Сейсмометр
SEISMIC SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к сейсмометрии, и может быть использовано для сейсмического мониторинга.
Известен сейсмометр [1], содержащий маятник с преобразователем перемещений, компенсационное магнитоэлектрическое устройство, RC – цепочку, связывающую выход основного усилителя с одним выводом катушки компенсационного устройства и инвертирующий усилитель, связывающий выход основного усилителя со вторым выводом катушки компенсационного магнитоэлектрического устройства.
В этом сейсмометре отсутствует защита от увода маятника при возникновении разбаланса датчика перемещения.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является трехкомпонентный скважинный сейсмометр KS-2000BH [2], [3], фирмы Geotech Instruments LLC. Сейсмометр содержит в герметичном корпусе блок арретирования, генератор, первый, второй и третий каналы приема сигналов, причем каждый канал включает подпружиненный маятник на упругой опоре, интегратор, усилитель, калибратор, последовательно соединенные емкостный датчик перемещения, усилитель-демодулятор, блок обратной связи и магнитоэлектрический преобразователь, и в каждом канале маятник механически связан с емкостным датчиком перемещения, с магнитоэлектрическим преобразователем и блоком арретирования, интегратор подключен входом к выходу усилителя-демодулятора а выходом подключен к аналоговому выходу, а емкостный датчик перемещения и усилитель-демодулятор подключены к генератору.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности автоматической корректировки положения маятника при разбалансе датчика перемещения.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является возможность автоматической корректировки положения маятника при разбалансе датчика перемещения.
Технический результат достигается тем, что сейсмометр, содержащий маятник, пружину, упругую опору, генератор, аналоговый выход, последовательно соединенные емкостный датчик перемещения, усилитель, демодулятор, блок обратной связи и магнитоэлектрический преобразователь, причем маятник механически связан с пружиной, с упругой опорой, с емкостным датчиком перемещения и с магнитоэлектрическим преобразователем, а емкостный датчик перемещения и демодулятор подключены к генератору, дополнительно содержит последовательно соединенные фильтр постоянной составляющей, первый компаратор с инверсным входом, первую схему ИЛИ и таймер, последовательно соединенные второй компаратор с инверсным входом и вторую схему ИЛИ, а также первый, второй, третий, четвертый и пятый входы, третий компаратор, четвертый компаратор, дифференциальный усилитель, первый двухканальный ключ, соединенный входами с выходами дифференциального усилителя, инвертирующий усилитель, подключенный входом и выходом, соответственно, к первому и второму входам дифференциального усилителя, второй двухканальный ключ, соединенный входами с выходами первого двухканального ключа и микродвигатель с приводом, механически связанный с пружиной и включенный между выходами второго двухканального ключа, причем выходы второй схемы ИЛИ и таймера подключены ко входам управления, соответственно, второго и первого двухканальных ключей, третий компаратор подключен входом к фильтру постоянной составляющей, а выходом подключен ко второму входу первой схемы ИЛИ, четвертый компаратор подключен входом к фильтру постоянной составляющей, а выходом подключен ко второму входу второй схемы ИЛИ, фильтр постоянной составляющей подключен входом к демодулятору, а выходом подключен к первому входу дифференциального усилителя и ко входу второго компаратора, аналоговый выход соединен с выходом демодулятора, первый, второй, четвертый и пятый входы соединены со входами управления, соответственно, первого, второго, четвертого и третьего компараторов, третий вход соединен со входом управления таймера, первый, второй, третий и четвертый компараторы выполнены с управлением по порогам срабатывания, а таймер выполнен с управлением по длительности выходного сигнала.
Такое выполнение сейсмометра обеспечивает возможность автоматической корректировки положения маятника при разбалансе датчика перемещения.
На чертеже представлена структурная схема сейсмометра.
