Устройство для преобразования электрических и магнитных сигналов

Многоканальная аппаратура AMTФ (AMTF) обеспечивает преобразование электрических и магнитных компонент естественного электромагнитного поля Земли (ЕЭМПЗ) аудиомагнитотеллурического диапазона в электрические сигналы, усиливает их, уменьшает воздействие помех, производит цифровую широкополосную запись по восьми каналам.

Кроме того, аппаратура обеспечивает возможность проведения градуировок и контроля стабильности ее основных метрологических характеристик. Аппаратура снабжена пакетом программ, обеспечивающим управление работой аппаратуры, а также обработку и интерпретацию полевых наблюдений.

Конструкция устройства-преобразователя электрического поля

Конструкцией аппаратуры предусмотрена возможность измерений двух тангенциальных компонент электрического поля (Ex, Ey) и двух тангенциальных компонент магнитного поля (Hx, Hy).
Оставшиеся два канала используются для измерений вертикальных компонент электрического и магнитного полей в скважинах, или для подключения референсных каналов с целью уменьшения влияния некоррелированных сигналов полей-помех или шумов аппаратуры.

Таким образом, в комплект аппаратуры входят датчики горизонтальной составляющей электрического поля AMTF-e, магнитные индукционные датчики AMTF-t, измеритель-преобразователь AMTF-r, блок питания AMTF-p, и устройство калибровки AMTF-k, включающее генератор бинарного шума и калибровочную петлю или соленоид. Для работы с аппаратурой AMTF используется портативный компьютер, оснащенный двунаправленным (Bi-Directional) параллельным портом, имеющим возможность работы в расширенном режиме по стандарту PS/2.

Применение устройства для преобразования электрических и магнитных компонент поля Земли

Может использоваться для проведения диагностических работ на трубопроводах (газопроводах, нефтепроводах) комплексом геофизических низкочастотных и высокочастотных электромагнитных методов и методов на постоянном токе.

Позволяет реализовать следующие методы:

• метод сопротивлений (ВЭЗ, ТЭЗ, профилирование);
• метод заряда;
• метод естественного электрического поля;
• индуктивные методы электроразведки;
• магниторазведка – бесконтактные измерения защитных токов;
• определение местоположения и глубины залегания трубопровода;
• измерение электрических свойств грунта с использованием гальванических сопротивлений (измерения на дорожном покрытии, асфальте и камнях);
• измерение полей радиостанций;
• измерение электромагнитной эмиссии коррозионного растрескивания под напряжением;
  измерение вибраций трубопровода;
• измерение поляризационных потенциалов;
• напряженные состояния горных пород в районе трубопровода;
• 8 диапазонный переключатель позволяет проводить измерения на одной точке с 8 различными датчиками.

Комплектация аппаратуры AMTФ (AMTF)

В комплект аппаратуры входит Note Book, генератор широкополосных псевдослучайных импульсов, магнитные индукционные датчики, датчики горизонтальной составляющей электрического поля, генераторы: постоянный ток, 4,88 Гц, 625 Гц», активные электроды, стелющаяся антенна.

Результаты измерений заносятся во встроенную долговременную память прибора. Предусмотрена передача информации из памяти прибора в Note Book или персональный компьютер.

Датчики горизонтальных составляющих электрического поля обеспечивают преобразование электрического поля в электрический сигнал при разных условиях заземления (от 0 до 1МОм). Они представляют собой неполяризующиеся электроды с приэлектродными усилителями, питание которых осуществляется от стабилизированного источника питания, встроенного в измерительный блок. Входное сопротивление составляет не менее 20 МОм.

Датчики магнитного поля представляют собой переносные (до 7 кг) входные преобразователи магнитной индукции с чувствительностью 50 мВ/нТ и регламентированными шумами на частотах 10 и 100 Гц – соответственно 4010-6 и 110-6 нТл/Гц1/2. Восьмиканальный преобразователь сигналов (в дальнейшем преобразователь) предназначен для преобразования электрических аналоговых сигналов, поступающих с 8 различных датчиков поля в цифровой код, приемлемый для ввода в ЭВМ.

