магнитометров.
Общим требованием указанных выше методов электромагнитных исследований является обеспечение низкого уровня шума при измерении напряженности электрического поля. В простейшем случае при помощи электродов, выполненных из электропроводящего материала и размещенных в двух точках на поверхности или вблизи от поверхности земли, осуществляется измерение местного электрического потенциала. Разность полученных в результате измерения значений, деленная на расстояние между электродами, указывает напряженность электрического поля вдоль линии, соединяющей электроды. Данная система или способ измерения кроме фильтрации, преобразования в цифровую форму и последующего анализа требует также усиления слабых сигналов потенциала земли. Основное ограничение данного способа связано с обеспечением восприятия электрического потенциала земли электропроводящими электродами.
4
4
Назначение известных электродов, используемых в системах, которые применяются для геофизических исследований, заключается в обеспечении контакта с землей с низким сопротивлением и низким уровнем шума. Известные электроды в зависимости от рабочей частоты распределяются на две категории. При использовании частоты выше 1 Гц металлические электроды (нержавеющая сталь, фосфористая бронза) обычно забивают или иным способом погружают в землю, как указано в работе Лебрека и Дейли (LeBreque and Daily, Assessment of Measurement Errors for Galvanic-Resistivity Electrodes of Different Composition, 73 Geophysics. No.2, 55-64 (March-April 2008)). Кроме того, для снижения сопротивления в области контакта между электродом и землей и электрического сопротивления земли в непосредственной близости от электродов землю часто смачивают водой или солевым раствором. При использовании частоты ниже 1 Гц в подготовленные выемки в земле закапывают комбинацию электродов металл-соль металла, такую как серебро-хлорид серебра (Ag/AgCl), медь-сульфат меди (Cu/CuSO) или свинец-хлорид свинца (Pb/PbCl). Металлический электрод размещается в сосуде, заполненном жидким раствором (например, бентонитом), содержащим требуемые ионы, например серебра (Ag), меди (Cu), свинца (Pb) и хлора (Cl). С целью улучшения характеристик контакта сосуд закапывают в выемке, которую засыпают исходным грунтом или специальными заменителями грунта, смешанными с электролитом. Пористый сосуд взаимодействует с подготовленным грунтом через солевой раствор, медленно просачивающийся в окружающую среду из пористой секции сосуда.
На фиг.1 указан вид в разрезе известного электрода в виде комбинации металла-соли металла. В данном документе для упрощения понимания металлические электроды и электроды в виде комбинации металла-соли металла называются «электрохимическими» электродами, поскольку функционируют на основе обмена ионов с грунтом, в результате чего осуществляется передача электрического заряда и измерение местного электрического потенциала. Дополнительным общим требованием является то, что металлические электроды и электроды в виде комбинации металла-соли металла изготавливают с учетом обеспечения сопротивления электрического контакта с землей менее 1 кОм. Электрод, указанный на фиг.1, содержит корпус 125, закрытый верхней крышкой 100, паяное соединение, изолированное термоусадочной трубкой 110, и проволочный вывод 120, закрепленный термоклеем 115. Корпус 125 заполнен глинистым раствором, содержащим электролит 130. В нижнем торце корпуса предусмотрена пористая пробка 140, а частично заполняющий поперечное сечение корпуса отрезок поливинилхлорида образует канал 135 над пористой пробкой 140.
Подробное описание химических процессов и вопросов разработки электрохимических электродов представлено в работе Петио (Petiau, Second Generation of Lead-Lead Chloride Electrodes for Geophysical Applications, 157 Pure And Applied Geophysics, 357-382 (2000)) («работа Петио»). Основной принцип заключается в том, что значительная часть потенциала электрохимического электрода определяется формулой Нернста:
M+n
где Vo - стандартный потенциал при температуре 25°C, R - газовая постоянная, T - температура, F - постоянная Фарадея (RT/F=25,7 мВ при температуре 25°C), n - валентность металла и a - активность металла, которая может быть представлена концентрацией ионов металла в растворе. Различные члены уравнения (1) обуславливают возникновение ряда практических вопросов. Эти вопросы, указанные далее, наиболее четко выражены в случае использования электродов в виде комбинации металла-соли металла, но также касаются металлических электродов.
a. Невозможность функционирования в условиях очень сухого грунта. Электрохимические процессы связаны с миграцией и передачей ионов к поверхности электрода и от указанной поверхности, которая требует определенного уровня влажности. Пористый сосуд обеспечивает наличие соответствующей среды, а также стабилизацию электрического потенциала на поверхности электрода. Однако взаимодействие сосуда с окружающим грунтом остается проблемным вопросом, в частности, на участках залегания сухого, хорошо дренирующего воду песка, гравия и (или) мергеля, поскольку раствор, находящийся в сосуде, быстро и неравномерно истощается, что приводит к прекращению работы системы. В то же время, увлажнение грунта водой обеспечивает возможность функционирования в течение ограниченного интервала времени и при постоянно изменяющихся параметрах электрического контакта с землей.
b. Ограниченный срок функционирования вследствие ухудшения характеристик электрода. Металлические электроды, находящиеся в земле, обычно подвергаются коррозии. В пористых сосудах по мере утечки раствора, интенсивность которой зависит от состояния грунта и даже влажности воздуха, происходит постепенное снижение концентрации соли. Утечку можно компенсировать добавлением раствора и повторным погружением в землю электродов, которые в противном случае могут использоваться только в течение 3-4 суток. Недавно были предложены электроды, содержащие соль, растворенную в плотном геле (см., например, «работу Петио», стр.359.). Однако эти электроды также необходимо погружать в солевой раствор, который истощается с течением времени.
c. Зависимость от местных химических и физических характеристик грунта. Ионы растворенных веществ могут влиять на потенциалы, возникающие на границе раздела различных материалов, а вода увлажненного грунта, поступающая к электроду, разбавляет солевой раствор и, таким образом, непосредственно влияет на сопротивление контакта и электрический потенциал (см. уравнение (1)).
d. Температурный дрейф. Данная проблема присуща электродам, функционирующим на основе использования электрохимических процессов (см. уравнение (1)).
e. Неопределенность доли потенциала земли, зарегистрированного системой. Полное входное сопротивление первого каскада усилителя системы регистрации данных и полное сопротивление цепи электрода и земли образуют схему делителя. Изменения полного сопротивления цепи электрод-земля приводят к колебаниям амплитуды зарегистрированного сигнала.
f. Повышенный уровень шума. Электрохимические реакции сопровождаются определенным шумовым сигналом, который также называют шумом процессов коррозии. Данная проблема является ограничивающим фактором для морских геофизических исследований и также наблюдается при использовании многих металлических электродов и электродов типа металл-соль металла.
g. Значительная продолжительность подготовительных операций. Увеличение длительности подготовки связано с необходимостью погружения электродов в подготовленный грунт с целью обеспечения низкого полного сопротивления контакта на данном участке и ожидания в течение определенного времени до достижения равновесия системы (электрод - земля).
2
2
h. Вопросы, связанные с защитой окружающей среды и разрешительной документацией. Установка электродов типа металл-соль металла часто требует оформления утверждающей и разрешительной документации, а использование некоторых типов электродов (например, кадмий-хлорид кадмия (Cd/CdCl), свинец-хлорид свинца (Pb/PbCl)) в некоторых регионах запрещено вследствие необходимости защиты окружающей среды от загрязнения. Кром того, установка электродов связана с нарушением свойств и вмешательством в окружающую среду. В некоторых регионах с повышенными требованиями по защите окружающей среды даже выполнение выемки грунта для небольшого металлического стержневого электрода требует длительного процесса согласования и полного восстановления грунта после проведения исследований.
