NO137976B - Fremgangsm}te og anordning for bestemmelse av elektriske felter ved prospektering - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og en anordning

for på digital måte ved prospektering å bestemme det komplekse elektriske felt som dannes i jorden ved innmatning i jorden av en vekselstrøm, ved bestemmelse av potensialforskjeller i dette felt med hensyn til fase og amplitude.

Innen geofysikken har det lenge vært kjent å utnytte elektriske metoder for prospektering etter malmer eller andre subterrestriske materialforekomster, og etterhvert er det blitt utviklet flere sådanne metoder som har som formål å bestemme ved lave frekvenser av størrelsesorden 0,01 - 10 Hz de elektris-

ke felt som oppstår ved disse metoder. De aktuelle metoder blir vanligvis sammenfattet under betegnelsen metoder for in-dusert polarisasjon eller forkortet IP-metoder. Disse metoder er basert på det forhold at dersom et elektrisk felt påtrykkes <g>runnfjellet gjennom elektroder som er nedført i jorden, opp-

står det i grunnfjellet og særlig i grensesjiktene mellom malm-mineraler og visse andre mineraler, oppladninger og utladninger som forårsaker forstyrrelser i det normale elektriske felt.

Dersom det påtrykkes et tidsvarierende elektrisk felt, f.eks.

et vekselfelt fra en vekselstrømsgenerator, forårsaker de såkalte IP-effekter at vekselspenningen mellom to punkter i nær-heten av et forstyrrende legeme, f.eks. et malmlegeme, ikke blir den samme som den skulle ha vært dersom det forstyrrende legeme ikke var til- stede. Spenningen kan derved forandres både med hensyn.til amplitude og fase.

I praksis tilveiebringes det nevnte felt ved at en elektrisk strøm fra en strømkilde innmates i grunnfjellet gjennom, to elektroder som nedføres i jorden, eller gjennom et elektrodesystem som kan bestå av et større antall elektroder.

Iblant utnytter man for innmatningen to eller flere såkalte linjeelektroder som kan betraktes som et elektrodesystem med et uendelig antall punktelektroder. I praksis studeres vanligvis det frembragte elektriske felt ved at man måler spenningsforskjeller mellom potensialmåleelektroder som er anbragt i to punkter på jordoverflaten. Vanligvis ±>estemmes spenningsfor-skjellene systematisk mellom punktpar som ligger langs én eller flere profiler. Dersom det finnes borehull innenfor måleområ-det, er det også mulig å oppnå et tredimensjonalt bilde av det elektriske felt.

Ved utøvelse av IP-metoder i praksis støter man på flere vanskeligheter som man har forsøkt å overvinne på forskjellige måter, men som man ikke helt har kunnet fjerne.

Dersom to elektroder nedføres i jordoverflaten i to punkter i en viss avstand fra hverandre, foreligger det oftest en spenningsforskjell mellom disse. Denne spenningsforskjell har flere årsaker. En forholdsvis konstant spenningsforskjell som kalles selvpotensial eller SP, kan være forårsaket av gal-vaniske strømmer i omgivelsen av forvitrede malmlegemer, eller også av konsentrasjonsforskjeller i elektrolytter i jordoverflaten. Andre årsaker til spenningsdifferansen er telluriske strømmer, TP, av mer regionalt omfang, og kunstige eller arti-fisielle jordstrømmer, AP, fra kraftverksnett, jernbane- og sporveisnett og lignende. De sistnevnte forstyrrelser forårsaker mer eller mindre periodiske vekselspenninger eller transien-ter som overlagres spenningsdifferansene fra det elektriske felt som skal studeres, og de utgjør derfor alvorligere forstyrrel-aesproblemer enn forstyrrelser fra det mer konstante selvpotensial SP. For å redusere innflytelsen av de nevnte forstyrrel-seskilder, har man forsøkt å øke feltstyrken for det elektriske felt som påtrykkes grunnfjellet, men denne mulighet er ganske hegrenset på grunn av at man da må øke spenningen mellom strøm-elektrodene så mye at måleanordningen blir farlig å håndtere.

De forskjellige IP-metoder kan prinsipielt oppdeles i to grupper, såkalte pulsmetoder og vekselstrømsmetoder.

