УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОДОНОСНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ГОРИЗОНТОВ

Полезная модель относится к геофизике и предназначено для измерения с поверхности земли без бурения скважин параметров водоносных слоев: мощности, глубины залегания, водонасыщенности, механического состава, и может применяться, например, для поиска водоносных горизонтов, для построения гидрогеологических разрезов, для опережающего гидрогеологического контроля грунтового массива при тоннелей бестраншейными методами и изучения оползневых процессов.
Цель полезной модели - повышение чувствительности устройства при одновременном увеличении отношения полезного сигнала к тепловым шумам и паразитным сигналам от внешних помех.
В геофизике известны устройства для измерения параметров водоносных подземных горизонтов, содержащие проволочную петлю в качестве антенны, подключаемую программно-управляемым переключателем поочередно к силовому выходу радиочастотного генератора, соединенному с программно управляемыми регуляторами амплитуды и длительности импульсов, и к усилителю с синхронным детектором и аналого-цифровым преобразователем. Устройства описаны
в авторском свидетельстве СССР SU 947805, кл. G 01 V 3/11, 1981 г,
в авторском свидетельстве СССР SU 1079063, кл. G 01 V 3/14, 1983 г,
в авторском свидетельстве СССР SU 1540515 А1, кл. G 01 V 3/14, 1984 г,
в патенте Великобритании GB 2198540 А, кл. G 01 V 3/14, 1988 г (выбрано в качестве прототипа),
в патенте Франции FR 2602877, кл. G 01 V 3/14, 1988 г,
в патенте на полезную модель RU 471, кл. G 01 V 3/14, 2006 г.
Принцип действия устройства основан на явлении ядерного магнитного резонанса. Находясь под влиянием магнитного поля Земли, совокупность протонов молекул воды исследуемого объема водоносных слоев приобретает средний магнитный момент, направленный вдоль магнитного поля Земли. Под действием кратковременного возбуждающего импульса переменного магнитного поля, частота которого совпадает с частотой протонного магнитного резонанса, средний магнитный момент протонов отклоняется от направления магнитного поля Земли. После окончания этого возбуждающего импульса магнитный момент
протонов совершает прецессионное движение вокруг магнитного поля Земли. Поле, излучаемое этим прецессирующим магнитным моментом протонов, принимается антенной. Для создания возбуждающего импульса магнитного поля в грунте и приема излучения прецессирующего магнитного момента протонов используется одна и та же антенна в виде петли круговой или квадратной формы или в форме восьмерки. В процессе создания импульса, возбуждающего протонную намагниченность, антенна в виде петли подключена к выходу радиочастотного генератора. В процессе приема антенна подключена к усилителю. Для переключения антенны с генератора возбуждающих импульсов на приемник используются быстродействующий программно управляемый переключатель. Создавая возбуждающие импульсы магнитного поля различной амплитуды и/или длительности можно добиваться максимума чувствительности устройства на разных глубинах. Функция распределения содержания воды по глубине получается в результате решения обратной задачи по результатам нескольких таких циклов зондирования. Амплитуда прецессирующего магнитного момента затухает из-за расфазировки прецессии магнитных моментов отдельных протонов, которое возникает из-за локального магнитного поля магнитных примесей, и из-за процессов переориентации спинов протонов. По времени затухания прецессирующего магнитного момента можно сделать выводы о характерных размерах пор грунта водоносных слоев.
Недостатком указанных устройств зондирования является очень низкая амплитуда полезного сигнала, которая находится на уровне амплитуды тепловых шумов в диапазоне спектра частот измеряемого полезного сигнала. Другим недостатком прибора является относительно высокий уровень внешних помех, как естественного, так и техногенного происхождения. Среди помех техногенного характера наибольшее мешающее влияние оказывают высшие гармоники частоты 50 Гц линий электропередач.
Для уменьшения уровня внешних помех, как известно, применяется антенна в виде проволочной петли, имеющей форму восьмерки. Сигналы от помех, возбуждаемые в двух противоположных половинах этой петли в форме восьмерки, в значительной мере компенсируют друг друга, что снижает интенсивность помех, обычно не менее чем на 10 дБ. Недостатком такого способа подавления помех является меньшая предельная глубина зондирования. При использовании петли в форме восьмерки предельная глубина зондирования примерно в два раза меньше, чем при использовании круговой петли при той же полной длине проволоки.