Указанные выше вопросы являются хорошо известными и частично ограничивают применение известных способов электромагнитных исследований в геофизике. При необходимости длительной регистрации данных эти вопросы становятся серьезными практическими проблемами, которые требуют решения. В частности, желательно устанавливать электроды на период порядка нескольких месяцев или лет в зависимости от конкретного применения в отличие от используемого на данный момент стандартного периода порядка нескольких дней или недель. При этом изменения регистрируемого сигнала, обусловленные характеристиками измерительной системы, должны быть достаточно малыми для обеспечения индикации очень медленных и незначительных изменений потенциала земли с течением времени. Кроме того, желательно, чтобы электроды, используемые в системе регистрации, были устойчивыми к изменениям влажности грунта, а уровень шума при проведении измерений должен быть достаточно низким для обеспечения возможности получения информации на глубинах порядка 10 км.
Другие практические проблемы связаны с тем, что используемые при электромагнитном зондировании потенциалы земли имеют малую амплитуду порядка 1 мкВ и обычно их измеряют при помощи электродов, разнесенных на расстояние от 20 м до 100 м, что приводит к необходимости передачи очень малых напряжений на значительное расстояние. Провода, используемые для передачи указанного напряжения к системе регистрации данных, могут раскачиваться ветром, что приводит к перемещению проводов в магнитном поле Земли и наведению в процессе измерения паразитных сигналов напряжения. Для ограничения перемещения провода можно закрепить, однако такие операции приводят к увеличению затрат времени и средств на проведение исследований. Кроме того, заряженные частицы пыли могут индуцировать заряды в проводнике, которые также приводят к возникновению паразитных сигналов напряжения.
Далее, проводник, используемый для передачи сигнала, представляющего потенциал земли, может функционировать как антенна, непосредственно принимая сигнал электромагнитных помех (ЭМП). Мощность ЭМП, наведенных в проводнике, зависит от входного полного сопротивления первого каскада системы регистрации данных. В идеальном случае данное входное полное сопротивление имеет значительную величину и обеспечивает определенную степень защиты при изменении электрического сопротивления цепи между электродом и землей. Однако чем выше входное полное сопротивление, тем выше уровень принимаемых ЭМП, что ведет к необходимости достижения компромисса. Таким образом, даже при обеспечении надежного взаимодействия электрохимического электрода с землей многочисленные дополнительные практические проблемы влияют на общие результаты измерений.
С учетом указанного выше, существует потребность в создании системы измерения напряженности электрического поля для целей геофизического зондирования, обеспечивающей взаимодействие с землей без необходимости использования электрохимического процесса или электрического контакта с низким сопротивлением. Такую систему можно применять для решения задач, представляющих существенный коммерческий или научный интерес, в регионах, характерных слишком сухим грунтом или очень низкими температурами, которые не могут быть исследованы с использованием известных методов. Кроме того, система измерения напряженности электрического поля, не ограниченная физическими явлениями, связанными с электрохимическим взаимодействием, обеспечит реализацию новых задач, рассчитанных на долгосрочную перспективу, в том числе, среди прочего, задач, касающихся контроля: целостности геологической структуры хранилищ, используемых для секвестрации углекислого газа, добычи углеводородов из пластовых резервуаров, в том числе с использованием нагнетания газа и воды, гидроразрыва с закачиванием флюидов и растворов, резервуаров пресной воды, добычи полезных ископаемых посредством повторной разработки, отвода кислых шахтных вод, загрязнений, подземных вод и (или) целостности сооружений инфраструктуры.
Таким образом, существует потребность в способах, системах и устройствах для индикации и измерения потенциала земли с использованием датчиков, которые обеспечивают контакт с землей без осуществления электрохимических процессов и (или) позволяют устранить проблемы, указанные выше.
Краткое описание изобретения
Примеры осуществления настоящего изобретения, описанные в данном документе, охватывают систему для измерения электрического потенциала земли, содержащую первый датчик. Первый датчик включает в себя измерительную пластину, предназначенную для размещения в среде в непосредственной близости от земли. Измерительная пластина имеет оперативную емкостную связь с землей и осуществляет измерение электрического потенциала земли. Датчик дополнительно включает в себя барьер, обеспечивающий электрохимическое разделение измерительной пластины и земли, а также усилитель, содержащий, по меньшей мере, один каскад, предназначенный для приема и усиления первого сигнала, представляющего потенциал, измеренный измерительной пластиной. Датчик дополнительно содержит первый проводник, обеспечивающий подачу первого сигнала от измерительной пластины на усилитель, и источник опорного напряжения, предназначенного для подачи на первый каскад усилителя, причем опорное напряжение представляет эталонный уровень, с которым осуществляется сравнение потенциала, измеренного измерительной пластиной.
Примеры осуществления настоящего изобретения, описанные в данном документе, дополнительно включают в себя устройство для измерения электрического потенциала земли, используемое при проведении геофизического зондирования и содержащее измерительную пластину, предназначенную для размещения в среде в непосредственной близости от земли, причем измерительная пластина имеет оперативную емкостную связь с землей и осуществляет измерение электрического потенциала земли. Указанное устройство дополнительно включает в себя барьер, обеспечивающий электрохимическое разделение измерительной пластины и земли, усилитель, содержащий, по меньшей мере, один каскад, предназначенный для приема и усиления первого сигнала, представляющего потенциал, измеренный измерительной пластиной, первый проводник, обеспечивающий подачу первого сигнала от измерительной пластины на усилитель, и источник опорного напряжения, предназначенного для подачи на первый каскад усилителя, причем опорное напряжение представляет эталонный уровень, с которым осуществляется сравнение потенциала, измеренного измерительной пластиной.
Примеры осуществления изобретения, описанные в данном документе, дополнительно включают в себя способ измерения электрического потенциала земли, содержащий следующие этапы: размещение измерительной пластины в непосредственной близости от земли, но с обеспечением электрохимического разделения относительно земли при помощи барьера, причем измерительная пластина имеет оперативную емкостную связь с землей; измерение электрического потенциала земли с использованием измерительной пластины; подача первого сигнала, представляющего потенциал, измеренный измерительной пластиной, на усилитель, содержащий, по меньшей мере, один каскад; сравнение потенциала, измеренного измерительной пластиной, с опорным напряжением; и усиление и фильтрация первого сигнала.
Примеры осуществления настоящего изобретения, описанные в данном документе, дополнительно включают в себя способ измерения электрического потенциала земли, содержащий этапы: размещения измерительной пластины в среде в непосредственной близости от земли с целью обеспечения емкостной связи с землей и измерения электрического потенциала земли; создания барьера, предотвращающего осуществление электрохимических процессов между измерительной пластиной и землей, причем контур связи между барьером и измерительной пластиной имеет сопротивление, превышающее 10 кОм, а емкость измерительной пластины превышает 100 нФ; подачи первого сигнала, представляющего потенциал, измеренный измерительной пластиной, на усилитель, содержащий, по меньшей мере, один каскад; сравнения потенциала, измеренного измерительной пластиной, с опорным напряжением; усиления и фильтрации первого сигнала, причем разность между первым и вторым значением потенциала используется для определения одного или большего числа значений напряженности электрического поля.
