Способ учета влияния входного импеданса регистрирующей аппаратуры на измерения электрического поля в земле
METHOD FOR TAKING INTO ACCOUNT THE INFLUENCE OF THE INPUT IMPEDANCE OF THE RECORDING EQUIPMENT ON THE MEASUREMENTS OF THE ELECTRIC FIELD IN THE EARTH

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее техническое решение относится к области прикладной геофизики, в частности, к способам учета влияния входного импеданса.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для широкополосных измерений электрического поля в земле обычно используют приемные линии, состоящие из двух заземленных электродов (например, RU 90224 U1, опубл. 27.12.2009; RU 123979 U1, опубл. 28.03.2013; RU 175972, опубл. 13.06.2017) или стелющихся емкостных электродов (например, SU 1689905, опубл. 07.11.1991), подключенных к измерителю двумя соединительными проводами.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков современного уровня техники и отличается от известных ранее тем, что предложенное решение обеспечивает учет влияния входного импеданса.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное решение, является создание способа учета влияния входного импеданса.
Технический результат заключается в учете искажающего влияния входного импеданса аппаратуры.
Заявленный технический результат достигается за счет осуществления способа учета влияния входного импеданса, содержащий этапы, на которых осуществляется:
ВХ
оценка комплексного входного импеданса Z измерителя электрического поля во всем рабочем диапазоне частот, реализуемая с помощью опорного измерителя, генератора калибровочного сигнала и эталонного резистора высокого номинала;
MN
оценка комплексного контактного импеданса Z приемной линии во всем рабочем диапазоне частот, реализуемая с помощью портативного RLC-метра или встроенной в измеритель электрического поля широкополосной системы измерения величины подключенной пассивной нагрузки;
MN
ВХ
введение комплексного поправочного коэффициента, рассчитанного с учетом фактических величин Z и Z, в результаты измерения электрического поля.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Реализация изобретения будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемым чертежом, который представлен для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивает область изобретения. К заявке прилагается следующий чертеж:
Фиг. 1 иллюстрирует эквивалентную схему приемной электрической линии с неидеальным измерителем.
Фиг. 2 иллюстрирует схему оценки входного импеданса измерительной аппаратуры.
Фиг. 3 иллюстрирует пример общей схемы вычислительного устройства.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, будет очевидно каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.
Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.
Изобретение относится к области прикладной геофизики, в частности к электроразведке, и может быть использовано для проведения широкополосных измерений электрического поля в земле при неблагоприятных условиях заземления (скальные или сухие песчанистые породы, мерзлый грунт, и т.д.).
M
N
MN
ВХ
MN
M
N
MN
MN
Для измерения электрического поля в земле обычно используют приемные линии, состоящие из двух заземленных электродов или стелющихся емкостных электродов, подключенных к измерителю двумя соединительными проводами. Эквивалентная схема такой установки представлена на Фиг. 1 (Вешев, 1980), где буквами Z и Z обозначены величины контактных сопротивлений электродов M и N, соответственно, U - величина измеряемого напряжения в земле между двумя электродами, U - наблюдаемая величина напряжения на выходе измерителя и Z - входной импеданс измерителя. Из приведенной схемы видно, что при высоких значениях суммарного контактного сопротивления электродов Z = Z + Z, оно выступает в качестве делителя напряжения, который приводит к тому, что наблюдаемое на выходе значение U оказывается ниже той же величины, которая наблюдалось бы при идеальных условиях заземления (Z = 0).
