ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ (ИРПГ)
GEOPHYSICAL POTENTIAL DIFFERENCE METRE

Измеритель разности потенциалов геофизический (ИРПГ) является функциональным измерительным прибором и предназначен для проведения геофизических исследований дифференциально-нормированным методом электроразведки (ДНМЭ), в частности к методам электроразведки для изучения геоэлектрических и поляризационных свойств земной коры. ИРПГ применяется для импульсных методов электроразведки на заземленных измерительных установках.
Известно изобретение «Устройство для поиска геопатических зон», патент RU №2169932, опубл. 27.06.2001, МПК G01V 3/02, которое в окружающей среде индуцирует магнитное поле и измерение локальных проводящих свойств участка земной поверхности, содержащий четыре электрода, с которых формируют несколько сигналов и передают через преобразователь входного сигнала на несколько аналого-цифровых преобразователя. Однако используется другая измерительная установка с рамкой, которая не может быть применена к предлагаемому ИРПГ.
Известно изобретение «Способ измерения действующего значения напряжения в электрических цепях переменного тока», патент RU №2298194, опубл. 27.04.2007, МПК G01R 19/02, который относится к измерительной технике и может быть реализован как аппаратными в аналоговом виде, так и программными средствами виртуальных приборов на базе персональных компьютеров, использующий метод непосредственного снятия интегральной функции, однако снимают один сигнал и затем осуществляют действие по интегрированию с задержкой на два различных фиксированных интервала времени, однако не формируют два сигнала, которые обрабатывают по разным каналам. Кроме того, данный способ используют для определения значения напряжения в электрических цепях переменного тока, что отличается от условий работы при геоэлектроразведке.
Известно изобретение «Способ геоэлектроразведки», патент RU №2002106846, опубл. 27.11.2003, МПК G01V 3/06, включающий возбуждение в каждой отдельной геометрической точке электромагнитного поля, измерение на базе между двумя крайними измерительными заземлениями мгновенное значение осевой разности электрических потенциалов, измерение с помощью расположенных вдоль профиля трех измерительных заземлений, и расчет четырех независимых от силы тока дипольного источника нормированных электрических параметра. Однако не формируют два сигнала и их последующее усиление и оцифровка по раздельным каналам. В известных измерителях осуществляют только формирование отношения этих двух сигналов и далее усиление и фильтрация одним каналом.
Известно изобретение «Устройство для морской электроразведки в движении судна и способ морской электроразведки», патент RU №2253881, опубл. 10.06.2005, МПК G01V 3/02, содержащее блок измерения сигналов, включающий многоканальное измерительное устройство с приемными электродами, однако формирование сигнала идет на основе отношения этих сигналов и далее усиление и фильтрация осуществляется одним каналом, что не позволяет повысить точность промежуточных действий, за счет того, что можно провести промежуточный анализ функций дифференциально-нормированных параметров поля еще до решения обратной задачи, оконтуривания и получения окончательного вывода.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению относится изобретение «Способ геоэлектроразведки», патент RU №2210092, опубл. 10.08.2003, МПК G01V 3/06, включающий возбуждение электрического поля с помощью питающих электродов, регистрацию и измерение на выходе коммутирующего устройства разности потенциалов между каждой парой соседних приемных гальваноемкостных электродов, и устройство, последовательно коммутирующее на две выходные клеммы соседние приемные гальваноемкостными электроды. Устройство может использоваться при инженерно-геологических изысканиях в сложных условиях заземления, позволяет производить измерения разности потенциалов (а иногда и возбуждение электрического поля) без гальванического заземления приемных (и питающих) электродов. Однако не является универсальным для наземных и морских измерительных установок, не может использовать как осевые, так и ортогональные установки. Устройство относится к электроразведке малых глубин и использует два несимметричных измерительных канала (с несимметричным входом) и один симметричный канал (с симметричным или дифференциальным входом). Однако не формирует два сигнала и их последующее усиление и оцифровка по раздельным каналам не позволяют повысить точность промежуточных действий, за счет того, что можно провести промежуточный анализ функций дифференциально-нормированных параметров поля еще до решения обратной задачи, оконтуривания и получения окончательного вывода.
В методе ДНМЭ электроразведки для изучения геоэлектрических и поляризационных свойств земной коры используются дифференциально-нормированные параметры, которые представляют собой отношение разностей потенциалов электромагнитного поля.
Требуется измерить разность потенциалов непосредственно в точках заземления и электрически преобразовать их с получением заданной временной функции дифференциально-нормированных параметров.
