3.4 Електророзвідувальна апаратура
В різних методах електророзвідки реєструються штучні чи природні, постійні чи змінні електромагнітні поля. В методах, заснованих на вивченні штучних полів, використовуються установки для збудження поля і апаратура для вимірів (реєстрації) полів, що вивчаються. Для виконання робіт методами природного поля та магнітотелуричними в принципі необхідна тільки вимірювальна установка.
Електророзвідувальну апаратуру ділять на переносну (портативну) та електророзвідувальні станції. Переносна апаратура має невеликі розміри і малу масу, її використовують при вивченні геоелектричного розрізу на невеликі глибини (до 3 км). В електророзвідувальних станціях вимірювальна апаратура стаціонарно облаштовується в кузові автомобіля, як правило підвищеної прохідності. В комплект електророзвідувальної станції входить також джерело живлення (генератор), який розміщується в кузові іншого автомобіля.
Виміри електричних сигналів можуть виконуватись компенсаційним, автокомпенсаційним та компараційним способами. Найпростіша схема вимірів, що забезпечує відносно високий вхідний опір вимірювального приладу, є компенсаційна. Робота такої схеми зводиться до зрівнювання вимірюваної різниці потенціалів U відомою компенсаційною різницею потенціалів Uк=iкRк. Вона створюється на каліброваному опорі Rк при пропусканні через реостат струму ік від гальванічного елементу. Момент компенсації фіксується гальванометром по відсутності електричного струму у первинному ланцюзі. Нині ця схема вимірів є історією і практично в електророзвідці не використовується.
В практиці електрометричних досліджень часто використовується автокомпенсаційна схема, основу якої складає підсилювач з від’ємним зв’язком. В ній компенсація досягається автоматично, а різниця потенціалів визначається шляхом безпосереднього відліку з приладу. Вимірювана різниця потенціалів U подається в первинний контур на вхід підсилювача і послідовно з ним на опір Rк, який під’єднаний як у первинний, так і вторинний контур цього ж підсилювача. Завдяки глибокому від’ємному зв’язку підсилювача напруга на його виході створює у вторинному контурі такий струм ік, який забезпечує падіння напруги на опорі Rк, рівне вимірюваній напрузі (і2RкU), але протилежне за знаком. Автоматично наступає момент компенсації, а компенсаційний струм ік, значення якого показує міліамперметр, буде пропорційним вимірюваній напрузі U.
Сутність компараційного способу вимірів різниці потенціалів зводиться до порівняння вимірюваної різниці потенціалів з відомою напругою, що виробляється джерелом градуювальної напруги (ДГН) при роботах на постійному струмі чи генератором опорної напруги (ГОН) при роботі на змінному струмі. Подача градуювальної напруги на схему без зміни опорів заземлення і параметрів схеми дозволяє визначити ціну одиниці виміру.
При створенні радіоелектронних електрометричних приладів існують два основних підходи – аналоговий і цифровий. При аналоговому підході досліджуваний сигнал підсилюється (частіше за все за напругою), проходить необхідні перетворення (активні і пасивні фільтри, наприклад RC - ланцюжки, LC – ланцюжки, гіратори, модуляцію – демодуляцію), потім виводиться в аналоговому вигляді (на стрілочний індикатор чи осцилограф). Управління апаратурою в цьому випадку також виконується аналоговим способом (змінні резистори, конденсатори і т.п.).
При цифровому підході вихідний сигнал цифрується через певні проміжки часу (ці проміжки називаються періодом опитування). Цифровка полягає в зображенні амплітуд вихідного сигналу у двійчатій формі. Всі наступні перетворення сигналу (фільтрація, спектральний аналіз, зберігання інформації) можуть виконуватися за допомогою цифрових елементів (процесори, пристрої зберігання інформації і т. ін.). Управління апаратурою у цьому випадку може здійснюватися за програмно формованими цифровими командами.
Як правило, в сучасній апаратурі обидва ці підходи поєднуються. При вимірах сигнал аналоговим чином підсилюється, інколи фільтрується, потім цифрується. В генераторних установках цифрові команди управляють потужними аналоговими комутованими пристроями.
Класи електророзвідувальної апаратури. Всю електророзвідувальну апаратуру можна розділити на наступні основні класи: генератори, датчики поля і вимірювачі.
Генератори. Більшість методів електророзвідки (ВЕЗ, ДЕЗ, ЕП, ЧЕМЗ, ЗСП) за збудника первинного поля використовують штучні джерела. Основними характеристиками генераторних установок є наступні: форма збуджуваного сигналу (постійний струм, гармонійний струм, прямокутні імпульси, меандр і т.ін.); тип збудника поля (заземлений електричний диполь, індукційний контур - петля або вертикальний магнітний диполь, антена ); максимальна сила струму і напруги у вихідному контурі; робочий інтервал генерованих частот (або часові характеристики генерованих імпульсів); джерело живлення генераторної установки; габаритні розміри апаратури.
У більшості випадків важливо підтримувати якомога більшу силу струму у вихідному контурі. Цього можна досягнути методично - зменшуючи опір заземлення, чи апаратурно – змінюючи вихідну напругу.
Загальна блок-схема генераторних установок має наступний вигляд (рис. 3.9). Перетворювач напруги забезпечує підтримку необхідної напруги у вихідному ланцюзі в залежності від зміни параметрів збудника поля через ланцюг зворотного зв’язку, або за командами з пульту управління (як аналогового так і цифрового). Комутатор забезпечує необхідну форму і частоту вихідного сигналу під управлінням задавального генератора. Збудник поля перетворює електричну енергію в необхідну складову електромагнітного поля – електричну чи магнітну (це безпосереднє джерело поля).