MN
ВХ
ВХ
ВХ
ВХ
MN
ВХ
MN
ВХ
ВХ
ВХ
·
ВХ·
ВХ
MN
ВХ
Коэффициент искажения измеряемого напряжения, равный K = 1/(1 + Z /Z), тем меньше отличается от единицы, чем выше входной импеданс регистратора (т.е. чем выше его активное входное сопротивление R и ниже его входная емкость C), и в наиболее благоприятном случае, а именно, при выполнении условия |Z| >> |Z|, стремится к единице. Однако данное условие на практике выполняется далеко не всегда. С одной стороны, большинство измерителей характеризуется высоким входным сопротивлением R (порядка 5-10 МОм), как правило, много большим суммарного контактного сопротивления электродов |Z|, заземленных даже в каменистые грунты или мерзлые породы. С другой стороны, входная емкость C большинства измерителей тоже достаточно высока (порядка 1 нФ и выше), в результате чего на частотах f в сотни и тысячи Гц значение |Z| = R/ √(1+2πfRC) этих измерителей падает ниже 100 кОм, что легко может оказаться сопоставимо с величиной |Z| плохо заземленных приемных линий (Вешев, 1980). Таким образом, измерения электрического поля в методе магнитотеллурического зондирования, методе частотного зондирования и других методах электроразведки, работающих с частотами порядка 100 Гц и выше, при неблагоприятных условиях заземления могут быть сильно искажены влиянием входного импеданса Z регистрирующей аппаратуры.
Учет искажающего влияния входного импеданса аппаратуры предлагается проводить в три этапа.
ВХ
Первый этап - оценка величины входного комплексного импеданса Z используемой измерительной аппаратуры.
MN
Второй этап - оценка полного контактного сопротивления (комплексного) приемной линии Z, которая производится непосредственно на месте полевых работ, прямо перед проведением измерения электрического поля.
MN
ВХ
Третий этап - введение поправки в результаты измерения электрического поля путем их умножения на комплексный поправочный коэффициент (1 + Z /Z) для каждой точки измерения и каждой частоты.
Z
U
R
R
F
U
U
R
R
F
U
U
Z
F
R
F
R
F
F
Z
ВХ
ГЕН
1
1
1
1
0
1
2
2
2
0
ВХ
2
2
1
1
1
2
ВХ
Первый этап - оценка величины входного комплексного импеданса  используемой измерительной аппаратуры. Для ее проведения помимо исследуемого измерителя (например, ИМВП-8, Мэри Про или НОРД производства ООО «Северо-Запад») следует использовать синхронизованный с ним опорный измеритель (это может быть второй измерительный канал того же прибора, или второй прибор той же модели, синхронизованный с первым по GPS) и подключить их к генератору калибровочного сигнала , как показано на фиг. 2а. В качестве указанного в схеме шунта  используется любой резистор небольшого, точно известного номинала (в частности,  может быть равным 0). Далее оба измерителя регистрируют калибрующий сигнал, и для всего рабочего диапазона частот калибруемого прибора рассчитывается комплексная передаточная функция  = /. После этого резистор  заменяется резистором  высокого номинала (порядка 100 кОм и более), как показано на Фиг. 2б, и для всего рабочего диапазона частот рассчитывается комплексная передаточная функция  = /. Входной импеданс калибруемого прибора может быть найден по формуле:  = (- ) / ( - ). В современной измерительной аппаратуре входной импеданс практически не зависит во времени, поэтому его оценку достаточно проводить один раз за полевой сезон (однако он может заметно отличаться для разных каналов прибора и разных настроек аналоговой части, например параметров входных RC-фильтров, коэффициентов усиления, и пр.). Полученное значение  сохраняется на вычислительное устройство и используется в дальнейшем при обработке полевых данных.
Z
Z
Z
Z
Z
MN
MN
MN
MN
MN
Второй этап - оценка полного контактного импеданса приемной линии , которая производится непосредственно на месте полевых работ, прямо перед проведением измерения электрического поля. При работе с заземленными приемными линиями небольшой длины (до 10-20 м) и в сухую погоду оценку  можно проводить с помощью обычного тестера (мультиметра) или существующего в большинстве современных электроразведочных регистраторов специального режима оценки сопротивления заземленных электродов. При работе с емкостными электродами или плохо заземленными линиями большой длины (и, следовательно, большой эффективной емкости - особенно в мокрую погоду)  представляет собой комплексную частотно-зависимую функцию, оценку которой следует проводить на всем диапазоне рабочих частот с помощью портативных приборов для измерения импеданса пассивных электрических цепей (измерителей иммитанса или RLC-метров), или же с помощью специальной встроенной в электроразведочный регистратор системы оценки комплексного сопротивления приемной линии. При использовании портативных сторонних измерителей (мультиметра или RLC-метра) полученные значения  сохраняются на вычислительном устройстве. При использовании встроенных в электроразведочную аппаратуру систем оценки переходного сопротивления приемной линии измерение и сохранение фактических значений  для каждой полевой точки происходит в автоматическом режиме.