Принятые обозначения:
1 – маятник, 2 – пружина, 3 – упругая опора, 4 – генератор, 5 – аналоговый выход, 6 – емкостный датчик перемещения, 7 – усилитель, 8 – демодулятор, 9 – блок обратной связи, 10 – магнитоэлектрический преобразователь, 11 – фильтр постоянной составляющей, 12 – первый компаратор, 13 – первая схема ИЛИ, 14 – таймер, 15 – второй компаратор, 16 – вторая схема ИЛИ, 17 – первый вход, 18 – второй вход, 19 – третий вход, 20 – четвертый вход, 21 – пятый вход, 22 – третий компаратор, 23 – четвертый компаратор, 24 – дифференциальный усилитель, 25 – первый двухканальный ключ, 26 – инвертирующий усилитель, 27 – второй двухканальный ключ, 28 – микродвигатель.
Сейсмометр содержит маятник 1, пружину 2, упругую опору 3, генератор 4, аналоговый выход 5, последовательно соединенные емкостный датчик 6 перемещения, усилитель 7, демодулятор 8, блок 9 обратной связи и магнитоэлектрический преобразователь 10, причем маятник 1 механически связан с пружиной 2, с упругой опорой 3, с емкостным датчиком 6 перемещения и с магнитоэлектрическим преобразователем 10, а емкостный датчик 6 перемещения и демодулятор 8 подключены к генератору 4, дополнительно содержит последовательно соединенные фильтр 11 постоянной составляющей, первый компаратор 12 с инверсным входом, первую схему ИЛИ 13 и таймер 14, последовательно соединенные второй компаратор 15 с инверсным входом и вторую схему ИЛИ 16, а также первый, второй, третий, четвертый и пятый входы 17, 18, 19, 20, 21, третий компаратор 22, четвертый компаратор 23, дифференциальный усилитель 24, первый двухканальный ключ 25, соединенный входами с выходами дифференциального усилителя 24, инвертирующий усилитель 26, подключенный входом и выходом, соответственно, к первому и второму входам дифференциального усилителя 24, второй двухканальный ключ 27, соединенный входами с выходами двухканального первого ключа 25 и микродвигатель 28 с приводом, механически связанный с пружиной 2 и включенный между выходами второго двухканального ключа 27, причем выходы второй схемы ИЛИ 16 и таймера 14 подключены ко входам управления, соответственно, второго и первого двухканальных ключей 27, 25, третий компаратор 22 подключен входом к фильтру 11 постоянной составляющей, а выходом подключен ко второму входу первой схемы ИЛИ 13, четвертый компаратор 23 подключен входом к фильтру 11 постоянной составляющей, а выходом подключен ко второму входу второй схемы ИЛИ 16, фильтр 11 постоянной составляющей подключен входом к демодулятору 8, а выходом подключен к первому входу дифференциального усилителя 24 и ко входу второго компаратора 15, аналоговый выход 5 соединен с выходом демодулятора 8, первый, второй, четвертый и пятый входы 17, 18, 20, 21 соединены со входами управления, соответственно, первого, второго, четвертого и третьего компараторов 12, 15, 23, 22, третий вход 19 соединен со входом управления таймера 14, первый, второй, третий и четвертый компараторы 12, 15, 22, 23 выполнены с управлением по порогам срабатывания, а таймер 14 выполнен с управлением по длительности выходного сигнала.
Сейсмометр работает следующим образом.
