Аппаратура методов постоянного тока
ВВЕДЕНИЕ
Электроразведка выделяется среди других геофизических методов большим разнообразием методик наблюдений. Это обуславливает и большое разнообразие применяемой аппаратуры. Однако, принципы архитектуры этой аппаратуры очень схожи. Среди многообразия электронных характеристик и схем аппаратуры следует научиться выделять то, что важно для геофизика как пользователя и заказчика этого оборудования.
В принципе, существует два основных подхода в проектировании радиоэлектронных устройств: аналоговый и цифровой.
При аналоговом подходе исследуемый сигнал усиливается (чаще всего по напряжению), проходит необходимые преобразования (активные и пассивные фильтры, например RC-цепочки, LC-цепочки, гираторы, модуляция-демодуляция), затем выводится в аналоговом виде (на стрелочный индикатор или осциллограф). Управление аппаратурой в этом случае также производится аналоговым образом (переменные резисторы, конденсаторы и т.п.).
При цифровом подходе исходный сигнал оцифровывается через определенные промежутки времени (эти промежутки называются периодом опроса). Оцифровка заключается в представлении амплитуд исходного сигнала в двоичной форме. Все последующие преобразования сигнала (фильтрация, спектральный анализ, хранение информации) могут производиться с помощью цифровых элементов (процессоры, устройства хранения информации и т.п.). Управление аппаратурой в этом случае может осуществляться по программно формируемым цифровым командам.
Как правило, в современной аппаратуре сочетаются оба этих подхода. При измерениях сигнал аналоговым образом усиливается, иногда фильтруется, затем оцифровывается. В генераторных установках цифровые команды управляют мощными аналоговыми коммутирующими устройствами.
1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ АППАРАТУРА «ERA-MAX» УНИВЕРСАЛЬНАЯ АППАРАТУРА
· по решаемым задачам - инженерные изыскания под строительство и обследование действующих трубопроводов, дорог, гидротехнических сооружений; поиски и разведка месторождений рудных и нерудных полезных ископаемых; экология; археология; обследование фундаментов зданий и подземных сетей городского хозяйства
· по методам исследования - электроразведка - метод сопротивлений (ВЭЗ, профилирование), методы заряда, естественного электрического поля, индуктивные методы; магниторазведка - векторные измерения земного магнитного поля; бесконтактные измерения защитных токов в трубопроводах; трассоискатель; кабелеискатель.
· по электрическим свойствам среды измерений - метод сопротивлений с использованием и без использования (новая методика) гальванических заземлений (измерения в воздухе и на поверхности грунта с электроизолирующими свойствами - каменные осыпи, снежно-ледовый покров, сухие пески, асфальт, бетон, каменная плитка) электроразведочные частоты: - постоянный ток, 1,22; 2,44; 4.88, 50, 100, 625; 1250; 2500 Гц; автоматическая компенсация ЭДС поляризации приемных электродов. Контроль качества заземлений электродов. Измерительные устройства метода сопротивлений без заземлений - активные приемные электроды, воздушная телескопическая антенна, стелющиеся приемные и питающие линии; высокое выходное напряжение генераторов (до 500-1000 В), выходные стабилизированные токи генераторов от 0.5 до 200 мА при выходной мощности до 40 Вт; Аналоговая и цифровая об-работка сигнала. Память 5200 отсчетов (30000 отсчетов в режиме непрерывной записи). Интерфейс RS-232. Просмотр профилей и пикетов на дисплее прибора. Регистрация времени и даты записи каждого пикета Режим непрерывной записи (мониторинга). Матричный жидкокристал-лический индикатор. Работа в широкой/узкой полосе пропускания (быстрый/медленный отсчет). Встроенный никель-металл-гидридный аккумулятор 1800мАч (возможна простая замена на бата-реи «АА»). Встроенное зарядное устройство.
Универсальная аппаратура ЭРА-МАКС является новейшей разработкой приборов семейства "ЭРА" и характеризуется:
- автоматической компенсацией ЭДС поляризации приемных электродов,
- контролем качества заземления,
- возможностью определения "знака" входного напряжения,
- аналоговой и цифровой обработкой сигнала,
- повышенной емкостью памяти (см. тех. характеристики),
- возможностью просмотра профилей и пикетов на дисплее прибора и регистрации времени и даты каждого отсчета,
- возможностью мониторинга (режим непрерывной записи) и работы в широкой/узкой полосе пропускания (быстрый/медленный отсчет).