Ved pulsmetodene anvendes vanligvis en kommutert like-strøm som reguleres slik at den innmatede strøm står innkoblet en viss tid. Deretter brytes strømmen i et visst tidsintervall, og slås deretter på med omvendt polaritet i like lang tid som den førstnevnte tidsperiode, og brytes igjen. Dette gjentas regelmessig; Ved>r denne type av- målemetoder bestemmes IP-effek-ten, dvs. den informasjon som senere ligger til grunn for den geofysiske beregning,- ved måling av den mellom måleelektrodene eksisterende:spenningsdifferanses reduksjon som funksjon av ti-den. Således måles de spenningsforskjeller Av som opptrer mellom potensialelektrodene eller måleelektrodene, ved visse tider, t-p t2, t3 ..... etter at" strømmen er brutt. Teknisk sett måles i dette tilfelle middelspenningen i forholdsvis korte tidsinter-valler (t-j^, t-^ + AtK; (t2, t2. + At) osv. Overlagrede forstyrrelser av TP- og AP-type kan i denne forbindelse innvirke ska-delig på måleresultatene dersom.de inntreffer i de valgte tids-intervaller . En metode for å redusere forstyrrelser fra transi-enter og forstyrrelser av denne type går ut på å velge større tidsintervall tj_-, t^ + At, dvs. større At., og måle middelspenningen som voltsékunder/sekund, dvs. integralet:

I dette tilfelle blir selvsagt de forskjellige tids-posisjoner mindre godt definert. På grunn av forstyrrelsene foreligger det således vesentlige vanskeligheter når det gjel-der å bestemme nøyaktig spenningsdifferansens hendøingskurve, hvilket på sin side medfører stor usikkerhet ved den etterføl-gende geofysiske beregning.

Ved anvendelse av vekselstrøm-IP-metoder innmates en vekselstrøm i jorden gjennom strømelektrodene. For oppnåelse av informasjon om den geologiske situasjon har man her valgt å bestemme faseforskjellen mellom den innmatede vekselstrøm og den

-mellom potensialelektrodene målte vekselspenning, og man har i denne forbindelse gått frem slik at en spenning som er proporsjonal med primærstrømmen og en spenning som er proporsjonal med spenningsforskjellen melTom,potensialelektrodene, tilkob-les til hvert sitt platepar i et oscilloskop. Fasevinkelen bestemmes siden ut fra den Lissajou-figur som dannes på oscil-

ioskopets billedskjerm. Målesystemet må i dette tilfelle være forholdsvis bredbåndet, hvilket medfører stor støyfølsomhet for TP- og AP-forstyrrelser. Ved bestemmelse av fasevinkler ved hjelp av Lissajou-figurer er det alltid stox usikkerhet i måle-resultatet, og en ytterligere ulempe ved denne målemetode er at måleapparaturen blir ganske dårlig egnet for feltbruk.

Ved andre kjente målemetoder med vekselstrøm-IP-metoder forsterkes den fra potensialelektrodene avfølte spenning,

hvorved- amplitudene for forskjellige frekvenser sammenlignes inn-_ byrdes. Også ved denne metode blir innvirkningen av såvel periodiske som :,aperiodiske TP- og AP-forstyrrelser betydelige.

For å oppnå bedre informasjon om det elektriske felt ved geofysiske målinger, har man tidligere foreslått anvendelse av vekselstrømskompensering, idet den målte spenning bestemmes med hensyn til fase og amplitude i forhold til den innmatede vekselstrøm. Ved de kjente innretninger har man derfor anordnet en trådforbindelse mellom strømkilden og måleenheten for overfø-ring av det synkroniseringssignal som kreves for kompenserings-målingen. Disse trådforbindelser er imidlertid usmidige og upraktiske ved anvendelse i terrenget, og utgjør dessuten en kilde til forstyrrelser i systemet. En ulempe er videre at måle-enhet og strømkilde ved disse kjente innretninger må ligge på samme likespenningspotensial, eller utstyres med likespennings-isolerende organer som kan påvirke synkroniseringen, særlig dersom det skal utføres målinger ved forskjellige frekvenser.

