СПОСОБ ПРОВЕРКИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СЕЙСМОПРИЕМНИКОВ Российский патент 1995 года по МПК G01V13/00 

Изобретение относится к сейсмометрии и может быть использовано в сейсмологии, сейсморазведке, геофизическом приборостроении и технике исследования переходных процессов.

Известны способ и устройство для автоматической цифровой индикации характеристик переходного процесса геофонов, в которых постоянным током смещают катушку геофона в направлении, зависящем от полярности, и на величину, пропорциональную току, силе магнитного поля и упругости пружин. После снятия тока упругие пружины возвращают катушку в направлении покоя, в результате чего возникает механическая колебательная реакция вокруг положения равновесия, характер которой зависит от массы катушки, постоянной упругости пружин и затухания. Генерируемое катушкой напряжение определяется уравнением движения, из которого получают характеристики реакции, например, по отношению первой А₁ и второй А₂ пиковых амплитуд смежных колебаний. Аппаратура измеряет пиковые амплитуды А₁ и А₂, определяет отношение А₁/А₂ и выводит на дисплей величины фактора затухания и относительной чувствительности.

Недостатком способа является необходимость определения собственной частоты сейсмоприемника по отдельному способу, что усложняет процесс и увеличивает время проверки.

Известны способ и устройство для импульсной калибровки сейсмометров, содержащие возбуждение приемника импульсов тока, усиление и аналого-частотное преобразование выходного сигнала с использованием цепи обратной связи. Калибровка производится в режиме рабочего затухания 0,6 от критического с операцией определения отношения первой к второй амплитуд А₁/А₂ смежных колебаний и операцией измерения времени первого перехода колебаний через ноль. Существенным признаком способа является проведение серии калибровок, их статическое осреднение с редакцией аномальных микросейсм для снижения погрешности получения времени перехода через ноль. Способ содержит программу минимизации по ряду измерений и коэффициенту корреляции.

Недостатками способа являются сложность его организации по специальной программе и длительность снижающая экономичность работ при массовых измерениях.

Известен способ проверки индукционных сейсмоприемников, по которому подают в катушку сейсмоприемника постоянный ток, прекращают подачу тока, регистрируют с выхода приемника путем цифровой индикации первую А₁ и вторую А₂ амплитуды смежных колебаний собственного процесса, параллельно регистрируют временной сдвиг tм между моментом прекращения подачи тока и моментом достижения максимума амплитуды А₁ и судят об идентичности приемников по величине отношения А₁/А₂ и фазовым сдвигам t_м. Способ реализован в анализаторе идентичности сейсмоприемников АИС-3 СКТБ СЭТ, г. Краснодар.

Наиболее близким к изобретению является способ проверки электродинамических сейсмоприемников, предусматривающий возбуждение сейсмоприемника ступенью постоянного тока, выключение тока, измерение максимумов напряжений первой Е₁ и второй Е₂ амплитуд смежных колебаний, измерение временного сдвига t_м между моментом выключения тока и моментом достижения максимума амплитуды Е₁, измерение частоты ω_в видимых затухающих колебаний, определение фазового параметра ϕ независимо по измерениям амплитуд и измерениям времен, суждение о возможности использования сейсмоприемников путем сравнения определенных независимо параметров ϕ и проведение идентификации приемников по значениям фазовых параметров ϕ и переходных сопротивлений.

Общим недостатком способов является погрешность результатов проверки из-за влияния фона микросейсм на измерение малых величин амплитуд Е₂ во втором смежном колебании и на измерение времени перехода через ноль, которая возрастает по мере приближения затуханий приемников к значению критического затухания.

Целью изобретения является повышение точности проверки путем оптимизации выбора измеряемых амплитуд переходного процесса и расширение функциональных возможностей способа путем применения его для проверки сейсмоприемников в режиме апериодических колебаний.

