CC BY
48
© A.M. Мухаметшин, П.И. Зуев, 2008
УДК 622.23.054.72
А.М. Мухаметшин, П.И. Зуев
ОПЫТ РАЗРАБОТКИ МАГНИТОМЕТРА -ТЕНЗОМЕТРА МТ-3
Семинар № 3
В лаборатории горной геофизики ИГЛ УрО РАН впервые в России был разработан и изготовлен макет измерительного комплекса магнитометр - тензометр (МТ-3). Технические характеристики макета следующие: измеряет 3 составляющих вектора геомагнитного поля: 7-
вертикальная, Нх и Ну - взаимоорто-гональные горизонтальные компоненты в абсолютных значениях; измеряет вертикальные градиенты этих же составляющих по вертикали, или вертикальные компоненты тензора второго ранга от магнитного потенциала.
В отличии от аналогов одновременно со всеми тремя параметрами вектора или тензора первого ранга геомагнитного поля, измеряет вертикальные компоненты градиента вектора геомагнитного поля, то есть тензора второго ранга.
Цель проведения измерений: поиск повреждений магистрального газопровода «Уралтрансгаз» в окрестностях города Полевского (участок длиною около 700 м).
Состав комплекса: персональный компьютер (ноутбук, с автономным аккумулятором); аналого-цифровой преобразователь (АЦП) типа Е-330; магнитный тензометр МТ-3 (см. рис. 1); 2 трехкомпонентных феррозондо-вых датчика, закрепленных на конструкции (см. рис. 2).
Шестиканальный магнитометр состоит из шести независимых каналов
измерения, построенных без катушек индуктивности на операционных усилителях. Все шесть каналов построены по одинаковой схеме. Блок схема одного канала приведена на рис. 1.
Блок питания представляет собой стабилизированный преобразователь напряжения, который напряжение аккумулятора в 7 Вольт преобразует в стабильное двухполярное напряжение ±15 вольт, необходимое для питания операционных усилителей и двухполярное напряжение ±2,5 вольта - для питания компенастора.
Генератор синусоидального напряжения вырабатывает стабильные колебания амплитудой 3,5 вольт и частотой $ = 3,5 кГц. Он собран на одном операционном усилителе по схеме НС генератора с мостом Вина. Отсутствие катушек индуктивности позволяет получить компактный, экономичный и с малым коэффициентом гармоник генератор. Синусоидальные колебания подаются на фазовращатель и преобразователь напряжение-ток.
В преобразователе напряжение-ток переменное напряжение преобразуется в ток, пропорциональный входному напряжению и подается на феррозонд. Преобразователь напряжение-ток имеет высокое выходное сопротивление, и поэтому ток через нагрузку не зависит от сопротивления нагрузки.
Рис. 1. Блок схема одного канала: 1 - блок питания, 2 - генератор синусоидального напряжения, 3 - фазовращатель, 4 - удвоитель частоты, 5 - фазовый детектор, 6 - фильтр низких частот, 7 - компенсатор, 8 - преобразователь напряжения - ток, 9 - феррозонд, 10 - избирательный усилитель, 11 - режекторный фильтр, 12 - индикатор нуля
Одновременно на преобразователь напряжение-ток поступает напряжение с компенсатора и напряжение отрицательной обратной связи. В магнитометре применен ступенчатый компенсатор на шесть положений и линейный компенсатор, который позволяет точно компенсировать сигнал от магнитного поля. Вторая гармоника, возникающая на феррозонде под действием магнитного поля, выделяется и усиливается избирательным усилителем, который настроен на частоту 2!=6 кГц. Основная частота подавляется усилителем не менее чем на 50 дб. Усиленное напряжение второй гармоники с выхода избирательного усилителя поступает на ре-жекторный фильтр, в котором первая гармоника подавляется дополнительно еще на 60 дб.
С выхода режекторного фильтра сигнал подается на фазовый детектор. На другой вход детектора подаются колебания также с удвоенной частотой !=6 кГц. Максимальный коэффициент преобразования детектора достигается при сдвиге фаз между сигналами, равном п/4 (по отношению к начальной фазе основной частоты). Необходимый фазовый сдвиг
осуществляется с помощью фазовращателя. С выхода фазового детектора сигнал поступает на фильтр низких частот, который выполнен как активный интегратор на операционном усилителе. Постоянное напряжение, соответствующее магнитному полю, с выхода фильтра низких частот поступает на измерительный прибор. Одновременно выходное напряжение подается на преобразователь напряжение-ток, образуя, таким образом, отрицательную обратную связь, для стабилизации режимов всего измерительного тракта.
Выходное напряжение также подается на индикатор нуля, который представляет собой усилительный каскад на операционном усилителе, нагрузкой которого являются светодиоды. Чувствительность индикатора около ±1 мВ. Использование компенсаторов обеспечивает компенсацию (ступенчатый - грубо; линейный -точно) измеряемого магнитного поля с высокой точностью. Этот режим позволяет использовать магнитометр для регистрации изменений компонентов магнитного поля.
Аналого-цифровой преобразователь Е-330: основное назначение -
Рис. 2
создание малогабаритных мобильных измерительных систем на базе notebook. Питание модулей от компьютера.
Модули общего назначения E-330 и E-440 имеют сигнальные процессоры Analog Devices. Возможность загрузки в модули программ пользователя позволяет проводить обработку сигналов и выдачу команд управления без использования ресурсов центрального процессора, но большая часть задач сбора данных решается на уровне компьютера, с использованием входящих в комплект поставки драйверов и библиотек под DOS и Windows, в средах программирования Delphi, C++ и др. E-330 имеет поддержку SCADA-систем LabView, LabWindows. (Модуль E-440 работает только под Windows.) Модули комплектуются законченными программами многоканального осциллографа
- спектроанализатора - регистратора.
