Разработка и исследование комплекса средств активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока

Казначеев, Павел Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка и исследование комплекса средств активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование комплекса средств активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока"

На правах рукописи

Казначеев Павел Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСА СРЕДСТВ АКТИВНОГО ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛОКАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ТОКА

Специальность 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных

ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 и ЬДР 2014

Москва-2014

005546204

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»), г. Москва и в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ИФЗ РАН), г. Москва.

Научные руководители: Попов Владимир Витальевич,

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Камшилин Анатолий Николаевич, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИФЗ РАН

Официальные оппоненты: Модин Игорь Николаевич,

доктор технических наук, профессор МГУ имени М.В. Ломоносова

Гайсин Роберт Мударисович, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «МГГУ»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН), г. Москва

Защита диссертации состоится 17 апреля 2014 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.001.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН по адресу: 123995, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН. Автореферат размещен на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации vak.ed.gov.ru и на сайте института www.ifz.ru.

Автореферат разослан « » М 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук Онищенко О.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований

Провалы грунта являются катастрофой, которая может приводить к повреждениям хозяйственной инфраструктуры и гибели людей. Они обусловлены в первую очередь карстовыми и суффозионными процессами, которые широко распространены на территории России. Расширение географии хозяйственной деятельности и возрастающая антропогенная нагрузка на окружающую среду увеличивают риски провалов.

Для обнаружения подготовки провалов грунта необходим геофизический мониторинг. Существующие методы наблюдения за процессами, связанными с провалами, позволяют либо регистрировать их активизацию по косвенным признакам (гидрогеологические наблюдения), либо регистрировать деформацию земной поверхности на поздних этапах (регистрация подвижек грунта). Серьезными недостатками всех методов является нежелательная дискретность получаемой информации, дороговизна и технологическая громоздкость. Поэтому важной является задача разработки средств оперативного мониторинга процессов подготовки провалов, основанного на других геофизических методах.

Активный геоэлектрический мониторинг (АГЭМ) основан на методах электроразведки постоянного тока. Основное отличие АГЭМ от электроразведки состоит в том, что необходимо по измеряемым параметрам поля отслеживать малые изменения параметров среды, а именно - изменение её структуры. Это условие определяет схему электрометрической установки, которая должна быть максимально чувствительна к изменению параметров поля (связанному с изменением структуры среды), а не к абсолютным значениям параметров. Примером такой установки может служить эквипотенциальная установка (эквипотенциальный способ) мониторинга, предложенная в Институте физики Земли РАН (Волкова, Камшилин, Кравченко, 1983), в которой исходная установочная разность потенциалов минимальна.

Традиционный для электроразведки способ измерения при помощи электродных пар обладает рядом недостатков с точки зрения АГЭМ. Поэтому в ИФЗ РАН, опираясь на опыт использования эквипотенциальной установки, был предложен токовый способ мониторинга, при котором в качестве измерительных приборов используются локальные измерители тока (ЛИТ). Основная особенность ЛИТ - бесконтактное «локальное» измерение параметров электрического поля. Использование ЛИТ позволяет существенно повысить потенциальную помехозащищенность измерений.

Таким образом, перспективным направлением мониторинга процессов подготовки провалов грунта является активный геоэлектрический мониторинг с использованием локальных измерителей тока. В то же время практически отсутствует опыт разработки и исследования комплекса средств АГЭМ с использованием ЛИТ, с учётом особенностей ЛИТ как измерительного прибора. Поэтому задача разработки и исследования комплекса средств АГЭМ с использованием ЛИТ является актуальной. \ I

Цель работы - разработать и исследовать комплекс средств активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока, и с помощью комплекса показать возможность регистрации образования и изменения свойств локальных структурных неоднородностей, в частности -связанных с процессами подготовки провалов грунта. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Произвести оценку основных параметров процесса подготовки провала фунта на основе обзора литературных данных.

2. Рассмотреть основные особенности эквипотенциального и токового способа геоэлектрического мониторинга; определить состав и основные требования к комплексу средств АГЭМ с использованием ЛИТ.

3. Провести исследование установки АГЭМ с ЛИТ математическими методами, чтобы определить её возможности, сравнить её с эквипотенциальной установкой АГЭМ и определить требования к измерительной аппаратуре. Показать теоретическую возможность регистрации процессов подготовки провалов грунта.

4. Разработать методику исследования и провести исследование ЛИТ как геофизического измерительного прибора, чтобы определить зависимость измеряемого им сигнала от параметров электрического поля.

5. Разработать и создать аппаратные средства комплекса (генерирующая и измерительная аппаратура), используя различные варианты схемотехнической реализации; разработать и реализовать информационные средства комплекса (цифровая обработка сигналов).

6. Провести экспериментальное исследование электромагнитной совместимости генерирующей и измерительной аппаратуры; определить оптимальную с точки зрения электромагнитной совместимости конфигурацию и схемотехническую реализацию аппаратных средств.

7. Разработать методику проведения и провести полевые эксперименты с созданным комплексом АГЭМ с ЛИТ, с целью подтвердить практическую возможность регистрации образования и изменения свойств локальных структурных неоднородностей.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

1. Впервые по результатам исследования установки АГЭМ с ЛИТ математическими методами показано, что с её помощью можно отслеживать процессы подготовки провалов грунта, при использовании современной измерительной аппаратуры. Показано, что реакция этой установки на всплытие закрытой полости как процесс подготовки провала фунта подобна реакции эквипотенциальной установки АГЭМ. Определены требования к измерительной аппаратуре.

2. Разработана методика исследования локального измерителя тока как геофизического измерительного прибора, основанная на численном моделировании, для определения зависимости измеряемого им сигнала от параметров электрического поля. Определена формула данной зависимости и условия её применимости.

3. Предложена усовершенствованная (дополненная) конструкция локального измерителя тока. В результате усовершенствования измеряемая величина не зависит от формы и размеров самого измерителя. Также усовершенствование позволяет увеличить полезный сигнал.

4. Впервые обнаружено и доказано, что в определенных условиях при работе аппаратуры АГЭМ возможно появление низкочастотного паразитного сигнала на выходе ЛИТ и измерительной аппаратуры из-за воздействия высокочастотной помехи. Определена конфигурация и схемотехническая реализация аппаратных средств комплекса АГЭМ с ЛИТ, оптимальная с точки зрения электромагнитной совместимости и устойчивости к высокочастотным помехам.

5. Впервые с помощью разработанного комплекса средств АГЭМ с ЛИТ, в результате полевых экспериментов показана практическая возможность регистрации образования и изменения свойств структурной неоднородности.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Произведена оценка параметров зоны подготовки провала грунта на основе литературного обзора. Оценка может быть использована при решении задач, связанных с исследованием процессов подготовки провалов грунта.

2. Решена задача оценочного расчёта поля в однородном проводящем полупространстве при наличии шаровой неоднородности; разработана программа расчёта поля, которая может использоваться для оценки измеряемых в установках АГЭМ сигналов.

3.Определены требования к измерительной аппаратуре комплекса АГЭМ с ЛИТ и возможности комплекса для регистрации процессов подготовки провалов грунта.

4. Разработана методика численного моделирования ЛИТ для определения зависимости выходного сигнала от параметров электрического поля, которая значительно упрощает калибровку локальных измерителей тока разной формы и размеров.

5. Предложено два дополнения к конструкции ЛИТ, минимизирующих влияние формы и размеров самого ЛИТ на измеряемую величину: первое позволяет выделить требуемую составляющую вектора плотности тока (улучшение избирательности), второе позволяет дополнительно увеличить полезный сигнал (увеличение чувствительности).

6. Разработаны аппаратные средства комплекса АГЭМ (измерительная и генерирующая аппаратура), которые могут рассматриваться как прототип аппаратуры активного геоэлектрического мониторинга различных геодинамических процессов.

7. Разработана методика исследования электромагнитной совместимости генерирующей и измерительной аппаратуры комплекса АГЭМ, которая может использоваться для исследования аппаратуры активной геоэлектрики.

8. Составлены рекомендации по борьбе с появлением и воздействием высокочастотной и высокочастотной модулированной помехи на микросхемы

аналоговых усилителей, которые могут быть учтены при разработке и использовании чувствительной геофизической аппаратуры.

9. Разработаны информационные средства АГЭМ - разработаны алгоритмы цифровой обработки сигналов для выделения полезной составляющей входных сигналов, определения активной и реактивной компоненты, а также осуществлена их программная реализация. Программная реализация может использоваться для решения прикладных задач, где необходима похожая цифровая обработка сигналов.

10. Экспериментально подтверждена возможность регистрации образования неоднородностей при помощи разработанного комплекса средств АГЭМ с ЛИТ.

Методология и методы исследований: литературный обзор, теория электромагнитного поля, численное моделирование электрических полей по методу конечных элементов, теория электрических цепей, численное моделирование электрических цепей по методу конечных разностей, методы цифровой обработки сигналов, лабораторный эксперимент, полевой эксперимент.

