SE419269B - Forfarande och anordning for bestemning av markens elektriska ledningsformaga - Google Patents

Description

7999M54 I den amerikanska patentskriften 3 936 728 beskrives ett sätt och en anordning för att undersöka fördelningen-av den elektriska kon- duktiviteten i marken. Man erhåller information beträffande fördel- ningen av elektrisk konduktivitet (resistivitet) i marken mellan tvâ punkter Qflïfllatt åstadkomma ett elektromagnetiskt fält, vars frekvens kan varieras inom ett önskat område vid en av punkterna, och detektering och jämförelse vid den andra av punkterna, vid ett flertal sända frekvenser, av komponenter hos det magnetiska ochlel- ler det elektriska fältet, vilka är i fas och ur fas med en referens- signal härledd elektromagnetiskt vid den andra punkten från det ut- sända fältet, varvid ingen kabel eller annan fysikalisk förbindelse mellan de båda punkterna krävs. Vidare beskrivs i detalj den anord- ning, med vars hjälp det elektriska fältet âstadkommes, referens- signalen härleds och de magnetiska och/eller elektriska fältkompo- nenterna i fas och ur fas detekteras. Bland tillämpningsomrâdena omnämnes att man detekterar horisontella eller andra diskontinuite- ter i fördelningen av den elektriska konduktiviteten för kartlägg- ning av geotermiska och permafrostzoner eller upptäckt av underjor- diska vattenförekomster eller anomala zoner bildade av malmkroppar.

I den amerikanska patentskriften 4 047 098 beskrivs ett sätt och en anordning för havsprospektering medelst uppmätning av elektromagne- tiska fält. En slinga, som utsänder ett magnetiskt fält, bogseras medelst sina elektriska matningskablar. Kablarna är tvinnade och har tillräcklig tvärsektion för att hålla deras elektriska resistans låg. Själva slingan har liten reaktans på grund av den låga frekvens som används. Kännarna för komponenterna hos det magnetiska eller elektriska fältet, som gör det möjligt att detektera variationer i markens resistans, är belägna tillsammans med matningsgeneratorn för slingan ombord på det bogserande fartyget. Uppfinningen i fråga skall tillämpas vid prospektering efter mineraltillgångar belägna under vatten och generellt för alla geologiska undersökningar, som utförs på vattentäckt mark.

I den svenska utläggningsskriften 353 154 (uppfinnare J. Duroux och andra, samt med prioritet bl.a. från den 6 juni 1967 i Frankri- ke) beskrivs ett sätt att medelst elektromagnetiska fält bestämma resistiviteten inom djupt liggande marklager, varvid fältet alstras av en sändare med reglerbar frekvens. Sändaren består av en på av- 7969875 '2 stånd från mätområdet belägen magnetisk dipol med vertikal axel Offfh de; utsändqfëlgtet ger uPPhW till. ett..elelstrømasnetisqkt vid det ställe där områdets resistivitet skall mätas. Detta fält mottages av en mottagare med ett magnetiskt uppfångningsorgan, vil-, ket mäter det magnetiska fältets radiella komposant, samt ett elekt- riskt uppfângningsorgan, som mäter det elektriska fältets tvärkompo- sant, varvid resistiviteten blir proportionell mot kvadraten på kvo- ten mellan de nämnda elektriska och magnetiska komposanterna och om- vänt proportionell mot fältets frekvens.

Det är ett syfte med uppfinningen att vid ett förfarande och en an- ordning av inledningsvis angivet slag åstadkomma en enkel och för- delaktig mätmetodik. Det väsentligaste är därvidlag att man med en horisontell magnetisk dipolsändare mäter och använder den horison- tella elektriska komponenten längs en följd profil. Vid förfarandet enligt uppfinningen erhålles dess fördelar genom att den magnetiska dipolsändarantennen riktas tvärs den tänkta linjen förenande sända- ren och mottagaren, att i mottagaren mätes det elektriska fältets komponent E i den nämnda, tänkta linjens riktning, och att i motta- garen även mätes det magnetiska fältets komponent H i en riktning parallell med den magnetiska dipolsändarens dipolriktning, och att kvoten bildas mellan E och H, vilket värde är beroende av markens ledningsförmåga.