При появлении сейсмических воздействий происходит перемещение маятника 1 на упругой опоре 3, подвешенного на пружине 2, что вызывает на выходе емкостного датчика 6 перемещения появление сигнала, который поступает на вход усилителя 7, затем на вход демодулятора 8, усиливается и выпрямляется с помощью опорных сигналов генератора 4, поступающих на емкостный датчик 6 перемещения и дополнительный вход демодулятора 8. Выходной сигнал демодулятора 8 поступает на вход фильтра 11 постоянной составляющей и на аналоговый выход 5 для дальнейшей обработки. Кроме того, выходной сигнал демодулятора 8 поступает через блок 9 обратной связи на магнитоэлектрический преобразователь (МЭП) 10, механически связанный с маятником 1 и реализующий отрицательную обратную связь в сейсмометре. При эксплуатации сейсмометра в скважинах, укрытиях при постоянной температуре или на поверхности, защищенных специальной термоизоляцией, усилий МЭП 10 достаточно для удержания маятника в пределах допустимого разбаланса емкостного датчика 6 перемещения, вызывающего появление минимума положительной или отрицательной постоянной составляющей сигнала на выходе демодулятора 8. При необходимости эксплуатации сейсмометра в полевых условиях на открытых площадках большие перепады температуры вызывают смещение маятника 1, недопустимый разбаланс емкостного датчика 6 перемещения и появление на аналоговом выходе 5 положительной или отрицательной постоянной составляющей сигнала на выходе демодулятора 8, приводящей к искажениям или отсутствию сигнала. Обычно в таком случае оператор перемещением маятника вручную восстанавливает баланс емкостного датчика 6 перемещения (предполагается, что оператор следит за величиной постоянной составляющей сигнала демодулятора 8). В предлагаемом техническом решении разбаланс емкостного датчика 6 устраняется следующим образом. Предварительно, подачей сигналов на первый, второй, четвертый и пятый входы 17, 18, 20, 21 устанавливаются пороги срабатывания, соответствующие допустимому разбалансу емкостного датчика 6 для второго и четвертого компараторов 15, 23 и пороги срабатывания, соответствующие недопустимому разбалансу емкостного датчика 6 для первого и третьего компараторов 12, 22. При появлении на выходе фильтра 11 постоянной составляющей сигнала демодулятора 8, положительного или отрицательного знака, выходящих за пределы заданных порогов, срабатывают второй или четвертый компараторы 15, 23, в зависимости от знака постоянной составляющей сигнала демодулятора 8, и через вторую схему ИЛИ 16 открывают второй двухканальный ключ 27. При дальнейшем увеличении разбаланса емкостного датчика 6 срабатывают первый или третий компараторы 12, 22, в зависимости от знака постоянной составляющей сигнала демодулятора 8, и через первую схему ИЛИ 13 запускают таймер 14. Выходной сигнал таймера 14 открывает первый двухканальный ключ 25, который череэ второй двухканальный ключ 27 подключает микродвигатель 28 к выходам дифференциального усилителя 24. Одновременно на входы дифференциального усилителя 24 поступает постоянная составляющая сигнала демодулятора 8 с выхода фильтра 11 постоянной составляющей на один из входов непосредственно, а на другой – через инвертирующий усилитель 26. В зависимости от знака постоянной составляющей сигнала демодулятора 8 изменяется полярность напряжения на выходах дифференциального усилителя 24, полярность напряжения на микродвигателе 28 и направление вращения микродвигателя 28, а скорость вращения микродвигателя 28 уменьшается по мере уменьшения величины постоянной составляющей сигнала демодулятора 8. По мере уменьшения величины постоянной составляющей сигнала демодулятора 8 первый и третий компараторы 12, 22 снимают свои выходные сигналы, но таймер 14 продолжает держать первый двухканальный ключ 25 открытым. При дальнейшем уменьшении величины постоянной составляющей сигнала демодулятора 8 до допустимого значения второй и четвертый компараторы 15, 23 снимают свои выходные сигналы, закрывают второй двухканальный ключ 27 и останавливают микродвигатель 28 и перемещение маятника 1. По истечении времени, заданного сигналом управления, поступавшим с третьего входа 19, таймер 14 закрывает первый двухканальный ключ 25 и отключает цепи питания микродвигателя 28 до момента появления очередного недопустимого разбаланса емкостного датчика 6.
Таким образом, достигается заявленный результат и предлагаемый сейсмометр обеспечивает возможность автоматической корректировки положения маятника при разбалансе датчика перемещения.
Источники информации.
1. Сейсмометр (авторское свидетельство СССР № 577490, МПК G01V 1/16, 25.10.1977). http://patents.su/3-577490-sejjsmometr.html.
2. Broadband Seismometer – Models KS-2000 and KS-2000M, Operation Manual, руководство по эксплуатации, GEOTECH INSTRUMENTS, LLC, Copyright © 2000–2002, http://www.geoinstr.com/pub/manuals/ks-2000m.pdf.
3. Broadband Seismometer, Model KS-2000M, Rev. 2, Model KS-2000BH, Datasheets, Справочные данные, GEOTECH INSTRUMENTS, LLC, OCTOBER 2012, http://www.geoinstr.com/ds-ks2000m.pdf.