На защиту выносится следующие научные положения:

1. Токовый способ активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока при применении современной измерительной аппаратуры позволяет регистрировать процессы образования и изменения свойств локальных структурных неоднородностей и имеет преимущества перед эквипотенциальным способом мониторинга.

2. Методика численного математического моделирования локальных измерителей тока, которая позволяет восстановить параметры электрического поля по измеряемому сигналу, и усовершенствованные конструкции локальных измерителей тока.

3. Комплекс средств активного геоэлектрического мониторинга с локальными измерителями тока, конфигурация и схемотехническая реализация аппаратных средств которого обеспечивает лучшую электромагнитную совместимость и устойчивость к воздействию высокочастотных помех.

Степень достоверности результатов

О достоверности результатов диссертационного исследования свидетельствует: корректное использование современных инструментов разработки и исследования; совместное использование теоретического расчёта, математического моделирования и физического эксперимента, с анализом и взаимной проверкой их результатов. Показана воспроизводимость результатов экспериментов; полученные в работе результаты согласуются с результатами, полученными другими авторами, там, где их можно сопоставить. Также о достоверности диссертационного исследования свидетельствует самостоятельное выполнение автором задач работы.

Апробация и внедрение результатов работы

Основные результаты работы докладывались:

• На научных семинарах на кафедре Промышленной электроники ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», май 2010, 2011 и 2012 гг.; на заседании кафедры Промышленной электроники ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», май 2012 г.

• На 16-ой, 17-ой и 18-ой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, февраль 2010, 2011 и 2012 гг.

• На 5-ой Всероссийской школе-семинаре по электромагнитным зондированиям Земли им. М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна, Санкт-Петербург, май 2011 г.

• На научных семинарах в ИФЗ РАН, февраль 2012 г. и октябрь 2013 г.

• На научных конференциях молодых учёных и аспирантов ИФЗ РАН, апрель 2012 и 2013 гг.

Результаты, полученные в ходе диссертационной работы, использованы в научно-исследовательской деятельности ИФЗ РАН; в том числе получен патент на изобретение.

Также результаты работы использованы в курсе лекций «Специальные вопросы схемотехники», читаемых на кафедре Промышленной электроники НИУ МЭИ.

Публикация результатов работы и личный вклад автора

По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе: две публикации в печатных изданиях из перечня российских рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК; один патент на изобретение.

Личный вклад автора в опубликованных работах определяется содержанием и основными результатами диссертации. В работах, опубликованных в рецензируемых научных изданиях, и в приравниваемых к ним работах личный вклад автора заключается в следующем: в [1] автору принадлежит описание моделирования локального измерителя тока, описание экспериментальной проверки методики моделирования, описание полевых экспериментов, анализ результатов и выводы по данным разделам; в [2] автору принадлежит постановка задачи по восстановлению входного сигнала датчика, описание моделирования датчика, усовершенствование конструкции датчика, определение электрических параметров датчика, сопоставление результатов математического моделирования и физического эксперимента; в [3] автором предложены и исследованы при помощи компьютерного моделирования базовые элементы устройства - токопровод и токопровод со сгустителями тока.

Соответствие диссертационной работы паспорту научной специальности

Областями исследований диссертационной работы являются:

• исследование математическими методами геофизической системы -установки активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока;

• разработка и исследование аппаратных, методических и информационных средств для геофизической излучающей и измерительной системы;

• разработка методик обработки и интерпретации сигналов, измеряемых в геофизической установке активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока, в том числе - разработка методики восстановления параметров электрического поля в среде по сигналу, измеряемому ЛИТ;

• исследование возможностей метода активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока и разработка комплекса средств для этого метода, целью которого является предотвращение крупного ущерба объектам хозяйственной деятельности и окружающей среде при катастрофических явлениях, связанных с провалами грунта.

С учётом комплексного характера проводимых в работе исследований, указанные области и способы исследования соответствуют специальности 25.00.10 — «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», отрасли наук 05 — «Технические науки», по пунктам областей исследований:

Пункт 14 - «Методы обработки и интерпретации результатов измерения геофизических полей».

Пункт 19 - «Измерительная техника, средства, технологии, системы наблюдений и сбора геофизических данных; геофизические излучающие и измерительные системы».

Пункт 25 - «Применение геофизических методов при решении задач охраны окружающей среды».

Гранты

Работа выполнена частично при финансовой поддержке индивидуальным грантом программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса - 2009 г.» («У.М.Н.И.К. - 2009 г.») Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям, к. т. н., Попову Владимиру Витальевичу (НИУ МЭИ), и к. ф.-м. н., Камшилину Анатолию Николаевичу (ИФЗ РАН).

Автор благодарит сотрудников ИФЗ РАН зав. лаб. экспериментальных исследований физических процессов в литосфере, д. ф.-м. н. Пономарева А. В., зав. лаб. континентальной сейсмичности и прогноза сейсмической опасности,

д. ф.-м. н. Завьялова А. Д., гл. н. е., д. т. н. Светова Б. С., ст. н. с. [Волкову Е. Н. ст. редактора Тимофееву Н. И.; сотрудников кафедры Промышленной электроники НИУ МЭИ к. т. н. Ремизевич Т. В., к. т. н. Попкова О. 3., к. т. н. Недолужко И. Г., к. т. н. Голикова В. Ю., к. т. н. Глебова Б. А., ст. преподавателя Гагарину О. Г.; профессора кафедры Электротехники НИЯУ МИФИ д. т. н. Немцова М. В.; профессора кафедры Инженерной геологии и геоэкологии МГСУ д. г.-м. н. Хоменко В. П. за ценные советы и методические указания.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из титульного листа, оглавления, введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 12 приложений. Диссертация изложена на 227 страницах машинописного текста, содержит 87 иллюстраций и 10 таблиц. Список литературы состоит из 85 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи работы, научная новизна и положения, выносимые на защиту, отмечена теоретическая и практическая значимость работы, степень достоверности её результатов, приведены сведения о публикации и апробации, приведены квалификационные признаки работы.

Глава 1. Активный геоэлектрический мониторинг процессов подготовки

провалов грунта с использованием локальных измерителей тока

В разделе 1.1 рассмотрена проблема провалов грунта как катастрофических событий и методы их исследования. Процессы провалообразования широко распространены на территории России. Существующие методы наблюдения за процессами (гидрогеологические методы и регистрация подвижек грунта) обладают недостатками. Поэтому важной и современной является задача разработки средств и способов оперативного мониторинга процессов подготовки провалов грунта на стадии возникновения и развития закрытых полостей обрушения, основанного на других геофизических методах. Одним из перспективных направлений является геоэлектрический мониторинг (Богданов, Калинин, Модин, 2013).

Рассмотрены особенности процесса провалообразования по (Хоменко, 2003; Рекомендации по проведению инженерных изысканий ...,2012), произведена оценка параметров динамической геоэлектрической модели зоны подготовки провала на этапе развития закрытой полости обрушения. Модель представляет собой однородное проводящее полупространство, в котором находится в первом приближении шаровая, во втором - полушаровая полость, перемещающаяся вверх («всплывающая») к границе раздела сред (см. рис. 3). Оценка основных параметров модели: радиус полости от 0.5 до 8.5 м, глубина залегания до 100 м; электропроводность от 0 См/м до электропроводности вмещающей среды и более, до 1 См/м; электропроводность среды 0.005 - 0.5 См/м; всплытие происходит скачкообразно, с интервалом от нескольких десятков минут и более.

В разделе 1.2 рассмотрены особенности активного геоэлектрического мониторинга (АГЭМ). В отличие от электроразведочных установок, установка АГЭМ должна быть максимально чувствительна к изменению параметров поля, связанному с изменением геоэлектрического разреза, и минимально - к абсолютным значениям параметров и их скалярному изменению (вследствие изменения температуры и т.п.). Предложенная в ИФЗ РАН эквипотенциальная установка (способ) мониторинга (Волкова, Камшилин, Кравченко, 1983), в ко-

торой измерительные электроды М и N располагаются на одной эквипотенциальной линии поля и исходная установочная разность потенциалов имы = (фм - фы) минимальна, удовлетворяет этим требованиям. Это подтверждается полевыми и лабораторными исследованиями. Инициатором использования эквипотенциальных установок для контроля карстоопасных процессов был А.Н. Боголюбов, автор метода ВЭЗ МДС (Боголюбов А.Н. и др., 1984).

Традиционные для электроразведки электродные измерения обладают некоторыми недос- ] . ■ ь татками. Поэтому в ИФЗ РАН было предложено использовать для измерения параметров электрического поля локальные измерители тока (ЛИТ) и перейти к токовому способу мониторинга. Основная особенность ЛИТ - бесконтактное «локальное» измерение плотности тока. Это позволяет устранить или минимизировать недостатки электродных измерений: гальванически развязать генерирующую и измерительную аппаратуру, устранить влияние контактных явлений электрод-среда, уменьшить длину измерительной линии и производить фильтрацию помех непосредственно в самом ЛИТ (в месте его установки). Все вместе существенно увеличивает потенциальную помехозащищенность измерений.