Z
Z
Z
Z
MN
ВХ
ВХ
MN
Третий этап - введение поправки в результаты измерения электрического поля путем их умножения на комплексный поправочный коэффициент (1 +  /) для каждой точки измерения и каждой частоты. Данный этап реализуется в ходе автоматической обработки данных на вычислительном устройстве (на котором хранятся полученные на предыдущих этапах фактические значения  и ).
На Фиг. 3 далее будет представлена общая схема вычислительного устройства (300), обеспечивающего обработку данных, необходимую для реализации заявленного решения.
В общем случае устройство (300) содержит такие компоненты, как: один или более процессоров (301), по меньшей мере одну память (302), средство хранения данных (303), интерфейсы ввода/вывода (304), средство В/В (305), средства сетевого взаимодействия (306).
Процессор (301) устройства выполняет основные вычислительные операции, необходимые для функционирования устройства (300) или функциональности одного или более его компонентов. Процессор (301) исполняет необходимые машиночитаемые команды, содержащиеся в оперативной памяти (302).
Память (302), как правило, выполнена в виде ОЗУ и содержит необходимую программную логику, обеспечивающую требуемый функционал.
Средство хранения данных (303) может выполняться в виде HDD, SSD дисков, рейд массива, сетевого хранилища, флэш-памяти, оптических накопителей информации (CD, DVD, MD, Blue-Ray дисков) и т.п. Средство (303) позволяет выполнять долгосрочное хранение различного вида информации, например, вышеупомянутых файлов с наборами данных пользователей, базы данных, содержащих записи измеренных для каждого пользователя временных интервалов, идентификаторов пользователей и т.п.
Интерфейсы (304) представляют собой стандартные средства для подключения и работы с серверной частью, например, USB, RS232, RJ45, LPT, COM, HDMI, PS/2, Lightning, FireWire и т.п.
Выбор интерфейсов (304) зависит от конкретного исполнения устройства (300), которое может представлять собой персональный компьютер, мейнфрейм, серверный кластер, тонкий клиент, смартфон, ноутбук и т.п.
В качестве средств В/В данных (305) в любом воплощении системы, реализующей описываемый способ, должна использоваться клавиатура. Аппаратное исполнение клавиатуры может быть любым известным: это может быть как встроенная клавиатура, используемая на ноутбуке или нетбуке, так и обособленное устройство, подключенное к настольному компьютеру, серверу или иному компьютерному устройству. Подключение при этом может быть, как проводным, при котором соединительный кабель клавиатуры подключен к порту PS/2 или USB, расположенному на системном блоке настольного компьютера, так и беспроводным, при котором клавиатура осуществляет обмен данными по каналу беспроводной связи, например, радиоканалу, с базовой станцией, которая, в свою очередь, непосредственно подключена к системному блоку, например, к одному из USB-портов. Помимо клавиатуры, в составе средств В/В данных также может использоваться: джойстик, дисплей (сенсорный дисплей), проектор, тачпад, манипулятор мышь, трекбол, световое перо, динамики, микрофон и т.п.
Средства сетевого взаимодействия (306) выбираются из устройства, обеспечивающий сетевой прием и передачу данных, например, Ethernet карту, WLAN/Wi-Fi модуль, Bluetooth модуль, BLE модуль, NFC модуль, IrDa, RFID модуль, GSM модем и т.п. С помощью средств (305) обеспечивается организация обмена данными по проводному или беспроводному каналу передачи данных, например, WAN, PAN, ЛВС (LAN), Интранет, Интернет, WLAN, WMAN или GSM.
Компоненты устройства (300) сопряжены посредством общей шины передачи данных (310).
В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное раскрытие осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.