Цель достигается тем, что по способу проверки электродинамических сейсмоприемников, предусматривающему возбуждение сейсмоприемника ступенью постоянного тока с амплитудой i, выключение тока, измерение времени t_м между моментом выключения тока и моментом достижения максимума амплитуды переходного процесса, нахождение фазового параметра ϕ и связанных с ним параметров сейсмоприемников, измеряют последовательность по меньшей мере двух значений амплитуд Е_u и E_v, один из которых может быть, а может и не быть значение максимальной амплитуды переходного процесса, измеряют времена t_u и t_v достижения значений амплитуд Е_u и E_v, причем амплитуды Е_u и E_v и времена t_u и t_v измеряют в пределах первого от момента выключения тока однополярного колебания, определяют отношение n_u = t_u/t_м и n_v = t_v/t_м между временем t_м и временем t_u и t_v, определяют отношения амплитуд E_u/E_v, а фазовый параметр ϕ находят из соотношений для сейсмоприемников в режиме периодических колебаний
= e для сейсмоприемников в режиме апериодических колебаний
= e
В основу предлагаемого способа положены предпосылки.

Анализ технической и патентной документации по способам импульсного контроля электродинамических сейсмоприемников позволяет сделать вывод, что все они помимо иных операций содержат операции измерения максимумов амплитуд Е₁ и Е₂ разнополярных смежных колебаний, операцию определения отношения Е₁/Е₂, поэтому практически применимы к проверке сейсмоприемников в режиме периодических колебаний.

Затухание переходного процесса находят из известного в теории колебаний понятия логарифмического декремента затуханий λ , в которой в сейсмометрии принято оценивать по отношению амплитуд смежных колебаний, т.е. через Т_в/2 - период видимых колебаний,
λ= e = где ε=βω_o - коэффициент затухания; β - степень затухания; ω_в - угловая частота видимых колебаний; ω_o - угловая частота свободных колебаний.

В технических условиях и проспектах на устройства проверки сейсмоприемников, например, АИС-3 СКТБ СЭТ, SMT-100 фирмы Sensor пределы определения степени затухания даны как 0-0,85 от критического затухания.

Как указывалось, погрешность определения затухания возрастает из-за малости амплитуды Е2 и влияния на нее уровня микросейсм. На рабочих затуханиях сейсмоприемников порядка 0,6 амплитуда Е₂ составляет 1/10 от амплитуды Е₁, а на предельно значении работы устройств 0,85 эта доля близка к 1/150, что делает определение затухания проблематичным. Если допустить, что фон микросейсм на собственных частотах приемников с коэффициентами преобразования порядка 20 Вс/м составит ±5 мкм, то погрешность измерения амплитуды Е₂ на интервале 0,6-0,85 может превышать 25%.

Увеличение значения тока возбуждения для получения больших значений амплитуд Е₁ и Е₂ ограничено, с одной стороны, допустимых размахом инертной массы ±1 мм, с другой, более существенной, ростом нелинейных искажений. Исследования показали, что для сохранения уровня нелинейных искажений 0,2%, например, для приемника СВ-10 нельзя превышать ток возбуждения более 1 мМ.

Следует иметь ввиду, что у современных малогабаритных приемников, выпуск и обращение в эксплуатации которых составляет сотни тысяч или миллионы единиц, за счет заводской технологии металлических каркасов катушек обеспечено постоянное начальное затухание не менее 0,2. Таким образом, в массовом контроле и эксплуатируемых, и производимых сейсмоприемников необходимо осуществлять проверку параметров при пределах затухания 0,2-0,85 от критического.

В большом числе известных способов собственную частоту определяют по временам перехода колебаний через ноль
T_o=T
Решение технической задачи изобретения направлено на исключение из процесса проверки операций измерения амплитуд Е₂ и времени перехода через нули как вносящих наибольшие погрешности в результаты проверки.

Теоретическое обоснование решения технической задачи состоит в следующем.

Временная характеристика переходного процесса сейсмоприемника по напряжению после его возбуждения постоянным током, успокоения и снятия тока имеет вид
E(t) =E_o e^-εt sin ω_вt (1)
На времени t_м достижения первой амплитудой максимума вид (1) можно записать в форме
E(t_м) = E_o e^-ϕ˙ctgϕsinϕ, (2) где ϕ - альтернативный фазовый параметр, который можно определить как через амплитуды
ϕ=arctg так и через времена переходного процесса
ϕ = где t₁ - время перехода через ноль.

Хотя переходный процесс сейсмоприемников не является минимально-фазовым, наибольшая энергия процесса сосредоточена в первом колебании. Поэтому правильнее поставить задачу получения необходимых и достаточных для проверки характеристик в первом от момента выключения тока колебании. Такие характеристики, очевидно, могут быть выбраны из последовательности измерений значений амплитуд и времен в пределах первого колебания.