Внешний вид и устройство ЛИТ показаны на рис. 1. Величиной, непосредственно измеряемой ЛИТ, является ток 1изм_лит, протекающий через измерительное окно, охваченное трансформаторным датчиком тока. Трансформатор и электронная схема усиления сигнала находятся внутри герметичного корпуса ЛИТ.

Установка АГЭМ с ЛИТ может быть построена подобно эквипотенциальной установке -для этого два ЛИТ располагаются таким образом, чтобы в исходном состоянии сигнал ]х__м, измеряемый одним из ЛИТ, компенсировал сигнал измеряемый другим ЛИТ (см. рис. 3 и рис. 14). Исследуемой величиной является разность плотностей тока ^ = [)х„м| - 0х_м1-

Комплекс средств АГЭМ с ЛИТ включает в себя аппаратные (рис. 2), программные, информационные, а также методические средства. Измерительная часть аппаратных средств состоит из двух измерительных каналов для каждого ЛИТ, датчика тока генератора, аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Выходной сигнал измерительных каналов и датчика тока генератора

Рис. 1. Внешний вид (а) и внутреннее устройство (б) ЛИТ. 1 - корпус ЛИТ;

2 - измерительное окно;

3 - провода для вывода сигнала; 4 - внутреннее полое пространство; 5 - трансформаторный датчик тока;

6 - электронная схема;

7 - провода, соединяющие датчик тока с электронной схемой.

220 В

Блок питания генератора

Генератор

к электродам А и В

Компьютер оператора

оцифровывается АЦП и поступает на компьютер оператора, где осуществляется дополнительная обработка и сохранение данных.

К дополнительной обработке, среди прочего, ОТНОСИТ- ..... генерирукицая иасп,..........,л„

ся определение активной И.е( 1изм_лит) и реактивной 1т(Гизм^лит) составляющих тока 1изм_лит относительно 1АВ. 1Ав измеряется с помощью датчика тока генератора.

Рассмотрены основные особенности генерирующей аппаратуры в комплексе АГЭМ; выходным сигналом генератора являются однопо-лярные импульсы тока частотой следования Граб = 73 Гц. Проведен обзор выпускаемой генерирующей аппаратуры для электроразведки; обоснована необходимость, прежде всего из-за большой её стоимости, самостоятельной разработки и создания генерирующей аппаратуры для АГЭМ в настоящей работе.

Глава 2. Исследование установки активного геоэлектрического мониторинга с локальными измерителями тока математическими методами

В разделе 2.1 проведен расчёт схемы эквипотенциальной установки и установки АГЭМ с ЛИТ - определено расположение измерительных электродов и ЛИТ с учётом обоих излучающих электродов, для однородной среды.

В разделе 2.2 решена упрощенная задача расчёта электрического поля в однородном полупространстве при наличии шаровой полости, в параметрическом виде (рис. 3). Составлена программа для расчёта поля и измеряемых в установках АГЭМ величин (иМы и .1Мн) в зависимости от входных данных.

Блок питания Датчик тока

измерительной части генератора

1 1

ЛИТ1 — предварит, обработка -

сигнала

АЦП

ЛИТ2 — предварит, обработка -

сигнала

измерительная часть

Рис. 2. Блок-схема аппаратных средств комплекса АГЭМ.

■1*

о = 0

<Рм

1д

Фы

■I х N

Хс

Рис. 3. Задача расчёта поля в однородном полупространстве при наличии шаровой полости. <7| , аг - электропроводность полупространства и полости соответственно.

В разделе 2.3 для уточнения расчёта проведено численное математическое моделирование для нахождения поля при всплытии шаровой полости. Так-

же проведено моделирование при всплытии полушаровой полости. Сравнение с расчётом показало, что точность расчёта приемлема для оценки измеряемых величин при всплытии шаровой/полушаровой полости.

Проведено сравнение реакции эквипотенциальной установки (11мм) и установки АГЭМ с ЛИТ (.1м1м) на всплытие и изменение свойств полости (пример для полушаровой полости показан на рис. 4). Определено, что реакция установки с ЛИТ на всплытие полости подобна реакции эквипотенциальной установки. Отсюда следует, что, во-первых, при прочих равных установка с ЛИТ будет иметь те преимущества, которые обусловлены свойствами самого локального измерителя тока - прежде всего, потенциально большую помехозащищенность измерений. Во-вторых, это даёт основание полагать, что накопленные экспериментальные данные по особенностям и возможностям эквипотенциальной установки могут быть перенесены на установку с ЛИТ.

В разделе 2.4 определены возможности установки АГЭМ при регистрации всплытия полости в зависимости от возможностей измерительной аппаратуры. Рассмотрено два варианта определения сигнала JмN - регистрация дифференциального (разностного) аналогового сигнала двух ЛИТ, пропорционального ,1м№ и раздельная регистрация сигналов с каждого ЛИТ. В обоих вариантах возможности установки зависят, прежде всего, от возможностей регистрирующей аппаратуры (АЦП). На рис. 5 показан пример расчётных зависимостей .Гц®) от при разном расстоянии х8, и указан динамический диапазон регистрирующей аппаратуры 120 дБ (достижимый при использовании современных АЦП), при регистрации дифференциального сигнала.

¡имм1, В |1М„|, А/м2

Ё511 - .....>-- -

| «----- щ §

р—-г--

------- - ===== ________ \

----- ■(- - — — —-

Рис. 4. Сравнение зависимостей Цмы (ж) и (л) от глубины залегания полушаровой полости гэ по результатам моделирования. 1а = 1 А, 0Г[ = 0.1 См/м, <52 = 10"7 См/м, АМ = 2 М, Х5 = 6 М, Г8 = 1 м.

1 10 100

Рис. 5. Пример расчётных зависимостей JмN от г5, при разном расстоянии 1а = 1 А, а| = 1 См/м, 02 = 0.1 См/м, АМ = 1 м, Гэ = 1 м.

При измерении дифференциального аналогового сигнала ,!м\ верхняя граница динамического диапазона определяется максимальным ожидаемым информативным сигналом при всплытии полости. В примере на рис. 5 верхняя граница динамического диапазона может быть принята за 0.01 А/м2. Тогда требуемая чувствительность следующая: коэффициент преобразования величины дифференциального сигнала ^к к входному сигналу АЦП должен быть поряд-

ка 500 В/(А/м2). Из анализа зависимостей, подобных представленным на рис. 5, определено, что динамический диапазон в 120 дБ позволяет обнаруживать и отслеживать всплытие шаровой полости на разном удалении и при различных параметрах полости. При выбранных значениях варьируемых параметров возможно обнаружение всплытия полости на глубинах от 15 м.

При раздельной регистрации сигналов с каждого ЛИТ верхняя граница динамического диапазона определяется значениями ]х м и ^ м, связанными с нормальным полем. При тех же параметрах задачи, как на рис. 5, за верхнюю границу динамического диапазона ]х м с запасом можно принять 0.3 А/м , тогда требуемая чувствительность следующая: коэффициент преобразования величины _]'х м к входному сигналу АЦП должен быть порядка 16.7 В/(А/м2). Если посмотреть на зависимости на рис. 5, то нижняя граница динамического диапазона окажется на уровне 3-10"7 А/м2, максимальная глубина обнаружения полости уменьшается в 2-3 раза. В реальной ситуации динамический диапазон будет определяться не только динамическим диапазоном АЦП, но и шумами, помехами на входе измерительной аппаратуры. Поэтому настоящей работе реализован второй вариант определения сигнала .1мы - с раздельной регистрацией сигналов каждого ЛИТ, с целью определить возможности и особенности аппаратуры в реальных условиях.

Основной вывод второй главы - исследование установки АГЭМ с ЛИТ математическими методами показало, что с её помощью, при использовании современной измерительной аппаратуры, принципиально возможно обнаруживать и отслеживать всплытие шаровой или полушаровой полости как процесс подготовки провала грунта. При этом реакция установки с ЛИТ на всплытие полости подобна реакции эквипотенциальной установки АГЭМ, что показывает, при прочих равных, преимущество установки с ЛИТ в силу её потенциально большей помехозащищенности, а также позволяет перенести накопленные экспериментальные данные по эквипотенциальной установке на установку с ЛИТ. Кроме того, были определены требования к измерительной аппаратуре комплекса.

Глава 3. Исследование и разработка локального измерителя тока как измерительного прибора для активного геоэлектрического мониторинга

В разделе 3.1 определены этапы преобразования сигнала в ЛИТ. Поставлена задача восстановить плотность тока в среде по измеряемому ЛИТ сигналу - току 1тм_лит, протекающему через измерительное окно. Этот ток зависит от распределения плотности тока в среде около ЛИТ. Зависимость определяется двумя обстоятельствами: во-первых, плотность тока в среде ] - это векторная величина и характеризуется компонентами ]х, }у, ]г; во-вторых, помещение ЛИТ в среду, в которой существует электрическое поле, приведёт к искажению поля вблизи ЛИТ. Существуют поправки (Зимин, Кочанов, 1982), позволяющие учесть влияние ЛИТ определенной формы, но они неприменимы к ЛИТ произвольной формы и размеров. Поэтому необходимо провести исследование ЛИТ для определения зависимости 1изм_лит от]. Выходным сигналом ЛИТ является напряжение на выходе электрической схемы ЛИТ (преобразователя-усилителя

сигнала). Поэтому также необходимо провести разработку электрической схемы, обеспечивающей требуемую чувствительность и согласование с остальной измерительной аппаратурой, рассмотрев различные варианты схемотехнической реализации.

