Устройство для измерения магнитной восприимчивости и удельной электропроводности

 

Изобретение относится к разведочной геофизике и предназначается для использования в каротаже магнитной восприимчивости, индукционном каротаже, а также при изучении морских донных отложений. С целью повышения точности измерения, в устройство , содержащее индукционный зонд с генераторной и приемной цепями, генератор, подключенный к генераторной цепи зондаi усилительно-регистрирующую схему, приемная цепь зонда соединена с входами преобразователя ток-напряжение, выход которого подключен к усилительно-регистрирующей схеме, преобразователь ток-напряжение может быть выполнен в виде операционного усилителя с отрицательной обратной связью. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (11) 51) 4 С 01 V 3/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3745263/24-25 (22) 25.05.84 (46) 23.05.86. Бюл. В 19 (71) ЛГУ им.А.А.Жданова (72) Ю.И.Кудрявцев, Л.Н.Уральский, Ю.В.Микляев и С.Л.Жоголев (53) 530.832(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Н 693283, кл. G 01 R 33/16, 1977. Шульгин В.С., Кудрявцев Ю.И., Дуглас В.К. Морской буксируемый каппаметр — радиометр. Геофизическая аппаратура. Вып. 77, Л.: Недра, 1983, с. 103-114.

Рудничный измеритель магнитного влияния среды РИМВ-1. Каталог геофизической аппаратуры. — Недра, 1975.

Авторское свидетельство СССР

Ф 555822, кл. G 01 V 3/18, 1976; (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ И УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ (57) Изобретение относится к разведочной геофизике и предназначается для использования в каротаже магнитной восприимчивости, индукционном каротаже, а также при изучении морских донных отложений. С целью повышения точности измерения, в устройство, содержащее индукционный зонд, с генераторной и приемной цепями, генератор, подключенный к генераторной цепи зонда; усилительно-регистрирующую схему, приемная цепь зонда соединена с входами преобразователя ток-напряжение, выход которого подключен к усилительно-регистрирующей схеме, преобразователь ток-напряжение может быть выполнен в виде операционного усилителя с отрицательной обратной связью. 2 з.п. ф-лы, 4 нл.

Изобретение относится к разведочной геофизике,и предназначается для использования в каротаже магнитной восприимчивости, индукционном каротаже, а также при изучении морских донных отложений, горных пород и руд в обнажениях и по стенкам горных выработок.

Цель изобретения — повышение точности измерения . 10

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 — схема устройства с преобразователем токнапряжение, выполненным на основе операционного усилителя; на фиг. 3 — !5 зависимость сигнального тока 4 1" от количества витков M приемной или компенсационной катушек,с использо— ванием двойного логарифмического масштаба экспериментальными точками; 2О на фиг. 4 — схема устройства с преобразователем ток-напряжение, выполненным в виде трансформатора.

Генераторная цепь 1 (фиг, 1) индукционного зонда подключена к гене- 25 ратору 2 переменного напряжения, а приемная цепь 3 соединена в замкнутый контур подключением ее к входу преобразователя 4 ток-напряжение, выход которого соединен с усилительно-ре- щ гистрирующей схемой 5. Индуктивная связь генераторной цепи 1 зонда с его приемной цепью 3 (фиг ° 1) обозна- чена пункирной стрелкой.

Устройство работает следующим образом.

В результате протекания в генераторной цепи 1 зонда переменного тока генератора 2 в окружающем пространстве создается 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 прираще45 ние. Это приращение ЭДС создает в замкнутом контуре, образованном приемной цепью 3 зонда и входным сопротивлением преобразователя 4, сигнальный ток. Преобразователем 4 сигнальный ток преобразуется в напряжение, которое поступает на вход усилительно-регистрирующей схемы 5. Этой схемой сигнал усиливается, выпрямляется и фиксируется в аналоговой или дискретной форме. По величине зарегистрированного сигнала судят о магнитной восприимчивости или удельной электроЕ вх 0х2 Еп

С уменьшением отношения Z „/Е„ эта погрешность уменьшается, но снкжается. чувствительность измерений.

