Способ обнаружения магнитных объектов и устройство для его осуществления

 

Использование: в геофизике для обнаружения слабо- и сильномагнитных объектов. Сущность изобретения: при поиске магнитных объектов измеряют намагниченность насыщения горных пород. Устройство содержит зонд 1, в котором размещен датчик 2, состоящий из постоянного магнита 3 с полюсными наконечниками 4, образующими зазор 5, и катушки 6 индуктивности, соединенной с усилителями 7. Внутри зонда имеется электромотор 8, на валу которого размещены датчик и усилитель, выполненные с возможностью вращения, стабилизатор 10 напряжения, соединенный с электромотором и усилителем, а также тахометр 11. Снаружи зонд имеет прижимное устройство 12. Вне зонда размещены пиковый детектор 13, анализатор 14, счетчик 15 импульсов и регистрирующий прибор 16. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к геофизике, в частности к магнитному каротажу, и может быть использовано для обнаружения как слабо-, так и сильномагнитных объектов и включений, расположенных в труднодоступных местах, а также для определения концентрации ферромагнетиков в исследуемых средах.

Известные методы магнитного каротажа основываются на измерениях магнитной восприимчивости (κ) [1] Чувствительные элементы различных схем не позволяют иногда обнаруживать феppомагнетики, особенно при малой их концентрации. Причина этого заключается в слабом подмагничивании окружающей среды при измерениях κ.Кроме того, κ сильно зависит от размеров зерен ферромагнетика, этим резко ограничивается использование ее для количественных расчетов содержания ферромагнетика. Физической величиной, которая строго соответствует концентрации ферромагнетика в исследуемой среде, является намагниченность насыщения (I_s). Однако, устройства, основанные на измерениях I_s, в геофизике пока не применяются.

Известен способ обнаружения магнитных объектов, включающий намагничивание объекта магнитным полем постоянного магнита при движении датчика вдоль исследуемого объекта. При перемещении датчика в катушке возникает индуктивный сигнал, пропорциональный градиенту магнитной восприимчивости [2] Известно устройство для осуществления способа, содержащее помещенные в зонд датчик, усилитель и расположенные вне зонда интегратор и регистрирующий прибор. Датчик содержит постоянный стержневой магнит с полюсными наконечниками и катушку индуктивности, соединенную с усилителем [2] Однако в этих способе и устройстве для его осуществления не достигается высокая точность обнаружения ферромагнетиков, из-за погрешности интегрирования сигнала, зависимости результатов от неучитываемой скорости движения зонда и слабого намагничивания окружающей среды.

На чертеже изображена схема устройства для осуществления способа, который не исключает возможности осуществления его с помощью других устройств.

