Преобразователь (варианты)

Изобретение относится к средствам электромагнитного обнаружения объектов в земле, отличающихся по электропроводности и магнитной проницаемости от вмещающих горных пород. Сущность: индукционный преобразователь содержит магнитный сердечник с обмоткой из электропроводного материала и согласующий усилитель. Магнитный сердечник выполнен в виде трубы, которая образована параллельными друг другу магнитными стержнями, изолированными между собой. Поперечные размеры стержней в несколько раз меньше поперечных размеров трубы. Труба снабжена защитным кожухом. Преобразователь может содержать три магнитных сердечника в виде труб, снабженных кожухами. Кожухи соединены таким образом, чтобы их оси были взаимно ортогональны и жестко скреплены для образования из них треноги. Технический результат: уменьшение порога чувствительности, увеличение точности измерений. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к средствам электромагнитного обнаружения и может быть использовано для обнаружения объектов в земле, отличающихся по электропроводности и магнитной проницаемости от вмещающих горных пород. Изобретение применяется в геофизике для поисков залежей углеводородов, месторождений металлических руд, источников пресных и термальных вод, алмазных трубок и других полезных ископаемых. Оно относится к устройствам, предназначенным для импульсных и частотных зондирований с естественным и искусственным магнитным и электрическим возбуждениями электромагнитного поля.

Известно изобретение "Способ измерения характеристик магнитного поля и устройство для его осуществления", патент RU №2074402 от 1995.03.07 г., опубл. 1997.02.27, МПК G01V 3/08, G01R 33/24, содержащий три обособленных постоянных стержневых магнита, положение магнитов на своих осях фиксируют при помощи вертикально и горизонтально-расположенных элементов. С помощью изобретения могут измерять вертикальные и горизонтальные составляющие постоянного магнитного поля. Положение магнитов на своих осях фиксируют при помощи вертикально и горизонтально расположенных элементов. Однако устройство не предназначено для измерения электромагнитной индукции.

Известно изобретение "Индукционный преобразователь для устройства обнаружения скрытых объектов", патент RU №2085971 от 1995.03.17 г., опубл. 1997.01.10, МПК G01V 3/08, в котором в кольцевой рамке используют набор изолированных друг от друга трубчатых элементов. Изобретение работает по принципу параметрического способа измерения, т.е. измеряются параметры контура, которые изменяются вблизи токопроводящих объектов. Изобретение позволяет повысить собственную резонансную частоту одновиткового индукционного преобразователя без уменьшения его размеров, что позволяет повысить начальную частоту генерирования перестраиваемого измерительного генератора. Однако предложенное техническое решение работает по другому принципу измерения. Размеры рамки в аналоге слишком велики. Измеряется только вертикальная составляющая.

Известно изобретение "Намотанный сердечник трансформатора, способ и устройство для его изготовления". Патент RU №2241271 от 2000.04.27 г., опубл. 2004.11.27, МПК Н01F 3/04, Н01F 27/25, Н01F 41/02, Н01F 30/12, содержащий сердечник из магнитных лент, который имеет форму цилиндрическую в виде многослойной структуры, каждый слой образован из определенного числа магнитных лент с естественными воздушными зазорами. Изобретение решает задачу оптимального перераспределения потока магнитной индукции в слоях цилиндрического тороидального сердечника, высота которого больше ширины ленты. Однако устройство не предназначено для измерения электромагнитной индукции.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение "Малогабаритный индукционный преобразователь", Патент RU №2073257 от 1993.08.23 г. опубл. 1997.02.10, МПК6 G01R 33/02, содержащий воздушную многовитковую приемную петлю с индуктивным фильтром и предусилителем и сопротивление для высокочастотных и импульсных токов, что уменьшает общий уровень помех на выходе измерителя, выполненного в виде кольцевого ферромагнитного сердечника с параллельными обмотками. Такие преобразователи обладают высокой чувствительностью, но ограничиваются относительно узкой полосой частот пропускания и могут измерять только одну, вертикальную, составляющую магнитного поля. Кроме того, они имеют большую массу.