Приращение ЭДС d G под воздействием

1 исследуемой среды, приводит к появлению на входе преобразователя 4 напряжения h,U. С учетом ограничения (1) величина его определяется приближенным соотношением вЕ вЦ > — Е вх °

Il (2) Следовательно, отношение Z „ /Ев является также коэффициентом передачи по напряжению замкнутого контура приемная цепь 3 зонда — входное сопротивление преобразователя 4. Чрезмерное уменьшение отношения Е „/Z поэтому нецелесообразно. Наиболыную точность реализации режима коротного замыкания достаточно оценить относительной погрешностью в 0,02%. Этим устанавливается нижняя граница входного сопротивления преобразователя.

0,0002 Z „ i Z в„. (3)

Генераторная цепь индукционного зонда, (фиг. 2) состоящая из генераторной катушки 6 и первичной обмотки

7 трансформатора с замкнутым ферромагнитным сердечником 8, подключена к генератору 2 переменного напряжения. Приемная цепь индукционного зонда. образованная встречно включенными приемной катушкой 9 и компенсационной катушкой 10, соединена с входом преобразователя ток-напряжение в замкну78 3 проводности исследуемой среды. Так как входное сопротивление Z в„ преоб— разователя 4 во много раз меньше полного сопротивления Е„ приемной цепи 3 зондах то для приемной цепи приближенно реализуется режим короткого замыкания, благодаря которому существенно уменьшается влияние внешних помех .и повышается точность измерений.

Погрешность осуществления режима короткого замыкания можно оценить отношением Z „ /Zö входного сопротивления преобразователя 4 к полному сопротивлению приемной цепи 3. Приемлемой может быть относительная погрешность в 20%. Тем самым ограничивается величина входного сопротивления преобразователя 4 сверху

3 1233 тый контур. Преобразователь ток-напряжение содержит операционный усилитель 11 с регистром 12 обратной связи и симметрирующим резистором 13.

Цепь отрицательной обратной связи, в которую входит резистор 1g, включена с выхода операционного усилителя 11 на его вход. Выход операционного усилителя подключен также к входу усилительно-регистрирующей схемы, со- 10 держащей усилитель 14, синхронный выпрямитель 15 опорный вход которого соединен с вторичной .обмоткой 16. трансформатора, и регистратор 17.

Особенность работы устройства с операционным преобразователем токнапряжение состоит в следующем.

Благодаря большому коэффициенту усиления (10 — 10 ) операционного

5 6 усилителя, напряжение сигнала h U на входе его за счет отрицательной обратной связи поддерживается практически на нулевом уровне. Тем самым обеспечивается очень малое входное сопротивление преобразователя Z „ 25 от нескольких ом до долей ома. Это свидетельствует о режиме короткого замыкания для приемной цепи зонда.

В этом случае напряжение сигнала целесообразно выразить формулой, вытекающей иэ соотношения БХ (2) 078

W. (7) (8) Z„2 и

z (9) Активное сопротивление R„ катушки, с одной стороны, линейно растет с длиной провода и поэтому пропорционально W. С другой стороны, Ки убывает обратно пропорционально площади сечения провода, величина которого ориентировочно равна $„/W, Таким образом, и для активного сопротивления имеем г

Zn W

Из формул (5), (6), (7) и (11) следует, что сигнальный ток и выходное напряжение преобразователя увеличиваются с уменьшением количества витков (12) Ы, аи, 1/W. где Ь? = ьЯИи сигнальный ток в приемной цепи. 35

Сигнальный ток, являющийся входным током для преобразователя, протекает через резистор 12 обратной связи и симметрирующий резистор 13 и создает сигнал выходного напряжения <б преобразователя аU)„"=-bI ° (R„+ R ) (6) где R — сопротивление резистора 45

ОБ. CS.

12 обратной связи; — сопротивление симметрирующего резистора 13.

Таким образом, преобразователь с операционным усилителем ведет себя Ю по отношению к приемной цепи как ниэкоомный приемник тока, а по отношению к усилителю 14 — как ниэкоомный приемник тока, а по отношению к усилителю 14 — как низкоомный источник, M напряжения.

