Многоэлектродный электроразведочный комплекс

Многоэлектродный электроразведочный комплекс относится к геофизике, конкретно, к средствам определения электрических характеристик грунтов в их естественном залегании и может быть использован для инженерных изысканий (под строительство сооружений различного назначения, трубопроводов, дорог, обследование фундаментов зданий и подземных сетей городского хозяйства), поиска и разведки месторождений полезных ископаемых, решения задач археологии. Технический результат повышение эксплуатационных характеристик аппаратуры при использовании больших массивов электродов-заземлений за счет увеличения количества опрашиваемых комбинаций электродов-заземлений в единицу времени и исключения ошибок адресации в операциях с блоками коммутации. Комплекс включает как минимум две измерительные косы, соединенные посредством разъемов с измерительным блоком. Каждая из кос состоит из набора блоков коммутации, соединенных посредством проводников с электродами-заземления. Измерительный блок оборудован входами для подключения источника питания комплекса и генератора и состоит из блока сопряжения генератора, узла управления с цифровым накопителем информации, многоканального модуля аналого-цифрового преобразователя (АЦП), обеспечивающего соединения с измерительными косами, с одним из портов узла управления и с блоком сопряжения АЦП, адаптера протокола цифровых сигналов, соединенного со вторым портом узла управления, блоками сопряжения АЦП и генератора и с измерительными косами, при этом измерительный блок дополнительно снабжен источником калибровочного напряжения, соединенным с блоком сопряжения генератора.

Полезная модель относится к геофизике, конкретно, к средствам определения электрических характеристик грунтов в их естественном залегании и может быть использована для инженерных изысканий (под строительство сооружений различного назначения, трубопроводов, дорог, обследование фундаментов зданий и подземных сетей городского хозяйства), поиска и разведки месторождений полезных ископаемых, решения задач археологии.

Устройство предназначено для выполнения геофизическим методом электрической томографии, основанной на выполнении измерений методом сопротивлений по плотной сети наблюдений.

Известна электроразведочная аппаратура «ЭРА-МАХ», содержащая, измеритель, генератор, источник питания, входные блоки воздушной электрической антенны и активных электродов, магнитную антенну-феррозонд, индукционную магнитную антенну (Инструкция по эксплуатации электромагнитной аппаратуры «ЭРА-МАХ», производства «НПП ЭРА», С.-Петербург, 2009). Недостатком известной аппаратуры является малое количество электродов-заземлений, в автоматическом режиме коммутируемых к измерителю напряжения и источнику тока. Следствием отмеченного недостатка является необходимость значительных затрат на производство геофизических работ методом электрической томографии: необходимо задействовать несколько комплектов аппаратуры для увеличения количества коммутируемых заземлений, либо производить множество переподключений к заземлениям вручную. В последнем случае большая разница во времени между начальными и конечными замерами может приводить к снижению общей достоверности результатов геофизических работ. Аппаратурный комплекс «ERA-MAX» ориентирован, в первую очередь, на постановку геофизических работ с применением методик, основанных на переменном токе. Комплекс содержит множество частей с высокой стоимостью (блоки воздушной электрической антенны, магнитная антенна-феррозонд, индукционная магнитная антенна и т.д.), которые не задействованы при работах методом электрической томографии.

