ДЛИННОПЕРИОДНЫЙ ФОРСБАЛАНСНЫЙ СЕЙСМОМЕТР

Полезная модель относится к устройствам для геофизических исследований и может быть использована в сейсмометрах и сейсмографах обсерваторного типа.
Известен сейсмометр КСЭШ, содержащий маятник, преобразователь перемещений, блок обратной связи, блок контроля и калибровки, электродинамический преобразователь, блок усилителей формирователей. (А.В.Рыков, И.П.Башилов "Сверхширокополосный цифровой комплект сейсмометров", сборник Сейсмические приборы вып.27, Москва, ОИФЗ РАН, 1997 г., стр.3-6), или (А.В.Рыков "Теория и практика сейсмометрии в России", сборник Сейсмические приборы вып.37, Москва, ОИФЗ РАН, 2002 г., стр.3-37) или (А.В.Рыков " К вопросу о разрешающей способности сейсмометров", сборник Сейсмические приборы вып.38, Москва, ОИФЗ РАН, 2002 г., стр.65-69).
В известном (нефорсбалансном) электронном сейсмометре обратная связь используется для продления склона характеристики маятника в сторону длинных периодов. Влияние механических элементов подвески на основные характеристики сейсмометра велико, так как собственный период и затухание маятника входят в выражение для передаточной функции сейсмометра.
Достоинства этого устройства: стабильный маятник, используется емкостной преобразователь перемещений, прибор простой по конструкции и высокотехнологичный, удобен в настройке и эксплуатации.
Ограничения: недостаточная разрешающая способность преобразователя перемещений, устаревшие схемные решения, не реализующие форсбалансный принцип.
Технические характеристики сейсмометра КСЭШ представлены в таблице 1.
Таблица 1
Параметр
КСЭШ
Частотная характеристика Полоса частот (-3dB)
Плоская по скорости 0.0028-10 Гц
Динамический диапазон
100дБ
Чувствительность
2500 Вс/м
Выходной сигнал
±20 В дифференциальный
Инертная масса
2.0 кг
Собственный максимальн. механический период
30 сек
Вес
20 кг
Размеры
40×20×30 см
Мощность потребления
<5Вт
Рабочий диапазон температур
-5°÷+40°С
Тип преобразователя
Емкостной
Наиболее близким является форсбалансный сейсмометр STS-1, содержащий маятник, дифференциальный преобразователь, блок обратной связи, блок контроля и калибровки, электродинамический преобразователь, блок усилителей формирователей, выход дифференциального преобразователя подсоединен к входу блока обратной связи, к входу блока контроля и калибровки и к входу блока усилителей формирователей, выход блока обратной связи подсоединен к обмотке рабочей катушки электродинамического преобразователя, а выход блока контроля и калибровки подсоединен к обмотке калибровочной катушки электродинамического преобразователя, управляющий выход блока контроля и калибровки подсоединен к механизму рецентеринга маятника для контроля положения его нуля, при этом рабочая катушка электродинамического преобразователя предназначена для уравновешивания положения равновесия инерционной массы маятника с помощью восстанавливающей силы, пропорциональной сигналу отрицательной обратной связи блока обратной связи. (С.А.Мациевский "Методика анализа передаточных функций сейсмометра STS-1", сборник. Сейсмические приборы вып.24, Москва, Наука, 1993 г. стр.121-129), или (Wide-band feedback seismograph system STS-1V/STS-1/H: Prospekt der Firma G.Streckeisen Messgeratebau, Schweiz, 1978.), или (Wielandt E., Streckeisen G. The leaf-spring seismometer - design and performance. Bull. Seismol. Soc. Amer. 1982, Vol.12, N6. P. 2349-2367).
Технические характеристики сейсмометра STS-1 представлены в таблице 2.
