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Appareil pour la prospection électromagnétique
La présente invention a trait à un procédé et à un appa- reil pour déceler et analyser les minerais conducteurs, et plus particulièrement à un système de prospection électromagnétique de construction perfectionnée transporté par avion.
Comme on le sait, la plupart des minerais utiles ont des propriétés conductrices et ces corps peuvent être décelés par l'emploi d'un dispositif qui comprend une bobine d'émission alimen- tée par un courant alternatif qui engendre un champ magnétique alternatif. Les propriétés conductrices de ces corps ou couches engendrent des courants parasites dans la couche, lesquels engen- drent leur propre champ magnétique et peuvent être décelés au moyen d'une bobine de réception reliée à un système de mesure
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approprié. Cette bobine de réception décèle directement des champs provenant de la bobine d'émission (ce qui est -généralement appelé champ primaire) et provenant de courants induits dans la couche de minerai (appelés généralement un champ secondaire).
Comme le champ secondaire seulement est de valeur pour les prospec= teurs,l'effet du champ primaire sur la bobine de réception devrait être éliminé du circuit du système de mesure, en vue de fournir une, lecture exacte du champ secondaire.
Comme le champ secondaire est généralement relativement faible, on a employé autrefois dans les travaux de topbgraphie électromagnétique, une bobine d'émission très grande, toujours placée dans l'avion. En général, la bobine de réception est contenue dans un dispositif appelé "oiseau" remorqué en dessous et derrière l'avion de prospection, à environ 150 mètres de celui-ci, à cause du caractère conducteur de certaines parties constitutives de l'avion et des effets parasites qui en proviennent, et pour augmenter la puissance relative du champ secondaire par rapport au champ-primaire.
Comme la bobine de réception ne se trouve pas ainsi dans une position fixe par rapport à la bobine d'émission, le problème de la mesure du champ secondaire est aggravé, car l'espacement variable des deux bobines rend la séparation entre le champ secondaire et le champ primaire difficile.
D'autre part, la distance relativement grande entre les bobines d'émission et de réception ne contribue pas à la bonne réalisation d'un travail d'exploration, la bobine d'émission se trouvant dans l'avion, par conséquent à une assez grande distance du minerai, donne un champ secondaire relativement faible qui est difficile à déceler et à mesurer.
La présente invention a pour buts de procurer: un dispositif d'exploration électromagnétique perfectionna dans lequel les bobines de réception et d'émission peuvent se trouver plus près l'une de l'autre, ce qui permet de remorquer les
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deux bobines dans ledit "oiseau" employé avec l'avion de prospec- tion; un circuit compensateur perfectionné pour un tel disposi- tif, dans lequel la tension produite par le champ primaire peut être supprimée du circuit de la bobine de réception; un montage perfectionné des bobines de réception et d'émission dans ledit "oiseau"; un procédé et un appareil pour les travaux de prospection magnétiques qui permette l'emploi d'une bobine d'émission plus ' petite que celle qui a été employée jusqu'ici.
Ces buts et avantages, ainsi que bien d'autres, ressorti- ront de la description détaillée qui suit, ainsi que les dessins annexés, dans lesquels:
La fig. 1 représente un avion de prospection en fonction- nement.
La fig. 2 montre le circuit du dispositif de prospection électromagnétique construit selon l'invention.
La fig. 3 est une coupe transversale simplifiée dudit "oiseau" représenté sur la fig, 1.
La fig. 4 est un diagramme représentant le fonctionnement du montage de la fig. 1.
Dans les dessins, un avionAest représenté remorquant
EMI3.1
un "oiseauCau moyen d'un câble de remorquag@3au-dessus du sol De Les minerais conducteurs E sont indiqués comme étant situés trans- versalement sous la surface du sol.
Le circuit de l'appareil de prospection est représenté sur la fig. 2.
Un générateur 1 fournit du courant à une bobine d'émission 2 qui émet ainsi un champ magnétique alternatif de même fréquence, appelé champ primaire. La fréquence du courant alternatif fourni - par le générateur 1 peut être d'environ 100 à 10. 000 cycles par seconde. La conductivité changeante du terrain et la nature des minerais recherchés, indiqueront la fréquence convenable de fonctionnement pour obtenir les meilleurs résultats.
