Анализ бесконтактного трансформаторного датчика

Введение

 

Впоследние десятилетия остро встала проблема зондирования верхнего слоя земной поверхности (0÷500) для георазведки с целью обнаружения залежей полезных ископаемых и проведения мониторинга для выявления и контроля областей с повышенным напряженно-деформированным состоянием среды, которые являются предвестниками карстовых, карсто-суффузионных и оползневых процессов. Определенный опят в этом направлении достигнут благодаря работам специалистов России, стран СНГ, Японии и Китая.

Для измерения параметров породы было предложено использование бесконтактного трансформаторного датчика (БТД).

Целью данной курсовой работы является изучение и освоение методики изготовления конструкции генераторной установки, для системы геоэлектрического мониторинга, а также корпуса и прочих деталей, выборка и обоснование конструктивных размеров.

В данной курсовой работе подробно изложена технология изготовления бесконтактного трансформаторного датчика с подборкой оборудования.

 

1. Анализ технического задания

 

Электроразведка

 

Для изучения естественных и искусственно созданных в недрах электрических (электромагнитных) полей постоянного и переменного тока, служит геофизический метод разведки - электроразведка. Электроразведка (электрическая, или точнее электромагнитная разведка) объединяет физические методы исследования геосфер Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, основанные на изучении электромагнитных полей, существующих в Земле в силу естественных космических, атмосферных или физико-химических процессов или созданных искусственно.

Интенсивность и структуру естественных полей определяют природные факторы и электромагнитные свойства горных пород. Для искусственных полей она зависит от этих же свойств горных пород, интенсивности и вида источника, а также способов возбуждения. Последние бывают гальваническими, когда поле в Земле создают с помощью тока, пропускаемого через электроды-заземлители; индуктивными, когда питающий ток, проходя по незаземленному контуру (петля, рамка), создает в среде электромагнитное поле за счет индукции, и смешанными (гальваническими и индуктивными). К электромагнитным свойствам горных пород относятся удельное электрическое сопротивление ρ, величина, ей обратная, - удельная электропроводность (γ = 1/ ρ), электрохимическая активность α, поляризуемость η, диэлектрическая ε и магнитная μ проницаемости, а также пьезоэлектрические модули d. Электромагнитными свойствами геологических сред и их геометрическими параметрами определяются геоэлектрические разрезы. Геоэлектрический разрез однородного по тому или иному электромагнитному свойству полупространства принято называть нормальным, а неоднородного - аномальным.

В таблице 1 и 2 приведены физическая и целевая (прикладная) классификации методов электроразведки. Вследствие многообразия используемых полей, свойств горных пород электроразведка отличается от других геофизических методов большим числом (свыше 50) методов. Их можно сгруппировать в методы естественного переменного электромагнитного поля, гео электрохимические, сопротивлений, электромагнитные и радиоволновые зондирования и профилирования, пьезоэлектрические, радиолокационные зондирования, а также радиотепловые, инфракрасные и спектрометрические съемки, которые хотя и принято относить к терморазведке, но по природе полей, методике и технике измерений они близки к электроразведке.

 

Таблица 1 - Физическая классификация методов электроразведки

Частота		Вид излучения	Изучаемый параметр		Ориентировочная глубинность, м
f	lg f		поля	пород
1 мГц 1 Гц	-30	Инфразвуковое	Н, Е	ρ, α, η	1000 100 10 10 1
1 кГц	3	Звуковое	Е	ρ
1 МГц	6	Радиоволновое	Н, Е	d, ρ, ε, μ.
1 ГГц	9	Микрорадиоволновое	Н, Т	Электромагнитный, тепловой, оптический
1 ТГц	12	Инфракрасное	Отражательная способность
1 ПГц	15	Оптическое

 

Таблица 2. Целевая классификация методов электроразведки

Метод	Вид работ
	региональные	разведочные	инженерно-гидрогеологические
Естественного переменного поля	+++	+	+
Геоэлектрохимические	+	+++	++
Сопротивлений	+	++	+++
Электромагнитное зондирование и профилирование	++	++	++
Пьезоэлектрический	-	+++	+
Радиоволновое зондирование и профилирование	-	++	++
Радиолокационное зондирование	-	+	+
Радиотепловой	+	+	+
Инфракрасная и спектрометрическая съемки	+	+	+

 

Примечание: «+», «++» i «+++» - малая, средняя, большая степень применимости соответственно.