Таблица 2
Параметр
STS-1
Частотная характеристика Полоса частот (-3dB)
Плоская по скорости 0.00278-10 Гц
Динамический диапазон
140 дБ
Чувствительность
2400 Вс/м
Выходной сигнал
±20 В дифференциальный
Инертная масса
0.6 кг
Собственный максим. механический период
12 сек
Вес
18.0 кг
Размеры
35×35×30 см
Мощность потребления
1.5 Вт
Рабочий диапазон температур
15±5°С без регулировки нуля
Тип преобразователя
Индуктивный (LVDT)
В современном геофизическом приборостроении наметилось определенное единство взглядов на подход к проектированию широкополосных сейсмометров. Из множества схемных решений, предлагаемых с середины б0-х годов прошлого века для реализации в конструкциях электронных сейсмометров, наилучшим образом зарекомендовала себя схема форсбалансного сейсмометра STS-1. По большому счету, все современные широкополосные сейсмометры строятся по этой схеме, и на сегодняшний день сейсмометр STS-1 фактически является мировым промышленным стандартом, несмотря на то, что уже не выпускается. Прибор обладает исключительно высокой повторяемостью параметров и их стабильностью, очень высоким динамическим диапазоном (свыше 140 дБ) и, соответственно, крайне низким уровнем собственных инструментальных шумов, высокой линейностью.
Форсбалансные сейсмометры - сейсмометры с глубокой отрицательной обратной связью (Κβ=1000-2000), в которых инерционная масса сейсмодатчика удерживается сигналами ОС в положении равновесия. Полезный сигнал формируется в цепи ОС.
Дрейф постоянного смещения и его абсолютное значение на выходе форсбалансного сейсмометра, как правило, составляет единицы милливольт.
Собственный период и стабильность нуля форсбалансного сейсмометра определяют высокоточные, стабильные электронные элементы и практически не зависят от свойств механической подвески, по крайней мере, в рабочей полосе частот.
Таким образом, достоинствами форсбалансного сейсмометра являются:
широкий диапазон частот; амплитудно-частотные и фазовые характеристики прибора определяются электронными компонентами, которые принципиально более стабильны и обладают высокой точностью, что позволяет обеспечивать высокую точность и повторяемость характеристик приборов сети; высокая устойчивость к влиянию внешних дестабилизирующих факторов; высокий динамический диапазон амплитуд; очень малый коэффициент нелинейных искажений; низкий уровень собственных инструментальных шумов.
Ограничениями форсбалансного сейсмометра STS-1 являются: сложность изготовления из-за применения в маятнике прецизионного подвеса на базе многослойной термокомпенсированной плоско-листовой пружины; невысокая разрешающая способность применяемого индуктивного преобразователя типа LVDT (линейный дифференциальный трансформатор) и относительно невысокий собственный период маятника ограничивают возможность модернизации сейсмометра; невысокая ремонтопригодность; прибор очень дорогой; предъявляются повышенные требования к уровню квалификации персонала при обслуживании.
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который может быть получен при выполнении полезной модели, - повышение разрешающей способности, упрощение конструкции, улучшение ремонтопригодности, облегчение установки и обслуживания.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном форсбалансном сейсмометре, содержащем маятник, дифференциальный преобразователь, блок обратной связи, блок контроля и калибровки, электродинамический преобразователь, блок усилителей формирователей, при этом выход дифференциального преобразователя подсоединен к входу блока обратной связи, к входу блока контроля и калибровки и к входу блока усилителей формирователей, выход блока обратной связи подсоединен к обмотке рабочей катушки электродинамического преобразователя, а выход блока контроля и калибровки подсоединен к обмотке калибровочной катушки электродинамического преобразователя, управляющий выход блока контроля и калибровки подсоединен к механизму рецентеринга маятника для контроля положения его нуля, при этом рабочая катушка электродинамического преобразователя предназначена для уравновешивания положения равновесия инерционной массы маятника с помощью восстанавливающей силы, пропорциональной сигналу отрицательной обратной связи блока обратной связи согласно заявленной конструкции дифференциальный преобразователь выполнен емкостным, при этом вход емкостного дифференциального преобразователя связан с колебаниями маятника через зазор между статорными пластинами конденсатора, закрепленными на основании маятника и роторной пластиной, связанной с фермой маятника, а маятник выполнен сверхдлиннопериодным с подвесом на витой цилиндрической пружине.