Технические характеристики устройства

Возможность проведения преобразования  электрических и магнитных компонент ЕЭМПЗ в электрические сигналы, их усиления, уменьшения воздействия помех,  выполнения цифровой широкополосной записм по восьми каналам прибора обеспечивают следующие параметры:

• диапазон рабочих температур – от -100 до +500C (при использовании утеплительных чехлов и специального табло – до – 200С);

Измеритель:

• число каналов: 8;
• диапазон частот: 0,1-300 000;
• подавление сигналов частот 50 Гц и 150 Гц 40 дБ (не менее);
• измеряемые параметры – отношение компонент поля;
• изменение усиления: дБ 20-80;
• шаг изменения усиления, дБ 6;
• основная погрешность модуля отношения компонент ЕЭМПЗ при соотношении сигнал-шум 10:1 и объеме выборки 2000;
• отсчетов на канал, % 5;
• диапазон изменения сигналов электрического поля мкВ/м/Гц1/2-мВ/м/Гц1/2 1-200;
• диапазон изменения сигналов магнитного поля фТл/Гц1/2-пТл/Гц1/2 6-3000;
• потребляемая мощность, вт 2;
• масса, габаритные размеры мм: 6,5 кг; 275х280х170;

Входные приемные устройства

Входные приемные устройства включают в себя: заземленные воздушные электроды, активные электроды, воздушная электрическая антенна, стелющаяся приемная антенна, стелющаяся приемная линия, магнитная антенна-феррозонд, индукционная магнитная антенна, акустические датчики, сейсмоприемники, воздушная электрическая антенна.

Генератор (рабочая частота 4,88 Гц)

• выходной стабилизированный ток 3-100 мА;
• выходной нестабилизированный ток 100-1000 мА;
• напряжение питания: 120,5 В;
• бинарный шум 0,1-4000;
• нестабильность выходного тока 2%;
• варианты внешнего источника питания: до 200 В;
• масса, габаритные размеры: 3,5 кг (без источника питания); 190х80х350 мм (генератор 0, 4.88 Гц); 3 кг (без источника питания); 190х80х250 мм (генератор 625 Гц);
•  выходные генераторные устройства: заземленные электроды;

Первичные преобразователи магнитной индукции (измерение электромагнитной эмиссии КРН)

• габаритные размеры 1060х110х165;
• масса в защитном контейнере с соединительным кабелем, кг 6,5;
• чувствительность в области частот 3-4000 Гц – мВ/70 нТл (не менее);
• неравномерность частотной характеристики в полосе 3-4000 Гц, дб 3 (не более);
  *  шумы на частоте 1000 Гц, нТл/Гц1/2 2 (не более);
  * шумы на частоте 1000 Гц, нТл/Гц1/2 40 (не более).

Первичные преобразователи электрического поля

• количество предусилителей в каждом преобразователе 2;
• входное сопротивление, мОм 1;
• относительная погрешность коэффициентов усиления;
• предусилителей в каждом преобразователе, % 1 (не более).

Измеритель-преобразователь АМТF-r предназначен для усиления, предварительной фильтрации аналоговых электрических сигналов, поступающих от преобразователей поля, и ввода их в компьютер в виде цифрового кода.

Блок измерителя-преобразователя состоит из следующих устройств, выполненных на печатных платах:

• питания;
• входных усилителей;
• контроля;
• аналоговых фильтров – восемь штук – по числу каналов;
• коммутационного устройства;
• управления и аналого-цифрового преобразования.

Принцип работы устройства и комплектующих элементов

Сигналы от преобразователей поля поступают на семь пар входов дифференциальных усилителей, расположенных на плате устройства входных усилителей. Дифференциальные усилители выполнены на малошумящих операционных усилителях 140 и 544 серий. Коэффициент усиления дифференциальных усилителей 20 дБ. Подавление синфазной составляющей более 50 дБ. Максимальный неискаженный сигнал на выходе дифференциального усилителя +/-2 В. На пятнадцати входах установлен RC-фильтр низких частот (ФНЧ), предназначенный для ослабления помех, вызванных полями радиостанций. С выходов устройства входных усилителей сигналы поступают на входы устройства контроля, через разделительные конденсаторы, на входы устройств аналоговых фильтров.

Устройство контроля служит для своевременного предупреждения оператора (световыми и звуковыми сигналами) о перегрузке в одном или нескольких преобразователях поля и о недопустимом снижении напряжения блока питания AMTF а также для мониторинга внешним средством регистрации (например – осциллографом) выходного напряжения любого преобразователя поля. На плате устройства контроля размещены: два шести входовых пороговых устройства, нагруженных на индикаторные светодиоды “+/-“; коммутатор с инвертирующим повторителем; два генератора тонального сигнала; устройство контроля напряжения питания. При положительной или отрицательной перегрузке любого канала загорается соответствующий светодиод и звучит звуковой сигнал соответствующего тона.