Общими признаками заявленного решения и указанного прототипа являются следующие признаки:
"устройство для измерения параметров водоносных подземных горизонтов содержит антенну, подключаемую программно-управляемым коммутационным устройством поочередно к силовому выходу радиочастотного генератора, соединенному с программно управляемыми регуляторами амплитуды и длительности импульсов, и к приемнику, состоящему из усилителя, синхронного детектора и аналого-цифрового преобразователя, и контроллера, задающего амплитуду и длительность импульсов генератора и управляющего программно-управляемым коммутационным устройством".
Решаемой технической задачей является создание устройства для измерения параметров водоносных подземных горизонтов, которое характеризуется большим уровнем полезного принимаемого сигнала, как абсолютным, так и относительно уровня тепловых шумов и сигналов внешних помех.
Достижение указанного результата обеспечивается тем, что:
"основная антенна устройства для измерения параметров водоносных подземных горизонтов представляет собой кабель, состоящий из нескольких изолированных друг от друга проводников, программно-управляемое коммутационное устройство включает два набора программно управляемых переключателей, и соединяет проводники основной антенны поочередно с усилителем и радиочастотным генератором таким образом, что проводники кабеля основной антенны соединены последовательно друг с другом и с входом усилителя посредством первого набора программно управляемых переключателей и параллельно друг с другом и с силовым выходом радиочастотного генератора вторым набором программно управляемых переключателей; устройство содержит аналоговый сумматор-вычитатель сигналов, выход которого подключен к входу приемника, так что выход усилителя подключен к первому входу аналогового сумматора-вычитателя сигналов, и содержит также вспомогательную антенну для приема внешних помех, соединенную с программно управляемым усилителем, выход которого подключен ко второму входу аналогового сумматора-вычитателя сигналов,
проводники основной антенны могут быть объединены в два кабеля, длины которых и число проводников в которых одинаковы".
Предлагаемая совокупность существенных признаков определяется исходя из следующего.
Обозначим N число проводников в кабеле основной антенны. При приеме сигнала антенна представляет собой многовитковую, состоящую из N витков, петлю ввиду того, что проводники кабеля, из которого изготовлена антенна,
соединены последовательно друг с другом коммутационным устройством. Последовательное соединение витков антенны дает в N раз большее ЭДС, наводимое в контуре антенны переменным магнитным полем, создаваемым прецессирующим магнитным моментом протонов, следовательно, в N раз больший полезный сигнал, чем в антенне той же формы, но состоящей из одного проводника. ЭДС тепловых шумов в антенне, согласно формуле Найквиста, увеличивается при последовательном включении витков пропорционально корню квадратному из активного сопротивления антенны, то есть пропорционально корню квадратному из N. Следовательно, абсолютная величина принимаемого полезного сигнала увеличивается в N раз, а отношение "сигнал-шум" увеличивается в корень квадратный из N.
Однако сигнал от внешних помех при последовательном включении витков антенны во время приема также увеличивается в N раз, как и полезный сигнал. Для уменьшения сигнала от внешних помех в предлагаемой конструкции устройства предусмотрена компенсация сигнала внешних помех. Эта компенсация осуществляется путем применения отдельной вспомогательной антенны для приема сигнала внешних помех, программно управляемого усилителя, который усиливает этот сигнал в необходимое число раз, и аналогового сумматора-вычитателя, который вычитает сигнал внешних помех, измеренный вспомогательной антенной, из сигнала, принимаемого основной антенной и усиленного дополнительным усилителем. Вспомогательная антенна для приема сигнала внешних помех может представлять собой одновитковую или многовитковую петлю, которая располагается на расстоянии от 2D до 20D от основной антенны, где D - диаметр основной антенны в случае круговой формы или продольный размер восьмерки в случае, если основная антенна имеет форму восьмерки. Удаление вспомогательной антенны от основной антенны необходимо, чтобы вспомогательная антенна принимала главным образом сигнал внешних помех, и почти не принимала полезный сигнал. Настройка усиления программно управляемого усилителя, включенного в цепь сигнала внешних помех, осуществляется перед созданием импульса возбуждения и последующего измерения полезного сигнала. Эта настройка осуществляется автоматически, путем измерения сигнала от внешних помех одновременно основной и вспомогательной антенной, включенных как указано выше, и минимизацией принимаемого разностного сигнала путем программной регулировки усиления усилителя, включенного в цепь сигнала от вспомогательной антенны для приема внешних помех.