Устройство содержит зонд 1, датчик 2, состоящий из постоянного магнита 3, полюсных наконечников 4, образующих магнитный зазор 5, и катушки 6 индуктивности, связанной с усилителем 7, электромотор 8, на валу 9 которого в данной схеме размещены датчик и усилитель, выполненные с возможностью вращения, стабилизатор 10 напряжения, соединенный с электромотором 8 и усилителем 7, и тахометр 11. Снаружи зонд снабжен прижимным устройством 12 и соединен с пиковым детектором 13, анализатором 14, соединенным со счетчиком 15 импульсов и регистрирующим прибором 16. При исследованиях скважин зонд имеет цилиндрическую форму и продольный выступ 17, расположенный со стороны прижимного устройства, а плоскость вращения магнитного зазора 5 перпендикулярна направлению исследования. Выход усилителя 7 соединен последовательно с пиковым детектором 13, анализатором 14 и регистрирующим прибором 16, а анализатор 14 соединен, кроме того, с тахометром 11 и счетчиком 15 импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Вначале определяется величина постоянной k. Для этого намагничивающий зонд 1 с помощью прижимного устройства 12 прижимают к участку объекта с известной концентрацией ферромагнетика (С) или эталону, затем включают электромотор 8, под действием которого магнитный зазор 5 начинает прижиматься к участку объекта с заданной периодичностью с циклической частотой ω, намагничивая при этом до насыщения ферромагнетики участка между полюсными наконечниками 4 постоянного магнита 3. При определении k скорость (V₁) перемещения магнита в направлении исследования равна нулю. Тахометром 11 измеряют угловую скорость периодического движения магнита, которая анализатором 14 преобразуется в вектор линейной скорости периодического движения магнитного зазора =R, где R радиус периодического движения магнита. Во время намагничивания вещества в зазоре магнита изменяется магнитный поток, и в катушке 6 индуктивности возникает импульс ЭДС индукции, амплитуда которого согласно закону электромагнитной индукции, когда объект намагничивается до насыщения, равна E_max (V₂/k)˙C, где k постоянная, зависящая от параметров устройства и удельной намагниченности насыщения ферромагнетика. При измерениях в сильных полях с использованием параметра I_s парамагнитная составляющая сигнала пренебрежимо мала по сравнению с ферромагнитной, так как рост намагниченности парамагнитного ансамбля зерен прямо пропорционален напряженности поля (Н), а для ферромагнитных частиц он растет пропорционально Н3, поэтому в данном способе очевидно достижение большей точности при обнаружении магнитных объектов. Затем полученный датчиком 2 импульс ЭДС индукции усиливается усилителем 7, выпрямляется пиковым детектором 13 в постоянное напряжение, которое преобразуется с учетом скорости V₂ и хранится в анализаторе 14 до прихода следующего импульса и измеряется регистрирующим прибором 16. При определенной V₂ и известной С, зная E_max, находят k, решая уравнение k (V₂/E_max)˙C.

Способ в режиме обнаружения магнитных объектов может осуществляться с каким-либо дискретным шагом между точками наблюдения, когда зонд 1 перемещается на расстояние, равное этому шагу, затем останавливается и производится измерение E_max и V₂ ω˙R с последующим обнаружением магнитного объекта и определением концентрации С ферромагнетика уже проградуированным прибором при V₁ 0 по формуле C k˙E_max/V₂.

Наиболее производительно устройство работает, когда зонд 1 непрерывно перемещается вдоль исследуемого объекта, т.е. при V₁ > 0. Здесь возможны два основных варианта: V₁ > 0 и V₂ 0; V₁ 0 и V₂ > 0, причем движение магнитного зазора осуществляется в любой плоскости и в любую сторону с учетом того, что величина E_max помимо С зависит от суммарной скорости V₁ + V₂, определяемой путем их векторного сложения. В первом варианте, поскольку коэффициент k уже определен, V₂ заменяется на V₁, и E_max каждого импульса зависит от скорости V₁ перемещения постоянного магнита вдоль исследуемого объекта и от соответствующего ей градиента изменения концентрации ферромагнетика dC/dt. В этом случае для измерения скорости V₁ в устройство введен счетчик 15 импульсов, соединенный с анализатором 14. Таким образом, в первом случае полюсные наконечники постоянного магнита прижимают к исследуемому объекту постоянно, намагничивая при этом до насыщения ферромагнетики участка между полюсными наконечниками постоянного магнита, измеряют амплитуду индуктивного сигнала E_max и скорость V₁ и определяют градиент концентрации ферромагнетика dC/dt k E_max/V₁, а последующее обнаружение магнитных объектов проводят с учетом полученного результата определяемой величины dC/dt.