Принимают время достижения максимального значения tм процесса за опорное, относительно которого можно заменить независимую переменную текущего времени переходного процесса для любого момента процесса:
t_к = n_кt_м. (3)
С учетом новой переменной переходный процесс в форме с обобщенным фазовым параметром ϕ можно представить в виде
E(t_к) = E_o e^-nк^ϕ˙ctgϕ sin n_kϕ . (4)
Теперь можно записать отношение двух значений амплитуд Е_u и E_v на временах t_u и t_v:
= e (5)
Графоаналитическое или компьютерное решение функциональной зависимости (5) позволяет определять значения фазового параметра ϕ и, следовательно, других связанных с ним параметров сейсмоприемников. Функция (5) может быть выражена и через степень затухания β .

Техническая задача построения устройства для осуществления предлагаемого способа должна предусматривать выбор амплитуд и времен в области существенных величин напряжений и на интервале времен, который может быть измерен с достаточной точностью.

П р и м е р. В описании упоминалось, что одним из значений в измеряемой последовательности амплитуд может быть и максимальное значение. Обозначают максимальную амплитуду через Ем. Для этой амплитуды множитель при новой переменной времени n_u = 1. В принципе множитель может быть и целым, и дробным числом. Вторую амплитуду последовательности измеряют на времени с множителем n_v = 2. Обозначают амплитуду на этом времени как Е_н. Тогда отношение (5) принимает вид
= (6)
Помимо простоты выражения данный частный случай является удобным вариантом для аппаратурной реализации, поскольку счетчик времени по достижении времени tм можно переключать в инверсный режим и по его обнулении измерить амплитуду Е_н на времени 2t_м. Для степени затухания 0,6 при измерениях по известным способам отношение Е₁/Е₂ = 10,5, т.е. амплитуда Е₂ = 0,095 Е₁. При измерениях по предлагаемому способу для иллюстрируемого примера отношение Е_м/Е_н = 1,7, т.е. амплитуда Е_н = 0,6 Е_м. Таким образом, измеренная по новому способу амплитуда Е_н в 6,3 раза больше измеренной по известному способу амплитуды Е₂.

На фиг.1 показан характер зависимостей Е₁/Е₂ и Е_м/Е_н в функции фазового параметра ϕ ; на фиг. 2 показана зависимость этих же отношений в функции степени затухания β . Анализ, например, поведения зависимостей на фиг. 2 показывает, что зависимости пересекаются в точке с затуханием, близким к 0,3. В области рабочих затуханий сейсмоприемников правее точки пересечения работа по предлагаемому способу позволяет не только понизить погрешность проверки, но и получать уверенные результаты на затуханиях вплоть до критического. Последнее обстоятельство подчеркивает преимущество предлагаемого способа по сравнению со способами-аналогами.

Другое существенное отличие предлагаемого способа по сравнению с известными состоит в расширении его функциональных возможностей путем расширения измерений на приборы в режиме апериодических колебаний.

Считывают обобщенный фазовый параметр ϕ оператором, который можно из действительной плоскости периодических функций с периодом 2 π продлить в мнимую плоскость j ϕ периодических функций с периодом 2 π j. Учитывая связи функций чисто мнимого аргумента sinj ϕ = jsh ϕ , cosjϕ = =ch ϕ , формулу (5) можно представить в виде
= e (7) а частный случай (6) примет вид
= (8)
Выражение (8) для критического затухания β = 1 имеет вид
= где е - основание натуральных логарифмов. На критическом затухании фазовый параметр ϕ = 0.

На фиг. 3 приведен график зависимости отношения Е_м/Е_н от параметра ϕ ; на фиг. 4 - график зависимости отношения этих амплитуд от степени затухания β . Когда отношение амплитуд меньше е/2, имеют место периодические колебания, когда отношение амплитуд больше е/2, имеют место апериодические колебания. На практике сейсмометры с апериодическим затуханием применяют для регистрации сильных землетрясений.

По измеренным временам t_m и определенным из функциональных отношений фазовым параметрам ϕ находят параметры сейсмоприемников по зависимостям (см.таблицу).