Необходимо обеспечить возможность измерения импульсных характеристик изменения первичного потока данных (разности потенциалов) и первичного поля в момент включения поля возбуждения. При этом требуется обеспечить возможность применения ИРПГ, для чего он и предназначен, для измерения на заземленных осевых и ортогональных (поперечных) измерительных установках. Кроме того, требуется обеспечить возможность работы с помощью ИРПГ как на суше, так и на море. При этом с минимальными дополнениями аппаратной части требуется обеспечить возможность работы ИРПГ в установках, предназначенных для работы не только с гальваническим заземлением, но и в установках с индукционными датчиками. Предлагаемое решение обеспечивает работу только на установках с гальваническим заземлением, однако при дополнении ИРПГ программно-измерительным комплексом становится возможным работа ИРПГ с установками, оснащенными индукционными датчиками, т.е. с незаземленными датчиками, что делает измеритель универсальным. Также при использовании установки с гальваническим заземлением использование специально разработанного программно-измерительного комплекса позволяет ИРПГ срабатывать точнее, поскольку на гальваническом заземлении задача непосредственного измерения характеристик поля более сложная.
При использовании ИРПГ требуется проследить все те погрешности, которые возникают в процессе измерения данных функций еще до получения измеренных кривых на мониторе ЭВМ и вовремя ввести корректирующие поправки, что позволит более детально учесть особенности измеренного поля и более подробно изучить геоэлектрические свойства разряда в данной среде, что до настоящего времени известные измерители не делали. То есть требуется осуществлять промежуточный анализ, который повышает точность промежуточных действий при измерении и позволяет при дальнейшей обработке измеренных данных выполнить более точный прогноз.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет достичь следующего технического результата:
- расширение технических средств для исследований дифференциально-нормированным методом электроразведки (ДНМЭ) геоэлектрических и поляризационных свойств земной коры;
- возможность непосредственного измерения первой и второй разности потенциалов;
- повышение соотношения сигнал/помеха;
- повышение точности промежуточных действий, за счет того, что появляется возможность провести промежуточный анализ функций дифференциально-нормированных параметров поля еще до решения обратной задачи, оконтуривания и получения окончательного вывода.
MN
MN
N
GND
N
GND
MO
NO
M
GND
O
GND
N
GND
O
GND
2
1
Заявленный технический результат обеспечивают за счет того, что измеритель разности потенциалов геофизический содержит преобразователь входного сигнала, снимающий прямые показания датчиков с заземлением, устройство управления, снабженное программным обеспечением, и канал передачи данных, включающий усилитель и аналого-цифровой преобразователь. Измеритель отличается тем, что преобразователь входного сигнала снимает по меньшей мере два показания в момент инициации поля с точек заземления датчика поля на одном разносе, установленного по меньшей мере в трех точках, расположенных продольно или ортогонально с гальваническими заземлениями, соприкасающимися с токопроводящей средой. Преобразователь входного сигнала содержит усилитель, который выполнен в виде операционного усилителя с высоким входным сопротивлением и соединен с первым и введенным дополнительно вторым каналами передачи данных, с которых по первому каналу передачи данных передают сигнал суммы с учетом знака первой разности потенциалов, измеренных между каждой крайней точкой заземления (М, N), и общей точкой заземления GND, относительно которой ведут измерения каждого датчика поля, по второму каналу передают сумму с учетом знака вторых разностей потенциалов, измеренных между каждой крайней точкой заземления (М, N) и центральной точкой О заземления датчика поля с учетом операционного коэффициента преобразования. Причем и первый и второй каналы передачи данных выполнены по идентичной схеме и содержат: первый предварительный усилитель, обеспечивающий компенсацию дрейфа нуля за счет введения опорного напряжения, относительно которого рассчитывают корректирующую поправку, усилительного тракта первого, обеспечивающего последующее усиление сигнала, который передают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) первый, и второй предварительный усилитель, обеспечивающий компенсацию дрейфа нуля за счет введения опорного напряжения, относительно которого рассчитывают свою корректирующую поправку, усилительного тракта второго, обеспечивающего последующее усиление сигнала, который передают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) второй, а АЦП обоих каналов передачи данных параллельно соединены независимо друг от друга с устройством управления, снабженным программируемым модулем, обеспечивающим управление соответствующего измерительного канала, причем устройство управления соединено с устройством сопряжения компьютера. Причем опорное напряжение для каждого усилительного тракта может быть либо своя, либо общая для всех усилительных трактов в зависимости от возможностей и условий работы. Измеритель снимает показания с датчиков, заземления