СЕЙСМОПРИЕМНИК Российский патент 1997 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к области сейсмометрии и может быть использовано в качестве скважинного сейсмоприемника, а также в качестве донного сейсмоприемника в морской сейсмометрии.

В области сейсмометрии и, в частности морской сейсмометрии, имеется необходимость измерения низкочастотных вибраций (частоты ниже 10² Гц) малой амплитуды: в пределе на уровне сейсмических шумов (10^-8 м/c²), при этом возникают задачи выделения малого полезного (измеряемого) сигнала на фоне электрических шумов предварительного усилителя (ПУ), а также на фоне акустических шумов.

В последние десятилетия (начиная с 80-х годов) для этих целей стали широко применяться пьезокерамические сейсмоприемники-акселерометры, постепенно вытесняющие менее удобные в эксплуатации электродинамические велосиметры и маятниковые сейсмометры.

Наряду с положительными качествами пьезокерамических сейсмоприемников (СП) как то: стабильность параметров, механическая прочность, равномерная частотная характеристика чувствительности к ускорению, высокая конструктивность активного материала пьезокерамики, позволяющая разрабатывать СП разного назначения, пьезокерамические СП имеют особенность, существенно затрудняющую их использование в области низких частот, а именно емкостной характер внутреннего сопротивления, который затрудняет их согласование с предварительными усилителями на низких частотах.

Данный сейсмоприемник должен иметь величину β, достаточную для выделения сейсмических сигналов приблизительно 10^-8 м/с² на фоне акустических шумов моря, которые на частотах менее 10² Гц достигают порядка 10^-3 Па/
Известны сейсмоприемники, выполненные в виде одного или нескольких пакетов пьезоэлементов, работающих на продольных колебаниях, нагруженных инерционной массой.

Известны, например серийно выпускаемые пьезоэлектрические сейсмометры АПТ-IМ, выполненные в виде симметричной конструкции с тремя парами пьезоэлементов и центральной сферической инерционной массой 870 г, которые при диаметре 12 см и высоте 20 см имеют чувствительность 20 мВ/м/с² при емкости 15900 пФ и при уровне шумов предварительного усилителя на частоте 1 Гц 0,5 мкВ/ могут обеспечить прием порогового сигнала не меньше 2,5 • 10^-5 м/с², при этом диапазон рабочих частот 0,1 100 Гц.

Увеличение чувствительности и, как следствие, уменьшение порогового сигнала достигается путем увеличения инерционной массы и уменьшения емкости, при этом, однако, снижается рабочий диапазон.

Известен сейсмоприемник с инерционной массой 3,6 кг и емкостью пьезоэлементов 200 пФ, при этом в диапазоне 0,01 20 Гц достигается чувствительность 25 В/м/с² и обеспечивается пороговый сигнал приблизительно 10^-7 м/с².

Видно, что, приближаясь к заданной величине по уровню минимального сигнала (требуется все же на порядок ниже), этот СП не обеспечивает работы во всем диапазоне частот (только до 20 Гц).

Таким образом можно утверждать, что с помощью рассматриваемого типа конструкций удовлетворить одновременно требованиям высокой чувствительности, большой емкости и широкого диапазона частот в низкочастотной области полностью не удалось.

Это может быть объяснено тем, что в сейсмоприемниках, механическая система которых представляет собой гибкость пьезоэлемента, нагруженную на инерционную массу, чувствительность и резонансная частота f_o непосредственно связаны между собой через эту гибкость, и увеличение f_o (расширение диапазона частот) приводит к уменьшению чувствительности и наоборот.

Известен также сейсмоприемник, который содержит пьезоэлемент сферической формы, контактирующий с жидкой инерционной массой, которая помещена в его внутреннем объеме. Сейсмоприемник имеет элемент крепления в виде сферического сегмента, на который оперт пьезоэлемент через гибкую прослойку [1] В диапазоне 0,1 120 Гц сейсмоприемник обеспечивает чувствительность γ приблизительно 60 мВ/м/с² и прием порогового сигнала 5 • 10^-6 м/с². Сейсмоприемник предназначен для приема вертикальной составляющей вибрации.

