Геофизический прибор для наземного индукционного частотного зондирования
Устройство для частотного индукционного электромагнитного зондирования проводящих горных пород, которое состоит существенным образом из генераторной петли, двух разнесенных приемных датчиков, выполняющих требование компенсации сигнала прямого поля, и непроводящего корпуса. Устройство отличается от прототипа тем, что в нем выполнена задача снижения емкостных шумов. Для снижения шумов, вызванных появлением электрических зарядов на проводах и электронных элементах данного устройства, применяется полосчатый электрический проводящий экран. Для снижения шумов на многослойных печатных платах создается дополнительный металлизированный слой в глубине платы, который выполняет роль экрана на небольших расстояниях от дополнительного слоя. Все электростатические экраны соединены через общую точку.
Настоящее изобретение относится к области решения задач инженерной геофизики. В частности, к классу бесконтактных электромагнитных устройств для измерения распределения электропроводности грунта по глубине.
Известен способ индукционного частотного зондирования, описанный в патенте RU 2152058 «Способ индукционного частотного зондирования». Устройство существенным образом состоит из одной генераторной петли для излучения электромагнитного поля на выбранных частотах, и двух приемных датчиков, расположенных на фиксированных расстояниях на одной прямой с генераторной петлей. Сигнал прямого поля компенсируется путем применения встречно включенных приемных датчиков. Полученная компенсация позволяет измерять вторичное электромагнитное поле от токов в проводящей земле. Моменты приемных датчиков стабилизируются в интервале рабочих частот путем специального выбора толщины ферритовых сердечников каждого приемника.
Однако применение устройства сопряжено с трудностью точной компенсации сигналов от двух приемных датчиков, поскольку в проводниках и печатных платах такого геофизического устройства возникают шумовые сигналы, вызванные электрическим полем.
Для борьбы с явлением наводок от электрического поля в чувствительной аппаратуре используют экраны. Электрическим экраном называется экран, применяющийся для уничтожения емкостной связи между различными деталями и проводниками самого устройства и внешними проводниками. Принцип электрического экранирования элементов в аппаратуре основан на том, что электрическое поле не может создавать разности потенциалов внутри объема, ограниченного замкнутым проводником, в виде некоторого ящика. Внутренняя электропроводящая поверхность ящика является эквипотенциальной. При измерениях электромагнитных полей применяются радиотехнические устройства с общим электрическим экраном. Тогда отсутствует емкостная связь между блоками устройства и между внешними проводниками, расположенными и передвигающимися вокруг и вблизи устройства.
Вместе с тем, обычно применяемые электрические экраны в виде сплошного проводника (в виде сеток, решеток, и пр.) не могут применяться для чувствительной геофизической аппаратуры, где необходимо измерять слабое переменное магнитное поле от электрических токов, наведенных в исследуемой среде. В коробчатых экранах из сплошного металла имеются индуцированные токи как от собственного генератора гармонических сигналов находящегося близко, так и от магнитного вторичного поля, что создает помехи в приемных датчиках.
В устройстве-прототипе (RU 2152058) возникает необходимость обеспечить единое электрическое экранирование в двух случаях: экранирование основного (генерирующего) блока, который расположен в непроводящем (диэлектрическом) корпусе; и экранирование приемных датчиков и электроники (печатных плат), в которой происходит обработка сигнала.
Поставленная задача по электростатическому экранированию геофизического измерительного устройства реализуется следующим образом. В устройстве для частотного индукционного зондирования применяются электростатические экраны двух типов:
1. Электростатический экран для генераторного корпуса устройства изготавливается в виде металлизированной печати на гибкой подложке. Сплошной металлизированный слой является нежелательным, поскольку в сплошном проводнике будут наводиться вихревые токи, что повлияет на измерения. Поэтому рисунок металлизации создается в виде последовательности узких параллельных полос, дорожек, разветвлений, завитков и иных структур, не позволяющих протекать кольцевым токам в металлизированном слое. Электрический экран крепиться внутри корпуса устройства-прототипа, покрывая всю его внутреннюю поверхность. Общая площадь металлизации на подложке составляет более 70% площади подложки. Ширина полос металлизации составляет не более 3 мм. Металл для металлизации на подложке выбирается из списка металлов и сплавов, обычно применяемых в электротехнике для создания проводящих путей на печатных платах. Полученная несплошная металлизация играет роль электростатического экрана, поскольку на небольшом расстоянии такой экран ведет себя как проводящая бесконечная плоскость. Направление несплошной металлизации на гибкой подложке должно быть перпендикулярно направлению электрического поля, излучаемого генератором.
2. Поставленная задача по электрическому экранированию измерительного устройства реализуется следующим образом. При изготовлении электронных компонентов устройства применяются многослойные печатные платы. Внутренние слои печатных плат содержат соединительные токопроводы. Для решения поставленной технической задачи электрического экранирования элементов, размещенных на печатных электронных платах, один из слоев платы изготавливается в виде сплошного металлизированного слоя, выполняющего функцию электростатического экрана. Сплошной металлизированный слой на небольших расстояниях выглядит как бесконечная проводящая поверхность с постоянным зарядом. Из курса электрофизики известно, что электростатическое поле в любой точке над поверхностью заряженной пластины имеет величину, не зависящую от расстояния до поверхности пластины. Вблизи заряженной проводящей пластины электрическое поле постоянно. Поэтому электронные компоненты, размещенные на печатной плате, находятся при нулевых разностях электрического поля. Причем, потенциал, порождающий электрическое поле, равен потенциалу проводников электростатического экрана всего устройства. Все компоненты устройства находятся при нулевых разностях электрического поля, значит, в компонентах устройства не будет наводиться ток от собственного генератора и внешних источников, и это уничтожает емкостные паразитные связи между компонентами на плате и уменьшает шумы. Для уменьшения индуцированных электрических токов в сплошном слое печатной платы, платы располагаются перпендикулярно электрическому полю генератора. Тот факт, что электрический экран закладывается при проектировании платы, удешевляет изготовление экрана, поскольку он является интегральной частью готовой платы и это не влияет на стоимость платы или сложность изготовления.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение электрических шумов при проведении электромагнитных индукционных измерений в полевых условиях.
1. Устройство для частотного индукционного электромагнитного зондирования проводящих горных пород, которое состоит существенным образом из генераторной петли, двух разнесенных приемных датчиков, выполняющих требования компенсации сигнала прямого поля и непроводящего корпуса, отличающееся тем, что для снижения шумов, вызванных появлением электрических зарядов на проводах и электронных элементах данного устройства, применяется полосчатый электрический проводящий экран.
2. Устройство по п.1, отличающеееся тем, что электрический экран выполнен в виде металлизированной печати с непроводящими зазорами на гибкой непроводящей подложке, причем доля металлического покрытия составляет не менее 70% от площади подложки.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные элементы электроники выполнены на многослойных печатных платах с одним практически полностью металлизированным слоем, выполняющим роль электрического экрана для элементов на печатной плате, причем платы располагаются перпендикулярно электрическому полю генератора.
4. Устройство по пп.1-3, в котором различные виды электростатических экранов имеют общую точку контакта.