Примеры осуществления настоящего изобретения, описанные в данном документе, дополнительно включают в себя способ измерения электрического потенциала подземных формаций, содержащий этапы: размещения, по меньшей мере, первой измерительной пластины и второй измерительной пластины на поверхности или под поверхностью земли с целью обеспечения оперативной емкостной связи первой и второй измерительных пластин с землей; измерения электрического потенциала земли при помощи первой и второй измерительных пластин; подачи первого сигнала, представляющего первый потенциал, измеренный первой измерительной пластиной, на первый усилитель, содержащий, по меньшей мере, один каскад; подачи второго сигнала, представляющего второй потенциал, измеренный второй измерительной пластиной, на второй усилитель, содержащий, по меньшей мере, один каскад; сравнения первого потенциала, измеренного первой измерительной пластиной, с первым опорным напряжением; сравнения второго потенциала, измеренного второй измерительной пластиной, со вторым опорным напряжением; усиления и фильтрации первого сигнала с использованием первого усилителя; усиления и фильтрации второго сигнала с использованием второго усилителя; подачи выходных сигналов первого и второго усилителей на систему регистрации данных; и использования разности между первым и вторым потенциалами для определения одного или большего числа значений напряженности электрического поля.
Другие отличительные признаки и преимущества примеров осуществления настоящего изобретения, описанных в данном документе, будут очевидными из последующего описания и прилагаемых чертежей, иллюстрирующих принципы реализации вариантов осуществления, указанных только в качестве примера.
Краткое описание чертежей
Отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидными из прилагаемой формулы изобретения, представленного далее полного описания одного или большего числа примеров осуществления изобретения и соответствующих фигур.
На фиг.1 представлен вид в разрезе электрода типа металл-соль металла, изготовленного в соответствии с известной технологией.
На фиг.2 указан схематический вид в разрезе датчика, предназначенного для измерения электрического потенциала, в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения.
[001] На фиг.3 представлена принципиальная схема входных цепей системы измерения в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения с указанием основных схемных элементов.
e
b
b
[002] На фиг.4 указан график зависимости функции передачи (В/В) от частоты (Гц) в режиме сильной емкостной связи для устройства в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения при изменении сопротивления R от 1 Ом до 1 МОм, при R равном 100 ТОм и значении C, равном 5 нФ и 1 нФ.
e
b
b
[003] На фиг.5 представлен график зависимости фазовой характеристики датчика (в градусах) от частоты (Гц) в режиме сильной емкостной связи для устройства в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения при изменении R от 1 Ом до 1 МОм, при R, равном 100 Том, и значении C, равном 5 нФ и 1 нФ.
e
b
b
[004] На фиг.6 указан график зависимости функции передачи (В/В) от частоты (Гц) в режиме слабой емкостной связи для устройства в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения при изменении R от 1 Ом до 1 МОм, при R, равном 100 кОм, и значении C, равном 50 мкФ и 1 нФ.
[005] На фиг.7 представлен график зависимости фазовой характеристики датчика (в градусах)
e
b
b
[006] от частоты (Гц) в режиме слабой емкостной связи для устройства в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения при изменении R от 1 Ом до 1 МОм, при R, равном 100 кОм и значении C, равном 50 мкФ и 1 нФ.
e
b
b
[007] На фиг.8 указан график зависимости функции передачи (В/В) от частоты (Гц) для устройства в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения при изменении R от 1 Ом до 1 Мом, значении C=1 мкФ и чередовании значения R между 100 кОм и 100 ТОм.
e
b
b
[008] На фиг.9 представлен график зависимости фазовой характеристики датчика (в градусах) от частоты (Гц) для устройства в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения при изменении R от 1 Ом до 1 МОм, при C, равном 1 мкФ, и чередовании значения R между 100 кОм и 100 ТОм.
[009] На фиг.10 указана схема датчика в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения, иллюстрирующая функцию опорного напряжения.
[010] На фиг.11 изображена схема измерительной системы, включающей в себя четыре датчика, предназначенных для измерения электрического потенциала и выполненных в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения.
[011] На фиг.12 представлена схема, содержащая четыре датчика, предназначенных для измерения электрического потенциала и выполненных в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения, причем один из датчиков содержит два выступа.
[012] На фигурах и в приложенном подробном описании указаны конкретные примеры осуществления изобретения, хотя изобретение может быть представлено в альтернативных вариантах и в него могут быть внесены различные изменения. Однако очевидно, что фигуры и подробное описание не ограничивают объем изобретения конкретными примерами осуществления. Описание изобретения охватывает все изменения, эквиваленты и примеры осуществления, находящиеся в пределах объема настоящего изобретения, определенного приложенной формулой изобретения.
Подробное описание изобретения
[013] Представленные чертежи указаны без соблюдения масштаба, а для ясности и краткости некоторые элементы увеличены или представлены в обобщенном и схематичном виде. В приведенном далее описании подобные элементы обозначены по всему тексту и на фигурах одинаковыми позициями. Представленное ниже описание фигур предусмотрено для более глубокого понимания информации, указанной на фигурах. Однако очевидно, что примеры осуществления настоящего изобретения не ограничиваются указанными конкретными конструкциями и схемами. Хотя ниже подробно описана конструкция и порядок эксплуатации различных примеров осуществления изобретения, ясно, что настоящее изобретение содержит ряд новых принципов, которые могут быть реализованы в различных условиях. Конкретные признаки и примеры осуществления, рассмотренные в данном документе, представляют собой только иллюстрации осуществления и использования изобретения, но не ограничивают объем изобретения. Рассмотрение всех возможных примеров осуществления и условий применения изобретения в данном описании является невозможным и неэффективным. Многие альтернативные примеры осуществления настоящего изобретения будут очевидными для специалистов в данной области техники после ознакомления с описанием.
[014] На фиг.2 представлена схема в разрезе общего вида датчика для измерения электрического потенциала в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения. Датчик 200 для измерения электрического потенциала земли содержит измерительную пластину 210 и усилитель 220, предпочтительно выполненные в одном корпусе 250, изготовленном из непроводящего материала, однако это требование не является обязательным, поэтому усилитель 220 и измерительная пластина 210 могут быть размещены в отдельных корпусах. Хотя предпочтительным является размещение измерительной пластины 210 и усилителя 220 в корпусе, устойчивом к атмосферным воздействиям, в некоторых случаях исполнение корпуса не является существенным требованием, если измерительная пластина 210 погружается в землю или если предполагается размещение датчика 200 на месте выполнения измерений в течение короткого времени. Для обеспечения взаимодействия измерительной пластины с представляющим интерес потенциалом земли в корпусе следует предусмотреть открытый сегмент или измерительную пластину только частично разместить в корпусе.
[015] Измерительная пластина 210 осуществляет измерение потенциала земли и передает сигнал потенциала земли по первому проводнику 255 на усилитель 220. Для уменьшения паразитной емкости между первым проводником 255 и средой рекомендуется минимизировать расстояние между усилителем 220 и измерительной пластиной 210. Для минимизации наведения помех первый проводник 255 следует заключить в проводящую оболочку. Предпочтительно проводящая оболочка выполняет функцию защитной оболочки, а ее потенциал устанавливается на уровне, равном или близком электрическому потенциалу проводника, с использованием методов, известных специалистам в данной области техники. После усиления и фильтрации сигнал передается с выхода 260 на систему регистрации данных (не показана на фиг.2).