Входные приемные устройства: заземленные приемные электроды; активные электроды; воздушная электрическая антенна; стелющаяся приемная линия; магнитная антенна - феррозонд; индукционная магнитная антенна.
- программное обеспечение: электроразведка (ВЭЗ, профилирование, двухмерное моделиро-вание и др.);
- консультации, полевые исследования, интерпретация полевых данных
- гарантийный ремонт аппаратуры в течение 1 года после даты продажи; платный послегарантийный ремонт.
ГЕНЕРАТОР "ERA-MAX" ИЗМЕРИТЕЛЬ "ERA-MAX" ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АППАРАТУРЫ
* Климатическое исполнение: IP-65
* диапазон рабочих температур: от - 30 до +65 С
ИЗМЕРИТЕЛЬ "ERA-MAX" ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
* рабочие частоты: постоянный ток 0,61; 1,22; 2,44; 4.88, 50, 100, 625; 1250; 2500 Гц
* диапазон входных напряжений постоянный ток 0,61; 1,22; 2,44; 4.88, 50, 100, 625;1250; 2500 Гц : 10 мкВ +/- 4 В (при Rвх 10мОм): 100мкВ +/- 4 В (при Rвх 100мОм) : 0,1 мкВ -2,8 В
* входное активное сопротивление: 100 Мом (постоянный ток): 100 Мом (min) (переменный ток)
* входная емкость: 15 пф (max) (переменный ток)
* полоса пропускания: (2-3) % / (4-6)% (4.88, 50, 100 Гц) выбирается оператором: 0,1 % / (0,2)% (625; 1250; 2500 Гц)
* подавление помех
(50-60 Гц и радиочастоты): 100 дБ (постоянный ток): 100 дБ (0,61; 1,22; 2,44; 4.88, 625; 1250; 2500 Гц)
* ёмкость памяти: 5200 отсчетов (30000 отсчетов в режиме непрерывной записи - автоматический режим записи- время записи м.б. установлено от min. для данной частоты до 24 час с дискретностью 5 сек )
* компенсация стороннего напряжения постоянного тока: автоматическая (диапазон компенсации +/- 4000,0 мВ)
* интерфейс: RS-232C
* основная приведенная погрешность измерений : 1 % (вх. напряжение пост. тока) : 4 % (отношение вх. напряжения к вых. току генератора; (для 0,61; 1,22; 2,44; 4.88, 625; 1250; 2500 Гц)
* напряжение питания : 12 В, встроенный блок аккумуляторов
* потребляемый ток: 30 мА (макс.)
* внутренний источник питания: аккумуляторный блок - 2000 мА АА (R6) (встроенное зарядное устройство). Аккумуляторы могут быть заменены на батареи размера АА
* масса; габаритные размеры мм: 1,2 кг (со встроенными аккумуляторами) 160х52х200
* подключаемые входные приемные устройства:
- заземленные приемные электроды
- активные электроды
- воздушная электрическая антенна
- стелющаяся приемная линия
- магнитная антенна - феррозонд
- индукционная магнитная антенна
ГЕНЕРАТОР «ERA-MAX»-LHF»
* Выходные стабилизированный ток и напряжение: 1, 2, 5, 10, 20, 100, 200 : до 1000 В, (DC)
* Рабочие частоты: 0; 1,22; 2,44; 4,88; 625; 1250; 2500 Гц
* Внешний источник питания : 12-24 В
* Встроенный аккумуляторный блок: 2 АЧ «Panasonic» максимальная выходная мощность 40 ВА (max)
* масса; габаритные размеры: 2.3 кг (с внутренним аккумулятором) 160х160х60 мм
* Форма выходного тока Меандр
* выходные генераторные устройства, заземленные электроды; замкнутая петля; стелющиеся линии (625 Гц)
* Режим вращающегося поля: Есть (при использовании двух генераторов)
ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ БЛОК
Рабочая частота, Гц: 625, 1250, 2500
Коэффициент трансформации по напряжению: 0.1, 0.25, 0.5
Диапазон согласуемых активных нагрузок: до 500 Ом
Диапазон выходных токов, А: 0.15 - 3.4
ВХОДНЫЕ БЛОКИ АКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ
Активные электроды предназначены для проведения электроразведочных работ методами сопротивлений в условиях поверхностного покрова, неблагоприятного для устройства заземлений. Активные электроды самостоятельно не эксплуатируются, а являются комплектующими в составе аппаратуры «ERA-MAX», и подключаются к измерителю ERA-MAX через многофункциональный разъем.