Man har videre foreslått å forenkle synkroniserings-arrangementet ved at det for synkronisering av den kompenserings-spenningsgenererende innretning med den innmatede vekselstrøm, anordnes en i måleanordningen plassert presisjonsklokke, f.eks. en kvartsoscillator, som på forhånd er synkronisert med den fra strømkilden innmatede vekselstrøm, slik at den arbeider med en kjent faseforskyvning, fortrinnsvis 0°, i forhold til denne.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å til-veiebringe en ytterligere forbedret fremgangsmåte og en ytterligere forbedret anordning for bestemmelse av det komplekse felt ved prospektering, med ytterligere forbedret nøyaktighet, redu-sert måletid og muliggjørelse av enkel automatiske datainnsam-ling.

En fremgangsmåte og en anordning ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved de trekk, som er angitt i patentkravene.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende ved hjelp av et utførelseseksempel under henvisning til tegnin-gene, der Fig. 1 viser et meget forenklet skjema som illustre-rer en strømgenerator og ert mottager eller måleanordning,

Fig. 2 viser en pulsrekke,

Fig. 3 viser et blokkskjema av måleanordningen eller mottageren, og Fig. 4.viser et eksempel på den i måleanordningen inn-gående sentrale s-tyreenhet. Anordningen, ifølge oppfinnelsen er på fig. 1 skjema-tisk vist å omfatte en mottager 41 med et i jorden 43 innført elektrodepar 1 som består av elektroder Pl og P2. Et elektrisk vekselfelt påtrykkes på grunnfjellet ved hjelp av en strømgene-rator 42 som har i jorden innførte elektroder P3 og P4. Strøm-generatoren eller senderen 42 utsender en sinusformet strøm til jorden 43 med en frekvens som fortrinnsvis er et submultiplum av 50 Rz, f.eks. frekvensen 1 Hz. I mottageren eller måleanordningen 41.finnes det tilgjengelig en til denne strøm refe-rert spenning med den egenskap at faseforskjellen i forhold til strømmen er null. Over måleelektrodeparet 1 fås en spenning U(t) som omfatter fire komponenter, nemlig: 1. En spenningskomponent som er i fase med den fra strøm-generatoren. 42 utsendte, strøm og som i det følgende skal benevnes som reell komponent. 2. En spenningskomponent som er 90° ute av fase med den utsendte strøm og som i det følgende skal benevnes imaginær komponent. 3. Den mellom måleelektrodene Pl og P2 på grunn av naturen forekommende likespenningskomponent, det såkalte selvpotensial, hvilken komponent i det følgende skal benevnes SP-kompo-nenten. 4. En ikke ønsket komponent som utgjøres av elektriske

forstyrrelser i jorden av både naturlig og kunstig opprinnelse.

Spenningen U(t) mellom elektrodene Pl og P2 skal for oppfinnelsens formål omformes til pulstog med en frekvens som er proporsjonal med beløpet av spenningens øyeblikksverdi. Ved omformingen skal man også oppnå størrelsen sign [U(t)], dvs. fortegnet for spenningen U(t).

Spenningen U(t) skal integreres over et visst tidsintervall T, og. pulsene- skaisderfor regnes i.løpet av dette in-tervall idet det tas spesielt hensyn til sign [U(t)].

På fig. 2 er vist to referansespenninger f-^(t) hhv. f2(t) hvor den øvre representerer den reelle komponent og er i fase med denne, mens den nedre representerer den imaginære komponent for spenningen Uj[t) og er i fase med denne.

De tre første ovenfor angitte spenningskomponenter kan skrives som de første tre komponenter i en Fourier-rekke:

hvor U(t) er spenningen over måleelektrodeparet 1, Ugp er SP-komponenten, URg er den reelle komponent og UIm er den imaginære komponent.

I ligning (1) er

der T er telletiden som velges lik et helt multiplum av nett-frekvensperiodetiden 20 ms.

Med referansespenningene ifølge fig. 2 fås:

og videre sign [U(t)] ovenfor kan anta verdiene + og -, svarende, til pulssummering henholdsvis pulssub.trahering.

kan anta verdiene +1 eller -1 (se kurvene på

F(sin(k-U(t)•t)) = F(x) antar verdiene 1 når x = sin(k-U(t)•t) = 0 og verdien 0 når x / 0.

k er en konstant.

