CN1240941A

CN1240941A - 找水用地下磁流体检测方法及检测仪

Info

Publication number: CN1240941A
Application number: CN98112538A
Authority: CN
Inventors: 黄采伦; 应文亮
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2000-01-12
Anticipated expiration: 2018-06-30
Also published as: CN1130573C

Abstract

本发明涉及一种寻找地下水源的检测方法及检测仪。它解决了找水物探仪器观测结果多解性的问题。它是由插入地表的探针将检测的电磁场信号经阻抗变换、量程调节放大以及选频网络选频检测不同的大地电磁场信号,提取动态信息,确定导水断裂带的分布,然后根据选频频率确定井深,用动态信息的幅值和频率定性分析地下水流大小。它具有简单适用,探测结果唯一、精度高的特点。适用于供水、水利工程、矿山防治水等方面使用。

Description

找水用地下磁流体检测方法及检测仪

本发明涉及一种寻找地下水源的检测方法及检测仪。

目前地面物探方法找水首推电法，其次有放射性探测法及测量地层磁分量的甚低频法，上述方法的共同点是用寻找固体矿产的物探方法应用在找地下水上。地面仪器测量值反映的是地质体物性综合值，属于静态信息，这个物理量所显示的是地下的那种固体矿产或地下水全凭解释者的主观经验。所以上述方法的找水成功率只有40％-50％，其根源在于物探曲线的多解性。

本发明的目的在于提供一种能准确探测地下水资料的检测方法及检测仪。

本发明是用如下方式完成的：

本发明地下磁流体检测仪解决了找水物探仪器观测结果多解性的问题，由多解性跃进到唯一解，大大提高了打水井的命中率和成井率，降低水源勘探成本，大大提高了经济效益。该方法简单实用、仪器体积小，成本低、极距可调，其定井精度高达一米以下，可独立操作定井，也可通过串行口与上位机(普通PC机)连接进行井位和井位深度及成井出水量等的宏观分析。它可测量堤坝渗漏，地下管线探测及岩洞探测，在0-300米以内有效。在供水、水利工程、矿山防治水等均可使用。

图1是地下导水断裂带截面示意图及检测仪使用示意图

图2是本发明检测仪电路方框图

图3是本发明检测实施例一电路原理图

图4是本发明检测实施例二电路原理图

图5是本发明检测实施例三电路原理图

图6是本发明按三种不同频率测得的地表电场分部图

图7是本发明探针在地表分布图

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

岩层中的地下水在重力的作用下与岩层进行物质交换与能量转换，形成由补给、径流、排泄三部分组成的地下水流动系统。地下水是分布最广的良性导体，根据电磁感应定律，地下水系统在地磁场中持续运动，产生复杂的电磁感应成为磁流体，不同深度的磁流体向地面反馈瞬变电磁波的场，在地面其形状与地下水流动系统相匹配。因此只要测得在地表的瞬变电磁波的分布场，就可以找到地下水流动系统的分布；这样一来，定井就不再是一件难事了。地下不同深度的地质体中只有流动的地下水向地面反馈瞬变电磁波，因此物探成果解释的唯一性也就勿容置疑了。

本发明检测方法的理论依据是磁流体理论。如图1所示是地下导水断裂载面示意图和检测仪使用示意图，图1中，B为地磁场在正交方向的分量，V为断层中流体的流动方向，据电磁感应定律，就会在E方向产生一个交变的感应电动势。这样，检测仪便通过探针A1和A2检测到交变的感应电动势(地下水的动态信息)。本发明找水用地下水磁流体检测方法是按一定的间隔将探针插入地表检测大地电场信息，经阻抗变换电路和量程调节及放大电路后，用中心频率可变选频网络检测下同频率的大地电场幅值，当发现电场幅值为动态信息时，即可确定该处地下有导水断裂带存在，并定井位，然后根据选频频率确定井深，用动态信息的幅值及频率评估地下水流大小。该方法检测到的地表电场分布信息，包括静态信息和动态信息两部分。静态信息反映的是地质体形态变化的综合值，对导水断裂带的分析及地下岩层探测有用，而动态信息(包括其变化的幅值及频率两个因素)反映地下磁流体的变化规律及变化范围，这是找水定井方面极有应用价值的信息，在分析静态信息时，考虑动态信息的影响，在处理动态信息时，考虑静态信息的约束。对测量数据的分析处理方法是由于电磁波中电场和磁场的振动方向是相互垂直的，而振动方向与波的传播方向也是相互垂直的，因此地面检测点(距大地电场的场源较远的地方)可视大地电场的瞬变电磁波为平面波，它垂直于地面，变化规律服从马克斯韦尔方程组，故仪器探测深度的理论公式为

