KR900000625B1 - 디지탈 유도 탐사방법 및 탐사 공구 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

디지탈 유도 탐사방법 및 탐사 공구

제1도는 시추공을 탐사하기 위하여 설치한 디지탈 유도 탐사 장치의 도해도.

제2도는 제1도에 도시된 디지탈 유도 탐사 공구의 기능적 회로 블럭도.

제3도는 수신기 코일 시스템에 유도된 전압이 송신기 전류 주파수의 함수로서 변하는 것을 도해한 위상도.

재4도는 송신기 코일 시스템과 송신기 전압출력, 그리고 수신기 코일 시스템에 수신된 R 및 X 신호들 사이의 위상 관계를 도시한 위상도.

제5a도 및 5b도는 제1도에 도시된 콘트롤러의 더 상세한 회로도.

제6도는 제2도와 12도에 도시된 유동점 A/D 변환기의 여러 신호에 대한 타이밍 선도.

제7도는 시간 간격을 발생시키는 콘트롤러 퍼엄웨어 루틴(firmwate routine)의 플로우챠트.

제8a도 및 8b도는 제5a도 및 5b도에 도시된 콘트롤러의 퍼엄웨어에 대한 퍼엄웨어 플로우챠트.

제9a도 및 9b도는 송신기 신호를 발생하는 디지탈 파형 발생기의 더 상세한 회로도.

제10도는 송신기 신호 전압 파형과, 수신기 신호의 R 및 X 위상 성분 신호 모두를 검출하는 위상 감응 검출기에 인가되는 위상 기준 신호사이의 위상 관계를 도시한 도면.

제11도는 제2도에 포함된 자동 위상 장치의 더 상세한 회로도.

제12도는 제2도에 도시된 유동점 아날로그/디지탈 변환기의 더 상세한 회로도.

제13도는 자동 검정 선형화 방법의 설명도.

제14도는 상이한 송신기 신호에 대해 수신기 신호 대 지층 도전율의 그래프.

본 발명은 지하로 천공된 시추공이 관통하는 여러가지 지하지층의 성질과 특성을 측정하는 전기 유도 탐사 시스템에 관한 것이다.

시추공의 단순한 천공만으로 지층에 고여있는 오일과 개스의 존재, 그 장소의 깊이, 양 등에 관한 충분한 정보를 얻을 수는 없으므로 시추공이 관통하는 여러 지하 지층의 성질과 특성을 안다는 것은 오일 및 개스 산업에서 중요한 것이다. 지층에 대한 이러한 정보를얻기 위하여 과거에는 여러 전기적인 방법이 사용되었다. 공통적으로 사용된 이같은 한 방법이 유도 탐사법이다. 유도 탐사법에서는 먼저 교류 송신기 신호에 응답하여 지층에 와전류(eddy current)를 유도하고, 그 다음에 와전류 존재에 의하여 발생되는 수신기 신호의 위상 성분을 측정하여서 지층의 저항을(혹은 그의 역인 도전율)을 측정한다. 지층의 도전율의 변화에 응답하는 와전류의 크기의 변화가 수신기 신호의 변화로서 반영된다. 따라서, 일반적으로 수신기 신호의 위상 성분의 크기, 즉 송신기 신호와 동상인 성분이 지층의 도전율을 나타낸다.

이론적으로, 탄화수소는 비교적 나쁜 도전체이므로 지층이 탄화수소를 많이 포함하고 있을때 지층의 전기 저항율은 비교적 높아진다. 지층에 탄화수소가 없고 염수가 함유되어 있을 경우, 지층의 전기 저항율은 비교적 낮다. 특히 염분이 함듀된 지하수는 전기적으로 비교적 좋은 도전체이다. 유도 저항 탐사 공구는 이들 탄화수소의 유무를 나타낸다고 설명될 수 있는 지층에 대한 정보를 이와 같이 얻는다.

미국특허 제3,340,464호, 3,147,429호, 3,179,879호 및 3,056,917호는 유도 탐사의 기본 원리를 이용한 대표적인 선행기술의 시추공 탐사 공구에 관하여 설명하고 있다. 이들 특허에 기술된 각 공구에서, 신호 발생기는 송신기 코일에 인가되는 교류 송신기 신호를 발생하도록 작동한다. 송신기 코일에 흐르는 전류는 지층에 자계를 유도하며 이 자계는 다시 지층에 와전류를 유도한다. 이 지층의 전류가 있기 때문에, 자계는 수신기 코일(R)에 결합되어서 수신기 신호를 발생시킨다(소기의 응답을 얻도록 미리 설정된 방식으로 배열되는 몇개의 코일로 각각 구성되는 ＂수신기 코일＂과 ＂송신기 코일＂을 갖는 탐사 공구들이 보통 사용된다). 그 다음에 수신기 신호는 증폭되어 하나 또는 그 이상의 위상 감응 검출기(Phase Sensetive Detector : 이하 ＂PSD＂라 한다)로 인가된다. 각 PSD는 또한 검출기에 인가되는 위상 기준 신호와 동일 위상을 갖는 위상 성분 신호를 검출한다. 위상 기준 신호는 송신기 코일(들)에 흐르는 전류에 대해 미리 설정된 위상 관계를 갖는다. PSD들의 출력은 지하에서 더 처리되거나, 혹은 작업 기사에게 처리되거나 표시되도록 지상의 장비로 보내진다.

지금까지 선행기술의 유도 저항을 탐사 공구는 주로 아날로그형이었으며, 어떤기능을 수행하기 위하여 일부 디지탈 회로가 사용되었는 데, 그 예로는 미국특허 제3,340,464호의 디지탈 플림-플롭회로(flip-flop)등이 있었다. 이러한 선행기술의 공구가 아날로그형이었고, 또한 다른 이유 때문에, 이들 선행기술의 공구는 수신기 신호의 위상 성분 신호의 측정에 있어서 더 정확하고 오차가 없어야 하는 필요성을 만족시킬 수 없게하는 제한이 있었다.

지층의 도전율의 크기 측정은 송신기 코일에 흐르는 송신기 전류와 동상인 위상 성분 신호에 대해 얻어진 값에 크게 좌우된다. 이 성분 신호를 ＂R＂위상 성분이라고 부른다. 송신기 전류에 수직인 다시말해, 구적(求積)인 위상을 갖는 위상 성분 신호가 때때로 측정되며, 이 성분 신호를 ＂X＂위상 성분 신호라 한다.

수신기 신호의 R 및 X 위상 성분 신호 모두를 측정하는 방법이 알려져 있다. 미국특허 제3,147,429호와 제3,179,879호는 모두가 수신기 코일로 부터 수신기 신호의 위상 직교 성분(Vr 과 Vx')을 검출하는 유도 탐사 공구에 관하여 기술하고 있다. 이들 특허에 기술된 탐사 공구는 수신기 증폭기로부터의 출력이 동일한 PSD회로들에 인가되는 것을 보여주는데, 하나는 R 성분 신호를 검출하기 위한 것이고, 다른 하나는 X 성분 신호를 검출하기 위한 것이다. 위상 성분 신호를 분해하기 위하여 PSD에 필요한 위상 직교 위상 기준 신호를 발생시키도록 적절한 위상 천이 부품이 구비되어 있다.

이들 위상 성분 신호의 선명도가 더 정확해야 할 필요성은 지층 특성을 나타내는 신호로부터 추출될 수 있는 지층특성에 관하여 더 많이 알아야 하는 필요성의 당연한 귀결이다. 그러나, 정확한 측정을 위하여 선행 기술의 공구에서 얻어지는 측정치의 부정확성은 제거되어야 한다. 선행 기술의 탐사 공구에 의한 R 및 X 성분 신호 측정에서 부정확성의 주요 원인은 공구의 신호에서 이상(移相 : phase shift)이 생기기 때문이다. 이러한 이상은 송신기 신호, 수신기 신호 및 위상 기준 신호간의 동상/직교 위상관계로 부터의 이탈을 초래하는 바, 이 모든 신호들은 수신 신호를 직교 성분 신호 R과 X로 분해하는데 사용된다.

이상 오차의 두 가지 주 요인이 유도 탐사 공구에 있다. 즉, 정적 이상 오차와 동적(온도에 좌우되는) 이상 오차이다. 정적 이상 오차란 탐사 공구가 정상 상태 온도 조건에서 작동될때 발생하는 이상 오차인데, 이 이상 오차는 탐사 공구내의 어떤 전기회로, 예컨데, 송신기 코일 장치, 수신기 코일 장치, 수신기 신호를 조절하는데 사용되는 증폭기 및 PSD 자체에 의하여 검출된 위상 성분 신호로 나타난다. 동적 이상 오차는 상기와 같은 회로내의 온도 변동등의 영향의 결과로서 발생하며, 상기 오차들은 모두는 지층 전류의 발생과 수신기 신호에서 위상 성분들의 검출에 관련된다. 제조 공정의 불가피한 결과인 부품들의 변화에 의하여 예측할 수 없는 이상도 또한 나타날 수 있다. 성분 신호의 고정밀 선명도에는 이들 이상 오차들이 탐사 작업중 자동적으로 그리고 주기적으로 제거될 필요가 있다. 이것은, 유도 탐사 공구가 작동되는 온도 환경이 시추공내의 깊이에 따라 넓은 범위에 걸쳐서 변하므로 특히 중요한 것이다.

선행기술에서도 유도 탐사 공구의 회로내에서 온도 변동으로 인한 이상 오차에 대한 동적 보정이 시도되어 왔다. 미국특허 제3,340,464호에는 탐사 공구의 회로내의 온도 변동에 인해 변화하는 이상을 자동적으로 보정하기 위한 회로에 관하여 기술되어 있는데, 이 회로는 송신기 코일의 전류로 부터 테스트 신호를 유도하고, 이 테스트 신호로 정상적인 수신기 코일 출력 신호를 대체하며, 수신기 신호의 위상 성분(X)을 검출하기 위하여 PSD에 직교 기준 신호를 발생시키고, 그 기준 신호를 검출된 위상 성분 신호 크기의 함수로서 그 신호를 최소화시키는 방향으로 이상 시킨다. 이 기술된 이상 보정 회로 및 방법은 탐사중 시간에 따라 변하며 회로내의 부품변동으로 인한 온도에 좌우되는 위상 오차로부터 비교적 고정된 혹은 일정한 탐사 공구의 위상 오차를 분리시키려 하니 않았다. 오히려, 미국 특허 제3,340,464호의 탐사공구는 최후의 위상 보정 이래 발생되는 모든 이상을 그 원인에 상관없이 보정하려 한 것이다.

그 결과, 상기 미국 특허 제3,340,464호의 위상 보정회로는 정적 및 동적 이상 오차가 별도로 보정된다면 필요한 것보다 더 큰 각도 범위에 걸쳐서 위상 각 오차를 보정해야 된다. 넓은 범위의 위상 각 보정의 결과 작은 이상 오차에 대해서는 감도가 더 작았다. 이러한 민감도의 손실에 의하여 검출된 위상 성분 신호에는 보정되지 않은 위상 오차 신호가 나타나게 된다. 이들 오차에 의하여 고정밀 측정을 할 수 없게 된다.

미국특허 제3,147,429호 및 제3,179,879호에 기술된 것등과 같은 선행기술의 탐사 공구는 R과 X 성분 모두를 측정하기 위하여 2개의 PSD를 필요로 한다. 즉, 하나는 R 성분을 측정하기 위한 것이고, 다른 하나는 X 성분을 측정하기 위한 것이다. 유도 탐사 공구내의 이러한 2중 검출 회로 장치는 두 PSD 각각에 대한 정적 이상 오차 및 온도에 좌우되는 이상 오차가 동일하지 않다는 것을 의미한다. 즉, 2개의 PSD는 주어진 온도에서 동일한 이상을 갖도록 만들어진다 할지라도 주어진 온도에 대해 동일하게 응답하지 않는다. 이같은 차이 때문에 R 및 X 성분 측정에 있어서 상이한 이상 오차가 나타나게 된다. 미국 특허 제3,340,464호에 기룻된 것과 같은 이상 보정 방법이 PSD 회로에 사용된다 할지라도 하나의 보정 회로는 2개의 검출기 모두에 대해 보정할 수는 없었다. 각각의 PSD에 하나씩, 2개의 보정회로가 필요하게 된다. 이것은 물론 유도 탐사공구의 회로의 복잡성을 상당히 증가시켰으며 전체 신뢰도를 낮게 하였다.

낮은 도전율에서 송신기 코일과 수신기 코일간의 직접적인 상호 결합(＂X＂ 성분의 존대(sonde)오차)의 양은 이 상호 결합을 최소화시키는 수신기 코일 시스템을 사용하는 탐사 공구에 있어서도 0이 아니라는 것이 탐사 공구의 특성이다. 실제로, 수신기 신호의 R 성분에 직접 상호 결합으로 인한 신호 응답 10 : 1 비율은 일반적이다. R 성분을 ±1%의 정확도로 분석하기 위하여, 낮은 도전율에서는, 1밀리라디안(milliradian)의 위상 정확도가 필요하다. 높은 도전율에서는, R 성분은 상당한, 즉 ＂R＂=10x＂X＂로 될 수 있는 인자에 의하여 X 성분보다 크게 된다. 이 경우, X 성분을 ±1%로 분석하는 것도 마찬가지로 높은 정도의 위상 정확도를 필요로 한다.

정적 및 동적 이상 오차가 근본적으로 없는 정확한 위상 성분 신호를 측정키 위하여, 고도로 위상이 안정되고 낮은 왜곡율을 가진 송신기 신호가 발생되어야 한다. 송신기 신호의 발생과 수신기 신호에서 위상 성분 신호의 검출에 있어서 탐사 공구의 신호들간에 위상 정확도를 보장하기 위하여 고도로 위상이 안정된 송신기 신호가 필요하다. 송신기 신호의 낮은 왜곡에 대한 필요성은 지층의 주파수 응답에 기인한다.