По общему строению изучаемых геоэлектрических разрезов методы электроразведки принято подразделять:

а) на зондирования, которые служат для расчленения горизонтально (или полого) слоистых разрезов;

б) на профилирования, предназначенные для изучения крутослоистых разрезов или выявления локальных объектов;

) на подземные, объединяющие методы для выявления неоднородностей между горными выработками и земной поверхностью.

Физико-математическая теория электроразведки базируется на теории электромагнитного поля и, в частности, на теории постоянных и переменных электромагнитных полей. Подобно тому как в основе теории грави- и магниторазведки лежат законы Ньютона и Кулона, в основе теории электроразведки лежат уравнения Максвелла. Если геоэлектрический разрез известен, то с помощью дифференциальных уравнений, получаемых из системы уравнений Максвелла, и физических условий решают прямые задачи электроразведки для ряда физико-геологических моделей среды, т.е. получают аналитические выражения для тех или иных компонентов поля над такими моделями. Если эти компоненты получены в результате электроразведки, то на основе прямых решают обратные задачи электроразведки, т.е. определяют те или иные параметры модели. Таким образом, при решении прямых и обратных задач электроразведки прежде всего приходится иметь дело с геоэлектрическим разрезом, который определяют электромагнитные свойства и геометрические параметры среды.

 

Методы электроразведки

 

Конструкторские расчеты

 

Расчет массы корпуса производится по формуле

 

, (2)

 

Где  - плотность материала;

 - объем детали.

Плотность пластмассы: =1,1 г/см

Корпус состоит из пяти объемов и восьми креплений-защелок:

V₁ = V₂ =V₃ =V = ·b·h= 9,0·10⁴ мм³₅ = ·b·h =300·300·5 = 4,5·10⁵ мм^3,

·b·h=30·16·5=2,4· 10³ мм³

8· 1,92·10⁴ мм³

Объем детали:

V_дет = 4·(9,0·10⁴ )+4,5·10⁵ +1,92·10⁴ =82,92· 10⁴ мм³ = 82,92·10^-5 м³

Масса детали:

 

= 82,92·10^-5 · 1,1·10⁶ = 912,12 г,

 

Заключение

 

В данной курсовой работе был рассмотрен процесс разработки конструкции бесконтактного трансформаторного датчика. Можно сделать вывод, что проектируемая измерительная система на БТД полностью соответствует требованиям техзадания. По таким важным показателям как помехоустойчивость, чувствительность и разрешающая способность требования техзадания даже превосходятся. Были рассмотрены методы электроразведки. Методы электроразведки широко применяются как при геологоструктурных исследованиях и геологическом картировании, так и при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых.

Было проанализировано техническое задание, и на его основе был выбран наиболее подходящий материал - ПВХ. Для пластика ПВХ был выбран специальный однокомпонентный водный полиуретаново акриловый финишный лак.

Были произведены расчеты объёма, массы материала.

датчик трансформаторный зондирование материал

Список литературы

 

1. Детали приборов и основы конструирования: Методические указания к курсовому проектированию для студентов образовательной программы / сост.: В.В. Булкин. Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2009.

. Научные труды муромских ученых. Часть 1. Материалы 35-й научно-технической конференции преподавателей, сотрудников т аспирантов по итогам работы за 1999 год. Под ред. Н.В. Чайковской

. Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка и изготовление действующего макета измерительного блока электровариометра». Москва 1991 год.

Введение

 

Впоследние десятилетия остро встала проблема зондирования верхнего слоя земной поверхности (0÷500) для георазведки с целью обнаружения залежей полезных ископаемых и проведения мониторинга для выявления и контроля областей с повышенным напряженно-деформированным состоянием среды, которые являются предвестниками карстовых, карсто-суффузионных и оползневых процессов. Определенный опят в этом направлении достигнут благодаря работам специалистов России, стран СНГ, Японии и Китая.

Для измерения параметров породы было предложено использование бесконтактного трансформаторного датчика (БТД).

