Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
89
Добавлен:
17.05.2015
Размер:
251.28 Кб
Скачать

Лекция №6. ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.

6.1. Принципы построения приборов для измерения магнитных полей.

Как правило, прибор для измерения магнитных величин состоит из двух

частей — измерительного преобразователя, назначением

которого

является

преобразование магнитной величины в величину иного вида(электрическую,

механическую), более удобную для дальнейших операций, и измерительного

устройства для измерения выходной величины измерительного преобразователя.

Измерительные

преобразователи,

входной величиной

которых

является

магнитная

величина,

называют магнитоизмерительными и в соответствии с

видом

выходной

величины

делятся

на

три

основные:

магнитоэлектрические

преобразователи (выходная

величина электрическая),

магнитомеханические (выходная величина механическая) и магнитооптические (выходная величина оптическая).

В каждой из этих групп много разновидностей преобразователей, основой для создания которых служат те или иные физические явления. В качестве

основных, наиболее широко используемых явлений могут быть назван следующие:

·явление электромагнитной индукции;

·силовое взаимодействие измеряемого магнитного поля с полем постоянного магнита или контура с током;

·гальваномагнитные явления;

·явление изменения магнитных свойств материалов в магнитном поле;

·явления, возникающие при взаимодействии микрочастиц с магнитным полем.

Основная область применения магнитоизмерительных приборов геофизике – измерение направления и напряженности естественного поля Земли в разведочной и скважинной геофизике, искусственного магнитного поля в столе скважины, исследование магнитных свойств горных пород и металла колонны и др.

Наиболее широкое распространение в геофизике в качестве первичного преобразователя магнитного поля в электрический сигнал(датчика) получил феррозонд.

6.2. Приборы для измерения параметров магнитного поля.

Феррозонд, прибор для измерения напряжённости магнитных полей(в основном постоянных или медленно меняющихся) и их градиентов. Действие феррозонда основано на смещении петли перемагничивания магнитно-мягких материалов под влиянием внешнего магнитного поля. В простейшем варианте феррозонд состоит из стержневого ферромагнитного сердечника и находящихся на нём двух катушек: катушки возбуждения, питаемой переменным током и

измерительной

(сигнальной) катушки. В отсутствие измеряемого магнитного

 

поля сердечник под действием переменного

магнитного

,полясоздаваемого

 

током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу.

 

Изменение

магнитного

потока

в

сигнальной ,

вызванноекатушке

 

перемагничиванием

сердечника

по

симметричному

,циклуиндуцирует в

 

сигнальной катушке эдс, изменяющуюся по

гармоническому

закону. Если

 

одновременно

на

сердечник

действует

измеряемое

постоянное

или

сла

меняющееся

магнитное поле, то кривая

перемагничивания

сдвигается

и

становится несимметричной. При этом изменяются величина и гармоничность

 

эдс индукции в сигнальной катушке. В

частности,

появляются

чётные

 

гармонические

составляющие эдс,

величина

которых

пропорциональна

напряжённости

измеряемого поля(они

отсутствуют при

симметричном цикле

 

перемагничивания). Как правило, феррозонд состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечётные гармонические составляющие

практически

 

компенсируются. Тем

самым

упрощается

измерительная

аппаратура и повышается чувствительность феррозонда.

 

 

 

Наиболее

распространённые

феррозондовые

установки

включаю:

генератор переменного тока, питающий обмотку возбуждения; фильтр для

нечётных

гармонических

составляющихэдс,

подключённый

на

выходе

измерительной

катушки;

усилитель

чётных

гармоник

и

выход

измерительный прибор. (рис. 6.1.)

 

 

 

 

 

Рис.6.1.Феррозондовый магнитометр, предназначенный для измерения магнитного поля Земли и устанавливаемый на летательных аппаратах.