유도 탐사에 있어서 공지된 현상은 주파수와 지층 도전율의 함수로서 지층 응답의 차이이다. 일반적으로, 낮은 도전율에서 유도 탐사 공구에 의해 수신되는 응답신호는 일정한 송신기 전류에 대해 주파수의 제곱 비례한다.

대부분의 도전율에 대해 낮은 주파수에서보다 높은 주파수에서 더 큰 지층 응답이 나타나기 때문에 낮은 왜곡율의 송신기 신호가 필요하였다. 송신기 신호가 왜곡될수록, 기본 주파수의 고조파의 진폭은 커진다. 이같은 고조파는 기본 주파수의 고조파에 관계없이 감쇠되고 위상천이되어 송신기로부터 수신기까지 지층을 통하여 전파된다. 그리하여 잘못된 신호가 유도탐사 공구로 측정됨으로 해서 고조파들은 오차를 가진 신호로 수신기에 나타나게 된다. 따라서 이들 고주파수의 고조파로부터 결과적인 수신기 신호에 더 많은 노이즈가 나타날 것이다.

주파수에 대한 지층 응답에 있어서 이러한 변화는 유도 탐사 공구에 의하여 정확히 측정되는 지층 저항율의 범위를확대하기 위하여 선용될 수 있다. 높은 지층 도전율 및 고주파에서 ＂표피 효과(skin-effect)＂로 알려진 현상이 수신된 신호와 지층 도전율 사이의 비례성을 손상시켜, 신호의 해석에 있어서 더욱 복잡하게 만든다.

그외에도, 낮은 송신기 주파수 및 낮은 도전율에서 지층으로부터의 응답은 유도 탐사 장치의 노이즈 레벨 밑으로 떨어진다. 이 경우, 의미있는 측정은 불가능 하다. 따라서, 낮은 도전율의 경우 송신기의 고주파 신호가 지층 도전율을 더 정확히 판독하게 된다. 그러나, 높은 도전율에서 고주파 응답 곡선을 경사지게 하기 때문에, 측정치들로부터 유도되는 도전율의 불명확성을 피하기 위하여 높은 도전율에서는송신기 신호의 주파수를 낮추는 것이 바람직하다. 이것은 탐사하기 전에 예정된 도전율 범위에 적절한 하나의 주파수를 선택하거나, 혹은 송신기에서 둘 이상의 주파수를 동시에 발생시켜서 추후에 각 수신기 회로 및 각 위상 선택 검출 회로에서 주파수를 분리하거나, 혹은 탐사중에 순차적으로 다른 주파수로 전환시키므로써 성취될 수 있다.

선행기술의 탐사 공구에 있어서 또 다른 문제점은 측정된 탐사 공구의 출력 응답으로부터 지층의 올바르고 정확한 특성을 결정하는 문제였다. 즉, 지층 특성을 나타내는 탐사 공구의 입력 신호를 측정된 출력 응답과 연관시키는 탐사 공구의 전달함수를 결정하는 것이다. 측정된 출력 응답을 기초로 하여 지층 특성의 참값이 추론되는 것은 이 전달함수로 부터이다.

온도 변화로 인한 회로 변수의 변화(예컨대, 증폭기 이득의 변화) 때문에, 한 작동위치에서의 탐사 공구의 보상된 전달함수는 다른 위치에서는 동일하지 않을 수 있다. 전달함수의 결정은 보통 시추공 위에서 하나 또는 여러 신호원들을 수신기의 코일 부근에 배치하여서 다양한 지층의 도전율을 시뮬레이트(simulate)한다. 이들 테스트 신호들에 대한 응답이 기록되고 탐사 공구에 대한 보상 전달함수를 유도하는데 사용된다. 이 함수는 그 다음에 탐사 공구의 입력과 출력을 연관시키는 함수로서 사용된다. 그러나, 선행기술의 공구에 있어서, 탐사 진행중에 얻어진 데이타는 탐사중에, 전달함수에 대한 온도 변화의 영향에 대해 보정되지 않는다.

모든 유도 탐사 공구의 또 다른 특성은 유용한 정보가 포함되어 있는 검출된 위상 성분 신호들에 나타나는 대단히 넓은 동적 범위이다. 10,000 : 1 (＞80dB)의 동적 범위도 흔하다. 임의의 측정치의 질을 저하시키는 어느 정도의 랜덤 노이즈(random noise)가 검출된 성분 신호내의 유용한 정보에 중첩된다. 선행기술의 아날로그 유도 탐사 공구에 있어서(디지탈 탐사 공구와는 달리), 이 노이즈에는 와이어라인 탐사 케이블을 통하여 지상으로 검출된 아날로그 위상 성분 신호를 전송하는 중에 발생되는 노이즈가 포함된다. 시추공위로 위상 성분 신호를 아날로그 전송함에 있어서 탐사 케이블의 전기 도선에서 오차 전위 및 노이즈 혹은 누화가 생겨서 신호를 저하시키는 문제가 생긴다.

선행기술의 탐사 공구에서는 검출된 성분 신호의 넓은 동적 범위를 다른 방법으로 다루려고 하였다. 미국 특허 제3,056,917호에는 동적 범위가 2개의 부분, 즉 송신기 전류가 조정되어 일정한 수신기 신호 전압이 얻어지는 첫번째 범위와, 송신기 전류가 일정하게 유지되는 두번째 범위로 분할되는 한가지 방법이 기술되어 있다. 그 다음에, 수신기 신호가 일정할 때 송신기 전류를 나타내고, 송신기 전류가 일정하게 유지될 때 수신기 신호를 나타내는 신호가 기록된다. 결과적으로 기록된 신호는 첫번째 범위내의 지층의 도전율과 두번째 범위의 지층의 저항율을 나타낸다. 그 밖에 검출된 위상 성분 신호의 이처럼 넓은 동적 범위를 취급하는 또 다른 선행기술의 방법이 또한 미국 특허 제3,056,917호에 기술되어 있다.

대부분의 선행기술의 탐사 공구들은 탐사케이블을 통하여 전송된 아날로그 신호에 나타나게 되는 노이즈의 양을 최소화시키거나 제거하기 위하여 표준 방법을 사용해 왔다. 꼬인 와이어의 쌍, 차폐된 도선, 노이즈가 낮은 슬립 링 등을 거의 사용하지 않았다. 유도 탐사 공구를 사용하여 검출된 신호의 크기에 관계없이 정확한 측정을 필요로 할 경우, 이들 선행기술의 방법들은 그러한 측정용으로 더 이상 적합하지 못하다.

선행 기술의 탐사 공구에 있어서의 한계성 및 수신기 신호의 위상 직교 성분들을 좀더 정확하게 측정할 필요성 때문에, 검출된 위상 성분 신호의 넓은 동적 범위를 지하에서 측정하여 디지탈 형태로 변환시키고, 이들을 신호의 모든 레벨에서 동일한 선명도와 정확도로 측정하는 유도 탐사 공구를 제공한다면 유리할 것이다. 이 디지탈 신호가 전술한 바와 같이 노이즈에 의해 편차가 생기지 않고 차후에 지항으로 송신 된다. 또한 지층에 유도된 전휴의 발생 및 수신기 신호의 위상 성분의 검출과 관련된 탐사 공구의 회로내에서 정적 및 동적 이상 오차 모두를 동적으로 보정하는 것이 유리할 것이다.

또한 위상 천이 오차를 보정하는 동안 하나의 위상 감응 검출기가 순차적으로 R 및 X 위상 직교 성분 신호 모두를 검출하기 위하여 고도의 위상 안정된 저 왜곡률의 송신기 신호와 고도의 안정된 위상 기준 신호 모두를 디지탈 방식으로 발생하는 유도 탐사 공구를 제공하면 편리할 것이다. 또한 디지탈 방식으로 발생된 송신기 신호의 주파수가 다수의 송신기 주파수들 중에서 선별될 수 있는 디지탈 유도 탐사 공구를 제공하면 편리할 것이다. 또한 탐사 작업 진행중에 탐사 장치가 실제로 맞이하는 도전율에 대해서 최적의 지층 응답신호를 발생시킬 송신기 주파수를 자동적으로 선택하는 유도 탐사 공구를 제공한다면 편리할 것이다. 또한 탐사 진행중의 어느 때라도 탐사 공구의 전달함수의 온도에 따른 변화에 대하여 보정하는 선형화 보정 함수를 유도하는 데 사용되는 테스트 검정 측정치들을 탐사 진행중에 자동적으로 산출하는 유도 탐사 시스템을 제공한다면 편리할 것이다.

본 발명에 의하면, 지층 전류가 미리 정해진 송신기의 주파수 신호에 응답하여 흐르게 하고 이 지층 전류에 응답하여 발생되는 수신기 신호를 측정함으로써 지층의 특성을 측정하기 위한 디지탈 유도 탐사 공구가 제공된다. 이 디지탈 유도 탐사 공구는 시추공을 따라 여러 깊이의 위치에서 수신기 신호의 위상 직교 성분의 디지탈 유동점 샘플을 얻는다. 이 샘플들은 송신기 신호와 동상인 성분 신호 및 그와 직교하는 성분 신호를 하나의 위상 감응 검출기 회로에서 연속적으로 측정하여서 얻어진다. 공구에는 탐사 장치의 회로에 나타나는 위상 직교 성분내의 이상 오차에 대하여 자동적으로 보정하기 위한 수단이 포함된다.

지상에 설치된 중앙 처리 장치(central processing unit : 이후에는 CPU라 칭함)는 디지탈 탐사 공구에 의해 얻어진 유동점 디지탈 샘플들로부터 지층의 특성 데이타를 산출하도록 프로그램 되어 진다. 이 CPU는 지하의 유도 탐사 공구에 명령가 데이타 정보를 전송하여 유동점 디지탈 샘플을 얻기 위한 작동 모우드와 파라미터들을 지정한다. 시추공내에 유도 탐사 공구가 달려있는 와이어라인 케이블을 통하여 유도 탐사 공구와 CPU간에 디지탈 정보를 전송하기 위하여 디지탈 원격 계측 장치가 사용 된다.

디지탈 유도 탐사 공구에는 저 왜곡률의 위상이 안정된 송신기의 정현파 신호에 응답하여 지층으로 자계를 유도하는 송신기 코일이 포함된다. 이 자계로 인하여 지층에 와전류가 흐른다. 이 와전류 자체로 자계를 유도한다. 수신기 코일은 지층 전류에 의해 발생된 자계에 응답하여 지층의 특성, 즉 지층의 도전율을 나타내는 수신기 신호를 발생한다. 탐사 공구 회로의 내부 타이밍(internal timing) 및 함수적 작동을 조절하기 위한 콘트롤러가 포함된다. 이 콘트롤러는 지상에 놓인 CPU로부터 전송되는 디지탈 명령 및 제어 신호에 응답한다. 이 콘트롤러는 탐사 공구의 여러 기능을 제어하기 위하여 퍼엄웨어 루틴(firmware routines)을 포함한 리드-온리-메모리(Ready-Only-Memoryi 이후에는 ROM)와 매스터 디지탈 타이밍(master digital timing) 신호를 발생하기 위한 시스템 클록발생기(system clock generator)를 포함하는 퍼엄웨어로 프로그램된 처리 장치다.

디지탈 유도 탐사 공구에는 또한 송신기 코일에 저 왜곡률의 위상이 안정된 송신기의 정현파 신호를 디지탈 방식으로 발생시키는 파형 발생기가 포함된다. 이 파형 발생기는 발생되는 송신기 신호의 크기에 대한 값을 나타내는 디지탈 정보를 포함하는 ROM을 포함한다. 이 ROM은 어드레스 계수기(address counter)에 응답하여 디지탈/아날로그 변환기로 디지탈 코우드 단어(code word)를 출력시켜서 소기의 정현파 송신기 파형에 근사한 계단파를 발생시킨다. 파형 발생기에는 또한 계단 정현파 파형으로부터 고조파를 여파(filtering)시켜 평활하게 하는 디지탈/아날로그 변환기의 출력단에 연결되는 여파기가 포함된다. 송신기 증폭기는 여파된 정현파 파형을 증폭시켜서 송신기 코일에 실제로 인가되는 저 왜곡률의 정현파 송신기 신호를 얻는다.

디지탈 유도 탐사 공구는 또한 자동 위상 장치(autophase unit)를 포함하는데, 이것은 콘트롤러에 응답하여 수신기의 신호를 동상 및 직교 성분으로 분해하는 위상 감응 검출기에 디지탈 위상 기준 신호를 발생한다. 이 위상 기준 신호는 콘트롤러로 부터의 명령에 응답하여 송신기의 신호와 제1로부터 제2위상 관계로 연속적으로 변한다. 제1 및 제2위상 관계를 제각기 갖는 제1 및 제2위상 기준 신호는 서로 정확히 수직이다. 자동 위상 장치는 또한 제1플림-플롭으로부터의 출력 신호(위상 기준 신호)가 콘트롤러로 부터 제어신호에 응답하여 제1위상 관게로 부터 제2위상 관계로 이상되도록 상호연결되는 제1 및 제2플립-플롭을 포함한다.

디지탈 유도 탐사 공구는 또한 수신기 신호에서 위상 직교 성분을 연속적으로 검출하기 위하여 자동 위상장치로부터 출력된 위상 기준 신호와 수신기의 신호에 응답하는 위상 감지 수단을 포함한다. 각 검출된 성분은 위상 기준 신호의 전류 위상과 동상인 성분이다. 위상 감지 수단에는 위상 감응 검출기와, 수신기 코일로 부터 출력된 신호나 혹은 송신기 코일에 흐르는 전류에서 유도된 테스트 신호를 증폭하는 수신기 증폭기가 포함된다. 위상 감지 수단은 또한 자동 위상 장치로 피이드 백(feed-back) 오차 신호를 인가한다. 피이드 백 오차 신호는 자동 위상 사이클 중에 발생되는 검출된 성분 신호의 크기를 나타낸다.