В результате лабораторных исследований была выполнена калибровка
макета МГ-3 с целью оценки погрешности измерений и получения более достоверных значений градиента магнитного поля. Оценка погрешности проводилась с помощью преобразователя магнитного поля - Кольцами Гельмгольца, модель КГ-1. В опытах измерялись токи и значения градиента без искусственного поля и с присутствием вызванного магнитного поля. В докладе представлены: методика, описание разработанного и изготовленного макета МТ-3, всей вспомогательной аппаратуры для компенсации и контроля магнитного поля, результаты проведения калибровки, исходные и полученные данные.
В лабораторных и полевых исследованиях производилась операция компенсации постоянного тока методом приведения напряжения к постоянному значению. 2 трехкомпонентных феррозондовых датчика подключались в следующем порядке: 1-3 каналы - 71, XI, У1; 4-6 каналы -ДХ, ДУ.
Рис. 3. Схема системы измерительных приборов в рабочем состоянии
Использованы стандартные в подземной векторной магнитометрии феррозондовые преобразователи (датчики) [1].
Выделены следующие этапы проведения исследований:
1. Сборка системы приборов для проведения исследований. В эту систему входит ноутбук (для вывода информации на экран), АЦП Е-330 (преобразователь сигнала датчиков в цифровой вид), шестиканальный магнитометр (в него, помимо прочего входит компенсатор поля - с помощью него по индикатору нуля выставляли ноль датчиков измерения), аккумуляторные батареи. Магнитометр подключается к конвертирующему входу АЦП, который в свою очередь подключается к ноутбуку (через РБ/2 и принтерный порт). Все это показано на рис. 1. Так же в системе имеется два фер-розондовых датчика, закрепленных на системе штанг (рис. 2). Шесть
каналов этих датчиков дифференцированно подключаются к магнитометру.
2. Компенсирование магнитного поля Земли. Это производится вращением ручки на блоке, степень компенсации определяется по индикатору (красной лампочке).
3. Движение вдоль профиля с системой. Для этого нужны три человека: один - оператор (он несет систему приборов, отслеживает поступление сигнала и сохраняет файлы на компьютер), остальные двое несут установку с датчиками.
4. Запись и сохранение файл с зафиксированными данными на компьютер (ноутбук).
5. Обработка данных.
После предварительной обработки были построены графики по компонентам 7, <І7: ось X - ось расстояния, ось У - ось нТл. Рассмотрим один из полных графиков, приведенный на рис. 4.
О 15 29 44 58 73 88 102 117 "31 14$ 161 175 190 204 219 234 248
Рис. 4. Результаты исследований на одном из участков
Как следует из рис. 4 каждая измеряемая компонента несет свою информацию о параметрах поля, видно что выделяются явные аномалии, которые подтверждаются повторными измерениями. Ниже на рис. 5 приведена кривая.
Скорее всего смешение обозначает, что имеется дрейф нуля в данном макете геоинформационной измерительной системе, нет баланса в системе измерения, в одном месте феррозонда накопление токов со временем становится всё больше, в другом меньше, поэтому мы видим четкий уход кривой. Полученные данные дают материал для усовершенствования конструкции феррозондов макета. Однако каждый пик представляет собой явную информацию об аномалии в газопроводе, большие пики предположительно соответствуют стыкам труб и др. Вносят свои эффекты в информации и магнитные и электрические поля подземных кабелей, естественные поля и блуждаюшие токи, а
так же неравномерность рельефа -подъемы и склоны почвы, скальные выходы и др.
В результате выполненных исследований нами был исследован участок магистрального газопровода в районе города Полевской. В ходе прове денной работы нами было установлена полная работоспособность макета МТ
- 3. При прохождении участков в прямом и обратном направлении была отмечена явная схожесть диаграмм, погрешность при сопоставлении диаграмм составила примерно 30 %. Регистрация проводилась без какой либо привязки, только по времени, неравномерная скорость перемещения, неуравновешенность прибора в пространстве - эти факторы сыграли определённую роль в формировании указанной погрешности. Основная идея была в выделении компоненты <№/д2 как не применявшейся ранее в таких рода магнитометрах. Воплощен в макете трёхмерный принцип измерения магнитного поля, что в данном
Рис. 5. График изменения dZ/d
случае, для измерения неоднородности труб даёт нам чёткую трехмерную модель. В перспективе планируется доработка макета: исправление аппаратного, программного обеспечения и его модернизация, улучшение методики измерения. Уже с применением привязки, возможно GPS, использование такого ПО как Surfer 8, для более детального построения диаграмм
и областей, измерение с большей частотой регенерации и скоростью перемещения, на вертолёте. Так же есть тенденция к использованию его не только в данной области применения но и в других, к примеру: при исследованиях железобетонных конструкций, фундаментов сооружений, залежей полезных ископаемых, гшга
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мухаметшин А.М. Подземная векторная магнитометрия в рудничной геологии. ИГД УрО РАН: Екатеринбург 1997. - 214 с.
— Коротко об авторах----------------------------------------------------------------
Мухаметшин А.М. - зав. лабораторией горной геофизики, доктор геологоминералогических наук, профессор кафедры геофизики УГГУ,
Зуев П.И. - студент УГГУ.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 3 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Л. Шкуратник.
