SU1233078A1 - Устройство дл измерени магнитной восприимчивости и удельной электропроводности - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к разведочной геофизике и предназначаетс  дл  использовани  в каротаже магнитной восприимчивости, индукционном каротаже, а также при изучении морских донных отложений. С целью повышени  точности измерени , в устройство , содержащее индукционный зонд с генераторной и приемной цеп ми, генератор, подключенный к генераторной цепи зондаi усилительно-регистрирующую схему, приемна  цепь зонда соединена с входами преобразовател  ток-напр жение, выход которого подключен к усилительно-регистрирующей схеме, преобразователь ток-напр жение может быть выполнен в виде операционного усилител  с отрицательной обратной св зью. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л

Description

11

Изобретение относитс  к разведочной геофизике .и предназначаетс  дл  использовани  в каротаже магнитной восприимчивости, индукционном каротаже , а также при изучении морских донных отложений, горных пород и руд в обнажени х и по стенкам горных выработок .

Цель изобретени  - повышение точности измерени .

На фиг. 1 изображена структурна  схема устройства; на фиг. 2 - схема устройства с преобразователем ток- напр жение, выполненным на основе операционного усилител ; на фиг. 3 - зависимость сигнального тока Л Г от количества витков W приемной или компенсационной катушек,с использованием двойного Логарифмического масштаба экспериментальными точками; на фиг. 4 - схема устройства с преобразователем ток-напр жение, выполненным в виде трансформатора.

Генераторна  цепь 1 (фиг. 1) индукционного зонда подключена к генератору 2 переменного напр жени , а приемна  цепь 3 соединена в замкнутый контур подключением ее к входу преобразовател  4 ток-напр жение, выход которого соединен с усилительно-регистрирующей схемой 5. Индуктивна  св зь генераторной цепи 1 зонда с его приемной цепью 3 (фиг. 1) обозначена пункирной стрелкой.

Устройство работает следующим образом .

В результате протекани  в генераторной цепи 1 зонда переменного тока генератора 2 в окружающем пространстве создаетс  переменное магнитное поле, которое индуцирует ЭДС в приемной цепи 3 зонда . Под воздействием исследуемой среды величина ЭДС по отношению к значению ее, существовавшему в воздухе, приобретает приращение . Это приращение ЭДС создает в замкнутом контуре, образованном приемной цепью 3 зонда и входным сопротивлением преобразовател  4, сигналь- ньй ток. Преобразователем 4 сигнальный ток преобразуетс  в напр жение, которое поступает на вход усилительно-регистрирующей схемы 5. Этой схемой сигнал усиливаетс , выпр мл етс  и фиксируетс  в аналоговой или дискретной форме. По величине зарегистрированного сигнала суд т о магнитной восприимчивости или удельной электро782

проводности исследуемой среды. Так как входное сопротивление Zg,x преобразовател  4 во много раз меньше полного сопротивлени  Z приемной цепи 3

зондаJ то дл  приемной цепи приближенно реализуетс  режим короткого замыкани , благодар  которому существенно уменьшаетс  вли ние внешних помех и повышаетс  точность измерений. :

Погрешность осуществлени  режима короткого замыкани  можно оценить отношением Z 1Ъ входного сопротивлени  преобразовател  4 к полному сопротивлению приемной цепи 3. Приемлемой может быть относительна 

погрешность в 20%. Тем самь}м ограничиваетс  величина входного сопротивлени  преобразовател  4 сверху

20

Zax 0,2 2„

(1)

С уменьшением отношени  зта погрешность уменьшаетс , но снижаетс  чувствительность измерений.

25 Приращение ЭДС А под воздействием исследуемой среды.приводит к по влению на входе преобразовател  4 напр жени  jiU. С учетом ограничени  CD величина его определ етс  приближен30 ным соотношением

.f- Z f

вх

(2)

Следовательно, отношение  вл етс  также коэффициентом передачи по напр жению замк нутого контура приемна  цепь 3 зонда - входное сопротивление преобразовател  4. Чрезмерное уменьшение отношени  Z /Z поэтому нецелесообразно. Наибольшую точность реализации режима короткого замыкани  достаточно оценить относительной погрешностью в 0,02%. Этим устанавливаетс  нижн   граница вход- него сопротивлени  преобразовател .

