BR112015023235B1 - Circuito compensação magnética; sistema de prospecção eletromagnética ativo de compensador; receptor em compensado; método para compensar a saída de um sensor magnético - Google Patents

Abstract

circuito compensação magnética; sistema de prospecção eletromagnética ativo de compensador; receptor em compensado; método para compensar a saída de um sensor magnético uma solução para compensação de um sensor de campo magnético para permitir a detecção de um pequeno campo magnético na presença de um grande campo magnético é revelada. um sensor de campo magnético detecta o campo magnético que produz um sinal analógico então codificado por um conversor analógico para digital (adc) em um fluxo digital. um controlador operando no fluxo digital incorpora informação adicional de sensor para criar o sinal de compensação que é enviado para um conversor digital para analógico (dac). este sinal de compensação então modifica a saída do sensor do campo magnético antes de ingressas no adc. a compensação é controlada por software, e adaptável a numerosas condições que requerem compensação. afora ser facilmente sintonizável, a compensação deve responder dinamicamente às condições em mudança. a invenção tem aplicação particular para monitoramento eletromagnético aéreo onde pequenos campos difusos da terra são medidos na presença de um campo grande transmitido.

Description

Campo da invenção

[001] A presente invenção se relaciona de modo geral à medição de campos magnéticos, e em particular aos métodos e aparatos para detectar de modo preciso a presença de um campo magnético disperso e Fraco na presença de um conhecido campo magnético mais forte. Em particular, concretizações da presente invenção se relacionam a métodos aperfeiçoados de monitoramento eletromagnético geofísico.

Descrição da Arte Relacionada

[002] A remoção do efeito de um conhecido porém indesejado campo magnético em um sensor geralmente é conhecida como compensação, e por vezes referenciada como bucking. Pode se considerar que a Compensação tem duas formas distintas. Na primeira forma, por vezes chamada bucking ativo, um campo magnético primário é cancelado sobre um volume de espaço ao criar um campo magnético secundário que está em oposição a ele. Na segunda forma de compensação, por vezes chamada bucking passivo, o efeito de um campo magnético detectado por um sensor é cancelado ao adicionar uma tensão à saída do sensor que está em oposição à saída do sensor.

[003] Pode haver diversas razões para se desejar remover um sinal grande de campo magnético de um sensor magnético. Em particular, ao remover uma grande parte do sinal, reduzindo, portanto o sinal medido pelo sensor, a faixa dinâmica eficaz do sensor pode ser aumentada, permitindo assim uma amplificação e resolução do campo que não seria possível de outra maneira. Razões adicionais podem incluir linearidade melhorada e redução da taxa de variação de ruído relacionado. Além disso, se a compensação faz com que os campos magnéticos na vizinhança sejam reduzidos, pode haver uma redução correspondente de ruído causada por indução atual de redemoinhos e magnetização induzida em componentes metálicos próximos.

[004] Para os propósitos desta invenção, um sensor magnético (H) pode ser um magnetômetro, como exemplificado por um SQUID, uma bobina de feedback, um fluxgate, um sensor de vapor atômico, ou dispositivo similar que seja diretamente sensível ao campo magnético, ou uma bobina, um loop ou elemento de circuito elétrico similar, que por virtude da lei de Faraday, seja sensível a variações com o tempo em densidade de fluxo magnético, ou qualquer instrumento com funcionalidade similar.

[005] Métodos de compensação encontraram seus caminhos para um número diverso de aplicações, uma das quais é a supressão de energia eletromagnética transmitida. Por exemplo, no documento GB 2438057A a Robertson, a transmissão de radiação eletromagnética por um sensor magnético é suprimida. Em outro exemplo, Paschen et al revela com suprimir o ruído de linha de transmissão em US 5,920,130A. Em um terceiro exemplo, Holmes e Scarzello usam um conjunto de três bobinas Helmholtz ortogonais para anexar um dispositivo elétrico em US 6,798,632 B1, também para suprimir radiação de frequência de energia emitida.

[006] Métodos de compensação também podem ser usados para controlar ruídos de campos magnéticos dentro de um volume, sendo comum que salas contenham dispositivos de imagem de ressonância magnética ou feixe de elétrons. Nestes casos, a corrente enviada pelas bobinas de Helmholtz cercam um volume a ser blindado. A compensação geralmente é alcançada pelo posicionamento de um sensor magnético dentro do volume blindado, o sinal do qual então é usado para gerar uma corrente nas bobinas e assim anular o campo no sensor. Este método é empregado no documento US5465012A a Dunnam, que usa três conjuntos de bobinas Helmholtz ortogonais para compensar um campo magnético uniforme interior às bobinas, como faz Kropp et al, no documento US 2011/0144953, que considera o caso de compensação para campos gradientes. Buschbeck et al, no documento US 2005/0195551, observa que em algumas aplicações envolvendo feixes de partículas, é difícil posicionar o sensor no volume onde o campo deve ser anulado, então dois sensores, posicionados em dois pontos, são usados para interpolar o valor de campo a ser cancelado. Gelbien no documento US 5,952,734 revela um aparato para manter um fluxo magnético constante em uma região ao empregar uma bobina energizada por um servo loop e controlada por um circuito de trava de fluxo e um sensor magnético. Um método de compensação que emprega ambas as bobinas e uma sala blindada magneticamente foi proposto por Buchannan no documento US 2004/0006267. Wallauer em EP 2259081A1 propôs um método de compensação de campo magnético com um sensor magnetoresistivo detectando o campo dentro das bobinas Helmholtz. A invenção de Wallauer divide o sinal de chegada de campo magnético em componentes de frequência alta e baixa complementares, com o componente de baixa passando por um conversor analógico para digital (ADC), um filtro digital, e então um conversor digital para analógico (DAC) antes de ser recombinado com o componente de alta frequência e passado pelas bobinas de Helmholtz.