각 자동 위상 사이클중에, 수신기 신호의 수직 성분을 검출하기 위하여 위상 기준 신호가 발생된다. 각 자동 위상 사이클중에는 또한 송신기 신호로 부터 유도되는 테스트 신호가 발생된다. 테스트 신호와 자동 위상 사이클 중에 발생된 위상 기준 신호간의 위상 관계를 기초로 하여, 피이드백 오차 신호는 자동 위상 장치가 검출된 무효성분을 0으로 감소시키는 방향으로 위상 기준신호를 이상시킨다. 자동 위상 장치에 의하여 인가된 이상의 결과로 각 자동 위상 사이클의 완료까지 유지되어 탐사 공구 회로에 나타나는 이상 오차를 보정한다.

파형 발생기의 ROM에는 또한 진폭 데이타와 함께 출력되는 기준 클록 발생 신호가 포함된다. 발생된 기준 클록 신호는 자동 위상 장치에 인가되고 위상 기준 신호를 발생시키는 데 사용된다. 기준 클록 발생 데이타 신호들은 송신기의 신호 발생 데이타와 관련되어 ROM에 기억되어서 자동 위상 장치로부터 발생한 위상기준 신호는 송신기 신호와 관련되어 이상되므로써 탐사 공구의 회로에 나타난 이상 오차를 보정한다.

디지탈 유도 탐사 공구에는 또한 위상 감지 수단으로부터 출력되는 수신기 신호의 검출된 위상 직교 성분의 크기의 유동점 디지탈 샘플을 연속해서 얻는 유동점 아날로그/디지탈 변환기를 포함한다. 각 유동점 신호에는 유동점의 수를 지수로 나타내는 디지탈 단어와 그 크기를 나타내는 디지탈 단어 신호가 포함된다. 유동점 아날로그/디지탈 변환기는 전압/주파수 변환기를 포함하며, 이 변환기는 위상 감지 수단으로부터 출력되는 성분 신호의 크기에 비례하는 디지탈 클록 주파수를 발생한다. 계수기는 미리 설정된 시간간격 동안 디지탈 주파수 신호의 클록 사이클을 계수한다. 미리 설정된 시간 간격은 검출된 성분 신호를 적분시킨 적분시간을 나타낸다.

계수기의 각 비트에 대한 스테이지를 가지는 시프트 레지스터(shift register) 는 미리 설정된 시간 간격 말기에 계수기의 내용을 수신하고 저장한다. 시프트 펄스에 응답하여, 시프트 레지스터는 이 시프트 레지스터로 부터 출력된 출력비트의 미리 결정된 서브세트(SUB-SET)수에 포함된 계수의 크기를 증가시키는 방향으로 발생된 계수를 자리이동시킨다. 이 비트의 서브-세트는 부호 비트와 최상위 비트(most-significant bit : MSB)를 가지며, 각 유동점 디지탈 신호 크기를 형성한다. 시프트 레지스터에 인가된 시프트 펄스의 수를 계수하기 위하여 제2계수기가 포함된다. 시프트 레지스터는 각 시프트 펄스에 대하여 한 비트 위치씩 이상된다. 이 같은 이상은 크기에 있어서 MSB에 나타나는 논리 ＂1＂ 또는 제2계수기의 계수 중 먼저 나타나는 것이 미리 정해진 계수(10)에 이를때가지 계속된다. 제2계수기의 계수는 각 유동점 디지탈 샘플의 지수를 형성한다. 몇개의 도면에서 유사 도면 부호는 유사한 부분을 가리킨다.

[디지탈 유도 탐사 시스템]

제1도를 보면, 본 발명을 포함하고 있는 디지탈 유도 탐사 장치가 도면에 도시되어 있다. 본 발명에 따른 디지탈 유도 저항을 탐사 공구(1)는 와이어 라인 케이블(wire line cable : 14)에 의하여 시추공(16)내에 매달려 있는 것으로 도시되어 있다. 와이어 라인 케이블(14)의 각 단부에는 지상에 위치한 중앙 처리 장치(CPU : 10)와 지하의 디지탈 유도 탐사 공구(1) 사이에서 디지탈 정보를 전송 및 수신하기 위한 원격 장치를 구성하는 원격 송수신기 유니트(12)가 연결된다. 원격 송수신기 유니트(12)는 CPU(10)로 부터 디지탈 유도 공구(1)의 회로에 명령 및 데이타 정보를 전달하고 디지탈 유도 공구(1)에서 얻어진 유동점 디지탈 신호를 송수신하도록 작동한다. 이들 디지탈 샘플은 지하 지층의 특성을 나타내며 더우기 그러한 특성을 처리하기 위하여 지상 CPU(10)로 전송 된다.

시추공내에 매달려있는 케이블의 길이는 적절한 드럼 또는 원치 기구(도시되지 않음)을 사용하여서 시추공을 통하여 지하 장치의 소기의 이동을 제공하도록 신장되거나 줄어든다.

[디지탈 유도 탐사 공구(1)]

제2도를 보면, 디지탈 유도 탐사 공구(1)가 더 상세하게 블럭도로 도시되어 있다. 유도 탐사 공구는 이 분야에서 숙련된 자들에게 공지된 원리에 따라 작동하므로 본 명세서에서는 단지 간략하게 설명될 것이다. 송신기 코일(34)은 변화하는 교류 송신기 전류(i_T)로써 여기된다. 이 송신기 전류(i_T)의 존재에 의하여 유도 공구(11)인 존데(SONDE)를 둘러싸고 있는 지하 지층으로 전파하는 자계가 발생된다. 이 자계는 지층에 하르는 와류 전류를 유도한다. 송신기 코일(34)의 인접부에, 송신기 코일(34)에 나타나는 자계의 직접 결합으로 부터는 전기적으로 격리되도록 수신기 코일(36)이 배치 된다. 지층내에 흐르는 와전류의 결과, 다시 자계가 발생된다. 이 자계가 수신기 코일(36)에 의하여 검출되어서 수신기 코일(36)의 출력단에 수신기 신호 전압(37)(Vr) 이 발생된다. 이 전압은 지층의 도전율을 나타낸다. 이 수신기 신호(37)로 부터 지하 지층의 소기의 특성을 얻기 위하여 CPU(10)에 의하여 더 처리되는 위상 성분들이 얻어지게 된다.

제2도에서는 본 발명을 설명하기 위하여 단일 송신기 코일과 단일 수신기 코일이 도시되었다. 비록 본 발명이 단일 송신기 및 수신기 코일을 참조하여 설명되어 있으나, 본 발명은 다수의 송신기 코일 및 다수의 수신기 코일을 포함하거나 그러한 것들이 조합된 것을 포함하는 시스템에 대하여도 똑같이 적용될 수 있다. 다수의 코일 장치를 사용하는 유도 탐사 장치의 예로는 미국 특허 제3,150,314호가 있다. 이 같은 코일 시스템으로부터 특별한장점이 얻어질 수 있다. 예컨데, 최근의 코일 어레이는 상호 유도 결합으로 인한 수신기 전압 신호를 거의 제거하도록 설계되어 있다.

제2도에 도시된 회로들은 콘트롤러(22)의 제어하에 그 기능을 수행한다. 원격 계측 송 수신기 장치(12)는 와이어 라인 케이블(14)로 부터의 원격 계측 버스 데이타에 응답하여 명령 및 데이타 정보를 CPU(10)로 부터 콘트롤러(22)에 인가한다. 이 데이타는 유도 탐지 공구의 모우드 및 변수들을 지정한다. 수정 제어 클록 발진기(24)는 디지탈 파형 발생기(26)를 거쳐 콘트롤러(controller ; 22)에 인가되는 매스터 시스템의 타이밍신호(25)를 제공한다. 디지탈 파형 발생기(26)는 클록신호(25)를 분주한 다음 콘트롤러(22)에 그것을 인가한다. 모든 회로의 타이밍 신호들은 클록(24)으로부터 유도된다. 제2도에 도시된 콘트롤러(22)에 의한 여러가지 기능 블럭들의 동기와 및 제어에 돤하여 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

제2도에서, 파형 발생기(26)는 시스템의 클록(25)에 응답하여 결국에는 송신기 코일(34)에 인가되는 도선(28)의 교류 송신기 신호가 될 도선(27)의 정현파형에 근사한 게단파를 발생한다. 송신기 신호의 주파수는 파형 발생기(26)가 발생시킬 수 있는 복수의 주파수들 중에서 선택될 수 있다. 주파수 선택신호는 지하 작업중 어느때라도 지상으로부터 공급되어서 소기의 송신기 주파수를 선택한다. 파형 발생기(26)는, 송신기 신호와 근사한 계단파를 발생하는 것이외에도 또한 자동 위상 장치(32)에 몇개의 클록신호를 발생시킨다. 자동 위상 장치(32)는 2가지의 본래 기능을 갖는다. 즉, 첫번째로 위상감응 검출기(400에 위상 기준 신호(37)의 위상 직교 성분 신호를 검출할 수 있다. 두번째는 위상 기준 신호(42)를 위상 보정 사이클중에 위상 감지 검출기(40)으로부터의 출력 신호를 최소화시키는 방향으로 이상시킨다. 검출기(40)의 출력을 최소화시키므로써 탐사유도 공구의 어떤 회로들에 나타나는 이상 오차가 제거된다.

파형 발생기(26)의 출력단에는 도선(27)의 계단형 근사파 신호의 고조파 성분을 여파하는 저역 통과 여파기(86)라 연결된다. 그 다음에, 저역 통과 여파기(86)의 출력은 도선(28)의 송신기의 정현파 신호를 증폭하고 송신기 코일(34)에 인가하는 송신기 전력 증폭기(88)로 인가 된다. 송신기 전력 증폭기(88)의 출력단과 회로 접지점 사이에는 도선(28)에 인가된 송신기 신호르 역율 조정하는 작용을 하는 커패시터(C₁)가 연결된다. 2개의 추가 커패시터(C₂,C₃)가 주파수 선택신호(F₀,F₁)에 응답하는 반도체 스위치를 거쳐 커패시터(C₁)에 병렬 연결된다. 본 발명에 따른 디지탈 탐사 시스템의 특징들 중의 하나가 복수의 송신기의 주파수들(하기에 더 상세히 설명됨)중에서 선택할 수 있는 것이므로, 커패시터(C₂,C₃)는 송신기 전력 증폭기(88)의 출력을 선택된 송신기 주파수의 함수로서 추가로 역율 보상을 하기 위하여 일시적으로 제공됨으로 해서 송신기의 전력 소모(그리고 열의 발생)를 감소시킨다.

송신기 전력 증폭기(88) 출력단과 직렬로 변류기(31)의 일차 권선이 연결된다. 변류기(31)의 일차 권선과 직렬로 송신기 코일(34) 역시 연결된다. 송신기 전류(i_T)는 또한 변류기(31)의 일차 권선에도 흐른다. 변류기(31)의 이차권선의 양단에는 저항(R)과 커패시터(C₈)의 병렬결합이 연결된다. 저항(R)의 양단에 나타나는 전압신호가 송신기의 코일(34)에 흐르는 전류에서 체취되는 테스트 기준 전압으로서 작용한다. 이 기준 신호로부터 유도탐사 공구내의 측정회로에 의해 나타나는 이상 오차에 대해 자동 위상 보정을 하는데 사용되고 유도탐사 공구의 전달함수를 자동검정하기 위한 테스트 신호가 나온다. 커패시터(C₃)는 저항(R)의 양단에 발생되는 기준 테스트 신호를 작은 양 이상시키는 작용을 한다. 이 이상은 코일(34,36)의 불완전으로 인하여 수신기 코일(36)의 출력단에서 수신기 신호전압(V_r)에 나타나는 이상을 2배로 만들려는 것이다.

저항(R)과 콘덴서(C)의 양단에 변압기(29)의 일차권선이 연결된다. 변압기(29)의 이차권선에는

및

로 표시된 복수의 출력 탭(tap)이 있는데, 각 탭은 상이한 전압 레벨을 발생한다. 제어 스위치(S₂)는 변압기(29)의 출력 탭 중에서 선택하여 테스트 신호(33)를 얻는다.

제2도에는 또한 수신기 코일(36)이 그 출력단자에서의 수신기의 전압(V_r)으로 도시된다. 전술한 바와 같이, 수신기의 전압(V_r)은 지층에 흐르는 와전류에 의해 발생되는 자계에 응답하여 발생된다. 정상작동에 있어서, 도선(37)의 수신기 전압은 제어 스위치(S₁)를 통하여 수신기 증폭기(38)의 입력으로서 인가된다. 수신기 증폭기(38)출력은 위상 감응 검출기(40)의 압력으로서 인가된다. 위상 감응 검출기(40)와 상기 증폭기(38)는 수신기 신호 전압(V_r)에서 직교 위상 성분(R,X)을 검출하는데 사용되는 위상 감지 수단(43)을 포함한다.

