Аппаратурно-программный комплекс для геоэлектроразведки

Аппаратурно-программный комплекс для геоэлектроразведки, предназначенный для измерения магнитной (электрической) составляющей промышленного электромагнитного поля, формируемого в результате суммарного воздействия существующего набора электросетевых объектов в диапазоне частот от 50 Гц до 1-2 кГц. Комплекс включает: магнитную антенну снабженную одно- или трехкомпонентными датчиками магнитной индукции, аналого-цифровой преобразователь, навигатор, компас, мобильный компьютер (ноутбук), блок питания, систему цифрового управления и специально созданное программное обеспечение для регистрации и спектрального анализа наблюденного поля, а также для обработки и интерпретации результатов полевой съемки. Технический результат - упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей комплекса при максимальном учете специфики геофизических исследований. 1 н. 2 з. п-та ф-лы; 1 илл.

Полезная модель относится к области геофизики и предназначена для измерения магнитной, либо электрической составляющих переменного электромагнитного поля, формируемого в результате суммарного воздействия существующего набора электросетевых объектов - линий электропередач, трансформаторных подстанций, преобразователей и регуляторов мощности и др. в диапазоне частот от 50 Гц до 1-2 кГц, включающем совокупность гармоник в виде синусоидальных составляющих сигнала с частотой равной n-кратному значению основной частоты (50 Гц).

Область применения полезной модели включает в себя решение поисково-геологических, гидрогеологических и экологических задач, связанных с выделением и картированием объектов, обладающих повышенной электрической проводимостью, залегающих в интервале глубин примерно от первых десятков до первых сотен метров. Наиболее актуально его применение в целях прогноза возможных негативных техно-геологических ситуаций при шахтной отработке месторождений в условиях высокоурбанизированных территорий.

Из существующего уровня техники известно устройство измерения ЭМ полей, генерируемых на электроэнергетических объектах - малогабаритный измеритель электрической и магнитной составляющих переменного электромагнитного поля (патент RU 118442 U1, МПК G01R 29/08, опубликовано 20.07.2012). Данное устройство содержит последовательно соединенные измерительную антенну, защитный ограничитель, детектирующее устройство с микроконтролером и конвертором, преобразующим сигнал в протокол USB.

Одним из недостатков этого устройства являются ограниченные эксплуатационные возможности вследствие недостаточного числа каналов записи при выполнении измерений с несколькими датчиками в разных частотных полосах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является устройство измерения электромагнитных полей, генерируемых электрооборудованием и элементами электроэнергетических систем (патент RU 129258 U1, МПК G01R 29/00, опубликовано 20.06.2013). Это устройство содержит электрическую антенну, источник питания, подключенный к широкополосному приемнику гетеродинного типа и персональному компьютеру, N электрических антенн, одну магнитную антенну, блок переключения электрических антенн, блок переключения аналого-цифрового переключателя, два многофункциональных модуля с аналогово-цифровым переключателем, соединенные с персональным компьютером, и блок синхронизации по времени, магнитная антенна соединена с источником питания и широкополосным приемником, а персональный компьютер выполнен в виде мобильного компьютера, соединенного с блоком синхронизации по времени, включающего в себя источник сигнала точного времени и GPS приемник. Источником питания служит либо промышленная сеть 220 В, либо аккумуляторная батарея большой емкости.

Основным недостатком устройства-прототипа для измерения компонент магнитной составляющей переменного электромагнитного поля при исследовании геологического разреза, является ограниченные эксплуатационные возможности, не обеспечивающие возможность оперативной регистрации многокомпонентных азимутальных наблюдений изучаемого поля, а также проведение оценки достоверности получаемых результатов. Необходимость использования достаточно мощных источников питания (промышленная сеть 220 В, либо аккумуляторные батареи большой емкости) затрудняют выполнение мобильной полевой съемки в сложных геоморфологических условиях обследуемого региона. Данный комплекс не содержит программного обеспечения для выполнения технологии съемки параметров магнитного (электрического) поля и оценки достоверности получаемых результатов при решении геофизических задач.

Задачей создания полезной модели является разработка комплекса для геоэлектроразведки свободного от недостатков прототипа.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы полезной модели, общих с прототипом, таких как аппаратурно-программный комплекс для геоэлектроразведки, содержащий последовательно соединенные магнитную антенну, блок питания, аналого-цифровой преобразователь, мобильный компьютер и GPS навигатор, и отличительных существенных признаков таких как магнитная антенна снабжена одно- или трехкомпонентными датчиками для регистрации компонент магнитной составляющей промышленного электромагнитного поля, компасом и нивелиром.

Согласно п. 2 формулы полезной модели устройство предпочтительно содержит 14-разрядный АЦП без внешнего питания.