Использование жидкой инерционной массы позволяет обеспечить передачу усилия по всей поверхности пьезоэлемента без применения жестких специальных конструктивных средств. Это приводит к повышению надежности сейсмоприемника и повышению его прочности к взрывной волне, что особенно важно в сейсмометрии.

Однако чувствительность такого сейсмоприемника недостаточна, а ее увеличение связано не только со снижением резонансной частоты, но и с необходимостью увеличения размеров пьезокерамической сферы, что связано с технологическими трудностями и ведет к уменьшению прочности сейсмоприемника.

Наиболее близким к предлагаемому является сейсмоприемник [2] содержащий цилиндрический корпус, целиком заполненный жидкой инерционной массой. На торцах цилиндрического корпуса с их внутренней стороны установлены круглые односторонние биморфные элементы электрически соединенные противофазно. В таком сейсмоприемнике удается существенно повысить чувствительность к вибрации, как указано в [2] на порядок, однако этого недостаточно в рассмотренных выше условиях. Кроме того, рассмотренный в [2] сейсмоприемник не обладает достаточной полеустойчивостью и недостаточно избирателен в отношении неизмеряемой поперечной составляющей вибрации, поскольку для этого не принято специальных мер.

Задачей изобретения является создание сейсмоприемника с высокой чувствительностью, способного работать в широком диапазоне низких частот, в том числе в жидкой среде, т. е. в качестве морского донного сейсмоприемника, малочувствительного к действию не подлежащих приему сигналов давления и поперечных вибраций.

Для решения поставленной задачи в сейсмоприемнике, содержащем цилиндрический корпус, целиком заполненном жидкой инерционной массой, на торцах которого с внутренней стороны закреплены биморфные пьезоэлементы, соединенные противофазно, введены новые признаки:
у каждого торца корпуса симметрично относительно главных плоскостей корпуса закреплено по N пьезоэлементов;
каждый пьезоэлемент выполнен в виде герметичной двусторонней биморфной ячейки, являющейся приемником давления, и
плоскости ячеек перпендикулярны торцам цилиндрического корпуса.

Приемники давления, расположенные симметрично относительно главных плоскостей корпуса, имеют одинаковую чувствительность к давлению.

Для увеличения чувствительности и помехоустойчивости к давлению сейсмоприемника путем повышения симметрии системы элемент крепления расположен по наружному периметру жесткого корпуса в его центральном сечении. Сейсмоприемник может быть снабжен прочным наружным герметичным корпусом, отделенным от цилиндрического корпуса воздушным зазором для снижения чувствительности сейсмоприемника к акустическому давлению.

Предложенное техническое решение объединяет идею использования инерционной жидкой массы с применением большого числа приемников, измеряющих давление, возникающее в этой массе в месте, где оно имеет максимальное значение. При этом появляется принципиальная возможность увеличения одновременно чувствительности и расширения полосы частот, поскольку чувствительность каждого из 4N активных элементов может быть выполнена такой же, как у пьезоэлемента приемника прототипа, а резонансная частота при уменьшении размеров приемников возрастает. К тому же высокая степень симметрии сейсмоприемника в целом и каждого отдельного приемника давления обеспечивает глубокую компенсацию вибрационной (поперечной составляющей вибрации) и акустической (давление шумов моря) помех.

На фиг.1 приведен пример конструкции устройства, измеряющего вибрации в направлении оси Z; на фиг.2 эпюра распределения давления в жидкой инерционной массе по высоте корпуса; на фиг.3 разрез пластинчатого пьезокерамического приемника давления, использованного в конструкции сейсмоприемника.

В качестве примера конкретного выполнения предлагаемого изобретения рассмотрим сейсмоприемник, изображенный на фиг.1, имеющий габариты, соизмеримые с размерами современных скважинных сейсмоприемников, а именно вертикальный размер 420 мм и диаметр 120 мм. Корпус 1 сейсмоприемника выполнены в виде цилиндра из стали толщиной 5 мм с двумя торцевыми крышками толщиной 8 мм. При этом желательно, чтобы высота столба жидкости была менее 1/8λ, что соответствует верхней частоте диапазона 500 Гц. Внутренний объем корпуса заполнен жидкостью 2 (водой). В центральной части корпуса предусмотрен фланец 3, который служит для герметичного соединения двух половин корпуса через резиновое уплотнение, а также для крепления к вибрирующему объекту или к наружному прочному корпусу (на фиг.1 не показан).

