АКСЕЛЕРОМЕТР
ACCELEROMETER

Область техники
Изобретение относится к приборостроению, а именно к акселерометрии.
Уровень техники
В настоящее время сейсмические датчики используются, главным образом, для полевых и стационарных наблюдений за местными и удаленными землетрясениями, а также для измерений в ближней зоне землетрясений (датчики сильных движений). Наиболее распространенными типами сейсмических датчиков являются электродинамические сейсмоприемники (маятниковые сейсмометры) и пьезоэлектрические акселерометры. Пьезоэлектрические акселерометры по сравнению с электродинамическими датчиками имеют в низкочастотном диапазоне более высокий уровень внутренних шумов и, в то же время, более высокий предельный уровень регистрации [1].
Джоном Петерсоном было проведено обобщение материалов сейсмологических наблюдений на большом числе сейсмических станций мира и оценен уровень микросейсмических шумов [2]. Как показали исследования, наибольшая мощность сейсмологического воздействия приходится на область низких частот (менее 0.1 Гц). Нижний предел чувствительности современных сейсмических датчиков составляет порядка 0.01 Гц.
Для мониторинга сейсмической обстановки в России, в частности в Пермском крае, для шахтной сейсмологии, представляют интерес датчики, работающие при частотах ниже 0.01 Гц, поэтому возникает необходимость создания чувствительного прибора, работающего в области низких частот.
В настоящее время конвективные течения необходимо учитывать при конструировании и создании разнообразных технических устройств. Также известно, что по отклику гидродинамической системы можно судить о различных характеристиках таких внешних воздействий, как землетрясения или взрывы. В результате возникла идея создания сейсмологического датчика на основе регистрации отклика конвективной системы на внешние инерционные воздействия.
При полевых и стационарных сейсмологических наблюдениях фиксируются следующие сигналы (Аки, Ричардс, 1983):
- собственные колебания Земли:
-9
-4
- амплитуды ускорений 10 g, смещений 10 м;
-4
-3
- частоты 10-10 Гц;
- поверхностные волны удаленных землетрясений:
-8
-2
- амплитуды от 10 до 10 м;
- частоты 0.025-0.1 Гц;
- объемные (продольные и поперечные) волны удаленных землетрясений:
-9
-2
- амплитуды от 10 до 10 м;
- частоты 0.1-1 Гц;
- объемные (продольные и поперечные) волны близких землетрясений:
-9
-5
- амплитуды от 10 до 10 м;
- частоты 1-10 Гц.
При измерениях в эпицентральных зонах землетрясений могут фиксироваться ускорения до первых единиц g.
В каждой точке сейсмологических наблюдений неизбежно присутствует постоянный фон (микросейсмический шум), связанный с природными факторами (ветровые воздействия, сейсмический эффект движения океанических водных масс, …) и деятельностью человека (вибрации механизмов, движение транспорта, …). Крайне важно, чтобы внутренние шумы сейсмических датчиков не превышали возможных микросейсмических шумов в местах проведения измерений. Для оценки уровня микросейсмических шумов Дж.Петерсоном (Peterson, 1993) было проведено обобщение материалов сейсмологических наблюдений за представительные интервалы времени на большом числе сейсмических станций мира. В результате для широкого частотного диапазона были получены модельные кривые высокого и низкого уровней шумов - New High Noise Model (NHNM) и New Low Noise Model (NLNM).
-3
На сегодняшний день промышленным инерционным датчиком, в основе которого лежат конвективные течения, является акселерометр, выпускаемый китайской компанией «MEMSIC» (http://www.memsic.com). Данный датчик взят нами за прототип, является двуосным с размерами 5×5×1.55 мм, с полосой пропускания по частоте от 15 до 19 Гц, которая может быть расширена до 160 Гц и более, с заявленной точностью до 10 g. Конвективная ячейка представляет собой полость в форме прямоугольного параллелепипеда с центральным нагревателем и батареями термопар на взаимно перпендикулярных осях. Рабочим телом является газ. Принцип работы акселерометра основан на регистрации изменения поля температуры при внешнем инерционном воздействии.