Все индукционные преобразователи основаны на измерении производной по времени потока магнитной индукции, проходящего через измерительный контур, образованный одним или многими витками электропровода. Наиболее значимыми параметрами первичного преобразователя магнитного поля в геоэлектроразведке являются уровень собственного шума, отнесенный к эффективной площади U_ш/S_эф [В/м²], который характеризует реальную чувствительность индукционного преобразователя. Кроме того, важными характеристиками индукционного преобразователя являются полоса частот пропускания, погрешность преобразования, а также простота и оперативность установки преобразователя, его масса. Чем больше эффективная площадь измерительного контура (произведение площади контура на число витков), тем больше чувствительность приемного контура. А чем больше число витков приемного контура, тем уже полоса частот пропускания. Идеальным преобразователем является петлевой индукционный преобразователь. Но в таких преобразователях очень велика масса. Так, петля 200×200 м из провода с сечением меди 6 мм² характеризуется шумом около 10^-16 В/м² при частоте собственного резонанса 80 кГц. Вместе с тем масса провода превышает 60 кг. Раскладка петли слишком трудоемка, и с ее помощью можно измерять только вертикальную составляющую магнитного поля. На практике для измерения импульсных магнитных полей используют многовитковую петлю 6×6 м. В такой петле резко снижаются эффективная площадь и полоса частот пропускания. А также в таких преобразователях очень велика масса (25 кг). В них также существуют возможность измерения только одной (вертикальной) составляющей магнитного поля.

Качество первичных преобразователей может быть существенно улучшено за счет применения магнитных сердечников. Параметры этих преобразователей зависят от материала и конструкции магнитных сердечников.

Предложенное техническое решение обеспечивает измерение как вертикальной составляющей, так и двух горизонтальных составляющих магнитного поля при малых значениях шума, нормированного на эффективную площадь при высокой частоте собственного резонанса, что обеспечивает более широкую полосу частот пропускания, увеличение стабильности и точности измерения.

Технический результат предложенного изобретения состоит в существенном уменьшении порога чувствительности и увеличении точности измерений индукционного преобразователя.

В предлагаемом изобретении реализуют максимальную эффективную площадь и широкую рабочую полосу частот пропускания при минимальном отношении шума к эффективной площади, минимальном уровне собственных процессов и минимальной массе преобразователя. Кроме того, здесь возможно использование магнитопроводов с относительной магнитной проницаемостью до 1,5·10⁶ при отсутствии искажений в постоянном магнитном поле Земли.

Поставленная задача решается следующим образом.

Индукционный преобразователь, например, импульсного магнитного поля содержит магнитный сердечник (1) с обмоткой из электропроводного материала (2) и согласующий усилитель (3). Предложенное техническое решение отличается тем, что индукционный преобразователь снабжен хотя бы одним магнитным сердечником (1) с обмоткой из электропроводного материала (2), причем магнитный сердечник выполнен в виде трубы ("d"), которая образована параллельными друг другу магнитными стержнями (4), изолированными между собой, при этом поперечные размеры ("а", "в") стержней, по крайней мере, в несколько раз меньше поперечных размеров трубы "d". Магнитные стержни могут быть выполнены, например, из пленки магнитопровода. В индукционном преобразователе магнитный сердечник с обмоткой может быть снабжен защитным кожухом (5). В качестве варианта индукционного преобразователя, например, импульсного магнитного поля предложен преобразователь, содержащий магнитный сердечник с обмоткой из электропроводного материала и согласующий усилитель, который снабжен тремя магнитными сердечниками (см. Фиг.3), каждый из которых снабжен обмоткой из электропроводного материала и согласующим усилителем. Причем каждый магнитный сердечник выполнен в виде трубы, которая образована параллельными друг другу магнитными стержнями, изолированными между собой, при этом поперечные размеры стержней, по крайней мере, в несколько раз меньше поперечных размеров трубы (см. Фиг.1б), магнитные стержни выполнены, например, из пленки магнитопровода толщиной от 2 до 50 микрометров, каждая труба снабжена защитным кожухом (5), кожухи соединены таким образом, чтобы их оси были взаимно ортогональны, при этом кожухи жестко скреплены или скреплены с возможностью поворота вокруг оси с помощью каркаса (6) для образования из них треноги, обеспечивающей устойчивое положение индукционного преобразователя на поверхности земли или на дне водоема. Магнитные стержни выполнены, например, из параллельных в поперечном и продольном направлениях слоев из пленки магнитопровода. Сердечники могут быть соединены между собой непосредственно (см. Фиг.1б), а могут быть соединены посредством токоизолирующего каркаса (7) в виде трубы (см. Фиг.1в). Для увеличения поперечных размеров магнитного сердечника концы трубы, образованной из стержней (4), могут быть снабжены магнитными наконечниками (8), поперечные размеры которых в несколько раз больше поперечных размеров сердечников (1). Каждый стержень (4) может быть снабжен акселерометром (9) и/или феррозондом (10) для определения силы тяжести и магнитного поля вдоль оси каждого магнитного сердечника. Магнитные сердечники снабжены, например, в центральной части обмотками в виде секционированных многовитковых приемных катушек (2). Радиальную толщину "в" магнитных стержней (4) выбирают обычно в диапазоне от 0,001 диаметра магнитного сердечника до 0,5 диаметра "d" магнитного сердечника (1). Толщина пленки магнитопровода составляет обычно от 2 до 50 микрометров. В качестве изолятора между магнитными стержнями используют как воздушную прослойку, которая меньше или равна десяти кратной ширины магнитного стержня, так и изолятор. Ширина "а" магнитного стержня обычно равна или меньше 0,2 диаметра "d" магнитного сердечника (1). Магнитные сердечники могут быть снабжены примыкающими к ним с двух сторон калибровочными обмотками (11). Калибровочные обмотки (11) подключают к обмотке (2) каждого магнитного сердечника на время калибровки. К обмотке (2) магнитного сердечника одновременно и/или поочередно подключают генератор прямоугольных и экспоненциальных импульсов тока. Индукционный преобразователь может быть снабжен коммутационным устройством (12) и/или устройством управления (13).