При снижении напряжения питания ниже 10.5 В звучит прерывистый звуковой сигнал. При мониторинге оператор выбирает канал, с помощью переключателя “CONTROL CHANNEL”, и соответствующий выход устройства входных усилителей через коммутатор и повторитель подключаются к соединителю “I CONTROL OUTPUT”. Одновременно к соединителю “II CONTROL OUTPUT” подключается аналоговый выход соответствующего канала – см. ниже. К выходу повторителя подключено пороговое устройство со второй парой индикаторных светодиодов “+/-“, которые загораются при перегрузке в выбранном канале.
В устройствах аналоговых фильтров происходит основная аналоговая обработка.

Измеритель-преобразователь содержит шесть, по числу каналов, идентичных плат устройств аналоговых фильтров. На плате размещены: два режекторных фильтра; аттенюатор; переключаемые фильтры низких (ФНЧ) и высоких (ФВЧ) частот. Активные режекторные фильтры на частоты 50 и 150 Гц могут включаться с помощью электронных ключей – программно. Коэффициент усиления в полосе пропускания режекторных фильтров равен единице.

Аттенюатор выполнен на основе десятиразрядного цифроаналогового преобразователя К572ПА1. Управление аттенюатором – программное. На этой же плате расположены дешифратор и двунаправленный регистр для записи и хранения управляющего кода. С выхода аттенюатора сигналы поступают на переключаемые активные фильтры, формирующие частотную характеристику аналоговой части измерителя-преобразователя и осуществляющие основное усиление – 60 дБ.

Фильтр состоит из последовательно включенных бесселевских ФВЧ второго порядка и ФНЧ четвертого порядка. Частота среза ФВЧ и ФНЧ выбирается оператором в зависимости от изучаемого частотного диапазона. Для ФВЧ это 0.1, 3 или 400 Гц, а для ФНЧ – 6, 600 или 4000 Гц. Переключение частот среза фильтров также программное.

Плата устройства коммутационного содержит: устройство выборки и хранения (УВХ); мультиплексор с буферным усилителем; коммутатор с повторителем; шесть преобразователей уровня. Выходы устройств аналоговых фильтров соединяются с входами УВХ, а также с входами коммутатора (для контроля – см.выше). Напряжение с выходов УВХ через мультиплексор и буферный усилитель подается на аналоговый вход устройства аналогово-цифрового преобразования. Преобразователи уровня служат для перехода от логических уровней +5В/0 к уровням +7В/-7В.

Устройство управления и аналого-цифрового преобразования содержит:

• аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), выполненный на основе микросхемы AD7892-1 фирмы Analog Devices,
• интерфейс связи с двунаправленным параллельным портом IBM,
• устройство управления.

Преобразованные АЦП сигналы в виде цифрового кода через интерфейс поступают на двунаправленный параллельный (“принтерный”) порт. Управляет работой АЦП, а также режимом аттенюаторов и аналоговых фильтров, устройство управления, в свою очередь получающее команды от компьютера через интерфейс.

Устройство управления содержит таймер, регистры хранения статуса: тестовых комбинаций, выбранных частотных диапазонов, степени ослабления сигнала в каждом из восьми аттенюаторов, и построено по шинному принципу. Имеются внутренние: четырехразрядные шина адреса и шина управления и двенадцатиразрядная шина данных. Интерфейс содержит шинные формирователи и преобразователи уровня КМОП-ТТЛ и ТТЛ-КМОП и предназначен для согласования внутренних шин с портами компьютера.

Устройство питания содержит преобразователь напряжения (для получения отрицательных напряжений питания), стабилизаторы напряжения: +5 В для питания цифровой части схемы, +/-7 В для питания аналоговых схем, +/-6 В для питания устройств контроля входных усилителей и преобразователей поля. Также, на плате устройства питания находится кварцевый генератор тактовых импульсов устройства управления.

Блок питания представляет собой герметичную аккумуляторную батарею, состоящую из последовательно соединенных щелочных аккумуляторов типа НКГ-11 и обеспечивающую напряжение (12+/-1.5)В.