[007] Farjadad é o documento US 2011/0292977 divulga um circuito de compensação baseado em ethernet para aplicações de perfilagem em que um sinal de modo comum é inserido em um controlador para gerar um sinal de compensação para aplicação em um sinal diferente. O propósito da invenção é pré-compensar o sinal diferencial para reduzir a interferência de efeito ou ruído ou desequilíbrio nos canais de comunicação.

[008] No campo de medição geofísica, onde a estrutura de condutividade da Terra é deduzida pelas medições de campo eletromagnético (EM), métodos de compensação são comuns. Um exemplo predominante desta compensação se encontra em um sistema de prospecção eletromagnética de fonte ativa. Em um sistema EM ativo, um transmissor energiza um loop ou bobina com uma corrente variável no tempo periódica (em constante repetição). Esta corrente cria um campo eletromagnético, tipicamente referido como campo "primário", que energiza o fluxo de corrente dentro da Terra.

[009] Esta corrente da Terra cria um campo eletromagnético "disperso" que é detectado por um receptor anexado ao sistema EM. Em muitos sistemas EM, o transmissor e o receptor são geograficamente configurados para que o campo primário tenha ordem de magnitude maior que o campo disperso. Em tais casos, é vantajoso empregar métodos de compensação para remover o quanto possível do campo primário dos sensores permitindo que campos dispersos menores sejam detectados.

[0010] Em muitos sistemas de fonte ativa, a compensação é implementada pela realização de um equilíbrio entre os campos primário e o secundário criado por uma bobina de bucking. Em fazê-lo, a rede de campo dos dois campos pode ser aproximadamente anulada no sensor.

[0011] Equilíbrio preciso do bucking com o campo primário é o melhor alcançado quando a geometria das bobinas é alcançada, assim como isto também conserta as indutâncias entre o transmissor e as bobinas de bucking, e seu acoplamento ao volume onde os campos serão anulados. Com a geometria das bobinas consertada, a compensação precisa em ponto único pode ser alcançada pelo posicionamento das bobinas de bucking em um circuito em série com a bobina de transmissão e ajustando os momentos das respectivas bobinas de modo que os campos magnéticos estejam na posição exata. Esta abordagem funciona melhor em casos onde os campos não são significativamente perturbados por outras fontes de dispersão, e onde a geometria da bobina é rígida. É particularmente eficaz quando o transmissor e bobinas de bucking estão em série e têm, portanto a mesma corrente em forma de onda, ao menos em frequências bem abaixo daquelas cuja de capacitância da bobina influencie significativamente a impedância da carga.

[0012] um exemplo de compensação é fornecido por Davydychev et al, que revela um aparato para ajuste da indutância mútua de um transmissor e bobina receptora no documento US 2010/0026280, tanto com uma bobina de bucking como com uma bobina de guarnição. A bobina de guarnição é inclusa para permitir que o campo da bobina de bucking seja ajustável, melhorando a qualidade da nulidade que pode ser alcançada. Outro exemplo é visto no campo de medição geofísica do solo, onde Bosnar no documento US 2009/0295391 A1 revela um instrumento para medir simultaneamente o campo magnético estático e a resposta eletromagnética (EM) variável-com-o-tempo do solo. Bosnar usa uma geometria rígida em que uma bobina de compensação do tipo Helmholtz usada para anular o campo eletromagnético primário variável com o tempo em um magnetômetro usado para detectar o campo magnética estático da Terra.

[0013] Pelas razões citadas acima, a compensação em geral é exigida em medição eletromagnética aérea (AEM) em que se emprega um loop transmissor de fonte controlado. Um exemplo de um sistema AEM empregando compensação é fornecido no documento US 2010/0052685 a Kuzmin e Morrison, que revela um aparato AEM flexível, comercializado como sistema VTEM AEM. No sistema VTEM, transmissor concêntrico e bobinas de bucking são centradas em um receptor. Bucking também é usado no sistema Aerotem AEM, em que uma geometria rígida é empregada, com compensação no último sistema AEM tendendo a ser mais eficaz que o anterior em razão da geometria de bobina rígida utilizada. O sistema de bucking mais estável de AeroTem versus VTEM é então obtido ao custo de peso extra, implicando uma maior despesa, e um quadro maior em que é mais caro enviar e reparar quando danificado. Um meio de compensar precisamente um sistema com geometria flexível seria uma vantagem.

