СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО ЧАСТОТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
METHOD AND APPARATUS FOR INDUCTION FREQUENCY PROBING

Изобретение относится к области электромагнитных индукционных неразрушающих зондирований, в частности к устройствам для измерения электропроводности почвы и грунтов.
Методы электромагнитного зондирования и профилирования широко используются в геофизике, а также при решении таких задачах, как обнаружение подземных объектов и аномалий в археологии, почвоведении, инженерно-геофизических изысканиях.
Переносные приборы, используемые для непосредственного (in-situ) измерения кажущегося удельного электрического сопротивления (УЭС) в приповерхностном слое земли (почвы и грунты) обычно подразделяются на измерители проводимости грунта (terrain conductivity meters - ТСМ) и многочастотные электромагнитные зонды (multi-frequency electromagnetic sounders - MEMS).
Соответствующий класс приборов для бесконтактного многочастотного электромагнитного зондирования (ЭМС), используемых для изучения пород и грунтов на небольших глубинах, способен измерять вариации в электромагнитной (индукционной) связи между прибором и грунтом (и объектами в грунте) как функцию частоты излучаемого сигнала. В качестве примера можно привести бортовые электромагнитные датчики (АЕМ), производимые различными компаниями (Barringer Research, Dughem, Goetech, Geophex, Aerodat - USA). Представлены и наземные системы, такие как Apex Double-Dipole™, Geophex-300™ (Geophysical Survey Systems), которые работают в интервале частот от 330 до 20000 Гц.
Известны одночастотные и многочастотные электромагнитные приборы для бесконтактного электромагнитного зондирования приповерхностных объектов. Среди них ЕМ-34, ЕМ-38, производимые компанией Geonics Ltd. (Канада), устройства геофизической разведки GEM-2 и GEM-3 от компании Aeroquest (США) и CMD-Explorer (GF Instruments, Чехия).
Известно устройство для электромагнитного зондирования грунта, описанное в патенте US 6534985 "Modular Electromagnetic Sensing Apparatus Having Improved Calibration" (Geosensors, Inc., USA). Аппарат зондирования включает электромагнитный излучатель, один или более детекторов, и одно калибровочное устройство, а также переключатель и процессор. Калибровочное устройство размещается таким образом, что расстояние передатчик-приемник больше, чем расстояние передатчик-калибровочный приемник. Процессор имеет один вход для полезного сигнала и один вход для калибровочного сигнала, что позволяет отслеживать искажения в передаваемом сигнале.
В патентной заявке US 20111037462 (Geonics Ltd.) раскрывается устройство многокатушечного электромагнитного детектора. Расстояние между катушками меняется и регулируется с помощью управляющего блока. Устройство предназначено для обнаружения металлических и неметаллических объектов (взрывные устройства) под землей и не предназначено для измерения профиля проводимости грунта.
В патенте РФ 2136021 описано устройство для электроразведки, имеющее один излучающий контур и n пар попарно симметричных приемных контуров. При этом приемные контуры расположены так, что момент взаимоиндукции между каждым приемным контуром и излучающим контуром в непроводящем пространстве (в воздухе) равен нулю. Применение п пар приемных контуров в данном устройстве обеспечивает производительность и точность, достаточную для малоглубинных исследований. Вместе с тем, размеры такой установки довольно большие и схема измерения реализует только одночастный режим работы.
Известно также устройство для индукционного частотного зондирования, описанное в патенте РФ 2152058 (Институт геофизики СО РАН, Россия). В патенте РФ 2152058 описано генерация переменного магнитного поля последовательно на многих частотах. Сигнал прямого магнитного поля компенсируется путем применения двух встречновключенных приемных датчиков, и компенсация поля настраивается при расположении устройства в непроводящей среде (в воздухе). Такая конфигурация устройства позволяет при фиксированном положении генераторной петли и приемных датчиков (жесткая штанга) выполнять частотное зондирование в приповерхностном пространстве. На каждой частоте выполняется измерение реальной и мнимой компонент вторичного магнитного поля.