Vid en anordning av inledningsvis angivet slag uppnås uppfinninjens fördelar genom att den magnetiska dipolsändarantennen är riktad tvärs den tänkta linjen förnnande sändaren (S) med mottagaren, att i mottagaren ingår en elektrisk dipolmottagarantenn (10) vars dipol- riktning är riktad utefter den nämnda, tänkta linjen och anordnad att uppfånga en elektrisk fältkomponent E, att den magnetiska dipol- mottagarantennen (8) har sin dipolriktning riktad parallellt med den magnetiska dipolsändarantennens (7) dipolriktning och är anordnad att uppfânga en magnetisk fältkomponent H, varjämte i anordningen ingår medel (22) för bildning av kvoten mellan E och H.

Vid'en mätuppstáflning i enlighet med föreliggande uppfinning är, om sändarecxm mottagare ligger direkt på homogen mark och om för- skjutningsströmmen försummas, uttrycken för fältstyrkorna speciellt enkla. 4 Den raáiella elektriska fäitstyrkan kan formuleras såsom p; , yåífáiï - _32- "- J, m" - n . Hg” 11/1* ml där Ino är magnetiska permeabiliteten i vakuum är vinkelfrekvensen 5 8 är sändarens dípol/moment y är avståndet mellan sändare och mottagare J1 betecknar Besselfunktionen av första slaget H1(1)betecknar Besselfunktionen av det tredje slaget (Henkel-funktionen).

Bägge dessa funktioner har här komplexa argument ( V ' A).

Vidare är . ¿ = :_ ______ 2 '1/izanr vari Ö är ledningsförmâgan hos marken - g och _ )1 är den magnetiska permeabilíteten hos marken.

Den magnetiska fältstyrkans komponent parallellt med sändaraxeln kan uttryckas såsom ? 1 “I I m e -Yy 2 2 3 r H = ---- ---- ( 3+3 fy + y J + 1 - ---- Lfl-ya yz 12 _ l Y Yzïz d r fl/id/-ow För stora y förenklas uttrycket ytterligare till Fíï- 1 H= 1.:. .__ä__. f; 2fí v och . l m ' 1 n=---'-- 277 va -...~f.\w.-»4""" ' '" " 7939375-2 Värdet på resistiviteten 5 blir då proportionellt mot kvoten 4% tagen i kvadrat, dvs z: 1 . |E| V,M°w IHI För fasvinkeln Q mellan E och H gäller under ovanstående betingel- ser att o = 4s° dvs att Q är konstant vid mätning över homogen mark. Motsvarande gäller för ett flygsystem, när avståndet mellan sändare och mottaga- re är stort 1 förhållande till fiyghöjden.

'Uppfinningen är ej begränsad till detta fall, men vid större rela- tiv flyghöjd blir utvärderingen mer komplicerad genom att hänsyn måste tagas till variationer i flyghöjd och till variatcner i av- stånd mellan sändare och mottagare.

I fig. 1 åskådliggöres principiellt ett arrangemang av sändare S och mottagare M enligt uppfinningen. Markytan betecknas 1 och fält- linjerna i marken visas genom med pilar försedda linjer 2. Sändar- dipolens utsända magnetfält är riktat in mot papperets yta (cirkeln med kryss). Genom induktion alstras i marken ett strömfält, vilket i sin tur ger upphov till ett motsvarande elektriskt fält enligt de nämnda linjerna. Vid mottagaren M är det inducerade fältet rik- tat åt höger i figuren. I samma punkt föreligger ett magnetiskt fält H riktat ut från pappersplanet, dvs vinkelrätt mot E. Detta fält består dels av det primära fältet från sändardipolen och dels av ett sekundärt fält alstrat av det i marken inducerade strömfäl- tet. Den i fig. 1 visade orienteringen är praktiskt fördelaktig, eftersom den elektriska mottagarantennen då kan orienteras längs rörelseriktningen för en rörlig mätanordning, t.ex. en flygplans- buren dylik anordning. Sändaren S bärs av ett flygplan 21 enligt fig. 1. Flygplanet bogserar en s.k. korv 24, som uppbär en dipol- antenn 10 för E-fälte; och en dipolantenn 8 för H och mottagarut- rustningen M i övrigt. 79098754 I fig. 2 visas sändarenheten S i blockschemaform. Sändaren inne- fattar en magnetisk dipol 7 med horisontell axel och den är vidare riktad tvärs en tänkt linje, som förbinder sändaren och mottagare.