，式中ρ为岩层视电阻率(Ω.m)，f为选频工作频率(HZ)，h为探测深度(m)，从公式可知，对于某一测量点来说，视电阻率ρ是定值，当频率f越低，穿透深度就越深，通过改变选频来这到改变勘探深度这一目的，视电阻率式中：f为测量时的工作频率(HZ)，EX和HY分别为测量点的电分量和磁分量，但可通过测量不同频率下的电分量，再利用电分量EX与视电阻率ρ的关系，可以定性说明获得异常高阻体还是低阻体，这就是本方法异常曲线定性解释的基本原理。

本发明检测仪的电路方框图如图2所示，它是由按一定间距将探针A插入地表检测大地电场信息，经电容C耦合至阻抗变换电路1，输出至量程调节及放入大电路2进行信号放大后，送至中心频率可变选频网络3，输出至信号处理及显示电路4，进行阻抗变换的作用是避免不同检测点大地表面阻抗不一的影响。量程变换是解决不同地区的大地电场信号强弱不同的问题。图3、图4、图5是本发明检测仪三个实施例电路原理图。

实施例一：如图3所示：检测仪是由探针A1及A2检测到的大地电场信号，经是容C1耦合到由场效应管BG1及外接电阻、电容构成的阻抗变换电路1，输出经三极管BG2组成的射极跟随电路，输出经电容C3耦合到IC3A(TL064低功耗器运放)及外围元件组成的量程变换放大及50HZ陷波器，图中W1电位器用于变化量程范围，由电阻R7、R8、R9及电容C5、C6、C7组成50HZ的双T型滤波器，用于在有动力电缆经过的地区测量时，抗工频干扰，在不需要抗干扰时，图3中的开关K1接通，放大后的大地电场信号经电容C8耦合到由电子开关IC1、IC2、IC4(CD4051)和运放IC3B、IC3C及外围电阻、电容组成的中心频率及Q值八档可调的带通滤波器，经带通滤波器送出的的规定频率的大地电场信号经电容C26耦合到运放IC3D及二极管组成的整流电路，整流后的大地电场信号的直流幅值送直流毫伏表MV指示，电位器W2用于开机无信号输入时给毫伏表调零。该实施例的选频网络实质是一个中心频率可调节的带通滤波器，它的作用是从复杂的大地电场信号中选出规定频率的信号，将其他频率信号加以抑制，检测仪便可检测到大地电场中某一规定频率的信号幅值。以图1的断裂面为例说明其检测方法：(1)将探针按图上A1及A2的位置放置测量时，毫伏表所指示的幅值低且伴有指针左右摆动的现象(即动态信息)，摆动幅度时大时小；(2)将两针置于图中A2的右边测量时，毫伏表所指示的大地电场幅值比(1)中稍高一些，但指针没有摆动现象；(3)将两针置于图中A2的左边测量时，毫伏表所指示的大地电场幅值比(1)和(2)中的都要高一些且不摆动。测量结果说明：在探针A1和A2之间有一导水断裂带存在，由于导水断裂带呈低阻态(水是良性导体)，故测量得的大地电场幅值低，动态信息(即指针左右摆动的现象)，说明该断裂带中有地下水流动系统流过；探针A1处于其左边是基岩，呈高阻态，故测得的幅值高；探针A2处及其右边的基岩下沉后，上面重新填满松士层(因松土层含有大量的水分)呈低阻态，故测量得的电场幅值稍低。这样，我们在A1与A2之间采用“蛙跳式”探针移动法进行测量，可将定井精度提高到1米以下，在确定井位之后，再进一步来测量并估算需打井深，这时仍然在图1中的A1与A2之间进行测量，测量时通过切换选频网络中不同的RC滤波电路，分别对大地电场中不同频率的信号进行测量，找出动态信息所在的频率范围，于是根据电磁波的传输特性即估算出需打井孔的深度。