Известна также электроразведочная аппаратура «ЭРП-1», содержащая, измеритель, выполненный с возможностью подключения к персональному компьютеру и содержащий аналогово-цифровой преобразователь, измерительные косы, включающие комплект измерительных электродов, снабженных средствами коммутации друг с другом, измерителем и генератором постоянного тока, источник питания оборудования (проспект описания электромагнитной аппаратуры «ЭРП-1», производства МЧП «ЛИНИЯ», 2006 г.Севастополь, Украина и проспект описания ООО «ГЕОСКАН-М», г.Москва, Россия), Недостаток этого решения также заключается в малом количестве заземлений, коммутируемых к измерителю напряжения и источнику тока в автоматическом режиме.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является электроразведочная аппаратура, приведенная в патенте РФ на полезную модель 69774 и принятая за прототип. Аппаратура состоит из измерительного блока и соединенной с ним посредством разъема измерительной косы. Измерительный блок снабжен входами для подключения источника питания аппаратуры и генератора и включает узел управления с цифровым накопителем информации, модуль аналого-цифрового преобразователя (АЦП), снабженный двумя измерительными каналами и соединенный с блоком сопряжения АЦП и одним из портов узла управления, адаптер протокола цифровых сигналов, соединенный со вторым портом узла управления и блоками сопряжения АЦП и генератора. Один из каналов АЦП предназначен для регистрации силы тока в генераторной линии, а другой - для разности потенциалов в измерительных линиях косы. Измерительная коса соединена с адаптером протокола цифровых сигналов и через блок сопряжения АЦП с измерительным каналом АЦП и включает набор блоков коммутации, каждый из которых снабжен проводниками для подключения к электродам-заземлений. Аппаратура также содержит линию управления, состоящую из участка, соединяющего узел управления с АЦП, и участка, соединяющего через адаптер протокола цифровых сигналов блок управления с блоками сопряжения АЦП, генератора и блоками коммутации, генераторную линию, соединяющую генератор и блоки коммутации через блок сопряжения генератора, измерительную линию, соединяющую блок сопряжения генератора и блоки коммутации с АЦП, а также линию питания комплекса, соединяющую вход измерительного блока с блоком управления, АЦП, блоками сопряжения АЦП и генератора и блоками коммутации

Недостатком известной аппаратуры являются низкие эксплуатационные характеристики при использовании больших массивов электродов-заземлений, связанные с продолжительным временем опроса массива электродов-заземлений измерительной косы при увеличении количества подключенных электродов (например, при количестве электродов более 192, продолжительность опроса может составить более суток), а также возможность получения ошибочных результатов измерения за счет не диагностируемого выхода из строя какого-либо реле в блоке коммутации или за счет ошибок адресации в операциях с блоками коммутации при увеличении числа контактов.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение эксплуатационных характеристик аппаратуры при использовании больших массивов электродов-заземлений за счет увеличения количества опрашиваемых комбинаций электродов-заземлений в единицу времени и исключения ошибок адресации в операциях с блоками коммутации.

Поставленная задача решается электроразведочным комплексом, включающим измерительный блок и соединенные с ним посредством разъемов измерительные косы, при этом измерительный блок снабжен входами для подключения источника питания комплекса и генератора и включает блок сопряжения генератора, узел управления с цифровым накопителем информации, модуль аналого-цифрового преобразователя (АЦП), снабженный не менее чем тремя измерительными каналами, и соединенный с одним из портов узла управления и с блоком сопряжения АЦП, адаптер протокола цифровых сигналов, соединенный со вторым портом узла управления и блоками сопряжения АЦП и генератора, а также с измерительными косами, каждая из которых подключена к отдельному измерительному каналу АЦП и включает набор блоков коммутации, каждый из которых снабжен проводниками для подключения к электродам-заземлений, при этом каждый блок коммутации имеет программно обеспеченный индивидуальный идентификатора комплекс снабжен соединенным с блоком сопряжения генератора источником калибровочного напряжения и включает линию управления, состоящую из участка, соединяющего узел управления с АЦП, и участка, соединяющего через адаптер протокола цифровых сигналов узел управления с блоками сопряжения АЦП, генератора и блоками коммутации, генераторную линию, соединяющую через блок сопряжения генератора генератор и блоки коммутации, измерительную линию, соединяющую блок сопряжения генератора и блоки коммутации с АЦП и линию питания комплекса, соединяющую вход измерительного блока с узлом управления, АЦП, блоками сопряжения АЦП и генератора и блоками коммутации.

За счет увеличения количества измерительных каналов модуля АЦП обеспечивается возможность одновременного подключения к измерительному блоку нескольких измерительных кос, что позволяет вести регистрацию разности потенциалов одновременно для нескольких комбинаций электродов-заземлений, а значит, увеличивает количество опрашиваемых комбинаций электродов-заземлений в единицу времени. Введение же в состав комплекса источника калибровочного напряжения (в сочетании с использованием индивидуальных идентификаторов блоков коммутации) позволяет выполнять тестирование блоков коммутации, программно обеспеченных индивидуальными идентификаторами, как в виде отдельной автоматической процедуры, так и перед замыканием каждого контакта. Возможность тестирования исключает получение ошибочных результатов измерений, вызванных залипанием контактов и другими поломками, а также исключает ошибки адресации в операциях с электродами-заземлениями.