В разделе 3.2 показано, что зависимость сигнала ЛИТ от параметров поля практически невозможно определить аналитически или при помощи физического моделирования. Поэтому необходимо провести численное математическое моделирование. Анализ распределения низкочастотного (73 Гц) электрического поля в проводящей среде в масштабах установки АГЭМ (расстояние АВ до 100 м) можно проводить в квазистатическом приближении, т.е. так же, как при расчёте поля постоянных токов. Один из способов математического моделирования - решение вариационной задачи, соответствующей краевой задаче поля с заданными граничными условиями. Для численного решения вариационной задачи широко применяется метод конечных элементов (МКЭ). Для определения распределения поля вблизи ЛИТ было проведено компьютерное математическое моделирование по МКЭ [1, 2, 3] для двух опытных образцов ЛИТ разной формы и размеров (№1 и №2).

Первоначально были заданы геометрические (форма и размеры ЛИТ) и электрические (электропроводность, диэлектрическая проницаемость, граничные условия) параметры задачи. Исходное (невозмущенное) поле полагалось однородным, поэтому для задания вектора плотности тока были определены значения его пространственных компонент ]х, ]у и }г вдали от ЛИТ. Первоначально определялась зависимость 1гам лит от ]х. Для этого необходимо было найти распределение величины ]х в измерительном окне. Была задана величина ^ = 1 А/м2 вдали от ЛИТ (]у = 0 А/м2 и ]х = 0 А/м2). В результате моделирования было получено распределение плотности тока - распределение ^ (рис. 66) на отрезке РР' (рис. 6а).

Как видно из графика, внутри измерительного окна величина ]х превышает величину .ь в среде вдали от ЛИТ (происходит концентрация тока) и характеризуется неоднородностью распределения. Для определения среднего значения ]х в измерительном окне ЛИТ было проведено интегрирование по сечению окна. Обнаружено, что среднее значение ^ в окне превышает ]х в среде в 1.90 раз для образца ЛИТ №1.

Этот коэффициент пропорциональности можно назвать коэффициентом концентрации тока Кконц. Как было определено суммарно по результатам моделирования, Кконц зависит только от формы и размеров ЛИТ.

Далее по результатам отдельного моделирования было определено, что ]х в измерительном окне ЛИТ, и, соответственно, ток 1изм_лит, не зависят от ]у и Тогда для восстановления плотности тока можно записать выражение:

где Кконц - коэффициент концентрации тока, 80Тв - площадь сечения отверстия (измерительного окна) ЛИТ, ^ - составляющая вектора плотности тока, перпендикулярная сечению отверстия (в рассмотренной задаче это ]х).

Формула (1) справедлива для любого варианта ЛИТ - площадь отверстия SOTB может быть определена непосредственно, коэффициент концентрации тока Кк0„ц при заданной форме и размерах ЛИТ может быть определён при помощи моделирования.

Для опытного образца ЛИТ №1 был определен коэффициент концентрации Кко„ц_„ = 1.90 (при этом S0TB = 5.03-10"3 м2); для опытного образца ЛИТ №2 коэффициент концентрации составил Кконц_в = 1.36 (при этом S0TB = 1.26-10"3 м2).

При измерении плотности тока в комплексе АГЭМ, ЛИТ находится вблизи поверхности земли, которая является границей полупространства и влияет на распределение поля около ЛИТ. Поэтому было проведено моделирование с целью определить, на какую минимальную глубину gswn (расстояние от границы раздела сред до ближней к ней грани ЛИТ) необходимо погрузить ЛИТ, чтобы близость границы раздела сред оказывала незначительное влияние на 1ИЗм лит- Было определено, что влияние границы раздела сред становится незначительным, если ЛИТ погружен на глубину gjMT болыпе 1.5-(1Лит, где с1Лит - высота ЛИТ, при характерных поперечных размерах ЛИТ, сопоставимых с с1ЛИт. При этом условии формула (1) справедлива для однородного проводящего полупространства.

В разделе 3.3 предложены усовершенствованные (дополненные) конструкции ЛИТ - устройство для выделения требуемой составляющей вектора плотности тока (рис. 7а) и устройство для концентрации тока (рис. 76) [2, 3]. Было проведено математическое моделирование устройств, аналогично моделированию ЛИТ. Первое устройство позволяет минимизировать влияние формы и размеров корпуса самого ЛИТ, Кконц ~ 1. Это достигается при длине трубы, которая в 2.5-3 раза больше максимального характерного размера корпуса ЛИТ. Второе устройство дополнительно позволяет получить Кко„ц > 1 и увеличить полезный сигнал независимо от формы и размеров самого ЛИТ, при раз-

А/м2 ............ 1 ...............2

- V»

>■ — г

0.2 0 4 0. 0.8 1 1

Расстояние по оси У, м б

Рис. 6. Отрезок РР' (а) и полученное для него по результатам моделирования распределение (б). 1 - корпус и 2 - измерительное окно ЛИТ №1. Отрезок РР' принадлежит плоскости О, которая рассекает ЛИТ пополам и параллельна плоскости YZ.

мерах устройства в 2.5-3 раза больше максимального характерного размера корпуса ЛИТ.

а б

Рис. 7. Устройство для выделения требуемой составляющей плотности тока (а) и устройство для концентрации тока (б). 1 - корпус ЛИТ, 2 - труба из диэлектрического материала, 3 - отверстие, 4 - тонкие диэлектрические диски.

На основе дальнейшего развития предложенных идей по усовершенствованию ЛИТ было предложено устройство для измерения трех компонент вектора плотности тока в среде, получен патент на изобретение (в соавторстве) [3].

В разделе 3.4 приведено описание лабораторного эксперимента с локальным измерителем тока, находящемся в контейнере с землей, и математического моделирования такой же задачи. Соответствие результатов моделирования и эксперимента показало, что методика моделирования верна.

В разделе 3.5 разработана электрическая схема ЛИТ и измерительного канала [2]. Рассмотрено два основных варианта электрической схемы ЛИТ (преобразователя-усилителя сигнала с трансформатора тока): трансформатор тока нагружен на сопротивление (рис. 8а) и трансформатор тока нагружен на преобразователь ток-напряжение (рис. 86).

Рис. 8. Первый (а) и второй (б) варианты электрической схемы ЛИТ. У - усилитель; ОУ - операционный усилитель. I ш„ лит - пересчитанный на вторичную сторону трансформатора тока источник тока; LM - индуктивность намагничивания трансформатора; Rl - сопротивление его обмотки; R6ajuI - сопротивление нагрузки для трансформатора-Roc - сопротивление обратной связи; UEblx лит - выходной сигнал.

Электрическая передаточная характеристика обоих вариантов соответствует фильтру высоких частот первого порядка, но во втором варианте гранич-

ная частота зависит только от параметров трансформатора (Ц и К, ) и не зависит от нагрузки трансформатора.

При одинаковом трансформаторе это означает, что можно добиться большей чувствительности или получить больший рабочий частотный диапазон по сравнению с первым вариантом, при одинаковом коэффициенте передачи на высоких частотах (рис. 9). Это является преимуществом второй схемы, но она оказалась менее помехоустойчивой (см. главу 4).

Была разработана электрическая схема измерительного канала, включающая блок расширенной предварительной обработки сигнала (см. рис. 2). В блоке осуществляется фильтрация - выделение полезного сигнала перед регистрацией (перед АЦП), для чего используется активные фильтры. Но измерительный канал с блоком расширенной обработки оказался менее помехоустойчивым (см. главу 4).

Основной результат третьей главы - определена зависимость тока, измеряемого ЛИТ, от параметров электрического поля в среде, при использовании ЛИТ как измерительного прибора в комплексе АГЭМ; и разработана электрическая схема ЛИТ и измерительного канала.

Глава 4. Разработка генерирующей аппаратуры. Исследование электромагнитной совместимости генерирующей и измерительной

аппаратуры

Раздел 4.1 посвящен разработке генерирующей аппаратуры комплекса (см. рис. 2 и рис. 11). Генератор является генератором импульсов тока (ГИТ), выходной сигнал которого представляет собой одно-полярные импульсы тока (рис. 10) частотой следования fpa6 = 73 Гц и амплитудой 1гит_амп= 0.1/0.2 А. Оценены параметры нагрузки генератора, их связь с параметрами установки и среды. Приводится обзор схемотехнических решений силовой части ГИТ. Показано, что в комплексе АГЭМ целесообразно использовать схему ГИТ на основе активного регулируемого элемента - силового биполярного транзистора. Разработана силовая часть и система управления ГИТ.

|К(0|, В/А

- 2

г-|4

! 1

7* /

— —н= гт . ..

[г

0.1 1 10 100 1000 частота {, Гц Рис. 9. Сравнение амплитудно-частотных передаточных характеристик первого (1) и второго (2) варианта электрической схемы ЛИТ.