Sändarspolen 7 med horisontell axel kan ha radien 0,3 m och vara lindad av 100 varv koppartråd, ø 2 mm. Den matas med ca 5 A växel- ström med frekvensen ca 30 kHz (här 29,1 kHz). En stabil oscillator 3 matar en signal med frekvensen 29,1 kHz till ett drivsteg 4, som i sin tur matar en effektförstärkare 5 om ca 100 W. Oscillatorn 3 måste xara nqcket stabil, eftersom de uppmätta signalerna kommer att vara mycket små och mäts med mycket liten bandbredd i mottagaren, vilket kräver en motsvarande frekvensstabilitet. Sändarspolen 7 bil- dar tillsammans med två avstämningskondensatorer 6 en serieresonans- krets. Anpassningen till förstärkaren 5 måste vara god, så att man får så bra effektivitet som möjligt. Det uppkommande magnetiska di- polfältet inducerar ett elektromagnetiskt fält i marken såsom åskåd- liggöres i fig. 1.

Mcttagaren M, som i blockschemaform visas i fig. 3, mäter de elekt- riska och magnetiska fältstyrkorna E resp. H. Det magnetiska fältet mätes i riktning parallellt med sändardipolen, medan det elektriska fältet mätes i_den till sändaren radiella riktningen. Mottagaren befinner sig på ett avstånd av ca 100-400 m från sändaren beroende på hur stor volym man önskar att mätresultaten skall representera.

Mottagaren, vilken har två kanaler, är kopplad till vardera en mag- netisk och en elektrisk dipolantenn 8 resp. 10 med ovan angiven orientering. Den magnetiska antennen 8 är lämpligen en ferritstav med pålindad spole, medan den elektriska antennen 10 kan utgöras av två horisontella ledare av ca 10-20 m längd vardera. Mottagaren är konstruerad så, att ingângsimpedansen för de två kanalerna är mycket hög för att antennerna ej skall nämnvärt belastas. De båda kanaler- nas förstärkning är av storleksordningen 1 miljon gånger för att ge detekterbara mätsignalnivåer. Bandbredden är ca 1 Hz för att i möj- ligaste mån undertrycka störningar och brus. En detektor 18'resp. 19 är anordnad för de båda kanalernas utsignaler och lagrar dessas amp- litud och fas. Genom mätning av nämnda kvot mellan dessa signaler undertrycks effektivt inverkan av variationer i avståndet mellan sändare och mottagare, vilket är väsentligt, speciellt i det här visade fallet med en flygburen mätutrustning. Närmare bestämt och enligt fig. 3 matar antennen 8 signalerna av 29,1 kHz till ett in- I!E::r““"""~~ ' fl-f-f' m» e-w... f we,- »fiv-aai, .er..,..__.,_ . ._ _ : 'sentation av H- resp. E-insignalen, 7999375 '-2 gångssteg 9, som väsentligen förstärker de mottagna signalerna.

Antennen 10 matar ett motsvarande ingângssteg 11. Den för H- och E-kanalerna gemensamma delen av mottagaren M innefattar en multi- plexomkopplare på såväl ingången 12 som utgången 16 styrda av en oscillator 17 med frekvensen ca 10 Hz samt en blandare 14, en 30,0 kHz oscillator 15 och ett mellanfrekvenssteg 13, varvid mellanfre- kvensen blir 30,0-29,1, dvs 900 Hz. De elektroniska omkopplarna 12 och 16 inkopplar växelvis ingångssteg och detektor för respektive kanal, så att, då H-ingângssteget 9 är inkopplat, även H-detektorn 18 är inkopplad och analogt för E-ingångssteget 11 och E-detektorn 19.