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Une bobine de réception 4 située à une distance déterminée de la bobine d'émission 2 est munie d'une capacité de syntonisation 6: Une bobine de. compensation 3 est située près de la. bobine d'émission 2, et est reliée en série directement, ou par l'entre- mise d'un dispositif ordinaire d'accouplement, tel qu'un transfor- mateur 5, la bobine réceptrice 4.
La bobine de compensation est ainsi mise en série avec le circuit de la bobine de réception directement ou au moyen d'un accouplement ordinaire ou moyen de réglage, et lorsqu'il est dit dans la description et les revendica- tions que la bobine de compensation est mise convenablement en série avec la bobine de réception, l'on doit comprendre que 1.'on entend par la'une connexion ou un. raccord direct, ou un raccord aumoyen d'un tel accouplement pu moyen de réglage, comme un transformateur ordinaire.
En fonctionnement, la bobine de réception est syntonisée en résonance avec la fréquence de fonctionnement du générateur 1 au moyen de. la capacité, 6.
On se rendra compte que le champ primaire produira une tension dans la bobine 3, qui est située près de la bobine démission 2 èt de préférence en position de flux maximum, et grâce à cette tension primaire ainsi créée dans la bobine 3, il est possible de compenser la tension primaire produite dans la bobine de récep- tion 4 en mettant ces deux tensions primaires en série dans le circuit de la bobine de réception.
Le dispositif, d'accouplement 5 est employé .pour régler le système de manière que la tension pro- duite dans la bobine 3 par le champ primaire et envoyée au circuit de la bobine 4 soit exactement égale à la tension produite direc- tement dans la bobine de réception 4 par le champ primaire, le dispositif d'accouplement étant réglé pour faire face à des diffé- rences très faibles entre les deux tensions. Si on le désire, ce dispositif d'accouplement peut être relié pour permettre un réglage à distance de manière que, en supposant que la bobine de réception se trouve dans 1' "oiseau", le réglage puisse se faire de l'avion
4e prospection même.
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En pratique, la polarité des bobines 3 et 4, est choisie de telle manière que le champ primaire provenant de la bobine d'émission 2 produise une tension primaire dans la bobine de compen- sation 3 dans un sens, alors que le même champ primaire produit une tension dans la bobine de réception 4 dans le sens opposé.
Au moyen du dispositif d'accouplement représenté ici comme étant un transformateur simple 5, ces deux tensions produites sont rendues d'une puissance égale, et comme la bobine de compensation se trouve en série avec la bobine de réception, les deux tensions s'annuleront et aucune tension n'apparaîtra dans la capacité 6 du circuit de la bobine de réception, résultant du champ primaire.
On se rendra compte que le rapport de distance entre les bobines 2 et 3 et entre les bobines 2 et 4 doit être maintenu strictement et positivement, car toute déviation produira une différence entre la tension produite directement dans la bobine 4 et la tension de compensation produite dans la bobine 3.
En employant.une série de bobines de réception compensée comme décrit ci-dessus, on voit que. tout en restant dans des limites raisonnables, les variations de la fréquence du courant engendré, et par conséquent le champ d'émission, n'agissent pas sur le circuit de la bobine de ,réception pour le champ primaire.
L'effet de ce changement de fréquence apparaît dans la bobine de compensation et dans la bobine de réception, et la compensation dans le circuit de la. bobine de réception ne subit aucun effet étant donné le fait que les deux bobines font en réalité partie du même circuit et que les deux tensions créées agissent en série dans ce circuit.
A cause de ce fait, il est possible de syntoniser le circuit de la bobine de réception, ce qui comprend la bobine de réception, et en réalité, la bobine compensatrice de la série, en résonance avec la fréquence duchamp d'émission, et permet d'obte- nir un signal secondaire bien plus puissant provenant d'une bobine d'émission d'une dimension donnée.
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Les avantages d'une bobine de réception syntonisée en résonance ont été reconnus dans la pratique. Une telle bobine donne une réponse bien plus forte aux signaux et diminue énormément l'interférence produite par les bruits. Les circuits syntonisés ont été employés antérieurement, mais des difficultés sont survenues à cause du problème ayant trait à la stabilisation de l'induc- tance de la bobine de réception, de la'capacitance de syntonisation et de la fréquence d'émission. Ce problème devient plus difficile lorsqu'on désire mesurer non seulement le total du champ secondaire, mais aussi séparer ce champ en composantes en phase et en composan- tes en phase décalée, comme on l'expliquera par la suite.
