Файл: С.М. Простов Изучение конструкции и исследование характеристик индукционного датчика геоконтроля.pdf

1

1. Цель работы – изучение принципа работы, устройства и характеристик аппаратуры индукционного каротажа с помощью экспериментального кольцевого интегратора.

2. Теоретические положения

Аппаратура индукционного каротажа (ИК) в простейшем случае включает две катушки: генераторную (ГК) и приемную (ПК) (рис. 1, а), размеры катушек малы по сравнению с расстоянием между ними. Генераторную катушку подключают к источнику Г напряжения частотой

20-200 кГц. При протекании по ГК переменного тока I создается переменное магнитное поле, индуцирующее в окружающем исследуемом материале вихревые токи. Вихревые токи в свою очередь создают вторичное магнитное поле. Прямое и вторичное переменные поля индуцируют в ПК ЭДС.

Рис. 1. Общее устройство (а) и функциональная блок-схема аппаратуры ИК (б):

Г – генератор; БП – блок питания; ГК, ПК – генераторная и приемная катушки; УК – устройство компенсации; М – исследуемый материал; У – усилитель; И – индикатор

Структурная схема аппаратуры ИК включает кроме ГК и ПК блок питания БП, генератор Г, усилитель У, индикатор И и устройство компенсации УК (рис. 1, б). Генератор вырабатывает переменное напряжение, питающее ГК, усилитель усиливает ЭДС, индуцируемую в ПК, до уровня, необходимого для регистрации сигнала. Кроме ПК и ГК аппаратура ИК включает устройство компенсации УК, служащее для авто-

2

матической отстройки от ЭДС прямого поля и представляющее собой дополнительную катушку, помещенную между ГК и ПК, включенную встречно прямому сигналу в цепь ГК или ПК, либо специальные цепи в электронном блоке.

Основой практического применения индукционного каротажа является изучение зависимости измеряемого электромагнитного поля от распределения электропроводности среды, окружающей аппаратуру ИК.

При решении задач теории ИК исходят из общих уравнений электродинамики. При индукционном каротаже применяются поля, частота которых не превышает 200 кГц, а проводимость исследуемых пород велика, что вполне допускает ограничение квазистационарным приближением, при котором не учитывают токи смещения. Гармонически изменяющееся электромагнитное поле описывается уравнениями Максвелла :

где Н и Е – напряженности магнитного и электрического полей соответственно; ρ – удельное электросопротивление среды; µ – магнитная проницаемость среды; ω = 2πf – круговая частота; f – рабочая частота.

Решение уравнений (1) и (2) дает следующее решение для действующего значения ЭДС ПК в комплексной форме:

где l – база зонда (расстояние между ГК и ПК); nг, nп – число витков, соответственно, ГК и ПК; Sг, Sп – площадь сечения, соответственно, ГК и ПК; I – действующее значение тока ГК; k – волновое число среды:

k = −iωµρ−1 .

Для анализа в (3) вводят величину толщины скин-слоя δ, которая физически соответствует расстоянию, на котором ослабление напряженности поля в среде равно e:

При практической реализации индукционной аппаратуры можно

3

измерять как активную составляющую Еа, находящуюся в противофазе с током I , так и реактивную Е р, опережающую I на угол π/2, и модуль полной ЭДС Е . Относительные величины этих составляющих можно

получить, выделяя, соответственно, мнимую, действительную часть и модуль комплексного числа:

где Еп – сигнал прямой связи ГК и ПК:

Еп = l −3 fµnгSгnпSпI .

На рис. 2 зависимости составляющих ЭДС приемной катушки от безразмерного параметра lδ представлены в графической форме. Все рассматриваемые компоненты ЭДС зависят от параметров среды и могут быть использованы для их определения.

Е

Еп

1

0,75 2 3

0,5

1

Рис. 2. Зависимости составляющих полезного сигнала от lδ : 1 – Еа/ Еп, 2 – Ер/ Еп, 3 – Е / Еп

С учетом (4) из графиков на рис. 2 следует, что характер изменения составляющих полезного сигнала имеет принципиальные различия:

4

- активная составляющая Еа с ростом электропроводности моно-

тонно возрастает на интервале 0 ≤ δl ≤1,6, а затем убывает до нуля и по-

падает в область отрицательных значений; - реактивная составляющая Ер монотонно убывает на интервале

0 ≤ δl ≤ 2,8, достигая максимального отрицательного значения, а затем

убывает до нуля; - модуль полезного сигнала Е монотонно убывает на всем диапа-

зоне изменения lδ .