Целью данной курсовой работы является изучение и освоение методики изготовления конструкции генераторной установки, для системы геоэлектрического мониторинга, а также корпуса и прочих деталей, выборка и обоснование конструктивных размеров.

В данной курсовой работе подробно изложена технология изготовления бесконтактного трансформаторного датчика с подборкой оборудования.

 

1. Анализ технического задания

 

Анализ бесконтактного трансформаторного датчика

 

В данной курсовой работе поставлена задача разработки конструкции бесконтактного трансформаторного датчика:

спроектировать и рассчитать конструкцию блока генераторной установки для системы геоэлектрического мониторинга;

выбрать и обосновать конструктивные размеры, разъемные и неразъемные соединения, места для крепления разъемов;

выбрать и обосновать материалы корпуса и прочих деталей.

Рассмотрим бесконтактный трансформаторный датчик и сферу его использования.

Одним из перспективных методов по проблеме зондирования (метод сейсморазведки, используемый для изучения строения земной коры и верхней мантии) верхнего слоя земной поверхности для георазведки является метод, использующий прямой и обратный сейсмоэлектрические эффекты. Применение данного метода для исследований и мониторинга подразумевает использование специализированной аппаратуры, которая должна соответствовать специфике данных наблюдений:

уровень помех может превышать полезный сигнал на 100дБ;

высокие требования к стабильности характеристик и надежности;

высокая чувствительность;

требования к точности измерения абсолютных значений теряют смысл и, напротив, возрастают требования к точности измерения вариаций величин.

Стандартный подход к измерению возмущений электрического поля, возникающего в породе в результате её возбуждения сейсмическим или электрическим воздействием, с помощью контактных датчиков несет в себе множество недостатков:

а) датчики представляют собой угольные стержни, поверхности которых в длительном промежутке времени подвержены образованию пленки окислов, что изменяет условия эксперимента;

б) большое значение постоянной составляющей измеряемого параметра; в) для получения высокой чувствительности требуется большее значение базы.

В связи с этим, для измерения параметров породы в выше описанном методе было предложено использование бесконтактного трансформаторного датчика (БТД), который представляет собой кольцевой ферромагнитный сердечник с обмоткой, подключенной к электровариометру.

 

Рисунок 1 - Бесконтактный трансформаторный датчика

 

Данная конструкция датчика имеет следующие достоинства:

а) полностью защищен от воздействия внешней среды;

б) датчик локален, что уменьшает влияние температуры и помех;

в) возможна регистрация различных компонент ЭМП.

Предложено интегрировать БТД с устройствами, выполняющими функции усиления и фильтрации сигнала в одно функциональное устройство - интегральный бесконтактный трансформаторный датчик. Дифференциальный усилитель увеличивает полезный сигнал, подавляя синфазные сигналы с обмотки БТД. Полосовой фильтр Ф1 настроен на резонансную частоту БТД и уменьшает сигнал помех. Фильтр-пробка Ф2 исключает действие сигнала с промышленной частой 50 Гц. Фазовращатель ФВ компенсирует набег фазы, возникающий при прохождении сигнала по цепям интегрального БТД. Таким образом, сигналы множества интегральных БТД, участвующих в эксперименте, полностью стандартизированы и не требуют дополнительной коррекции при использовании многоканальной системы регистрации. Кроме того, на начальном этапе регистрации предполагается разделить действительную и мнимую части коэффициента передачи нижнего полупространства:

 

, (1)

 

где -регистрируемый сигнал, В;

  - сила тока зондирующего сигнала, А.

Таким образом, многоканальная система регистрации электрического поля с несколькими интегральными БТД является прибором - носителем информации о появлении и развитии областей механических напряжений в Земной коре.

 

Электроразведка

 

Для изучения естественных и искусственно созданных в недрах электрических (электромагнитных) полей постоянного и переменного тока, служит геофизический метод разведки - электроразведка. Электроразведка (электрическая, или точнее электромагнитная разведка) объединяет физические методы исследования геосфер Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, основанные на изучении электромагнитных полей, существующих в Земле в силу естественных космических, атмосферных или физико-химических процессов или созданных искусственно.