On a fait remarquer comment l'emploi du circuit perfec- tionné en vue de la compensation des effets du champ primaire provenant du circuit de la bobine de réception, surmonte la diffi- culté consistant à varier la fréquence de la source- Il est évident que le circuit décrit maintient aussi une telle compensation malgré les variations d'inductance de la bobine de réception et la capacitance de la capacité de syntonisation qui peut fort bien provenir de variations atmosphériques et de conditions climatiques.
De telles variations troubleraient la syntonisation du circuit de la bobine de réception qui cesserait alors de fonctionner à la fréquence nominale du circuit syntonisé. Ceci entraînerait un décalage de phase dans les tensions induites à travers la capacité.
Mais, comme la tension primaire induite et -la tension de compensa- tion dans le circuit de la bobine de réception subissent ce décala- ge, la compensation du circuit n'est pas dérangée.
Les chiffres de référence 7 à 12 indiquent les instru- ments de détection et de mesure pour la prospection de minerais à bord d'un avion.
Comme on le sait, lorsque le champ primaire émis par la bobine d'émission rencontre un minerai conducteur, des courants en tourbillons se produisent dans ce minerai conducteur, et ces courants produisent un champ secondaire. Ce champ secondaire est
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décelé par la bobine de réception, ce qui produit la formation d'une tension dite secondaire dans la bobine de réception.
Comme on l'a montré, puisque le circuit de la bobine de réception est compensé en ce qui a trait au champ primaire, cette tension secon- daire est le seul signal de débit provenant du circuit de la bobine de réception. D'autre part, étant donné que le champ secondaire aura la même fréquence que celle du champ primaire, et comme la bobine de réception est syntonisée en résonance avec cette fréquen- ce, le signal de tension secondaire sera amplifié par la valeur-Q du circuit pour atteindre une amplitude plus facile à mesurer.
Il serait alors possible d'insérer simplement un ampli- ficateur 7 et un voltmètre pour déceler cette tension totale secondaire en circuit avec la bobine de réception.
Toutefois, les remous de courant, ou tournoiements, induits dans la couche de minerai, qui engendrent le champ secon- daire, suivent un chemin propre à l'inductance et la résistance du matériau, 'et il est préférable d'établir, autant que possible, les deux coefficients.,
Si le circuit suivi par les courants, de remous, était simplement de pure inductance, le champ secondaire engendré par un tel courant se trouverait en phase avec le champ primaire. Si les champs primaire et secondaire sont en phase, les tensions reçues par la bobine de réception'se trouveraient aussi én phase.
Si le circuit de courant de remous était simplement une résistance, le ,champ secondaire engendré par un tel courant serait 90 hors phase du champ primaire, et les tensions engendrées dans la bobine de réception seraient aussi 90 hors phase,
Comme ces remous, comme on l'a déjà dit, traversent un tériau possédant une résistance et une inductance, il se produit une inductance dans la bobine de réception des composants de tension en phase et hors phase provenant du champ secondaire, et Ces composants peuvent être enregistrés séparément en se servant 4'un circuit comme celui qui.est représenté sur la fig. 2.
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. Sur la fig. 2, le chiffre 8:;' désigne un changeur de phase d'un genre bien connu établi pour déphaser la tension en question de 90 . Ce changeur de phase est requis dans la voie en phase pour compenser l'écart de phase de 90 dans le circuit de la bobine de réception syntonisée. Le chiffre 9 désigne un détecteur de phase pour le signal en-phase, et 11 un détecteur de phase pour le signal hors-phase, ceci à cause de l'écart de 90 déjà mentionné dans le circuit de la bobine de réception syntonisée. Des enregistreurs 10 et 12 enregistrent les signaux en-phase et hors-phase, respec- tivement.
La construction du changeur de phase 8 et des détecteurs de phase 9 et, 11 peut être d'un genre quelconque. Le fonctionne- ment de ces dispositifs est bien connu'et comme ils ne font pas en eux-mêmes partie de l'invention, ils ne seront pas décrits.