В двух торцевых частях корпуса расположены две группы приемников давления по 12 приемников в каждой группе. Приемники 4 жестко фиксируются креплением 5 относительно корпуса.

На фиг.3 приведен разрез приемника 4.

Приемник выполнен в виде двусторонней биморфной ячейки. Два биморфных элемента, входящих в него, состоят каждый из двух пьезокерамических дисков 6, диаметром 30 мм и толщиной 1 мм, наклеенных с двух сторон на металлическую (титановую) подложку 7 толщиной 0,5 мм. Подложки 7 выполнены как одно целое с кольцевыми опорами, герметично склеиваемыми друг с другом.

Внутри ячейки находится воздух. Пьезоэлементы соединены параллельно-последовательно. Приемник имеет емкость 13 т.пФ и чувствительность 1,5 2 мВ/Па в рабочем диапазоне частот.

Работа сейсмоприемника происходит следующим образом: измеряемая вертикальная составляющая вибрации W через фланец 3 передается корпусу 1 и заключенной в нем жидкости 2.

Вследствие взаимодействия инерционных сил жидкости и стенок корпуса внутри корпуса возникают динамические давления Р, изменяющиеся во времени с частотой действующей вибрации и распределенные по высоте цилиндра так, как показано на фиг.2. Давление Р достигает максимальной величины в точках, максимально удаленных от центральной плоскости и определяется по формуле:
P=Wρh (2)
где W ускорение;
ρ плотность используемой жидкости;
h размер корпуса в направлении измеряемой составляющей вибрации, причем фаза давления в точках, симметричных относительно центральной плоскости, отличается на 180^o.

На приемники давления 4 воздействует усредненное по их рабочей поверхности давление Р', амплитуда которого определяется по формуле
,
где P определяется выражением (2), h' (см.фиг.1). Таким образом, если h' 340 мм 0,34 м, то при W 1 м/м² величина P будет: P' 1•10^-3 • 0,34 340 Па.

Приемники давления, размещенные в точках h', принимают давление P', и электрический сигнал на их выходе будет пропорционален их чувствительности γ_p и давлению P', т.е.

v=γ_pP′=γ_pWρh′
а чувствительность к составляющей вибрации в направлении оси цилиндрического корпуса

При соединении 24 приемников, вводя их в состав сейсмоприемника последовательно (с учетом необходимости изменения полярности у приемников одной группы, относительно другой) получаем общую чувствительность двух групп к давлению:
γΣp

=(1,5-2)•24=36-48 мВ/Па=мВ/Па
Чувствительность сейсмоприемника к вибрации определится, как произведение чувствительности γΣp на величину действующего давления при вибрации 1 м/с² т.е. на 340 Па:
γΣn=42,340=14380 мВ/мс^-2=14 В/м.с^-2
при суммарной емкости С- 650 пФ.

При таких параметрах СП можно обеспечить уверенный прием порогового сигнала 10^-8 м/с² (при превышении на 10 дБ над помехой), при использовании предварительного усилителя с отечественным полевым транзистором 2П303А на входе, способном обеспечить уровень помех приблизительно 3 нВ/ на частоте 20 Гц (и порядке 60 нВ/ на частоте 1 Гц). При этом частота собственного резонанса сейсмоприемника, определенная резонансом столба жидкости высотой h, будет лежать значительно выше верхней границы рабочего диапазона 10² Гц. Действительно условие резонанса будет

При этом экспериментально определено, что размещение 24 приемников описанной конструкции приводит к понижению резонансной частоты не более, чем в 1,6 раза.