Во время создания импульса переменного магнитного поля в грунте, возбуждающего протонную намагниченность в грунте, проводники основной антенны включены параллельно друг с другом и подключены к силовому выходу радиочастотного генератора. Использовать последовательное включение витков антенны все время, как при приеме, так и при создании возбуждающего импульса нерационально по следующим причинам. При последовательном включении N
витков индуктивность антенны увеличивается в N в квадрате раз по сравнению с антенной, содержащей один виток, следовательно, во столько же раз увеличивается реактивное сопротивление антенны. Хотя при этом возбуждаемое магнитное поле увеличивается в N раз, указанное увеличение реактивного сопротивления антенны требует большого увеличения напряжения радиочастотного генератора. Так, при небольшом активном сопротивлении для создания той же напряженности магнитного поля возбуждающего импульса в случае N витковой антенны потребуется в N раз большее напряжение радиочастотного генератора. Такое повышение напряжения при большом числе витков N очень трудно практически осуществить. При последовательном включении витков также в N раз увеличивается активное сопротивление антенны, что приводит к увеличению тепловых потерь при формировании возбуждающего импульса. Увеличение сечения проводников для уменьшения активного сопротивления приводит к нежелательному росту веса антенны.
В предлагаемой конструкции устройства используется параллельное включение N проводников-витков антенны во время формирования возбуждающего импульса. Это дает уменьшение активного сопротивления антенны в N раз по сравнению с антенной, состоящей из одного такого проводника. Это позволяет уменьшить тепловые потери и уменьшить энергопотребление устройства. В то же время, такое включение проводников антенны не приводит к увеличению индуктивности, а напротив, несколько уменьшает индуктивность антенны по сравнению с антенной, состоящей из одного такого проводника за счет увеличения диаметра поперечного сечения, занятого проводниками антенны, по которым течет ток. Следовательно, несколько уменьшается требуемое напряжение радиочастотного генератора. Так, если проводники кабеля антенны расположить в сечении вдоль окружности с радиусом R, а радиус каждого проводника равен r, то индуктивность антенны будет приблизительно такой же, как у антенны с той же формой петли и с одним металлическим проводником, имеющим радиус R+r. Радиус окружности R, по которому располагаются проводники в сечении кабеля антенны, можно сделать большим за счет, например, увеличения толщины изолирующего материала, что не приведет к существенному увеличению веса всей антенны, который имел бы место, если бы вместо этого для уменьшения индуктивности увеличивался диаметр одного металлического проводника.
Кабель антенны укладывается на поверхности грунта в виде петли круговой, квадратной или произвольной формы. Круговая или квадратная форма антенны предпочтительнее, так как это обеспечивает большую дальность зондирования. Широко применяется также укладка проводника антенны в виде восьмерки, при которой площадь половин этой восьмерки примерно одинакова, а направление тока в этих половинах восьмерки противоположно. Такая геометрия антенны позволяет в значительной мере компенсировать внешние помехи, так как вклады в ЭДС помех, наводимые внешними помехами в половинах восьмерки,
компенсируют друг друга, складываясь в противофазе. Недостатком такого способа размещения антенны является меньшая примерно в два раза дальность зондирования. С целью аналогичной компенсации внешних помех применяются также схемы укладки проводника антенны в виде нескольких петель, ток в которых направлен во взаимно противоположных направлениях.
