книги из ГПНТБ / Якубовский, Ю. В. Электроразведка учебник

Трехточечная прямолинейная установка AMN,B->oo. Отнесем одно нз питающих заземлений (например, В) на такое расстояние, чтобы создаваемая им между приемными заземлениями разность потенциалов была мала по сравнению с разностью потенциалов, создаваемой вторым питающим заземлением. Тогда полем удален­ ного заземления можно пренебречь. Установка, в которой одно из

сопротивление вычисляют по общей для метода сопротивлений фор­ муле (III.3). Выражение для коэффициента в данном случае можно получить из формулы (III.2) с учетом того, что величины гвм и rBN намного больше значений гАМ и rAN. Тогда, пренебрегая величинами 1 ІГвм И l/rBN, получим:

Для уменьшения длины проводов заземление В выгоднее отно­ сить в бесконечность по линии, проходящей через центр отрезка M N перпендикулярно к нему, так как в этом случае разность потенциа­ лов между точками М и N , создаваемая заземлением В , в неоднород­ ной среде будет меньше, чем в случае, если это заземление располо­ жено на прямой, соединяющей точки М , N. В однородной среде при рекомендуемом положении заземления В разность потенциалов, создаваемая им, вследствие равенства гвы и rBN будет равна нулю.

Иногда, исходя из конкретных условий полевых работ, заземле­ ние В приходится относить в бесконечность по линии, совпадающей с прямой AB. В этом случае расстояние до заземления в бесконеч­ ности рекомендуется брать равным 10—15-кратному расстоянию между центром измерительной линии и электродами А или В.

Двухточечная установка AM, N—>оо. Она отличается от трех­ точечной тем, что в ней одно из измерительных заземлений (в данном случае N ) отнесено от обоих питающих и второго измерительного заземлений на расстояние, достаточно большое для того, чтобы потен­ циал его практически был равен нулю (рис. 25, в). Таким образом, измерив разность потенциалов между приемными заземлениями, мы фактически измерим потенциал UM точки М, созданный питающим заземлением А. Величина рк и в данном случае определяется из выражения (III.3).

Если в (III.2) принять rAtf, гвм и rBN бесконечно большими, мож­ но получить следующую формулу для коэффициента двухточечной установки:

К — 2ягдм. (III.7)

Установка с вынесенными измерительными заземлениями. Эта установка относится к числу непрямолинейных предельных устано­

практически однородно. Коэффициент установки с вынесенными изме­ рительными заземлениями рассчитывается по общей формуле (III.2) или при помощи специальных номограмм.

Дипольные установки. Характерной особенностью дипольных установок является то, что в них приемные и питающие заземления

попарно сближены между собой настолько, что величины гАВ и rMN намного меньше расстояния между центрами отрезков AB и MN.

В зависимости от взаимного расположения питающего и прием­ ного диполей различают несколько типов дипольных установок. Классификацию их предложено (Л. М. Альпин) производить по величине угла у между осью измерительного диполя и радиусомвектором, проведенным из центра питающего диполя в центр прием­ ного, а также по величине угла Ѳ между осью питающего диполя и этим радиусом-вектором (рис. 27).

52

В зависимости от угла у различают следующие наиболее часто применяемые установки:

1) а з и м у т а л ь н а я у с т а н о в к а — ось измерительного диполя перпендикулярна к радиусу-вектору г, проведенному из цен­ тра питающего диполя в точку наблюдения (у = я/2);

=я/2 — Ѳ);

3)р а д и а л ь н а я у с т а н о в к а — ось измерительного ди­

ал ь н ы е (Ѳ — 90°) и установки с произвольным значением Ѳ. Кажущееся удельное сопротивление при измерении дипольной

установкой определяется по общей формуле (III.3).

Для вычисления коэффициента дипольной установки может быть использовано выражение (III.2). Преобразование этого выраже­ ния к виду, более удобному для вычисления, представляет некото­ рую сложность и здесь не приводится. В качестве примера укажем,

где Ä"BMN 11 ^ AMN — коэффициенты трехточечных установок с раз­ мерами, равными соответствующим размерам дипольной установки.

§ 3. ПРИНЦИП ВЗАИМНОСТИ

Представим две четырехточечные установки, отличающиеся одна от другой тем, что их питающие и приемные заземления переста­ влены местами. Обе установки помещены на плоской поверхности однородной среды с удельным сопротивлением р.