В предложенном индукционном преобразователе полый, например, цилиндр из магнитопровода с высокой магнитной проницаемостью, тонкая оболочка которого разделена на множество параллельных полос, образующих цилиндр, является оптимальным сердечником (1). Эффективная магнитная проницаемость (магнитная проницаемость формы) зависит от отношения длины цилиндра к его диаметру. Она ограничивается линейной областью гистерезисной характеристики. Т.е. эффективная магнитная проницаемость выбирается максимальной, при которой еще соблюдается строгая линейность процесса преобразования магнитного поля. Поскольку толщина оболочки, собранной из стержней (4), мала, масса сердечника (1) минимальна. Вихревые токи внутри оболочки малы из-за того, что она рассечена на множество тонких полос, выполненных из слоев тончайшей пленки магнитопровода. Поэтому уровень собственных процессов здесь самый низкий для преобразователей с магнитными сердечниками.

Эффективная площадь пропорциональна произведению числа витков на площадь сечения цилиндра и эффективную магнитную проницаемость. Отношение шума преобразователя к эффективной площади преобразователя зависит от массы обмотки и не зависит от числа витков. Число витков, при прочих равных условиях, к которым относится полоса частот пропускания, выбирается таким образом, чтобы уровень шума обмотки (2) был сопоставим с уровнем шума усилителя (3).

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На Фиг.1а, б, в изображен магнитный сердечник с катушками приемной рамки блока преобразователей магнитного поля. На Фиг.1а - вид сбоку; на Фиг.1б - поперечное сечение сердечника; на Фиг.1в - поперечное сечение сердечника при закрепленных стержнях на каркасе.

На Фиг.2 изображен магнитный сердечник с катушками приемной рамки блока преобразователей магнитного поля с магнитными наконечниками.

На Фиг.3 изображен индукционный преобразователь магнитного поля, содержащий три магнитных сердечника, каждый из которых снабжен обмотками из электропроводного материала и согласующий усилитель. Кожухи сердечников жестко скреплены.

На Фиг.4 изображена блок-схема индукционного преобразователя магнитного поля, где: 2 - катушки с обмоткой из электропроводного материала (приемная рамка), 9 - акселерометр, 10 - феррозод, 11 - калибровочные катушки, 3 - согласующий усилитель, 12 - коммутационное устройство, 13 - устройство управления.