0,0002 ZH Zg.

(3)

Генераторна  цепь индукционного зонрд, (фиг. 2) состо ща  из генераторной Катушки 6- и первичной обмотки 7 трансфо|5матора с замкнутым ферромагнитным сердечником 8, подключена к генератору 2 переменного напр жени . Приемна  цепь индукционного зонда , образованна  встречно включенными приемной катушкой 9 и компенсационной катушкой 10, соединена с входом преобразовател  ток-напр жение в замкнутый контур. Преобразователь ток-напр жение содержит операционный усилитель 11 с регистром 12 обратной св зи и симметрирующим резистором 13, Цепь отрицательной обратной св зи, в которую входит резистор 1J, включена с выхода операционного усилител  11 на его вход. Выход операционного усилител  подключен также к входу усилительно-регистрирующей схемы, со- держащей усилитель 14, синхронный выпр митель 5, опорный вход которого соединен с вторичной .обмоткой 16. трансформатора, и регистратор 17.

Особенность работы устройства с операционным преобразователем ток- напр жение состоит в следующем.

Благодар  большому коэффициенту усилени  (10 -10) операционного усилител , напр жение сигнала дU на входе его за счет отрицательной обратной св зи поддерживаетс  практически на нулевом уровне. Тем самым обеспечиваетс  очень малое входное сопротивление преобразовател  Z - от нескольких ом до долей ома. Это свидетельствует о режиме-короткого замыкани  дл  приемной цепи зонда. В этом случае напр жение сигнала целесообразно выразить формулой, вы- текающей из соотношени 

&и

л1 Z

ex

(2)

где ь1 i.(5)

сигнальный ток в приемной цепи.

Сигнальный ток,  вл ющийс  входным током дл  преобразовател , протекает через резистор 12 обратной св зи и симметрирующий резистор 13 и создает сигнал выходног о напр жени  преобразовател 

ивы.(Кс..св.

+ си ,

где R - сопротивление резистора

12 обратной св зи; R - сопротивление симметрирующего резистора 13. Таким образом, преобразователь с операционным усилителем ведет себ  по отношению к приемной цепи как низ- коомный приемник тока, а по отнощению к усилителю 14 - как низкоомный приемник тока, а по отношению к усилителю 14 - как низкоомный источник , напр жени .

При использовании операционного усилител  в качестве преобразовател  ток-напр жение по новому формулируютс  требовани  к катушкам индуктивности приемной цепи, параметры которых должны в соответствии с равенством (6) обеспечивать возможно больший сигнальный ток.

Рассмотрим одинаковые приемную 9 и компенсационную 10 катушки, кажда  из которых содержит W витко.в провода при одной и той же площади S сечени  намотки. Исследуем зависимость сигнального тока д1, создаваемого некоторой средой, от поверхности которой приемна  и компенсационна  катушки наход тс  на различных рассто ни х, от количества витков при условии посто нства заполнени  площади сечени . Приращение ЭДС й , возникающее под воздействием среды, пр мо пропорционально количеству витков каждой катушки

де- W.

(7)

Зависимость от W полного сопротивлени  Zy, более сложна , так как

Zn 2 + R;

(8)

где L и R - индуктивность и активное сопротивление при- емной или компенсационной катушек.

Магнитный поток через один виток, например, приемной катушки пр мо пропорционален W, а через все витки - квадрату числа витков. Следовательно,.

W

(9)

40

45

50 55

Активное сопротивление R катушки, с одной стороны, линейно растет с длиной провода и поэтому пропорционально W. С другой стороны, R убывает обратно пропорционально площади сечени  провода, величина которого ориентировочно равна .