Коэффициенты К 1 и К 2первой и второй установок согласно фор­ муле (II 1.2) будут равны:

Учитывая, что

г А М = Г М А , f A N = r N A и т - Дч

можно сделать заключение, что К г = К 2.

В однородной среде разность потенциалов между приемными заземлениями определяется для обеих установок выражениями

AUx — p/j/ІГі, AU2 = p/2//t 2-

Если токи, протекающие в обеих установках, равны, т. е. / г =

остается сила тока в цепи питающих заземлений.

Это положение можно доказать и для среды неоднородной и анизотропной. Не останавливаясь на доказательстве, посмотрим, как связаны между собой кажущиеся удельные сопротивления, измерен­ ные установками, в которых питающие и приемные заземления вза­ имно заменены.

Очевидно, что для установки AMiNB

Рк, — КхАUх/Іх»

для установки MABN

рк2= Кп АU2/^2-

Так как К г = К 2, то при условии равенства токов І г и / 2 будет

щееся удельное сопротивление не зависит от силы тока в цепи пита­ ющих заземлений измерительной установки, последнее равенство будет справедливо и для случая, когда I х =h 11 -

Это положение известно в электроразведке под названием п р и н ­

ци п а в з а и м н о с т и .

§4. АППАРАТУРА И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАБОТЫ

МЕТОДОМ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Для производства полевых работ методом сопротивлений тре­ буется прежде всего прибор, позволяющий измерять разность потен­ циалов между двумя точками на дневной поверхности и силу тока, посылаемого в землю через электроды А и В. Кроме того, необхо­ димо иметь источники питания, провода и катушки для них, зазем­ ления, а также другое вспомогательное оборудование.

Применяемая аппаратура и оборудование должны удовлетворять требованиям, определяемым сложностью условий, в которых прихо­ дится проводить полевые работы. К этим требованиям относятся, в первую очередь, надежность в работе, повышенная прочность в сочетании с легкостью и портативностью, а также простота в обра­ щении. Измерительные приборы должны обладать влаго- и пылене­ проницаемостью.

Разность потенциалов обычно изменяется от десятых долей до нескольких сотен милливольт; сила тока — от единиц миллиампер

54

до единиц и реже десятков ампер. Относительная погрешность измерений разности потенциалов и силы тока не должна превышать 1,5—2,5%, что обеспечивает определение рк с относительной погреш­ ностью не свыше 5%.

При полевых работах методами постоянного тока помимо измеря­ емой разности потенциалов между электродами М и N действует разность потенциалов полей-помех. Первая из этих помех связана

сается с растворами, находящимися в порах горных пород. В резуль­ тате процессов, до некоторой степени аналогичных процессам, про­ исходящим в гальванических элементах, стержень приобретает некоторый потенциал, отличный от потенциала почвы. Этот потен­

электродного потенциала обычно непостоянна и со временем ме­ няется, особенно для железных электродов. Другой источник помех — естественные электрические поля, происхождение которых будет рассмотрено в гл. V.

Помехами при измерении кажущегося сопротивления являются б л у ж д а ю щ и е т о к и , связанные с утечками тока из про­ мышленных электрических установок, линий электропередач, рель­ сов электрофицированных железных дорог и др.

Для устранения описанных выше помех в измерительных прибо­

Во всех приборах применяется общий принцип измерения силы тока, поступающего в землю. В питающую цепь последовательно включается эталонированное сопротивление і?э. Согласно закону Ома, падение напряжения АС/э на таком сопротивлении

№I3 —I R 3,

где / — сила тока в питающей цепи.

Следовательно, измерив падение напряжения на известном сопро­ тивлении, можно вычислить силу тока по формуле

/ = АС/Э/І?Э.

Величины АС/э и tJJMN измеряют одним и тем же прибором. Описанный выше способ измерения силы тока выгоден прежде всего тем, что относительные погрешности в определении АС/ и I одина­ ковы и на отношении этих величин не сказываются. Кроме того, отпадает необходимость в применении специального прибора для измерения силы тока.

Ниже описываются принципиальные схемы измерительных при­ боров, применяемых при работе методом сопротивлений и некото­ рыми другими методами электроразведки постоянными полями.

55

Компенсационный способ измерения разности потенциалов

Сущность компенсационного способа измерения разности потен­ циалов заключается в сравнении подлежащей определению и эталон­ ной разности потенциалов. Источником эталонной разности потен­ циалов обычно служит сухой элемент с потенциометрическим дели­ телем напряжения.