[0014] O bucking de campo primário discutido acima permite que o receptor eletromagnético seja operado em ganho maior do que seria possível de outra forma em ausência de compensação, e permite que os campos dispersos da Terra sejam medidos com maior sensibilidade. Mesmo assim, sistemas de compensação empregados no estado atual da técnica em métodos AEM compensam apenas o campo primário do transmissor. Ainda assim existem outras fontes fortes de variação de campo magnético em diversas formas de ruído que também degradam a qualidade da medição e limitam o ganho do receptor. Estes incluem o efeito de rotação do sensor magnético no campo magnético estático da Terra, irradiava energia de linhas de energia e fontes culturais, e ruído esférico. Em casos onde um sistema EM está montado em um veículo metálico, tal como o sistema GEOTEM AEM, ou onde medições EM são feitas próximas ao condutor grande, como no mar, ou em uma mina na presença de condutividade e/ou minérios permeáveis ou infraestrutura, compensação que pode dinamicamente responder ao ambiente de condutividade em mudança seria uma vantagem.

[0015] Um efeito adicional que ocorre em alguns sistemas AEM operando no domínio de tempo ocorrem, pois a forma de onda da corrente do transmissor pode levar um tempo finito para se propagar pelo loop do transmissor, um efeito que pode ser notável no receptor quando o loop é rapidamente energizado com corrente. Nestes casos, a corrente em uma bobina de compensação montada em série com a bobina transmissora não pode estar em fase com a(s) corrente(s) no loop(s) do transmissor, portanto pode necessitar de correção.

[0016] Enquanto as bobinas de bucking se destinam a aumentar a qualidade dos dados de pesquisa AEM, estas mesmas bobinas podem agir como antenas e assim receber e retransmitir fontes de ruídos de fundo, criando uma fonte adicional de ruído no conjunto AEM de dados. Mais ruído pode ser causado pela alteração no engate da bobina a respeito do campo estático da Terra. Tais considerações não devem ser um fator onde o campo de bucking a se opor exatamente ao campo primário em frequências baixas o suficiente para que as capacitâncias da bobina não sejam um fator. Entretanto, na prática este exato cancelamento é difícil de ser alcançado e deve haver um sinal residual não cancelado como resultado, em particular em sistemas que não são rígidos. Seria, portanto vantajoso ter um sistema de bucking compacto, pequeno, que poderia responder a tais efeitos.

[0017] Além disso, em um sistema AEM como o proposto por Polzer no documento WO 2011/085462, onde o receptor está em uma plataforma de movimento isolado, o receptor pode traduzir ou girar com respeito ao transmissor, portanto abordagens padrões ao bucking que anulem o campo primário em um ponto singular podem ser ineficazes. Em tais casos, seria vantajoso separar o sistema de compensação do loop do transmissor e posicioná-lo com o receptor. É mais vantajoso neste caso criar um sinal digital de bucking com base nas informações enviadas ao módulo do receptor sem fio ao invés de confiar em uma configuração em série analógica. Tal configuração seria difícil de ser implementada para este sistema como uma conexão elétrica direta, assim como a conexão direta iria interferir com o isolamento do movimento.

Resumo da invenção

[0018] De acordo com a presente invenção, um sistema de compensação de campo magnético para supressão do efeito de um campo magnético grande em um sensor magnético é fornecido, ou sua saída, de modo a permitir detecção com maior sensibilidade de pequenas variações do campo, chamado aqui de "compensador". A invenção usa processo de sinais digitais para prever a compensação a ser aplicada. Um sensor magnético detecta um campo magnético como um sinal analógico, que então é codificado digitalmente por um conversor de analógico para digital (ADC). Este sinal é lido por um controlador e a hora é registrada. O controlador então transmite estes sinais a um computador de processamento de informações para processamento e armazenamento. O computador de processamento desenvolve uma previsão da forma de onda de compensação futura em um modelo que inclui dados recebidos do controlador. O computador passa a Forma de onda prevista de volta ao controlador. O controlador gera um sinal de compensação digital de saída (amplitude como uma função do tempo) que é enviado ao conversor digital para analógico (DAC) onde é convertido para formato analógico. O sinal analógico de saída do DAC gera o sinal de compensação que suprime o efeito do campo magnético maior, seja diretamente no sensor magnético ou em sua saída.

[0019] Em algumas realizações, entradas adicionais do sensor podem ser usadas para auxiliar na previsão do sinal de compensação. Nestas realizações, o controlador registra a hora dos dados de entrada do sensor e os transmite a um computador de processamento de dados para processamento e armazenamento. Estas entradas adicionais (ou auxiliares) do sensor são usadas pelo computador de processamento de dados em conjunto com as entradas supracitadas para desenvolver a forma de onda prevista. Em casos em que o campo magnético primário criado pelo transmissor de um sistema de prospecção eletromagnética deve ser compensado, dados do sensor auxiliar podem se referir à forma e amplitude da forma de onda da corrente do transmissor, e à configuração geométrica do loop do transmissor.

[0020] Em uma dessas realizações da presente invenção, o sinal de compensação é adicionado à saída analógica do sensor para suprimir o sinal analógico do campo magnético grande indesejado antes que seja digitalizado, melhorando assim a sensibilidade do DAC.