Второй вариант используется для поиска ферромагнетиков в скважинах и т. д. Намагничивающий зонд 1, имеющий цилиндрическую форму и соединенный с помощью каротажного кабеля с входом пикового детектора 13, опускается в скважину. Зонд плотно прижимают к стенке скважины с помощью прижимного устройства 12. Относительно оси скважины зонд 1 оказывается смещенным в сторону действия прижимной силы (F). С противоположной стороны от линии касания зонда 1 со стенкой скважины его окружает немагнитная среда глубиной, превосходящей величину магнитного зазора 5. Периодическое прижатие магнитного зазора с циклической частотой ωосуществляется в скважине путем вращения магнита 3 и магнитного зазора 5 в плоскости, перпендикулярной ее оси. Начинают перемещать прижатый к стенке скважины зонд 1 вверх. В анализаторе 14 происходит измерение и векторное сложение скоростей и =R, там же с каждым циклом касания зазора магнита исследуемой среды формируется сигнал сброса показания регистрирующего прибора 16, а также происходит хранение и обработка принятого из пикового детектора 13 полезного сигнала. При возникновении в катушке 6 сигнала-помехи, например, за счет налипания посторонней ферромагнитной частицы на внешнюю поверхность зонда 1 в области действия магнитного зазора 5 изменяются форма и длительность импульса ЭДС индукции, а налипшая на корпус зонда частица перемещается вращающимся зазором магнита по полукругу до продольного выступа 17 на корпусе зонда, расположенного со стороны размещения прижимного устройства 12. В момент, когда зазор магнита, вращаясь, переместится за границу продольного выступа, на ферромагнитную частицу прекращает действовать сила притяжения зазора, и она, имея вес, падает с корпуса зонда, очищая зазор 5.

Способ и устройство позволяют получить такую магнитную характеристику, по которой можно не только с высокой точностью осуществлять поиски магнитных объектов с малой концентрацией ферромагнетика, но и определить точное его содержание в исследуемой среде. Порог чувствительности способа для С (по магнетику) составляет 0,01% т.е. повышается по сравнению с известными устройствами как минимум в 50 раз. По производительности способ не уступает самым скоростным известным методам геофизических исследований скважин и морской геофизики. Если в известном способе возрастание линейной скорости движения зонда не приводит к увеличению величины измеряемого параметра, то, при той же С в предлагаемом способе чем больше суммарная скорость движения магнитного зазора относительно исследуемой среды, тем больше величина E_max, т. е. прямо пропорционально увеличивается чувствительность способа. Кроме того, на практике не всегда можно достичь оптимальной скорости движения магнита только за счет поступательного движения зонда. Например, корабль, сообщающий зонду это движение, не может двигаться со скоростью, превышающей его технические данные, поэтому, придавая магниту внутри зонда дополнительное периодическое движение, увеличивают чувствительность способа при обнаружении магнитных объектов.

Формула изобретения

1. Способ обнаружения магнитных объектов, включающий намагничивание исследуемого объекта магнитным полем постоянного магнита на участке между его полюсными наконечниками при перемещении постоянного магнита вдоль исследуемого объекта, регистрацию индуктивного сигнала с последующим обнаружением магнитных объектов, отличающийся тем, что полюсные наконечники постоянного магнита прижимают к исследуемому объекту с заданной периодичностью с циклической частотой или постоянно, намагничивая при этом до насыщения ферромагнетики участка между полюсными наконечниками постоянного магнита, измеряют амплитуду E_max индуктивного сигнала и скорость перемещения постоянного магнита вдоль исследуемого объекта, определяют содержание C ферромагнетика на участке исследуемого объекта при периодическом его намагничивании из соотношения где K постоянная, определяемая на объекте с известным содержанием ферромагнетика; R радиус периодического движения магнита,
а при постоянном намагничивании исследуемого объекта определяют градиент концентрации ферромагнетика последующее обнаружение магнитных объектов проводят с учетом полученных результатов определяемых величин.

2. Устройство для обнаружения магнитных объектов, содержащее зонд, в котором размещен датчик, состоящий из постоянного магнита с полюсными наконечниками и катушки индуктивности, соединенной с усилителем и регистрирующим прибором, отличающееся тем, что в устройство введены прижимное устройство зонда, электромотор, на валу которого размещены датчик и усилитель, выполненные с возможностью вращения постоянного магнита, стабилизатор напряжения, соединенный с электромотором и усилителем, тахометр, пиковый детектор, анализатор и счетчик импульсов, при этом усилитель, пиковый детектор, анализатор и регистрирующий прибор соединены последовательно, а анализатор соединен с тахометром и счетчиком импульсов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что для исследования скважин зонд выполнен цилиндрической формы и снабжен продольным выступом со стороны размещения прижимного устройства, а датчик и усилитель выполнены с возможностью вращения постоянного магнита в плоскости, перпендикулярной продольной оси зонда.

РИСУНКИ

Рисунок 1