위상 감응 검출기(40)가 이들 위상 성분 신호들을 검출하기 위하여, 검출되는 성분의 위상과 동일위상을 갖는 위상 기준신호가 발생되어 위상 감응 검출기(40)에 인가되어야 한다. 위상 기준 신호(42)와 송신기 코일(34)에 흐르는 전류(i_T)사이의 위상 관계는 수신기의 신호의 어느 위상 성분이 검출될 것인가를 결정한다. 본 발명의 경우, 하나의 위상 감응 검출기(40)가 수신기 신호의 두 직교 위상 성분, 즉 상기 전류(i_T)와 동상인 위상성분 및 그것에 수직인 위상 성분 모두를 연속해서 검출한다. 위상 감응 검출기(40)가 두 직교 성분 모두를 순차적으로 검출하기 위하여, 상기 교류(i_T)에 대해 두 위상관계를 교대로 갖는 위상 기준 신호(42)를 순차적으로 발생시킬 필요가 있다. 첫번째로, 동상의 위상 성분 신호(R)를 발생할 위상관계와, 둘째로, 수직의 위상 성분(X)를 발생할 위상관계가 필요하다. 동상의 신호 위상 성분(R) 및 수직의 신호 위상 성분(X)간에 수직임을 확실하게 하도록 제1 및 제2위상관계들 사이의 위상 변화는 정확히 90°이어야 된다.

자동 위상 장치(32)는 파형 발생기(26)로부터의 클록 신호와 콘트롤러(22)에 응답하여, 송신기의 전류(i_T)와 순차적인 위상관계를 갖는 위상 기준 신호(42)를 발생한다. 파형 발생기(26)는 도선(27)에 발생된 송신기의 정현파형에 대해 미리 정해진 위상관계로 도선(50)에 발생된 기준 클록 신호를 출력시키고, 이 기준 클록 신호는 구형파인 위상 기준신호(42)를 발생시키는 자동 위상 장치(32)에 의해 사용된다. 자동 위상 장치(32)의 회로에 관한 더 상세한 설명은 다음과 같다.

제2도의 설명을 계속하면, 두 출력의 위상 감응 검출기(40)에 의하여 나온다. 즉, 수신기 신호(37)중 검출된 위상 성분 신호를 나타내는 도선(41)의 아날로그 신호와 도선(45)의 피이드백 오차 신호(AUTOΦ)를 발생시킨다. 검출된 위상 성분 신호는 유동점 아날로그/디지탈 변환기(46)에 인가되고, 한편 피이드백 오차신호(AUTOΦ)는 자동 위상 장치(32)에 인가된다. 상기 신호(AUTOΦ)는 검출된 위상 성분 신호의 극성을 표시하는 피이드백 디지탈 신호이다. 이 피이드백 오차 신호는 송신기 신호의 발생 및 도선(37)의 수신기 신호에서 위상 성분 신호의 검출에 관련된 유도탐사 공구회로의 동적 이상 오차(대개 온도에 좌우되는)에 대한 보정을 하기 위하여 위상 기준 신호(42)의 위상을 조정하는데 사용되는 페루우프 제어 시스템의 일부로서 작용된다.

이상적으로, 공구 송신기 및 수신기 코일의 회로와 지하에 위치되는 전자 부품들이 이상적이라면 (온도 변동에 영향을 받지 않고,모든 인덕터, 즉, 코일이 순 인덕턴스를 갖는 등), 수신기 신호(37)의 위상 성분은 예측할 수 있으며 일정하게 된다. 그러나, 불행하게도, 이같은 이상적인 것을 존재하지 않는다. 그 결과, 예측할 수 없는 유도탐사 공구의 여러 신호에 이상 오차가 나타나게 된다. 기본적으로, 본 발명에 의한 장치로서는 이상 오차의 상이한 2개의 요인이 보정된다. 고정된 온도 및 작동 조건에서 측정될 때 지하의 코일 및 전자부품의 회로에 의하여 나타나는 이상 오차를 ＂정적 존데 이상 오차＂라고 정의하고,온도 변동등과 같은 것에 위하여 나타나는 이상 오차를 ＂동적 이상 오차＂라고 정의한다. 이 동적 이상 오차는 정적 이상 오차를 변조하는 작용을 한다. 본 발명에 있어서, 이 정적 이상 오차는 도선(50)에 발생된 기준 클록 신호를, 도선(27)의 디지탈 방식으로 발생된 송신기 신호에 관하여 미리 설정된 이상을 야기시키므로써 보정되는데, 두 신호 모두 파형 발생기(26)에 의하여 발생된다. 더 완전한 이해를 돕기위해 설명하면, 도선(50)에 기준 클록 신호를, 그리고 도선(27)에 송신기 신호를 모두 발생하는데 사용되는 디지탈 데이타는 상호 관련시켜 ROM에 기억시킴으로하여 이 정적 이상 오차를 보정하는 바람직한 이상을 메모리 위치가 판독될때 이루어진다. 어떤 의미로는, 도선(50)의 기준 클록 신호들 도선(27)의 송신기 신호에 관하여 이상시키는 것이 코일이나 전자부품에 나타나는, 즉 정적이나 동적으로 나타나는 모든 이상 오차에 대한 일차적인 이상 보정을 포함한다. 정적 이상 보정도 또한 송신기용으로 선택된 주파수에 적용되는데, 그 이유는 코일 및 전자부품에도 주파수에 따른 이상이 생기기 때문이다.

자동 위상 장치(32)는 도선(42)에 인가된 위상 기준 신호가 유도되는 도선(50)의 기준 클록 신호를 이상시키므로써 도선(42)의 위상 기준 신호를 이상시키는 수단을 포함한다. 본 발명에 따른 디지탈 유도 공구의 정상 작동은, 위상 감지 수단(43)에 나타나는 온도에 따른 이상 오차를 보정하기 위하여 도선(42)의 위상 기준 신호와 송신기 전류(i_T)의 위상관계에 대한 보정이 이루어지는 동안 자동 위상 사이클에 의하여 주기적으로 중단된다. 이것이 사시상 2차 이상오차 보정이다.

각 자동 위상 사이클중에,선택수단(47)의 부품인 제어스위치(S₁)가 콘트롤러(22)에 의하여 제어되어 변류기(31)로부터 유도되는 도선(33)과 테스트 신호를 선택한다. 도선(33)의 이 테스트 신호는 수신기의 증폭기(38)의 입력 신호로서 인가되고, 송신기 전류(i_T)에 대해 위상 관계가 알려진 기준 신호로서 작용한다. 콘트롤로(22)로부터의 ＂자동 위상을 개시하라＂는 명령에 응답하여, 자동 위상 수단(32)은 테스트 신호(33)과 대략 90°위상 관게를 갖는 위상 기준 신호(42)를 발생한다. 마지막 자동 위상 사이클로부터 위상 감지 수단(43)에 의해 나타난 이상에 변화가 없으며, 도선(41)에 기억된 검출된 그 출력 위상 신호는 ＂0＂ 또는 ＂0＂에 가깝게 된다. 이같은 상태에서는 그 자동 위상 사이클에서 위상 기준 신호(42)에 대한 이상은 더 필요하지 않다. 그러나, 도선(41)의 신호가 ＂0＂이 아니면 피이드백 오차 신호(AUTOΦ)는 자동 위상 장치(32)에 피이드백 오차 신호를 발생하여 그안에 포함된 이상 수단(95)(제11도에 관한 설명 참조)이 위상 기준 신호(42)의 위상을 도선(41)의 검출된 위상 신호를 다시 ＂0＂으로 최소화시키거나 감소시키는 방향으로 조절하게 된다. 각 자동 위상 사이클의 말기에, 자동 위상 장치(32)는, 다음 자동 위상 사이클까지 도선(42)의 위상 기준 신호에 인가된 양의 이상을 유지한다. 따라서, 위상 감지 수단(43)에 의하여 나타나는 이상 오차내의 온도에 따른 변동 같은 것은 자동적으로 보정된다.

제2도에 도시된 바와 같이, 위상 감응 검출기(40)에 의하여 발생되는 검출된 위상 성분 신호는 유동점 아날로그/디지탈 변환기(46)로 인가된다 그 결과로 검출된 디지탈 샘플은 자동 원격 송수신 장치(12)를 거쳐서 지상에 위치한 CPU(10)로 전송된다. 변환기(46)의 회로와 작동을 제12도를 참조하여 다음에 상세히 설명하기로 한다.

[콘트롤러(22)]

제5도에는 콘트롤러(22)의 상세한 회로도가 도시되어 있다. 콘트롤러(22)는 ROM(57)에 퍼엄웨어 루틴이 포함되어 있는 프로그램을 기억시킬 일반목적의 콘트롤러이다. 콘트롤러(22)가 내부의 연속타이밍을 제어하는 것은 제6도에 도시된 여러 상태의 타이밍 신호를 발생하는 파형 발생기(26)로부터의 2.5 MHz의 주파수를 가진 클록 신호에 응답하는 상태 콘트롤러(50)이다. 이들 타이밍 신호들은 제5도에 도시된 회로들의 연속작동을 제어하는데 쓰인다. 다른 기능들중에, 콘트롤러(22)는 다수의 출력선에 제어펄스를 발생하도록 작동하고, 다수의 입력선에 논리 레벨을 세트시켜서 이들 신호에 응답하게하면, 클록시스템에서 만들어진 클록에 응답하는 내부 계수기를 사용하여 가변시간 지연을 발생시키고, 8비트 단어들을 직접 메모리로부터 외부 회로에 운반하고, 프로그램 제어하에 있거나 혹은 외부에서 발생된 8비트 어드레스를 사용하는 퍼엄웨어 ROM(57)내의 임의의 프로그램 기억장소로 점프(jump)하며 (벡터 점프), 그리고 2개의 2진 비트를 가지고 간단한 부울 연산(Boolean operation)을 한다. 이러한 기능들을 갖는 콘트롤러(22)는 적시의 측정, 복잡한 일련의 비트 작업 및 유동점 변환, 그리고 자동원격 송수신기 장치(12)내에서의 자동 원격 인터페이스 업무를 위한 콘트롤 펄스의 발생등과 같은 순차적인 사건순서에 따라서 유도 탐사 공구의 내부 작동을 제어한다.

병렬 부하 입력을 갖는 8비트 상향 계수(2개의 4비트 상향 계수기가 직렬로 연결됨)로 구성되는 계수기(56)가 사용되어 프로그램 계수 기능을 한다. 프로그램 계수기(56)는 ROM(57)을 어드레스하여 각 프로그램 명령을 호출한다. 콘트롤러가 ＂점프＂명령을 받으면, 새로운 프로그램 계수치가 2개의 4비트 계수기의 DO-D₃인 데이타 입력선을 거쳐서 계수기(56)에 로드된다.

콘트롤러(22)의 심장부는, 본 발명의 바람직한 실시예의 경우에서 있어서, 1977년도 모토롤라(Motorola)사에 의해 간행된 번 그레고리(Vern GreGory)와 브라이언 델란드(Brian Dellande)가 저술한 간행물 ＂Motorola MC-14500 B Industrial Control Unit Handbook＂에 상세히 설명되어 있는 Motorola MC-14500 Inustrial Control Unit(ICU)인 명령 디코우더(decoder)장치(52)이다.

명령 디코우더(52)는 한 세트가 단지 16개의 명령을 인지한다.

프로그램은 콘트롤러 데이타 버스(65)에 출력되는 명령 및 어드레스 단어가 교번하는 형태로 ROM(57)에 기억된다. 이와 같은 간지의(interleaved)구조는 더 높은 작동 속도와 상호 연결 와이어의 수의 감소를 고려한 것이다. 각 8비트 지시 단어의 첫번재 4비트 니블(nibble)이 ICU(52)에 의해 받아들여지고, 두번째 니블은 16개의 출력선중 하나의 펄스를 발생시키도록 디코우더 장치(64)에 16개 중 하나에 어드레스를 형성한다. 각 프로그램 명령내의 다음 어드레스 단어는 콘트롤러가 외부회로에 전달하는 입력 또는 출력 포트를 한정하는데 사용된다. 다름 표 ＂1＂은 ROM (57)에 대한 프로그램 명령 기억을 설명하고 있다.

＂리드(read)＂ 또는 ＂라이트(write)＂명령에 의하여 ICU(52)는 입력 멀티플렉서(multiplexer ; 60)을 통하여 1개의 2진 비트를 얻거나 혹은 어드레스 가능한 래치(addressable latch ; 62)와 디코우더(54)를 거쳐서 출력 레지스터에 1개의 2진 비트를 로드시킬 수 있다. 프로그램 가능한 시간 지연은 16비트 하향 계수기(58)에 2개의 8비트 데이타 단어를 로드하여 콘트롤러(22)에 의해 발생된다. 계수기(58)는 2개의 8비트 하향 계수기, 즉 계수기 A와 계수기 B가 직렬로 연결되어 구성된다. 그 주기는 2.5MHz의 입력 클록으로서 3.2마이크로초에서 209밀리초까지의 범위에 해당하는 2⁰에서 최대가 2¹⁶인 클록 사이클로 세트될 수 있다. 콘트롤러(22)에서 특히 유용한 하나의 명령은 데이타 버스를 제어하여서 프로그램 계수기에 새로운 수를 로드시켜 ＂벡터 점프＂를 하는 외부 회로(예컨대 계수기)를 고려한 것이다. 이것은 기억된 프로그램의 정상 작동에 있어서 중단과 같은 의미이다.

제7도는 콘트롤러(22)에 의하여 특정된 시간 지연(T)을 방생시키는 프로그램 유통도가 도시되어 있으며, 하향 계수기(58)에 의하여 계수되는 클록 사이클의 수를 나타내는 계수(C)는 계수기(58)의 각기 반으로 충당된 2개의 바이트(byte)로 분리 되어야 한다. 계수기(A)는 최상위 바이트를 취급하고 계수기(B)(먼저 로드되어야 함)는 최하위 바이트를 취급한다. 카운터로부터의 출력은 멀티 플렉서(60)의 입력(X1)으로 피이드백되는 0 검출 비트(ZD)이다. 정확시 계수하기 위하여, 이 비트는 로우(low)로 되고 (계수기(A)가 점유되지 않음을 표시함) 그 다음에 하이(high)로 된다. (계수기(A,B) 모두가 점유되지 않음을 표시함). 두 상태는 상승 전이 순간 또는 두 계수기가 ＂0＂으로 되는 지점을 한정하기 위하여 검출되어야 한다. 다음은 제7도의 유통도에 의하여 2.5MHz의 클록시스템으로 80밀리초의 시간지연을 발생시키는 ROM(57)을 프로그램하는 실시예이다. 우선, 계수기(58)에는 계수될 클록 사이클의 수를 로드시켜야 한다.