Таким образом, за счет внесенных конструктивных изменений обеспечивается решение поставленной задачи - увеличение эксплуатационных характеристик аппаратуры при использовании больших массивов электродов-заземлений.

Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежом, представленным на фиг, где 1 - измерительный блок, 2 - измерительная коса, 3, 4 - разъемы для подключения измерительных кос, 5 - узел управления, 6 - модуль АЦП, 7 - блок сопряжения АЦП, 8 - блок сопряжения генератора, 9 - источник калибровочного напряжения, 10 - адаптер протокола цифровых сигналов, 11, 12 - блоки коммутации, 13 - массив электродов-заземлений, 14 - источник питания комплекса, 15- генератор, 16 - линия управления, 17 - генераторная линия, 18 - измерительная линия, 19 - линия питания комплекса

На фиг. приведен измерительный блок 1 с возможностью параллельного подключения трех измерительных кос, но в целях упрощения чертежа приведена только одна из них - коса 2.

Комплекс работает следующим образом.

На исследуемой поверхности устанавливают электроды-заземлений 13. Подключают к измерительному блоку 1 источник 14 питания комплекса, генератор 15 и через соответствующие разъемы 3-4 - измерительные косы, которые в свою очередь подсоединяют к электродам-заземлений 13. С узла 5 управления запускается управляющая программа, которая по линии управления 16 отдает блокам комплекса соответствующие команды и обеспечивает многократное повторение следующего измерительного цикла:

- подача по генераторной линии 17 тока от генератора на два электрода-заземлений через реле блока коммутации;

- измерение силы тока на генераторной линии 17 с помощью АЦП;

- синхронное, с измерением силы тока, измерение разности потенциалов на измерительной линии 18 с помощью АЦП.

- запись измеренных значений силы тока и разности потенциалов в цифровую память узла 5 управления,

Использование в составе комплекса источника 9 калибровочного напряжения дает возможность с помощью программы узла 5 управления осуществлять следующие действия:

- калибровку величины токового сопротивления (зависящей от температуры);

- калибровку делителей напряжения блока сопряжения АЦП;

- тестирование блока сопряжения генератора;

- тестирование блоков коммутации;

- тестирование отсутствия гальванической связи между линиями 17, 18;

- тестирование работоспособности каналов АЦП;

- оценивать переходные сопротивления электродов-заземлений.

Топология подключения измерительных кос программно указывается узлу управления при помощи ключа, обозначающего класс топологии и перечисления следования идентификаторов блоков коммутации при реализации данного класса топологии. Таким образом, осуществляется привязка каждого электрода-заземления к его номеру в топологической сети и появляется возможность определения состояния любого из замыкающих реле блока коммутации для каждого из электродов-заземлений.

Выбор конкретных технических характеристик используемых составляющих элементов заявляемого комплекса зависит от задач, для решения которых он предназначен.

Так, в качестве узла 5 управления может быть использовано цифровое устройство обладающее возможностями исполнения программы управления, накопления и визуализации цифровой информации, портами ввода-вывода цифровых сигналов. Например, в качестве узла управления может быть использован ноутбук или планшетный ПК, обладающий USB-портом.

В качестве аналогово-цифрового преобразователя 6 может быть использован любой многоканальный преобразователь, обеспечивающий требуемую задачей исследования частоту и точность преобразования аналоговых сигналов, предпочтительно с входным сопротивлением более 1 МОм. Например, в качестве АЦП может быть использован 4-х канальный модуль Е-24 (L-Card, Москва), который обеспечивает точность оцифровки напряжения в десятки микровольт, при допустимом диапазоне напряжения ±2.5 В и частоте оцифровки от 5 до 1000 Гц.

