ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области геофизики, а именно к приборам и оборудованию для проведения геоэлектроразведки с целью нахождения месторождений полезных ископаемых, решения задач инженерной геологии и гидрогеологии, точнее к генераторам импульсов тока, используемым в электроразведке методами вызванной поляризации (ВП) и сопротивлений.
Особенностью генераторов, используемых для электроразведки методом вызванной поляризации, является то, что они вырабатывает в нагрузке (заземленной линии) разнополярные импульсы тока с паузой между ними, стабилизированные по амплитуде (RU 857898, 1981; Венеев А.В. Электропрофилирование на постоянном и переменном токе, Л., Недра, 1965, с.276-278).
В настоящее время известно большое количество генераторов подобного типа (RU 693313, 1977; RU 890331, 1981; RU 940108,1980; RU 1233071, 1984; RU 1233075, 1984; RU 1299315,1985; RU 2253881, 2004; RU 2279106, 2005), причем выбор конкретного генерирующего устройства определяется, в основном, условиями его эксплуатации. В частности, в моргеоразведке применяются мощные стационарные генераторы импульсов типа ЭРС 72, работающие на базе судовых генераторов и т.п.установок (RU 2253881, 2004; RU 2069375, 1993); аналогичная техника применяется для измерения магнитной восприимчивости пород в сверхглубоких скважинах (RU 1299315, 1985). Однако данные устройства из-за большой массы не могут эффективно
использоваться в полевых условиях относительно небольшими геологоразведочными партиями.
Известно генераторное устройство (RU 1233075, 1984), состоящее из генератора высокой частоты, квадратурного генератора, балансных модуляторов, усилителей мощности, коммутатора, компараторов напряжения, инверторов, фильтров и источника питания, пригодное для полевых условий. Однако данное устройство весьма громоздко, не позволяет осуществлять измерения с достаточной точностью, т.к. трудно сопрягается с современной измерительной аппаратурой.
Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является разработанный ранее авторами для полевых условий генератор электроразведочный ГЭР-М (RU 50007 от 24.05.2005). Генератор ГЭР-М работает от аккумуляторов и состоит из последовательно соединенных блока управления (БУ), широтно-импульсного модулятора (МД) повышающего типа, блока питания (обратноходового преобразователя напряжения) (БП), коммутатора выходного сигнала (КМ), а также стабилизатора тока (СТ), связанного с БУ, МД и КМ. Генератор формирует в нагрузке разнополярные импульсы тока со стабилизированной амплитудой и с паузами между ними.
Особенностью генератора ГЭР-М являются небольшие максимальные значения выходной мощности и амплитуды импульсов выходного тока (40 Вт и 0,2 А соответственно), что позволило создать легкий, малогабаритный прибор, удобный для малоглубинных исследований (первые десятки метров).
Однако, многие задачи разведочной геофизики требуют изучения больших глубин (более 100 м), что практически невозможно с помощью подобного генератора из-за его малой мощности и небольшого диапазона амплитуд выходного тока. Вместе с тем, так как в генераторе ГЭР-М стабилизация выходного тока осуществляется аналоговым стабилизатором за счет изменения сопротивления регулирующего элемента, включенного последовательно с нагрузкой, то при значительном увеличении тока через нагрузку резко увеличиваются потери на регулирующем элементе, что ухудшает тепловой
режим внутри корпуса генератора и позволяет использовать его только при небольших мощностях. Кроме того, увеличение выходной мощности генератора и тока в нагрузке привело бы к подгоранию контактов в электромеханических реле, используемых в качестве переключающих элементов коммутатора и, как следствие, к невозможности дальнейшей эксплуатации генератора.
Технической задачей, решаемой авторами, являлось создание достаточно компактного генератора, способного обеспечить существенное повышение максимальных значений мощности и амплитуды импульсов выходного тока генератора, что позволяет значительно увеличить глубинность геофизических исследований.
Технический результат достигается за счет использования в качестве источника напряжения бензоэлектрогенератора с выходным напряжением 220 В, 50 Гц, включение в состав генератора дополнительно выпрямителя, и установления дополнительных каналов связи между блоком управления и блоком питания, а также между блоком управления и выпрямителем.
Лучшие результаты достигаются при применении в качестве широтно-импульсного модулятора модулятора понижающего типа и использовании в коммутаторе IGВТ-транзисторов в качестве переключающих элементов. При этом, как правило, используют блок питания, собранный на основе мостового преобразователя напряжения.
Предлагаемая схема обеспечивает безопасную длительную работу генератора при повышенной мощности.
На Фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого электроразведочного генератора для метода вызванной поляризации, который содержит следующие элементы: источник напряжения (ИН) (1); выпрямитель питающего напряжения (ВТ) (2), модулятор (МД) (3), блок питания (БП) (4), коммутатор (КМ) (5), блок управления (БУ) (6).