Указанные преимущества, а также особенности настоящей полезной модели поясняются лучшим вариантом ее выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 изображает функциональную схему заявленного сейсмометра;
Фиг.2 - конструкцию емкостного дифференциального преобразователя, вид спереди (упрощенно);
Фиг.3 - то же, что фиг.2, вид сверху, без верхней статорной пластины;
Фиг.4 - конструкцию подвеса маятника, вид спереди (упрощенно);
Фиг.5 - то же, что фиг.4, вид сверху.
Форсбалансный сейсмометр (фиг.1) содержит маятник 1 (М), дифференциальный преобразователь 2 (ДП), блок 3 обратной связи (БОС), блок 4 контроля и калибровки (БКК), электродинамический преобразователь 5 (ЭДП), блок 6 усилителей формирователей (БУФ). Выход дифференциального преобразователя 2 подсоединен к входу блока 3 обратной связи, к входу блока 4 контроля и калибровки и к входу блока 6 усилителей формирователей. Выход БОС 3 подсоединен к обмотке рабочей катушки ЭДП 5, а выход БКК 4 подсоединен к обмотке калибровочной катушки ЭДП 5. Управляющий выход БКК 4 подсоединен к механизму рецентеринга маятника 1 для контроля положения его нуля. Рабочая катушка ЭДП 5 предназначена для уравновешивания положения равновесия инерционной массы маятника 1 с помощью восстанавливающей силы, пропорциональной сигналу отрицательной обратной связи БОС 3.
Дифференциальный преобразователь 2 выполнен емкостным (фиг.1-3). Вход емкостного дифференциального преобразователя 2 связан с колебаниями маятника 1 через зазор между статорными пластинами 7 конденсатора, закрепленными на основании 8 маятника 1 и роторной пластиной 9, связанной с фермой 10 маятника 1. Маятник 1 выполнен сверхдлиннопериодным с подвесом на витой цилиндрической пружине 11 (фиг.4-5).
На фиг.2 также упрощенно показаны: магнит 12 ЭДП 5, стойки 13 крепления статорных пластин 7, калиброванные втулки 14.
На фиг.4-5 также упрощенно показаны: инерционные массы 15 (2 шт.), крестовые опоры 16 (6 шт.), катушки 17 ЭДП 5.
В общем такая конструкция маятников известна (см. Е.Ф.Саваренский, Д.П.Кирнос "Элементы сейсмологии и сейсмометрии" Москва, Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1955. стр.381) или (см. А.В.Рыков "Моделирование сейсмометра" Москва, ИФЗ РАН 1996. стр.20), но ее никогда не использовали в форсбалансных сейсмометрах.
Работает заявленный форсбалансный сейсмометр (фиг.1-5) следующим образом.
В заявленном сейсмометре используется принцип силового уравновешивания положения равновесия инерционной массы 15 маятника 1 (форсбалансный принцип) с помощью восстанавливающей силы, пропорциональной сигналу отрицательной обратной связи от БОС 3, в результате рабочие перемещения маятника 1 малы, поэтому форсбалансный сейсмометр отличается повышенной линейностью и стабильностью.
-10
В сейсмометре осуществляется преобразование перемещений инерционной массы 15 маятника 1, возникающих при движении грунта, в электрическое напряжение. Преобразование осуществляется с помощью емкостного ДП 2 конструкции, показанной на фиг.2-3. При колебаниях маятника 1 изменяется зазор между статорными пластинами 7 конденсатора, закрепленными на его основании 8 и роторной пластиной 9, связанной с фермой 10 маятника (фиг.4-5). Благодаря форсбалансному уравновешиванию рабочие перемещения очень малы, что позволяет разработать высокочувствительный емкостной ДП 2 с рабочим зазором 0.5 мм и разрешающей способностью 10 м.
Собственные шумы емкостного ДП 2 определяют собственные электронные шумы сейсмометра и должны лежать ниже низкоуровневой модели шумов NLNM (New Low Noise Model - новая модель минимальных шумов).