本实施例二，如图4所示，检测仪电路，探针A1、A2测到的大地电场信息号经C1耦合到阻抗变换电路，阻抗变换电路由场效应管BG1、电阻R1-R5和电容C1、C2组成，经阻抗变换后的信号经R6、R7分别送IC3及IC4两个高精度、低功耗、快速比较器(TL3016)，IC1及IC2为四数控电位器(X9241)，它具有存储或单片机直接读出滑动端抽头的数字化位置、支持二线串行通讯协议等新特性，这样使得仪器的电路结构及软件编程都简单化了，省掉了A/D的复杂性，由于对数控电位器的电路连接采用软件游标串联技术连接及控制，使比较精度提高到0.15mV(完全满足测量要求)；WY1为精度稳压电源MOC1403，用于提供两个数字电位器的高端参数电压；8个LED数码管及键盘通过晶体管陈列(ULN2803)IC6、电阻R9-R17与单片机IC5的PO口、P2口及P1.3连接，构成显示键盘扫描电路，显示及键盘采用动态扫描方式；IC8-IC15等8串行存储器与单片机的P1.4、P1.5组成本仪器的测量数据存储器，每片串行存储器的存储量为2048个bit字节。因此，仪器的总存储量可达8×2048＝16384个字节，足够存储仪器野外采集一天从上的数据；仪器的控制核心选用AT89C51单片机，其引脚及指令系统与通用的MCS-51系列单片机兼容，但它是一种内部自带4K程序(不用扩展)的低功耗CMOS芯片，非常适合本仪器选用。

检测仪的工作过程如下：大地电场信息通过探针A1、A2检测，经场效应管BG1(3GJ6)及外围电路进行阻抗变换，然后分别送比较器IC3的反相输入端和比较器IC4同相输入端；IC3同相输入端和比较器IC4反相输入端分别由两片四数控电位器IC1和IC2提供比较电压，这样当单片机的 INTO产生中断，说明检测信号大于IC1的设定值，当 INTI产生中断时，说明检测信号小于IC2的设定值，单片机的软件通过由P1.0及P1.1构成的二线串行总线，调节IC1及IC2的设定值，直至 INTO、 INTI均不中断为止，这样，说明检测值在IC1及IC2的设定值之间，单片机由二线串行总线读出IC1及IC2的设定值(即数控电位器的滑动端的数字化位置)，经软件计算很容易得出检测信号的幅值。如果需要测量此时的信号频率，则可将检测的信号幅值取中间值后，用于重新设置IC2数控电位器，使用IC4形成一个类似的过零比较器(即将检测信号变为脉冲信号)，关中断用T1计数器对IC4输出的脉冲进行计数，便可测出此时信号的频率。每完成一次测量之后，单片机将所测的电压值及频率值送显示(高4位显示电压值，低4位显示频率值)，同时将电压值及频率值通过P1.4、P1.5构成的二线串行总线送串行存储器中。

检测完毕后，我们可通过键盘调出每次测量的数据进行作图分析，仍以图1的断裂面为例进行检测说明：(1)如将探针置于图1中的A1处及左边，仪器通过软件自动调节数控电位器IC1及IC2的设定值，根据 INTO及 INTI的中断情况判断检测信号的幅值范围，这样单片读出IC1及IC2的设定值，便可计算出所测信号的幅值E1，此时的幅值E1无周期性变化现象，故这里不需对信号进行频率检测；(2)将探针置于图中A2处及右边。按(1)中方法测得电场幅值E2，E2＜E1且无周期性变化现象，故不进行频率测量；(3)将两探针置于图1中的A1及A2处测量，仍用(1)的方法测得大地电场幅值E3，这时发现：E3＜E2＜E1，且存在周期性变化现象，通过键盘改变仪器的测量方法，将正进行的幅值测量改为频率测量，即仪器将前面测得的电场幅值的中间值用于设定IC2的值，使IC2及IC4构成一个给定基值的比较器，此时IC4输出的信号即为与大地电场信号同频的脉冲信号，单片机关掉中断，通过T1引脚对脉冲信号进行定时计数，便可测到此处大地电场信号频率F3，根据以上检测结果E1、E2、E3及F3进行分析可知；A1及左边属基岩，A2及右边的的基岩下沉.A1与A2之间有一导水断裂带，由动态信息表明该导水断裂带中有流动的地下水系统存在，然后按方案一中的“蛙跳式”移动探针的方法定井位，根据测得的电场频率F3估算出需打井的深度即可。