На Фиг.5 изображена аксонометрическая проекция индукционного преобразователя магнитного поля, содержащего три магнитных сердечника, каждый из которых снабжен обмотками из электропроводного материала и согласующий усилитель. Индукционный преобразователь имеет три взаимно ортогональные оси сердечников, которые произвольно ориентированы относительно выбранной прямоугольной системы координат - х, у, z.

Предложенный индукционный преобразователь импульсного магнитного поля реализован следующим образом.

Индукционный преобразователь включает магнитный сердечник (1) с шестью секционированными 700-витковыми приемными катушками (2), по 50 витков в каждой секции в центральной части, и примыкающие к ним с двух сторон две 50-витковые калибровочные катушки (8), а также предварительный усилитель (3), коммутационное устройство (12) и устройство управления (13).

Магнитный сердечник (1) с приемными катушками (2) состоит из стержней (4) (см.Фиг.1б, в), которые представляет собой трубу с диаметром "d", образованную 14 примыкающими друг другу стержнями (4), размером 5×5×1000 мм, склеенными из 140 слоев (5×1000 мм) пленки (25 микрометров) магнитопровода ГМ503А. Внутренний диаметр пластиковой трубы (7), к которой приклеены стержни, - 20 мм. Наружный диаметр сердечника (4) - 35 мм. Магнитопровод из кобальтового сплава обладает максимальной магнитной проницаемостью 1500000. Слои магнитопровода из кобальтового сплава имеют на своей поверхности изолирующую пленку, которая образуется в результате отжига.

Индукционный преобразователь обладает наибольшей чувствительностью (эффективной площадью) при минимальных собственных процессах. Эффективная площадь индукционного приемника с цилиндрическим сердечником определяется магнитной проницаемостью формы, которая зависит от отношения длины сердечника (1) к его диаметру. При увеличении этого отношения (при постоянном диаметре сердечника) возрастает чувствительность приемника и вместе с тем зависимость от магнитной проницаемости магнитопровода. Обычно выбирают такое отношение длины к диаметру сердечника, чтобы чувствительность приемника не зависела от магнитной проницаемости магнитопровода, поскольку последняя подвержена влиянию внешних температурных и механических воздействий. Чем меньше отношение длины сердечника (1) к его диаметру, тем больше стабилизирующий эффект размагничивания, вызванный относительным сближением полюсов сердечника, и тем меньше эффективная площадь. Кроме того, прямоугольная форма гистерезисной характеристики магнитопровода приводит к необходимости уменьшить отношение длины сердечника к его диаметру для получения линейной зависимости магнитной индукции "В" от поля "Н" в широком диапазоне изменения интенсивности проекции постоянного магнитного поля Земли на ось преобразователя "с". Иными словами, достигается независимость результатов измерения от ориентации преобразователя в постоянном магнитном поле Земли.

Благодаря высокой магнитной проницаемости сердечника (1) появилась возможность замены сплошного цилиндра из магнитопровода трубой из отдельных стержней (4) толщиной 5 мм без уменьшения эффективной площади приемника. Таким образом, достигнута высокая чувствительность и стабильность приемника при сравнительно небольшой массе магнитопровода (около 2500 г). Чтобы не развивались интенсивные вихревые токи в поперечных сечениях трубы, она построена из отдельных стержней, между которыми отсутствуют гальванические контакты. Тонкие слои пленки, сориентированные перпендикулярно поверхности трубы, также препятствуют вихревым токам в трубчатом сердечнике (1). Тонкопленочная структура и малые поперечные размеры стержней (5×5 мм) значительно уменьшают интенсивность собственных процессов непосредственно в стержнях (4).

Соединенные последовательно приемные катушки (2) подключены к неинвертирующим входам измерительного операционного усилителя (3). На входе усилителя стоит коммутируемый симметричный делитель напряжения и параллельно ему резистор Rкр сопротивлением около 180 кОм, который вводит приемную обмотку (2) в критический режим.

Чувствительность индукционного преобразователя зависит от его эффективной площади и собственных шумов приемной обмотки (2) и усилителя (3). Она характеризуется отношением мощности шума в ваттах (или В²), в полосе частот 1 Гц, отнесенных к эффективной площади в квадратных метрах. При заданной массе меди в обмотке отношение сигнал/шум индукционных приемников не зависит от числа витков обмотки (2). В самом деле, при увеличении числа витков, например, в 2 либо в 4 раза увеличится сопротивление обмотки (2). Напряжение полезного сигнала увеличится в 2 раза и во столько же раз возрастет напряжение собственных шумов приемной обмотки (2). Вместе с тем, при увеличении числа витков сужается рабочая полоса частот преобразователя.