Сигнал от акустических шумов за счет вычитания сигналов приемников разных групп, имеющих близкую чувствительность (при различии в γ_p менее 5%), уменьшается по крайней мере в 10 раз. Снижение разброса чувствительности приемников давления достигается путем предварительной калибровки приемников давления в камере малого объема, дающей высокую точность при относительной калибровке, и комплектацией приемников давления с учетом их чувствительности. Наличие внешнего прочного корпуса позволяет ослабить давление акустических шумов еще не менее, чем в 10³ раз. В результате сигнал акустических шумов 10^-3 Па уменьшается до 10^-7 Па и составит по сравнению с сигналом от вибрации при 10^-8 м/c всего 3%
Чувствительность к неизмеряемой составляющей поперечной вибрации ослаблена не менее чем в 10 раз, во-первых, за счет различия в продольном и поперечном размерах виброприемника, точнее в отношение h'/d', где d' - расстояние между центрами биморфных ячеек в группе (см.фиг.2),(в рассматриваемом примере при h'0,34 м, d'=0,05 м, h'/d'=7), а, во-вторых, за счет вычитания сигналов близкой чувствительности, а также за счет виброустойчивости конструкции самой биморфной ячейки. В результате чувствительность к поперечной вибрации составит не более 1,4% от чувствительности к измеряемой вибрации, что меньше, чем у измерительных виброприемников фирмы Брюгло и Кьер.

Достоинством предлагаемого сейсмоприемника является также то, что его конструкция не содержит сложных деталей, требующих технологической отработки, учитывая то, что используются приемники давления, конструкция которых освоена в серийном производстве.

Изготовление таких деталей, как цилиндрический корпус, включая штуцеры для заполнения его жидкостью и герметичные выводы кабеля, также освоены и не представляют технологических трудностей.

Рассмотренная конструкция обладает повышенной ударо- и взрывопрочностью, т.к. не содержит хрупких конструктивных элементов, а воздействие на приемники давления происходит через жидкость равномерно по всей поверхности.

Благодаря этому можно рассчитывать на конструкцию, обладающую хорошей воспроизводимостью в изготовлении и надежностью в эксплуатации.

Следует отметить, что достоинством предлагаемой конструкции является ее экономичность. Вес пьезокерамики, входящей в один приемник, не превышает 20 г, т. е. на 24 придется менее 0,5 кг. С учетом веса корпусов приемников вес активных элементов не превысит 1 кг, в то время как в сейсмоприемниках аналогичного назначения, но обладающих меньшей чувствительностью при более низком значении собственного резонанса, т.е. при более узком частотном диапазоне, вес активного элемента значительно больше, а следовательно больше стоимость его изготовления и меньше надежность в работе, особенно при воздействии ударных (взрывных) нагрузок.

Использование: изобретение относится к сейсмометрии и может быть использовано в качестве скважинного, а в морской сейсмометрии донного сейсмоприемника. Сущность: в цилиндрическом корпусе, целиком заполненном жидкой инерционной массой, симметрично относительно главных плоскостей корпуса, у его торцов закреплено по N пьезоэлементов в виде симметричных двухсторонних биморфных ячеек, плоскости которых перпендикулярны торцам корпуса. Пьезоэлементы, закрепленные у разных торцов корпуса, электрически соединены между собой противофазно. 3 з.п.ф., 3 ил.

1. Сейсмоприемник, содержащий цилиндрический корпус, целиком заполненный жидкой инерционной массой, на торцах которого с внутренней стороны закреплены пьезоэлементы, соединенные электрически противофазно, отличающийся тем, что у каждого торца корпуса симметрично относительно главных его плоскостей закреплено по N пьезоэлементов, выполненных в виде герметичных двусторонних биморфных ячеек, плоскости которых перпендикулярны торцам цилиндрического корпуса. 2. Сейсмоприемник по п.1, отличающийся тем, что корпус снабжен элементом крепления, расположенным в его центральном сечении по наружному периметру. 3. Сейсмоприемник по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным прочным герметичным корпусом, отделенным от цилиндрического корпуса воздушным зазором. 4. Сейсмоприемник по пп.1-3, отличающийся тем, что пьезоэлементы симметричные относительно главных плоскостей цилиндрического корпуса имеют одинаковую чувствительность к давлению.