Устройство для обнаружения подземных магнитных аномалий

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для обнаружения подземных магнитных аномалий магнитометром при его работе в автономном режиме благодаря расположению феррозондового датчика и электронного преобразователя в общем корпусе. Согласно изобретению два идентичных полуэлемента дифференциального феррозондового магнитометра ориентируют соосно на заданном расстоянии друг от друга. Жидкостный гравитационный коммутатор закрепляют в корпусе магнитометра в строго вертикальном положении, при этом уровень информационного сигнала магнитометра устанавливают минимальным при помощи регулятора тока в обмотке компенсации, что устраняет суммарное фоновое воздействие вертикальной составляющей поля Земли и ферросодержащих элементов электронного преобразователя. Подземная магнитная аномалия обнаруживается по наибольшему отклонению показаний индикатора прибора от установленного регулятором тока в обмотке компенсации. Изобретение позволяет повысить точность, достоверность и быстродействие измерений, а также упростить измерительный процесс в целом за счет оптимизации конструкции феррозондового преобразователя и применения электронного индикатора вертикали. 2 ил.

 

Изобретение относится к области магнитных измерений, в частности к феррозондовым магнитометрам.

Известно устройство обнаружения магнитных аномалий, содержащее три феррозонда с взаимно ортогональными магнитными осями, выходными обмотками и обмотками возбуждения. Данное устройство осуществляет измерение модуля полного вектора магнитного воздействия. Устройство используется для построения автономных магнитометров, в частности для обнаружения подземных магнитных аномалий (патент RU №2153682, МПК⁷ G01R 33/02, 2000 г.).

Недостатками данного устройства являются малая чувствительность и отсутствие оси направленности магнитометра.

Также известно устройство, содержащее объект измерения в виде источника постоянного магнитного поля, генератор, подключенный к обмотке возбуждения дифференциального феррозонда, имеющего сигнальную обмотку, а также снабженного дополнительной обмоткой компенсации. Феррозондовый датчик устанавливается над трубопроводом в вертикальном положении. Воздействия фоновых, по отношению к объекту измерения, магнитных полей компенсируются в магнитных сердечниках дифференциального феррозонда током в обмотке компенсации, уровень которого схемными методами устанавливается пропорциональным каждому из фоновых воздействий (Патент RU №2123897, МПК⁷ B08B 9/04, 1998 г.).

Недостатками данного устройства являются: пониженные чувствительность и направленность датчика из-за расположения полуэлементов дифференциального феррозонда не соосно и рядом друг с другом; малые быстродействие и стабильность измерений, так как схема минимизирует фоновые магнитные воздействия лишь в установившемся режиме.

Задачей изобретения является повышение точности, достоверности и быстродействия измерений за счет оптимизации конструкции феррозондового преобразователя, упрощения измерительного процесса и применения электронного индикатора вертикали.

Решение указанной задачи достигается тем, что в устройстве для обнаружения подземных магнитных аномалий, состоящем из ориентированного вертикально феррозондового дифференциального датчика с обмоткой возбуждения, сигнальной обмоткой и дополнительной обмоткой компенсации, соединенными с электронной схемой преобразователя, построенной на ферросодержащих элементах, согласно изобретению феррозондовый дифференциальный датчик расположен в общем корпусе с платой электронного преобразователя, содержащей микроконтроллер, индикатором, жидкостным гравитационным коммутатором, блоком питания и регулятором тока, причем феррозондовый дифференциальный датчик состоит из двух соосно расположенных полуэлементов, разнесенных на заданное расстояние, определяющее чувствительность датчика, охваченных общей для обоих полуэлементов обмоткой компенсации, магнитный поток которой задают постоянным в области измерений, для которой Z_T=const при помощи блока питания и регулятора тока, что компенсирует суммарное магнитное воздействие поля Z_Т и поля ферросодержащих компонентов электронного преобразователя, при этом показание индикатора принимают за первоначально установленные данные, причем жидкостной гравитационный коммутатор в своем вертикальном положении задает моменты измерений, результаты которых последовательно выводятся на цифровой индикатор, где по различию данных проявляют наличие магнитной аномалии, а ее точное местоположение определяют по наибольшему отклонению данных от первоначально установленных, причем Z_T - вертикальная составляющая магнитного поля Земли.