Рис. 6.2 Переносной феррозондовый магнитометр с выносным зондом и индикатором

Феррозонды обладают очень высокой чувствительностью к магнитному полю (до 10-4 —10-5 А/м), применяют для измерения магнитного поля Земли и его вариаций (в частности, при поисках полезных ископаемых, создающих локальные аномалии геомагнитные поля); для измерения магнитных полей Луны, планет и межпланетного пространства; для обнаружения ферромагнитных предметов и частиц в неферромагнитной среде(в частности, в хирургии при извлечении металлических осколков), в магнитной дефектоскопии и т. д.

В промысловой геофизике феррозондовый датчик магнитного пол используется для детектирования магнитных меток, нанесенных на каротажный кабель, с целью привязки положения скважинной аппаратуры к глубин скважины.

Конструкция такого феррозонда приведена на рисунке6.3 и состоит из трех обмоток на тонком ферромагнитном сердечнике торроидальной формы.

Кис. 6.3. Феррозонд и эпюры напряжений на обмотках.

Торроидальный сердечник с высоким значением коэффициента магнитной проницаемости m.

L ген=200 – 300 вит.

L1 = L2 »1000 вит.

Эпюры ЭДС на контрольных точках:

1.Напряженность внешнего магнитного поля.

2.Форма импульса на генераторной катушке.

3.ЭДС суммарная на приемных катушках.

4.Результат обработки.

Данный

датчик

не

предназначен

для

измерения

напряжен

магнитного

поля, а

является

индикаторным. Однако,

возможна

оценка

напряженности поля путем измерения суммарной амплитуды выходного сигнала на приемных катушках. Причем, катушки L1 и L2 включены так, что при отсутствии внешнего магнитного поляэдс первой катушки компенсируетэдс

второй. Внешнее магнитное поле приводит к возникновению разбалланса выходных эдс и возникновению сигнала, амплитуда которого пропорциональна напряженности исследуемого магнитного поля.

Для выделения переменной составляющей компенсации постоянного внешнего магнитного поля в данной схеме феррозонда проводится путе

пропускания

через

генераторную

катушку

постоянного, котокарый

возбуждает в торроиде постоянное магнитное поле, компенсирующее внешнее.

Гальваномагнитные

преобразователи

основаны

на явлении искривления

траектории электрических зарядов, движущихся в магнитном полеHизм, под действием силы Лоренца. К этой группе относятся: датчики на эффекте Холла (возникновении между гранями проводящей пластинки разности потенциалов, пропорциональной протекающему току иHизм); на эффекте Гаусса(изменении сопротивления проводника в поперечном магнитном полеHизм Dr/r0 » Aф(mb)m,

где Aф – коэффициент формы, m - магнитная проницаемость, b - напряженность

 

магнитного

поля, m = 1 при mb >> 1); на явлении падения анодного тока в

 

магнетронах

и

электроннолучевых

трубках(вызванного

искривлением

 

траектории электронов в магнитном поле) и др.

 

 

 

 

В

промышленности

для

измерения

магнитного

поля

шир

распространение получили датчики на основе эффекта Холла, изготавливаемые

 

методами микроэлектроники и обладающие высокой чувствительностью при весьма малых размерах.

Принципиальная схема датчика магнитного поля на эффекте Холла (датчик Холла), приведена на рис. 6.4.

В датчиках холла выполняется соотношение

ЭДСх =f (I, B),

где ЭДСх регистрируемое выходное значение эдс на постоянной нагрузке, I – величина тока, пропускаемая по датчику, B - измеряемая магнитная индукция.

Рис.6.4.Датчик магнитного поля на эффекте Холла

На эффекте Холла основано действие различного рода тесламетро (магнитометров) для измерения постоянных, переменных и импульсных магнитных полей (с В ~10-4—10-5 Тл,); градиентометров и приборов для исследования магнитных свойств материалов.

Чувствительность датчиков, работающих на основе эффекта Гаусса, достигает 10 мкВ/Тл; у электронно-вакуумных приборов минимально регистрируемая напряженность магнитного поля достигает ~ 30 нТл.