В большинстве геофизических устройствах для электромагнитного зондирования локальные неоднородности кажущейся удельной проводимости породы (грунта) выявляются при создании электромагнитного поля генерирующей катушкой и измерении сигнала от токов, индуцированных в земле. Схемы измерения бывают двух- или трех-катушечные с компенсацией прямого поля (поле от генераторной катушки).
В методах индукционного зондирования малых глубин надо учитывать то, что в области приемных катушек магнитное поле имеет несколько источников. Постоянное магнитное поле Земли не наводит э.д.с. в неподвижной катушке и может не учитываться в устройствах георазведки. Генерирующая катушка индукционного устройства наводит токи в грунте или проводящих объектах, находящихся в грунте. В методе индукционного зондирования переменное магнитное поле от наведенного (индуцированного) тока называется вторичным полем и является полезным сигналом, свидетельствующее об удельной проводимости подземных структур.
Существующие устройства для индукционного зондирования подповерхностного пространства имеют ряд недостатков. Если не выполняется компенсация прямого поля (двухкатушечный зонд), то это уменьшает информативность сигнала, так как сигнал от первичного поля (генераторная петля) выступает в качестве помехи.
Схемы с компенсацией первичного поля работают лучше, но их настройка и калибровка требуют применения сложных электротехнических схем и конструкционных решений.
Кроме того, в случае двух - или трех-катушечных устройств, один подземный металлический объект (аномалия в электропроводности), расположенный вблизи поверхности, может создавать два или три образа при визуализации данных.
Задачей изобретения является повышение надежности получаемых данных и упрощение конструкции устройства при электромагнитном многочастотном зондировании. Данная задача решается с помощью следующего технического решения.
На Фиг.1 представлена структурная схема бесконтактного устройства для индукционного многочастотного зондирования подземного пространства.
z
Устройство для электроразведки методом индукционного частотного зондирования содержит (см. Фиг.1) плоский излучающий контур 1, подключенный к усилителю мощности 2. К нижней части устройства, несущего излучающий контур 1, подсоединена несущая штанга 3, выполненная из непроводящего и немагнитного материала. Угол расположения штанги 3 к плоскости излучающего контура 1 выбирается таким, чтобы обеспечить нулевую вертикальную компоненту напряженности магнитного поля H на большей части несущей штанги. На наклонной штанге устанавливаются приемные катушки 4, в которых наводится э.д.с. от переменного магнитного тока. Магнитные моменты генераторной и всех приемных катушек, расположенных на штанге, параллельны между собой. Сигналы с приемных контуров последовательно поступают, обрабатываются и сохраняются в микропроцессорном модуле 5.
В одном воплощении устройства электромагнитного индукционного зондирования, излучающий контур в корпусе устройства излучает последовательно электромагнитные зондирующие импульсы на выбранной последовательности частот. Для этого из источника питания на излучающий контур подается последовательность импульсов переменного тока с различными частотами. Для зондирования грунта и земной породы, эти зондирующие частоты выбираются в интервале от 2,5 кГц до 250 кГц.
Каждая приемная катушка заранее настроена на определенную частоту из выбранной последовательности частот. Более низкие частоты соответствуют большей глубине индукционного зондирования грунта (породы) [1].
В основном варианте устройства приемные катушки располагаются на наклонной непроводящей штанге с равным интервалом между приемными катушками. Оси приемных катушек располагаются параллельно оси генераторной катушки (излучающий контур).
-7
Наклонная штанга, изображенная на Фиг.1 и служащая для крепления набора приемных катушек, должна быть выполнена из непроводящего материала, чтобы не создавать помех в виде токов проводимости над поверхностью земли. В качестве материала для штанги могут быть выбраны диэлектрические материалы с электропроводимостью меньше чем 10 См/м.
Дополнительным требованием к штанге является легкость штанги, поскольку устройство обычно используется как переносное устройство зондирования. Обычно несущая штанга выполняется в виде пустотелой трубы, выполненной из таких материалов с низкой проводимостью как сухая древесина, полимер, пластик, стеклокомпозитный материал или иной композитный материал с низкой удельной плотностью на основе диэлектрической матрицы.
z
При расстановке приемных катушек на наклонной штанге используется эффект существования конической поверхности с вершиной в центре генераторной петли, на образующей которой вертикальная составляющая напряженности переменного первичного магнитного поля в однородном непроводящем пространстве H меняет знак. Для направляющей в виде круга образующая этой поверхности может быть аппроксимирована прямой с углом наклона к горизонтальной плоскости 35 градусов.