Таким образом, и дл  активного сопротивлени  имеем

W

(11)

Из формул (5), (6), (7) и (11) следует, что сигнальный ток и выходное напр жение преобразовател  увеличиваютс  с уменьшением количества витков

Д1, 4U

выи

1/W.

(12)

Таким образом, чувствительность измерени  возрастает обратно пропорционально количеству витков в катушках приемной цепь при намотке их бо- лее толстым проводом с сохранением неизменной площади сечени  намотки и при условии приближенного обеспечени  режима короткого замыкани . Применение низкоимпедансной короткозамкаутор приемной цепи повышает точность измерени  благодар  уменьшению вли ни  внешних помех и межвитковых емкостных токов, а также за счет увеличени  стабильности параметров катушек приемной цепи,

Дл  экспериментальной проверки устройства изготовл ют макет зонда с плоскими соосными катушками. Сред- НИИ диаметр генераторной катушки 150 мм. Одинаковые приемна  и компенсационна  катушки, расположенные по разные стороны генераторной катушки, имеют средний диаметр 74 мм и их - центры наход тс  друг от друга на рассто нии 12 мм. У приемной и компенсационной катушек .имеютс  одинаковые пазы дл  намотки провода высотой 4 мм и шириной 20,5 мм. Макет зонда последовательно выполн етс  в трех модификаци х, отличающихс  только диаметром провода намотки приемной и компенсационной катушек, который составл ет 0,09 мм, 0,23 мм иО,44 мм.

Этим диаметрам соответствуют количества витков катушек, равные 6500, 936, 360 и полные сопротивлени  приемной цепи 10160, 231, 30 Ом. Генераторна  катушка подключаетс  к генератору частотой 333 Гц и напр жением 2 В. Последовательно и встречно включенные приемна  9 и компенсационна  10 катушки соедин ютс  с входом операционного усилител  11. Ввиду практической идентичности катушек приемной-цепи резистор 12 обратной св зи и симметрирующий резистор 13 имеют одинаковые сопротивлени  (К„.. ,

по. СП,

трем  модификаци ми макета зонда измер ют сигналы ди, на выходе операционного усилител , по вл ющегос  при поднесении зонда к массе глауконитового песчаника с магнитной восприимчивостью Эе 1320-10 СИ. Значени  напр жени  с помощью формулы (6) пересчитьшаютс  в сигнальный ток л I в приемной цепи .

Чувствительность измерений действительно растет с уменьшением количества витков и увеличением диаметра провода катушек приемной цепи (фиг. 3) Более того, экспериментальные точки практически лежат на пр мой с отрицательным единичным угловым коэффициентом , котора  отвечает теоретическому соотношению (12).

В случае, когда катушки приемной цепи значительно отличаютс  по своим параметрам или же имеют достаточно малое количество витков, целесообразно использовать обычную, несимметричную схему включени  операционного усилител . В этой схеме симметрирующий резистор 13 отсутствует и соответствующий вывод операционного усилител  11 заземл етс  непосредственно (R

0).

Обмотка 5 генераторной катушки с ферромагнитным сердечником 18 подключена к генератору 2. Обмотка 9 приемной катушки с сердечником 19 подключена параллельно входной обмот - ке 2.0 трансформатора с замкнутым ферромагнитным сердечником 21. Выходна  обмотка 22 трансформатора соединена с -входом усилительно-регистрирующей схемы 5 (фиг. 4). .

Oco6etiHocTb работы устройства с трансформатором в качестве преобразовател  ток-напр жение состоит в компенсации магнитного момента приемной катушки при любых зна чени х ее полной измер емой ЭДС .

При коротком замыкании обмотки 9 приемной катушки в ней протекает ток 6

I

QL,

(13)

5

0

5

так как при наличии сердечника 19 активным сопротивлением обмотки можно пренебречь и прин ть Z, ЫЬ„, где L - индуктивность приемной катушки;

W - углова  частота электромагнитного пол .