＂0＂검출 비트(

)는 바로 로드되어 테스트되어야 한다. 이것은 ＂결과 레지스터(RR)로 I/O 버스로드＂와 ＂결과 레지스터(RR)가 ＂0＂이면 건너뛰고, 만약 결과 레지스터(RR)이 ＂0＂이 아니면 다시 루프시켜라＂라는 ICU 명령을 사용한다. ＂0＂검출 버스(ZD)정보는 01 어드레스와 명령 코우드 ＂1＂로서 입력 포트(1)에 얻을 수 있다.

기계어는 계수기가 ＂0＂에 이를 때까지 이 루우프에 위치하며, 이때 위치(24)에서의 명령은 건너 뛰어져서 루틴이 계속된다. 그 다음에, ＂0＂검출 비트가 ＂0＂검출 비트의 보수가 로드되는 것을 제외하고는 상술한 바와 같은 작동을 사용하여 하이로 될때까지 테스트 된다.

계수기(A)의

비트가 다시 로직 하이로 되면, 그때 두 계수기는 ＂0＂이 되고 바람직한 시간 간격이 발생되며 프로그램은 로우프를 벗어나서 위치(27)를 따라서 다음 명령으로 점프된다.

제8도에는 본 발명의 바람직한 실시예의 퍼엄웨어 유통도가 도시되어 있다. 도면중 여러 위치에서 상술된 예와 같은 방식으로 발생된 가변 시간 지연을 나타내는 ＂타임 아웃(time out)＂블록들을 도시한 것이다.

[파형 발생기(26)]

제2도를 참조하여 전술한 바와 같이, 디지탈 파형 발생기(26)는 정현 파형의 계단형 근사파를 발생시킨다. 이 파형은 그 다음에 저역 통과 여파기(86)에 의해 여파되고 전력 증폭기(88)에서 증폭되어 송신기 코일(34)에 인가되는 저 왜곡율의 고도로 안정된 정현파 송신기 신호를 발생한다. 송신기 신호의 주파수는 파형 발생기(26)가 발생시킬 수 있는, 예컨대 10KHz, 20KHz, 40KHz 등, 복수의 송신기 주파수중에서 선택할 수 있다.

하기에 기술하겠지만, 수신기 코일에 대한 진폭응답은 송신기 주파수 제곱에 비례하므로 저 왜곡율의 송신기 신호가 바람직하다. 따라서, 고조파의 크기가 클수록, 수신된 신호는 왜곡율이 크게된다.

제3도에는 송신기 전류(i_T)와 지층에 유도되는 전압, 그리고 다양한 송신기 주파수에 대하여 수신기 코일(36)에 유도되는 전압간의 위산관계를 도시한 다이어그램이 도시되어있다. 수신기의 신호에 대한 진폭응답, 또는 유도 탐사 공구의 ＂감도＂가 송신기 전류 주파수의 제곱으로서 변하기 때문에, 기존에 이 분야에 숙련된 사람들에게는 낮은 도전율의 지층의 저항율의 측정(표피 효과 현상이 응답에 상당한 영향을 미치지 않는)은 주파수를 놓이므로써(40KHz정도) 개선될 수 있는 한편, 높은 도전율의 지층의 저항율의 측정(표피 효과 현상이 응답에 상당한 영향을 미치는)은 낮은 주파수(10KHz 정도)에서 개선될 것이라고 인식되어왔다.

본 병세서에서, ＂감도＂라는 용어는 주어진 지층의 도전율 및 주파수에서 수신기의 코일(36)에서 발생된 전압을 송신기의 코일에서 발생된 전류로 나눈것, 예컨대 1mmho와 20KHz에서 10㎶/A와 같은 것으로 정의된다. 주파수의 증가에 따른 이러한 수신기 신호의 증가 때문에, 수신기 신호 전압(V_r)에서의 왜곡율을 최소화 하도록 송신기 신호에서 고조파 성분을 낮출 필요성이 있다. 왜곡율을 낮출 또 다른 필요성은 송신된 기본 주파수의 고조파가 지층을 통하여 기본 주파수의 고조파에 관계없는 감쇄 및 이상을 전파한다는 사실에 있다. 따라서 왜곡율을 낮추지 않은 고조파는 수신기에 오차가 생긴 신호가 나타나게 하여 유도공구의 측정으로부터 잘못된 결과가 발생한다.

디지탈 파형 발생기(26)은 저 왜곡율의 위상이 안정된 송신기 신호를 도선(28)에 디지탈 방식으로 발생시키는 것 이외에도 또한 자동 위상 장치(32)로 인가되는 기준 클록 신호를 도선(50)에 발생시킨다. 도선(50)에 발생된 클록 신호는 자동 위상 장치(32)에 사용되어 도선(42)에 발생된 위상 기준 신호를 위상 감응 검출기(40)에 발생시켜 도선(28)에 발생된 송신기의 신호에 대하여 이상되도록 발생시켜서 전술한 바와 같은 정적 존데 이상 오차를 보상한다(제10도 참조). 다시 말해서, 도선(50)의 클록 신호를 이상시켜, 도선(41)에 검출된 위상 성분 신호에는 송신기 신호의 발생 및 도선(37)의 수신기 신호 전압(V_r)에서의 위상 성분 신호의 검출에 관련된 회로에 나타나는 정적 위상 오차를 포함하지 않는다.

디지탈 파형 발생기(26)는 저 왜곡율의 고도로 위상이 안정된 송신기 신호와 이상된 기준 클록 신호를 도선(50)에 발생시키는 방법은 제9도에 도시되어 있는바, 이를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 제9도는 디지탈 파형 발생기(26)의 상세 회로도를 도시하고 있다. 제2도에 도시한 수정제어 클록(24)의 회로 역시 도시되어 있다. 클록(24)의 출력은 12 비트 2진 계수기(66)에 인가된다. 계수기(66)는 ROM(70,72)의 어드레스 발생기로서,그리고 콘트롤러(22)에 대한 클록 신호 발생기(2.5MHz) 및 자동 위상 장치(32)에 대한 클록 신호 발생기(SAR CLOCK)로서 작용한다.

도선(27)에 디지탈 계단 근사파형의 발생과 도선(50)에 기준 클록 신호의 발생은 ROM 메모리 칩(70)(72)에 기억된 디지탈 코우드 워드에 의하여 지정된다. 이 두개의 메모리 칩은 512×16비트를 가진 ROM으로 형성된다. 12비트 2진 계수기(66)로부터의 나온 출력은 ROM(70,72)을 어드레스하여 이들이 기억된 디지탈 코우드 단어들을 출력시키는데 사용된다. 한 세트의 배타적 논리화(exclusive ＂or＂)게이트(76)는 ROM(70)(72)으로부터 나온 출력에 응답하여 발생될 송신기 신호의 크기 값을 나타내는 디지탈 코우드를 발생시킨다. 이들 디지탈 코우드 단어들은 한 클록 사이클에 대하여 크기 코우드 단어를 기억하는 입력 래치(78)(80)를 포함하는 디지탈/아날로그 변환기(79)에 인가된다. R-2R의 정밀 레지스터 회로망(82)은 래치(78,80)으로부터 나온 출력에 응답하여 각 기억된 디지탈 코우드 단어에 따라 아날로그 전압을 발생시킨다. 연산 증폭기(84)는 정밀 레지스터 회로망(82)의 출력 전류에 응답하여 출력 아날로그 전압을 발생시킨다. 어드레스 계수기(66)는 그 어드레스를 통해 순회시킴에 따라, 디지탈/아날로그 변환기(79)의 출력단에서 도선(27)에 발생된 계단 파형이 발생된다(제10도 참조). 이 신호는 저역 통과 여파기(86)에서 여파되고 전력 증폭기(88)에서 증폭된다. 전력 증폭기(88)로부터 나온 출력에는 송신기 전류(i_T)를 발생시키는 송신기의 코일(34)로 인가되는, 도선(28)에 발생된 송신기의 정현파신호가 포함된다.

ROM(70,72)으로부터 크기 코우드 단어를 출력시키는 것 이외에도, 또한 도선(50)에 기준 클록 신호를 발생하는 데이타를 출력시킨다. 디지탈 계단 근사파형을 위해 기억된 크기 코우드 단어에 관련하여 기준 클록 신호 발생 데이타가 기억되는 메모리 어드레스 위치를 적절히 선택함으로써, 도선(28)에 발생된 결과적인 송신기의 정편파 신호에 관하여 미리 설정된 양을 이상시키는 기준 클록 신호를 도선(50)에 발생시키는 것이 가능하다. 보상 되어질 정적 이상오차의 양을 알으므로써, ROM(70,72)은 적절히 프로그램될 수 있다.

전술한 바와 같이, 제9도에 도시된 디지탈 파형 발생기(26)는 볼수의 미리 정해진 주파수들 중에서 선택된 주파수를 갖는 송신기 신호(28)를 방생시킬 수도 있다. 제9도에는 자동 원격 송수신기 장치(12)로부터나온 명령 버스입력에 응답하는 헥스 래치(hex latch)(68)가 도시되어 있다. 지상에 위치된 CPU(10)로부터 전술된 명령으로 인하여 래치(68)의 출력단의 임의의 비트가 ROM(70,72)을 어드레스하는 2비트를 제어하게 한다. 이들 2비트의 어드레스를 제어함으로해서 도선(28)에 발생된 송신기의 주파수 신호를 결정하는 것이다. 특수한 위치에 있는 지층의 도선율 범위가 대략 알려지면, 작업자가 복수의 가능한 송신기의 주파수들 중에서 가장 정확도가 있는 송신기의 주파수를 수동으로 선택할 수 있다.이에 관하여, 제14도는 여러가지 송신기 주파수에 대한 수신기 신호와 지층 도전율의 관계를 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 송신기의 더 낮은 주파수 및 낮은 도전율에서 지층으로부터 나온 응답은 유도 탐사 시스템의 노이즈 레벨 이하로 멀어져서, 의미있는 측정을 불가능하게 한다. 따라서, 낮은 도전율의 경우에는 고주파수가 가장 바람직하다.

제14도에 도시된 바와 같이, 높은 도전율에서는, 높은 송신기 주파수에서 응답신호의 경사 때문에 낮은 주파수가 가장 바람직하다.

송신기 주파수를 수동적으로 선택하는 것 이외에도, CPU(10)는 측정될 실제 도전율과 같은 변수를 기초로 하여 최상의 측정을 할수 있는 송신기 주파수를 자동적으로 선택할 수 있다. 예컨데, 다음의 표2는 본 발명에 따른 주파수를 선택하기 위하여 편리한 도전율 주파수 일람표를 도시한다.

이와 같이 도전율이 높을때는 높은 도전율 지층에 대하여 큰 선형상의 응답을 이용하면 송신기의 낮은 주파수(10KHz)가 선택되고, 낮은 도전율의 경우에는 송신기의 높은 주파수(40KHz)가 선택된다.

또 다른 면에서, 파형 발생기는 2개가 상이하며 중첩되는 정현파 주파수들로 구성되는 파형을 발생하도록 프로그램되어진다. 이것은 동시에 다수의 주파수 탐사를 고려한 것이다. 이같은 경우, 본 발명에 따른 각 송신기 주파수에 대한 지층 응답을 검출하기 위하여, 파형 발생기(26), 자동 위상 장치(32) 및 위상 감지 장치(43)의 이상 특성은 각 주파수에 대해 하나로 조합되어 2배가 되어야 한다.

본 발명은 파형 발생기(26)내에 CPU(10)로부터의 디지탈 명령에 응답하여 둘 또는 그 이상의 주파수의 조합 또는 복수의 송신기 주파수 중의 어느 하나를 발생하는 수단을 포함한다. 제3도에 도시되었듯이, 본 발명의 현재 바람직한 실시예의 송신기 신호로서 설명된 3개의 주파수는 10KHz, 20KHz 및 40KHz이다. 각각 동일 진폭을 가지며 어드레스 계수기(66)로부터의 동일한 시이퀀스 및 어드레스 속도를 갖는 이들 주파수를 발생하기 위하여, ROM(70)(72)은 각 주파수에 대해 특별히 프로그램되어졌다. 메모리 어드레스의 특수한 시이퀀스를 위하여, ROM(70,72)은 10KHz 주파수의 반 사이클, 20KHz 주파수의 완전한 한 사이클 및 40KHz주파수의 완전한 두 사이클을 발생한다.

이 특수한 시이퀀스에는 ROM(70,72)의 9비트 어드레스중의 7개의 낮은 오더 비트(A0-A7)에 의하여 형성되는 가능한 메모리 어드레스를 통한 전체의 시이퀀스를 포함한다.

9비트 어드레스중의 나머지 2개의 높은 오더 비트(A7-A8)는 래치(68)의 출력으로부터 발생된다.

이들 두 비트는 주파수 선택 비트(F₀,F₁)를 나타낸다. 이들 두 비트는 ROM(70)(72)의 어드레스 공간의 세 어드레스 섹션중의 하나를 지정한다. 전술된 바와 같이, 이 어드레스 공간에는 3개의 가능한 주파수와 기준 클록 발생 데이타를 발생하기 위한 두 디지탈 크기 단어들이다. 만일 10KHz의 주파수가 발생되면, (F₀,F₁) 모두가 논리 ＂0＂ 상태로 되어서 낮은 ROM 메모리 위치를 선택한다. 이 ROM 메모리 어드레스 공간에는 10KHz 주파수의 반 사이클을 발생하는 발생 데이타가 기억되어 있다. 어드레스 계수기(66)로부터 나온 그 다음 높은 오더의 어드레스 비트(Q₈)는 배타적 논리화 게이트(76)의 한 입력을 제어하여 ROM의 출력단에 발생된 디지탈 크기 코우드 단어들이 보충되게 하는데 사용된다. 이같은 방식으로, 10KHz 주파수의 두번째 반 사이클 혹은 부(-)의 반 사이클이 첫번째 반 사이클을 발생하는 ROM(70,72)로부터 출력되는 같은 크기 값으로 발생될 수 있다.