Для того чтобы уяснить сущность компенсационного способа, обратимся к схеме, изображенной на рис. 28. Через проволочное сопротивление CD от элемента Э течет ток і в направлении, указан­ ном на рисунке стрелкой. Точка т через гальванометр соединена с электродом М приемной цепи, а точка п — непосредственно с элек-

Рис. 28. Принципиальная схема установки для измерения ком­ пенсационным способом.

а — без компенсатора поляризации; б — с компенсатором поляризации.

тродом N. В образованном замкнутом контуре MmnN действуют две разности потенциалов: измеряемая AUMN, обусловленная электри­ ческим полем в земле, и компенсирующая AUmn, создаваемая паде­ нием напряжения компенсационного элемента на сопротивлении CD.

Суммарная разность потенциалов AU в контуре

AU = AUMN+ AUтп.

Для определения знака разности потенциалов следует какое-либо направление в контуре принять за положительное (на рис. 28, а за положительное взято направление по часовой стрелке) и считать эту разность положительной, если потенциал передней по ходу точки контура больше, чем потенциал задней точки. (Очевидно, при ука­ занных на рис. 28 стрелками направлениях тока величина AUmn отрицательна, a AUMN положительна.)

Согласно закону Ома, ток в контуре MmnN будет равен суммар­ ной разности потенциалов, деленной на сопротивление контура. В этом случае, когда обе действующие в контуре разности потенциа­ лов равны по абсолютной величине и обратны по знаку, т. е. когда AUMN — —AUmn, суммарная разность потенциалов в контуре будет равна нулю, что отмечается нулевым показанием гальванометра (отсутствием отклонения его стрелки).

56

Иначе говоря, если в контуре MmnN ток отсутствует, то ДUMN = hJJтп-

Если при этом каким-нибудь способом получить величину ДUmn, то тем самым определится и интересующая нас величина AUMN. Существенным является то, что при положении компенсации, т. е. когда измеряемая разность потенциалов уравновешивается компен­ сирующей, тока в измерительной цепи нет и сопротивление электро­ дов этой цепи не сказывается на результатах измерения. Это обстоя­ тельство и послужило причиной широкого применения компенса­ ционного способа измерений в электроразведке.

На рис. 28, б в рассмотренную выше схему добавлен к о м п е н ­ с а т о р п о л я р и з а ц и и . Источником компенсирующей раз­ ности потенциалов в компенсаторе служит сухой элемент Эк а , ток от которого создает на сопротивлении Л падение напряжения, исполь­ зуемое для компенсации помех. Величина компенсирующей разности потенциалов ступенчато и плавно изменяется при помощи сопроти­ вления Лдоп, последовательно включенного в цепь элемента Экп .

Описанный выше компенсационный способ измерения разности потенциалов применен в э л е к т р о р а з в е д о ч н о м п о т е н ­ ц и о м е т р е ЭП-1.

Автокомпенсационный способ измерения разности потенциалов

Существенным недостатком электроразведочного потенциометра является то, что при работе в районах с неблагоприятными усло­ виями заземлений низкая чувствительность измерительной линии не позволяет с необходимой точностью измерять малые разности потенциалов. Другой недостаток потенциометра — необходимость последовательного ручного подбора компенсирующей разности потен­ циалов, что снижает производительность труда и требует от опера­ тора определенных навыков, приобретаемых не сразу.

От указанных недостатков свободен автокомпенсационный способ измерения разности потенциалов, который характеризуется тем, что компенсирующая разность потенциалов подбирается автоматически без участия оператора.

Существуют различные автокомпенсационные схемы, отлича­ ющиеся одна от другой главным образом способом установления компенсирующей разности потенциалов: электромеханические, фото­ электрические, электронные и др. В электроразведке применяется э л е к т р о н н ы й а в т о к о м п е н с а т о р ЭСК с непосредст­ венным отсчетом измеряемой разности потенциалов. Принципиаль­ ная схема этого автокомпенсатора изображена на рис. 29.

В электронно-стрелочном автокомпенсаторе ЭСК источником компенсирующего напряжения является усилитель постоянного тока У ■ На вход этого усилителя подается разность измеряемого между точками М и N напряжения АUMN и компенсирующего напряжения АUmn, создаваемого между точками т и п выходным током / 2 усили­ теля У :

АU! = АUMN— АUтп.

57

Если коэффициент усиления обозначить через К, то напряжение на выходе усилителя AU2 определится из выражения

AU2 =*К (АUMN—АUтп),

а ток /о, текущий через сопротивление R K, — из выражения

Учитывая, что коэффициент усиления К намного больше еди­ ницы, а г <£ R, последнее выражение можно упростить:

/ 2 = AUMN/R KI

т. е.