Электроды совместно с измерителем аппаратуры «ERA-MAX» образуют измерительный канал с большим значением модуля входного импеданса и симметричным (дифференциальным) входом для измерения входного напряжения на рабочих частотах на всех рабочих частотах измерителя.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
* рабочие частоты: 1,22; 2,44; 4.88; 9,76; 19,52; 50, 100, 625; 1250; 2500 Гц
* входное активное сопротивление: 100 гОм (мин.)
* коэффициент передачи по напряжению: 1 +/- 0.05
* подавление синфазной помехи: (40 - 50) дБ
* источник питания: сеть питания измерителя
* средства ориентирования воздушной антенны: жидкостной компас, вертикальный и горизонтальный уровни
* масса; габаритные размеры: 0.3 кг; диаметр 20 длина 180 мм (вх. блок активного электрода)
* входные приемные устройства: два дисковых электрода 30 х 30 мм (активные электроды)
-Климатическое исполнение: IP-68
ВОЗДУШНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АНТЕННА
Электрическая антенна предназначена для проведения электроразведочных работ методами сопротивлений в условиях поверхностного покрова, неблагоприятного для устройства заземлений.
Антенна состоит из двух блоков повторителей напряжения с высокими входными и низкими выходными сопротивлениями. Электронные схемы повторителей заключены в металлические экраны и герметизированы заливкой компаунда. Через соответствующий разъём выходы повторителей подключаются к входному разъёму измерителя аппаратуры "ERA-MA".
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
* рабочие частоты: 625; 1250; 2500 Гц
* входное активное сопротивление: 100 гОм (мин.)
* входная емкость: 0,05 пФ (макс.)
* коэффициент передачи по напряжению: 1 +/- 0.05
* подавление синфазной помехи: (40 - 50) дБ
* источник питания: сеть питания измерителя
* средства ориентирования воздушной антенны: жидкостной компас, вертикальный и горизонтальный уровни
* масса; габаритные размеры: 1.3 кг; 290х75х55 мм (воздушная антенна)
0.3 кг; 20х180 мм (вх. блок активного электрода)
* входные приемные устройства: два телескопических электрода длиной до1030 мм (воздушная антенна)
-Климатическое исполнение: IP-68
ИНДУКЦИОННАЯ МАГНИТНАЯ АНТЕННА
* рабочие частоты: 50; 100; 625; 1250; 2500 Гц (любые две частоты)
* коэффициент преобразования: 250 мВ/нТл; 625 Гц; (макс.)
* источник питания: сеть питания измерителя
* средства ориентирования: горизонтальный и вертикальный уровни
* масса; габаритные размеры: 0,5 кг; диаметр 50 длина 190 мм
МАГНИТНАЯ АНТЕННА - ФЕРОЗОНД «ЭРА - ФЕРРОЗОНД»
Назначение:
* измерение постоянного тока катодной защиты трубопроводов
* определение интегральной оценки переходного сопротивления изоляции трубопровода
* поиск, прослеживание и определение глубины залегания трубопроводов, силовых кабелей и линий связи, подключенных и не подключенных к катодной защите
* измерение составляющих вектора индукции земного магнитного поля и искусственных постоянных и переменных магнитных полей
* поиск намагниченных подповерхностных объектов
Особенности:
* высокая чувствительность к постоянным и переменным магнитным полям
* автоматическая компенсация постоянной составляющей магнитного поля
* дистанционное (бесконтактное) измерение постоянного тока катодной защиты
* поиск и прослеживание трубопроводов и кабелей на частоте 4.88 Гц (с исключением ошибок, вызванных индуктивным возбуждением мешающих соседних трасс)
* обнаружение трубопроводов и силовых кабелей на промышленной частоте 50 Гц и на частоте основной гармоники (100 Гц) тока катодной защиты
* портативность
Технические характеристики:
* рабочие частоты: постоянный ток, 4.88, 50, 100, Гц.