그러나, 20KHz 및 40KHz의 주파수를 선택하면, 이 기술은 사용하지 못한다. (F₀,R₁)의 논리 상태에 의하여 지정된 이들 두 높은 주파수를 위한 ROM(70,72)의 어드레스 공간에서, 그 안에 기억된 크기 값은 발생되는 완전한 정편하 사이클을 나타낸다. 그러나, 세 주파수 모두에 대해서 기준 클록 신호 발생 데이타는 크기 값에 관하여 도선(50)에 발생된 클록 신호내의 바람직한 이상을 발생하여 각 주파수에서 탐사 공구의 코일 및 전자부품들의 특수한 정적 이상 오차를 보상하는 방식으로 기억된다.

[이상오차 보상 회로]

다시 제2도를 보면, 송신기 전류(i_T)의 발생 및 수신기 신호(V_r)에서 위상 성분 신호의 검출에 관련된 회로는 검출된 위상 성분 전압의 이상오차를 생기게할 수 있다. 송신기 코일이 완전한 인덕터가 아니기 때문에, 송신기 전류와 지층에 유도된 전압 간의 위상각은 이상적인 90° 위상 관계가 다르다. 이 편차는 보상되지 않으면 위상 성분 신호의 측정에 반영되는 이상오차가 된다. 또한, 이상오차가 수신기의 코일(36) 및 위상 성분 신호 자체의 검출에 관련되는 위상 감지수단(43)에 의하여 나타나게 된다. 어떤 정상 상태의 온도에서, 전류(iⁿ)와 도선(37)에 발생된 수신기의 신호(V_r)의 ＂R＂ 또는 ＂X＂ 위상 성분 사이의 이상 오차는 대략 일정하다.

이 일정한 위상 천이 오차가, 상기에서는 정적 이상 오차로서 정의되었다. 이 이상 오차의 양을 변조시키는것은 위상 감지 수단(43)의 수동 및 능동 전자 부품의 값에서의 온도 변화같은 것에 의하여 나타나는 이상이된다. 이들 이상 오차는 본 발명에 따른 유도 탐사 공구가 깊이에 따라 온도가 변하는 시추공 환경에서 작동되므로 본래 동적인 것이다. 이들 위상 천이 오차가 상기에서는 동적, 혹은 온도에 따른 이상 오차로서 정의되었다.

본 발명에 따른 탐사 공구는 정적 이상오차와 동적으로 변하는 온도에 따른 이상 오차 모두를 자동적으로 보상하도록 작동한다. 정적 이상 오차는 도선(50)의 기준 클록 신호를 도선(28)의 송신기의 정현파신호에 대해 이상시키므로써 보상된다. 동적 온도에 따른 이상 오차에 대한 자동 보상은 테스트 신호가 송신기의 코일전류(i_T)로부터 유도되어 수신기의 정상신호로서 위상 감지 수단(43)으로 인가되는 자동 위상 사이클 동안 이루어진다. 각 자동 위상 사이클중에, 도선(42)의 위상 기준 신호의 위상이 선택되어 위상 감지 수단(43)이 수신기 신호(39)에서 수직위상 성분 신호(＂X＂ 성분)을 검출하게 하고, 이 경우 이 수직 위상 성분 신호가 도선(33)의 테스트 신호이다.

다시 말해서, 자동 위상 사이클 중에 도선(42)의 위상 기준 신호는 변류기(31)에서 유도된 테스트 신호(33)에 대해 대략 90° 이상된다.

자동 위상 사이클중에, 검출된 위상 성분 신호의 극성을 표시하는 도선(45)에 발생된 피이드백 오차 전압(AUTOΦ)은 자동 위상 장치(32)로 피이드백된다. 이 신호(AUTOΦ)는 자동 위상 장치(32)내에 포함되어 있는 회로 수단을 제어하여 도선(42)에 발생된 위상기준 신호를 각 자동 위상 사이클중에 검출된 위상 성분 신호의 크기가 감소되거나 ＂0＂에 도달되도록 만드는 방향으로 이상킨다. 각 자동 위상 사이클의 완료시에 도선(42)에 발생된 위상 기준 신호에 인가된 이상의 양은 다음 자동 위상 사이클까지 유지된다.

이러한 방식으로, 온도에 따른 이상 오차는 도선(42)의 위상 기준 신호의 위상을 송신기의 코일(34)의 전류(i_T)에 관하여 주기적으로 조정하므로써 동적으로 보상될 수 있다. 자동 위상 장치(32)가 송신기의 전류(V_r)에 대한 2가지 위상 관계 사이에서 전환되는 단상 기준신호를 도선(42)에 발생하고, 사기 2가지 위상 상태 사이의 위상 관계를 항상 정확히 90°이므로, 양 위상 상태에서 이상 오차를 보상하는 것만이 필요하다. 도선(42)에 발생된 위상 기준 신호가 자동 위상 장치(32)에 의하여 얼마나 많이 이상되는가에 관계없이 위상 기준 신호의 정확한 90°의 이상이 항상 얻어지기 때문에 이러한 필요성은 사실이다.

제4도는 송신기의 코일(34)의 전류, 코일들에 인가된 송신기의 전압 및 도선(37)에 발생된 수신기의 신호(V_r)인 위상 직교 성분 신호 벡터들간의 위상 각 관계를 도시하고 있다. 제4도에 도시된 위상 관계는 실제 사추공 환경에서 본 발명의 유도 공구의 명목상의 작동 상태를 나타내는 것이다.

즉, 유도 공구의 온도는 유도 공구가 만나게되는 예상 온도범위의 중간점에 있는 것이다. 전술하였듯이, 정적 이상 오차는 도선(50)에 발생된 기준 클록 신호를 송신기의 코일(34)에 흐르는 전류에 관해 이상 시키므로써 조상된다. 이 위상각이 제4도에 ＂θ₃＂로서 도시되어있다.

제4도에는 또한 각 작동위상 사이클중에 자동 위상 장치(32)가 도선(42)에 발생된 위상 기준 신호를 이상 시킬 수 있는 자동 위상 장치(32)의 보상범위가 도시되어 있다. 자동 위상 장치(32)는 동적 이상 오차를 보상하기 위하여 이 보상 범위내에서 도선(42)의 위상 기준 신호를 그 위상 상태와 관계없이 이상 시킬 수 있다. 따라서 수신기의 신호(37)인 ＂R＂위상 성분 신호는 도선(42)에서 제1위상 기준 신호로 검출될 수 있고, ＂X＂ 위상 성분 신호는 그 다음에 도선(42)에서 제1위상 기준 신호와 수직(90°)인 제2위상 기준 신호로 검출될 수 있다. 파형 발생기(26)에 기억된 위상 편차는 또한 제10도에 시간의 함수로서 도시된다.

제10도는 송신기의 코일(34) 양단에 인가되는 송신기의 신호 전압 파형에 대하여서 그려진 도선(50)에 발생된 기준 클록 신호 및 도선(42)에 발생된 위상 기준 신호의 타이밍 다이어그램(timing diagram)이 도시되어 있다. 본 발명의 실시예에서, 10KHz인 송신기 신호 주파수의 1사이클은 256 증분으로 발생된다(물론 이것은 선택된 주파수에 따라 다르다. 예컨대 20KHz의 경우 128증분, 40KHz의 경우 64증분).

제10도를 보면, 디지탈 파형 발생기(26)에 의하여 출력되는 도선(50)에 발생된 기준 클록 신호가 ＂θ₃＂의 각도만큼 이상된 것으로 도시된다. 도선(42)의 위상 기준 신호는 송신기 신호와 R 및 X위상 관계 모두에 대해 도시된다. 위상 기준 신호에 대해 R 및 X 위상 관계 파형 모두가 2개의 별도의 신호로서 도시되었지만, 사실상 위상 감지 수단(43)에서 직교 위상 성분들중의 어느것이 검출되는가에 따라 도시된 하나 또는 다른 하나의 위상 관계를 갖는 단지 하나의 위상 기준 신호(42)가 있을 뿐이다. 제10도는 또한 위상 기준 신호에 대한 것이 도시되는데, 위상천이의 총량은 위상각 ＂θ₃＂와 ＂θ₄＂의 합과 같다(제4도 참조). 위상각( θ₄)은 동적 위상 천이 오차를 보상하는 동안 자동 위상 장치(32)에 의하여 도선(42)에 발생된 위상 기준 신호에 생기는 이상각이다.

[자동 위상 장치(32)]

제11도를 보면, 자동 위상 장치(32)의 더 상세한 회로도가 도시되어 있으며, 도선(50)에 발생된 기준 클록신호는 R-2R의 정밀 저항 회로망(96)에 인가되는 것으로 도시된다. 연속적인 근사 레지스터(90)는 파형발생기(26)에 의하여 발생되는 연속적인 근사 레지스터 클록(SAR CLOCK)에 응답한다.

이 레지스터로부터의 출력단은 또한 정밀 저항 회로망(96)에 인가되어 저항 회로망(96)의 출력선(108)에서 나타나는 전압이 연속적인 근사 레지스터(90)의전류 디지탈 함유량에 의하여 결정되는 직류 평균치를 갖는다. 이런 방식으로 여파된 기준 클록 신호의 평균치는 연속 근사 레지스터(90)에서 디지탈 계수를 제어하므로써 영향을 받을 수 있다.

저항 회로망(96)의 출력단에서 접지까지에는 이중 2 : 4선 디코우더(98)로 입력된 주파수 선택 제어 비트(F₀,F₁)에 응답하여 4채널 스위치(100)를 통하여 선택적으로 접지에 연결되는 커패시터(C₄-C₇)의 병렬 조합이 연결될 수 있다. 디코우더(98), 스위치(100) 및 캐패시터(C₄-C₇)는 레지스터(90)의 함유량의 크기에 따라 여파된 기준 클록 신호로 인가된 이상을 제어하는 위상제어 수단(106)을 포함하고 있다. 저항 회로망(96)의 출력단에 커패시터가 있는 것은 연속 근사 레지스터(90)에 포함된 값에 의하여 변조되는 평균치를 갖는 도선(50)에 인가된 디지탈 구형파인 기준 클록 신호를 여파하거나 평활하는 저역통과 여파기로서 작용한다. 이 전압 파형(108)이 저항 회로망(96)의 출력단에 연결된 필터 커패시터의 평활 효과를 보여주는 제10도에 도시되어 있다. 저항 회로망(96)의 출력단에 직렬로 연결된 인버터(110,112)는 여파되고 직류로 천이된 기준 클록 신호를 디지탈 회로에 적합한 구형파로 바꾸는 작용을 한다. 인버터(110)같은 인버터 게이트의 성질은 출력이 상태를 변화시키기 전에 입력직류 전압이 임계 레벨을 초과하여야 하는 것이다. 따라서 기준 신호를 평활시키고, 그 직류 평균치를 제어하며 인버터 게이트의 임계 특성을 이용하므로써 기준 신호가 인버터(110,112)의 출력단에 나타날 때 소량 이상시키는 것이 이상된 기준 클록신호가 제10도에 위상각(θ₄)만큼 이상된 것으로 도시되어 있다.

제1 및 제2플립-플롭(102,104)은 제각기 도선(113)에서 이상된 기준 클록 신호에 응답한다. 이 두 플립-플롭(102)의 출력단은 디코우더(98)에 인가되는 위상 선택비트에 따라 송신기의 코일 전류(i_T)에 대한 ＂R＂ 위상관계를 갖는 위상 기준 신호를 도선(42)에 발생시키도록 상호 연결된다. 이 위상 선택 비트들은 플립-플롭에 대한 ＂프리세트(preset)＂ 및 ＂클리어(clear)＂ 입력을 제어하는 데 사용된다.

플립-플롭(102,104)의 개시 논리 상태를 프로세트 및 클리어 입력에 의하여 제어 하므로써 송신기의 전류(i_T)에 관해 두 위상 관계 사이에 정확히 90°만큼 이상시키는 구형파 신호가 플립-플롭(102)의 출력단에 발생된다. 이 정확한 90° 위상 변화 관계에 의하여 위상 직교 성분 신호 ＂R＂ 과 ＂X＂가 하나의 위상 감응 검출기(40)에 의하여 정확히 검출될 수 있다. 송신기의 주파수들중 어느것이 선택되는 가에 따라서, 4 채널 스위치(109)는 적절한 롤오프(roll-off)용량(C₄-C₇)에서 접지까지를 저항 회로망(96)의 출력단에 선택적으로 연결시킨다.

[자동 검정 회로]

시추공 환경에 적응되는 형태의 신호 처리 회로에 있어서 공통적인 문제는 회로내의 부품들의 온도 변동등과 같은 것으로 인한 비 선형성을 포함한 전달 함수의 비 선형성 문제이다. 또한 소자들의 이득도 신호레벨에 따라 상당히 변하며, 이러한 문제는 신호레벨이 넓은 범위, 예를 들어 수십 단위에 걸쳐서 변하는 유도 탐사에 있어서 이 문제는 더욱 명백한 것이다. 상당히 다른 신호 레벨에서 시스템 이득을 특징짓기 위하여 단일 점 검정은 전혀 부적당하다. 특히, 최종 결과가 2개의 비교적 큰 측정된 신호 사이의 작은 차이로서 계산되는 시스템은 부정확한 검정의 결과로 나타나는 작은 오차에 대하여 특히 민감하다.