AUMN—I iR«.

58

Таким образом, измеряемая разность потенциалов пропорцио­ нальна силе тока в выходном контуре, причем коэффициентом про­ порциональности является сопротивление Лк. Отсюда вытекает возможность прямого стрелочного отсчета измеряемой разности потенциалов при сохранении компенсационного способа измерения.

Точность измерений описываемым способом практически не зави­ сит от стабильности коэффициента усиления усилителя постоянного напряжения и определяется главным образом классом точности микроамперметра рА, а также стабильностью сопротивления RK.

Пределы измерений варьируют путем изменения величины этого сопротивления. Для компенсации поляризации электродов и внеш­ них полей в измерительный контур вводят компенсатор поляри­ зации.

Рис. 30. Скелетная схема автокомпенсатора ЭСК.

Кл в — ключ замыкания питающей линии; К Л — компенсатор поляризации; И — эталони­

рованное сопротивление для измерения силы тока; БП — блок питания; ЗГ — генератор зву­ ковой частоты; ВП — вибропреобразователь; У — усилитель; jxA — микроамперметр; БК — блок контроля; переключатели: Л і — полярности измерений АС/, Л 2 — рода работы, Л3 — пределов измерений.

В автокомпенсаторе ЭСК измерение силы тока в питающих ли­ ниях электроразведочных установок сводится к измерению падения напряжения на эталонном сопротивлении 0,1 Ом. На рис. 30 изо­ бражена скелетная схема выпускаемого в настоящее время автоком­ пенсатора ЭСК.

По сравнению с потенциометром ЭП-1 автокомпенсатор обладает некоторыми преимуществами, из которых наиболее существенным является высокое входное сопротивление прибора, во много раз превышающее сопротивление заземлений приемной линии даже при работе в районах с тяжелыми условиями заземлений (сухие пески, каменистые осыпи и др.). К преимуществам прибора следует отнести также отсутствие ключа одновременного замыкания. Прямой отсчет измеряемой разности потенциалов позволяет с большей скоростью выполнять измерения.

Стрелочный автокомпенсатор имеет также и некоторые недо­ статки. Высокое входное сопротивление прибора приводит

59

при работе в условиях повышенной влажности к появлению утечек из измерительной линии на корпус прибора. Наличие в районе работ изменяющихся со временем внешних полей-помех затрудняет изме­ рение малых разностей потенциалов. Кроме того, автокомпенсатор представляет собой сложную электронную схему, в связи с чем экс­ плуатация его требует от оператора достаточно высокой квалифи­ кации.

Гальванометрический способ измерения разности потенциалов (способ Петровского)

Для измерения разности потенциалов между двумя точками земли может быть использован любой гальванометр, чувствитель­ ность, внутреннее сопротивление и точность которого соответствуют требованиям, вытекающим из методики полевых электроразведоч-

ных работ.

На рис. 31, а изобра­ жена схема измеритель­ ной цепи электроразведочной установки, причем в качестве измерительного прибора в эту цепьвключен милливольтметр. Как изве­ стно, показания милли­ вольтметра определяются силой тока, текущего через

обмотку этого прибора. В свою очередь сила тока зависит согласно за­ кону Ома от разности потенциалов на входе прибора и полного сопро­ тивления цепи, в которую включен прибор. В данном случае это сопро­ тивление складывается из сопротивления заземлений М и N , сопро­ тивления проводов измерительной линии и внутреннего сопроти­ вления прибора. В то время как две последние величины постоянны и легко могут быть определены, сопротивление заземлений зависит, как известно, от сопротивления той среды, в которую они забиты, от их конфигурации и размеров. При перемещении электроразведочной установки с одного места на другое сопротивление заземлений изменяется. Определение сопротивления заземлений измерительной линии при каждом ее положении на дневной поверхности хотя и возможно, но практически нецелесообразно, так как это существенно замедлило бы процесс полевых работ. Таким образом, при каждом положении измерительной установки на дневной поверхности показа­ ния милливольтметра зависят от неизвестной нам величины сопроти­ вления заземлений, которая к тому же соизмерима или значительно больше значения сопротивления остальных элементов измеритель­ ной линии. Вследствие этого сами измерения теряют определен­ ность.

А. А. Петровским предложен прием, позволяющий устранять указанный выше недостаток измерения ДU в токовом режиме. Этот

60