2
2
[016] Измерительная пластина 210 содержит плоский проводящий элемент, площадь которого находится в диапазоне от 1 см до 100 см, но не ограничивается указанными размерами, причем данный элемент не обязательно должен быть плоским или выполненным из твердого материала. Измерительная пластина 210 может иметь различную форму. Измерительная пластина 210 может быть жесткой или деформируемой для обеспечения, по меньшей мере, частичной адаптации к контуру поверхности земли. Например, при использовании в скважине измерительная пластина 210 может быть изогнута для обеспечения соответствия внутреннему диаметру скважины. Один или большее число элементов или других конструктивных особенностей могут быть размещены на измерительной пластине 210 (или выполнены в составе измерительной пластины) и использоваться для механического крепления измерительной пластины на земле, если такое крепление необходимо. Выступающие элементы могут быть выполнены из такого же материала, как измерительная пластина и предпочтительно подготавливаются или обрабатываются с учетом предотвращения электрохимической реакции при контакте с землей. Вместо варианта исполнения из сплошного материала измерительная пластина 210 может быть изготовлена из не сплошного проводящего материала, такого как проволочная сетка. В качестве альтернативного варианта измерительная пластина 210 может быть выполнена из тонкого гибкого металлического листа, покрывающего деформируемый материал, такой как пластиковый пакет.
[017] Усилитель 220 может включать в себя несколько каскадов усиления и фильтрации. В датчике200осуществляется подача сигнала, представляющего потенциал земли, с усилителя 220 на выход 260. Сигнал на выходе 260 может быть калиброван при помощи соответствующей испытательной установки с целью обеспечения точных результатов измерения.
e
e
[018] Размещение усилителя 220 в непосредственной близости от измерительной пластины 210 обеспечивает возможность использования более высокого значения входного полного сопротивления первого каскада усилителя, чем в случае размещения измерительной пластины и усилителя на определенном расстоянии. Важное преимущество высокого входного полного сопротивления заключается в значительном снижении зависимости сигнала, подаваемого на усилитель, от емкости связи и емкостного сопротивления цепи контакта измерительной пластины с землей, а также от сопротивления R земли между датчиками. В результате такого общего снижения зависимости системы от электрических характеристик земли обеспечивается относительная устойчивость датчика к воздействию атмосферных факторов. Например, при достаточно высоком входном полном сопротивлении усилителя в высокочастотном сегменте представляющего интерес диапазона частот значение R может изменяться в 1000000 раз практически при отсутствии поддающегося измерению изменения сигнала электрического потенциала на выходе датчика. На низких частотах диапазон изменения проводимости земли, оказывающего пренебрежимо малое воздействие, может быть еще более широким.
[019] Для измерения напряженности электрического поля требуется определить электрический потенциал в двух или большем числе точек. Например, измерение в двух точках, расположенных на поверхности или вблизи от поверхности земли, обеспечивает определение напряженности электрического поля в горизонтальной плоскости, причем напряженность электрического поля E определяется разностью двух измеренных значений потенциала V1, V2, деленной на линейное расстояние d между точками, в которых проведено измерение, то есть, E=(V1-V2)/d. На объектах, представляющих экономический интерес, точки проведения измерений обычно разнесены на расстояние от 20 м до 100 м или более. Для удобства отдельные значения потенциала регистрируются отдельными блоками регистрации данных, обычно (но не обязательно) размещенными на середине расстояния между точками проведения измерений, разность рассчитывается при помощи дифференциального усилителя, после чего осуществляется преобразование данных в цифровую форму. Измерение может быть выполнено в двух точках двумя датчиками или одним датчиком в одной точке с последующим сравнением полученного результата с расположенным в другой точке достаточно надежным источником опорного напряжения, который может представлять собой известное средство, такое как ранее установленный глубоко в земле штырь электрического заземления здания.
[020] Как указано выше в настоящем документе, с целью снижения величины паразитной связи в корпусе датчика в непосредственной близости от измерительной пластины 210 может быть предусмотрена защитная оболочка 240, как указано в патенте США №6961601 под названием «Система датчиков для измерения биопотенциалов», выданном Мэтьюсу и др. 1 ноября 2005 г. («патент США 6961601»). На защитной оболочке 240 с использованием сигнала, поданного усилителем 220, способом, известным специалистам в данной области техники, поддерживается потенциал, равный или близкий к потенциалу измерительной пластины 210. Защитная оболочка 240 может быть выполнена в виде корпуса, отделяющего усилитель 220 от измерительной пластины 210, как указано на фиг.2. Для снижения риска возникновения связи защитной оболочки 240 с входом датчика по поверхности земли защитную оболочку 220 следует разместить в корпусе 250, выполненном из непроводящего материала. В предпочтительном режиме функционирования измерительная пластина 210 расположена параллельно поверхности и вблизи от поверхности земли. Измерительная пластина 210 может быть размещена непосредственно на поверхности земли, установлена на небольшой высоте над поверхностью земли или закопана в земле вблизи от поверхности. Поверхность может быть горизонтальной, то есть, расположенной перпендикулярно направлению действия силы тяжести, наклонной или даже представлять собой внутреннюю поверхность скважины, шахты или пещеры.
[021] Земля может иметь электрическую проводимость, соответствующую любому распространенному материалу поверхности земли, в пределах от очень низкой проводимости, присущей сухой земле или льду, до максимальных уровней проводимости земли, например, в случае солончака. Основная особенность конструкции датчика заключается в том, что перенос заряда (то есть, электрическая проводимость) между измерительной пластиной 210 и землей может в предельном случае отсутствовать (равняться нулю), в результате чего исключается необходимость обеспечения определенной стабильной цепи прохождения постоянного тока между измерительной пластиной и землей. Характеристики конкретного датчика могут быть оптимизированы для конкретного типа грунта и климатических условий, в которых планируется использовать указанный датчик (например, в основном, очень сухая земля или, в основном, очень влажная земля) с учетом частотной характеристики, затрат или других параметров, либо датчик может быть предназначен для любого типа грунта и любых климатических условий.
[022] Основной областью применения настоящего изобретения является сбор данных для построения профилей удельных проводимостей земли с использованием методов магнитотеллурического зондирования (МТЗ) или электромагнитного зондирования с управляемыми источниками (CSEM), в том числе, среди прочего, методов вызванной поляризация (ВП), спектральной вызванной поляризация (СВП), резистивной томографии (РТ) и аудиомагнитотеллурического зондирования с управляемыми источниками (CSAMT). Для этих применений требуется чувствительность порядка 100 нВ/√Гц - 10 мкВ/√Гц в диапазоне частот от 0,1 Гц до 100 Гц и, следовательно, необходимо, чтобы датчик 200 имел соответствующий низкий уровень собственного шума. Однако применение датчика для измерения электрического потенциала не ограничивается указанной областью и диапазонами частот, обычно используемыми в данной области.
[023] Измерительная пластина 210 выполнена с учетом электрохимического разделения пластины и земли, в связи с чем между измерительной пластиной 210 и землей обеспечивается связь, которая называется в данном документе «оперативной емкостной связью». Для удобства компонент датчика 200, обеспечивающий электрохимическое разделение, в настоящем документе называется «барьером». Существует несколько возможных подходов к реализации электрохимического разделения измерительной пластины 210.
[024] Прежде всего, измерительная пластина 210 может, например, содержать проводник (например, выполненный из металла, такого как медь), покрытый пассивирующим слоем, который не вступает в химическую реакцию с землей. Примерами такого покрытия являются пластмасса, тефлон (Teflon) и другие химически инертные материалы. В таком случае барьер представлен пассивирующим слоем. В альтернативном варианте измерительная пластина 210 может быть выполнена из материала, включающего, среди прочего, алюминий (Al), тантал (Ta) и титан (Ti), который может быть обработан с целью формирования защитного слоя на наружной поверхности пластины. Например, на наружной поверхности материала может быть образован слой окисла. В таком случае барьер представлен защитным слоем. В обоих указанных случаях желательно, чтобы пассивирующий или защитный слой был непроницаемым для текучих сред, которые могут присутствовать в земле. В качестве альтернативного барьера в цепь измерительной пластины 210 может быть последовательно включено сопротивление для снижения амплитуды тока, протекающего между измерительной пластиной 210 и землей. Конденсатор 270, указанный на фиг.2, вносит дополнительное сопротивление, а также обеспечивает дополнительное преимущество, которое заключается в фильтрации постоянного тока, обусловленного контактной разностью потенциалов, которая возникает между измерительной пластиной 210 и землей.