Особенность заявляемого измерительного устройства состоит в том, что основное и постоянно действующее фоновое магнитное воздействие Z_T - вертикальная составляющая поля Земли, является константой Z_T=const на земной поверхности радиусом в 10 километров. Источником постоянно действующего фонового магнитного воздействия является также размещенная в корпусе феррозондового датчика плата электронного преобразователя, состоящая в общем случае из ферросодержащих компонентов. Неизменный и постоянно действующий уровень суммарного фонового магнитного воздействия дает возможность компенсации данного воздействия постоянным током, уровень которого в компенсационной обмотке (ОК) феррозонда устанавливается постоянным в вертикальном положении прибора и в заданном 10 км радиусе измерений. Компенсация суммарного фонового магнитного воздействия также дает возможность размещения феррозонда и электронного преобразователя в общем корпусе без уменьшения чувствительности прибора. Расстояние, между соосно расположенными полуэлементами позволяет организовать общую для них обмотку компенсации. Действие на феррозонд только вертикальной составляющей магнитного поля Земли (МПЗ) обеспечивает электронный индикатор вертикали, выполненный в виде немагнитного жидкостного гравитационного коммутатора (ЖГК). Он задает для электронной схемы моменты измерения, соответствующие своему строго вертикальному положению с отклонением не более 1,0°.

Сущность изобретения поясняется чертежом феррозондового датчика (Фиг.1) и функциональной схемой устройства (Фиг.2).

Датчик по Фиг.1 состоит из корпуса 1, на котором соосно закреплены идентичные полуэлементы 2, 3 дифференциального стержневого феррозонда (ФЗ), разнесенные на заданное расстояние 4 и состоящие каждый из ферромагнитного сердечника с полуобмотками, образующими обмотку (OB) возбуждения 5 и (СО) сигнала 6, причем полуобмотки OВ электрически соединены встречно по магнитному потоку, а полуобмотки СО - согласно, при этом оба полуэлемента дифференциального феррозонда охвачены общей обмоткой ОК компенсации 7. На корпусе 1 при помощи неразъемных соединений 8 закреплена плата электронного преобразователя 9, состоящая в общем случае из ферросодержащих компонентов, что в совокупности смещает физическую ось чувствительности дифференциального феррозонда относительно вертикали 10 на угол δ случайной величины. На корпусе 1 также размещена капсула 11 ЖГК, жесткое крепление 12 которой к корпусу производится в процессе настройки прибора - по минимальному значению информационного сигнала феррозонда при установлении оптимального значения тока обмотки ОК компенсации в вертикальном положении ЖГК. Клеммы электродов 13 ЖГК разомкнуты в его вертикальном положении, так как пузырек воздуха изолирует верхний электрод от токопроводящей жидкости, а следовательно, от нижнего электрода.

Функциональная схема устройства по Фиг.2 состоит из генератора 14 возбуждения феррозонда 15 с обмотками: возбуждения 5, сигнальной 6 и компенсации 7. СО 6 феррозонда 15 подключена ко входу измерительного ИП преобразователя 16, формирующего на выходе уровень напряжения, пропорциональный уровню информационного сигнала СО 6 (уровню U_2f второй гармонической составляющей U_f сигнала возбуждения). Уровень напряжения с выхода ЦП 16 подается на вход АЦП 17, который формирует код, соответствующий этому уровню в момент совпадения оси ЖГК с вертикалью 10. Данное совпадение приводит к срабатыванию компаратора 18, сигнал которого является разрешающим для формирования кода АЦП 17, который как результат измерения ФЗ-зондом магнитного воздействия отображается индикатором 19. Функциональные блоки 17, 18 являются частью структуры микроконтроллера 20, выполняющего функции тактирования, управления индикацией и комплексным прибором в целом. Блок БП питания 21 устройства является источником энергии для всех активных функциональных блоков комплексного прибора, а также выполняет функцию источника для цепочки РТ - регулятора тока 22 в обмотке компенсации 7 феррозонда 15. Все функциональные блоки Фиг.2 конструктивно объединены в общем корпусе прибора.