В качестве источника напряжения (1) используют стандартный бензоэлектрогенератор необходимой мощности с выходным напряжением 220 В,
50 Гц. В качестве модулятора (3) - широтно-импульсный модулятор (ШИМ) понижающего типа, что позволяет обеспечить такой интервал скважности амплитуд широтно-модулированных импульсов на выходе модулятора, который позволит получить в ходе дальнейших преобразований в блоке питания (5) диапазон значений напряжения постоянного тока во всем необходимом интервале.
Блок питания (4) представляет собой мостовой преобразователь напряжения, нагрузкой которого служит повышающий разделительный трансформатор с выпрямителем, подключенным к повышающей обмотке этого трансформатора. Мостовой преобразователь напряжения служит для преобразования однополярных широтно-модулированных импульсов, поступающих с модулятора (3), в разнополярные импульсы, что необходимо для обеспечения нормальной работы повышающего разделительного трансформатора.
Коммутатор (5) предназначен для формирования в нагрузке генератора разнополярных импульсов тока, он собран по мостовой схеме на основе IGВТ-транзисторов. Коммутатор и нагрузка гальванически развязаны от остальных блоков генератора за счет применения в блоке питания (4) разделительного повышающего трансформатора и использования драйверов IGВТ-транзисторов с оптоэлектронной развязкой.
Блок управления (6) обеспечивает правильное функционирование всех указанных выше блоков, а также осуществляет функции контроля и защиты и взаимодействие с оператором. Он обеспечивает стабилизацию амплитуды импульсов выходного тока, поддерживает напряжение на коммутаторе (5), необходимое для нормального запуска последующего импульса тока; отслеживает перегрузку генератора по выходу, а также внутренние перегрузки в блоке питания (4); обеспечивает задание значений длительности импульса выходного тока и его амплитуды оператором, осуществляет запуск генератора, измерение значений выходного напряжения и тока и их визуализацию. Блок управления реализован на основе микроконтроллера ATmega 8515. Измерение напряжения и тока производится схемой на основе двухканального
двенадцатиразрядного АЦП, выход которого подключен к микроконтроллеру.
Генератор работает следующим образом: выпрямитель питающего напряжения (2) преобразует входное переменное напряжение 220 В, 50 Гц, получаемое от бензоэлектрогенератора (1), в постоянное напряжение 280 В, которое поступает на вход широтно-импульсного модулятора (3). Широтно-импульсный модулятор осуществляет преобразование постоянного напряжения 280 В в последовательность широтно-модулированных импульсов под воздействием устройства управления (6) на основе сравнения измеренного тока в нагрузке генератора с заданным оператором значением. В результате модуляции импульсов происходит изменение скважности.
Широтно-модулированные импульсы с выхода модулятора (3) поступают на вход блока питания (4), где осуществляется преобразование однополярных широтно-модулированных импульсов, поступающих с модулятора (3), в разнополярные импульсы, что необходимо для обеспечения нормальной работы повышающего разделительного трансформатора. С выхода блока питания напряжение поступает на выходной коммутатор (5).
Стабилизация амплитуды импульсов выходного тока генератора осуществляется блоком управления с помощью изменения напряжения на нагрузке за счет наличия обратной связи по току (во время прохождения импульсов тока в нагрузке) и обратной связи по напряжению (в паузе) в схеме генератора. В паузе поддерживается постоянное напряжение на входе коммутатора, которое было на нем в импульсе (обратная связь по напряжению). Это напряжение измеряется и может быть выведено на дисплей по желанию оператора. В импульсе производится измерение тока и при отсутствии стабилизации на дисплей выводится его истинное значение. В паузе на дисплей выводится заданное значение тока.
Для проверки правильности предложенного технического решения был создан экспериментальный образец электроразведочного генератора для метода вызванной поляризации. Экспериментальный образец генератора собран
на пяти двусторонних печатных платах. Пайка деталей может осуществляться любыми стандартными методами и средствами, используемыми в радиоэлектронике для пайки печатных плат, содержащих SMD компоненты. Корпус прибора обеспечивает защиту плат от попадания пыли и влаги. Для обеспечения допустимого теплового режима электронных компонентов, в корпусе генератора установлены два вентилятора. Сборка прибора осуществляется с использованием стандартных средств и методов, используемых при сборке радиоэлектронной аппаратуры.
Экспериментальный образец электроразведочного генератора для метода вызванной поляризации имеет следующие технические параметры:
- диапазон амплитуд импульсов выходного тока: 0,01-2 А;
- максимальная выходная мощность в импульсе тока - 1000 Вт;
- погрешность задания амплитуды импульсов тока - не более 2%;
- длительности импульсов выходного тока: 1-64 с;
- диапазон сопротивлений нагрузки, в котором осуществляется стабилизация тока: 25 Ом-80 кОм;
- масса генератора - 10 кГ.
Таким образом, получены максимальная выходная мощность и максимальная амплитуда импульсов выходного тока, превышающие аналогичные параметры аналога (электроразведочный генератор ГЭР-М) в 25 и 10 раз соответственно.