[025] Другой подход к созданию барьера предусматривает размещение измерительной пластины 210 на опоре, расположенной на некоторой высоте над поверхностью земли. При использовании опоры в качестве барьера, обеспечивается дополнительное преимущество, заключающееся в минимизации физического контакта между потенциальными химическими реагентами. В случае размещения над поверхностью земли высота размещения зависит от размеров измерительной пластины 210, условий окружающей среды объекта и требуемой чувствительности измерительной системы. Например, измерительная пластина 210 размером 10 см × 10 см может быть размещена на опоре высотой 1 см, а для достижения примерно такой же чувствительности измерительную пластину 210 размером 1 м × 1 м, возможно, потребуется установить на высоте 5 см. Аналогичным образом, при наличии высокого уровня электромагнитных помех или статического электричества высоту размещения пластины необходимо уменьшить для снижения уровня помех, обусловленных окружающей средой. В общем, чувствительность повышается при приближении измерительной пластины 210 к поверхности земли. В частности, измерительная пластина 210 должна быть размещена достаточно близко к земле, чтобы емкость структуры «пластина-земля» была равной, по меньшей мере, удвоенной собственной емкости, то есть, в два раза превышать значение емкости пластины в свободном пространстве.
[026] Другой способ реализации барьера с целью электрохимического разделения измерительной пластины 210 и земли предусматривает изготовление измерительной пластины 210 из химически инертного в предполагаемой среде использования материала, выбранного из группы, включающей в себя, среди прочего, графит, углеродное волокно, титан и нержавеющую сталь. В этом случае барьер обеспечивается химически инертным материалом.
[027] В некоторых случаях желательно предусмотреть несколько барьеров, то есть, использовать несколько методов снижения интенсивности электрохимических процессов между измерительной пластиной 210 и землей. Очевидно, что во всех случаях в датчике 200 в процессе разработки и изготовления предусматривается один или большее число барьеров.
[028] Один или большее число выступающих элементов, указанных ранее, оказывают положительное воздействие, обеспечивая увеличение емкостной связи измерительной пластины с землей. В общем, выступающие элементы не должны иметь слишком большую длину или слишком большой диаметр, если они вставляются в землю вручную, однако конкретное исполнение определяется условиями объекта.
[029] Если необходимо, одна или большее число измерительных пластин 210 могут быть закопаны в землю, например, с целью предотвращения повреждения или кражи датчика либо обеспечения возможности измерения потенциалов на более значительной глубине. Аналогичным образом, датчик 200 может быть полностью закопан в землю.
[030] Возвращаясь к фиг.2, для снижения уровня электромагнитных помех и шумов датчика, обусловленных заряженными частицами пыли, в корпусе 250 следует предусмотреть электростатический экран 230. Электростатический экран 230 можно подключить к цепи заземления схемы датчика или использовать его в качестве защитного экрана, на который подается потенциал, равный или близкий к потенциалу на входе датчика. Как и в случае корпуса, в экране следует предусмотреть открытый сегмент для обеспечения связи измерительной пластины с землей и возможности измерения потенциала.
e
e
b
b
b
b
b
b
b
b
b
[031] На фиг.3 представлена эквивалентная схема датчика в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения. Потенциал земли представлен источником 310 напряжения V. Измерительная пластина 210 связана с источника 310 (V) барьером. Указанную связь можно представить следующей эквивалентной схемой: включенными параллельно первым конденсатором 320 емкостью C и первым резистором 330 сопротивлением R. Значения C и R определяются характеристиками барьера, а также емкостью и сопротивлением контакта барьера с землей. Комбинация конденсатора 320 емкостью C и резистора 330 сопротивлением R представляет полное сопротивление связи между измерительной пластиной и землей. Значение R также включает в себя объемное сопротивление измерительной пластины 210. «Оперативная емкостная связь» между измерительной пластиной 210, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, и землей, обусловленная барьером, осуществляющим электрохимическое разделение измерительной пластины 210 и земли, обеспечивает получение сопротивления R>10 кОм и емкости C>2000 пФ (определяющих указанную емкостную связь) во всем рабочем диапазоне частот датчика.
[032] Как указано на фиг.3, второй резистор 350 сопротивлением Re представляет объемное сопротивление земли между двумя точками, в которых выполняется измерение электрического потенциала. В случае использовании двух идентичных датчиков 200, размещенных в двух точках, сопротивление Re резистора 350, указанного на фиг.3, может быть определено как половина указанного объемного сопротивления между этими двумя точками. Третий резистор 360 сопротивлением Ra и второй конденсатор 370 емкостью Ca представляют входное полное сопротивление первого каскада усилителя 220, указанного на фиг.3 позицией 380 (U1).
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
[033] Специалистам в данной области техники известно, что проводник, соприкасающийся с проводящей средой, такой как поверхность земли или морская вода можно представить различными эквивалентными схемами, например, схемой Рэндлса или импедансом Варбурга. Эти эквивалентные схемы подбирают с учетом максимально точного представления изменения характеристик электрической связи со средой при изменении частоты. Из теории электрических цепей также известно, что при заданной частоте любая комбинация последовательно и параллельно включенных резисторов и конденсаторов может быть представлена эквивалентной схемой, содержащей резистор и конденсатор, включенные параллельно. Комбинация конденсатора 320 емкостью C и резистора 330 сопротивлением R, включенных параллельно, которая указана на фиг.3, представляет более сложную эквивалентную схему связи в упрощенной форме, причем конкретные значения параметров конденсатора 320 емкостью C и резистора 330 сопротивлением R рассчитывают для конкретной требуемой частоты. Аналогичным образом, обеспечивающее фильтрацию полное сопротивление, которое включается последовательно в цепь измерительной пластины 210, а также полное сопротивление цепи связи с землей и выступающих элементов, предусмотренных в измерительной пластине 210, могут быть включены в эквивалентные величины резистора 330 сопротивлением R и конденсатора 320 емкостью C, полученные для заданной частоты. При определении конкретных значений параметров конденсатора 320 емкостью C и резистора 330 сопротивлением R частота принимается равной одному или большему числу значений, соответствующих рабочему диапазону частот датчика 200. Например, если датчик 200 используется в диапазоне частот от 0,1 Гц до 100 Гц, то эквивалентные значения параметров конденсатора 320 емкостью C и резистора 330 сопротивлением R могут быть рассчитаны для значений, соответствующих границам диапазона частот (то есть, для 0,1 Гц и 100 Гц), или значения, находящегося в средней точке диапазона (например, 3 Гц), либо для дискретных значений (например, 0,5 Гц, 5 Гц, 50 Гц). Количество выбранных дискретных значений зависит от требуемой точности и вариабельности указанных параметров в пределах диапазона частот.