Т = 1 / ^

^ раб 11 Уб^

Т /2

1 раб ' ^

т„„й / 2

Рис. 10. Генерирующая аппаратура комплекса АГЭМ: а - блок-схема; б - выходной сигнал (импульсы тока ¡гит)- Пояснение обозначений см. в тексте.

Для питания ГИТ разработано два варианта блока питания (БП ГИТ): импульсный (на основе высокочастотного DC-DC преобразователя напряжения) и линейный (на основе сетевого выпрямителя). Основные преимущества импульсного БП ГИТ - малые массогабаритные показатели и высокий КПД; линейный БП ГИТ существенно больше по массогабаритам, имеет более низкий КПД, но обладает меньшем уровнем эмиссии электромагнитных помех. Была изготовлена генерирующая аппаратура комплекса.

В разделе 4.2 исследована электромагнитная совместимость генерирующей и измерительной аппаратуры комплекса. Существенное значение этого вопроса связано с тем, что ЛИТ является новым в данном приложении и чувствительным измерительным прибором. В свою очередь, генерирующая аппаратура всегда является источником помех. Рассмотрены типы помех и пути их проникновения в комплексе АГЭМ. Схема лабораторных испытаний электромагнитной совместимости показана на рис. 11.

Рис. 11. Схема лабораторных испытаний электромагнитной совместимости генерирующей и измерительной аппаратуры комплекса АГЭМ. гит - сопротивление, на которое нагружен ГИТ; Яюм - сопротивление, через которое протекает ток ¡Изм_лит, измеряемый ЛИТ.

Наблюдался сигнал на выходе ЛИТ и измерительного канала; для определения только паразитного сигнала разрывалась цепь протекания тока через Яюм. Во время испытаний с импульсным БП ГИТ было обнаружено, что на выходе ЛИТ и измерительного канала присутствует паразитный сигнал, имеющий постоянную, низкочастотную и высокочастотную составляющие. Для выяснения причины появления паразитного сигнала, в особенности - постоянной составляющей, была проведена серия экспериментов. При анализе результатов было сделано предположение, что паразитный сигнал возникает в электрической части ЛИТ и что основной причиной его появления является высокочастотная (ВЧ) индуктивная помеха от импульсного БП ГИТ.

По результатам отдельных лабораторных экспериментов с воздействием искусственной высокочастотной индуктивной помехи на ЛИТ было определено, что причиной появления постоянного напряжения в выходном сигнале ЛИТ является воздействие ВЧ электромагнитной помехи на микросхемы усилителей. При этом у ЛИТ с электрической частью по второму варианту (на основе преобразователя ток-напряжение, см. рис. 86) постоянное напряжение было боль-

ше, т.е. помехоустойчивость этой схемы - меньше. Основными элементами, принимающими ВЧ электромагнитную помеху, являются трансформатор тока и длинная линия связи.

Чтобы подтвердить предположения и определить способы борьбы с помехами, был произведён обзор источников информации по теме электромагнитных индуктивных помех. В рассмотренной зарубежной литературе данная проблема называется «EMI/RFI (Electromagnetic Interference / Radio Frequency Interference) rectification», что можно перевести как «выпрямление электромагнитного излучения / радиочастотных помех». Условно механизм выпрямления ВЧ помехи (по Kester W. and oth., 1995) можно изобразить на рис. 12а. При этом постоянное напряжение на выходе усилителя может возникать при появлении ВЧ напряжения на любом из выводов микросхемы усилителя (не только на входных выводах). Величина постоянного напряжения тем больше, чем больше частота и энергия ВЧ помехи.

Поскольку спектр электромагнитных помех импульсных источников питания (в т.ч. импульсного БП ГИТ) простирается от десятков - сотен килогерц (частота коммутации силовых транзисторов) до единиц гигагерц, то эти помехи являются причиной появления на выходе ЛИТ постоянного паразитного сигнала.

Рассмотрены конструкторские и схемотехнические методы борьбы с воздействием ВЧ помех. Конструкторскими методами стараются предотвращать проникновение и уменьшать эффективность приёма ВЧ помехи элементами схемы. Схемотехническими мерами необходимо препятствовать проникновению высокочастотной помехи на входы микросхемы усилителя.

Рис. 12. а - выпрямление высокочастотных (ВЧ) помех микросхемами усилителей (по Kester W. and oth., 1995); б - борьба с помехами в первом варианте электрической схемы ЛИТ. 1 - ВЧ излучение (радиопомеха); 2 - ВЧ сигнал (напряжение), появившийся из-за воздействия ВЧ излучения; 3 - постоянный сигнал, появившийся из-за «выпрямления» ВЧ сигнала в микросхеме. У, ИУ - микросхема усилителя; ФНЧ1 и ФНЧ2 - входной и выходной пассивные фильтры низких частот; ТА - трансформатор тока в составе ЛИТ.

Показано, что эффективнее бороться с помехой можно в первом варианте электрической схемы ЛИТ. Применение основных схемотехнических методов показано на рис. 126 - на входе и выходе ставятся пассивные фильтры низких частот, защищающие от проникновения помехи на входные и выходные выводы усилителя. Критерий выбора граничной частоты фильтра - она должна быть

на два порядка больше максимальной частоты полезного сигнала. В результате применения мер по борьбе с помехой удалось почти полностью устранить постоянную паразитную составляющую, но до конца избавиться от низкочастотной составляющей не удалось.

В разделе 4.3 показано, что высокочастотная помеха от импульсного БП ГИТ может являться причиной появления и низкочастотного паразитного сигнала на выходе ЛИТ и измерительного канала. Для этого предложен следующий механизм воздействия ВЧ помехи от импульсного БП ГИТ на измерительную аппаратуру (рис. 13).

На этапе импульса тока ГИТ ¿гит мгновенная мощность, потребляемая от импульсного БП ГИТ, существенно больше, чем на этапе паузы. Поэтому амплитуды силовых токов также больше. Величина ВЧ излучения от импульсного БП ГИТ пропорциональна энергии переходных процессов включения и выключения силовых транзисторов. Чем больше амплитуды силовых токов, тем большая энергия накапливается в паразитных элементах схемы и тем большая энергия уходит на ВЧ излучение. Поэтому на этапе импульса тока ВЧ помеха от ГИТ больше, чем на этапе паузы, и постоянное паразитное напряжение иВЫх_оу на выходе усилителей в ЛИТ и измерительном канале также больше. После блока фильтров в измерительном канале гармоника напряжения частотой 73 Гц не просто свободно проходит на выход, но и усиливается, поскольку это частота полезного сигнала; на выходе наблюдается низкочастотный паразитный сигнал иим-, кан частотой 73 Гц.

Предложенный механизм был проверен двумя способами. Во-первых, при испытании электромагнитной совместимости измерительной части и генерирующей части с линейным БП ГИТ (который не создает ВЧ помех) оказалось, что на выходе измерительного канала отсутствует выделенная (нешумового характера) паразитная переменная составляющая частотой 73 Гц. Во-вторых, если бы мощность от импульсного БП ГИТ потреблялась непрерывно, то отсутствовала бы модуляция ВЧ помехи на частоте 73 Гц. Были проведены испытания электромагнитной совместимости при использовании двух максимально похожих генераторов однополярных импульсов тока, работавших в противофазе и питающихся от одного импульсного БП ГИТ; в результате низкочастотная паразитная составляющая уменьшилась на порядок.

Не существует очевидных признаков (критериев) для чёткого разделения полезного и паразитного сигналов одной и той же частоты, т.е. в измерительной

ВЧ

помеха

Рис. 13. Механизм воздействия модулированной ВЧ-помехи от импульсного БП ГИТ на измерительную аппаратуру. Пояснение обозначений см. в тексте.

части. Поэтому были рассмотрены различные конструктивные и схемотехнические методы борьбы с появлением «модулированной» ВЧ помехи в генерирующей части.

Величина паразитного сигнала при использовании импульсного БП ГИТ и в полевых условиях оказалась слишком большой. Поэтому окончательно в настоящей работе была реализован следующий вариант - в комплексе АГЭМ использовался линейный БП ГИТ, использовался первый вариант электрической схемы ЛИТ и не использовалась расширенная предварительная обработка аналогового сигнала в измерительном канале (осталось только предварительное усиление, остальная обработка перенесена в цифровую форму). Комплекс мер по борьбе с ВЧ-помехой в измерительной и генерирующей части был реализован по максимуму возможностей, поскольку в полевых условиях необходимо минимизировать воздействие ВЧ-помех также и от сторонних источников.

Окончательно оценка величины паразитного сигнала на выходе измерительного канала, для основных конфигураций генерирующей аппаратуры, приведена в таблице 1.

Таблица 1. Примерная величина паразитного сигнала на выходе измерительного канала на частоте 73 Гц, приведенная к величине 1ИЗм_лит; значение «от пика до пика»._

Тип БП ГИТ импульсный импульсный линейный линейный

В каких испытаниях определялась лабораторные полевые лабораторные полевые

Уровень помех, приведенный к 1из„_лит, мкА 11 3 0.3 0.22

Паразитный сигнал при использовании линейного БП ГИТ определяется помехами другого происхождения и шумами в измерительном канале.