Суммарный шум усилителя (3) зависит от сопротивления приемной обмотки (2), собственных шумов согласующего усилителя (3) по напряжению и по току. Они минимальны при низком сопротивлении обмотки (2).

В используемом усилителе (3) расчетный суммарный шум при сопротивлении приемной обмотки 50 Ом близок к 1 нВ/Гц^1/2. Эффективная площадь приемника для принятых параметров приемных катушек (без усилителя) составляет 1170 м². Нормированный по эффективной площади расчетный шум преобразователя (с усилителем) не превышает 10^-12В/Гц^1/2 м². Частота собственного резонанса: 5300 Гц. При столь высокой частоте собственного резонанса обеспечивается идеальная линейная амплитудно-частотная характеристика и нулевая фазово-частотная характеристика в полосе частот от 100 Гц и ниже.

Подобная чувствительность индукционных преобразователей с линейной частотной характеристикой реализуется лишь при использовании многовитковых петель диаметром до 5 м. Такие петли обладают в несколько раз большей массой и позволяют измерять только вертикальную составляющую магнитного поля.

Магнитные наконечники (8) уменьшают "магнитное сопротивление заземления" разомкнутой магнитной цепи и тем самым дополнительно увеличивают магнитный поток в сердечнике (1).

Калибровка прямоугольными импульсами обеспечивает контроль за собственными процессами в преобразователе, калибровка экспоненциальным сигналом позволяет контролировать преобразование магнитного поля, спадающего по экспоненциальному закону.

Обычно преобразование магнитного поля производят вдоль выбранных прямоугольных осей координат: вертикальной - z и двух горизонтальных - xy. Как правило, одна из составляющих магнитного поля является аномальной и малой по величине, а две другие - нормальные, по величине значительно превышающие аномальную составляющую. Поскольку при измерении аномальной составляющей возникает дополнительная погрешность преобразования магнитного поля за счет ошибок ориентирования осей преобразователей, в результате этого к аномальной составляющей прибавляются проекции на эту ось больших по величине нормальных составляющих.

В предложенном устройстве преобразуют три ортогональных компоненты магнитного поля под одинаковыми углами к изучаемой (плоской) площадке земли (см. Фиг.4). При этом измеряют три близких по величине и по отношению сигнал/шум составляющих магнитного поля. По этим трем составляющим вычисляют вектор магнитного поля, а искомые составляющие находят как проекции магнитного поля на оси xyz. В результате существенно уменьшаются ошибки определения аномальной составляющей поля, и улучшается отношение сигнал/шум для каждой из измеряемых составляющих магнитного поля.

Обычно измерение проводят вдоль выбранных прямоугольных координат xyz. Для этого при операции установки трех жестко закрепленных индукционных преобразователей приходится одновременно достигать устойчивого положения системы индукционных преобразователей и точного ориентирования этой системы по сторонам света. Это трудноисполнимая операция, которая требует много времени. В предлагаемом устройстве задача установки заключается лишь в достижении устойчивого положения индукционного преобразователя. Никакого ориентирования не требуется. Это достигается тем, что вдоль оси каждого из трех сердечников с обмотками, согласующими усилителями и защитными кожухами с помощью акселерометров (9) регистрируют проекции силы тяжести на каждую ось. По показаниям акселерометров определяют отклонение индукционного преобразователя от горизонтального положения. Кроме того, вдоль оси каждого сердечника с помощью феррозонда (10) регистрируют проекции постоянного магнитного поля Земли на оси xyz индукционного преобразователя. По показаниям феррозонда и акселерометров определяют азимут системы преобразователей. Эти простые измерения заменяют трудоемкую операцию ориентирования системы преобразователей на местности. Таким образом, обеспечивается измерение как вертикальной составляющей, так и двух горизонтальных составляющих магнитного поля.