En supposant que les détecteurs soient placés dans 1'"oi- seau" et les enregistreurs dans l'avion prospecteur, le débit provenant des détecteurs de phase peut être, transmis par un câble aux enregistreurs, ou bien ce débit peut être transmis aux enre- gistreurs par un système de modulation pour éviter ainsi l'emploi de connexions par-câble entre l'"oiseau" et l'avion. On peut alors remorquer l'"oiseau" au moyen d'un simple fil d'acier ce qui diminue la résistance au vent et permet à l'oiseau de voler plus droit sous l'avion.
Comme il est décrit plus haut et comme le représente la fig. 3, les axes des bobines se trouvent dans la position verticale.
On doit se rappeler toutefois, que la position la plus favorable pour les bobines dépend de la moyenne de conductance de la surcharge et du genre de minerai que l'on cherche. On doit comprendre aussi que- si on le désire, les axes des bobines peuvent être mis dans la position horizontale et parallèle à l'axe de l'"oiseau" représenté sur la fige 3. La bobine de réception, pour obtenir le maximum de résultats,, sera naturellement placée dans la direction de l'accouple ment maximum à la bobine d'émission, car dans cette position, la bo-
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bine de réception est moins sensible aux petits changements angulaires qui se pr-oduisent entre les deux bobines.
Cette disposition des bobines de réception et d'émission, et des circuits, à cause des avantages indiqués, peut être incluse dans un seul "oiseau" remorqué par un avion de prospection'et à une distance suffisante de celui-ci, supprimant ainsi l'interférence provenant des parties constitutives de l'avion.
Comme la bobine de réception est syntonisée en résonance avec la fréquence d'émission, on peut employer une bobine bien plus petite sans pour cela réduire le champ secondaire au de:sous d'une valeur mesurable.
D'autre part, comme la bobine d'émission est située dans 1'"oiseau" au lieu d'être dans l'avion même comme c'était le cas auparavant, il est donc possible de faire fonctionner 'la bobine d'émission bien plus près de la surface du sol qu'autrefois, sans exposer l'avion au danger. Cette distance plus courte a pour résultat un champ primaire plus fort qui atteint les minerais, ainsi qu'un champ secondaire plus fort qui en résulte. Ceci, de nouveau, permet l'emploi d'une bobine d'émission plus petite et un émetteur plus petit aussi pour obtenir un signal satisfaisant.
On se rendra donc compte que l'emploi d'une bobine récep- trice syntonisée en résonance avec la fréquence de la source, ainsi que l'amplification la tension secondaire produit par les minerais, simplifient aussi la tension induite par le champ primaire dans le cas où la bobine de réception ne serait,'pas parfaitement compensée.
Par l'emploi de la série de circuits de réception compen- sée décrite ci-dessus ôn a supprimé en grande partie le danger d'une mauvaise compensation qui pourrait provenir des variations de fréquence dans le champ primaire, ou de variations dans l'inductance de la bobine réceptrice ou de la valeur de capacitance de syntonisation, produites par certaines conditions atmosphériques.
Il est très important de conserver la connexité d'espace entre la bobine d'émission, la bobine de compensation et la bobine
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de réception, car lorsque la bobine 4 a été accouplée directement ou par un dispositif d'accouplement 5, à la bobine de référence ou de compensation-3 de manière que la tension primaire induite dans la bobine 4 est égale à la tension compensée reçue par le circuit de celle-ci dans le dispositif d'accouplement 5, toute ' variation de la position de la bobine 4 dans le champ primaire dérangera la compensation et produira une tension primaire induite qui apparaîtra au débit du circuit de réception.
Dans ce cas aussi, le signal serait grandement amplifié parce que la bobine de récep- tion se trouve en résonance avec la fréquence dé la source d'émission..-
Pour conserver cette connexité d'espace entre les bobines d'émission et de réception dans l'"oiseau", on emploie le principe représenté schématiquement sur'les figs. 3 et 4..
Sur la fig. 3, le câble de remorque est fixé à la coque de l'"oiseau" vers le centre de gravité de celui-ci.