Основной результат четвертой главы - определена конфигурация комплекса средств АГЭМ ("в особенности - конфигурация и схемотехническая реализация аппаратных средств'), оптимальная с точки зрения электромагнитной совместимости аппаратуры комплекса и устойчивости измерительной аппаратуры к воздействию высокочастотных помех. Особенность конфигурации - минимизирована возможность появления на выходе измерительной аппаратуры наименее желательного паразитного низкочастотного сигнала той же частоты 73 Гц, что и частота следования импульсов тока генератора.

Глава 5. Полевые эксперименты с комплексом средств активного геоэлектрического мониторинга

В разделе 5.1 разработаны информационные средства АГЭМ - цифровая обработка измеряемых сигналов. Разработан алгоритм выделения полезной составляющей (подобный расширенной обработке аналогового сигнала) и восстановления измеряемых величин. Разработан алгоритм определения активной и реактивной компонент измеряемых сигналов. Произведена реализация алгоритма обработки сигналов на используемом программном обеспечении с учетом его особенностей.

Основная идея полевых экспериментов - при определённой схеме установки наблюдать за измеряемыми величинами до, во время и после появления искусственной структурной неоднородности (выкапывался шурф) или изменении её свойств. Была определена методика полевых экспериментов. Схема экспериментов показана на рис. 14.

Рис.14. Схема полевых экспериментов, вид в разрезе. 1 - поверхность земли, 2 - искусственно созданная неоднородность - шурф (углубление в форме параллелепипеда; поперечный размер \¥ш). Пояснение обозначений см. в тексте.

В разделе 5.2 приводится описание первого полевого эксперимента 2011 года [1]. Использовался только один ЛИТ (опытный образец №2) в точке N. Задача первого эксперимента - определить уровень помех в полевых условиях и подтвердить, что 1изм лит Сх ы) изменяется при образовании неоднородности. Исходя из определенной в лабораторных условиях величины помехи, ожидаемый уровень помех в полевых условиях был принят за 3 мкА. Он определяет погрешность 1юм лит- Поэтому величина 1„змЛит (которая может быть достоверно измерена) при расчёте схемы установки (до выкапывания шурфа) была ориентировочно принята за 30 мкА, а изменение 1язм лит при выкапывании шурфа -не менее 6 мкА (всё - амплитудные значения). Рассчитанные параметры установки ЬАВ = 13 м, ЬАЫ = 1 = 0.2 м. При помощи численного моделирования были уточнены результаты расчёта и определены параметры шурфа: Ьш = 0.25 м, и^ц, = 1 м, Нш = 0.45 м, О = 0.15 м. Выкапывание такого шурфа приводит к заметному уменьшению 1юм лит - по моделированию, не менее чем на 50%. Коэффициент передачи иизм ка„/ 1тм_Лит измерительного канала составил 2300 В/А; соотношение иизм кан/)"х_м составило 3.94 В/(А/м2).

Были проведены измерения, результаты приведены в таблице 2 и на рис. 15. Основной вклад в погрешность измерения 1ЮМ лит вносит случайная погрешность, которая определяется помехой шумового характера и погрешностью квантования АЦП. Определено, что при работе в реальном времени погрешность Д1ИЗМ лит = 0.084 мкА или Л(]х_ы / 1АВ) = 0.0004 м"2; при постобработке после усреднения погрешность уменьшается.

На рис. 15 показан график изменения величины GxVIab), её ак~ тивной Re (jx n/ Ub) и реактивной Im (jx м/ Iab) составляющих в процессе выкапывания шурфа. Цифрой 1 в кружочке со стрелкой обозначено начало выкапывания шурфа, цифрой 2 - окончание. По оси абсцисс отложено время от начала регистрации, в минутах. Начало регистрации соответствует 17:44:40 30.10.2011 (мск). Уменьшение величины (jx N / 1АВ) и, соответственно, тока 1ШМ лит, при выкапывании шурфа показывает, что шурф создает препятствие протеканию тока. Увеличение по абсолютной величине реактивной Im составляющей можно интерпретировать как увеличение «емкостного» характера тока, но к этим результатам доверия меньше, поскольку величина Im мала, на неё оказывают сильное влияние сторонние «импульсные» помехи.

Из сравнения результатов эксперимента и моделирования видно, что, во-первых, величина (jx N/ 1Ав) в эксперименте оказалась примерно в 3 раза меньше величины (jx N/ 1АВ) по результатам моделирования. Это, очевидно, связано с тем, что при моделировании не учитывалась сложная неоднородная и неизотропная структура среды. Во-вторых, несмотря на это, при выкапывании шурфа кратность уменьшения (jxjj/ Iab) оказалась сопоставима - в 2.2 раза по моделированию и 2.3 раза по эксперименту.

В разделе 5.3 приводится описание второго полевого эксперимента 2012 года [1]. Использовалось два ЛИТ, определялся сигнал JMn = Ух_м| - LÎx_nI- Схема установки соответствует рис. 14 и её параметры были определены аналогичным I образом, с учётом полученных в первом полевом эксперименте результатов: ЬАВ = 12 м, Lan = 2 m, gN = 0.5 м; Lm = 0.4 м, Wm = 2 м, Нш = 0.9 м, D = 1 м.

Выкапывание шурфа (рис. 16) происходило 15.09.2012. На графике можно увидеть малые вариации величины (Jmn/Iab) около постоянного уровня с 00ч ООмин до 09ч ООмин (шурфа нет). Затем идет увеличение с последующим спадом до некоторого стабильного уровня в районе 09ч ООмин - ПчЗОмин; шурфа по-прежнему нет, эти изменения могут быть объяснены воздействием сторонних помех. С 11ч ЗОмин до 14ч ЗОмин сохраняется стабильный уровень, во время которого начинается образование (выкапывание) шурфа.

Таблица 2. Сравнение результатов первого полевого эксперимента и численного моделирования, до и после появления шурфа.

-.. до появлен. шурфа после появлен. шурфа

jx n /Iab, "m"2 моделир. 0.145 0.066

эксперим. 0.0501 ± 0.0004 0.0215

0х n 1 Ub). м"2

U г- : ь.

- \

- к

(l) i

—г ■ - — - <- —

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 1, мин

^Нх.мЛдв "Х-^СхУив)

Рис. 15. Результаты первого полевого эксперимента. Пояснения см. в тексте.

Сначала измерительная система практически не реагирует на изменение глубины шурфа, так как она не велика, и перераспределение тока происходит пока только в верхних слоях земли. С 14ч ЗОмин начинается увеличение / Г.дн) -шурф начинает сильнее влиять на распределение тока вблизи ЛИТ2, уменьшается величина ^ ы около ЛИТ2, который находится ближе к шурфу, чем ЛИТ1; величина _(х_м около ЛИТ1 изменяется незначительно.

После того как шурф был выкопан, отдельно во втором эксперименте проводилось его заполнение водой (рис. 17). Это соответствует качественному изменению свойств структурной неоднородности. По техническим причинам использовался только ЛИТ2, регистрировалась величина Сх^/1ав)- На графике можно увидеть малые изменения (]х_Ы / 1дв) около постоянного уровня с 00ч ООмин до 13ч 45мин, до самого начала затопления шурфа. Сильные единичные «всплески» на этом этапе можно объяснить воздействием сторонних помех, поскольку они всегда положительные и резко выделяются по величине. Измерительная система сразу регистрирует начало затопления шурфа. Сначала (]х ы / 1АВ) быстро увеличивается приблизительно до момента, когда шурф заполнится наполовину, затем увеличение постепенно замедляется и (]х м / 1АВ) выходит на стабильный уровень.

УМ>,/1ав)-10-3, М"2 4 2 0 -2 -4 -6

! ..

\ 1

Г ^ / 2) (Г

г/

Нш, м 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4

Оч Зч 6 ч 9 ч 12 ч 15 ч 18 ч 21ч время суток

аМц71АвМо-з,м-2

■9 л /V "V X с )

■ ■ ■ ■ г —1

0.2

0.8

1.0

0.4 0.6 Нш,м

Рис. 16. Второй полевой эксперимент, выкапывание шурфа. Вверху - графики изменения (1мм / 1Ав) и глубины шурфа Нш; внизу - график зависимости (^мм/1ав) от Нш при выкапывании. 1 - начало, 2 - приостановка, 3 - возобновление, 4 - окончание выкапывания. По оси абсцисс отложено время суток 15.09.2012 (МвК), когда происходило выкапывание.

3.5

6 ч 9 ч 12 ч время суток

15 ч

18 ч

Рис. 17. Второй полевой эксперимент, затопление шурфа водой. Графики изменения (]'х м / 1АВ) и расстояния от поверхности земли до уровня воды в шурфе Ьв. 1 - начало, 2 - окончание затопления. По оси абсцисс отложено время суток 23.09.2012 (М8К), когда происходило затопление.