Таким образом, индукционный преобразователь имеет большую реальную чувствительность по сравнению с многовитковыми петлями с воздушным сердечником (более низкий порог шума преобразователя), обеспечивает более широкую рабочую полосу частот (от 0,0001 Гц до 10 кГц) и обеспечивает более высокую точность измерения (уменьшение интенсивности собственных процессов). При этом уменьшается масса прибора, обеспечивается его компактность, прибор не требует точной привязки к местности за счет ортогонально установленных сердечников, в которых имеется индикатор с грубыми характеристиками для измерения силы тяжести и магнитного поля Земли.

1. Индукционный преобразователь магнитного поля, содержащий магнитный сердечник с обмоткой из электропроводного материала и согласующий усилитель, отличающийся тем, что индукционный преобразователь снабжен хотя бы одним магнитным сердечником с обмоткой из электропроводного материала, у которого магнитный сердечник выполнен в виде трубы, которая образована параллельными друг другу магнитными стержнями, изолированными между собой, при этом поперечные размеры стержней, по крайней мере, в несколько раз меньше поперечных размеров трубы.

2. Индукционный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что магнитный сердечник с обмоткой снабжен защитным кожухом.

3. Индукционный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что магнитные стержни выполнены из параллельных в поперечном и продольном направлениях слоев из пленки магнитопровода.

4. Индукционный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что для увеличения поперечных размеров магнитного сердечника концы трубы снабжены магнитными наконечниками, поперечные размеры которых в несколько раз больше поперечных размеров сердечников.

5. Индукционный преобразователь магнитного поля, содержащий магнитный сердечник с обмоткой из электропроводного материала и согласующий усилитель, отличающийся тем, что индукционный преобразователь снабжен тремя магнитными сердечниками, каждый из которых снабжен обмоткой из электропроводного материала и согласующим усилителем, причем каждый магнитный сердечник выполнен в виде трубы, которая образована параллельными друг другу магнитными стержнями, изолированными между собой, при этом поперечные размеры стержней, по крайней мере, в несколько раз меньше поперечных размеров трубы, каждая труба снабжена защитным кожухом, кожухи соединены таким образом, чтобы их оси были взаимно ортогональны, при этом кожухи жестко скреплены для образования из них треноги, обеспечивающей устойчивое положение индукционного преобразователя на поверхности земли или на дне водоема.

6. Индукционный преобразователь по п.5, отличающийся тем, что каждый стержень снабжен акселерометром и/или феррозондом для определения силы тяжести и магнитного поля вдоль оси каждого магнитного сердечника.

7. Индукционный преобразователь по п.5, отличающийся тем, что магнитные сердечники снабжены в центральной части обмотками в виде секционированных многовитковых приемных катушек.

8. Индукционный преобразователь по п.5, отличающийся тем, что магнитные стержни выполнены из параллельных в поперечном и продольном направлениях слоев из пленки магнитопровода.

9. Индукционный преобразователь по п.8, отличающийся тем, что радиальную толщину магнитных стержней выбирают в диапазоне от 0,001 до 0,5 диаметра магнитного сердечника.

10. Индукционный преобразователь по п.8, отличающийся тем, что ширина магнитного стержня равна или меньше 0,2 диаметра магнитного сердечника.

11. Индукционный преобразователь по п.8, отличающийся тем, что толщина пленки магнитопровода составляет от 2 до 50 мкм.

12. Индукционный преобразователь по п.5, отличающийся тем, что в качестве изолятора между магнитными стержнями используют воздушную прослойку, которая меньше или равна десятикратной ширине магнитного стержня.

13. Индукционный преобразователь по п.5, отличающийся тем, что магнитные сердечники снабжены примыкающими к ним с двух сторон калибровочными обмотками.

14. Индукционный преобразователь по п.13, отличающийся тем, что калибровочные обмотки подключают к обмотке каждого магнитного сердечника на время калибровки.

15. Индукционный преобразователь по п.14, отличающийся тем, что к обмотке магнитного сердечника одновременно и/или поочередно подключают генератор прямоугольных и экспоненциальных импульсов тока.

16. Индукционный преобразователь по п.5 или 13, отличающийся тем, что снабжен коммутационным устройством.

17. Индукционный преобразователь по п.16, отличающийся тем, что снабжен устройством управления.