实施例三，如图5所示，它能对数据测量与处理基本实现智能化。

该实施例检测仪能对5-240米范围的大地电场进行自动检测，可配2-12极探针，由IC1以及IC2两片CD4051八选一电子开关进行切换；12根探针可同进使用，采用自动巡回监测大范围的大地电场变化，也任选其中2根(或更多)探针进行定位测量；IC1的X7及IC2的Y7接仪器公共地，用于仪表每次用时的自动校零，如果零位偏移，则自动引入修正值；IC1及IC2的X6及Y6用于工作电源自动监测，当发现仪器所使用的电池欠压时，自动提醒用户更换电池，避免因电池电压不足引起的测量误差。IC1的X0-X5及IC2的Y0-Y5等12个端子可接2-12根(1-6对)探针(由用户根据测量范围决定)，与IC1及IC2相接的每6根探针的任意2根可由用户通过键盘选择使用也可在12根(6对)探针中按设定的顺序循环检测。这个控制由单片机通过P1.2、P1.3及P1.4三根口线及IC3串入并出移位寄存器(IC3A控制IC1切换，IC3B控制IC2切换)来完成。检测到的大地电场信号由IC1的X端及IC1的Y端输入到由3DJ及外围元件所组成的阻抗变换电路，IC6四数控电位器的，POT3对经阻抗变换后的信号进行分压(设有0-63档分压比电可由单片机数控调节)实现检测信号的量程变换，分压后的大地电场信号经电容器C4耦合到由IC4、IC5、IC6的POT2及外围电阻电容组成的放大、50HZ的工频陷波器及数控选频网络(增益中心频率及Q值均可由单片机数控调节的带通滤波器。选出规定频率的大地电场信号经电容器C11耦合到单片机的P1.0端(即单片机AT89C2051片内精密比较器的同相输入端，IC6四数控电位器的POT0、POT1两个数控电位器用于提供单片机AT89C2051的片内比较器的反相输入端P1.1的基准电压。IC6的POT0将精密稳压器IC7的输出电压分压后作为IC6的POT1的高端电压，IC6的POT1数控电位器的滑动端抽头接单片机的P1.1端。仪器的控制核心为AT89C2051单片机，它是一种自带2K字节闪速存储器的低电压、高性能CMCS八位微控制器，采用DIP2G封装，与工业标准的MCS-5TTM指令集和输出管脚相兼容，且片内设有一个精确的模拟比较器(P1.0及P1.1分别为片内精密比较器的同相输入端和反相输入端，P3.6为比较器的输出端)，该CPU为本仪器提供了一条灵活性高且价廉的方案。单片机的P1.5及P1.6构成二线制串行总线实现对数控电位器IC5及IC6的控制及IC11-IC16六片串行存储的写入与读出；显示部分采用LCM液晶显示摸块SMS1204，其工作电压为：3.5-5.5V，典型工作电流仅为1mA，内部自带锁存，与单片机采用标准的串行口连接；由于仪器的显示及232通讯接口不是同时使用，因此显示与通讯分时共用单片机的串行口；通常状态下，串行数据送显示；通信状态下，显示模块显示并锁存提示字符，然后由P3.7输出高电平禁止显示数据输入，单片机通过IC9(ICL232)与上位PC机的RS-232接口建立串行通信连接，以实现检测数据的读取或监控监测工作。仪器的键盘设置为中断扫描键盘(P1.7、P1.2、P3.3、P3.4及D3.7和IC10组成)，P3.7及P1.7兼作扫描输出，P3.3及P3.4作扫描输入；扫描键盘时，P3.7及P1.7输出高电平，任一键按下均可使 INTO(P3.2)产生中断，中断时读P3.3及P3.4两根口线的电平即可得知键值；检测仪的工作状态选择及各种参数的设置均通过键盘完成。检测仪的工作状态及所用探针由用户通过键盘设定，检测到的大地电场信号由X及Y端进入阻抗变换电路，转换后的信号经量程调节、放大、陷波及选频电路后送单片机的片内比较器的同相输入端P1.0，片内比较器的输出端为P3.6，当P3.6的电平由高翻转为低时，说明检测信号的幅值小于数控电位器(IC6的POT0及POT1)的设定值，这样通过P1.5及P1.6调节数控电位器(即改变片内比较器反相输入端的比较电压值)，使P3.6的电平由低变高，单片机通过P1.5及P1.6读IC6的POT0及POT1两个数控电位器滑动端的数字化位置，即可知道片内比较器翻转前后的比较电压，使可容易计算出检测信号的幅值。如果有动态信息出现，需检测其频率时，可按方案二中的方法，将信号幅值的中值于设置比较器的基值，定时检测P3.6输出的脉冲个数即可测出大地电场信号的频率，每次检测结果自动存入IC11-IC16的串行存储器，上位可通过RS-232口读出检测结果进行分析、计算，作出导水断裂带分布图，动态信息图等，如果用于找水，还可计算出井位、井深及成井预测出水量等参考数据。仪器还可以在上位PC机的监控下进行测量，这对野外使用手提电脑进行测量非常有益；在该工作状态下，仪器的LCM液晶显示器上显示一个提示信息，仪器的其它操作及参数均由上位机通过键盘进行控制或设置；测量数据不再送仪器的串行存储器，而是以数据文件格式直接存入上位PC机的硬盘或软磁盘中；测量结束，上位机便可根据需要作出导水断裂带分布图或动态信息图及计算出其它所需要的数据。