Основной результат пятой главы - в ходе полевых экспериментов показана практическая возможность регистрации образования структурной неоднородности и изменения её свойств с помощью созданного комплекса средств токового способа АГЭМ с использованием ЛИТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведены разработка и исследование комплекса средств для активного геоэлектрического мониторинга процессов подготовки провалов грунта с использованием локальных измерителей тока. При этом выполнены следующие теоретические и экспериментальные работы, получены следующие основные результаты:

1. Математическое исследование токового способа активного геоэлектрического мониторинга показало, что установка АГЭМ с ЛИТ при использовании современной измерительной аппаратуры может обнаруживать и отслеживать всплытие полости как процесс подготовки провалов грунта. Реакция установки на всплытие полости подобна реакции эквипотенциальной установки АГЭМ, что, при прочих равных, показывает преимущество токового способа в силу потенциально большей помехозащищенности измерений при помощи ЛИТ.

2. Исследование ЛИТ как геофизического измерительного прибора при помощи численного математического моделирования позволило определить зависимость величины тока, измеряемого ЛИТ, от параметров электрического поля. Для того, чтобы параметры зависимости не были связаны с формой и размерами корпуса самого ЛИТ, предложено два варианта усовершенствованной (дополненной) конструкции ЛИТ: устройство для выделения требуемой составляющей плотности тока и концентратор тока. На основе дальнейшего развития предложенных усовершенствований получен патент на изобретение (в соавторстве).

3. Определена конфигурация комплекса средств АГЭМ (в особенности -конфигурация и схемотехническая реализация аппаратных средств), оптимальная с точки зрения электромагнитной совместимости и устойчивости к воздействию высокочастотных помех, к которым наиболее чувствительна измерительная аппаратура (ЛИТ). Особенность конфигурации - минимизирована возможность появления на выходе измерительной аппаратуры наименее желательного паразитного низкочастотного сигнала той же частоты 73 Гц, что и частота следования импульсов тока генератора.

4. По результатам полевых экспериментов показана практическая возможность регистрации образования структурной неоднородности и изменения её свойств с помощью созданного комплекса средств АГЭМ с использованием ЛИТ.

По итогам работы достигнута основная цель - разработан и исследован комплекс средств токового способа активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока. Результаты, полученные при математических и экспериментальных исследованиях, показывают, что токовый способ активного геоэлектрического мониторинга позволяет регистрировать процессы образования или изменения свойств структурных

неоднородностей, в частности - связанных с процессами подготовки провалов грунта. Это показывает перспективность дальнейших исследований для развития метода и его практического применения.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций:

1. Геоэлектрические исследования процессов подготовки провалов грунта / E.H. Волкова, П.А. Казначеев. А.Н. Камшилин, В.В. Попов. // Геофизические исследования. - 2013. - Т. 14, № 3. - С. 64-79.

2. Казначеев П.А.. Камшилин А.Н., Попов В.В. Измерение локальной плотности тока в земной коре // Вестник МЭИ. - 2011. - № 5. - С. 57-63.

Патенты на изобретение:

3. Пат. 2483332 Российская Федерация, МПК7 G 01 V 3/08. Устройство для измерения компонент вектора плотности тока в проводящих средах / Волкова E.H., Камшилин А.Н., Казначеев П.А.. Попов В.В.; патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (ИФЗ РАН). - №2011149339/28 ; заявл. 05.12.2011 ; опубл. 27.05.2013, Бюл. № 15.-9 с.

Публикации в прочих изданиях:

4. Казначеев П.А.. Камшилин А.Н., Попов В.В. Комплекс аппаратуры для геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока // Геология в развивающемся мире: сб. науч. тр. (по материалам пятой науч.-практ. конф. студ., асп. и молодых ученых с междунар. участием). В 2 т. Том 2. -Пермь, 2012.-С. 6-9.

5. Казначеев П.А.. Попов В.В., Камшилин А.Н. Комплекс аппаратуры для геоэлектрического мониторинга: методика испытаний, обработка данных // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: восемнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : тез. докл. В 4 т. Том 1. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С. 238-239.

6. Применение локальных измерителей тока для геоэлектрического мониторинга / Волкова E.H., Камшилин А.Н., Казначеев П.А.. Попов В.В. // Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле: материалы 19-ой междунар. конференции. - М., 2011. - С. 60-64.

7. Казначеев П.А.. Камшилин А.Н., Попов В.В. Измерение плотности тока в земной коре // Материалы Пятой всероссийской школы-семинара имени М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна по электромагнитным зондированиям Земли. -ЭМЗ-2011. В 2 книгах. Книга 2. - СПб.: СПбГУ, 2011. - С. 329-330.

8. Геоэлектрический и сейсмоэлектрический мониторинг / Волкова E.H., Камшилин А.Н., Кравченко В.Б., Казначеев П.А.. Попов В.В. // Материалы Пятой всероссийской школы-семинара имени М.Н. Бердичевского и Л.Л.

Ваньяна по электромагнитным зондированиям Земли. - ЭМЗ-2011. В 2 книгах. Книга 1. - СПб.: СПбГУ, 2011. - С. 201-204.

9. Казначеев П.А.. Попов В.В. Разработка и исследование электронной аппаратуры для измерения плотности тока в земной коре // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: семнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : тез. докл. В 3 т. Том 1. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011.-С. 252-254.

10. Казначеев П.А., Попов В.В. Разработка и исследование электронной аппаратуры для генерации электрических полей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: шестнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : тез. докл. В 3 т. Том 1. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - С. 248-249.

Казначеев Павел Александрович

Разработка и исследование комплекса средств активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока

Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,5. Печать офсетная. Бумага офсетная 80 г./кв.м. Гарнитура Times New Roman. Тираж 100 экз. Заказ № 25.

Отпечатано: ООО «Информполиграф» 111123, Москва, ул. Плеханова, За

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Казначеев, Павел Александрович, Москва

ИФЗРАН МЭИ

На правах рукописи

04201456865

Казначеев Павел Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЕКСА СРЕДСТВ АКТИВНОГО ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛОКАЛЬНЫХ

ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ТОКА

Специальность 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных

ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

кандидат технических наук Попов В.В.

кандидат физико-математических наук

Камшилин А.Н.

Москва - 2014

Оглавление

Введение........................................................................................................................................6

Глава 1. Активный геоэлектрический мониторинг процессов подготовки провалов грунта с использованием локальных измерителей тока...................................................15

1.1. Провалы грунта и процессы их подготовки.............................................................15

1.1.1. Провалы грунта как природная катастрофа.....................................................15

1.1.2. Исследование процессов подготовки провалов грунта...................................17

1.1.3. Особенности процессов подготовки провалов грунта.....................................19

1.2. Средства активного геоэлектрического мониторинга...........................................24

1.2.1. Эквипотенциальная установка АГЭМ...............................................................24

1.2.2. Установка АГЭМ с использованием локальных измерителей тока.............28

1.2.3. Комплекс средств для АГЭМ с использованием ЛИТ.....................................33

1.2.4. Генерирующая аппаратура комплекса АГЭМ с использованием ЛИТ.......36

1.3. Выводы по главе.............................................................................................................40

Глава 2. Исследование установки активного геоэлектрического мониторинга с локальными измерителями тока математическими методами.......................................42

2.1. Расчёт схем установок активного геоэлектрического мониторинга...................42

2.2. Расчёт изменения измеряемых в установках АГЭМ величин при изменении положения и свойств неоднородности-полости...............................................................49

2.2.1. Задача расчёта поля в однородном проводящем полупространстве при наличии шаровой полости..............................................................................................49

2.2.2. Программа расчёта зависимости измеряемых величин от параметров среды и полости.................................................................................................................55

2.3. Численное математическое моделирование задачи со всплывающей полостью. Сравнение с расчётом...........................................................................................................58

2.3.1. Модель всплывающей шаровой полости в однородном проводящем полупространстве..............................................................................................................58

2.3.2. Результаты моделирования всплытия шаровой полости. Сравнение с расчётом..............................................................................................................................61

2.3.3. Модель всплывающей полушаровой полости в однородном проводящем полупространстве. Результаты моделирования..........................................................63

2.4. Определение возможностей установки АГЭМ с использованием ЛИТ и требований к измерительной аппаратуре........................................................................67

2.4.1. Возможности установки и требования к аппаратуре при измерении дифференциального аналогового сигнала Jmn............................................................67

2.4.2. Возможности установки и требования к аппаратуре при раздельной регистрации сигналов каждого из ЛИТ........................................................................72

2.5. Выводы по главе.............................................................................................................74

Глава 3. Исследование и разработка локального измерителя тока как измерительного прибора для активного геоэлектрического мониторинга...................76

3.1. Постановка задачи.........................................................................................................76

3.2. Восстановление величины плотности тока в среде по измеряемому ЛИТ току79

3.2.1. Искажение электрического поля около ЛИТ....................................................79

3.2.2. Локальный измеритель тока в однородном проводящем пространстве. Численное моделирование...............................................................................................81

3.2.3. Локальный измеритель тока в однородном проводящем полупространстве, влияние границы раздела сред. Численное моделирование.....................................87

3.3. Усовершенствование конструкции ЛИТ...................................................................91

3.3.1. Устройство для выделения требуемой составляющей вектора плотности тока.......................................................................................................................................91