Как упоминалось, отношения амплитуд Е_u/Е_v, как и параметры собственной частоты и электромагнитного сопротивления сейсмоприемников, могут быть выражены в функциональных зависимостях непосредственно через степени затуханий исходя из соотношений
ϕ = arccos β ;
ϕ = arch β , однако общий анализ затухающих колебательных процессов предпочтительно проводить в функции обобщенного фазового оператора ϕ.

На фиг. 5 показана структурная схема проверки электродинамических сейсмоприемников, где 1 - сейсмоприемник, 2 - регулируемый генератор тока, 3 - программируемый счетчик времени, 4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 5 - компаратор амплитуд, 6 - запоминающее устройство, 7 - микропроцессор, 8 - схема управления и вызова данных, 9 - дисплей, 10 - чекопечатающий механизм.

Способ осуществляют следующим образом.

На сейсмоприемник 1 с генератора 2 тока подают импульс постоянного тока заданной величины и длительности. Момент выключения тока в генераторе 2 включает программируемый счетчик 3, сигнал со счетчика включает АЦП 4, оцифрованные значения амплитуд с которого поступают на компаратор 5. Управляющие сигналы с программируемого счетчика в определенные моменты времени дают разрешение на запись в запоминающее устройство 6 тех или иных значений амплитуд из компаратора 5 одновременно с записью времени их достижения. Параллельно при компарировании максимальной амплитуды процесса сигнал с компаратора поступает на отдельный вход счетчика 3, который передает в запоминающее устройство значение времени t_м. Клавиатурой схемы 8 управления включают микропроцессор, который после арифметической обработки значений, принятых из запоминающего устройства, выводит их на дисплей 9 и/или на чекопечать 10. В схеме программирующего счетчика необходимо предусмотреть ячейку задержки на 1-1,5 мс включения АЦП для предохранения микросхем от экстрапроцессов выключения тока, однако обработка данных ведется от момента выключения тока в генераторе 2. Возможно самое равное, жесткое или гибкое, программирование счетчика применительно к реализации алгоритмов (5) и (7), в том числе и реализации удобного алгоритма (6) и (8).

Экспериментальное опробование предлагаемого способа проведено для частного случая путем подачи переходного напряжения сейсмоприемника СВ-10 на аналоговый вход специализированного устройства Plurimat-S, вывода оцифрованных значений амплитуды и времени на распечатку и экран запоминающего осциллоскопа и микрокалькуляторной обработки данных процесса.

Преимущество предлагаемого способа проверки электродинамических сейсмоприемников по сравнению со способом-прототипом состоит в повышении точности проверки в пределах значений рабочих затуханий сейсмоприемников и в расширении функциональных возможностей способа для проверки приборов в режимах апериодических затуханий. Способ и устройство для его осуществления могут представить интерес для российских и иностранных организаций, ведущих сейсморазведочные работы и наблюдения за взрывами и землетрясениями.

Использование: в сейсмометрии при поверке электродинамических сейсмоприемников. Сущность изобретения: ступенью постоянного тока с амплитудой i возбуждают сейсмоприемники, выключают ток, измеряют по меньшей мере два значения амплитуды колебаний E на выходе сейсмоприемника в пределах первого от момента выключения тока одновременного колебания, одновременно измеряют времена достижения значений амплитуд и приведенным формулам определяют значения фазового параметра для режима периодических и апериодических колебаний. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. СПОСОБ ПРОВЕРКИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СЕЙСМОПРИЕМНИКОВ включающий возбуждение сейсмоприемников ступенью постоянного тока с амплитудой I, выключение тока, измерение амплитуд колебаний E на выходе сейсмоприемника и времени t_м между моментом выключения тока и моментом достижения переходным процессом максимального значения амплитуды, нахождение фазового параметра ϕ и переходного сопротивления сейсмоприемников, отличающийся тем, что измерения последовательности по меньшей мере двух значений амплитуд колебаний E_u и E_v проводят в пределах первого от момента выключения тока однополярного колебания, одновременно измеряют времена t_u и t_v достижения значений амплитуд E_u и E_v, определяют отношение амплитуд E_u/E_v, определяют отношения n_u = t_u / t_m и n_v = t_v / t_m, а фазовый параметр находят из соотношений: для режима периодических колебаний

для режима апериодических колебаний

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве одного из значений измеряемой амплитуды колебаний выбирают ее максимальное значение.