b
b
b
b
b
b
b
[034] Значения параметров конденсатора 320 емкостью C и резистора 330 сопротивлением R определяются размерами измерительной пластины 210 и выступающими элементами измерительной пластины 210, если таковые предусмотрены, а также характеристиками среды, в которую помещен датчик. Кроме объемных физических характеристик материала, используемого в качестве барьера, значения параметров конденсатора 320 емкостью C и резистора 330 сопротивлением R также определяются составом земли и содержанием влаги в непосредственной близости от измерительной пластины 210, причем оба указанных параметра могут изменяться в значительных пределах особенно при проведении измерений в течение длительного периода. В предельном случае идеального материала барьера сопротивление R резистора 330 равно бесконечности, а связь между измерительной пластиной 210 и землей имеет чисто емкостной характер. Однако на практике не существует материала, имеющего бесконечное внутреннее сопротивление или обеспечивающего бесконечное сопротивление контакта с землей. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением значения параметров конденсатора 320 емкостью C и резистора 330 сопротивлением R устанавливаются на требуемом уровне с учетом экономической эффективности для конкретного применения, а также планируемой длительности контроля и химических свойств земли.
b
b
b
b
e
[035] Во многих случаях сопротивление R резистора 330 имеет конечную величину и образует цепь заземления для электрического тока на входе усилителя. Для некоторых применений требуется, чтобы схемадатчика200 нормально функционировала в пределах определенного диапазона при значении сопротивления R резистора 330, практически равном бесконечности. Однако в таком случае возникает проблема, связанная с тем, что при значении сопротивления R резистора 330, практически равном бесконечности (и, следовательно, функционировании данного элемента аналогично разомкнутой цепи), отсутствует резистивная цепь, связывающая вход усилителя с землей, на которую может подаваться ток смещения усилителя. В результате этого входной ток смещения усилителя поступает на конденсатор 330 емкостью C измерительной пластины, что приводит к повышению напряжения на входе усилителя до достижения режима насыщения. Проблема заключается в том, что резистивную цепь связи с землей на входе усилителя необходимо обеспечить без фактического закорачивания входа усилителя 220. Способы создания такой цепи представлены в патенте США №6686800 под названием «Датчик c низким уровнем шума для измерения напряженности электрического поля», выданном М.А. Крупка 3 февраля 2004 г. Схема обратной связи (не указанная на фиг.3) обеспечивает создание цепи, имеющей сравнительно низкое полное сопротивление по постоянному току, с повышением эффективного входного полного сопротивления усилителя в заданном диапазоне частот до уровня, более чем в 100 раз превышающего максимальное значение последовательно включенной комбинации сопротивления R и полного сопротивления цепи связи измерительной пластины.
n
b
n
b
[036] В предельном случае, если измерительная пластина 210 имеет преимущественно емкостной характер, следует обеспечить, чтобы схема усилителя предусматривала ограничение шумовой составляющей входного тока I. При чисто емкостном характере сопротивления измерительной пластины шумовая составляющая входного тока воздействует исключительно на конденсатор 320 емкостью C измерительной пластины, создавая напряжение шумов, определяемое выражением I/ωC, в котором угловая частот ω равна значению требуемой частоты, умноженному на 2π. Для практически осуществимых схем усилителя и диапазонов частот, используемых в области геофизических исследований, шумовая составляющая тока усилителя определяет нижний предел емкости конденсатора 320 (C), который предпочтительно должен превышать 100 пФ и более предпочтительно - 1 нФ.
[037] Дополнительное преимущество высокого входного полного сопротивления первого каскада усилителя 220 заключается в том, что в этом случае общая функция передачи цепи, охватывающей точку измерения потенциала земли, измерительную пластину и выход первого каскада усилителя, намного меньше зависит от изменений электрических характеристик земли и электрической связи между измерительной пластиной и землей. В то же время, если при использовании известного электрохимического электрода начинается дождь, вызывающий значительное изменение электропроводности земли, то это может привести к существенному изменению амплитуды и фазы регистрируемого сигнала. Аналогичным образом, если с течением времени земля уплотняется, то емкостная связь между землей и измерительной пластиной 210 может усиливаться. Для измерительной системы емкостного характера, содержащей известный усилитель с низким полным сопротивлением, такое изменение приводит к аналогичному воздействию на амплитуду и фазу регистрируемого сигнала. Комбинация измерительной пластины 210 и усилителя 220 с высоким полным сопротивлением предпочтительно должна быть выполнена таким образом, чтобы при ожидаемом изменении электропроводности земли функция передачи оставалась фактически неизменной.
in
e
[038] Для схемы, указанной на фиг.3, функция передачи (TF) входного сигнала, представляющая собой отношение напряжения V, подаваемого на вход первого каскада усилителя, к потенциалу земли V, определяется уравнением (2):
b
[039] В предельном случае при R⇒∞ функция TF приводится к виду:
a
b
a
a
a
b
[040] При значениях частоты, превышающих примерно 1 Гц, можно построить схему усилителя с высоким полным сопротивлением, имеющего высокое значение R, в результате чего ωCR>>1, и значение C, удовлетворяющее соотношению C<<C. Таким образом, уравнение (3) можно привести к упрощенному виду:
e
a
e
a
e
[041] В этом случае значение TF практически не зависит от значения R, пока ωCR≥0,01. Соответственно, первый каскад усилителя должен быть построен таким образом, чтобы емкость C имела низкую величину, предпочтительно, ниже 5 пФ и более предпочтительно - ниже 2 пФ для обеспечения функционирования в возможно более широком диапазоне значений R, не оказывающих влияния на значение TF.
b
e
[042] В предельном случае при R>>R Уравнение (2) может быть представлено в упрощенной форме:
b
b
a
b
a
b
[043] В диапазоне высоких частот ωCR>>1 и если схема усилителя построена таким образом, что C<<C и R>>R, то уравнение можно дополнительно упростить, представив в следующем виде:
a
e
a
b
e
b
b
b
[044] Даже для земли, обладающей значительным сопротивлением, можно легко обеспечить выполнение соотношения R>>R и, таким образом, уравнение (6) будет достаточно точно аппроксимировать уравнение (4). Следовательно, если система построена таким образом, что значение R значительно превышает R и R, указанная система имеет на высоких частотах такую же характеристику, как при приближении значения R к бесконечности в предельном случае. Режим, в котором выполняется соотношение R≥100/(ωC) в данном документе называется режимом сильной емкостной связи.
b
b
a
b
e
b
b
[045] Однако для обеспечения функционирования датчика в соответствии с настоящим изобретением величина R не обязательно должна быть значительной. Очень низкое значение R, например, менее 100 Ом соответствует текущей практике геофизических исследований и обеспечивается, если это необходимо, способами указанными выше. Используемым в настоящее время типовым значением R является величина порядка 1 МОм. Соответственно, при определении для типичного случая условий R<R и ωCR⇒0 функция TF согласно уравнению (2) представляется в виде:
b
b
e
a
b
b
[046] Уравнение (7) определяет функцию TF для известного случая с низким значением R. Данное уравнение идентично уравнению (6), соответствующему режиму сильной емкостной связи в диапазоне высоких частот. Таким образом, даже при R>R в режиме сильной емкостной связи при условии, что выполняется соотношение R>R, функция передачи TF датчика для измерения потенциала земли в соответствии с настоящим изобретением в диапазоне высоких частот, представленная уравнением (6), соответствует функции TF, заданной уравнением (7), для случая известной системы при низком значении R.
e
e
e
[047] В текущей практике геофизических исследований измерения ограничиваются значениями R<100 кОм и обеспечивают приемлемые результаты при R<100 кОм. В таких условиях первый член знаменателя, указанного в правой части уравнения (7), имеет малую величину, и функция TF аппроксимирует оптимальный случай достижения коэффициента усиления, равного 1, и пренебрежимо малой зависимости от частоты. Однако с повышением значения R коэффициент усиления и фаза функции TF отклоняются от единицы и нуля, соответственно, на величину, определяемую характеристиками усилителя.