6.3. Приборы для исследования магнитных характеристик среды.

Следующая разновидность датчиков, распространенных в скважинной геофизике и использующих магнитное поле для изучения характерист

эксплуатационной колонны – магнитный

локатор

сплошности

колонны(или

локатор муфт - ЛМ). Данное устройство нашло широкое применение, прежде

всего для привязки положения скважинного прибора к конструкции скважины,

обсаженной

стальной

колонной. В

приборе

используется

искусственно

создаваемое постоянное магнитное поле, взаимодействующее с окружающим металлом.

Рис. 6.5. Принципиальная схема магнитного локатора сплошности колонны.

Принцип

работы магнитного локатора(МЛ) поясним по

рис. 6.5.

Два

постоянных

магнита (S-N) жестко

закреплены ,такчтобы

лни

были

ориентированы друг к другу одноименными полюсами. При этом, линии магнитного поля из пространства между ними будут направлены далеко за пределы объема, занимаемого самими магнитами. Поместив между магнитами катушку с большим числом витков(1000 – 2000), получим электромагнитную систему, чутко реагирующую на изменение магнитных свойств окружающей среды в пределах распространения магнитных , линийпронизывающих измерительную катушку. Амплитуда сигнала на катушке, согласно закона

Фарадея Uэдс » (d Ф/ dT).

Поскольку данное устройство движется в составе скважинного прибора по стволу скважины, то любое изменение магнитных свойств металла колонны (отверстие, трещина, муфтовое соединение), приведет к искажению формы магнитных линий и вызовет возникновению эдс на измерительной катушке, рис. 6.6.

Рис. 6.6. Реакция

Рис.6.7 Ограничение

ЛМ на муфтовые

области охвата ЛМ в

соединения

стволе скважины.

К сожалению, МЛ не обеспечивает безусловного детектирования перфорационных отверстий в связи с ограниченным диапазоном охвата по периметру (рис.6.7) ввиду замыкания магнитных линий на ближнюю зону. В связи с этим, низка эффективность локатора муфт и при выделении продольных трещин в металле эксплуатационной колонны. Кроме того, амплитуда

выходного сигнала ЛМ зависит и от скорости движения прибора по стволу скважины.

В большинстве случаев, выделение интервалов перфорации колонны в виде повышенного уровня шумов(рис.6.8), происходит в связи с изменением радиуса колонны за счет ее вздутия от фугасного воздействия кумулятивного перфоратора. Другая причина повышенного уровня шумов в зоне перфорации– колебания скважинного прибора относительно стенки скважины при зацепах на кромках перфорационных отверстий или колебания, вызванные турбулентным потоком жидкости.

,Глубина

Скв.18

 

 

Скв.879

 

 

Скв.166

 

пл.Культюб инская

 

 

пл.Сергеевская

 

 

пл.Узыбашевская

 

1.06.1997 г.

 

 

11.02.1998 г.

 

 

1.10.1997 г.

 

ЛМ

8

6

ЛМ

18

8

ЛМ

88

0

м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ед

 

 

ед

 

 

ед

 

1180

 

 

 

 

 

 

 

 

1200

 

 

 

 

 

 

 

 

1220

 

 

 

 

 

 

 

 

1240

 

 

 

 

 

 

 

 

1260

 

 

 

 

 

 

 

 

1280

 

 

 

 

 

 

 

 

1300

 

 

 

 

 

 

 

 

1320

 

 

 

 

 

 

 

 

1340

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.6.8. Пример

работы канала локатора муфт аппаратуры АГАТ К-9 в

скважинных условиях.

Реакция ЛМ на перфорационные отверстия проявляетс

хаотичными всплесками. Исходная информация прошла детектирование и представлена в однополярном виде встроенным преобразователем.

Соседние файлы в папке Датчики