Приемные катушки располагаются вдоль одной образующей линии на прямой непроводящей штанге. Другими словами, угол наклона непроводящей штанги, на которой расположены приемные датчики индукции, составляет приблизительно 35 градуса с плоскостью генераторной петли. Генераторная петля в процессе зондирования располагается существенно параллельно земной поверхности.
Значения рабочих частот определяется расчетом равенства прироста глубины зондирования по величине
. Для выбранного диапазона рабочих частот от 2,5 до 250 кГц глубинность зондирования для полупространства с УЭС 50 Ом·м (сухой грунт) составляет от 8 до 10 м [2]. Этой глубины достаточно для проведения приповерхностного зондирования грунта или породы.
В предлагаемом устройстве и способе, в отличие от других, кроме частотного зондирования выполняется геометрическое зондирование, где применяется изопараметр, равный
, где l - расстояние от центра генераторной петли до приемного датчика, f - рабочая частота из набора частот. Это дополнительное условие на геометрию расположения датчиков является вторым отличием данного устройства.
Устройство для приповерхностной электроразведки методом индукционного частотного зондирования работает следующим образом. Усилитель мощности 2 создает в излучающей катушке 1 гармонический ток, генерируемый последовательно на ряде выбранных частот. Первичное электромагнитное поле индуцирует в земле индукционные токи, которые создают вторичное электромагнитное поле. Это вторичное электромагнитное поле создает э.д.с. в совокупности приемных катушек 4. На низкой частоте регистрируется сигнал от дальней катушки и, соответственно, на высокой частоте регистрируется сигнал от ближней (к генератору) катушки, и этот процесс контролируется в помощью микропроцессорного блока 5. Значения э.д.с. на каждой частоте напрямую связаны с удельной электрической проводимостью некоторого подземного объема, что составляет основу метода частотного зондирования.
z
Процедура установки и калибровки нуля э.д.с. в каждой премной катушке следующая. Центр каждой катушки располагается на описанной выше штанге из непроводящего материала, примерно на линии равенства нулю вертикальной компоненты напряженности поля H. После чего подбирается и фиксируется такое (почти вертикальное) положение каждой приемной катушки, которое обеспечивает минимальную по амплитуде э.д.с. После установки окончательного положения всех приемных катушек, описанное устройство для электромагнитного зондирования поднимается на канатах в воздух на высоту до 10 м (обычно более 3-4 метров), причем место для тестирования и настройки выбирается вдали от всех проводящих объектов (железные конструкции, линии электропередач и прочее). На таком расстоянии от земной поверхности окружающая среда может считаться однородной по магнитной проницаемости и полностью непроводящей (воздух). Значения э.д.с. всех приемных катушек, записанные для подвешенного в воздухе устройства зондирования электропроводимости грунта, принимаются за нули прибора и вычитаются из всех последующих полевых измерений э.д.с.
Описанное устройство обладает следующими преимуществами. Реализована компенсация прямого поля генератора при помощи специального размещения одиночных приемных катушек. Разнесение генераторной и приемной катушек по вертикали обуславливает преобладание единственного образа (максимума) в сигнале от локальной приповерхностной неоднородности в проводимости грунта и выполняет, кроме частотного зондирования, одновременно и геометрическое зондирование. Это позволяет избавиться от ложных сигналов. Несколько приемных катушек, расположенных на различном удалении от генераторной катушки, настроены на соответствующие (выбранные) частоты, чтобы увеличить чувствительность и эффективную глубину индукционного зондирования описанным бесконтактным устройством электромагнитного зондирования.
Литература
1. Балков Е.В., Манштейн А.К. Сравнение характеристик двух- и трехкатушечной реализации индукционных зондов для малоглубинного частотного зондирования // Геофизический вестник. - 2006. - №1. - С.12-17.
2. Балков Е.В., Эпов М.И., Манштейн А.К. Оценка глубинности наземного электромагнитного индукционного частотного зондирования // Геофизика. - 2006. - №3. - С.41-45.