该检测仪对静态信息和动态信息的测量采用智能化方法，它能对静态信息自动改变采样周期长间隔采样，而对动态信息则高速采样，保证了测量数据的准确性。图6所示为磁流体检测仪测得某地的地表实际电场分部图，测量时，按图7将X组和Y组的12根探针分为6对(X0Y0，X1Y1，X2Y2，X3Y3，X4Y4，X5Y5)，每对探针的极距均定5米，仪器工作在巡回检测方式，对6对探针所对应的6个检测点巡回检测。在通带频率为f1时，检测的大地电场幅值分别为：A1、B1、C1、D1、E1、F1；在通带频率为f2时，检测的大地电场幅值分别为A2、B2、C2、D2、E2、F2；在通带频率为f3时，检测的大地电场幅值分别为：A3、B3、C3、D3、E3、F3，在巡回检测中发现D1的值呈周期性变化，这时将仪器的通带频率定为f1，在图7中的X3和Y3之间采用“蛙跳式”移动探针的方法进一步测量，发现只在图7中的M处出现动态信息，改变测量方法，测出该处动态信息的频率F；测量到此为止。按普通物探方法在A、C、D三处均定井，究竟定在哪一处全凭解释者和主观经验。在本方法中，我们采用静态信息与动态相结合的原则，将井位定于M处(理由是：虽然A、C、D三处都是呈低阻态，但可能是岩层间或导水断裂带中的泥沙、静水等因素造成，M处存在动态信息，表明该断裂带中在较深处有地下水流动系统)。图6为按三种不同频率测得的地表电场分部图，由图6可见M处只有在频率为f1时有动态信息出现，根据电磁波在不同物体中的穿透能力，由前述的公式即可估算出钻井深度；动态信息的频率F反映地下水流动系统的变化规律，用于分析定井质量。

Claims

1.一种找水用地下磁流体检测方法，其特征在于按一定间距将探针插入地表检测大地电磁场信息，经阻抗变换电路和量程调节及放大电路进行信号放大后，用中心频率可变选频网络检测不同频率的大地电磁场信号，提取其中的动态信息，确定导水断裂带的分布，然后根据选频频率确定井深，用动态信息的幅值和频率定性分析地下水流大小。

2.一种找水用地下磁流体检测仪，其特征在于是由插入地表的探针经电容构成耦合至阻抗变换电路1，输出至量程调节及放大电路2进行信号放大后，送至中心频率可变选频网络3，输出至信号处理及显示电路4。

3.根据权利要求2所述的找水用地下磁流体检测仪，其特征在于检测仪是由探针A经电容耦合到由场效应管BG1及外接电阻、电容构成的阻抗变换电路1，经三极管BG2跟随电路输出至由运算放大器IC3A和可调节电阻W1构成的量程调节及放大电路2，经电阻、电容构成的双T型滤波电路输出至由电子开关IC1、IC2、IC4和运算放大器IC3B、IC3C及外接电阻、电容组成的中心频率及Q值可调的带通滤波电路3，输出频率信号至整流电路，整流后的信号接直流毫伏表MV构成的信号处理及显示电路4。

4.根据权利要求2所述的找水用地下磁流体检测仪，其特征在于探针A经电容耦合到由场效应管BG1及外接电阻、电容构成的阻抗变换电路1，输出至两路由数控电位器和运算放大器组成的比较电路输出至单片机和由单片机的内部软件构成频率可变选频网络3，将检测和计算信号的幅值及频率送由数码显示电路和串行存储器构成的信号处理及显示电路4。

5.根据权利要求2所述的找水用地下磁流体检测仪，其特征在于由单片机和IC8经两路移位寄存器IC3A和IC3B输出控制电子开关IC1、IC2，在电子开关IC1、IC2上分别接X组和Y组探针，由电子开关IC1、IC2输出经由场效应管BG1和电阻、电容构成的阻抗变换电路1输出至四数控电位IC6和四运算电路IC4对经阻抗变换后的信号进行分压和放大构成量程调节及放大电路2，输出至由四数控电位器IC5、IC6单片机IC8构成中心频率可变选频网络3，选出规定频率信号的幅值及动态频率送数码显示电路及串行存储器构成的信号处理及显示电路4。