Как показывают исследования, в полости такой конфигурации при указанных рабочих частотах возможно сложное осредненное трехмерное течение, которое может существенно изменить поле температуры, что в свою очередь может дать неправильную интерпретацию сигнальных термопар. Кроме того, в конструкции компании «MEMSIC» необходима постоянная связь измерительного чипа с внешним компьютером, что представляет некоторые трудности для полевых и стационарных наблюдений.
Задачей создания изобретения является разработка конструкции низкочастотного конвективного акселерометра с более высокой чувствительностью и точностью измерений.
Поставленная задача решается с помощь признаков 1-го пункта формулы изобретения, общих с прототипом, таких как акселерометр, включающий конвективную ячейку 1 (фиг.1) в форме прямоугольного параллелепипеда, заполненную рабочей средой 2, с точечным нагревателем 3, расположенным по центру дна ячейки, и набором термопар 4, подключенных к блоку управления 5, и отличительных, существенных признаков, таких как вертикально ориентированная ячейка 1 снабжена холодильником 6, установленным в верхней части ячейки, при этом набор термопар размещен над нагревателем, в котором 1-я дифференциальная термопара 7 измеряет температуру нагревателя относительно холодильника, 2-я дифференциальная термопара 8 измеряет температуру в точке на вертикальной оси ячейки над нагревателем относительно холодильника, а 3-я дифференциальная термопара 9 измеряет разность температур между двумя точками по горизонтали и расположенных симметрично относительно вертикальной оси ячейки над нагревателем.
Согласно п.2. формулы изобретения в качестве рабочей среды
используют жидкий гептан.
Согласно п.3. формулы изобретения холодильник 6 выполнен из металла, например дюралюминия.
Согласно п.4. формулы изобретения ячейка выполнена из набора пластин, средняя пластина 10 (фиг.1, 2) П-образной формы из теплопроводного материала, а боковые пластины 11 из теплоизолирующего материала.
Согласно п.5. формулы изобретения в качестве блока управления используют автоматический блок управления и сбора данных 5 на основе ЭВМ, подключенный к источнику питания.
-5
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - повышение чувствительности и точности измерений, не обладает эффектом залипания, работает в области низких частот <0,01 Гц; чувствительность 10 g.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами. На фиг.1 дана общая схема акселерометра; на фиг.2 - разрез по А-А., на фиг.3 поля температур; на фиг.4 разность температур; на фиг.5 запись реакции прибора на ударные воздействия.
Акселерометр включает конвективную ячейку 1 (Фиг.1) в форме прямоугольного параллелепипеда, заполненную рабочей средой 2, с точечным нагревателем 3 расположенным по центру дна ячейки, и набором термопар 4, подключенных к блоку управления 5. Вертикально ориентированная ячейка 1 снабжена холодильником 6, установленным в верхней части ячейки. Холодильник 6 выполнен из металла, например дюралюминия.
Набор термопар размещен над нагревателем 3, в котором 1-я дифференциальная термопара 7 измеряет температуру нагревателя относительно холодильника, 2-я дифференциальная термопара 8 измеряет температуру в точке на вертикальной оси ячейки над нагревателем относительно холодильника, а 3-я дифференциальная термопара 9 измеряет разность температур между двумя точками по горизонтали и расположенных симметрично относительно вертикальной оси ячейки над нагревателем.
В качестве рабочей среды 2 используют жидкий гептан.
Ячейка 1 выполнена из набора пластин, средняя пластина 10 (фиг.1, 2) П-образной формы из теплопроводного материала (алюминий), а боковые пластины 11 из теплоизолирующего материала (оргстекло).
В качестве блока управления используют автоматический блок управления и сбора данных 5 на основе ЭВМ, подключенный к источнику питания (на чертеже не показан).
Точечный нагреватель 3 выполнен в виде резистора с сопротивлением 51 кОм, встроенным в плиту основание 12. Для измерения разности температур в корпусе ячейки 1 выполнены отверстия, (фиг.1) в которые помещены термопары. Ячейка 1 размещена в корпусе 13, установленном на плиту-основание 12.