On se rendra compte que 1'"oiseau" subira des efforts continus et répétés à l'endroit où le câble de remorque est fixé, provenant de la montée ou de la descente de l'avion en vol, et l'effet du vent et des courants d'air sur le câble de remorque et sur 1'"oiseau" lui même.
Comme la bobine d'émission se trouvera vers une extrémité:de l'"oiseau", et la bobine de réception vers l'autre extrémité, la question de maintenir les deux en connexité exacte devient difficile, à cause de la tendance à la flexion de l'"oiseau" au point où le câble de remorque est fixé, tout parti- culièrement parce que l'"oiseau" a un corps assez long,
En vue de diminuer cette flexion, on emploie un supportde bobine 13 à l'intérieur de l'"oiseau" qui se prolonge pour ainsi dire dans toute la longueur de l'"oiseau" et qui a généralement une longueur de 4,5 m ou plus. Cette structure 13 est fixée à l'"oiseau" à deux endroits, en 14 et 15, vers les extrémités de . celui-ci.
Les bobines d'émission et de réception sont situées aux extrémités du support--13.. au delà des points de fixation 14 ,et 15, comme le montrerfles dessins.
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La fig. 4 montre le comportement de,ce support. Lorsqu'une accélération est appliquée au point de fixation du câble suivant son sens d'inclinaison, le support 13 aura tendance à fléchir vers le.bas entre les deux points 14 et 15 comme résultat de la force de réaction de l'accélération A. Comme les extrémités du support sont libres, celui-ci agissant comme une poutre aura tendance à forcer les extrémités libres du support vers le haut, comme par les forces A'. Cette tendance est toutefois réduite ou 'supprimée par la masse d'extrémité du support agissant vers le bas avec une force M1 et M2 à cause de l'accélération- transmise à l'"oiseau".
La résultante de ces forces a tendance à annuler chaque force composante et à maintenir les extrémités libres du support 13, où sont situées les bobines, à la distance prédéterminée.
Quoique l'on ait décrit jusqu'ici l'invention dans son application à la'prospection aérienne, elle est, également applica- blé aux travaux topographiques accomplis au soi. La question de compenser l'effet du champ primaire,dans' le circuit de la bobine de réception malgré les variations qui se produisent dans la source de fréquence, l'inductance de la bobine de réception et résistance de capacité, est une question qui intéresse les travaux topogra- phiques car ce n'est qu'avec une compensation efficace que l'emploi d'un circuit de bobine réceptrice syntonisée et les avantages qui en proviennent, sont rendus possibles.
Les circuits et principes de'la série de compensation peuvent donc facilement s'adapter aux travaux au sol en employant un circuit de bobine réceptrice syntonisée,
Le champ primaire peut être compensé au circuit de la bobine de réception tourné tel qu'il est décrit pour les dispositifs de prospection aéronautique, mais le champ secondaire peut être compensé tout aussi'bien, au moyen de compensateurs réglables calibrés convenablement accouplés en série avec le circuit de la bobine'de réception. L'amplificateur 7 agit alors comme un disposi-
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tif indicateur de zéro avec un détecteur accouplé approprié servant de voltmètre.
De plus, dans les prospections terrestres on a générale- ment refusé l'emploi d'un circuit de bobine réceptrice avec un noyau. en fer, malgré les avantages marqués offerts par sa dimension réduite, car un tel noyau est plus susceptible aux changements atmosphériques et possède une inductance qui varie selon ceux-ci.
Comme déjà décrit en détails, de telles variations d'inductance dans des limites raisonnables, n'ont aucun effet sur la compensa- tion du circuit de bobine de réception ; peut donc employer un noyau en fer et la dimensbn ainsi que le poids de l'équipement en sont considérablement diminués.
Les formes d'exécution de l'invention ont été décrites et représentées uniquement à titre d'exemple, des modifications pouvant y être apportées sans sortir du cadre de l'invention. , REVENDICATIONS
1.- Appareil pour la prospection électromagnétique carac- térisé en ce qu'il comprend uné bobiné de réception et une bobine d'émission, cette bobine d'émission étant alimentée par une source de courant alternatif, fournissant ainsi un champ magnétique primai- re, une bobine de compensation située dans le champ primaire et relativement proche de la bobine d'émission, cette bobine de compen- sation étant convenablement reliée en série avec la bobine de réception.
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