Detektorerna 18 och 19 matas med en referensfrekvens 900 Hz från en gemensam oscillator 20. Detektorerna är av typen kommulerande fil- ter. or 18 och 19 är därvid alltid lagrad en repre- i såväl fas som amplitud, trots att i varje ögonblick endast en av detektorerna är inkopplad till sin kanal via omkopplaren 16. Från detektorernas utgångar uttages en inriktad lnJ-eignai resp. en iikriktea IEI-signal till en kvot- bildare 22. Vidare uttages en fassignal 9H resp. QE, vilka matas till en fasdetektor 23 för bestämning av tidsskillnaden mellan H- och E-signalerna. Från mätanordningen erhålles då dels kvoten E/H och dels fasskillnaden Q, vilka båda är beroende av ledningsförmå- gan i marken. Fasdifferensen ger främst en indikering beträffande förändringar i ledningsförmågan, medan IE/H12 däremot närmast repre- senterar ledningsförmågans absoluta belopp.

I respektive detekt Det beskrivna arrangemanget har ett antal väsentliga fördelar fram- för de anordningar«som beskrivs i de inledningsvis behandlade ame- rikanska pauamen och den svenska utläggningsskriften. Sättet enligt uppfinningen är sålunda bl.a. användbart för bestämning av markens ledningsförmåga genom mätning från flygplan, vilket icke gäller vid de nämnda tidigare kända arrangemangen. Vid anordningarna enligt krav 4 i den amerikanske patentskriften 3 936 728 samt i krav 1 i den amerikanska patentskriften 4 047 098 och krav 1 i den svens- ka utläggningsskriften förutsätts att mätningen av det elektriska fältet sker vinkelrätt mot en tänkt linje genom sändaren och motta- garen. Detta förhållande medför att ett flygburet system blir prak- tiskt svårt att utforma beroende på den elektriska dipolantennens ,magnetisk väg 'ZVQSQGWS-Z 7 nödvändiga längd. Vid uppfinningen krävs att det elektriska fältet mätes i radie1l riktning, vilket medför att antennen kan släpas i sin längdriktning.

Enligt den kända tekniken mätes det elektriska fältet såsom poten- tialskillnaden mellan två jordade elektroder. Vid uppfinningen mä- tes det elektriska fältet med hjälp av en kapacitiv elektrisk dipol, dvs antennen kräver ej galvanisk kontakt med marken och kan alltså utnyttjas i ett flygburet system, men också vid mätning på frusen eller snötäckt mark till skillnad från vad som är möjligt med de kända anordningarna.

Patentet 3 936 728 baseras på att mätningen av de olika fältkompo- nenterna sker relativt en referenssignal, som uppfângas på elektro- vid mottagaren. Anordningen enligt uppfinningen base- ras på direkt mätning av de två fältkomponenterna, dvs något behov av referenssignal finns ej.

Patentet 4 047 098 och utläggningsskriften hänför sig uteslutande till vertikala sandardipoler, vilket helt skiljer sig från uppfin- ningens horisontella dipol. Den horisontella dipolen medför i sig själv den fördelen att det uppkomna fältet avtar med avståndet mel- den vertikala Detta lan sändare och mottagare i kubik, till skillnad mot dipolen, där avtagandet sker med avståndet upphöjt till fyra. är betydelsefullt i en praktisk anordning, där man ju vill begrän- sa energibeh ovet för att hålla utrustningens vikt så låg som möjligt.

Claims (8)

FIÉ 7999875-2 . "“"~^~ aux. flvs, - . ~w;_¿ _ ,. _ Stalin' Patentkrav

1. Förfarande för elektromagnetisk bestämning av markens elektriska ledningsförmåga, särskilt vid flygprospektering, medelst en sändare och en på avstånd från denna placerad mottagare, varvid i sändaren ingår en magnetisk dipolsändarantenn med horisontell dipol- ¿ riktning och i mottagaren ingår en magnetisk dipolmottagare med sin dipolriktning anordnad horisontellt och tvärs en tänkt linje förenande sändaren och mottagaren,k ä n n e t e c k n a t av att den magnetiska dipolsändarantennen riktas tvärs den tänka linjen förenande sändaren och mottagaren, att i mottagaren mätes det elektriska fältets komponent E i den nämnda, tänkta linjens riktning, och att i mottagaren även mätes det magnetiska fältets komponent H i en riktning parallell med den magnetiska dipolsändarens dipolrikt- ning, och att kvoten bildas mellan E och H, vilket värde är be- aan-J...- roende av markens ledningsförmâga.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att fas- skillnaden Yzmellan de mottagna signalerna E och H bestämmes, varvid 4'är beroende av markens ledningsförmåga. 1' gmaß-»nuaßiw-.ra-a