이러한 문제점을 본질적으로 해결하기 위하여, 본 발명에는 미리 프로그램된 패턴에 따라 규칙적인 시간 간격으로 측정 채널로 전환되는 검정회로가 포함된다. 송신기 출력의 샘플을 취하여 검정 신호를 만드는 데 사용한다. 제2도에는 변압기(29)의 출력 탭(

)에서 검정 신호를 유도해내는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동 검정 회로가 도시된다. 변압기(29)는 지층 응답 신호의 예상 범위를 거의 카버하기에 충분한 레벨에서 복수개의 신호를 공급하도록 설계된다. 콘트롤러(22)는 측정 채널을, 검정 신호중의 하나와 수신기의 정상신호(V_r)사이에서 순차적으로 전환시킨다. 전술한 자동 위상 사이클 중에, 제어 스위치(S₂)는 탭(

)를 사용되는 테스트 신호로써 선택한다. 자동 검정 사이클 중에는 검정 탭들중에 어느것이 사용되어도 된다.

온도변화 또는 다른 영향에 의해 발생된 송신기의 출력 또는 측정 채널의 어떠한 변화도 검정 및 수신 신호 모두에 비례적인 변화를 일으켜서, 이러한 변동에 대한 보상도 가능하다.

검정 회로의 고정값에 관하여 두 신호의 비율을 취하고 지층의 특성을 결정하는 선형화 공식이 얻어질 수 있다. 수학적 과정이 CPU(10)에서 사용되어 CPU(10)가, 최종의 지층 신호 데이타에 적용되는 보상을 나타내는 검정 측정의 결과를 기초로하여 공식을 계산할 수 있게 한다. 이 수학적 과정은 본질적으로 공지된 수학적 함수에 검정 테스트 신호 응답을 적용하는 것이다. 이 수학적 함수는 종래의 회로 분석 법을 이용하는 유도 공구의 회로설계 모델에서 얻어진 것과같이 유도 공구의 계산된 전달 함수를나타낸다. 결과적으로 전달 함수 내의 상수를 재계산하기 위하여 테스트 검정점들이 이용된다.

공식에서 사용되는 이 상수들은 온도 변동의 예상크기에 의하여 결정된 시간 간격에서 주기적으로 재계산된다. 이 공정의 결과는 제13도에 도시되는데,여기서 유도공구의 전달함수는 입력 신호(si)에 대한 출력신호(s₀)의 그래프로 도시되어 있다. 4개의 출력(Y₁-Y₄)을 내는 4개의 보상점(X₁-X₄)이 도시되어 있다.

이들 출력은 ＂X₁-X₄＂의 진폭을 인지하여 보상 공식을 계산하는 데 사용된다. 콤퓨터로 이 공식에 적용된 다음 지층 데이타(S₀)는 거의 보상되어서 입력 신호(S₁)와 거의 동일한 명백 신호(S'₁)를 발생시킨다.

유도 공구의 측정 채널에서 비선형성의 물리적 원인의 분석에 의하여 실제 전달함수의 모델이되는 방정식의 유도가 가능하다. 그리하여 보상공식을 만들기 위하여 그 방정식을 변환하는 것이 가능한 것이다. 다른 방법으로는, 즉 공식에 최소 평균 자승법을 적용하는 것도 가능하다.

다수의 보상점(X₁-X_n)은 두 가지 조건을 만족해야 한다. 즉, 각 신호 사이의 정확한 비율 및 조합의 일정한 절대치의 조건을 만족해야한다.

본 발명에 있어서(제2도 참조), 정밀 저항(R)은 여러 온도에 안정된 검정 신호들을 공급하기 위하여 다수-비율의 권선들을 갖는 변합기(29)와 일정한 절대크기를 한정한다. 따라서, 높은 온도 안정성에 대한 조건이 측정 채널 회로에서 검정 회로로 이동된다.

지층에서 또는 유도 공구의 회로에서는 지층 신호에 노이즈 신호가 불가피하게 가해진다. 두 경우에 있어서, 검정중에 시스템에 의하여 소비된 시간은 신호대 노이즈 비율을 평균해서 개선하기 위하여 사용될 수 있는 시간의 손실을 나타낸다. (예컨대, CPU(10)를 사용). 유도 공구에 가하여진 노이즈는 신호대 노이즈 비율을 검정하는데 있어서 여분으로 실린 감소량을 나타낸다. 최종 계산된 결과의 입력신호(s₁)는 지층 및 검정신호의, 각기 노이즈를 제거하는 신호를 포함한 신호들의 조합이다. 2가지 형태의 신호가 연속해서 측정되므로, 임의의 공정(예컨대, 존슨 노이즈(Johnson noise)에 기인하는 노이즈 성분들간에는 어떠한 상호 관련도 없을 것이다.

그러므로 최종의 신호대 노이즈 비율을 극대화시키기 위하여 두 신호를 측정하는데 공구에 의하여 소비된 상대적 시간에 대하여 최적의 해결 방법을 찾아야 한다.

계산을 간략화 하기 위하여, 단일 검정검의 경우를 고려한다. 이것은 시스템에 있어서의 비선형 정도(그리고 관련된 보상)가 작을 경우 허용할 수 있는 근사치이다. 단일 검정검의 경우, 다음과 같은 식이 얻어진다.

식중에서

S_C=검정 신호

S₁=지층신호

N₁=지층노이즈/단위 대역폭

N_R=수신기의 노이즈/단위 대역폭

T_C=검정 시간

Y_m=측정 시간

이며, 모든 것은 예컨대 수신기 입력에 관한 것이다.

검정 신호(S_C)를 정확히 측정하기 위하여 허용되는 최대시간은 온도의 변화에 따른 이 파라메타의 비교적 느른 변동에 의하여 결정되고, 최적의 S/N 비율을 위하여 대역폭은 단위 대역폭 당 일정한 전력을 갖는 ＂화이트(White)＂ 노이즈의 경우의 이 값보다 크지 않아야 한다. 지층신호(S₁)는 탐사 공구가 시추공을 가로지를 때 암석 지층의 상세한 변화를 분해하기에 충분한 대역폭으로 측정되어야 한다.

이것은 트랜스듀서 어레이의 공간적인 분해에 따라 그리고 공구가 이동되는 속도에 따라 좌우된다. 두 경우,대역폭들은 연속적인 측정을 평균하는 콤퓨터를 이용하여 조정될 수 있다. 달라지는 작동 조건에 맞추기 위하여 탐사 속도가 변화될 경우, 콤퓨터는 샘플을, 시추공에 따른 거리의 함수로서 평균하므로써 S/N 비율을 최적화하기 위하여 자동적으로 대역폭을 조절하도록 프로그램된다. 실제로 실시될 경우, 이같은 시스템은 또한 S/N 비율이 임의로 탐사 속도를 변화시켜서 변화되게 한다.

지층 변수(P)의 최종 계산은 총 지층 신호대 총 검정 신호에 대한 비율을 취하므로써 이루어진다. 노이즈 소오스가 가해질 수 있으므로 편미분의 방법을 사용하여 별개의 신호/노이즈 비율들을 종합한다.

측정과 검정의 완전한 사이클에 이용되는 시간을

라고 놓으면,

이 함수는 측정시간 부분에서 발생하는 극대점을 갖는다.

여기서

이 분석은 탐사 공구에서 연속 측정의 프로그램을 최적화 하는데 사용된다. 그러나, 이미 앞에 설명했득이, 최종적인 종합시간(T_m,T_c)은 특수한 상황에 적용하도록 콤퓨터에 의하여 또한 조정될 수 있다.

신호/노이즈 비율을 개선하는 가장 효과적인 방법은 각 연속 측정에 충당된 연속적인 시간 간격중에 신호를 유도공구가 종합하는 것이다. 유동점 아날로그/디지탈 변환기(46)가 이러한 기능을 한다. 연속적인 간격들이 동일한 길이로 된다면 공정은 단순해 지지만, 그러나 이것은 방정식(6,7)로부터 계산된 최적의 지층/검정시간 비율과 상반되는 것이다.

이 문제의 해결책은 샘플들의 패턴을 참작하므로써 발견된다. 예컨대, 종합시간(T_m/T)의 최적치가 대략 0.75 또는 3/4이면, 매번 보정서 예를 들면, 검정(탭 'a'), 지층, 지층, 지층, 검정(탭 'b'), 지층등 3번의 지층측정을 해도된다. 이 패넌이 콘트롤러(22)에 기억되고, 실제 작동 상태, 또는 탐사 공구의 성능, 변화에 맞도록 수정된다.

[유동점 아날로그/디지탈 변환기(46)]

제12도를 보면, 양극성 유동점 아날로그/디지탈 변환기(46)의 상세한 회로도가 도시된다. 제12도에 도시된 변환기는 단극성 변환기로서도 작동되며, 다음 설명은 이같은 작동에 관한 것이다. 위상 감응 검출기(40)로부터의 출력은 도선(41)에 인가된 입력 아날로그 전압의 크기에 비례하는 디지탈 클록 주파수 신호(131)를 발생하는 전압/주파수 변환기(45)로 입력된다.

본 발명의 변환기의 기본원리는 전압/주파수 변환기(45)로부터 출력된 클록 사이클을 2개의 직렬 연결된 비동기 12비트 2진 계수기(126,130)에 축적하므로써 미리 설정된 시간 간격(T₁)에 걸쳐서 도선(41)에서 검출된 성분 신호를 종합하는 것이다. 각 변환기 시간 간격(T₁)의 완료시에, 계수기(126,130)의 내용은 직렬로 연결된 시프트 레지스터(shift register) 장치(128,132,134)로 구성되는 시프트 레지스터로 전송된다.

디지탈 유도 탐사 공구의 특성은 위상 감응 검출기(40)같은 위상 감응 검출기들의 출력단에, 탐사되는 지층의 도전율의 함수로서 발생되는 신호의 대단히 넓은 동적 범위이다. 이 넓은 동적 범위에 걸쳐서 제대로 작용하기 위하여, 각 변환 시간(T₁) 간격중에 전압/주파수 변환기(45)로부터의 클록 사이클을 축적하기 위해서 많은 수의 2진 계수기 단계들이 필요하다. 많은 수의 클록 사이클들이 만들어 질지라도, 2개의 2진 계수기(126,130)의 전체 내용이 지상으로 전송될 필요는 없다. 오히려, 데이타 압축이 사용되어서 각 변환 간격의 말기에 계수기(126,130)에 포함된 2진수가 크기에 대한 디지탈 코우드 및 지수에 대한 디지탈 코우드를 갖는 유동점 수로 변환된다.

크기 및 지수 모두의 디지트의 총수는 계수기(126,130)내의 총 비트수보다 작다. 이러한 방식으로, 본 발명의 유도 공구에 의하여 얻어진 디지탈 샘플들은 지상으로 전송된 후 CPU(10)에 의하여 유동점 계산의 준비가 되어 있으며, 지상으로 보고된 데이타의 상당한 축소가 이루어진다.

계수기(126,130)내에 축적된 변환 계수를 변환하기 위하여, 시프트 레지스터(128,132,134)는 각 변환 간격의 말기에 2진 계수기(126,130)의 내용들이 로드되고 시프트 레지스터(128,132,134)의 출력 비트중의 서브-세트(sub-set)수로 형성된 디지탈 단어의 최상위 비트(MSB)가 논리 '1'(양극성 작동이 사용될 경우 디지탈 샘플의 부호에 따라 논리 '1' 또는 논리 '0')을 포함하게 하는 방향으로 천이된다. 이 출력 비트들의 서브-세트는 2진 계수기(126,130)에 포함된 총 비트들의 총수보다 작으며, 이와 같이 얻어진 유동점 수의 크기를 나타낸다.

제12도에 도시된 바와 같이, 2진 계수기(126,130)의 12개의 최상위 비트들의 출력은 유동점 수의 크기로 나타난다. 하향 계수기(138)는 시프트 레지스터(128,132,134)를 천이시키는 천이 클록 펄스들에 응답하여서 각 천이 펄스에 대해, 하향 계수기(138)는 그 계수를 1계수씩 점감한다. 4비트 하향 계수기(138)는 유동점 변환치의 4비트 지수를 포함한다. 각 유동점 변환에 초기에,하향 계수기(138)의 내용은 전체 '1'의 패턴으로 프리 세트된다.

시프트 레지스터(128,132,134)내에 포함된 내용의 천이는 논리 '1'이 유동점 값에 대한 크기 코우드 단어의 최상위 비트로 나타나거나 혹은 하향 계수기(138)내의 카운트가 '0'에 도달하는 두 사건중의 하나가 발생할 때까지 좌측으로 계속 천이된다.

이들 사건중의 하나가 발생하면, 시프트 레지스터(128,132,134)의 천이가 중지되고, 크기 및 지수값 모두가 A/D 변환기로부터 유동점 변환 샘플로서 전송된다. 또다른 실시예에 있어서,전술한 바와 같이 논리 '1' 또는 논리 '0'을 포함하는 최상위비트(MSB)는 데이타를 추가로 한번 더 천이 시키므로써 제거되고, 다음 해독하는 과정에서 없어진 비트를 회복하고 유동점 샘플의 정확성을 증가시키는 수단이 제공된다.

변환 사이클 시간(T₁)의 길이와, 전압/주파수 변환기(45)의 비례 상수가 디지탈 크기 및 지수 유동점 값을 도선(41)에서 검출된 위상 성분 신호에 대한 진폭치로 변환시키는 변환 상수를 결정한다.단극성 작동에 대해서, 전압/주파수 변환기(45)는 200-500KHz/볼트의 변환 계수가 -65℃ 내지 200℃ 사이의 모든 온도에서 1밀리 볼트-10볼트(80dB)의 동적 범위를 갖는다.