Диапазоны монотонного изменения составляющих сигнала различны: наибольший диапазон изменения удельного сопротивления ρ соответствует параметру Е , наименьший – Еа, средний – Ер. Крутиз-

на графиков, определяющая чувствительность метода к изменениям δ, существенно не отличается в пределах указанных диапазонов.

Основные теоретические зависимости ИК (5) могут быть представлены путем разложения в степенной ряд.

В частности, для составляющей Еа, можно записать:

где К – постоянная зонда, определяемая только конструктивными параметрами аппаратуры.

Из (6) следует, что величина активной составляющей полезного сигнала Еа пропорциональна удельной магнитной проницаемости µ и

электропроводности 1/ρ среды. При измерении реактивной составляющей Ер и полной ЭДС Е выбором соответствующего режима работы

устройства компенсации и сменой полярности сигнала на выходе измерительного устройства можно получить характеристику, аналогичную

Еа(δ).

Для составляющих Ер и Е первые слагаемые указанного выше

разложения в ряд содержат параметр lδ в более высокой степени. Например:

5

поэтому реализация измерений этих составляющих обеспечивает большую чувствительность к магнитной проницаемости среды.

Таким образом, измеряя полезный сигнал ИК Е, можно судить об изменении электромагнитных свойств массива горных пород. В случае немагнитных пород Е зависит только от электросопротивления среды ρ. Поскольку величина ρ взаимосвязана с пористостью, трещиноватостью, степенью влагонасыщенности, вещественным составом, упругими деформациями, метод ИК применяют в геомеханике для контроля изменений минерального состава руд, оценки напряженнодеформированного состояния рудного массива, диагностики влагонасыщенных зон, контроля процессов инъекционного укрепления пород и грунтов.

3. Содержание работы

3.1.Изучение конструкции индукционного датчика и установки для лабораторных исследований его характеристик (2 часа).

3.2.Проведение испытаний для определения осевой и радиальной характеристик, тарировочной зависимости, изменения сигнала при пересечении зон с аномальной проводимостью (6 часов).

3.3. Обработка, оформление и анализ результатов испытаний

(2 часа).

Общая продолжительность выполнения лабораторной работы 10 часов.

4.Описание конструкции индукционного датчика и установки для лабораторных исследований его характеристик

Индукционный датчик представляет скважинное устройство для бесконтактного измерения удельного электросопротивления немагнитных горных пород, реализующее теоретические предпосылки, изложенные в п. 2.

Функциональная схема устройства приведена на рис. 3. Постоянное напряжение электропитания поступает с блока аккумуляторов БА. При разряде аккумуляторов напряжение питания Uа может изменяться с 15 до 11 В. Стабилизатор напряжения С обеспечивает питание усилителя У стабилизированным напряжением UC = 9 В. Фильтр предназначен для сглаживания пульсаций напряжений питания, возникающих при работе генераторного тракта.

6

Ua

11-15 Вt БА

Uc U

Е'а

Еа

t t

ВПУИ

Рис. 3. Функциональная схема резонансно-индукционного импульсного датчика:

БА – блок аккумуляторов; С – стабилизатор напряжения; Ф – фильтр; ГИ – генератор импульсов; Г – генератор переменного напряжения; ГК – генераторная катушка; ПК – приемная катушка; М – массив; У – усилитель напряжений; ФД – фазовый детектор; ВП – выходной повторитель; УИ – устройство индикации

Генератор импульсов ГИ вырабатывает одиночные импульсы UН длительностью 400 мкc с частотой 20 Гц. Генератор Г в течение импульса питания генерирует прямоугольное напряжение синхронизации Uсин частотой 50 кГц, а также синусоидальное напряжение UГ той же частоты, которое через последовательный резонансный контур подает-