[0021] Em uma segunda realização, a corrente de compensação leva corrente a uma bobina que então é usada para suprimir a variação do campo magnético grande indesejado no sensor, permitindo assim que o campo menor seja detectado.

[0022] Em qualquer das realizações, as entradas de sinal podem incluir fluxos de dados emanados de sensores auxiliares dos quais a compensação para o campo magnético maior pode ser prevista. Os sensores podem incluir um monitor de forma de onda de transmissor, bobina e geometria de sensor e monitores de deslocamento, uma câmera, um magnetômetro, uma bobina de indução, um sensor de taxa angular, um acelerômetro, um inclinômetro e um GPS ou outro meio de instrumentação de geolocalização. Estes dados do sensor, assim como o fluxo de dados do próprio sensor magnético compensado, pode formar a entrada de dados cujo modelo preditivo ou de filtro pode ser usado para computar e assim suprimir o efeito de um grande campo magnético. A compensação pode ser aplicada ao campo primário de um transmissor eletromagnético, mas também pode ser aplicada a outros efeitos como linha de energia de campos magnéticos. Uma característica chave da invenção é que ela pode usar um modelo preditivo por software com entrada dos sensores para compensar adaptativamente as medições do campo magnético quando as condições assim permitirem.

[0023] A presente invenção deve ser implantada como receptor de um sistema de prospecção eletromagnética pela montagem dela em um gabinete adequado junto com uma fonte de energia e opcionalmente com sensores auxiliares para providenciar geolocalização, orientação e outros dados conforme possa ser exigido. Onde um transmissor não estiver presente, a presente invenção poderá então ser empregada como um receptor eletromagnético passivo em que o ruído da linha de energia ou o efeito de moção rotacional podem ser compensados. Onde um transmissor estiver presente, a presente invenção pode compensar pelo transmissor do campo primário. Isto pode ser feito ou por monitoração passiva da saída de corrente de forma de onda pelo transmissor, ou pelo monitoramento da forma de onda do transmissor que ativamente envia informação de controla da forma de onda ao transmissor.

[0024] A invenção tem diversos aspectos que representam melhorias no estado atual do ofício. Na prospecção geofísica, a invenção é aplicável aos métodos EM ativos onde a compensação de campos primários em geral é de suprema importância, a aos métodos EM passivos, onde dados compensados podem ser adquiridos em plataformas móveis ou na presença de ruído de linha de energia.

[0025] No que diz respeito às aplicações de prospecção geofísica a presente invenção tem a vantagem de ser em boa parte independente do hardware do sistema. Ao fornecer entradas de sensores adequadas com um modelo preditivo, por exemplo, a invenção pode ser aplicada a sistemas aéreos eletromagnéticos (AEM) possuindo geometria flexível. O modelo preditivo pode ser uma rede neural treinada ou formada enquanto o sistema AEM é removido do efeito de dispersão da Terra. A capacidade preditiva pode também ser empregada para proporcionar compensação que corresponda às posições de controles de superfície da aeronave. O elemento preditivo também é importante quando compensando por uma forma de onda primária periódica, como as latências do processamento do computador na aplicação do sinal de compensação podem ser acomodadas com atrasos de um ou mais períodos da forma de onda primária. Um modelo preditivo pode incluir entradas de sensores inertes, dinâmicas e cinemáticas para prever o sinal causado pela rotação de um sensor no campo magnético estático da Terra.

[0026] Outra vantagem da invenção é que a compensação pode ser feita em uma plataforma que é mecanicamente independente da antena transmissora, permitindo compensação em plataformas desenvolvidas para isolamento de moção, um exemplo do que é fornecido por Polzer et al na patente WO 2011/085462. Ao conectar digitalmente o sensor compensado ao controlador, o sensor pode ser posicionado longe do controlador, dispositivos periféricos, e qualquer ruído que eles façam. Assim fazendo, os requisitos de espaço e energia do sensor compensado são também minimizados, finalmente, a compensação pode ser disponibilizada a níveis muito baixos de energia tais como fornecidos por sistemas de bateria, permitindo o uso em plataformas onde grandes quantidades não estão disponíveis.

[0027] Um aspecto adicional da invenção é que a faixa dinâmica do sistema de medição é estendida ao se tomar vantagem da fidelidade intrinsecamente maior das DACs em comparação aos ADCs pela subtração de uma forma de onda análoga criada pelo modelo preditivo do campo magnético. No caso em que o sinal a ser compensado é periódico, o sinal de compensação deve ser previsto com uma latência controlada de modo que o sinal de compensação pode ser realimentado precisamente em um ciclo, ou um número de ciclos, de atraso. O sinal de compensação assim como o sinal compensado são registrados e a hora registrada juntamente com o sensor periférico de dados em que o sinal de compensação é modelado. O sinal não compensado deve então ser computado a partir destes registros.