В предлагаемой конструкции устройства для компенсации внешних помех используется вспомогательная антенна и система компенсации, включающая программно управляемый усилитель и аналоговый сумматор-вычитатель сигналов. Поэтому, если требуется значительное ослабление внешних помех, укладка кабеля антенны в виде восьмерки не является необходимой, хотя также возможна. Если кабель укладывается в виде восьмерки, неточности при укладке кабеля приводят к тому, что половины восьмерки могут не быть точно одинаковыми, так что компенсация в результате этого не является полной. Кроме того, из-за возможного градиента магнитного поля внешних помех полной компенсации может не быть и при равенстве площадей половин восьмерки. В этом случае имеющаяся в предлагаемой конструкции система компенсации внешних помех осуществляет дополнительную автоматическую компенсацию остающегося сигнала внешних помех.
Может использоваться конструкция основной антенны, состоящей из двух кабелей одинаковой длины и с одинаковым числом проводников. Каждый такой кабель может состоять из одного или нескольких проводников, которые включены в коммутационное устройство, как описано выше для антенны, в которой все проводники были объединены в один кабель. Эти два кабеля укладываются на поверхности грунта в виде восьмерки, так что площади половин восьмерок одинаковы, а направление тока в половинах восьмерок противоположно. Такая антенна обеспечивает высокий уровень компенсации внешних помех. В то же время устройство с такой антенной имеет лучшие характеристики, чем с антенной, состоящей из одного кабеля с тем же полным числом проводников, имеющей кабель вдвое большей длины, и уложенным также в виде восьмерки той же формы и размеров. А именно, при работе в режиме возбуждения импульса магнитного поля проводники половин такой восьмерки включены параллельно друг другу. В результате этого уменьшается как индуктивное сопротивление антенны, так и активная часть сопротивления по сравнению с антенной в виде восьмерки, имеющей один кабель. Поэтому при возбуждении импульса магнитного поля для создания тока в проводниках той же амплитуды требуется меньшее напряжение на генераторе. Уменьшаются также омические потери в антенне.
Полезная модель поясняется графически.
На фиг.1 показана блок-схема устройства. На фиг.2 показаны варианты размещения кабеля антенны на поверхности грунта в виде круговой петли и в виде восьмерки. Стрелками показано направление тока вдоль кабеля. Показан также вариант антенны, включающей два одинаковых кабеля, так что проводники антенны разделены поровну между этими кабелями, уложенных в виде восьмерки, так что площади половин восьмерки одинаковы, а направление тока в них противоположно. На фиг.3 в сечении показаны варианты конструкции кабеля антенны, состоящего из нескольких (N=19 и N=12) проводников.
Устройство для измерения параметров водоносных подземных горизонтов содержит основную антенну 1, представляющую собой кабель, состоящий из нескольких проводников 2, изолированных друг от друга изолирующим материалом 20, программно-управляемое коммутационное устройство 3, включающее два набора программно управляемых переключателей 4 и 5, и соединяющее проводники 2 основной антенны 1 поочередно с усилителем 7 и радиочастотным генератором 6 таким образом, что проводники 2 кабеля основной антенны 1 соединены последовательно друг с другом и с входом 18 усилителя 7 посредством первого набора программно управляемых переключателей 4 и параллельно друг с другом и с силовым выходом 17 радиочастотного генератора 6 вторым набором программно управляемых переключателей 5; устройство содержит аналоговый сумматор-вычитатель сигналов 10, выход 13 которого подключен к входу 15 приемника 14, так что выход усилителя 7 подключен к первому входу 11 аналогового сумматора-вычитателя сигналов 10, и содержит также вспомогательную антенну 8 для приема внешних помех, соединенную с программно управляемым усилителем 9, выход которого подключен ко второму входу 12 аналогового сумматора-вычитателя сигналов 10.
Контроллер 16 устанавливает амплитуду и/или длительность импульсов, а также частоту сигнала радиочастотного генератора 6, управляет включением и выключением радиочастотного генератора 6, управляет каждым из наборов программно управляемых переключателей 4 и 5 коммутационного устройства 3 в отдельности, управляет усилением сигнала в программно управляемом усилителе 9 и управляет процессом синхронного детектирования и аналого-цифрового преобразования сигнала в приемнике 14. В памяти контроллера 16 сохраняются результаты измерений, переданные в цифровом виде из приемника 14. Сигнал от радиочастотного генератора 6 может подаваться на вход 19 приемника 14 для осуществления процесса синхронного детектирования. На фиг.1 показана блок-схема устройства при числе проводников 2 кабеля антенны 1 равном N=3. Число проводников N может быть любым, отличным от 1.