b
b
e
b
e
b
e
b
e
[048] Рассмотрим случай, когда значение R не является очень большим, как в режиме сильной емкостной связи, и не приводится с использованием известных способов к очень низкому значению. Ситуация, в которой значения R и R имеют значительную величину, представляет существенный научный и коммерческий интерес. Если R и R имеют значительную величину и R>>R, то в результате получаются выражения, представленные уравнениями (5) и (6). В еще одном возможном случае, когда значения R и R имеют значительную величину и являются примерно равными, функция TF может быть представлена в виде:
b
b
b
b
[049] При использовании большой величины C (например, C>1 мкФ) и достаточно 20 высокого значения рабочей частоты (например, >10 Гц) значение ωCR>>1 и, следовательно, уравнение (8) может быть представлено в виде:
e
a
b
b
b
где последнее выражение справедливо при R<<R. Однако если C и (или) ω имеет (имеют) малую величину, так что ωCR<<1, то уравнение (8) можно упростить с получением уравнения (10), которое приближенно соответствует уравнениям (4), (7) и (9):
e
a
b
b
a
e
где последнее выражение справедливо при R<<R. Далее, в промежуточном случае при ωCR≈1, функция TF в уравнении (8) на практике может быть представлена единицей, поскольку члены уравнения, умноженные на R, значительно превышают член уравнения, умноженный на R.
b
b
e
a
a
e
b
[050] Таким образом, в предельном случае для средних значений R (то есть, R≈R) при больших значениях R функция TF на верхнем пределе диапазона высоких частот также зависит только от произведения C и R. Режим средних значений R в данном документе называется режимом слабой емкостной связи. Уравнения (6) и (9) указывают, что на верхнем пределе диапазона высоких частота режимах слабой и сильной емкостной связи наблюдается одинаковая зависимость от характеристик земли.
b
b
b
a
b
[051] При низких частотах в режиме сильной емкостной связи значение R всегда намного превышает величину 1/(ωC) и характеристики системы, в общем, определяются произведением C и R, то есть, числителем уравнения (3). Таким образом, чем выше значение C, тем меньше изменение функции TF в зависимости от частоты. В режиме слабой емкостной связи функция TF имеет положительную особенность, заключающуюся в том, что при низких частотах данная функция аппроксимируется выражением, представленным уравнением (12).
[052] Изменение функции TF в режимах слабой и сильной емкостной связи при низких и высоких частотах обобщенно представлено в табл.1.
Таблица 1
Обобщенное представление функции передачи датчика для измерения потенциала земли в двух режимах
Режим емкостной связи
Характеристика в диапазоне низких частот
Характеристика в диапазоне высоких частот
Слабая связь
~1
<maths num="1"><math display="block"><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mi>a</mi></msub><msub><mi>R</mi><mi>e</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000012.tif" he="13" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
Сильная связь
∝C<sub>b</sub>R<sub>a</sub>
<maths num="2"><math display="block"><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mi>a</mi></msub><msub><mi>R</mi><mi>e</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000013.tif" he="13" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
[053] Во всех случаях целью обеспечения емкостной связи является создание датчика, предназначенного для измерения электрического потенциала земли, коэффициент усиления и фазовая характеристика которого имеют пренебрежимо малую зависимость от электрического сопротивления земли между электродами.
e
b
b
e
b
b
[054] На фиг.4 и 5 представлены графики, полученные в результате аналитического моделирования выходного сигнала схемы датчика, указанной на фиг.3, в режиме сильной емкостной связи при постоянном сигнале потенциала земли и значениях сопротивления земли 1 Ом и 1 МОм. На фиг.5 указан график зависимости функции передачи (В/В) от частоты (Гц) в режиме сильной емкостной связи для устройства в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения при изменении R от 1 Ом до 1 МОм, значении R, равном 100 ТОм, и величине C, равной 5 нФ и 1 нФ. Аналогичным образом, на фиг.5 представлен график зависимости фазовой характеристики (в градусах) от частоты (Гц) в режиме сильной емкостной связи для устройства в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения при изменении R от 1 Ом до 1 МОм, значении R, равном 100 ТОм, и величине C, равной 5 нФ и 1 нФ.
b
b
e
b
[055] Во всех случаях целью обеспечения оперативной емкостной связи является создание датчика, предназначенного для измерения электрического потенциала земли, коэффициент усиления и фазовая характеристика которого имеют пренебрежимо малую зависимость от электрического сопротивления земли между электродами. На фигурах представлены результаты моделирования для двух примеров сильной емкостной связи при C=1 нФ и C=5 нФ. Амплитуда и фаза выходного сигнала датчика, указанные на фиг.4 и фиг.5, соответственно, не зависят от значений электрического сопротивления R земли в очень широком диапазоне. При значениях частоты ниже 1 Гц зависимость фазы от значения C является очевидной.
e
b
b
e
b
b
b
[056] На фиг.6 и 7 представлены графики, полученные в результате аналитического моделирования выходного сигнала схемы датчика, указанной на фиг.3, в режиме слабой емкостной связи при постоянном сигнале потенциала земли и значениях сопротивления земли 1 Ом и 1 МОм. На фиг.6 указан график зависимости функции передачи (В/В) от частоты (Гц) в режиме слабой емкостной связи для устройства в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения при изменении R от 1 Ом до 1 МОм, значении R, равном 100 кОм, и величине C, равной 50 мкФ и 1 нФ. На фиг.7 представлен график зависимости фазовой характеристики датчика (в градусах) от частоты (Гц) в режиме слабой емкостной связи для устройства в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения при изменении R от 1 Ом до 1 МОм, значении R, равном 100 кОм, и величине C, равной 50 мкФ и 1 нФ. На фиг.6 и 7 представлены примеры слабой емкостной связи, указанные для одинаковых значений сопротивления земли, при C=1 нФ и 50 мкФ. Постоянство функции при изменении сопротивления земли является очевидным.
e
b
b
e
b
b
[057] На фиг.8 и 9 представлены графики, полученные в результате аналитического моделирования выходного сигнала схемы датчика, указанной на фиг.3, при постоянном сигнале потенциала земли и значениях сопротивления земли 1 Ом и 10 Мом. На фиг.8 указан график зависимости функции передачи (В/В) от частоты (Гц) для устройства в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения при изменении R от 1 Ом до 1 МОм, значении C=1 мкФ и чередовании значения R между 100 кОм и 100 ТОм. На фиг.9 представлен график зависимости фазовой характеристики датчика (в градусах) от частоты (Гц) для устройства в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения при изменении R от 1 Ом до 1 МОм, значении C, равном 1 мкФ, и чередовании значения R между 100 кОм и 100 ТОм. Для сравнения на фиг.8 и 9 представлены зависимости характеристик от частоты датчиков, функционирующих в режимах слабой и сильной емкостной связи.
b
e
b
b
b
[058] Как видно из графиков, представленных на фиг.4-9, значение сопротивления P датчика 200, выполненного в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения, может быть равным или большим сопротивления R земли с сохранением независимости функции передачи от значения Re при изменении данного значения более чем в 1000000 раз. Как указано ранее, требуемое значение R может быть обеспечено различными способами, а для выполнения измерений на различных типах земли при изготовлении датчика 200 могут потребоваться различные материалы и (или) барьеры, предназначенные для измерительной пластины 210. Если необходимо, в некоторых случаях можно использовать более одного способа электрохимического разделения. Независимо от конкретного метода обеспечения требуемых значений C и R и работы датчика 200 в режиме слабой или сильной емкостной связи датчик 200 функционирует в соответствии с требованиями, если барьер осуществляет электрохимическое разделение измерительной пластины 210 и земли, а измерительная пластина 210 имеет оперативную емкостную связь с землей.