Breve Descrição Dos Desenhos

[0028] A figura 1 mostra uma realização da invenção implementada para um simples sensor magnético. Linhas marcadas com uma barra denotam conduíte para dados digitais; setas indicam a direção de propagação de sinal;

[0029] A figura 2 mostra uma realização da invenção configurada para receber dados dos três sensores magnéticos;

[0030] A figura 3 mostra como a invenção pode ser configurada para compensar pelo campo primário de uma fonte controlada de forma de onda EM;

[0031] A figura 4 mostra como a invenção pode ser implementada em um sistema EM;

[0032] A figura 5 ilustra outra realização da invenção ilustrada na figura 1; e

[0033] A figura 6 ilustra outra realização da invenção ilustrada na figura 1.

Descrição de realizações preferidas da invenção atual

[0034] Uma realização preferida da invenção atual, ilustrada na Figura 1, proporciona compensação por meios de adição de sinais analógicos. A figura 1 ilustra o sensor magnético 100 que cria uma saída de sinal na linha analógica 101 a uma das entradas do adicionador 102. O adicionador 102 cria um sinal que é enviado em linha analógica 103 Onde é então convertido a formato digital por um Conversor Analógico para Digital (ADC) 104. O sinal digital é saído em link digital 105 a um controlador 106. O controlador 106 usa os sinais digitais de entrada nos links digitais 105 e 112 para computar e enviar um sinal digital de compensação em link digital 107 para um Conversor Digital para Analógico (DAC) 108 onde é convertido ao formato analógico. Os sinais digitais nos links 105 e 107 são também armazenados no dispositivo de armazenamento 114 via o link 115 junto com o tempo preciso, permitindo que o campo não compensado seja reconstruído matematicamente. O sinal analógico do DAC 108 é saído pela linha 109 para se tornar a segunda entrada ao adicionador 102. O controlador 106 também dá saída ao sinal digital recebido no link 105 a um computador 11 via o link 112.

[0035] Onde dados adicionais precisam formar um sinal de compensação, sensores auxiliares analógicos ou digitais 110 transmitem os dados ao computador 111 para armazenamento e uso na computação do sinal de compensação. O computador 111 também atualiza o modelo prevendo o campo magnético no sensor 100 usando entradas do controlador 106 e os sensores 110.

[0036] O citado computador 111 é adaptado para produzir um modelo computacional (ou digital) do campo magnético usando um algoritmo que substancialmente prevê o valor esperado do campo magnético com base no sinal digital primário, o sinal de compensação digital anterior e qualquer dado de sensor auxiliar, permitindo compensações para os seguintes efeitos comumente vivenciados em mensurações EM, inclusive, mas não limitado a: • campo magnético grande, repetitivo do loop do transmissor,• a velocidade finita da luz em um loop de transmissor,• a rotação do sensor magnético no campo magnético da Terra,• a alteração na indutância mútua do transmissor e circuito receptor,• variações no ruído harmônico, por exemplo em razão de linhas de energia e equipamento elétrico,• grande resposta da Terra quando um sistema de levantamento EM é energizado no solo ou próximo dele,• a resposta da água do mar,• a resposta de fundo de um sistema EM montado em um suporte contendo componentes metálicos, tais como: uma aeronave, onde a resposta de fundo é medida enquanto o sistema é removido da Terra,• a resposta do maquinário metálico ou partes de metais,• o campo magnético estático da Terra,• ou qualquer combinações dos acima.

[0037] Os dados digitais resultantes são transmitidos em link digital 112 ao controlador 106, e à unidade de armazenamento de dados 114 via o link 113.

[0038] O sensor magnético 100, adicionador 102, ADC 104 e DAC 108 constituem o pacote de sensor 150.

[0039] Os links digitais 105, 107, 112, 112 e 115 podem compreender uma conexão elétrica direta, uma conexão ótica, uma conexão infravermelha, uma conexão sem fio ou combinação destas.

[0040] Em outras realizações da invenção atual, sensores magnéticos adicionais 100 podem ser adicionado ao controlador 106 como requerido, e uma realização da invenção atual pode incluir dois, três ou mais sensores magnéticos 100 configurados em seus respectivos pacotes de sensores 150.

[0041] A figura 2 mostra o controlador 106 configurado para receber dados dos três sensores magnéticos 100a, 1000, 100c usando três realizações do pacote de sensor 150a, 150b e 150c. Os pacotes de sensor 150a, 1500 e 150c na figura 2 foram configurados para permitir aquisição de três componentes de dados eletromagnéticos.

[0042] No atual estado de técnica do ofício, a precisão obtenível de um DAC é aproximadamente uma ordem de magnitude mais precisa do que disponível de um ADC. Além disso, o sinal de compensação fornecido pelo DAC 108 é conhecido pela maior precisão em comparação com o sinal que pode ser lido de um ADC 104. Consequentemente, os sinais analógicos nas linhas 101 e 109 podem ser aproximadamente uma ordem de magnitude maior que o sinal analógico de saída na linha 103 sem a perda de resolução no ADC 104.

[0043] Oferecimento de links digitais, tais como 105, 107, 112 e 115 permitem que o controlador 106, o computador 111, ou ambos, sejam localizados ou remotamente, ou em plataformas separadas do sensor 100. Estas características são vantajosas, pois removem o sensor do ruído associado com equipamento de computação e permite que o pacote do sensor 150 seja compacto e leve. Em tais casos, o pacote do sensor 150 pode ser fisicamente separado dos outros componentes da presente invenção ao empregar meios sem fio de transferência de dados. Esta característica é particularmente vantajosa onde espaço e peso possam ser escassos nas proximidades do sensor.