Интенсивность и структуру естественных полей определяют природные факторы и электромагнитные свойства горных пород. Для искусственных полей она зависит от этих же свойств горных пород, интенсивности и вида источника, а также способов возбуждения. Последние бывают гальваническими, когда поле в Земле создают с помощью тока, пропускаемого через электроды-заземлители; индуктивными, когда питающий ток, проходя по незаземленному контуру (петля, рамка), создает в среде электромагнитное поле за счет индукции, и смешанными (гальваническими и индуктивными). К электромагнитным свойствам горных пород относятся удельное электрическое сопротивление ρ, величина, ей обратная, - удельная электропроводность (γ = 1/ ρ), электрохимическая активность α, поляризуемость η, диэлектрическая ε и магнитная μ проницаемости, а также пьезоэлектрические модули d. Электромагнитными свойствами геологических сред и их геометрическими параметрами определяются геоэлектрические разрезы. Геоэлектрический разрез однородного по тому или иному электромагнитному свойству полупространства принято называть нормальным, а неоднородного - аномальным.

В таблице 1 и 2 приведены физическая и целевая (прикладная) классификации методов электроразведки. Вследствие многообразия используемых полей, свойств горных пород электроразведка отличается от других геофизических методов большим числом (свыше 50) методов. Их можно сгруппировать в методы естественного переменного электромагнитного поля, гео электрохимические, сопротивлений, электромагнитные и радиоволновые зондирования и профилирования, пьезоэлектрические, радиолокационные зондирования, а также радиотепловые, инфракрасные и спектрометрические съемки, которые хотя и принято относить к терморазведке, но по природе полей, методике и технике измерений они близки к электроразведке.

 

Таблица 1 - Физическая классификация методов электроразведки

Частота		Вид излучения	Изучаемый параметр		Ориентировочная глубинность, м
f	lg f		поля	пород
1 мГц 1 Гц	-30	Инфразвуковое	Н, Е	ρ, α, η	1000 100 10 10 1
1 кГц	3	Звуковое	Е	ρ
1 МГц	6	Радиоволновое	Н, Е	d, ρ, ε, μ.
1 ГГц	9	Микрорадиоволновое	Н, Т	Электромагнитный, тепловой, оптический
1 ТГц	12	Инфракрасное	Отражательная способность
1 ПГц	15	Оптическое

 

Таблица 2. Целевая классификация методов электроразведки

Метод	Вид работ
	региональные	разведочные	инженерно-гидрогеологические
Естественного переменного поля	+++	+	+
Геоэлектрохимические	+	+++	++
Сопротивлений	+	++	+++
Электромагнитное зондирование и профилирование	++	++	++
Пьезоэлектрический	-	+++	+
Радиоволновое зондирование и профилирование	-	++	++
Радиолокационное зондирование	-	+	+
Радиотепловой	+	+	+
Инфракрасная и спектрометрическая съемки	+	+	+

 

Примечание: «+», «++» i «+++» - малая, средняя, большая степень применимости соответственно.

По общему строению изучаемых геоэлектрических разрезов методы электроразведки принято подразделять:

а) на зондирования, которые служат для расчленения горизонтально (или полого) слоистых разрезов;

б) на профилирования, предназначенные для изучения крутослоистых разрезов или выявления локальных объектов;

) на подземные, объединяющие методы для выявления неоднородностей между горными выработками и земной поверхностью.

Физико-математическая теория электроразведки базируется на теории электромагнитного поля и, в частности, на теории постоянных и переменных электромагнитных полей. Подобно тому как в основе теории грави- и магниторазведки лежат законы Ньютона и Кулона, в основе теории электроразведки лежат уравнения Максвелла. Если геоэлектрический разрез известен, то с помощью дифференциальных уравнений, получаемых из системы уравнений Максвелла, и физических условий решают прямые задачи электроразведки для ряда физико-геологических моделей среды, т.е. получают аналитические выражения для тех или иных компонентов поля над такими моделями. Если эти компоненты получены в результате электроразведки, то на основе прямых решают обратные задачи электроразведки, т.е. определяют те или иные параметры модели. Таким образом, при решении прямых и обратных задач электроразведки прежде всего приходится иметь дело с геоэлектрическим разрезом, который определяют электромагнитные свойства и геометрические параметры среды.