Согласно п. 3 формулы полезной модели в качестве блока питания используют элементы питания напряжением 9-12 вольт.

Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей комплекса при максимальном учете специфики геофизических исследований.

При разработке полезной модели основное внимание было направлено на формирование комплекса модулей, определяющих качество полевого материала и эффективность выполнения электроразведочных работ:

1) повышение точности и достоверности результатов полевой съемки;

2) обеспечение простоты и удобства в обращении;

3) осуществление оперативности процесса измерений;

4) упрощения технологии решения геологических задач с использованием компьютерных средств интерпретации результатов полевой съемки и др.

Структурная блок-схема комплекса приведена на чертеже.

Аппаратурно-программный комплекс для геоэлектроразведки (фиг), включает последовательно соединенные магнитную антенну (регистрационный магнитный датчик одно-, либо трехкомпонентный - например, типа ЭРА-MA, НВО107.1) 1 с нивелиром и компасом, обеспечивающих необходимую точность и возможность определения заданных азимутальных компонент поля, блок питания 2 (элементы питания напряжением 9-12 вольт), аналого-цифровой преобразователь (например L-Card E-14-440) 3, соединенный с мобильным персональным компьютером. В качестве дополнительного модуля, обеспечивающего возможность пространственно-временной привязки измеряемых полей и организации процесса измерений, к мобильному компьютеру через USB-порт подключен GPS-навигатор 5. Используемый 14-разрядный АЦП, обеспечивает достаточный динамический (до 84 дБ) и частотный (до 2 кГц) диапазон измерений по 16 каналам без внешнего питания.

Функционирование комплекса обеспечивается системой цифрового управления (не показана на чертеже) и специально созданным программным обеспечением (Свидетельство 2014611489) для регистрации и спектрального анализа каждой из компонент наблюдаемого магнитного поля. В результате измерений параметры получаются в формате интерпретационной автоматизированной системы программ «ЗОНД» (Свидетельство 2005610058), обеспечивающей оперативное получение информации о пространственном изменении искомых электрических свойств среды.

Технология зондирования геологической среды с помощью заявляемого аппаратурно-программного комплекса включает выполнение следующей совокупности операций:

1) регистрацию компонент поля в каждой точке наблюдений по N вариантам азимутальных ортогональных направлений (к примеру, напряженности магнитного поля H_xi(t), H_yi(t), H_zi(t), (i=1, N)) в заданный интервал времени (порядка 20-40 с) для каждого i-го варианта;

2) спектральный анализ измеренного поля с целью определения амплитудно-частотных характеристик каждой из его компонент с оценкой их информативности;

3) пересчет амплитудно-частотных характеристик в значения кажущегося сопротивления ;

4) интерпретацию графиков зондирования с получением информации о пространственном изменении электрических свойств среды в интервале эффективных глубин распространения магнитного поля.

При эксплуатации комплекса технический результат достигается за счет а) возможности использования однокомпонентного и трехкомпонентного магнитомодуляционного преобразователей индукции магнитного поля (феррозондового датчика) с резонансным усилением сигнала для определенных частот; б) возможности регистрации компонент магнитной и электрической составляющих переменного электромагнитного поля при выполнении многоазимутальных наблюдений (16 каналов); в) возможности выбора оптимального соотношения сигнал/помеха с помощью использования функциональных средств программного обеспечения; г) пространственно-временной привязки измеряемых полей и звуковой сигнализации, необходимых для упрощения процесса съемки и автоматизации дальнейшей обработки полевых данных; д) компактности комплекса, небольшой вес (около 2 кг), мобильности процесса регистрации поля, обеспечивающие оперативность ведения работ в сложных геоморфологических условиях. Процесс измерений осуществляется с помощью специально созданного программного обеспечения, позволяющего регистрировать и графически визуализировать в реальном времени каждую из компонент электромагнитного поля, а также интерпретировать результаты съемки с получением объемных отображений пространственного изменения электрических свойств среды.

Хотя настоящая полезная модель описана посредством примеров ее выполнения и блок-схемой, объем данной полезной модели не ограничивается этими примерами, но определяется лишь формулой полезной модели с учетом возможных эквивалентов.

1. Аппаратурно-программный комплекс для геоэлектроразведки, содержащий последовательно соединенные магнитную антенну, блок питания, аналого-цифровой преобразователь, мобильный компьютер и GPS-навигатор, отличающийся тем, что магнитная антенна снабжена одно- или трехкомпонентными датчиками для регистрации компонент магнитной составляющей промышленного электромагнитного поля, компасом и нивелиром.

2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что устройство предпочтительно содержит 14-разрядный АЦП без внешнего питания.

3. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в качестве блока питания используют элементы питания напряжением 9-12 В.