[0044] Portanto, a invenção pode ser aplicada em métodos eletromagnéticos de perfuração (EM), onde um sensor 100 pode ser posicionado na broca onde espaço é escasso, em métodos aéreos onde o sensor deve ser montado ou em um drone ou em uma plataforma isoladora de movimento de modo que o peso deve ser escasso, ou em equipamento rotatório, em ambientes perigosos, explosivos, ou de alta pressão onde o pacote do sensor deve ser fechado e montado separado do computador 111 e controlador 106 por razões logísticas, mecânicas e de segurança. Em tais casos, onde um pequeno pacote de sensor 150 deve ser usado, a compensação pode ser providenciada via um link digital para se comunicar remotamente com o controlador 106 e quaisquer periféricos.

[0045] Onde campos primários fortes podem causar sinais falsos em razão da indução por componentes metálicos próximos ou loops do solo, a compensação via link digital possui a vantagem de remover o sensor 100 destas possíveis fontes de ruído, ou do ruído induzido ou gerado pela operação do próprio equipamento de computação.

[0046] As figuras 3 e 4 ilustram aspectos de uma realização da invenção para o caso onde ela é usada para compensar o campo primário em um sistema EM ativo. A figura 3 ilustra um receptor EM compensado 350, compreendendo o compensador. A figura 4 ilustra aspectos de uma realização da invenção em relação a uma fonte ativa típica EM de um sistema. Na realização ilustrada nas figuras 3 e 4, o transmissor e o compensador estão sincronizados, mas a sincronização dos dois não é estritamente necessária.

[0047] O sistema EM ilustrado na figura 4 compreende uma fonte de corrente de energização 400 que envia a corrente no cabo 401 para energizar o transmissor 402. Em uma realização da presente invenção, o transmissor aceita sinais de controle em linha 301 do receptor EM compensado 350. O transmissor 402 emite uma corrente no cabo 403 ao loop do transmissor 404. A corrente circulando em loop 404 cria um campo magnético detectado nos sensores magnéticos 100. A corrente do transmissor é medida e transmitida na linha de entrada 302 ao receptor compensado EM 350. Em algumas realizações da presente invenção em que o transmissor não está sincronizado com o compensador, nenhum ou ambas as linhas 301 e 302 podem não ser necessárias.

[0048] Referindo-se às realizações já mencionadas em que o transmissor e o compensador estão sincronizados, a informação de controle de tempo de forma de onda pode ser enviada ao transmissor 402 (figura 4) via linha de saída 301 (figura 3) do controlador 106, que forma uma parte do receptor EM compensado 350. A corrente de forma de onda resultante é enviada ao loop do transmissor 404 onde é medida na entrada 302 pelo conversos corrente para tensão 303. A saída analógica resultante emitida na linha de saída 304 é então digitalizada por ADC 305. O sinal digitalizado resultante é emitido no link digital 306 para processamento pelo controlador 106.

[0049] Nesta realização, pode-se tirar a média da forma de onda da corrente em vários ciclos para criar uma forma de onda exemplar que poderá ser usada para controle da saída de compensação do controlador 106. Assim, o sinal de compensação para o campo primário pode ser previsto com uma latência controlada de modo que por sinais periódicos o sinal de compensação possa ser realimentado precisamente com um ciclo de atraso. A forma de onda exemplar pode ser usada junto com os dados do sensor auxiliar, assim como providenciada por meios de imagens de câmera ou refletômetro, para prover um sinal de compensação ajustado para alterações na geometria do sistema EM.

[0050] Deve ser compreendido que aspectos da invenção em que a forma de onda da corrente é enviada ao compensador podem ser configurados diferentemente do que foi descrito acima. Por exemplo, o caminho de informação carregando as medições da forma de onda da corrente ao computador pela sequência de entradas 302, 304, 306 a 112 podem facilmente ser substituídas pelas entradas 110. Há numerosos modos de configuração da invenção para que ela controle e processe as entradas digitais; as figuras devem ser ilustrativas se algumas da miríade de possibilidade para configuração da invenção e não devem limitar o escopo das reivindicações. Por exemplo, em outra realização da presente invenção, o transmissor deve enviar informação de tempo de forma de onda diretamente ao receptor compensado EM.

[0051] Não é absolutamente necessário que o transmissor e o receptor EM compensado sejam sincronizados. Em outra realização da invenção; linha de sinal 301 ausente, o computador passivamente monitora a forma de onda do transmissor advinda da linha de sinal 302 pela linha 112. Ao invés de usar a linha de controle 301 para sincronizar o período e fase da forma de onda da corrente com o compensador, a forma de onda de chegada pode ser analisada no computador sobre uma janela de tempo em movimento para estabelecer o período e fase e uma forma de onda prevista. A forma de onda prevista resultante pode então ser comunicada ao controlador 106 que injeta o sinal de compensação no tempo sincronizado computado. Tal realização seria preferível como um acessório de botão do que um sistema EM existente já que permitiria a compensação sem nenhuma modificação ao transmissor.