Кабель основной антенны 1 укладывается на поверхности грунта в виде петли круговой, квадратной или произвольной формы. Применяется также
укладка кабеля основной антенны 1 в виде восьмерки, так что площади половин этой восьмерки примерно одинаковы, а направление тока в этих половинах восьмерки противоположно. Такая укладка кабеля антенны 1 используется для компенсации сигнала внешних помех. Варианты размещения кабеля антенны в виде круговой петли и в виде восьмерки показаны на фиг.2. Стрелками показано направление тока в половинах восьмерки. На фиг.2 показан также вариант основной антенны 1, в которой проводники 2 разделены поровну между двумя кабелями 21 одинаковой длины. Эти два кабеля 21 укладываются на поверхности грунта так, что образуют восьмерку, причем каждый из кабелей 21 образует половину восьмерки, площади этих половин восьмерки примерно одинаковы, а направление тока в этих кабелях 21 противоположно.
Варианты конструкции кабеля антенны 1 в сечении показаны на фиг.3. Проводники 2 внутри кабеля антенны 1 изолированы друг от друга изолирующим материалом 20. Проводники 2 могут быть упакованы плотно в сечении кабеля 1, либо распределяться вдоль окружности некоторого радиуса R. Вторая конструкция обеспечивает при параллельном соединении проводников примерно такую же индуктивность антенны, как и первая конструкция, но при этом имеет меньшее число металлических проводников и, соответственно, меньший вес.
Работа устройства для измерения параметров водоносных подземных горизонтов происходит следующим образом.
Кабель основной антенны 1 размещается на поверхности грунта в виде петли круговой, квадратной формы или в форме восьмерки. Вспомогательная антенна 9 для приема сигнала внешних помех размещается на некотором удалении от основной антенны, на расстоянии от 2D до 20D, где D - размер основной антенны 1.
Перед началом измерений контроллер 16 устанавливает частоту радиочастотного генератора 6 равной частоте протонного магнитного резонанса в геомагнитном поле для местности, в которой проводятся измерения.
Перед началом измерения проводится также компенсация сигнала внешних помех, измеряемых основной антенной 1. Для этого проводится цикл измерений без подачи возбуждающего импульса на основную антенну 1 от радиочастотного генератора 6. При этом проводники 2 кабеля основной антенны 1 включены последовательно друг с другом и с входом 15 усилителя 7 первым набором программно управляемых переключателей 4 коммутационного устройства 3. Второй набор программно управляемых переключателей 5 коммутационного устройства 3 находятся при этом в состоянии "расстыковано". Сигнал внешней помехи принимается одновременно основной антенной 1 и вспомогательной антенной 8 для измерения внешних помех. Вместе с сигналом внешних помех в основной 1 и вспомогательной 8 антеннах наводятся сигналы тепловых шумов, которые смешиваются с сигналами внешних помех. Эти одновременно принятые сигналы основной 1 и вспомогательной 8 антеннами усиливаются соответственно
усилителем 7 и программно управляемым усилителем 9. Далее эти сигналы складываются в противофазе в аналоговом сумматоре-вычитателе сигналов 10. Суммарный сигнал поступает на вход приемника 14, где осуществляется его аналого-цифровое преобразование. В цифровой форме суммарный сигнал поступает из приемника 14 в контроллер 16. Контроллер 16 по заданной программе меняет коэффициент усиления программно управляемого усилителя 9, добиваясь минимума мощности принимаемого суммарного сигнала. В этом минимуме сигналы от внешней помехи в значительной мере компенсируют друг друга, и в измеряемом суммарном сигнале остается главным образом вклад тепловых шумов. Затем контроллер 16 устанавливает тот коэффициент усиления программно управляемого усилителя 9, при котором был наилучшим образом скомпенсированы сигналы внешней помехи.