Рисунок 3.9 Загальна блок-схема генераторних установок
Датчики для вимірів параметрів електричного поля. Датчиком чи первинним вимірювальним перетворювачем називається пристрій, що перетворює значення вимірюваної компоненти електромагнітного поля у вихідний сигнал, зручний для передачі чи реєстрації і функціонально зв’язаний з інформативним параметром вхідного сигналу. За вихідний сигнал частіше за все використовується напруга, значно рідше частота, тривалість імпульсу, струм і т. д.
Для реєстрації змінних у часі високочастотних магнітних полів використовуються індукційні датчики (ІД), що являють собою багатовиткові котушки з феритовим сердечником, або ж незаземлені контури-петлі чи рамки. На виході цих перетворювачів з’являється індукована змінним магнітним полем в котушках чи рамках електрорушійна сила (ЕРС).
Для реєстрації низькочастотних магнітних полів застосовують кварцові магнітометри. Чутливим елементом магнітометра є магніт із дзеркальцем, що обертається на кварцовій нитці. Світловий потік відбивається від дзеркальця і попадає на прозору призму під кутом, що залежить від інтенсивності магнітного поля. Після заломлення у призмі світловий потік попадає на фотодіоди, на яких з’являється різниця потенціалів. Інтенсивність світлового потоку, а отже і значення різниці потенціалів на фотодіодах, залежить від інтенсивності магнітного поля.
Реєстрацію електричного поля виконують за допомогою заземленої лінії MN (електричного диполя). Для усунення впливу власної поляризації електродів застосовуються неполяризовні електроди (мідний стрижень в розчині мідного купоросу або графітовий стрижень у графіті). Окрім того, в методах опору з цією ж метою застосовується низькочастотний струм типу меандр. Для вимірів електричних компонент змінних електромагнітних полів Землі крім електричних диполів, можуть застосовуватися також безконтактні ємнісні датчики. У датчиків такого типу дуже високий опір. Досить високочастотне електричне поле може реєструватися за допомогою антен.
Вимірювачі. Це прилади, які призначені для реєстрації електромагнітного поля як штучного, так і природного походження. Загальна схема побудови вимірювальної апаратури наведена на рис. 3.10.
Рисунок 3.10 Загальна блок-схема електророзвідувальних вимірювачів
Основні характеристики вимірювачів наступні: форма сигналів та компоненти поля (тип датчиків), що реєструються; кількість каналів; вхідний опір підсилювачів; чутливість каналів; динамічний діапазон; діапазон частот (чи часових параметрів); наявність вбудованих аналогових фільтрів; тип індикатора (стрілочний, цифровий); для цифрової апаратури – період опитування (частота дискретизації); наявність вбудованих носіїв інформації і їх ємність; можливість автоматизованої обробки даних; джерело живлення.
Спеціалізація апаратури за групами методів. В сучасній електророзвідці вимірювальна апаратура може бути вузько спеціалізована, що пов’язано з особливостями методик вимірів. Виділимо декілька класів апаратури з прикладами конкретних пристроїв. При цьому немає сенсу наводити їх принцип дії та технічні характеристики, адже методологічні і конструктивні підходи при створенні апаратури, як і технічні показники, весь час змінюються і вдосконалюються.
1. Апаратура, призначена для вимірів методами постійного струму: електричного профілювання, зондування та зарядженого тіла (АЭ-72, АНЧ-ЗЮ, ЭИН-204, ЭРА). Тут виникає проблема компенсації власних електродних потенціалів. Вона вирішується введенням ручної чи автокомпенсації (АЕ-72), або ж роботою на низькочастотному сигналі типу меандр, що не призводить до відчутного впливу індукційних ефектів (АНЧ-3, ЭРА, ЭИН-204). Ця апаратура відноситься до переносної.
2. Переносна апаратура, призначена для електрохімічних методів ПП та СП (АЕ-72, ЭРА). В цих методах проблема власної різниці потенціалів електродів вирішується застосуванням неполяризовних електродів.
3. Апаратура, призначена для часових вимірів неусталених полів в методах ЗСП (КОД-1) та СП (КОД-1, генератор 2ПН-225-МУХ і вимірювальна станція СВПУ). Основним способом боротьби із завадами тут є метод накопичення сигналів, при якому завада, як випадкова величина, може бути усереднена і значно подавлена. В цих методах може застосовуватися також потужний генератор УГЕ-50.
4. Апаратура, призначена для частотних вимірів в методах ЧЕМЗ (ИН-204, ЦЕС-М, генератор УГЕ-50) та МТЗ (ИН-204, ЦЕС-М). В ній передбачена можливість виділення вузькочастотного діапазону реєстрації шляхом введення аналогових фільтрів.
5.Апаратура, призначена для виконання досліджень у високочастотних діапазонах в таких методах як радіокомпараційної зйомки (польовий вимірювач ПВНП, радіоприймач типу СДВР), георадарного зондування (георадар ЗОНД-10), міжсвердловинного та міжшахтного просвічування (СРП, АММ-ВЧ). Особливістю високочастотної цифрової апаратури є проблема цифрування сигналів, у зв’язку з чим до АЦП пред’являються досить жорсткі вимоги, а тому вони є дорогі і енергоємні.