* коэффициент преобразования в диапазоне частот (0-150) Гц: (100 +/- 2) мкВ/нТл - режим измерений: 33.3 мкВ/нТл - режим просмотра
* компенсация нормального магнитного поля: автоматическая (модуль остатка не более 600 нТл)
диапазоны измерений заданной составляющей магнитной индукции: (0-2000) нТл, (0-20000) нТл
диапазон измерений защитного постоянного тока катодной защиты: (0.5 - 175) А (глубина залегания оси трубопровода 1.5 м)
* источник питания: сеть питания измерителя, внешний аккумуляторный блок питания
* средства ориентирования: горизонтальный и вертикальный уровни
* масса; габаритные размеры: 0.3 (0.4) кг; диаметр 50 длина 250 мм
Комплект поставки:
* преобразователь «ЭРА-ФЕРРОЗОНД»: 1 шт.
* соединительный кабель: 1 шт.
* аккумуляторный блок питания: 1 шт.
* зарядное устройство блока питания
* комплект эксплуатационной документации: 1 шт.
ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ "ERA-MAX"
На этапе инженерных изысканий под строительство магистральных трубопроводов:
* оценка коррозионной активности грунта по результатам электропрофилирования его удельного электрического сопротивления (УЭС)
* определение геоэлектрического разреза методом ВЭЗ при выборе участков для устройства анодных заземлений станций катодной защиты (СКЗ)
* оценка интенсивности «блуждающих токов» и электромагнитных полей промышленной частоты 50 и 100 Гц по проектной трассе трубопровода
на этапе обследования действующих магистральных трубопроводов
* определение местоположения и глубины залегания оси трубопровода (по результатам изучения электромагнитных полей защитного тока трубопровода или токов, возбуждаемых в трубопроводе генераторами аппаратуры «ERA-MAX»)
* определение разветвления защитных токов СКЗ в точке дренажа и распределения защитного тока СКЗ по трассе трубопровода (бесконтактное измерение тока феррозондом)
* измерение защитных потенциалов (труба-земля) электрохимической защиты (ЭХЗ) трубопровода
* экспрессное определение местоположения локальных дефектов изоляционного покрытия трубопроводов
* определение переходного сопротивления изоляционного покрытия трубопровода методом ?мокрого контакта“
* определение интегральной оценки переходного сопротивления трубопровода методом бесконтактного измерения распределения защитного постоянного тока по трассе трубопровода
* измерение переходных сопротивлений анодных и других заземлений ЭХЗ трубопровода; определение УЭС грунта по трассе трубопровода
Городское хозяйство:
* прослеживание трасс водопровода, газопровода, канализации, теплотрасс, силовых кабелей и кабелей связи
* обнаружение заасфальтированных или засыпанных грунтом и снегом крышек колодцев подземных коммуникаций
* поиск дефектов затрубного пространства канализационной сети (пустот; зон разуплотнения грунта, мест инфильтрации сточных вод)
* обследование технического состояния электрохимической защиты газопроводов и теплосетей;
* измерение сопротивлений заземлителей
* оценка интенсивности «блуждающих токов» и электромагнитных полей промышленной частоты 50 Гц и 100Гц
* изучение состояния фундаментов и подвальных помещений зданий археология:
* обнаружение и оконтуривание археологических объектов разных эпох (пещеры, старые фундаменты, могильники, остатки материальной культуры)
* поиск пустот и неоднородностей строительных материалов и грунта под полом подвальных помещений зданий
* прослеживание подземных ходов, кирпичных коллекторов, засыпанных городских каналов
Геология:
* картирование, поиск и прослеживание геологических образований, контрастных по удельному электрическому сопротивлению: разломов, контактов горных пород, тектонических зон дробления, кварцевых жил, околорудных изменений, рудных тел, структурно-литологических комплексов, благоприятных для локализации месторождений рудных и нерудных полезных ископаемых и др.
* определение глубины залегания и мощности пологозалегающих пластов горных пород, исследование геологических структур на глубинах до первых десятков - сотен метров
* поиски и оценка запасов месторождений строительных материалов (гравия, песков, глин)
Инженерные изыскания:
* выбор трасс и участков под строительство дорог и гидротехнических сооружений; мониторинг состояния дамб и плотин
* поиск и картирование водных источников и продуктивных мест для водоснабжения
* поиск, оконтуривание и прослеживание всех видов подземных инженерных сооружений и коммуникаций (нефте-, газо-, продуктопроводы, сети водоснабжения и канализации, теплотрассы), в том числе старых горных выработок, катакомб, техногенных карстовых просадочно-провальных воронок, зон подработки горными работами участков автомобильных дорог и железнодорожных путей
* картирование и глубинные исследования карстовых образований, оценка устойчивости бортов карьеров и оползневых склонов
* геофизические исследования в зонах возникновения чрезвычайных ситуаций при активизации экзогенных геологических процессов
* изучение блочности камня в целике, оценка кондиционности месторождений карбонатных пород
* изучение боковых пород в негазовых шахтах, контроль и прогнозирование стихийных геодинамических процессов (изменение горного давления, горные удары, обрушение пород и др.)