De søkte størrelser Usp/ URg og UIin kan da direkte bestemmes ved hjelp av elektroniske tellere med frem- tilbake-

funksjon som styres av produktet sign[U(t)]*f(t).

Hensikten med å ha et integrerende målesystem er at man skal oppnå høy støy- og forstyrEelsesundertrykkelse. Inte-grasjonstiden T velges passende som et multiplum av nettfrekven-sens (50 Hz) periodetid 20 ms, slik som foran angitt, for at man skal få en høyverdig undertrykkelse av de forstyrrelser som forårsakes av det elektriske distribusjonsnett.

Måleanordningenseller mottagerens virkemåte skal i det følgende beskrives nærmere i forbindelse med fig. 3 som viser et hlokkskjema av denne.

Den mellom måleelektrodene Pl og P2 (klemmeparet 1) opptredende målespenning U(t) påtrykkes på inngange til en spen-ningsfrekvensomformer 2, som overfører denne spenning av analog natur til et pulstog som er passende for digital behandling. Signalet fra måleelektrodene er som foran nevnt sammensatt av en reell, en imaginær og en SP-komponent, og dessuten av på disse overlagrede forstyrrelser som er forårsaket av i jorden av naturen forekommende strømmer av stokastisk natur, samt av mennesker frembragte jordstrømmer av forskjellige typer. Det av omformeren 2 avgitte pulstog har en frekvens som er proporsjonal med beløpet av den spenning som opptrer mellom elektrodene 1. Dette pulstog tilføres til utgangen 3. På utgangen 4 avgis en logisk informasjon om spenningens polaritet til en sentral styreenhet 5.

Måleanordningen er oppdelt i tre parallelle kretser som har som oppgave å beregne henholdsvis den reelle målekomponent, den imaginære målekomponent og SP-målekomponenten.

Hver kanal inneholder en teller 20, 21, 22, en puls-forsinker 23, 24, 25, en minneanordning eller hukommelse 26, 27, 28, en dekoder 29, 30, 31 og en sifferindikator 32, 33, 34.

For å muliggjøre beregning av de tre målekomponenter, kreves tilgang til en referansespenning f^(t) som er i fase med den fra strømgeneratoren 42 utsendte strøm samt en referansespenning fsom er ^0° ut av fase med den utsendte spenning. Disse to referansespenninger tilføres til styreenhetens 5 innganger 6 henholdsvis 7. Ved hjelp av de to referansespenninger danner styreenheten 5 de styresignaler som kreves for mottagerens tre kanaler.

Datapulsene fra omformerens 2 utgang 3 tilføres til inngangene 15, 17, 18 til de tre kanalers tellere 20, 21 henholdsvis 22.

For styring av tellerne kreves det fra den sentrale styreenhet 5 dels et logisk signal som angir opp- eller nedtelling, og dels en signalpuls som nullstiller tellerne etter avsluttet telleperiode.

Opp- og nedtellingssignalene avgis fra utgangene 8,

9, 10 til respektive telleres innganger 14, 16, 19.

For styring av hukommelsene 26, 27 og 28 kreves signalpulser som beordrer hukommelsene å avlese tellernes innhold og nullstille disse umiddelbart før telleperiodens slutt. Disse signalpulser avgis på respektive utganger 11, 12 og 13 fra den sentrale styreenhet 5. Disse signalpulser tilføres også til respektive pulsfoxsinkere 23, 24 og 25.

Slik det fremgår av ovenstående, kan de elektroniske tellere 20, 21, 22 telle antall pulser og teller opp eller ned på kommando fra et logisk signal. Hukommelsene 26, 27, 28, de-koderne 29, 30, 31 og sifferindikatorene 32, 33, 34 kreves til-sammen for presentasjon av tellernes resultat. Ved hjelp av separat logisk styring av telleforløpet kan middelverdiene av de tre aktuelle signalkomponenters verdier bestemmes. Tellerne i de tre kanaler summerer eller subtraherer pulsene i datapuls-toget avhengig av informasjonen fra den sentrale styreenhet 5. Dette fortsetter i en tid som er et multiplum av periodetiden for den i jorden utsendte strøm. Dette multiplum kan velges vilkårlig. Jo større det velges, jo bedre undertrykkes de ikke ønskede forstyrrelser. Graden av forstyrrelsesundertrykkelse skjer imidlertid på bekostning av måletiden. Når telleperioden er avsluttet, overføres tellernes resultat til hukommelsene og presenteres på sifferindikatorene. Umiddelbart deretter skjer nullstilling av tellerne og et nytt måleforløp begynner.