[0052] Em uma realização relacionada, nenhuma das linhas 301 ou 302 estão presentes. Ao invés disso, o sinal não compensado pode ser analisado sobre uma janela de tempo móvel para estabelecer sua taxa de período e fase e assim derivar uma forma de onda instantânea prevista, por exemplo, usando uma média de tempo balanceada. A forma de onda prevista resultante pode então ser comunicada ao controlador 106 que injeta o sinal de compensação no tempo sincronizado computado.

[0053] Em adição às entradas auxiliares do sensor, provisões são feitas para aquisição de dados de geolocalização, tais podem ser adquiridos por GPS, Glonas, laser, barométrico, sonar e altimetria de radar, ou outra instrumentação de propósito similar. Dados de geolocalização são inseridos no computador 111 no link de dados 307, e então fundidos com o fluxo de dados a ser exportado no link digital 113.

[0054] Um sinal independente ou de GPS pode ser usado para possibilitar informação de tempo sincronizada para o transmissor e o compressor a partir de uma fonte externa. Em tal realização, a sincronização do transmissor e do compensador pode ser possível sem a linha de sinal 301.

[0055] Em outra realização da atual invenção, ilustrada na figura 5, o feedback do campo magnético é usado para compensar pelo campo magnético primário em lugar da tensão de feedback. Nesta realização, o pacote de sensor 550 substitui o pacote de sensor 150, em que uma bobina de feedback 503 em um sensor magnético 100 substitui a função da tensão de feedback fornecida pelo adicionador 102. Ao invés de usar tensão de feedback no adicionador, o sensor magnético 100 cria um sinal em linha analógica 101 que então é convertido para formato digital por ADC 104. O sinal digital é saído em link digital 105 ao controlador 106. O controlador 106 usa os sinais digitais de entrada dos links digitais 105 e 112 para enviar um sinal digital de compensação pelo link digital 107 ao DAC 108 onde é convertido ao formato analógico. O sinal analógico do DAC 108 na linha 109 é então convertido em corrente com um conversor de tensão para corrente 501. A corrente resultante circula no circuito 502, que compreende a bobina de feedback 503. A corrente na bobina de feedback 503 compensa pelo campo magnético no sensor 100 de acordo com o sinal digital emitido pelo controlador 106 para o link digital 107.

[0056] As realizações já mencionadas da invenção devem ser implementadas como parte de um sistema de prospecção eletromagnética. Elas podem ser usadas para compensar pela rotação do sensor magnético em um campo magnético estático, tal como o campo magnético da Terra. Além disso, o modelo de compensação para o campo magnético pode incluir o efeito do campo primário e o efeito de rotação do sensor, assim como quaisquer outros efeitos de campos magnéticos que podem ser necessários. Compensando pela rotação do sensor, as entradas auxiliares podem compreender uma estimativa do campo magnético total, tal como pode ser fornecido por um magnetômetro fluxgate ou alternadamente, uma estimativa do campo magnético do Campo de Referência Geomagnética Internacional (IGRF), e qualquer das orientações do sensor, tais como podem ser fornecidas por um giroscópio, sistema de referência e atitude e rumo (AHRS) ou instrumento de funcionalidade similar, ou um sensor de taxa de rotação angular, tal como pode ser fornecido pelo pareamento de acelerômetros. A teoria matemática para cálculo do sinal medido por um sensor magnético em rotação no campo magnético da Terra é conhecido no atual estado de técnica, um exemplo é fornecido em WO 2011/063510 A1 a Kuzmin e Dodds.

[0057] Outra realização da invenção ilustrada na figura 6. Nesta realização, as funções do controlador 106 e computador 111 da figura 1 são fundidas uma com a outra para se tornar um único computador-controlador 106/111. Assim fazendo, os links digitais 112 e 113 se tornam supérfluos, a entrada do sensor 110 e 307 interagem diretamente com o computador-controlador 106/111, e link digital 115 adquire a função adicional do link digital 113.

[0058] Em outra realização da invenção, a compensação pode incluir campos de linha de energia assim como forma de onda da corrente do transmissor. Em ainda outra realização da presente invenção, entradas podem ser de sensores detectando o movimento de maquinário em movimento ou peças metálicas, de modo a oferecer compensação eficiente para o campo magnético em razão do ferromagnético em moção e peças condutoras de eletricidade, tal como podem ser encontradas in ambientes industriais ou em uma aeronave.

[0059] Enquanto a invenção foi mostrada e descrita em termos de realizações exemplares, será compreendido que está invenção não se limita a estas realizações em particular, e que muitas mudanças e modificações podem ser feitas sem sair do verdadeiro espírito e escopo da invenção como definido nas reivindicações anexas.