Один из каналов АЦП предназначен для регистрации силы тока в генераторной линии, остальные - для разности потенциалов в измерительных линиях. В зависимости от числа измерительных каналов АЦП электроразведочный комплекс может производить одновременную регистрацию разности потенциалов и более чем на двух измерительные косах, что позволяет значительно упростить проведение электрической томографии исследуемой площади.

Адаптер протокола цифровых сигналов 10 обеспечивает согласование цифровых портов узла 5 управления и блоков 7, 8, 11, 12. Например, при использовании узла управления на базе ноутбука с USB-портом адаптером протокола 10 выступает переходник-преобразователь USB-RS-422(485).

Блок 7 сопряжения АЦП содержит делитель напряжения для линий 17, 18 и выполняет функции гальванической развязки линий 17, 18.

Блок 8 сопряжения генератора обеспечивает последовательное подключение к генераторной линии входов генератора, в качестве которого могут выступать как специализированные источники переменного ока, так и аккумуляторные батареи. Кроме того, блок 8 позволяет измерять силу тока генераторной линии и обеспечивает взаимодействие с источником 9 калибровочного напряжения

Источник питания комплекса служит для питания электроники блоков 5, 6, 7, 8, 11, 12.

Конструкция измерительных кос является стандартной и включает блоки коммутации, снабженные электрическими проводниками для подключения к электродам-заземлений и соответствующими разъемами для подключения к линиям управления, генераторной, измерительной и питания измерительного блока 1.

Подключение измерительных кос к измерительному блоку и друг другу осуществляется с помощью разъемов 3, 4, при этом, как правило, при большом количестве кос для удобства работы каждый вход измерительного блока целесообразно оборудовать двумя разъемами (гнездо-вилка).

Блок коммутации 11, 12 обеспечивает подключение каждого из электродов-заземлений к 16, 17, 18 и 19 линиям измерительного блока. Для каждого блока коммутации в узле управления программно реализован свой индивидуальный идентификатор. Количество блоков коммутации в составе одной измерительной косы может быть различным в зависимости от поставленных задач измерения. Предпочтительно, для большинства задач оптимальным является три блока в косе.

Полевые испытания макета комплекса, собранного с использованием комплектующих с вышеприведенными характеристиками, показали относительную погрешность измерений силы тока и разности потенциалов не более 0.2% для каждого замера, при количестве подключенных электродов 192. Результаты сопоставления геоэлектрических разрезов, полученных при помощи макета комплекса и канадской аппаратуры SARIS, показали их идентичность.

Электроразведочный комплекс, включающий измерительную косу и соединенный с ней посредством разъемов измерительный блок, снабженный входами для подключения источника питания комплекса и генератора, и состоящий из блока сопряжения генератора, узла управления с цифровым накопителем информации, модуля аналого-цифрового преобразователя (АЦП), снабженного измерительными каналами и соединенного с одним из портов узла управления и с блоком сопряжения АЦП, адаптера протокола цифровых сигналов, соединенного со вторым портом узла управления, блоками сопряжения АЦП и генератора и с измерительной косой, подключенной к измерительному каналу АЦП и включающей набор блоков коммутации, каждый из которых снабжен проводниками для подключения к электродам-заземлений, комплекс также содержит линию управления, состоящую из участка, соединяющего блок управления с АЦП, и участка, соединяющего через адаптер протокола цифровых сигналов блок управления с блоками сопряжения АЦП, генератора и блоками коммутации, генераторную линию, соединяющую генератор и блоки коммутации через блок сопряжения генератора, измерительную линию, соединяющую блок сопряжения генератора и блоки коммутации с АЦП, а также линию питания комплекса, соединяющую вход измерительного блока с блоком управления, АЦП, блоками сопряжения АЦП и генератора и блоками коммутации, отличающийся тем, что комплекс включает не менее чем две измерительные косы, модуль АЦП снабжен не менее чем тремя измерительными каналами, а каждый блок коммутации имеет программно обеспеченный индивидуальный идентификатор, при этом измерительный блок дополнительно снабжен источником калибровочного напряжения, соединенным с блоком сопряжения генератора.