Экология:
* изучение территорий, загрязненных отходами химического производства, в т. ч. нефтепродуктами
* определение зон фильтрации токсичных вод из накопителей отходов, контроль гидроизоляционных экранов
* выбор мест, благоприятных для захоронения токсичных отходов; мониторинг состояния мест захоронений
* контроль дефектов противофильтрационной полиэтиленовой пленки, используемой при строительстве отстойников и хвостохранилищ.
Универсальная электромагнитная аппаратура «ERA-MAX» при использовании её при работах методами сопротивлений и заряда в отличие от аналогов может применяться не только в летний, но и в зимний периоды, в условиях снежно-ледового покрова, скального и мерзлого грунтов, асфальтовых и бетонных покрытий, в том числе на территории замерзших рек, озёр, болот и сельхозугодий, недоступных для исследований летом.
Плохие условия для заземлений питающих и приемных электродов всегда считались препятствием для эффективного использования методов сопротивлений и заряда. Именно по этой причине приходилось отказываться от зимних работ, а летом исключать из области съемки участки с каменными осыпями («курумами»), песками и другими видами поверхностного электроизолирующего покрова.
Частично эти ограничения преодолеваются при использовании аппаратуры "ERA-MAX" без выносных устройств, а в полной мере - при оснащении аппаратуры " ERA-MAX " выносными измерительными устройствами: активными приемными электродами, стелющимися электродами и воздушной телескопической антенной.
"ERA-MAX" - РАБОТАЕТ ПРИ ЛЮБОМ ТИПЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПОКРОВА
При поверхностном покрове, благоприятном для устройства заземлений, аппаратура «ERA-MAX» на всех рабочих частотах позволяет проводить наблюдения с заземлёнными питающими и приёмными линиями по обычной методике. В условиях плохих заземлений универсальность аппаратуры " ERA-MAX» в отношении типа поверхностного покрова обеспечивается тремя способами.
Первый способ рассчитан на применение активных приемных электродов с очень высоким входным импедансом. Благодаря активным электродам наблюдения с приемной линией MN становятся возможными практически при любом типе поверхностного покрова при сохранении обычной методики измерений на рабочих частотах 0,61; 1,22; 2,44; 4.88, 625; 1250; 2500 Гц .
Второй способ состоит в использовании для рабочей частоты 625 Гц емкостных незаземленных линейных электродов, стелющихся по земле. Стелющиеся электроды (отрезки изолированного провода) не имеют гальванического контакта с землей и могут быть как приемными, так и питающими. Использование стелющихся электродов позволяет вдвое сократить состав электроразведочной бригады. По этой причине применение стелющихся электродов целесообразно и при хороших условиях заземлений.
Третий способ состоит в измерении на рабочей частоте 625; 1250; 2500 Гц электрического поля с помощью телескопической активной электрической антенны с действующей длиной (0.5-1.2) м. Антенна применяется для детальных работ с установкой градиента. С ее помощью возможны векторные наблюдения электрического поля, в том числе, наблюдения вертикальной составляющей поля в воздухе.
Наблюдения со стелющимися электродами и воздушной антенной на рабочей частоте 625; 1250; 2500 Гц основаны на использовании методики бесконтактного измерения электрического поля (БИЭП). Специфика новой методики состоит в проведении измерений электрического поля с помощью незаземленной приемной линии, один или оба электрода которой не имеют гальванического контакта с грунтом. Аналогично возбуждение электрического поля в исследуемой среде также может осуществляться с помощью незаземленной питающей линии.
Краткое изложение методики БИЭП приведено в методических рекомендациях «Основные положения методики БИЭП», составленных автором разработки, к.т.н. Сапожниковым Б.Г. Рекомендации могут быть высланы по запросу заказчиков аппаратуры «ERA-MAX».
Проводятся работы по обучению и консультациям персонала заказчика методикам применения аппаратуры "ERA-MAX".