Claims (14)

1. Um circuito magnético de compensação aditiva, composto de pelo menos um pacote de sensor (150) configurado para emitir um sinal digital primário, e um controlador (106) configurado para receber este sinal primário, computar um sinal de compensação digital, e então enviar este sinal de compensação digital ao pacote de sensor (150), em que este pacote de sensor (150) compreende:um sensor magnético (100) configurado para criar um sinal analógico primário por meio da detecção de um componente do campo magnético;um adicionador (102) configurado para receber o sinal analógico primário e produzir um sinal analógico secundário;um ADC (104) configurado para converter este sinal analógico secundário no sinal digital primário; eum DAC (108) configurado para converter este sinal de compensação digital em um sinal analógico terciário ao adicionador (102), caracterizado pelo fato de que o circuito magnético de compensação aditiva compreende um computador (111) configurado para formar um modelo do campo magnético previsto digitalmente, em que o controlador (106) no circuito de compensação importa o sinal digital primário, o modelo de campo magnético previsto digitalmente, e produz o sinal de compensação digital ao circuito de compensação.

2. Um circuito de compensação magnética de feedback, compreendendo de pelomenos um circuito magnético de compensação aditiva de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor magnético (100) é configurado para detectar a soma de um campo magnético primário com um campo magnético de compensação criado por uma bobina de feedback (503) para criar um sinal analógico primário; o pacote de sensor (550) compreendendo adicionalmente uma bobina de feedback (503) através da qual uma corrente de compensação flui para formar o campo magnético de compensação sobre o volume ocupado pelo sensor magnético; e um conversor de tensão para corrente (501) configurado para receber a tensão para corrente que recebe a referida corrente do sinal analógico secundário e energiza a bobina de feedback (503) com a corrente de compensação para criar o campo magnético de compensação emitido pelo controlador (106).

3. O circuito de compensação magnética de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um meio de armazenamento (114) que retém o sinal digital primário, o sinal de compensação digital e os dados de entrada de um sensor auxiliar.

4. O circuito de compensação magnética de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o modelo do campo magnético previsto digitalmente é computado em tempo real.

5. O circuito de compensação magnética de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de o modelo previsto digitalmente do campo magnético é computado a partir de entradas ao controlador (106) selecionado do grupo de: uma saída de sinal digital primário pelo circuito de compensação magnética, uma saída de sinal de compensação digital pelo controlador (106) no circuito de compensação, saída AHRS, saídas de transdutor de taxa angular, saídas do monitoramento de corrente, saídas de magnetômetros de campo estático, saídas do temporizador e combinações destas.

6. Um sistema de prospecção eletromagnética de compensador ativo que compreende um circuito de compensação magnética de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a forma de onda atual do transmissor em um sistema de prospecção eletromagnética é medida por um conversor de corrente-para-tensão para produzir um sinal analógico de saída, este sinal analógico sendo digitalizado por um ADC para entrada no controlador do compensador magnético.

7. O sistema de prospecção eletromagnética de compensador ativo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato deque o compensador magnético compensa o campo magnético primário do transmissor.

8. O sistema de prospecção eletromagnética de compensador ativo de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 e 7, caracterizado pelo fato de que o controlador (106) no compensador magnético envia informações em forma de ondas ao transmissor

9. Um receptor EM compensado constituído de um circuito de compensação magnética de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, , caracterizado pelo fato de que o compensador magnético é montado em um gabinete transportável com uma fonte de energia.

10. O receptor EM compensado de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a corrente ondulada do transmissor em um sistema de prospecção eletromagnética é medida pelo conversor de corrente (303) para voltagem para produzir um sinal de saída analógico, tal sinal analógico sendo digitalizado por um ADC para entrada no controlador do compensador magnético.

11. Um método para compensar a saída de um sensor magnético (100), respondendo à mudança no campo magnético primário, que compreende as etapas de: A) medição de um componente de campo magnético, para criar o sinal analógico primário;B) criação de um sinal analógico secundário somando o sinal analógico primário com um sinal analógico terciário utilizando um adicionador (102);C) converter o sinal analógico secundário em um sinal digital primário com um ADC (104);D) inserção do sinal digital primário em um controlador (106) via links digitais;E) computar um sinal de saída digital com o controlador (106), enviando o sinal de compensação digital de saída via link digital; eF) converter o sinal de compensação digital de saída em um sinal analógico terciário por um DAC (108), produzindo o sinal analógico terciário ao adicionador (102); caracterizado pelo fato de que na etapa E um computador (111) utiliza o sinal digital primário e um sensor auxiliar de entrada para formar um modelo previsto digitalmente do campo magnético, em que o controlador (106) importa o sinal digital primário, o modelo do campo magnético previsto digitalmente, e saída do sinal de compensação digital.

12. O método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a transmissão dos sinais digitais ocorre por meio de conexões elétricas diretas, uma conexão ótica, uma conexão infravermelha, uma conexão sem-fio ou combinação destas.

13. O método de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 e 12, caracterizado pelo fato de que após a etapa E um meio de armazenamento (114) retém o sinal digital primário, o sinal de compensação digital e os dados do sensor auxiliar.

14. O método de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que o sinal analógico primário é criado com a detecção de um componente de superposição de um campo magnético primário e um campo magnético de compensação de uma bobina de feedback (503); em que o método compreende adicionalmente conversão do sinal analógico secundário em uma corrente de compensação por um conversor de tensão a corrente (501); e envio da corrente de compensação para a bobina de feedback (503) de modo a criar o campo magnético de compensação que se opõe ao campo magnético primário e é emitido pelo controlador.

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