После этого начинается цикл измерения. Контроллер 16 устанавливает требуемую длительность и/или амплитуду возбуждающего импульса радиочастотного генератора. Затем контроллер 16 переводит первый набор программно управляемых переключателей 4 коммутационного устройства 3 в состояние "расстыковано", а второй набор программно управляемых переключателей 5 коммутационного устройства 3 в состояние "состыковано". Тем самым проводники 2 кабеля основной антенны 1 соединяются параллельно друг другу и подключаются к радиочастотному генератору 6. Далее контроллер 16 подает команду на включение возбуждающего импульса радиочастотного генератора 6. Этот возбуждающий импульс подается с радиочастотного генератора 6 на проводники 2 кабеля основной антенны 1, основная антенна 1 создает в исследуемом объеме грунта переменное магнитное поле с частотой протонного магнитного резонанса в геомагнитном поле. Это переменное магнитное поле поворачивает направление вектора протонной намагниченности исследуемого объема грунта в сторону от направления геомагнитного поля.
По окончании действия возбуждающего импульса контроллер 16 переводит второй набор программно управляемых переключателей 5 коммутационного устройства 3 в состояние "расстыковано", отключая тем самым проводники 2 кабеля основной антенны 1 от радиочастотного генератора 6.
Далее контроллер 16 переводит первый набор программно управляемых переключателей 4 коммутационного устройства 3 в состояние "состыковано". Тем самым проводники 2 кабеля основной антенны 1 соединяются последовательно друг другу и с входом 15 усилителя 7. Одновременно контроллер 16 подает команду в приемник 14 для начала аналого-цифрового преобразования поступающего на приемник 14 сигнала.
Полезный сигнал, создаваемый магнитным моментом протонов исследуемого объема грунта, прецессирующим вокруг направления геомагнитного поля, принимается основной антенной 1 вместе с сигналом внешних помех. Одновременно вспомогательной антенной 8 принимается примерно такой же сигнал внешних помех. Вместе с указанными сигналами в основной 1 и
вспомогательной 8 антеннах наводятся также сигналы тепловых шумов. Эти одновременно принятые сигналы основной 1 и вспомогательной 8 антеннами усиливаются соответственно усилителем 7 и программно управляемым усилителем 9. Далее эти сигналы складываются в противофазе в аналоговом сумматоре-вычитателе сигналов 10. Суммарный сигнал поступает на вход 15 приемника 14. Одновременно от радиочастотного генератора 6 на вход 19 приемника 14 может подаваться сигнал, необходимый для осуществления синхронного детектирования. В приемнике 14 осуществляется аналого-цифровое преобразование принимаемого сигнала. В цифровой форме суммарный сигнал поступает из приемника 14 в контроллер 16. Сигналы от внешних помех, принятые основной антенной 1 и вспомогательной антенной 8 и усиленные соответственно усилителем 7 и программно управляемым усилителем 9 в значительной мере компенсируют друг друга после сложения в противофазе с помощью аналогового сумматора-вычитателя сигналов 10. Значительная степень компенсации имеет благодаря тому, что коэффициент усиления программно управляемого усилителя 9 был ранее установлен таким образом, чтобы выровнять по амплитуде эти сигналы от внешних помех.
При использовании конструкции основной антенны 1, содержащей два кабеля 21, обе половины антенны 1, которые образованы каждым из кабелей 21, принимают как полезный сигнал, так и сигнал внешних помех. Если кабели 21 уложены в виде восьмерки, так что площади половин этой восьмерки одинаковы, а направление тока противоположно, сигналы от внешних помех, принятые каждой из половин антенн в значительной степени компенсируют друг друга при сложении в противофазе в контуре, образованном при последовательном соединении проводников 2 кабелей 21 основной антенны.
Описанные циклы измерения могут повторяться несколько раз с целью когерентного накопления измеренных сигналов для увеличения отношения "сигнал-шум". Далее циклы измерения проводятся при различных значениях длительности и/или амплитуды возбуждающего импульса. Совокупность результатов, полученных при различных значениях произведения амплитуды возбуждающего импульса на его длительность, позволяют после соответствующей математической обработки построить распределение влажности грунта по глубине.