Основой первичного преобразователя магнитной индукции АМТF-t является чувствительный элемент, представляющий собой датчик индукционного типа, состоящий из ферромагнитного сердечника с измерительной обмоткой и обмоткой обратной связи. Для построения аппаратной части АМТF-t использованы электронные компоненты фирмы Analog Devices. К выходу усилителя подключен ФНЧ Батерворта четвертого порядка, частота среза которого равна 5 кГц. Питание АМТF-t осуществляется через пассивный и активный сглаживающие фильтры, которые препятствуют проникновению помех по цепям питания. Все элементы АМТF-t защищены электростатическим экраном,предотвращающим воздействие сигнала электрической компоненты электромагнитного поля на АМТF-t. Соединительный пятижильный кабель оканчивается 9-контактным соединителем Canon.

Первичные преобразователи электрического поля АМТF-e представляют собой заземленные на концах электрические линии, содержащие приэлектродные усилители. В качестве заземлителей обычно используются латунные или неполяризующиеся электроды.

Приэлектродные усилители выполнены на основе прецизионных операционных усилителей с низким напряжением смещения и низким уровнем шума. Коэффициент усиления – 14 дБ. Отличие коэффициентов усиления приэлектродных усилителей, используемых в одном входном преобразователе электрического поля, менее 1 %.

Референсные преобразователи электрического поля АМТF-e представляют собой 4-х проводные электрические линии длиной 25 м, имеющие 2 предусилителя и соединитель для подключения к измерителю-преобразователю АМТF-r. Основные первичные преобразователи АМТF-e ) состоят каждый из двух частей. Каждая часть состоит из одного предусилителя, отрезка четырех-проводного кабеля, заканчивающегося соединителем для подключения к соответствующему гнезду АМТF-r.

Программное обеспечение аппаратуры для работы прибора и записи электрических сигналов

Поскольку аппаратура AMTF является программно управляемой, для обеспечения ее работоспособности требуется набор специальных программ. Рассмотрим разработанную авторами программу, предназначенную для контроля за работоспособностью прибора и для управления процессом записи зарегистрированных компонент ЕЭМПЗ в виде временных рядов.

Непосредственно после запуска программы проводится тест, позволяющий проконтролировать правильность подключения компьютера к прибору, инициализацию двунаправленного параллельного порта, а также корректность работы самого прибора. В случае обнаружения каких-либо нарушений, выдается соответствующее сообщение и программа завершает свою работу.

Программа дает возможность оператору управлять всеми настройками прибора с клавиатуры компьютера:

• выбирать количество каналов для регистрации, устанавливать требуемый частотный диапазон,
• регулировать частоту фильтров ВЧ,
• настраивать аттенюаторы,
• включать и отключать режекторные фильтры.

В режиме осциллографа оператор может контролировать поступающие на прибор сигналы и следить за перегрузками АЦП. В приборе предусмотрено 10 уровней аттенюации сигнала для каждого канала (от 1:1 до 1:1024), переключение аттенюаторов осуществляется не выходя из режима осциллографа. Значения аттенюаторов подбираются так, чтобы перегрузки АЦП отсутствовали, но в то же время ослабление сигнала было минимальным. В случае большого уровня промышленной помехи 50 Гц следует включить режекторные фильтры на 50 и 150 Гц.

Запись и обработка результатов измерения электрических сигналов

После выбора параметров работы прибора, приступают к регистрации компонент поля. В процессе регистрации вся выборка данных накапливается в оперативной памяти, проверяются на наличие аппаратурных сбоев, и, в случае отсутствия таковых, записывается данные в файл на жестком диске. Программа работает в защищенном режиме процессора через DOS-расширитель, что позволяет производить накопление данных в расширенной памяти компьютера.

Таким образом максимальное количество считываемых данных зависит только от объема ОЗУ. Например, для объема ОЗУ 8 Мб при работе с сигналами по 4 каналам может быть записано до 800000 дискретных значений по каждому каналу, что соответствует 8 часам для низкочастотного (0.05-12 Гц), 5 минутам для среднечастотного (3-600 Гц) и 70 секундам для высокочастотного (400-4000 Гц) диапазонов.

Записанные на жесткий диск компьютера файлы временных рядов для каждого частотного диапазона являются основным полевым материалом и подвергаются дальнейшей обработке при помощи разработанного авторами программного обеспечения. Непосредственно в полевых условиях вычисляются авто- и взаимноспектральные плотности мощности сигналов для горизонтальных электрических и магнитных каналов. По спектральным плотностям вычисляются значения когерентностей каналов, которые служат первичным критерием качества полученных материалов.