Акселерометр используется следующим образом. Принцип работы акселерометра основан на регистрации изменения поля температуры при внешнем инерционном воздействии.
Для теоретического описания течений в полости использовались уравнения тепловой конвекции в приближении Буссинеска. Записывалась система уравнений для функции тока и возмущения температурного поля. Далее, следуя методу Галеркина, проводилась процедура осреднения в поперечном сечении полости. Затем система амплитудных уравнений решалась численно методом конечных разностей. Компьютерный модуль был написан на языке программирования FORTRAN-90.
В ходе численного моделирования произведен расчет температурных полей и формы течений в случае вертикального и горизонтального сейсмических сигналов, а также при действии произвольно ориентированных относительно вертикали сейсмических сигналов. Рассмотрены полости с идеально теплопроводными и теплоизолированными широкими гранями. Показано, что вертикальный сейсмический сигнал приводит к изменению частоты всплытия теплового пятна, оставляя при этом неизменной симметрию двухвихревого течения (фиг.3а). Горизонтальный сейсмический сигнал меняет симметрию течения, формируя в плоскости широких граней ячейки колыхания конвективного факела (фиг.3б).
На фиг.4 представлена разность температур между симметричными точками на 1/3 высоты полости в зависимости от времени при действии горизонтального вибрационного сигнала. Видно, что в интервале времени, когда включается сейсмический сигнал, гидродинамическая система реагирует (Δ≠0), и по отклику можно судить о характеристиках внешнего воздействия.
Изготовлен образец автоматического блока управления и сбора данных «Термодат - 49СД1» с точностью измерения до 0.01°С, с архивом памяти, USB разъемом для снятия информации. Создана и отлажена программа TermoRead, для чтения и анализа данных с конвективного сейсмодатчика (термопарные измерения). Программное обеспечение «жестко прошито» внутри блока управления и сбора данных и обеспечивает алгоритм работы научной аппаратуры. Программа обеспечивает измерение и накопление показаний сигналов с пяти каналов. Обеспечивает поддержание разности температур между нагревателем и холодильником. Отображает текущие результаты измерений в цифровом виде, архивирует в памяти блока управления и сбора данных полученную за время работы информацию и осуществляет ее перезапись на сменный носитель без использования дополнительного компьютера. Программа TermoRead способна читать данные названных файлов с USB-флэши, отображать их в виде графика на экране и выполнять Фурье-анализ данных по алгоритму БПФ. Кроме того, образец акселерометра является низкочастотным и измеряет в области частот от 0.1 Гц и ниже, т.е. в той области, на которую приходится максимальная мощность сейсмологического сигнала. При этом с уменьшением частоты сейсмологического сигнала чувствительность конвективного датчика доходит до 1Е-5 g. Система автоматического сбора и хранения данных, а также управления режимом работы датчика позволяет автономно работать в полевых условиях без подключения внешнего компьютера в течение 4 месяцев. Для сброса информации необходима USB-флэш, что позволяет проводить обработку данных в более комфортных (чем полевые) условиях. В качестве источника питания используется автомобильный аккумулятор на 60 А·ч.
Проведены тестовые эксперименты по регистрации вертикальных и горизонтальных инерционных воздействий конвективным датчиком. При этом разность температур между нагревателем и холодильником составляла 2°С. На фиг.5 (а, б) представлены термограммы сигнальных термопар при вертикальных и горизонтальных ударных воздействиях на датчик.
-5
Опыты показали, что данная конструкция более чувствительна к вертикальному инерционному воздействию, при этом чувствительность прибора составляет порядка 10 g, что уже на порядок превосходит существующие аналоги.
Хотя настоящее изобретение описано посредством примеров его выполнения, объем данного изобретения не ограничивается этими примерами, но определяется лишь формулой изобретения с учетом возможных эквивалентов.
Литература
1. Mendecki A.J. Seismic monitoring in mines. - Cambridge: Chapman and Hall, 1997. - 270 p.
2. Peterson J. Observation and modeling of seismic background noise // U.S. Department of Interior, Geological Survey. Open-File Report 93-322, 1993. - 91 р.