которых соприкасаются с токопроводящей средой, которой является морская вода или почва. Для измерения используют приемно-измерительную установку типа дипольно-осевой или ортогональной, используют измерительные установки - морские или наземные. С помощью измерителя снимают прямые показания датчиков в виде аналоговых сигналов одновременно по меньшей мере в трех точках заземления в любом сочетании относительно общего для всей установки нулевого заземления GND. С помощью измерителя снимают прямые показания датчиков как вдоль заземленной линии, так и поперек заземленной линии в пределах допусков, равных ±30°. При сопротивлении среды ниже 10 кОм измерение измерения проводят без участия центральной точки заземления. При сопротивлении среды более 50 кОм измерение проводят с участием заземленного приемного устройства в общей точке с выводом на все разносы. Измеритель передает сигнал суммы с учетом знака, получая первую разность потенциалов U=U,равную разности потенциалов, измеренных между точками М и GND и измеренных между точками N и GND. Формула полученных функций при этом - φ U=(φU-φU)-(φU-φU). Измеритель передает сигнал суммы с учетом знака, получая вторую разность потенциалов Δ2 U, равную разности потенциалов, измеренных между каждой крайней точкой заземления датчика поля М и N и центральной точкой заземления О. Формула полученных функций - Δ2U=ΔU-ΔU=[(φU-φU)-(φU-φU)]-[(φU-φU)-(φU-φU)]. В измерителе операционный коэффициент преобразования равен /. В измерителе перационный усилитель имеет входное сопротивление более 100 МОм. Компьютер содержит процессор, снабженный программным обеспечением (ПО) для преобразования сигнала, полученного от программно-измерительного комплекса (ПИК) и отображения параметров геоэлектрических и поляризационных свойств земной коры.
Схема измерителя ИРПГ поясняется, но его работа не исчерпывается следующими чертежами:
на Фиг.1 показана схема электрическая функциональная;
на Фиг.2 показана схема подключения функционального блока «преобразователь входного сигнала».
На Фиг.1 показаны также точки заземления датчика поля на одном разносе (М, О, N) и общая точка заземления GND, где
М, О, N - точки заземления датчика поля;
1
ΔU - первая разность потенциалов между точками М и О;
2
ΔU - первая разность потенциалов между точками О и N;
Δ2U - вторую разность потенциалов.
Измеритель ИРПГ снимает показания с датчика поля (1) и включает преобразователь входного сигнала (2), в который включен операционный усилитель (5), по двум измерительным каналам (3 и 4) передает измеренные и преобразованный по заданным формулам сигналы, при необходимости введя операционный коэффициент преобразования. По каналам передачи данных (6 и 7), в которые входит соответствующий предварительный усилитель (8 и 9) и АЦП (10 и 11), измеренные функции параметров через устройство сопряжения с компьютером (12) отображают на мониторе компьютера и записывают в базу. Каналы передачи данных (6 и 7) независимо друг от друга управляются устройством управления (13), которое обеспечивает компенсацию дрейфа нуля и ввод необходимых поправок.
Измеритель ИРПГ является однофункциональным измерительным прибором, датчик поля - трехточечная заземленная линия (М, О, N), количество каналов измерения - 2. Питание ИРПГ осуществляется от источника постоянного тока с выходным напряжением от 10,5 до 15 В и током нагрузки не менее 1 А. Интерфейс для подключения к компьютеру последовательный (USB). Измеритель работает под управлением персонального компьютера и обеспечивает следующие основные функции:
- измерение, преобразование сигналов и передачу их в персональный компьютер;
- запуск измерений с помощью внешней синхронизации;
- установку коэффициентов усиления раздельно по каждому каналу;
- сдвиг уровня постоянной составляющей (балансировку) каналов.
Конструктивно Измеритель разности потенциалов геофизический ИРПГ входит в состав измерителя, аппаратная часть которого выполнена по многомодульной схеме и состоит из следующих блоков:
- блок измерительный «МОСТ», выполняет функции преобразования разностей потенциалов, балансировку каналов, усиление сигнала, аналого-цифровое преобразование, буферизацию данных, передачу данных в линию связи;
- адаптер линии связи «АЛС», служит для передачи и буферизации данных и команд между ПК и измерительным блоком МОСТ. Кроме этого, к АЛС возможно подключение источников синхронизации различных типов; для подключения модулей у АЛС имеется две ЛИНИИ СВЯЗИ, к каждой из которых может быть подключено до четырех двухканальных блоков МОСТ. Для подключения источников синхронизации имеется один вход с оптической развязкой и один вход, совместимый с уровнями RS232 (используется для подключения устройства синхронизации УС, а также содержит вход для перепрограммирования микрокода АЛС);
- устройство синхронизации «УС», служит источником синхросигнала для обеспечения совместной работы питающей и приемной аппаратуры. В качестве опоры используется сигнал со встроенного GPS. Устройство синхронизации выполнено в виде самодостаточного узла, не требующего подключения к ПК. Для совместной работы с другими частями аппаратуры УС снабжен тремя разъемами: GPS, RS232, КОММУТАТОР. Разъем «GPS» предназначен для подключения штатной GPS-антенны;
- антенна GPS.