3. Förfarande enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att H-insignalen och E-insignalen matas till var sitt ingångs- steg och via en första multiplexomkopplare till en gemensam kanal med blandar- och mellanfrekvenssteg och därifrån via en andra multiplexomkopplare till separata H- och E-utgångssteg, att representationer av H- resp. E-ingångssignalerna lagras, såväl ned avseende på amplitud som fas, i nämnda utgångssteg och att dessa steg matar en kvotbildare och en'fasskillnadsbi1dare.

N. Anordning för utövning av förfarandet enligt något av föregående krav för elektromagnetisk bestämning av markens elektriska led- ningsförmåga, särskilt vid flygprospektering, och vari ingår en sändare (S) och en på avstånd från denna placerad mottagare (M), varvid i sändaren ingår en magnetisk dipolsändarantann (7) med horisontell dipolriktning och i mottagaren ingår en magnetisk 79393754 10 dipolmottagarantenn (8), som är horisontellt riktad tvärs en tänkt linje förenande sändaren och mottagaren, k ä n n e t e c k n a d av att den magnetiska dipolsändaran- tennen är riktad tvärs den tänkta linjen förenande sändaren (S) med mottagaren, att i mottagaren ingår en elektrisk dipolmottagarantenn (10) vare dipolriktning är riktad utefter den nämnda, tänkta linjen och anordnad att uppfånga en elektrisk fältkomponent E, att den magnetiska dipolmottagarantennen (8) har sin dipolrikt- ning riktad parallellt med den magnetiska dipolsändarantennens (7) dipolriktning och är anordnad att uppfånga en magnetisk fältkonponent H, varjämte i anordningen ingår medel (22) för bildning av kvoten mellan E och H.

5. Anordning enligt krav Ä, k ä n n e t e c k n a d av att däri ingår medel för bestämning av fasskillnaden Y7mellan E och H.

6. Anordning enligt krav H eller 5, k ä n n e t e c k n a d av att sändaren (S) med sin magnetiska dipolantenn är anordnad på ett flygplan (21) och att mottagaren (M) med sina elektriska (10) och magnetiska (8) dipolantenner är anordnad att bäras av en av flygplanet bogserad ancrdning (2ü).

7. Anordning enligt något av krav U-6, k ä n n e t e c k n a d av att sändarfrekvensen är av storleksordningen 30 kHz och in- variabel.

8. Anordning enligt något av krav Ä-7, k ä n n e t e c k n a d av att mottagaren (M) innefattar en H-kanal och en E-kanal kopp- lade till resp. dipolantenn (8,l0), en blandare (lä), oscilla- tor (15) och mellanfrekvenssteg (l3) innefattande, för kanalerna gemensam del, föregången av en ingångsmultiplexomkopplare (12) och åtföljd av en utgångsmultiplexomkopplare (16), vilka om- kopplare över den gemensamma delen växelvis förbinder H-ingången (9) med en H-detektor (18) resp. E-ingången (ll) med en E-detek- tor (19), vilka detektorer alltid kommer att ha en aktuell repre- sentation av H- resp. E-insignalerna lagrad, såväl med avseende på amplitud som fas, och en av detektorerna (l8,19) med likriktade H- och E-utsignaler matad kvotbildare och kvadrerare (22) samt jvøeøsvs-2 11 , en med V H- och *YE-fasutsignalerna matad fasdifferensbildare (23). _ ål Anårdnfñg éhlišš-kra; 8, k åwš n Åht Ä Å k n a d av.att de- tektorerna (l8,l9) är av typen kommuterande filtefl. ___--._.__-~_.. . .«-...... ...v~, , _