På fig. 4 er vist et eksempel på en utførelse av den sentrale styreenhet.

Tegninformasjonen tilføres på inngangen 4 som et inn-

gangssignal til to EKSKLUSIV-ELLER-porter 37, 38. Den reelle referansekomponent tilføres over inngangen 6 som et andre inn-

gangssignal til EKSKLUSIV-ELLER-porten 37. Den imaginære refe-.

ransekomponent tilføres over en inngang 7 som et andre inn-

gangssignal til EKSKLUSIV-ELLER-porten 38. De sistnevnte kom-,

ponenter tilføres også til hver sin frekvensdeler 35 henholds-

vis 36. Disse frekvensdelere har som oppgave å bestemme telle-

periodens lengde i forhold til periodetiden for den i jorden ut-

sendte strøm, og deler med andre ord frekvensen med en valgbar faktor n.

De aktuelle signaler tilføres til hvert sitt diffe-

rensierende RC-ledd 39 henholdsvis 40 som har som oppgave å

avgi en kort puls for nullstilling og utlesning. Tidskonstan-

ten for disse ledd bør velges mindre enn den minste periodetid

for spenning-frekvens-omformeren 2.

Utgangene fra styreenheten på fig. 4 har samme beteg-

neiser som på fig. 3. Nærmere bestemt avgis det fra utgangene 11, 13 ordre til nullstilling og utlesning av den reelle kanal og SP-kanalen, fra utgangen 8 avgis ordre til opp- og ned-tel-

ling i den reelle kanal, fra utgangen 10 ordre til opp- og ned-

telling i SP-kanalen, fra utgangen 9 ordre til opp- og ned-

telling i den imaginære kanal, og fra utgangen 12 ordre til nullstilling og utlesning av den imaginære kanal.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for på digital måte ved prospektering å bestemme det komplekse elektriske felt som dannes i jorden ved innmating i jorden av en vekselstrøm, ved bestemmelse av potensialforskjeller i dette felt med hensyn til fase og ampli-

tude, karakterisert ved at spenningen mellom minst to punkter i jorden registreres, idet denne spenning re- presenterer potensialforskjellene som induseres av den nevnte strøm mellom disse minst to punkter, at sjoenningen omformes til et pulstog med en frekvens som er proporsjonal med øyeblikks- verdien av den nevnte spenning, at pulsene i dette pulstog telles i løpet av en forutbestemt tidslengde (T), at det frembringes et signal (sign[U(t)])som representerer den nevnte spennings fortegn, idet signalet har verdien +1 for positive øyeblikksverdier -av spenningen og,verdien -1 for negative øyeblikksverdier, at det frembringes minst én referansespenning som står i et kjent forhold til den til jorden tilførte vek-selstrøm, at det nevnte fortegnsrepresenterende signal kombi-neres med den nevnte "minst ene referansespenning for å tilveie- - bringe signaler som bestemmer om en viss puls i pulstoget skal adderes eller subtraheres under tellingen av pulsene i pulstoget, at den talte verdi av pulsene avleses etter utløpet av den forutbestemte tidslengde, at den ved avlesningen oppnådde verdi dekodes til digital form og at de således frembrakte sifre in-dikeres visuelt.

2- Anordning for utførelse av fremgangsmåten ifølge det foregående krav, for på digital måte ved prospektering å bestemme det komplekse elektriske felt som dannes i jorden ved innmating i jorden (43) av en vekselstrøm fra en strømgenera-tor (42), ved å bestemme med hensyn til fase og amplitude potensialforskjeller i dette felt mellom minst to i jorden inn- førte måleelektroder (Pl, P2) som utgjør en del av anordningen, karakterisert ved at den omfatter en omformer (2) som ved hjelp av den av måleelektrodeparet (1) registrerte spenning (U{t)) frembringer et utgående pulstog med en frekvens som er proporsjonal med den opptredende spennings (U(t).) momen-tane amplitudeverdi, minst én teller (20 - 22) for telling av pulsene i det utgående pulstog i en forutbestemt telletid, idet telleren har en første inngang for pulstoget, en anordning for frembringelse av et signal (sign[U(t)])som representerer spenningens fortegn, idet signalet har verdien +1 for positive øyeblikksverdier av spenningen og verdien -1 for negative øyeblikksverdier, en anordning for frembringelse av minst én: referansespenning som står i et kjent forhold til den til jorden tilførte vekselstrøm, en styreenhet (5) som har en inngang for logisk informasjon angående polariteten av den av måleelektrodene (P^, P2^ registrerte spenning, en inngang for referanse-spenningen og utganger som tilfører opptellings- og nedtellings-informasjon og utlesnings- og nullstillingsinformasjon til den nevnte minst ene teller, en minneanordning med en første inngang for mottagelse av utlesnings- og nullstillingsinformasjo-nen og en andre inngang som er koplet til utgangen fra den nevnte teller, en dekoderanordning som er innrettet -til å om-forme informasjon som mottas fra minneanordningen etter utløp av den forutbestemte telletid, til digital form, og en indika-toranordning som mates av dekoderanordningen for visuell frem-visning av de nevnte potensialforskjeller. "

3. Anordning ifølge krav 2, for anvendelse i et system hvor den spenning som oppnås over de nevnte minst to måleelektroder (P^/ P 2) ^ar tre hovedkomponenter, nemlig en mellom måleelektrodene (P^/ Po) av naturen forekommende likespenningskomponent Ugp/ en reell spenningskomponent URe som er i fase med den i jorden innmatede strøm, og en imaginær spenningskomponent UIjn som er 90° ut av fase med den innmatede strøm, karakterisert ved at den omfatter en målekanal for hver av de nevnte komponenter, idet hver målekanal inneholder en teller (20 - 22), en minneanordning (26 - 28), en dekoder (29 - 31) og en sifferindikator (32 - 34), idet de nevnte tellere (20 - 22) hver har en første inngang for mottagelse av pulstoget, en andre inngang for mottagelse av individuelle opptellings- og nedtellingssignaler, og en tredje inngang for mottagelse av individuelle utlesnings- og nullstillingspulser over tilhørende forsinkelsesanordninger (23 - 25), og hver minneanordning (26 - 28) har en første inngang for mottagelse av utlesnings- og nullstillingspulsene og en andre inngang for mottagelse under utlesning av telleresultatet fra den tilhørende teller, idet utgangssignalene fra minneanordningene (26 - 28) er tilpasset til via dekodere (29 - 31) å presenteres på de respektive sifferindikatorer (32 - 34) for å vise verdiene av de tre hovedkomponenter (Ugp, URe og U ^ .

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at styreenheten (5) omfatter en første .EKSKLUSIV-ELLER-port (37) med en første inngang (6) for tilførsel av en reell referansespenningskomponent og en andre inngang for tilførsel av det signal som representerer det nevnte fortegn, en andre EKSKLUSIV-ELLER-port (38) med en første inngang for tilførsel av en imaginær referansespenningskomponent og en andre inngang for tilførsel av det signal som representerer det nevnte fortegn, idet den første port (37) er innrettet for som utgangs-signal å avgi et kommandosignal for opp- og nedtelling i den reelle kanal, og den andre port (38) er innrettet for som ut-gangssignal å avgi—et kommandosignal for opp- og nedtelling i den imaginære kanal, idet fortegnsignalet også er opp- og nedtellingssignal for likespenningskanalen. ,5....Anordning ifølge krav 4, karakteri- sert ved at den omfatter en første frekvensdeler (35) som er innrettet til å motta den reelle referansespenningskomponent, en andre frekvensdeler (36) som er innrettet til å motta den. imaginære referansespenningskomponent, hvilke frekvensdelere er innrettet til å bestemme telleperiodens (T) lengde, og et RC-ledd (39, 40) er tilkoblet til de respektive frekvensdeleres utganger for tilveiebringelse av korte nullstillings- og ut-lesningspulser. til-henholdsvis den reelle kanal, til likespenningskanalen og til den imaginære kanal.