Маятник 1 имеет регулируемый собственный период до 30 сек. Благодаря жесткой ферме 10 исключены паразитные резонансы в рабочей полосе частот.
Маятник 1 выполнен сверхдлиннопериодным с подвесом на витой цилиндрической пружине 11 (фиг.4-5). Это позволяет конструктивно и технологически просто реализовать компактный прибор с большим моментом инерции, что в свою очередь облегчает получение высокой разрешающей способности на сверхдлинных периодах.
Устройство имеет ЭДП 5, в катушки 17 которого подается сигнал силового уравновешивания из БОС 3, а также сигналы калибровки из БКК 4.
БОС 3 вырабатывает сигналы силового уравновешивания и позволяет сформировать требуемые частотные характеристики сейсмических каналов. Основным элементом БОС 3 является прецизионный интегратор, собственные шумы которого совместно с шумами емкостного ДП 2, определяют собственные электронные шумы сейсмометра.
БКК 4 предназначен для дистанционного контроля за работой сейсмических каналов и их калибровки. Контроль осуществляется по измерениям напряжения на выходе емкостного ДП 2 и выходе сейсмометра (на выходе БУФ 6). Калибровка сейсмического канала осуществляется путем подачи в калибровочную обмотку катушки ЭДП 5 П-образного импульса и регистрации сигнала отклика на выходе канала с последующим вычислением АЧХ на ЭВМ. Предусмотрена также возможность снятия АЧХ сейсмометра электродинамическим способом путем возбуждения гармонических колебаний маятника при подаче в обмотку ЭДП 5 устройства напряжения от внешнего генератора синусоидальных колебаний и регистрации сигнала на выходе канала.
БКК 4 осуществляет также автоматический дистанционный контроль по его управляющему выходу за положением механического нуля сейсмометра и в случае необходимости осуществляет его коррекцию кратковременным включением электромеханического привода механизма рецентеринга маятника 1. Работа привода изменяет положение юстировочного механизма и побуждает инерционную массу маятника вернуться в равновесное состояние.
БУФ 6 обеспечивает согласование выхода сейсмометра с входом используемой системы регистрации. При этом реализуется дифференциальный выход с требуемой чувствительностью, согласованный по амплитудам. При необходимости можно предусмотреть дополнительную частотную фильтрацию.
Используемый в заявленном устройстве блок питания (для простоты на фиг.1 не показан) вырабатывает заданную линейку питающих напряжений для питания аналого-цифровых схем как собственно сейсмометра, так и дистанционного блока БКК 4. Блок питания содержит DC-DC преобразователи и интегральные стабилизаторы, рассчитанные на питание сейсмометра в режиме повышенного потребления, т.е. с включенным микродвигателем центрирования массы по управляющему выходу БКК 4.
Хотя используемая конструкция подвеса маятника 1 (фиг.4-5) известна из уровня техники, но никто не применял ее в форсбалансных сейсмометрах, поэтому заявленное техническое решение отвечает критерию полезной модели «новизна». Кроме того, в заявленном техническом решении удается повысить разрешающую способность, упростить конструкцию, улучшить ее ремонтопригодность за счет исключения индуктивного преобразователя типа LVDT (линейный дифференциальный трансформатор) и замены его на емкостной ДП 2, описанной выше конструкции (фиг.2-3), еще больше упростить конструкцию и повысить ее технологичность за счет применения более простого и дешевого подвеса на основе витой цилиндрической пружины (фиг.4-5) взамен плоско-пружинного подвеса.
Наиболее успешно заявленный длиннопериодный форсбалансный сейсмометр промышленно применим для регистрирации сейсмических сигналов, включая объемные и поверхностные волны, собственные колебания Земли, а также земные приливы. Предлагаемый сейсмометр является на данный момент единственным в мире прибором, который удовлетворяет требованиям, предъявляемым к перспективным разработкам для модернизации мировых глобальных сетей (см. xTIC_WGD-Instrumentation_final.pdf).