Настройка электронной части комплексного прибора состоит в установлении тока в ОК 7, посредством регулирования РТ 22, обеспечивающего наименьший уровень информационного сигнала СО 6 ФЗ 15 в вертикальном положении ЖГК 11, при этом также компенсируется воздействие на ФЗ 15 ферросодержащих компонентов электронного преобразователя 9.

Работа устройства заключается в следующем. Феррозондовый датчик 15 устанавливается в вертикальное положение 10 вблизи поверхности Земли на участке с наименьшим значением магнитных аномалий. В данном положении измерительная часть ФЗ 15 воспринимает только вертикальную Z_T составляющую нормального магнитного поля Земли (НМПЗ) и постоянно действующее магнитное поле ферросодержащих элементов (МПФЭ) электронного 9 преобразователя (суммарное фоновое магнитное воздействие СФМВ). Регулятор тока 22 устанавливается оператором в положение, при котором индикатор 19 показывает наименьшее значение, что означает компенсацию суммарного СФМВ фонового магнитного воздействия магнитным полем ОК 7, образованным током цепи БП 21 - РТ 22 - ОК 7. Измерение возможно только в вертикальном 10 положении ЖГК 11, когда один из его контактов изолирован от токопроводящей жидкости пузырьком воздуха, что приводит к срабатыванию компаратора 18, инициирующего своим выходным сигналом начало цикла АЦП-преобразования и индикации, длительность которого составляет 3-10 секунд. Полученное наименьшее значение, отображенное на индикаторе 19, является в случае НМПЗ константой в радиусе 10 км от места измерения. Оператор начинает перемещение в направлении возможного залегания под землей магнитной аномалии (МА). При этом каждое последующее измерение подтверждается наличием данных на индикаторе 19. Если данные отсутствуют (не вертикальное положение ЖГК 11), оператору необходимо совершить прибором эволюции вблизи его вертикального положения 10 до появления на индикаторе 19 следующего результата измерения. Если очередной результат измерения отличается от предыдущего, соответствующего уровню суммарного СФМВ фонового магнитного воздействия, это означает, что ФЗ 15 попал в зону действия поля МА. Для определения точного местоположения МА оператору необходимо найти оптимальное направление движения в зоне МА, которое соответствует дальнейшему отклонению данных на индикаторе 19 от значения, эквивалентного СФМВ. Точное местоположение МА под землей соответствует максимальному отклонению данных на индикаторе 19 от значения эквивалентного СФМВ.

В результате комплексный прибор представляет собой конструктивно целостный, малогабаритный переносной модуль, что повышает достоверность, удобство и производительность измерений в целом, совершенствует измерительную технологию поиска подземных магнитных аномалий.

Устройство для обнаружения подземных магнитных аномалий, состоящее из ориентированного вертикально феррозондового дифференциального датчика с обмоткой возбуждения, сигнальной обмоткой и дополнительной обмоткой компенсации, соединенными с электронной схемой преобразователя, построенной на ферросодержащих элементах, отличающееся тем, что феррозондовый дифференциальный датчик расположен в общем корпусе с платой электронного преобразователя, содержащей микроконтроллер, индикатором, жидкостным гравитационным коммутатором, блоком питания и регулятором тока, причем феррозондовый дифференциальный датчик состоит из двух соосно расположенных полуэлементов, разнесенных на заданное расстояние, определяющее чувствительность датчика, охваченных общей для обоих полуэлементов обмоткой компенсации, магнитный поток которой задают постоянным в области измерений, для которой Z_T=const при помощи блока питания и регулятора тока, что компенсирует суммарное магнитное воздействие поля Z_T и поля ферросодержащих компонентов электронного преобразователя, при этом показание индикатора принимают за первоначально установленные данные, причем жидкостной гравитационный коммутатор в своем вертикальном положении задает моменты измерений, результаты которых последовательно выводятся на цифровой индикатор, где по различию данных проявляют наличие магнитной аномалии, а ее точное местоположение определяют по наибольшему отклонению данных от первоначально установленных, причем Z_T - вертикальная составляющая магнитного поля Земли.