e
a
a
a
[059] Как в режиме слабой емкостной связи, так и в режиме сильной емкостной связи зависимость характеристик датчика 200 от значения R в диапазоне высоких частот уменьшается при снижении величины C. В случае компактного датчика в значении C может преобладать паразитная емкость между измерительной пластиной 210 и элементами входной цепи первого каскада усилителя 220. Как указано выше, в составе корпуса 250 датчика в непосредственной близости от усилителя 220 и измерительной пластины 210 с целью уменьшения паразитной связи может быть предусмотрена защитная оболочка 240, описанная в патенте США №6961601. При использовании сигнала, поданного усилителем способом, известным специалистам в данной области техники, на защитной оболочке 240 поддерживается потенциал, равный или близкий к потенциалу измерительной пластины. Кроме того, для уменьшения эффективного значения емкости C в усилителе 220 могут быть использованы методы и элементы, обеспечивающие уменьшение емкости цепи способом, известным специалистам в данной области техники.
c
c
c
e1
e2
c
c
[060] На фиг.10 представлена схема датчика в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения, иллюстрирующая функцию опорного напряжения 1030. Для обеспечения правильного функционирования первого каскада усилителя необходимо предусмотреть опорное напряжение 1030 (V). Опорное напряжение 1030 (V) подается по отдельному проводнику 1035, а выходные сигналы измерительных пластин 1040, 1045, изображенных на фиг.10, поступают по первым проводникам 1012, 1022. Опорное напряжение 1030 (V) определяет эталонный уровень, относительно которого выполняется измерение и последующее усиление потенциалов 1010 (V) и 1020 (V). В пределах требуемой точности измерений для обеспечения правильного определения напряженности электрического поля по разности выходных сигналов усилителей опорное напряжение 1030 (V) должно быть одинаковым на входах каждого из двух усилителей 1050, 1055. Предпочтительно напряжение 1030 (V) подается по общему проводнику, подключенному к обоим датчикам, однако в процессе проведения некоторых измерений может обеспечиваться проводником, соединенным с обычным штырем заземления. При использовании нескольких датчиков в одном пункте можно использовать общее одинаковое опорное напряжение, подаваемое на все датчики. В одном или большем числе примеров осуществления настоящего изобретения на общем проводнике не поддерживается определенный потенциал и, таким образом, указанный потенциал является плавающим. В альтернативном варианте общий проводник подключают к цепи заземления системы регистрации данных. В другом примере осуществления изобретения для получения местной цепи заземления среднюю точку шины питания датчика подключают к источнику опорного напряжения. Кроме того, опорное напряжение может представлять собой одно из входных напряжений схемы усилителя. Предпочтительно опорное напряжение представляет собой один из входных сигналов первого каскада усилителей 1050, 1055, а второй входной сигнал подается от измерительных пластин 1040, 1045, как указано на фиг.10.
[061] Усиление сигнала схемой датчика 200 дает возможность установки низкого постоянного значения выходного полного сопротивления датчика 200, не зависящего от полного сопротивления связи между датчиком 200 и землей. В примере осуществления настоящего изобретения данная особенность обеспечивает установку низкого значения входного полного сопротивления системы регистрации данных, например, 1 кОм, что позволяет снизить уровень электромагнитных помех и переходных напряжений, обусловленных заряженными частицами пыли, в кабеле, соединяющем датчик с системой регистрации данных. В другом примере осуществления настоящего изобретения с целью дополнительного снижения искажений сигнала, передаваемого по кабелю, электромагнитными помехами и шумом, вызванным заряженными частицами пыли, выходное полное сопротивление датчика 200 установлено на уровне намного ниже входного полного сопротивления системы регистрации данных. В такой схеме выходное полное сопротивление датчика обеспечивает создание цепи закорачивания шума и переходных напряжений с результирующим устранением искажений входного сигнала системы регистрации данных.
[062] На фиг.11 представлена схема измерительной системы 1100, включающей в себя четыре датчика 1105 для измерения электрического потенциала, которая построена в соответствии с одним или большим числом примеров осуществления настоящего изобретения. Конструкция всех датчиков 1105 аналогична конструкции датчика 200, указанного на фиг.2. Четыре катушки 1110 содержат проводник, используемый для соединения выхода каждого датчика 1105 с системой 1115 регистрации данных (указанной в виде блока с крышкой). Система 1115 регистрации данных осуществляет хранение и (или) анализ данных измерений, выполненных датчиками, и обеспечивает возможность передачи данных другим системам, таким как переносной компьютер 1120, указанный на фиг.11. Данные могут передаваться от системы регистрации данных по кабелям (как показано в случае переносного компьютера 1120, представленного на фиг.11) или с использованием беспроводной системы либо могут по запросу предоставляться для загрузки по защищенным каналам. Указанные данные могут также отображаться на экране переносного компьютера 1120. Разность напряжений, представленных выходными сигналами датчиков, определяется системой регистрации данных.
[063] На фиг.12 представлено четыре образца датчиков 1202, 1204, 1206, 1208 для измерения электрического потенциала, выполненных в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. Три датчика 1202, 1204, 1206 имеют плоские измерительные пластины, а датчик 1208 содержит измерительную пластину, на которой размещены (или выполнены в составе пластины) два шипа 1210.
[064] С учетом принципов и примеров осуществления изобретения, описанных и проиллюстрированных в данном документе, очевидно, что структура и элементы примеров осуществления изобретения могут быть изменены без выхода за пределы указанных принципов. Кроме того, представленное выше обсуждение касалось конкретных примеров осуществления изобретения, но предполагается также реализация других примеров. В частности, хотя в данном документе используются такие выражения, как «в примере осуществления изобретения», «в другом примере осуществления изобретения» или аналогичные, эти выражения, в общем, касаются возможных примеров осуществления изобретения и не ограничивают изобретение конкретными схемами примеров осуществления. При использовании в данном документе эти выражения могут касаться одинаковых или различных примеров осуществления, на основе которых могут быть созданы другие примеры осуществления изобретения.
[065] Аналогичным образом, хотя примеры процессов были описаны на основе конкретных операций, выполняемых в конкретном порядке, в указанные процессы могут быть внесены различные изменения, обеспечивающие получение значительного числа альтернативных примеров осуществления настоящего изобретения. Например, альтернативные примеры осуществления изобретения могут охватывать процессы, в которых используется меньшее число описанных операций, процессы, содержащие дополнительные операции, и процессы, в которых, описанные в данном документе операции комбинируются, разделяются, меняют очередность выполнения или изменяются другим способом.
[066] В данном документе также представлены достоинства и преимущества, предоставляемые различными примерами осуществления изобретения. Различные примеры осуществления изобретения могут обеспечивать получение одного, некоторых, всех или нескольких достоинств или преимуществ.
[067] С учетом широкого разнообразия возможных комбинаций, которые могут быть получены на основе описанных в данном документе примеров осуществления изобретения, данное подробное описание имеет только иллюстративный характер и не ограничивает объем изобретения. Таким образом, изобретение охватывает все примеры осуществления, находящиеся в пределах объема указанной далее формулы изобретения, и все эквиваленты указанных примеров осуществления изобретения.