3.3.2. Устройство для концентрации тока....................................................................93

3.4. Физический эксперимент. Проверка методики численного моделирования ....95

3.5. Электрическая часть ЛИТ. Измерительный канал................................................98

3.5.1. Разработка электрической части ЛИТ................................................................98

3.5.2. Измерительный канал с ЛИТ в составе комплекса АГЭМ..........................104

3.6. Выводы по главе...........................................................................................................107

Глава 4. Разработка генерирующей аппаратуры. Исследование электромагнитной совместимости генерирующей и измерительной аппаратуры.......................................109

4.1. Разработка генерирующей аппаратуры комплекса АГЭМ.................................110

4.1.1. Основные требования и состав генерирующей аппаратуры........................110

4.1.2. Разработка силовой части ГИТ..........................................................................113

4.1.3. Разработка системы управления ГИТ..............................................................117

4.1.4. Блок питания ГИТ от источника переменного напряжения 220 В, 50 Гц .119

4.1.5. Характеристики созданной генерирующей аппаратуры..............................124

4.2. Исследование электромагнитной совместимости генерирующей и измерительной аппаратуры АГЭМ.................................................................................127

4.2.1. Лабораторные испытания электромагнитной совместимости....................127

4.2.2. Лабораторные испытания воздействия ВЧ излучения на ЛИТ..................130

4.2.3. Проблема выпрямления ВЧ помех в микросхемах аналоговых усилителей

измерительных устройств..............................................................................................132

4.2.4. Способы уменьшения воздействия ВЧ помехи в измерительной части ....134

4.2.5. Воздействие модулированной ВЧ помехи от DC-DC преобразователя на локальный измеритель тока.........................................................................................138

4.2.6. Способы борьбы с появлением модулированной ВЧ помехи в генерирующей части.......................................................................................................146

4.3. Выводы по главе...........................................................................................................149

Глава 5. Полевые эксперименты с комплексом средств активного геоэлектрического мониторинга.............................................................................................................................151

5.1. Информационные и программные средства комплекса АГЭМ.........................151

5.1.1. Цифровая обработка сигналов в комплексе АГЭМ.......................................151

5.1.2. Особенности программных средств цифровой обработки сигналов..........155

5.1.3. Алгоритм цифровой обработки сигналов в комплексе АГЭМ....................158

5.1.4. Программная реализация алгоритма цифровой обработки сигналов.......160

5.2. Первый полевой эксперимент...................................................................................168

5.2.1. Схема первого полевого эксперимента.............................................................169

5.2.2. Численное математическое моделирование. Уточнение расчёта и определение параметров структурной неоднородности..........................................172

5.2.3. Постановка и результаты первого полевого эксперимента.........................175

5.3. Второй полевой эксперимент.....................................................................................183

5.3.1. Схема второго полевого эксперимента.............................................................183

5.3.2. Постановка и результаты второго полевого эксперимента..........................186

5.4. Выводы по главе...........................................................................................................193

Заключение...............................................................................................................................195

Список литературы.................................................................................................................198

Приложение 1...........................................................................................................................207

Приложение 2...........................................................................................................................210

Приложение 3...........................................................................................................................212

Приложение 4...........................................................................................................................213

Приложение 5...........................................................................................................................214

Приложение 6...........................................................................................................................215

Приложение 7...........................................................................................................................217

Приложение 8...........................................................................................................................221

Приложение 9...........................................................................................................................223

Приложение 10.........................................................................................................................224

Приложение 11.........................................................................................................................226

Приложение 12.........................................................................................................................227

Введение

Природные и природно-техногенные катастрофы ежегодно наносят существенный ущерб хозяйственной деятельности человека и уносят жизни людей. Провалы грунта являются природной катастрофой, которая может приводить к серьезным повреждениям хозяйственной инфраструктуры и провоцировать возникновение аварий, приводящих к гибели людей.

Провалы грунта обусловлены в первую очередь карстовыми и суффозионными процессами. Исследованием этих процессов занимались Саваренский И.А., Обручев В.А., Максимович Г.А., Соколов Д.С., Приклонский В.А., Сергеев Е.М., Попов И.В., Гвоздецкий H.A., Ломтадзе В.Д., Печеркин И.А., Дублянский Ю.В., Casteret N. (Кастере Н.), Corbel J. (Корбель Ж.), Cvijic J. (Цвиич Й.), Кутепов В.М., Толмачев В.В., Троицкий Г.И., Хоменко В.П., Давыдько Р.Б., Леоненко М.В., Катаев В.Н., Waltham А. (Уолтем Э.) и др., в том числе и с инженерно-геологической точки зрения. Исследователями были описаны и классифицированы явления и процессы, наблюдаемые в естественной среде, обобщены результаты лабораторных экспериментальных исследований.

На территории России карстовые, суффозионные и псевдокарстовые процессы распространены достаточно широко, и особенно выражены в некоторых регионах страны (Нижегородская область, Пермский край, Республика Башкортостан, Владимирская область, Московская область и др.), где представляют реальную угрозу.

Расширение географии хозяйственной деятельности человека и возрастающая антропогенная нагрузка на окружающую среду увеличивают риски природных катастроф. Это в полной мере относится к провалам грунта. Хозяйственная деятельность все больше охватывает территорию, где возможны провалы грунта, а интенсификация хозяйственной деятельности приводит к ускорению провалообразования.

Для обнаружения подготовки провалов грунта необходим геофизический мониторинг. На территории, где уже ведется хозяйственная деятельность, такой мониторинг позволит минимизировать ущерб, в частности, предотвратить возникновение техногенных аварий. Также мониторинг необходим для предварительного исследования территорий, подготавливаемых к ответственной хозяйственной деятельности.

Существующие методы наблюдения за процессами, связанными с провалами грунта, позволяют либо регистрировать активизацию процессов провалообразования по косвенным признакам (гидрогеологические наблюдения), либо регистрировать деформацию земной поверхности на поздних этапах провалообразования (регистрация

подвижек грунта). Также серьезными недостатками всех методов является нежелательная дискретность получаемой информации, дороговизна и технологическая громоздкость. Поэтому важной является задача разработки средств оперативного мониторинга процессов подготовки провалов грунта, основанного на других геофизических методах.

Геоэлектрический мониторинг - это геофизический мониторинг, основанный на методах электроразведки. Если электрическое поле в среде создаётся искусственно, например, как в методах постоянного тока, то такой мониторинг можно назвать активным геоэлектрическим мониторингом (АГЭМ). Основы методов постоянного тока разрабатывались такими учеными, как Петровский А.А, Семенов A.C., Тихонов А.Н., Заборовский А.И., Якубовский Ю.В., Альпин J1.M., Спичак В.В., Страхов В.Н., Огильви A.A., Бердичевский М.Н., Ваньян JI.JL, Жданов М.С., Хмелевской В.К., Шевнин В.А., Боголюбов А.Н., Светов Б.С., Модин И.Н., Schlumberger С. (Шлюмберже К.), Hummel J. (Гуммель И.) и др., в том числе для нужд инженерной геологии, например, для исследования карстовых процессов.

Основное отличие АГЭМ от электроразведки состоит в том, что необходимо по измеряемым параметрам поля отслеживать малые изменения параметров среды, а именно - изменение её структуры. Это условие определяет схему электрометрической установки, которая должна быть максимально чувствительна к изменению параметров поля (связанному с изменением структуры среды), а не к абсолютным значениям параметров. Примером такой установки может служить эквипотенциальная установка (эквипотенциальный способ мониторинга), предложенная в Институте физики Земли РАН (Волкова, Камшилин, Кравченко, 1983), в которой исходная установочная разность потенциалов минимальна.

Традиционный способ измерения в электроразведке при помощи пар электродов обладает рядом недостатков с точки зрения геоэлектрического мониторинга, для которого характерны стационарная установка аппаратуры, долговременные измерения малых вариаций и пр. Поэтому в ИФЗ РАН, опираясь на опыт использования эквипотенциальной установки, был предложен токовый способ мониторинга, при котором в качестве измерительных приборов используются локальные измерители тока (ЛИТ). Основная особенность ЛИТ - бесконтактное «локальное» измерение параметров электрического поля. Поэтому применение ЛИТ позволяет существенно повысить потенциальную помехозащищенность измерений - в отличие от электродов, отсутствует влияние контактных явлений электрод-среда, нет гальванической связи между генерирующей и измерительной аппаратурой, значительно меньше длина входной электрической цепи и можно обрабатывать сигнал (в т.ч. фильтровать помехи) непосредственно в самом ЛИТ.

Цель работы - разработать и исследовать комплекс средств активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока, и с помощью комплекса показать возможность регистрации образования и изменения свойств локальных структурных неоднородностей, в частности - связанных с процессами подготовки провалов грунта. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Произвести оценку основных параметров процесса подготовки провала грунта на основе обзора литературных данных.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

Информация о работе

Казначеев, Павел Александрович
кандидата технических наук
Москва, 2014
ВАК 25.00.10

Диссертация

Разработка и исследование комплекса средств активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Разработка и исследование комплекса средств активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы