Компенсирующая цепь для нейтрализации магнитного поля - RU2661996C2
Код документа: RU2661996C2
Чертежи
Описание
Уровень техники изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
[001] Аспекты этого изобретения относятся, в целом, к компенсирующим системам и способам существенного устранения магнитного поля в точках в пределах объема. Более конкретно, аспекты этого изобретения могут быть использованы в электромагнитной разведке, чтобы устранять действие большого переданного поля на датчик магнитного поля без заметного изменения взаимодействия переданного поля с землей. Текущее изобретение обеспечивает такое устранение, когда датчик смещается относительно передатчика.
Описание предшествующего уровня техники
[002] Электромагнитные способы разведки содержат важную часть геофизических способов, используемых для того, чтобы составлять карту Земли в поисках нефти, газа и полезных ископаемых, водоносных горизонтов и других геологических объектов. EM-способы могут быть широко разделены на две категории, способы с пассивным источником, в которых устройство электромагнитной разведки используется для того, чтобы составлять карту естественно происходящих временных вариаций электромагнитных полей над поверхностью Земли, и способы с активным источником, в которых электромагнитное поле излучается от передатчика, который является неотъемлемой частью устройства разведки.
[003] EM-системы с активным источником содержат несколько частей; передатчик и антенну для того, чтобы создавать электромагнитное поле, датчик и приемник для того, чтобы обнаруживать сигнал от передатчика, и связанную электронику, механические элементы, устройство записи данных и источник питания. Хотя EM-системы также содержат пассивные системы, в которых естественное изменение электромагнитного поля измеряется в отсутствие передатчика, в последующем обсуждении EM-системы должны пониматься как содержащие только такие системы с передатчиком, пока не отмечено иное.
[004] EM-системы с активным источником работают, предоставляя изменяющуюся по времени форму сигнала тока катушке передатчика, или контуру, который создает соответствующее "первичное" изменяющееся по времени магнитное поле. Временные вариации в первичном поле затем индуцируют вихревые токи в земле, приводящие в результате к "рассеянным" магнитным полям. Рассеянные поля, вместе с первичным полем, измеряются с помощью приемника, обычно применяющего катушку, контур или датчик магнетометра. Характеристики рассеянного магнитного поля могут затем быть использованы для того, чтобы определять электрические свойства земли. Эти свойства могут затем быть использованы как основа для геологической интерпретации, такой как вывод заключения о присутствии геологических объектов. Например, характеристика рассеянного поля, которое является синфазным с первичным полем, может быть интересна для обнаружения высокопроводящих руд. Улучшение характеризации рассеянного магнитного поля ведет к улучшенным геологическим заключениям и, следовательно, к успеху какого-либо геологоразведочного предприятия, применяющего систему с активным источником.
[005] В последующем, "катушка" и "контур" могут быть использованы для того, чтобы означать антенну, посредством которой испускается первичное поле, и любое из них может содержать одну или более обмоток (витков) электрического проводника. Результирующие магнитные поля затем обнаруживаются с помощью приемника, который включает в себя один или более датчиков магнитного поля. Датчик магнитного поля может быть катушкой, контуром или элементом схемы, в котором изменения в плотности магнитного потока обнаруживаются в соответствии с законом Фарадея, или он может быть магнетометром. Примеры магнетометров включают в себя устройства, которые применяют феррозонд, катушку обратной связи, эффект Холла и частицы атомных паров с оптической накачкой для обнаружения магнитного поля, а также связанные инструменты.
[006] Контуры и катушки могут содержать круглые, эллиптические, овальные, спиральные или другие аналогичные закругленные формы, или их секции, и могут содержать линейные сегменты, которые вместе формируют замкнутую форму, обычно с внутренними углами менее 180 градусов, примерами которой являются прямоугольники, шестиугольники, восьмиугольники, двенадцатиугольники и т.д. Контуры содержат, по меньшей мере, одну проводящую обмотку, обычно состоящую из электрически проводящего вещества, такого как медь или алюминий, но могут содержать сверхпроводник. Контуры, оформленные как выпуклые симметричные многоугольные формы с множеством сторон, могут рассматриваться как по существу круговые, как если бы представляли собой круговой контур.
[007] Когда EM-система разворачивается в воздухе, обычно применяется одна из двух конфигураций. В первой конфигурации передатчик и приемник могут быть расположены на одной и той же платформе, структуре или "носителе", в то время как во второй конфигурации приемник может буксироваться на некотором расстоянии позади передатчика. В первой конфигурации передатчик и приемник могут быть установлены на "носителе"-летательном аппарате, примеры которого включают в себя систему, однажды задействованную Геологической службой Финляндии, и систему Hawk, построенную компанией Geotech Ltd. Также возможно устанавливать передатчик и приемник на платформе или шасси "носителя", который буксируется с летательного аппарата. Такие носители, как правило, буксируются под вертолетами и зачастую называются "гондолами", "зондами" или "бомбами". В таких случаях гондола может типично буксироваться в 30-60 метрах ниже вертолета на высотах около 30-60 метров над землей. В таких случаях, поскольку передатчик и приемник располагаются в непосредственной близости, первичное поле в приемнике может иметь величины, большие, чем рассеянное поле.
[008] Когда первичное поле гораздо больше рассеянного поля, средство разделения первичного и рассеянного поля требуется для того, чтобы предоставлять возможность точного обнаружения гораздо меньшего рассеянного поля. Одним обычным способом выполнения этого является разделение по времени, посредством чего, первичное поле транслируется как последовательность имеющих форму импульсов с чередующейся полярностью, при этом каждый импульс отделяется временем выключения, в течение которого ток не течет в контуре передатчика. Если рассеянные поля измеряются в течение этого времени выключения, первичное поле не будет присутствовать, и очень чувствительные измерения рассеянного поля возможны. Недостатком ограничения измерения временем выключения является потеря информации. В частности, синфазный компонент рассеянного ответного сигнала может быть плохо выражен, с результатом в том, что некоторые высокопроводящие руды могут быть необнаруживаемыми. Поскольку высокопроводящие руды зачастую намечаются целью в воздушных электромагнитных ("AEM") исследованиях, точные измерения во время включения могут быть весьма важными для успеха AEM-предприятий. Следовательно, полезным является получение синфазных AEM-данных хорошего качества.
[009] Множество AEM-систем использовали измерения во время выключения в качестве средства отделения рассеянного поля от первичного поля. Самой заметной из них была система ввода Беррингера и системы, полученные из нее, такие как Geotem, Megatem и Questem.
[0010] Компенсирование обеспечивает альтернативное средство разделения первичного и рассеянного поля. Когда синфазная составляющая первичного поля является большой, например, когда передатчик и приемник располагаются в непосредственной близости, компенсирующий контур может быть использован либо для того, чтобы непосредственно устранять первичное поле в приемнике посредством активного компенсирования, либо устранять его действие на приемник посредством пассивного компенсирования. Активное компенсирование подразумевает создание компенсирующего магнитного поля, которое будет, по существу, устранять первичное поле, видимое датчиком магнитного поля EM-системы. Обычно, компенсирующее магнитное поле создается посредством прохождения изменяющегося по времени сигнала тока, используемого для того, чтобы возбуждать контур передатчика или антенну посредством второго меньшего контура, который находится рядом с датчиком магнитного поля. При пассивном компенсировании дополнительный датчик магнитного поля используется для того, чтобы обнаруживать отличающуюся комбинацию первичного и рассеянного полей от видимой посредством единственного датчика магнитного поля. Сигналы от двух датчиков затем объединяются таким образом для того, чтобы нейтрализовать первичное поле в объединенном сигнале. Компенсирование может, поэтому, быть преимущественно использовано для получения синфазных AEM-данных хорошего качества в присутствии большого первичного поля.
[0011] Дополнительное преимущество для компенсирования получается в результате последовательности подавления первичного поля в присутствии приемника. Когда первичное поле компенсируется, приемник может быть задействован с более высокой интенсивностью, чем когда поле не должно компенсироваться. Более тонкие аномалии рассеянного поля могут, поэтому, быть обнаружены, таким образом, разрешая обнаружение меньших геологических объектов с более слабыми контрастами физических свойств без насыщения приемника.
[0012] Примерами систем, использующих компенсирование, являются вертолетная система частотной области Dighem, которая применяет пассивное компенсирование, как предложенная система Виттона (патентная заявка США 20031690451A1); и VTEM (патентная заявка США 2011/0148421 A1) и вертолетные системы во временной области Aerotem, которые применяют активное компенсирование.
[0013] В системах, применяющих активное компенсирование, задачей является нейтрализация первичного поля в приемнике без заметного воздействия на индукцию вихревого тока, вызванную передатчиком в Земле. Соответственно, компенсирующий контур выбирается, чтобы быть геометрически меньше контура передатчика, но ближе к датчику. В результате, диапазон позиций приемника, касательно которых поле может быть компенсировано, обычно также является небольшим. Из-за этого, любое относительное смещение датчика магнитного поля относительно этих контуров может сильно влиять на степень, до которой первичное поле устраняется в датчике. Соответственно, на текущем уровне техники, качество компенсирования улучшается, когда система становится все более жесткой.
[0014] Преимуществом активного компенсирования является то, что первичное поле поблизости от приемника подавляется, несмотря на тот факт, что поле полностью не устраняется во всех близких местоположениях. При этом, индукция вихревого тока вследствие изменений в первичном поле в каких-либо металлических компонентах приемника и его шасси сильно уменьшается.
[0015] На текущем уровне техники компенсирование было наиболее эффективным, когда относительные геометрии контура передатчика, датчика магнитного поля и компенсирующего контура почти неподвижно зафиксированы. Всякий раз, когда геометрии контура изменяются либо по форме, либо в позиции относительно друг друга, некомпенсированные остаточные явления первичного поля будут появляться как сигналы в приемнике. Остаточные явления, как правило, неотличимы от синфазного рассеянного поля, и, таким образом, могут снижать качество измеренного рассеянного ответного сигнала. Системы AEROTEM и Dighem применяют почти жесткую геометрию и, таким образом, минимизируют вариативность в некомпенсированных остаточных явлениях первичного поля, вызванных посредством движения контура. Тем не менее, некоторые некомпенсированные остаточные явления, могут возникать даже в системе с номинально почти жесткой геометрией. Эти остаточные явления могут получаться в результате небольших изменений в геометрии контура, часто приписываемых тепловому расширению, создавая явление, называемое "дрейфом".
[0016] Несмотря на преимущества жесткой геометрии для точного компенсирования и, таким образом, для точного измерения синфазной составляющей рассеянного поля, может быть необходимым или полезным предоставлять возможность некоторой вариативности в относительной геометрии контура передатчика, датчика магнитного поля и компенсирующего контура. VTEM-система является иллюстративной AEM-системой, которая является, по существу, неподвижной в диапазоне EM-исследования, все еще имеет гибкую геометрию. Легкий вес шасси ее передатчика предоставляет возможность большего контура передатчика и, следовательно, момента, чем будет возможно, когда система должна быть почти неподвижной. Поскольку контур передатчика является деформируемым, с ним можно обращаться с большей легкостью во время этапов взлета и посадки каждого полета. Конструкция шасси контура в секциях облегчает транспортировку, и поломку более легко восстановить. Столкновения не подразумевают катастрофическую потерю единственного неподвижного шасси с его ценными компонентами. Компромиссом, привнесенным в результате повышенной гибкости, является то, что точность компенсирования является меньшей, чем может быть обеспечена посредством сравнимой почти жесткой системы.
[0017] Пользер и др. (международная патентная заявка WO 2011/085462 A1) отметили второе преимущество, чтобы предоставлять возможность некоторой гибкости в геометрии контура передатчика, датчика магнитного поля и компенсирующего контура. Пользер отметил, что вращение EM-датчика в фоновом магнитном поле Земли, в частности, в низкочастотном диапазоне 1-25 Гц, создает шум, который ранее предотвратил получение высокоточных воздушных электромагнитных данных в этом диапазоне. Применяя систему стабилизации для изоляции движения, в которой датчик магнитного поля движется относительно гондолы, в которой он размещен, могут быть получены высокоточные воздушные электромагнитные данные в диапазоне 1-25 Гц. При этом, геометрия AEM-системы должна быть гибкой.
[0018] Таким образом, на текущем уровне техники в AEM-исследованиях, используются одиночные контуры, чтобы компенсировать первичное поле. Почти неподвижные системы обеспечивают относительно устойчивое компенсирование и предоставляют возможность точных синфазных измерений рассеянного поля, жертвуя моментом передатчика, легким весом и некоторыми логистическими преимуществами. Гибкие системы предоставляют возможность большего момента передатчика и логистические преимущества, но с менее точным компенсированием и менее точным измерением синфазной составляющей рассеянного поля как следствие. Менее точные синфазные измерения могут приводить в результате к более плохому разрешению высокопроводящих геологических объектов, многие из которых являются целями EM-исследований, назначенных для шахтной разведки. Менее точное компенсирование может также означать, что изменения магнитного поля большей амплитуды могут быть встречены, чем в случае системы с хорошим компенсированием, и что, как следствие, EM-данные могут быть получены с более низким разрешением.
[0019] Компенсирующие катушки необязательно используются с намерением нейтрализации поля передатчика. Например, патентная заявка США 2011227578 A1 Хэлла и др. описывает прибор индукционного каротажа, который использует множество компенсирующих катушек, чтобы перенаправлять поле, созданное передатчиком, под любым углом от оси вращения каротажного прибора.
[0020] Майлз и др., в патенте США 7,646,201 B2, раскрыли AEM-систему, имеющую неподвижный контур передатчика, концентричный с внутренним и внешним контуром приемника. Посредством нулевого соединения контура приемника с передатчиком контур приемника может быть сделан, главным образом, чувствительным к рассеянному полю Земли, сгенерированному в кольцевом пространстве, определенном контуром приемника.
[0021] Кузьмин и др. (патентная заявка США 2010/0052685) раскрывают систему с активным компенсированием для VTEM AEM-системы, которая имеет гибкую геометрию. Система состоит из внешнего контура передатчика и внутреннего, копланарного и концентрического компенсирующего контура, оба из которых центрируются на контуре приемника. Компенсирующий контур и контур передатчика соединяются последовательно, так что первичное поле в приемнике почти нейтрализуется. Однако, изгиб в геометрии контура вызывает сдвиги в измеренных полях, получающиеся в результате нескомпенсированных остаточных явлений первичного поля в датчике. В случае систем, таких как система Кузьмина, где контуры передатчика и компенсирования являются почти концентрическими вокруг датчика магнитного поля, осевое магнитное поле, HZ, через центр каждого контура может быть вычислено, для хорошей аппроксимации, из следующей формулы:
HZ(Z)=i/{2*a*(1+(z/a)2)3/2)
[0022] где i - это ток в контуре, a - радиус контура, а z - смещение по оси через контур.
[0023] Будет полезно, в случае AEM-систем, если компенсирующее устройство может быть спроектировано так, чтобы приспосабливаться к относительным перемещениям контура передатчика, датчика магнитного поля и компенсирующих контуров так, чтобы сохранять преимущества гибкости системы, как в случае VTEM-системы, в то же время улучшая компенсирование в объеме, определенном движением датчика магнитного поля относительно контуров передатчика и компенсирования. Такое компенсирующее устройство будет полезным в гибких EM-системах и будет улучшать компенсирование в AEM-системах, применяющих изоляцию движения, как в случае системы Пользера. Первое преимущество такого компенсирующего устройства будет в произведении улучшенных синфазных EM-данных и, таким образом, улучшенной чувствительности к высокопроводящим рудам. Второе преимущество будет в произведении данных, которые могут быть получены с улучшенным разрешением, приводя в результате к большей чувствительности к малозаметным объектам в рассеянном электромагнитном поле.
Описание изобретения
[0024] Настоящее изобретение улучшает качество компенсированного первичного поля по сравнению с одноконтурной компенсацией текущего уровня техники, где датчик магнитного поля может изменять свое положение в определенном объеме, расположенном относительно контура передатчика. Настоящее изобретение может также улучшать качество компенсированного первичного поля, где позиция контура передатчика, или его частей, может изменяться относительно компенсирующего контура.
[0025] Настоящее изобретение использует множество катушек или контуров, которые возбуждаются электрическим током, чтобы создавать "компенсирующее поле", которое, по существу, противопоставляется первичному полю на датчике магнитного поля. Применяя множество контуров, существенное устранение первичного поля может быть выполнено в большем объеме, чем может быть достигнуто с помощью единственного контура. При этом, компенсированное поле менее чувствительно к изменениям в геометрии системы, чем когда используется единственная компенсирующая катушка.
[0026] Используя множество контуров в "компоновке компенсирующего контура", геометрическое изменение первичного поля в датчике может быть почти согласовано (и противопоставлено) в большем объеме, чем возможно с единственным контуром. Поскольку контуры, используемые, чтобы компенсировать первичное поле, не являются геометрически идентичными контуру передатчика, диапазон объема, в котором поле компенсируется, и степень, до которой первичное поле нейтрализуется, будут зависеть от конкретной прикладной задачи, в которой настоящее изобретение применяется. Целью настоящего изобретения не является идентичная нейтрализация первичного поля во всех точках в интересующем объеме, а, главным образом, противодействие первичному полю на датчике магнитного поля в определенном объеме в сравнении с тем, что может быть выполнено с помощью единственного компенсирующего контура.
[0027] В качестве предмета для определения, слова "компенсация" и "обнуление" и "нейтрализация", и их варианты, ссылаются на действие существенного уменьшения первичного магнитного поля контура передатчика в интересующем объеме. Конкретная величина компенсации, и объем, в котором компенсация должна происходить, понимаются как определенные требованиями конкретного способа или устройства, которые могут использовать настоящее изобретение.
[0028] Отметим, что в случае, когда компенсирующие контуры, по существу, устраняют магнитное поле вдоль оси, компенсация проходит радиально от оси в результате бездивергенционного свойства магнитного поля, если оно не имеет очень высокую частоту. Таким образом, когда существенная компенсация происходит вдоль такой оси обнуления, существование такой "оси обнуления" подразумевает существенную компенсацию в объеме, содержащем упомянутую ось обнуления. Как предмет для определения, такой объем, содержащий ось обнуления, определяется как "компенсированный объем".
[0029] В настоящем изобретении набор из множества контуров создает компенсирующее поле, которое противоположно соответствует форме первичного поля, а именно, его амплитуде, полярности, временному и пространственному изменению, в практически неподвижном объеме в пространстве относительно антенны передатчика. Компенсация будет более эффективной для данного количества контуров, когда изменение первичного поля в пределах компенсированного объема является небольшим.
[0030] Посредством такого согласования действия компенсирующих контуров с действием передатчика вдоль оси обнуления вместо точки, как в случае с единственным контуром, существенная компенсация может быть получена, когда датчик магнитного поля перемещается относительно передатчика в компенсированном объеме, по существу, центрированном на такой оси обнуления.
[0031] Небольшие изменения в геометрии контура передатчика могут вызывать небольшие сдвиги в пространстве, занимаемым компенсированным объемом. Предоставленная геометрия контура передатчика является, по существу, неподвижной, так что эти сдвиги являются небольшими, датчик магнитного поля с ограниченным диапазоном перемещения будет поддерживаться в компенсированном объеме. В воздушных электромагнитных исследованиях, например, существенная жесткость может обеспечиваться либо посредством композитных структурных элементов, которые поддерживают контуры, либо посредством комбинаций таких структурных элементов и кабелей, любой из которых может быть использован как опорный каркас на текущем уровне техники, в то время как структуры, которые почти неподвижны, как правило, сконструированы как оболочки из композитных материалов.
[0032] Почти жесткая структура имеет меньшую гибкость, чем по существу жесткая структура, и ссылки на по существу жесткие структуры в данном документе понимаются как включающие в себя структуры, которые почти жесткие.
[0033] Настоящее изобретение может, по этому, быть использовано, чтобы улучшать качество компенсированного первичного поля в случаях, когда геометрия датчика магнитного поля или контура передатчика изменяется относительно местоположения компенсирующих контуров в сравнении с тем, что может быть достигнуто с помощью единственного компенсирующего контура.
[0034] Степень компенсации и размер компенсированного объема, в пределах которого компенсация может быть достигнута, зависит от количества контуров, используемых, чтобы противостоять первичному полю. Например, компенсирующие контуры могут быть выполнены с возможностью соответствовать градиентам в первичном поле и/или соответствовать кривизне в первичном поле, и т.д. по аналогии с рядом Тейлора. Компенсирующие контуры могут принимать форму наложения вышеупомянутых наборов контуров, в зависимости от желаемой величины компенсации первичного поля и объема, в пределах которого поле должно быть компенсировано. Контуры могут быть собраны в одно целое, чтобы иметь тот же эффект, что и вышеупомянутый ряд Тейлора, без конфигурирования, чтобы моделировать отдельные элементы этого ряда.
[0035] Чтобы добиваться удовлетворительной компенсации в пределах компенсированного объема, набор эффективных параметров компенсирующего контура должен быть тщательно отобран для того, чтобы обеспечивать удовлетворительный результат, в котором первичное поле будет подходящим образом компенсировано. Каждый компенсирующий контур будет иметь количество витков, эффективный радиус и ток, которые, когда объединены, будут формировать компенсирующее магнитное поле с конкретной геометрической вариацией. Тщательно выбирая параметры витков, радиуса и тока, компоновка компенсирующей схемы может быть спроектирована по существу с возможностью нейтрализовать первичное магнитное поле в пределах конкретного объема. Когда контуры компенсации и передатчика размещаются последовательно, ток не является свободным параметром в компенсирующей структуре, и подходящие комбинации витков и радиусов должны быть тщательно подобраны.
[0036] Множество компенсирующих контуров устанавливаются на опору компенсирующих контуров. Более хорошая компенсация достигается, когда опора компенсирующих контуров становится более жесткой, и гарантируя, что эта опора устойчиво располагается относительно геометрических аспектов первичного поля. Контур передатчика и компенсирующие контуры могут быть почти, или в значительной степени, жестко соединены вместе, в то же время предоставляя возможность датчику магнитного поля перемещаться в компенсированном объеме.
[0037] Настоящее изобретение может добиваться эффективной компенсации в пределах компенсированного объема посредством применения нескольких конфигураций. Например, компенсирующий контур может быть выполнен с возможностью компенсировать первичное поле множеством способов, включающих в себя:
a. прямое последовательное соединение со схемой передатчика,
b. индуктивное соединение со схемой передатчика, например, с трансформатором,
c. как схема, электрически независимая от какой-либо схемы передатчика, за исключением цифрового или аналогового управляющего сигнала, который может связывать обе.
[0038] В случаях, когда компенсирующие контуры находятся в последовательном соединении с контуром передатчика, игнорируя емкостные эффекты, ток в каждом витке компенсирующих контуров будет, по существу, таким же, что и ток в витках контура передатчика. Когда контуры соединяются в последовательное соединение, емкости могут вынуждать высокочастотные (или быстро изменяющиеся) составляющие токов в некоторых компенсирующих контурах отличаться от составляющих в токе контура передатчика, влияя на степень, до которой первичное поле может быть эффективно нейтрализовано.
[0039] В области воздушных электромагнитных исследований AEM-система часто содержит большой, по существу, круглый контур передатчика с датчиком магнитного поля, расположенным в плоскости контура. В таких случаях может быть полезным нейтрализовать первичное поле по всему объему вокруг номинального местоположения датчика. В системах, где датчик магнитного поля располагается в центре контура передатчика, компоновка компенсирующего контура может содержать два по существу круглых компенсирующих контура, с компенсирующими контурами, размещенными соосно в плоскости контура передатчика, называясь "копланарной" конфигурацией. В такой копланарной конфигурации двух компенсирующих контуров радиус внутреннего компенсирующего контура меньше радиуса внешнего компенсирующего контура, и радиус внешнего компенсирующего контура меньше радиуса контура передатчика. Кроме того, обнаружение магнитного момента внутреннего контура будет параллельно магнитному моменту контура передатчика, в то время как магнитные моменты внутреннего и внешнего компенсирующих контуров будут противоположны.
[0040] Во втором примере компоновки компенсирующей схемы, называемой в данном документе "псевдо-гельмгольцевской" компоновкой, множество контуров могут содержать, по меньшей мере, один набор по существу круглых компенсирующих контуров, размещенных соосно с по существу круглым контуром передатчика, но в плоскостях, сдвинутых в противоположных направлениях от плоскости контура передатчика, и так, что радиус компенсирующих контуров меньше радиуса контура передатчика. В соосной конфигурации обнаружение магнитного момента компенсирующих контуров будет противоположно магнитному моменту контура передатчика.
[0041] В обоих вышеописанных случаях номинальное местоположение приемника находится в центре контура передатчика, и контур передатчика генерирует поле по оси контура, которое имеет стремящийся к нулю осевой градиент в интенсивности. Пара компенсирующих контуров, поэтому, конфигурируется, чтобы компенсировать как осевое поле, так и осевую кривизну контура передатчика рядом с центром контура. Когда это не такой случай, второй компенсирующий контур может быть сконфигурирован с первым, чтобы компенсировать поле и его градиент, или три компенсирующих катушки могут быть применены, чтобы компенсировать поле и его градиент и его кривизну.
[0042] Настоящее изобретение имеет применение к области воздушных электромагнитных исследований, в которых небольшое поле, рассеиваемое от Земли, измеряется в присутствии большого первичного поля. На текущем уровне техники одиночные компенсирующие контуры применяются, чтобы нейтрализовать первичное поле в приемнике. Однако, поскольку более значительные моменты передатчика и более точные и низкочастотные измерения рассеянного поля становятся осуществимы, требуется улучшенное средство измерения рассеянного поля в присутствии большого поля, которое приспосабливается к изменяющейся геометрии передатчик-приемник. В частности, важным аспектом получения показателей рассеянного поля на частотах ниже 25 Гц является предоставление возможности гибкой геометрии передатчик-приемник, как объяснено в патенте WO 2011/085462 A1 Пользера.
[0043] Настоящее изобретение может также преимущественно улучшать измерения рассеянного поля, где присутствует гибкая геометрия передатчик-приемник, увеличивая эффективный объем, в пределах которого первичное поле может быть нейтрализовано, и существует множество способов, которыми настоящее изобретение может быть преимущественно применено для этого эффекта. В качестве одного примера, когда система изоляции движения применяется, чтобы предоставлять возможность получения электромагнитных данных ниже 25 Гц, контур передатчика и множество компенсирующих контуров могут быть соединены вместе, где компенсирующие контуры соединяются с корпусом, содержащим систему изоляции движения, в которой устанавливается датчик магнитного поля. Этот аспект изобретения имеет преимущество предоставления возможности приемнику перемещаться независимо от его шасси, но в пределах компенсированной зоны первичного поля, и, таким образом, подходит для использования в устройствах изоляции движения, таких как устройство, раскрытое в патенте WO 2011/085462 A1.
[0044] Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что индукция вихревого тока вследствие первичного поля в объеме, окружающем приемник, подавляется в сравнении с индукцией единственного компенсирующего контура, таким образом, уменьшая шум в системе. Настоящее изобретение может также быть полезно применено в EM-системах с гибкой геометрией, таких, которые могут быть проиллюстрированы VTEM-системой, где приемник и его компенсирующий контур могут быть установлены в центре по существу круглого, гибкого контура передатчика, посредством чего, дополнительные компенсирующие контуры будут уменьшать непостоянство компенсированного поля вследствие относительных перемещений и изгиба в контурах, и множество компенсирующих контуров может лежать в той же плоскости, что и контур передатчика. В такой гибкой системе вариативность в компенсированном поле может быть уменьшена посредством добавления одного или более дополнительных компенсирующих контуров в плоскость передатчика.
[0045] Вышеупомянутые примеры иллюстрируют различные возможные использования систем настоящего изобретения с гибкой геометрией. Однако, настоящее изобретение может также быть полезно применено в так называемых AEM-системах с жесткой геометрией, в которых геометрия передатчика, контуров компенсации и приемника почти неподвижно установлена относительно друг друга, примерами которой является система Aerotem. Такие системы могут испытывать дрейф, составляющая которого может присутствовать вследствие небольших геометрических вариаций, вызванных, например, небольшими изменениями размеров в жестких опорах. Результат таких изменений может быть уменьшен с помощью настоящего изобретения посредством предоставления возможности увеличения размера компенсированного объема и, таким образом, уменьшения требуемой степени жесткости, поскольку требование жесткости в воздушных системах ограничивает размер системы вследствие веса жестких опор, настоящее изобретение может быть полезно применено в таких жестких системах, либо предоставляя возможность облегчения системы с помощью меньшей жесткости, таким образом, уменьшая операционные затраты, либо расширяя размеры системы, таким образом, улучшая качество EM-данных.
Аспекты текущего изобретения
[0046] Первый аспект настоящего изобретения ссылается на компенсированный передатчик, а именно, передатчик, магнитное поле которого по существу нейтрализуется в пределах компенсированного объема. Компенсирование выполняется с помощью поля, созданного посредством множества компенсирующих контуров, принадлежащих компоновке компенсирующих контуров, таким образом, поле может быть нейтрализовано в пределах объема до большей степени, чем может быть достигнуто с помощью единственного компенсирующего контура.
[0047] Компенсированный передатчик содержит компоновку компенсирующих контуров и передатчик, отправляющий известный сигнал тока в контур передатчика, установленный на по существу жестком каркасе. Компоновка компенсирующих контуров содержит множество отдельных, электрически проводящих компенсирующих контуров, установленных на опору компенсирующих контуров, так что компенсирующие контуры удерживаются на месте относительно друг друга и по существу на месте относительно контура передатчика. Токи, которые возбуждаются в компенсирующих контурах, с помощью контроллера тока, имеющие форму сигнала, по существу аналогичную форме сигнала передатчика, создают компенсирующее магнитное поле, которое по существу нейтрализует первичное магнитное поле в пределах компенсированного объема. В одном варианте этот контроллер тока может обращаться к передатчику, при этом передатчик и компенсирующие контуры соединены последовательно, в то время как в других вариантах каждый контур может возбуждаться посредством отдельного контроллера тока. В любом варианте, компенсирующее магнитное поле существует по существу в направлении, противоположном, и по существу равно по величине, первичному магнитному полю в пределах компенсированного объема, так что компенсирующее магнитное поле по существу нейтрализует упомянутое первичное магнитное поле в пределах большего диапазона, чем может быть выполнено с помощью единственного контура. Токи передатчика и компенсирующие токи могут быть обнаружены с помощью мониторов тока, при этом токи записываются с помощью средства записи данных, такого как компьютер для получения данных. По существу жесткий каркас контура передатчика может предоставлять возможность небольших перемещений контура передатчика из его номинального местоположения, но является достаточно жестким, чтобы компенсированный объем не смещался на значительное расстояние в сравнении с его размерами.
[0048] Во втором аспекте изобретения, относящегося к области электромагнитных исследований, устройство электромагнитного измерения содержит компенсированный передатчик, датчик магнитного поля и приемник, приспособленный для управления упомянутым датчиком магнитного поля так, чтобы предоставлять возможность измерения и записи выходного сигнала датчика. Датчик магнитного поля располагается в компенсированном объеме и устанавливается на опорную раму датчика, содержащую механическое устройство поддержки, приспособленное, чтобы поддерживать и ограничивать перемещение датчика в пределах компенсированного объема. Опорная рама датчика и опора компенсирующего контура соединяются с по существу жестким каркасом контура передатчика. Магнитное поле в компенсированном объеме, содержащее первичное и компенсирующее магнитные поля, может также содержать составляющую, которая рассеивается первичным полем вследствие индукции в Земле. Когда датчик магнитного поля работает в объеме, где первичное поле компенсируется вторичным полем, он может быть задействован с более точным разрешением, чем может быть возможно в ином случае, и, таким образом, может быть приспособлен для измерения составляющей магнитного поля, которое может быть рассеяно от Земли.
[0049] В третьем аспекте изобретения мобильное устройство электромагнитного измерения содержит устройство электромагнитного измерения и носитель, чтобы транспортировать его. Мобильное устройство электромагнитного измерения может также содержать средство транспортировки носителя, датчик, чтобы обнаруживать позицию и ориентацию носителя, такой как глобальная система позиционирования, и средство записи данных, такое как компьютер для получения данных. Например, варианты этого аспекта настоящего изобретения могут содержать системы электромагнитной разведки.
[0050] В четвертом аспекте текущего изобретения изобретение может содержать часть активной воздушной электромагнитной системы, в которой контур передатчика может быть приспособлен, чтобы возбуждать вихревые токи в Земле, датчик магнитного поля может быть приспособлен, чтобы измерять эти вихревые токи, и компенсирующие контуры могут быть выполнены с возможностью компенсировать первичное поле контура передатчика на датчике магнитного поля без заметного влияния либо на распределение вихревого тока в Земле, либо на чувствительность датчика магнитного поля к распределению вихревого тока в Земле.
[0051] В пятом аспекте изобретения вышеупомянутое мобильное устройство электромагнитного измерения может быть выполнено с возможностью буксировки под вертолетом, чтобы содержать часть системы воздушной электромагнитной разведки.
[0052] В другом аспекте текущего изобретения, в котором оно применяется в AEM-системе, компенсирующие контуры могут иметь такую же ориентацию, и лежать соосно, с контуром передатчика, но с меньшим радиусом. Каждый контур может лежать в различной плоскости, смещенным в осевом направлении друг от друга, как приведено в пример псевдо-гельмгольцевской компоновкой компенсирующей схемы, или в той же плоскости, как приведено в пример копланарными компоновками компенсирующей схемы.
[0053] В другом аспекте текущего изобретения, компенсируя первичное поле контура передатчика в пределах большего объема, чем может единственный компенсирующий контур, изобретение, таким образом, уменьшает чувствительность компенсации до некоторых отклонений в геометрии контура и, таким образом, обеспечивает более надежное решение для компенсации первичного магнитного поля антенны передатчика, геометрия которой может изменяться. Такие вариации могут быть обычными в AEM-системах, в которых применяется гибкий контур передатчика. Предоставленный контур передатчика является по существу жестким, аспект текущего изобретения предоставляет возможность нейтрализации первичного магнитного поля в пределах большего объема и, таким образом, может лучше приспосабливаться к вариациям в геометрии контура передатчика, чем обеспечивается посредством текущего уровня техники.
[0054] В другом аспекте текущего изобретения электрические соединения между компенсирующими контурами и между компенсирующими контурами и контуром передатчика в случае активной компенсации могут быть выполнены посредством либо коаксиального, либо скрученного бифилярного кабеля, так что магнитные поля токов в этих соединениях по существу компенсируют друг друга.
[0055] В другом аспекте изобретения множество датчиков может быть использовано, чтобы обнаруживать как токи в контурах, так и относительные местоположения контуров относительно друг друга, предоставляя возможность геометрии контуров быть известной в случаях, когда контуры не являются почти жесткими или почти жестко не прикреплены друг к другу, с тем, чтобы предоставлять возможность вычисления магнитного поля в отсутствие компенсации. Такие датчики могут состоять из мониторов тока на эффекте Холла или эквивалентных детекторов для обнаружения токов и устройств, таких как камеры, AHRS (системы положения в пространстве, направления и отсчета), дифференциальные системы позиционирования, лазерные дальномеры, радары, тензодатчики и датчики с эквивалентной функцией, которые могут быть использованы, чтобы обнаруживать относительные изменения в геометрии контура. Первичное и компенсирующее магнитные поля могут, таким образом, быть вычислены в реальном времени, а результаты записаны, или данные вышеупомянутого датчика могут быть записаны, с тем, чтобы предоставлять возможность вычисления магнитных полей в более позднее время.
[0056] Во всех вышеупомянутых аспектах текущего изобретения геометрии передающего контура и компенсирующего контура, и соответствующие токи могут быть точно измерены и записаны с тем, чтобы предоставлять возможность точного вычисления соответствующих магнитных полей так, чтобы производить улучшенное отделение первичного и рассеянного полей.
Краткое описание чертежей
[0057] Фиг. 1 иллюстрирует аспекты трехконтурной копланарной компенсирующей конфигурации.
[0058] Фиг. 2 иллюстрирует сравнение между компенсацией, достигнутой посредством трехконтурной копланарной компенсирующей конфигурации и двухконтурной копланарной компенсирующей конфигурации в диапазоне 0,15 метра по оси передатчика.
[0059] Фиг. 3 иллюстрирует сравнение между компенсацией, достигнутой посредством трехконтурной копланарной компенсирующей конфигурации и двухконтурной копланарной компенсирующей конфигурации в диапазоне 0,25 метра.
[0060] Фиг. 4 иллюстрирует сравнение между компенсацией, достигнутой посредством трехконтурной копланарной компенсирующей конфигурации и двухконтурной копланарной компенсирующей конфигурации в диапазоне 0,35 метра с более крупными контурами.
[0061] Фиг. 5 иллюстрирует сравнение между компенсацией, достигнутой посредством трехконтурной копланарной компенсирующей конфигурации и двухконтурной копланарной компенсирующей конфигурации в диапазоне 0,15 метра с меньшими контурами.
[0062] Фиг. 6 иллюстрирует сравнение между компенсацией, достигнутой посредством трехконтурной копланарной компенсирующей конфигурации и двухконтурной копланарной компенсирующей конфигурации в диапазоне 0,25 метра.
[0063] Фиг. 7 иллюстрирует сравнение между компенсацией, достигнутой посредством трехконтурной копланарной компенсирующей конфигурации и двухконтурной копланарной компенсирующей конфигурации в диапазоне 0,35 метра с более крупными контурами.
[0064] Фиг. 8 иллюстрирует аспекты псевдо-гельмгольцевской конфигурации в виде сверху.
[0065] Фиг. 9 иллюстрирует аспекты псевдо-гельмгольцевской конфигурации в разрезе.
[0066] Фиг. 10 иллюстрирует аспекты компенсирующих контуров, установленных на сфере.
[0067] Фиг. 11 иллюстрирует сравнение между компенсацией, достигнутой посредством трехконтурной копланарной компенсирующей конфигурации и двухконтурной копланарной компенсирующей конфигурации в диапазоне 0,25 метра.
[0068] Фиг. 12 иллюстрирует график сравнения между трехконтурной псевдо-гельмгольцевской компенсирующей конфигурацией и двухконтурной копланарной компенсирующей конфигурацией в диапазоне 0,25 метра с более крупными контурами.
[0069] Фиг. 13 иллюстрирует сравнение между компенсацией, достигнутой посредством трехконтурной псевдо-гельмгольцевской компенсирующей конфигурации и двухконтурной копланарной компенсирующей конфигурации в диапазоне 0,4 метра.
[0070] Фиг. 14 иллюстрирует сравнение между компенсацией, достигнутой посредством трехконтурной псевдо-гельмгольцевской компенсирующей конфигурации и двухконтурной копланарной компенсирующей конфигурации в диапазоне 0,15 метра с меньшими контурами.
[0071] Фиг. 15 иллюстрирует аспекты электрической цепи для возбуждения 3-контурной компенсирующей конфигурации.
[0072] Фиг. 16 иллюстрирует аспекты другой электрической цепи для возбуждения 3-контурной компенсирующей конфигурации.
Описание предпочтительных вариантов осуществления текущего изобретения
[0073] В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения изобретение содержит компенсированный передатчик, установленный на по существу жесткий каркас, с передающей электрической схемой, содержащей по существу круглый контур передатчика, поддерживаемый посредством упомянутого по существу жесткого каркаса, передатчик выполнен с возможностью возбуждать упомянутую передающую схему с помощью электрического тока передачи, имеющего известную форму сигнала, с тем, чтобы создавать первичное магнитное поле, и узел компенсирующего контура, содержащий опору компенсирующих контуров, к которой присоединяются компенсирующие контуры, и которая устойчиво располагается относительно геометрических аспектов первичного магнитного поля. Узел компенсирующего контура подходит для проведения тока, который формирует компенсирующее магнитное поле, которое по существу нейтрализует первичное магнитное поле в компенсированном объеме. Первичное магнитное поле имеет изменение во времени, по существу, аналогичное изменению во времени электрического тока передачи, при этом геометрические аспекты первичного магнитного поля обеспечиваются посредством геометрии контура передатчика. Проводящие контуры узла компенсирующего контура возбуждаются с помощью электрического тока, чтобы создавать компенсирующее магнитное поле с известным геометрическим и временным изменением, при этом компенсирующее магнитное поле существует, в значительной степени, в направлении, противоположном, и, по существу, равно по величине, первичному магнитному полю в компенсированном объеме. Соответственно, в компенсированном объеме, упомянутое компенсирующее магнитное поле существенно нейтрализует первичное магнитное поле.
[0074] Предпочтительный вариант осуществления содержит в значительной степени планарный контур передатчика, в котором узел компенсирующего контура устанавливается в копланарной конфигурации. Каждый контур в узле компенсирующего контура, по существу, соосен с контуром передатчика, так что оси компенсирующего контура, по существу, выровнены с осью контура передатчика, при этом каждый компенсирующий контур меньше контура передатчика. Компенсирующие контуры устанавливаются, чтобы препятствовать движению относительно контура передатчика и компенсированного объема. Компенсированный передатчик конфигурируется с одной электрической схемой, содержащей передатчик и компенсирующие контуры в последовательно конфигурации. Соединения между контурами передатчика и компенсации формируются с помощью соосных или скрученных бифилярных проводников, чтобы подавлять магнитные поля тока в проводниках, соединяющих контуры.
[0075] В предпочтительном варианте осуществления вышеупомянутый компенсированный электромагнитный передатчик содержит часть транспортируемой на вертолете системы электромагнитных исследований. Компенсированный электромагнитный передатчик устанавливается на носитель, буксируемый под вертолетом. Контур передатчика является, по существу, горизонтальным, и высокоточные магнитометры, расположенные в компенсированном объеме, используются, чтобы дискретизировать магнитное поле в диапазоне обнаружения 140000 Гц. Магнитометры устанавливаются на опорную раму датчика, содержащую механическое опорное устройство, приспособленное, чтобы поддерживать и ограничивать движение датчика магнитного поля компенсированным объемом компенсированного передатчика, так что опорная рама датчика прикрепляется к каркасу контура передатчика компенсированного передатчика. Система получения данных записывает ток передатчика, обнаруженное магнитное поле, угловую ориентацию датчиков и геопозиционирование системы, когда вертолет, буксирующий систему, пролетает над землей. Система получения данных может также записывать изменения в относительной геометрии контура передатчика, компенсирующих контуров и датчиков. Система геопозиционирования может содержать средство записи позиции и угловой ориентации носителя относительно географической системы координат Земли, такой как глобальная система позиционирования (GPS), и система угловой ориентации, направления и отсчета (AHRS).
[0076] Компенсированный объем, в котором датчик магнитного поля может двигаться, определяется расположением нулевых точек, которые лежат приблизительно на оси контура передатчика, где поле нейтрализуется. Это расположение протягивается двунаправленно от плоскости контура передатчика до расстояния сведения к нулю, где компенсирующему полю не удается существенно нейтрализовать первичное поле. Компенсированный объем имеет масштаб длины, который приблизительно определяется длиной оси сведения к нулю, и которая приблизительно центрирована на точке, где ось контура передатчика и плоскость передатчика пересекаются.
[0077] Фиг. 1 иллюстрирует вид сверху компенсированного передатчика предпочтительного варианта осуществления, в котором используется трехконтурная копланарная конфигурация. В этом варианте осуществления внешний, по существу круглый проводящий контур, 1, содержащий N0 витков провода, где N0 может быть равно 10, оборачивается по существу круглым образом вокруг центральной точки с радиусом, R0, который может быть равен 12,5 метра. Второй по существу круглый контур провода, 2, содержащий N1 витков, где N1 может быть равно 4, обматывается в противоположном направлении по отношению к внешнему контуру 1, с радиусом R1, который может быть равен 3,0373 метра. По существу круглый внутренний контур, 3, содержащий N2, витков, который может быть 1 витком, обматывается в том же направлении, что и внешний контур 1, с радиусом R2, который может быть равен 1,9344 метра. На фиг. 1 стрелки, окруженные эллипсами, иллюстрируют возможный выбор направлений обмотки и, подразумеваемым образом, направления протекания электрического тока. Однако, специалист в области техники поймет, что все обмотки могут быть в направлении, противоположном показанным, с равным эффектом, посредством реверсирования направления тока, и поймет, что количества витков и радиусы компенсирующих контуров могут быть приспособлены, чтобы согласовываться с различным количеством витков и радиусом контура передатчика.
[0078] На фиг. 1 зона 4 определяет местоположение, где первичное поле контура 1 передатчика, по существу, нейтрализуется посредством компенсирующих контуров 2 и 3. Центральная точка зоны 4 определяет базовую точку изобретения и лежит на осях контуров передатчика и компенсации в плоскости контура передатчика. Датчик магнитного поля, способный двигаться в зоне 4, может быть использован, чтобы получать высокочувствительные магнитные показатели, в то же время избегая насыщения от большого первичного магнитного поля и в то же время также уменьшая вариации в записанном магнитном поле, получающиеся в результате больших изменений первичного магнитного поля в компенсированном объеме.
[0079] Опять обращаясь к фиг. 1, первичное поле создается токами во внешнем контуре 1, который служит в качестве контура передатчика. Внешний контур 1 удерживается на месте относительно компенсирующих контуров и зоны обнуления настолько жестким образом, насколько возможно, но вследствие своего большого радиуса небольшие отклонения в позиции контура 1 менее важны для эксплуатационных характеристик изобретения, чем отклонения в местоположениях контуров 2 и 3.
[0080] Электрическое соединение 5 предоставляет возможность последовательного соединения контура 1 и компенсирующего контура 2, а второе электрическое соединение, 6, предоставляет возможность последовательного соединения компенсирующего контура 2 и компенсирующего контура 3. Электрические соединения 5 и 6 располагаются, чтобы минимизировать магнитное поле электрических токов, которые они проводят, и могут быть сформированы из скрученной бифилярной, коаксиальной или другой эквивалентной структуры, где внешние магнитные поля от противоположно протекающих электрических токов взаимно компенсируются. Специалист в области техники поймет, что порядок контуров в вышеупомянутой последовательной схеме может быть изменен с небольшим влиянием на изобретение, где ток передатчика имеет низкое изменение во времени, так что емкости схемы неважны.
[0081] Фиг. 2 иллюстрирует сравнение z-составляющей магнитного поля вдоль z-оси вращательной симметрии через центр контуров предпочтительного варианта осуществления. Стандартное 2-контурное копланарное обнуление сравнивается с вышеупомянутым 3-контурным случаем предпочтительного варианта осуществления для тока 288 А в витках контуров. В предпочтительном варианте осуществления магнитное поле компенсируется до значения точнее 1/10000 в диапазоне +/- 0,15 метра. Частичное уменьшение в моменте передатчика, указанное как FrMr, является ничтожным. В этом примере R0=12,5 метра, R1=3,0733 метра, R2=1,9344 метра, N0=10, N1=4 и N2=1.
[0082] Фиг. 3 иллюстрирует сравнение z-составляющей магнитного поля в другом варианте осуществления трехконтурной копланарной конфигурации. В этом варианте осуществления первичное поле 14-виткового контура передатчика обнуляется до 2/10000 в диапазоне +/- 0,25 метра, R0=12,5 метра, R1=2,1526 метра, R2=1,3545 метра, N1=4 и N2=1.
[0083] Фиг. 4 иллюстрирует сравнение z-составляющей магнитного поля в другом варианте осуществления трехконтурной копланарной конфигурации. В этом варианте осуществления первичное поле 10-виткового контура передатчика обнуляется до 2/10000 в диапазоне +/-0,25 метра, R0=12,5 метра, R1=4,1572 метра, R2=2,483 метра, N1=5 и N2=1. В этом варианте осуществления используются компенсационные контуры большего диаметра.
[0084] Фиг. 5 иллюстрирует сравнение z-составляющей магнитного поля в другом варианте осуществления трехконтурной копланарной конфигурации. В этом варианте осуществления первичное поле 14-виткового контура передатчика обнуляется в диапазоне +/- 0,15 метра, R0=12,5 метра, R1=2,1591 метра, R2=1,3649 метра, N1=4 и N2=1. В этом варианте осуществления применяются компенсирующие контуры меньшего диаметра, получая в результате меньший объем точного обнуления.
[0085] Фиг. 6 иллюстрирует сравнение z-составляющей магнитного поля в другом варианте осуществления трехконтурной копланарной конфигурации. В этом варианте осуществления первичное поле 14-виткового контура передатчика обнуляется с R0=12,5 метра, R1=2,1526 метра, R2=1,3545 метра, N1=4 и N2=1. Этот вариант осуществления предоставляет возможность более широкого диапазона обнуления вдоль z-оси системы контура и, подразумеваемым образом, также радиально.
[0086] Фиг. 7 иллюстрирует сравнение z-составляющей магнитного поля в другом варианте осуществления трехконтурной копланарной конфигурации. В этом варианте осуществления первичное поле 14-виткового контура передатчика обнуляется с R0=12,5 метра, R1=2,9425 метра, R2=1,7262 метра, N1=5 и N2=1. В этом варианте осуществления компенсирующие контуры укрупняются, чтобы давать более значительную область точной компенсации.
[0087] В то время как вышеупомянутые примеры демонстрируют различные варианты осуществления, возможные с копланарными компенсирующими контурами, эти примеры предназначены, чтобы быть иллюстрацией возможных вариантов осуществления настоящего изобретения, а не чтобы быть интерпретированными, чтобы ограничивать рамки изобретения, например, количеством контуров, количеством витков или количеством радиусов, предоставленными в этих примерах. Например, варианты осуществления настоящего изобретения могут содержать узел компенсирующего контура, сформированный в псевдо-гельмгольцевской конфигурации, как иллюстрировано ниже.
[0088] Фиг. 8 иллюстрирует вид сверху псевдо-гельмгольцевского варианта осуществления текущего изобретения, который реализуется с одной парой компенсирующих контуров в активном режиме. Контур 1 передатчика создает первичное поле, которое компенсируется в объеме 4 посредством пары компенсирующих контуров 7. Направление тока в компенсирующих контурах противоположно направлению тока в контуре передатчика. Контур 1 передатчика является по существу круглым с радиусом, обозначенным R0, в то время как компенсирующие контуры являются соосными с контуром передатчика с радиусом, обозначенным R1, но смещенными от плоскости контура передатчика на расстояния +/- Z1 параллельно z-оси симметрии контура передатчика, как иллюстрировано на фиг. 9. Контуры 1 и 7 соединяются электрическим кабелем 8, чтобы нести ток между контурами передатчика и компенсирования. Электрический кабель 8 может возбуждать оба компенсирующих контура параллельно или последовательно от одного контура к другому. Электрический кабель 8 сформирован таким образом, чтобы создавать минимальное магнитное поле, такое, которое может быть получено с помощью соосной, скрученной бифилярной или другой геометрии с аналогичным эффектом.
[0089] Как и в случае предпочтительного варианта осуществления, зона 4 определяет местоположение, где первичное поле контура 1 передатчика по существу нейтрализуется компенсирующими контурами 7. Центральная точка зоны 4 определяет базовую точку изобретения. Датчик магнитного поля, способный двигаться в зоне 4, может быть использован, чтобы получать высокочувствительные магнитные показатели, в то же время избегая насыщения от большого первичного магнитного поля и в то же время также избегая значительных изменений в записанном магнитном поле, получающихся в результате изменений первичного магнитного поля в компенсированном объеме.
[0090] Опять обращаясь к фиг. 9, первичное поле создается токами во внешнем контуре 1, который служит в качестве контура передатчика. Внешний контур 1 удерживается на месте относительно компенсирующих контуров и зоны обнуления настолько жестким образом, насколько возможно, но вследствие своего большого радиуса небольшие отклонения в позиции контура 1 менее важны для эксплуатационных характеристик изобретения, чем отклонения в местоположениях контуров 7.
[0091] Фиг. 10 иллюстрирует, в разрезе, конфигурацию компенсирующего контура, реализованную с соосными контурами, имеющими различные радиусы. В этом примере пары гельмгольцевских контуров (например, 110 и 114), вместе с единственным копланарным компенсирующим контуром 112, намотаны на сферическую оболочку 100. Множество компенсирующих контуров, 110…114, размещаются, чтобы нейтрализовать составляющую первичного поля в области 120, параллельной осям контуров, использующих средство, аналогичное псевдо-гельмгольцевскому стилю, иллюстрированному на фиг. 8 и 9. В этом варианте осуществления изобретения множество контуров может быть применено, чтобы в значительной степени компенсировать первичное поле в области 120, которая может быть больше компенсированного объема, достигнутого с помощью меньшего количества компенсирующих контуров.
[0092] Фиг. 11 иллюстрирует результат, который может быть получен из варианта осуществления изобретения с помощью псевдо-гельмгольцевской компенсации. Этот вариант осуществления реализуется с двумя компенсирующими контурами, как иллюстрировано на фиг. 8 и 9. Контур передатчика является по существу круглым с радиусом 12,5 метра и 10 витками. Каждый компенсирующий контур является по существу круглым и намотан с одним витком с радиусом 1,7956 метра и смещен от плоскости контура передатчика на 0,8922 метра. В этом варианте осуществления текущего изобретения первичное поле нейтрализуется точнее 1/10000 части в +/- 0,25 метра.
[0093] Фиг. 12 иллюстрирует результат, который может быть получен от псевдо-гельмгольцевского варианта осуществления, где контур передатчика является по существу круглым с радиусом 12,5 метра и 10 витками. Каждый компенсирующий контур является по существу круглым и намотан с двумя витками, имеющими радиус 3,7187 метра, и смещен от плоскости контура передатчика на 1,7371 метра. В этом варианте осуществления текущего изобретения первичное поле нейтрализуется в пределах большего объема, чем в предыдущем случае, вследствие используемого большего набора компенсирующих контуров.
[0094] Фиг. 13 также показывает результат, который может быть получен от другого псевдо-гельмгольцевского варианта осуществления настоящего изобретения, где контур передатчика является по существу круглым с радиусом 12,5 метра и 14 витками. В этом варианте осуществления существенная компенсация получается в пределах расстояния 0,4 метра по z-оси. Каждый компенсирующий контур наматывается с 2 витками на радиус 2,5886 метра и z-смещением 1,2665 метра.
[0095] Фиг. 14 также иллюстрирует результат, который может быть получен от другого псевдо-гельмгольцевского варианта осуществления, где контур передатчика является по существу круглым с радиусом 12,5 метра и 14 витками. В этом случае компактный набор псевдо-гельмгольцевских контуров используется, чтобы добиваться отличной компенсации первичного поля в пределах расстояния +/- 0,15 метров на z-оси. В этом варианте осуществления настоящего изобретения каждый компенсирующий контур имеет один виток и намотаны на радиус 1,2786 метра с z-смещением +/- 0,63861 метра.
[0096] В то время как вышеупомянутые примеры вариантов осуществления текущего изобретения иллюстрируют эффект компенсации с помощью 2-контурного узла компенсирующего контура, эти примеры предназначены, чтобы демонстрировать возможные варианты осуществления настоящего изобретения, и не предназначены, чтобы накладывать ограничение на количество применяемых контуров, их смещения, количество витков или их радиусы. Некоторые варианты осуществления текущего изобретения могут применять, в качестве примера, комбинации копланарных и псевдо-гельмгольцевских конфигураций, комбинации копланарных конфигураций, некоторые из которых могут быть смещены от плоскости контура передатчика, или комбинации псевдо-гельмгольцевских контуров, смещенных на различные радиусы.
[0097] Другие варианты осуществления текущего изобретения могут применять вышеупомянутые комбинации псевдогельмгольцевских компенсирующих контуров посредством жесткого присоединения их к той же структуре, которая поддерживает датчик.
[0098] В других вариантах осуществления текущего изобретения компенсированный объем может быть смещен от плоскости или от оси контура передатчика посредством такого размещения компенсирующих контуров, чтобы существенно нейтрализовать первичное магнитное поле в объеме, который смещается либо от плоскости контура передатчика, его оси, либо, в целом, в любой точке в пространстве. Такой вариант осуществления может быть использован в AEM-исследовании, чтобы компенсировать первичное поле поблизости от датчика магнитного поля, установленного на буксировочном кабеле, и который соответственно смещен от оси симметрии буксируемого передатчика. В таких вариантах осуществления витки и диаметры компенсирующих катушек должны быть выбраны, чтобы компенсировать градиент первичного поля в компенсирующем объеме.
[0099] Фиг. 15 иллюстрирует различные аспекты электрических схем в варианте осуществления настоящего изобретения, содержащих электромагнитную систему с активным источником. Источник 300 питания питает энергией передатчик 301 через электрический кабель 302. Передатчик 301 формирует сигнал тока, который выводится по электрическому кабелю 304, чтобы формировать последовательную цепь с контуром 305 передатчика, первым компенсирующим током 306 и вторым компенсирующим током 307. Секции электрического кабеля 304 могут содержать соосную скрученную бифилярную или любую такую геометрию проводника с тем, чтобы подавлять магнитные поля от двунаправленного тока, протекающего в них, как отмечено в вышеупомянутых примерных вариантах осуществления.
[00100] Фиг. 16 иллюстрирует альтернативные аспекты электрических схем в варианте осуществления настоящего изобретения для случаев, когда реализуется как часть электромагнитной системы с активным источником. На фиг. 16 компенсирующие контуры существуют в отдельной схеме 304e от схемы 304b, которая содержит контур 305 передатчика. Каждая схема возбуждается посредством отдельного контроллера 301a, и 301b, тока, из которых 301b содержит передатчик, при этом каждый контроллер, снабжается энергией посредством токов по своим соответствующим питающим кабелям 302a и 302b. Оба контроллера предоставляют идентичные сигналы тока их соответствующим контурам.
[00101] В то время как это изобретение было описано в связи с примерными аспектами, очерченными выше, различные альтернативы, модификации, вариации, улучшения и/или практические эквиваленты, либо известные, либо те, которые существуют или могут быть в настоящее время не предусмотрены, могут стать очевидными, по меньшей мере, обычным специалистам в области техники.
[00102] Соответственно, примерные аспекты изобретения, как изложено выше, предназначены быть иллюстративными, неограничивающими. Различные изменения могут быть выполнены без отступления от духа и рамок изобретения. Поэтому, изобретение предназначено, чтобы охватывать все известные или позднее разработанные альтернативы, модификации, вариации, улучшения и/или практические эквиваленты.
Реферат
Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для компенсации магнитного поля известной геометрии и изменения по времени посредством множества компенсирующих контуров. Технический результат – расширение функциональных возможностей. Для этого используется множество контуров, каждый из которых снабжается энергией посредством электрического тока, который создает магнитное поле с известными временными вариациями. Поле множества контуров формирует компенсирующее магнитное поле, которое лучше противостоит пространственному изменению в известном магнитном поле в пределах объема, чем магнитное поле от единственного контура. При этом множество отдельных, по существу, планарных компенсирующих контуров, каждый меньше по размеру контура передатчика, размещенных соосно вдоль оси, параллельно локальному направлению упомянутого первичного магнитного поля, и снабжаемых энергией с помощью тока посредством контроллера тока; ось обнуления проходит двунаправленно в перпендикулярном направлении от плоскости, параллельной упомянутым компенсирующим контурам, к точке окончания на каждом конце упомянутой оси обнуления; компенсирующее магнитное поле формируется в компенсированном объеме посредством тока в упомянутых компенсирующих контурах, причем упомянутый компенсированный объем в значительной степени центрируется на упомянутой оси обнуления, упомянутые точки окончания располагаются там, где компенсирующему магнитному полю не удается по существу нейтрализовать упомянутое первичное магнитное поле. Упомянутое компенсирующее магнитное поле существует, по существу, в направлении, противоположном, и, по существу, равно по величине упомянутому первичному магнитному полю, так что упомянутое компенсирующее магнитное поле, по существу, нейтрализует упомянутое первичное магнитное поле в упомянутом компенсированном объеме. Изобретение полезно в электромагнитных измерениях, где магнитное поле передатчика с управляемым источником должно быть нейтрализовано в датчике магнитного поля. Изобретение особенно полезно для случаев, когда магнитный датчик может двигаться относительно передатчика, как, например, в некоторых воздушных электромагнитных измерениях. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 16 ил.