Коэффициент усиления предварительного усилителя составляет (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64,128)±1%.
Компенсация 0 на предварительном усилителе обеспечивается за счет подачи постоянного напряжения, которое компенсирует сползание 0 (нуля). Это необходимо, т.к. разность потенциалов (первая, а, следовательно, и вторая) меняется за счет внешних полей, внутреннего дрейфа усилителей и функции разности потенциалов в точке измерения. Т.е. Компенсацией обеспечивают заданный динамический диапазон. Через программу (ПО) и ЦАП (цифровой аналоговый преобразователь) вводят корректирующую поправку, компенсирующую сдвиг 0 (нуля) в виде постоянного опорного напряжения, поданного на вход предварительного усилителя измерительного прибора.
Порядок подключения показан на Фиг.2.
ПО позволяет задавать параметры измерительного канала и параметры записи получаемых данных. При подключении к ПК измерителя ИРПГ возможно использование двух и более каналов, что зависит от аппаратных возможностей и ПО. В рассматриваемом случае два канала передачи данных позволяют задавать коэффициенты усиления раздельно для каждого измерительного канала, состоящего из предварительного усилителя, АЦП и коммуникаций.
Балансировка 0 (нуля) может быть периодической и балансировкой по необходимости.
ИРПГ выполняет следующие функции:
- сбор данных непосредственно с датчиков в виде аналоговых сигналов, преобразуя их в функции характеристик измеренного поля, изменяющиеся во времени и имеющие свои характерные конкретные значения в точках измерения в зависимости от свойств геоэлектрического разреза, оцифровывая их для дальнейшей обработки и анализа;
- программное обеспечение, в частности программа сбора, которым оснащен ИРГП, обеспечивает коммутационные функции связи с программно-измерительным комплексом (ПИК) и операционные функции измерителя;
- преобразование измеренных характеристик в цифровой код и передача в программно-измерительный комплекс;
- передача в программно-измерительный комплекс цифрового кода для дальнейшей обработки параметров геофизического разреза.
ИРПГ работает следующим образом.
Управление измерителем осуществляется программным путем с помощью портативного персонального компьютера. Результаты измерений преобразуются из аналогового сигнала в цифровой код и передаются в компьютер, где обрабатываются и используются в дальнейшем для изучения геоэлектрических свойств разреза.
Работа измерителя осуществляется следующим образом (см. Фиг.1): сигнал с датчика поля (1), в качестве которого используется трехточечная приемная (измерительная) установка с гальваническим заземлением, поступает на вход преобразователя входного сигнала (2). Входные цепи - измерительные каналы (3,4) выполнены на операционном усилителе (5) с высоким входным сопротивлением. В преобразователе входного сигнала (2) происходит формирование двух сигналов по формулам, представленным в описании. Далее сигналы поступают на два канала передачи данных (6, 7), выполненных по идентичной схеме. В предварительных усилителях (8, 9) производится компенсация дрейфа нуля усилительного тракта (балансировка) и усиление сигнала, АЦП (10, 11) преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Далее сигнал в отсчетах АЦП (10, 11) через устройство сопряжения (12) поступает в компьютер, где производится дальнейшая обработка сигнала. При этом устройство управления (13) обеспечивает ввод корректирующих поправок и введение операционного коэффициента преобразования по каждому измерительному каналу независимо друг от друга.
Отличительной особенностью измерителя является то, что производится формирование двух сигналов и усиление и оцифровка их раздельными каналами.
Рабочий режим включают после того как предварительные настройки выполнены, тогда начинает работать программа сбора сигналов с датчиков поля. На аппаратной группе должны быть осуществлены настройки УС - режим работы с GPS, период синхронизации, в частности 4 секунды, задержка, в частности 250 миллисекунд.
Таким образом, обеспечивается возможность непосредственного измерения первой и второй разности потенциалов, повышение соотношения сигнал/помеха за счет более детального изучения промежуточных показаний и повышения точности промежуточных действий. За счет того, что появляется возможность провести промежуточный анализ функций дифференциально-нормированных параметров поля еще до решения обратной задачи, оконтуривания и получения окончательного вывода, накапливается большая база данных, которая позволяет делать более точные выводы при изучении геофизических параметров.