본 명세서에 도시되고 기술된 각 회로는 유도 탐사에서 마주치는 극한적 온도 환경에서 작동되도록 한 것이다. 200℃이상의 온도는 통상적이다. 따라서, 이같은 온도를 접하게 될 경우, 회로들이 명세서에 기술된 그들의 기능을 확실히 수행할 수 있게 하기 위하여 회로 부품의 선택, 배치 및 설계에 주의해야 한다.

제6도에는, 제12도에 도시된 양극성 A/D 변환기에 나타나는 여러 신호에 대한 타이밍 다이아그램이 도시되어 있다. 양극성 모우드로 작동될 때 변환기(46)의 작동은 계수기(126,130)가 입력의 극성에 따라 상향 계수 또는 하향 계수하도록 배치되는 것을 제외하고는 본질적으로 단극성 모우드의 작동에 관해 전술한 바와 동일하다. 양극성 작동에서, 위상 삼응 검출기(40)으로부터의 입력 전압(41)은 양(+)과 음(-) 모두의 전압 행정을 갖는다. 단극성 작동에서는 전압 행정이 모두 양(+)이다.

제6도는 도선(41)에 인가된 신호에 대한 가능한 양극성 전압 신호를 도시하고 있다. 양극성 A/D 변환기로서 작동하기 위하여, 상술한 전압/주파수 변환기(45)는 그 입력 신호 크기의 절대치에 따라 변하는 주파수를 갖는 출력 주파수 신호를 발생하도록 작동해야 한다. 즉, 주어진 양(+)의 전압에 대해, 동일 크기의 음(-)의 전압에 대해 발생시키는 것과 동일한 전압을 발생시킨다.

양(+)과 음(-)의 입력 전압을 구별하기 위하여, 비교기(127)는 도선(41)에 인가된 신호에 응답하여 상향 및 하향 계수기(126,130)로 계수 제어 신호인 업/다운 콘트롤(UP/DOWN CONTROL)을 발생한다. 제6도에 도시된 바와 같이, 도선(41)에 인가된 신호가 양(+)일때, 계수기(126,130)는 상향 계수하고, 음(-)일때는 계수기들이 하향 계수한다. 이러한 방식으로, 각 계수 주기(T₁)의 말기에 계수기(126,130)의 계수는 한시간 주기에 걸친 입력 신호(41)의 평균치를 포함하고, 계수기(126,130) 체인의 최후 계수기내의 최상위 비트는 평균치의 극성을 나타낸다.

각 계수 간격(T₁)의 완료시에 리세트(RESET)는 계수기(126,130)의 완료된 계수 간격을 지우고, 다음 계수 간격이 시작된다. 동시에 하향 계수기(138)는 전부 '1'의 패턴으로 세트되어 현재 시프트 레지스터(128,132,134)에 포함되어 있는 방금 완료된 계수 간격이 전술한 바와 같이 유동점 샘플로 변환될 수 있다. 다시 말해서, 각 계수 간격이 시작되면, 변환기(46)에 의하여 얻어진 이전의 종합된 샘플이 유동점 샘플로 변환되고 지상으로 전송 하도록 이용될 수 있다.

[작동의 요약]

정상 작동에 있어서, 본 발명의 디지탈 유도 탐사 공구(1)는 지상에 위치한 CPU(10)로부터 전송된 명령 및 데이타 신호에 응답하여 복수의 송신기 주파수들 또는 복수의 동시발생 주파수들 중에서 선택한다. 선택된 주파수(들)는 가능한한 제일 정확한 도전율을 자동적으로 판독하기 위하여 측정되는 지층의 실제 도전을 같은 것을 기초로 한 것이다. 디지탈 파형 발생기(26)는 주파수 선택 신호에 응답하여 왜곡되지 않고 고도로 위상 안정된 정현파 송신기 주파수 신호, 또는 둘 혹은 그 이상 중첩된 정현파 신호들을 디지탈 방식으로 발생시킨다. 이 송신기 신호가 송신기 코일(34)에 인가된다. 중첩의 원리를 이용하면 상술한 바와 같은 복합파형인 상이한 주파수들을 개별적인 것처럼 생각할 수 있다.

다음 설명은 송신기의 정현파 출력의 경우에 관한 것이다.

이 송신기 코일에 흐르는 전류에 의해 지층에 발생되는 자계에 응답하여, 지층 와류 전류가 흐르게 된다. 이 와류 전류가 흐름에 따라 그 자체로서 수신기 코일(36)에 의하여 감지되는 자계를 형성시켜서 도선(37)에 수신기 신호(V_r)를 발생한다. 하나의 위상 감응 검출기(40)가 시추공의 각 측정점에서 수신기 신호에 포함된 위상 직교 성붐 'R' 과 'X'를 연속 검출하여서 지층의 도전율을 나타내는 신호를 검출하도록 사용된다.

본 발명에 의하여 'R'과 'X' 성분들은 하나의 위상 감응 검출기에서 연속해서 측정되지만, 이들 측정이 연속해서 이루어지는 속도는, 주어진 심도점에 대해 'R'과 'X' 성분의 측정이 이루어지는 동안 공구가 고정되어 있을 경우의 'R'과 'X'의 측정과 동일한 정도로 충분히 다르다. 즉, 본 발명은 각 심도점에 대하여 측정이 연속해서 이루어지더라도 근본적으로 상관되는 'R' 및 'X' 성분을 측정한다. 이들 위상 직교인 성분 신호의 정확한 측정을 이루기 위하여, 본 발명은 유도 공구 자체내에 있는 회로의 부품들로 인한 위상 천이 오차를 보상한다. 이들 위상 천이 오차는 정적인 것과, 동적인 즉 온도에 따라 변화하는 위상 천이 오차의 2가지로 분류되는 것을 특징으로 한다.

디지탈 파형 발생기(26)는 또한 도선(50)에, 도선(28)에 인가된 송신기의 결과적인 정현파 신호와 미리 정해진 위상 관게를 갖는 기준 클록 신호를 발생하며 상기 파형 발생기(26)는 또한 송신기의 정현파 신호를 발생한다. 기준 클록 신호에 응답하여, 자동 위상 장치(32)는 도선(42)에 인가된 위상 기준 신호를 위상 감응 검출기(40)로 발생시킨다. 기준 클록과 송신기의 신호 사이의 이상으로 인하여 정적 위상 천이 오차가 보상된다. 온도에 따른 이상 오차를 보상하기 위하여, 정상 탐사 작업중에 자동 위상 사이클이 주기적으로 시작된다. 이 자동 위상 사이클중에, 수신기의 코일(36)로부터 출력된 수신기의 정상신호(V_r)보다는 오히려 송신기의 전류(i_T)로부터의 유도되는 미리 정해진 테스트 신호가 위상 감응 검출기(40)로 입력된다. 그밖에 도선(42)에 인가된 위상 기준 신호와 위상 관계가 선택되어 'X' 위상 성분 신호를 검출한다.

위상 감응 검출기(40)의 결과적인 출력의 극성이 검출되고 피이드백 오차 신호로서 자동 위상 장치(32)에 인가된다. 이 피이드백 오차 신호가 자동 위상 장치를 제어하여 도선(42)의 위상 기준 신호를, 위상 감응 검출기(40)의 출력을 '0'으로 감소시키는 방향으로 위상 천이시킨다. 송신기의 전류(i_T)로부터 유도되는 테스트 신호인 'X' 성분 신호가 '0'이 되어야 하기 때문에, 검출된 위상 성분 신호는 실제로 자동 'X'이 되며 'R' 또는 'X' 위상 성분 신호의 측정 모두에서 나타나는, 어떠한 온도에 따른 위상 천이 오차도 동적으로 확실히 보상하는 방향으로 위상 기준 신호를 위상 천이 시키므로서 그렇게 되어진다.

정상적인 탐사 작업중에, 단일 위상 감응 검출기(40)에 의하여 연속해서 검출된 'R' 및 'X ' 위상 성분 신호들은 넓은 동적 범위의 유동점 변환기(46)에 의하여 유동점 디지탈 샘플로 변환된다. 따라서 본 발명은 신호대 노이즈 비율이 더 처리되기 위하여 지상의 CPU(10)로 전송되기 전에 최대치로 되는 지하의 수신기 신호(V_r)에서 'R' 및 'X' 성분 신호를 대단히 정확하게 디지탈 방식으로 측정하여 얻을 수 있다.

수신기의 신호인 성분을 연속해서 측정하는 동안, 유도 공구는, 정상적으로 인가된 수신기의 신호(V_r) 대신에 위상 감응 검출기(40)에 인가되는 송신기 전류(i_T)로부터 유도되는 일련의 미리 설정된 검정 신호를 만든다. 검정 신호에 의하여 이와 같이 얻어진 측정치로부터, 지상에 배치된 CPU(10)는 유도 공구 자체의 전달 함수의 비선형성을 제거하기 위하여 신호 측정치를 보상하는 보상 공식을 만들 수 있다. 이 비선형성은 넓은 신호 범위에 걸친 이득 및 회로 부품의 온도 변동의 비선형성 같은 것에 기인하는 것이다.

Claims (6)

1. 송신기의 신호에 응답하여 와전류가 지하 지층에 흐르도록 유도하는 송신기의 코일과 그 유도된 와전류에 응답하여 지층 특성 신호를 발생하는 수신기의 코일을 가지는 탐사 공구에 있어서, 검출되는 성분 신호와 동일한 위상을 가지는 기준 위상 신호에 응답하여 위상 감지 검출기의 특정 신호인 적어도 한개의 성분 신호를 측정하고, 상기 기준 위상 신호는 기준 클록 신호에 응답하여 발생되며, 와전류의 발생과 특성 신호인 위상 성분 신호의 검출에 모두 관련된 전기 회로로 인해 성분 신호 측정에 나타난 이상(phase shift : 移相) 오차를 보정하는 장치를 지니는 디지탈 유도 탐사 공구에 있어서, 상기 이상 오차 보정 장치는, (a) 송신기의 신호를 발생하는 제1디지탈 데이타 신호와 기준 클록 신호를 발생하는 제2디지탈 데이타 신호가 기억되는 메모리 수단을 포함하고, 제1 미 제2데이타 신호가 선택된 메모리 어드레스 기억 장소에 기억되어 상기 제2데이타 신호로부터 발생된 기준 클록 신호는 탐사 공구내의 회로에 의해 나타난 이상 오차를 보정하는 방향으로 상기 제1데이타 신호로부터 발생된 송신기의 신호에 관한 선결된 양으로 이상되며, (b) 상기 메모리 수단에 메모리 어드레스 신호를 발생시키는 상기 제1데이타의 출력과 동기화되는 어드레스 발생 수단을 포함하는 디지탈 유도 탐사 공구.
2. 제1항에 있어서, 송신기의 신호를 디지탈 방식으로 발생시키는 기억된 디지탈 데이타 신호가 상기 메모리 수단에 기억되어 상기 어드레스 발생 수단에 의하여 상기 메모리 수단이 송신기의 신호 발생 데이타와 기준 클록 발생 데이타 모두를 동시에 출력시키는 디지탈 유도 탐사 공구.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 메모리 수단이 ROM(Read Only Memory)인 디지탈 유도 탐사 공구.
4. 송신기의 신호에 응답하여 와전류가 지하 지층에 흐르도록 유도하는 송신기의 코일과 그 유도된 와류에 응답하여 지층 특성 신호를 발생하는 수신기의 코일을 가지는 탐사 공구에서, 위상 감지 검출기의 특성 신호인 적어도 한개 성분을 측정하며, 전기 회로에 의해 성분 신호 측정으로 나타난 이상 오차를 보정하는 방법은, (a) 송신기의 신호를 발생하는 단계, (b) 전송기의 신호에 선결된 위상관계를 가지는 기준 위상 신호를 발생하는 단계, (c) 지층 특성 신호와 기준 위상 신호를 위상 감지 검출기에 인가하여 위상 기준 신호와 동상인 특성 신호의 성분을 검출하여, 송신기의 신호에 선결된 위상 관계를 가지는 기준 위상 신호가 정적 이상 오차를 보정하는 단계, (d) 송신기의 신호를 나타내는 테스트 신호가 발생되고, 그 테스트 신호를 위상 감지 검출기에 인가하며, 테스트 신호에 대해 위상이 구형인 기준 위상 신호를 위상 감지 검출기에 인가하여, 위상 감지 검출기로부터 검출된 출력이 이상 보정 신호를 나타내고, 이상 보정 신호를 '0'으로 감소하는 방향으로 기준 위상 신호를 이상 탐사 공구의 회로에 의해 나타난 이상 오차를 보정함으로써 동적 이상 오차를 보정하는 디지탈 유도 탐사 방법.
5. 제4항에 있어서,송신기의 신호와 기준 위상 신호를 발생시키는 단계는, (a) 송신기의 신호 크기를 나타내는 디지탈 신호가 디지탈 메모리 기억장소에 기억되는 단계, (b) 송신기의 신호를 발생시키는 신호들에 관하여 기준 위상 신호를 발생시키는 신호들을 상기 디지탈 메모리 장소에 기억시켜서 송신기 발생 신호와 기준 위상 발생 신호 모두가 메모리로부터 동시에 판독되는 경우 결과적인 기준 위상 신호가 송신기의 신호에 대한 선정된 위상 관계를 가지는 단계를 포함하는 디지탈 유도 탐사 방법.
6. 제4항에 있어서, 동적 이상 오차를 주기적으로 보정하는 단계는, (a) 송신기의 코일에 발생된 전류를 감지하여 테스트 신호를 발생시키는 단계, (b) 지층 특성을 나타내는 신호인 수신기의 코일로부터 출력된 지층 특성 신호 보다는 오히려 테스트 신호를 선택하는 단계를 포함하는 디지탈 유도 탐사 방법.

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