Б строгом режиме короткого замыкани  магнитный поток через витки приемной Аатушки равен нулю, поскольку внешнее магнитное поле в объеме приемной катушки компенсируетс  магнитным полем тока I, протекающего в ее обмотке. В этом случае сердечник 19 оказьшаетс  размагниченным. Однако , приемна  катушка за счет тока короткого замыкани  имеет хот  и небольшой по вел1-гчине магнитный момент Мд, обусловленный этим током

М, -ISW,

где S - средн   площадь витка приемной катушки (знак минус означает , что магнитный момент M(j противоположен направлению внешнего магнитного пол ). Таким образом, короткое замыкание обмотки 9 приемной катушки сопровождаетс  перекомпенсацией магнитного момента этой катушки.

При подключении обмотки 9 параллельно входной обмотке трансформатора 20 ток короткого замыкани  уменьшаетс  на величину Si, котора  удовлетвор ет уравнению

I - 81

соТу„ + coL

индуктивность входной обмотки 20 трансформатора 25 (предполагаетс , что вторична  обмотка-22 его нагружена на высокоомный вход усилительно-регистрирующей схемы 5).30

нств (13) и (14) следует дл  относительного измене

Si -.LBi-ZL-i

I

1+Ь„. /L,

С учетом воздействи  тока Si магнитный момент М приемной катушки выражаетс  формулой

t ч SI ., el

М м„ - - ,

в которой второе слагаемое характеризует возрастание момента обмотки 9, а третье слагаемое - возрастание момента ферромагнитного сердечника 19 Вклад сердечника в магнитный момент катушки в т раз больше, чем вклад токовой обмотки, причем коэффициент те может быть установлен расчетным или экспериментальным путем. В зависимости от формы сердечника и магнитной проницаемости его материала коэффициент т, обычно принимает зна- чение от 10 до 30.

Из формулы (16) вытекает условие равенства нулю магнитного момента М

1

т,

(17)

которое с учетом формулы (15) прини- 5 мает окончательный вид

1

т.

(18)

20

)

25 30

) 35

ю ю 15

40

)

5

Точность компенсации магнитного момента несколько повыситс , если, нар ду с условием (18), учесть вли ние активного сопротивлени  приемной катушк и. Дл  этого достаточно, например , шунтированием вторичной обмотки трансформатора обеспечить добротность его первичной обмотки такую же, как у приемнорг катушки.

Технико-экономическа  эффективность изобретени  заключаетс  в повышении точности измерений магнитной восприимчивости и опробовани  маг- нетитовых руд благодар  компенсации магнитного момента приемной катушки с ферромагнитным сердечником и снижени  вли ни  промышленных помех. Только за счет исключени  вли ни  магнитного момента приемной катушки точность измерений возрастает примерно на 15-25%.

Claims (3)

1. Устройство дл  измерени  магнитной восприимчивости и удельной электропроводности, содержащее индукционный зонд с генераторной и прием- ной цеп ми, генератор, подключенный к генераторной цепи зонда, усилительно-регистрирующую схему, о т л и- чающее с  тем, что, с целью повышени  точности измерени , приемна  цепь зонда соединена с входом преобразовател  ток-напр жение, выход которого подключен к усилительно- регистр ирующей сх еме.

2.Устройство по п. 1, о т л и- чающее с  тем, что преобразователь ток-напр жение выполнен в виде операционного усилител  с отрицательной обратной св зью.

3.Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что, с целью компенсации магнитного момента приемной катзтики с ферромагнитным сер- дачником, преобразователь ток-напр жение выполнен в виде трансформатора

с входной и выходной обмотками, причём входна  обмотка трансформатора соединена с обмоткой приемной катушки и ее индуктивность св зана с индуктивностью приемной катушки соотношением

де Lg

ь„

т

индуктивность входной обмотки трансформатора; индуктивность приемной катушки зонда; отношение магнитных моментов соответственно ферромагнитного сердечника при

Фиг.2

18

Фмг.Ч

Редактор О. Головач

Составитель,Л. Воскобойников

Техред О.ГортвайКорректор М. Максимишинец

Заказ 2765/47

Тираж 728

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д., 4/5

Производственно-полиграфическое предпри тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4

Подписное