При использовании операционного усилителя в качестве преобраэователя ток — напряжение по новому формулируются требования 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, каждая из которых содержит W витков провода при одной и той же площади S сечения намотки. Исследуем зависимость сигнального тока nI создаваемого некоторой средой, от поверхности которой приемная и компенсационная катушки находятся на различных расстояниях, от количества витков при условии постоянства заполнения площади сечения.

Приращение ЭДС а Е, возникающее под воздействием среды, прямо пропорционально количеству витков каждой катушки

Зависимость от W полного сопротивления Z> более сложная, так как где L è R индуктивность и активное сопротивление при емной или компенсационной катушек, Магнитный поток через один виток, например, приемной катушки прямо пропорционален W, а через все витки— квадрату числа витков. Следовательно,.

1233078

Таким образом, чувствительность измерения возрастает обратно пропорционально количеству витков в катушках приемной цепк. при намотке их более толстым проводом с сохранением неизменной площади сечения намотки и при условии приближенного обеспечения режима короткого замыкания. Применение низкоимпедансной короткозамкнутой 1и приемной цепи повышает точность измерения благодаря уменьшению влияния внешних помех и межвитковых емкостных токов, а также за счет увеличения стабильности параметров катушек приемной цепи.

Для экспериментальной проверки устройства изготовляют макет зонда с плОскими coocHbIMH катушками. Сред 2О ний диаметр генераторной катушки

150 мм. Одинаковые приемная и компен-. сационная катушки, расположенные по разные стороны генераторной катушки, имеют средний диаметр 74 мм и их центры находятся друг от друга на расстоянии 12 мм. У приемной и компенсационной катушек имеются одина— ковые пазы для намотки провода высотой 4 мм и шириной 20,5 мм. Макет зонда последовательно выполняется в трех модификациях, отличающихся только диаметром провода намотки приемной и компенсационной катушек, который составляет 0,09 мм, 0,23 мм и0,44 мм.

Этим диаметрам соответствуют коли35 чества витков катушек, равные 6500, 936, 360 и полные сопротивления приемной цепи 10160, 231, 30 Ом. Генераторная катушка подключается к гене4О ратору частотой 333 Гц и напряжением

2 В. Последовательно и встречно включенные приемная 9 и компенсационная

10 катушки соединяются с входом операционного усилителя 11. Ввиду прак45 тической идентичности катушек приемной-цепи резистор 12 обратной связи и симметрирующий резистор 13 имеют

ОдинакОвые сОпрОтивления (R

= R, ц ) . С тремямодификациями макета снм

50 . зонда измеряют сигналы hU „„на выходе операционного усилителя, появляющегося при поднесении зонда к массе глауконитового песчаника с магнит— 5 ной восприимчивостью X = 1320 ° 10 СИ.

Значения напряжения а U< с помощью

55 формулы (6) пересчитываются в сигнальный ток ы1 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 прямой с отрицательным единичным угловым коэффициентом, которая отвечает теоретическому соотношению (12).

В случае, когда катушки приемной цепи значительно отличаются по своим параметрам или же имеют достаточно малое количество витков, целесообразно использовать обычную, несимметричную схему включения операционного усилителя. В этой схеме симметрирующий резистор 13 отсутствует и соответствующий вывод операционного усилителя 11 заэемляется непосредсТВеННо (R сим = О), Обмотка 6 генераторной катушки с ферромагнитным сердечником 18 подключена к генератору 2. Обмотка 9 приемной катушки с сердечником 19 подключена параллельно входной обмотке 20 трансформатора с замкнутым ферромагнитным сердечником 21. Выходная обмотка 22 трансформатора соединена с юходом усилительно-регистрирующей схемы 5 (фиг. 4).

Особенность работы устройства с трансформатором в качестве преобразователя ток-напряжение состоит в компенсации магнитного момента приемной катушки при любых значениях ее полной измеряемой ЭДС б

При коротком замыкании обмотки 9 приемной катушки в ней протекает ток

E з (13) Ья так как при наличии сердечника t9 активным сопротивлением обмотки можно пренебречь и принять Z оЬ„, где T „ — индуктивность приемной катушки ь

< — агловая частота электромагнитного поля.

В строгом режиме короткого замыкания магнитный поток через витки приемной катушки равен нулю, поскольку внешйее магнитное поле в объеме приемной катушки компенсируется магнитным полем тока I протекающего в ее обмотке. В этом случае сердечник

19 оказывается размагниченным. Однако, приемная катушка за счет тока короткого замыкания имеет хотя и не1233078 (17) Т1+тп о

Мд Т81 э sx

Lï mÎ (18) (14) Т вЂ” 8Т тд T. + J, (15) 35

40 (16) большой по величине магнитный момент

Mä, обусловленный этим током где S — средняя площадь витка приемной катушки (знак минус означает, что магнитный момент

Мо противоположен направлению 10 внешнего магнитного поля) .

Таким образом, короткое замыкание обмотки 9 приемной катушки сопровождается перекомпенсацией магнитного момента этой катушки. 15

При подключении обмотки 9 параллельно входной обмотке трансформатора 20 ток короткого замыкания уменьша. ется на величину 3I, которая удовлетворяет уравнению 20

1 где Т „ — индуктивность входной обмотки 20 трансформатора 25 (предполагается, что вторичная обмотка 22 его наг— ружена на высокоомный вход усилительно-регистрирующей схемы 5) . ЗО

Из равенств (13) и (14) следует выражение для относительного изменения тока

Я т.,„ /т, 1+1 8 1 и

С учетом воздействия тока 3 Т магнитный момент М приемной катушки выражается формулой

6Z 8Т

М = M — M -- — m M —, о о т о о в которой второе слагаемое характери- зует возрастание момента обмотки 9, 45 а третье слагаемое — возрастание момента ферромагнитного сердечника 19.

Вклад сердечника в магнитный момент катушки в т раз больше, чем вклад токовой обмотки, причем коэффициент

my может быть установлен расчетным или экспериментальным путем. В зависимости от формы сердечника и магнитной проницаемости его материала коэффициент тп„ обычно принимает значение от 10 до 30.

Из формулы (16) вытекает условие равенства нулю магнитного момента М которое с учетом формулы (15) принимает окончательный вид

Точность компенсации магнитного момента несколько повысится, если, наряду с условием (18), учесть влияние активного сопротивления приемной катушки. Для этого достаточно, например, шунтированием вторичной обмотки трансформатора обеспечить добротность его первичной обмотки такую же, как у приемной катушки.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении точности измерений магнитной восприимчивости и опробования магнетитовых руд благодаря компенсации магнитного момента приемной катушки с ферромагнитным сердечником и снижения влияния промышленных помех.

Только за счет исключения влияния магнитного момента приемной катушки точность измерений возрастает примерно на 15-257.

Формула из об ре те ния

1. Устройство для измерения магнитной восприимчивости и удельной электропроводности, содержащее индукционный зонд с генераторной и прием- . ной цепями, генератор, подключенный к генераторной цепи зонда, усилительно-регистрирующую схему, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, приемная цепь зонда соединена с входом преобразователя ток-напряжение, выход которого подключен к усилительнорегистрирующей схеме.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что преобразователь ток-напряжение выполнен в виде операционного усилителя с отрицательной обратной связью.

3. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью компенсации магнитного момента приемной катушки с ферромагнитным сердечником, преобразователь ток-напряжение выполнен в виде трансформатора

1233078

1О де е

Ln

5 о

Ls и о с входной и выходной обмотками, причем входная обмотка трансформатора соединена с обмоткой приемной катушки и ее индуктивность свяэана с индуктивностью приемной катушки сооТ ношением индуктивность входной обмотки трансформатора; индуктивность приемной катушки зонда; отношение магнитных моментов соответственно ферромагнитного сердечника приемной катушки и ее обмотки с током.

1233078

Составитель Л. Воскобойников

Редактор О. Головач Техред О.Гортвай Корректор М. Максимишинец

Заказ 2765/47 Тираж 728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д., 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. У@город, ул. Проектная, 4