КРУТИЛЬНЫЙ СЕЙСМОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения крутильных колебаний, например в сейсмометрии и разведочной геофизике, а также для определения параметров вращательного движения различных строительных конструкций и их элементов.

Известен крутильный сейсмометр [1] содержащий корпус, выполненный в виде двух взаимно-перпендикулярных цилиндрических стержней, прикрепленных к центральному основанию, и чувствительный элемент, состоящий из катушек, прикрепленных к концам стержней и вставленных в отверстия магнитов, причем магниты прикреплены к другим основаниям, находящимся на расстоянии двух метров от центра основания.

Недостатком данного сейсмометра является его габариты и сложность конструкции, препятствующие его использованию, например для измерения крутильных колебаний внутри измерительных скважин. Кроме того, он обеспечивает измерение угловых параметров в относительно узком диапазоне (единицы градусов) и имеет недостаточную точность измерения.

Известен также крутильный сейсмометр [2] содержащий корпус, пару катушек, расположенных параллельно друг другу, имеющих ферромагнитные сердечники, подвес, упругую нить, арретир, магнитную систему, первый и второй переменные резисторы, дифференциальный усилитель, сумматор, первый и второй регистpаторы.

Данный прибор позволяет помимо сейсмического воздействия одновременно регистрировать вариации электромагнитного поля, однако его использование для измерения, например вращательного движения грунта или элементов строительных конструкций в условиях действия ударных ускорений, затруднительна. Это объясняется очень низкой перегрузочной стойкостью конструкции, так как магнитная система сейсмографа подвешена внутри корпуса на упругой нити.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является крутильный сейсмометр [3] содержащий корпус, чувствительный элемент в виде катушек, причем корпус сейсмометра выполнен в виде ферромагнитного диска. Возникновение ЭДС в катушке происходит под действием магнитного поля Земли, напряженность которого составляет H 0,5 Э. Наличие одной измерительной катушки позволяет получить линейную выходную характеристику между наводимой в катушке ЭДС и угловой скоростью при углах поворота до ±5^o, то есть при выполнении условия cosα ≃ 1 где α угол поворота.

Это является существенным недостатком данного крутильного сейсмометра.

Целью изобретения является расширение амплитудного диапазона измерений угловых параметров.

Поставленная цель достигается тем, что в известном крутильном сейсмометре, содержащем корпус из ферромагнитного материала и катушку, ферромагнитный корпус выполнен кубической формы и дополнительно введена вторая катушка, расположенная под углом 90^o к первой, причем величина угловой скорости определяется из выражения

где ω величина угловой скорости;
E₁, E₂ величина ЭДС, наводимая в первой и второй катушке соответственно;
K_ω масштабный коэффициент преобразования.

Рассмотрим систему из двух катушек 1 и 2, расположенных, например в магнитном поле Земли (фиг.1). В катушке 1 величина наводимой ЭДС будет равна
E₁= Nμμ₀SH_xω sinωt , (1)
где E₁ величина наводимой ЭДС;
N число витков катушки;
μ относительная магнитная проницаемость материала ферромагнитного корпуса;
m_o магнитная постоянная;
S площадь катушки;
H_x горизонтальная составляющая напряженности геомагнитного поля;
ω угловая скорость вращения;
t время.

При малых углах (до -5^o) зависимость (1) вырождается в линейную зависимость, наводимой ЭДС, от величины угловой скорости. В катушке 2 при вращении корпуса прибора наводится ЭДС, равная
E₂= Nμμ₀SH_xω cosωt , (2)
Влияние компоненты H_y магнитного поля Земли ослабляется, во-первых, за счет ферромагнитного корпуса сейсмометра, а, во-вторых, за счет предварительной ориентации прибора вдоль силовых магнитных линий Земли, определяемых с помощью компаса. В этом случае заведомо выполняется условие H_x >> H_y. Применение ферромагнитного корпуса кубической формы приводит к тому, что при углах поворота до 20^o магнитные силовые линии компоненты H_y постоянно идут перпендикулярно плоскости A сейсмометра, не вызывая изменения магнитного потока через катушки 1 и 2.

Аппаратурным либо алгоритмическим путем с помощью ЭВМ проведем операцию с выходными сигналами с катушек 1 и 2 следующего вида:

где E_Σ результирующий сигнал с катушек 1 и 2.

Таким образом, введение в сейсмометр дополнительной катушки позволяет получить линейную выходную характеристику типа (3) во всем диапазоне измерения угловой скорости и углов поворота.

Величина угловой скорости из (3) может быть выражена как

где масштабный коэффициент преобразования, который при условии N₁ N₂ и S₁ S₂ для обоих катушек может быть принят равным.

Ограничивающим фактором, вызывающим рост погрешности измерений, является влияние компоненты H_y. Однако, как показали проведенные экспериментальные исследования, это влияние не приводит к погрешности измерения ω более ±10. 15% даже в том случае, когда компонента H_y совпадала с основной горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли, определяемой с помощью компаса. При повороте сейсмометра на 90^oт.е. когда основная составляющая напряженности геомагнитного поля совпадает с направлением H_x (фиг.1), это влияние оказывалось еще меньше. На фиг.2 представлена осциллограмма записей выходных сигналов сейсмометра при его вращении. Так осуществляется калибровка сейсмометра, при этом полагается, что за один оборот угловая скорость не меняется ( wconst) и величина угловой скорости равна

где T выбранный период вращения (фиг.2).

Измерив величину наводимой ЭДС, легко получить масштабный коэффициент пересчета K_ω в зависимости (4). На фиг.2 представлена также полученная в соответствии с (4) величина угловой скорости при вращении сейсмометра. Действительно, изменением величины w за время T можно пренебречь и считать угловую скорость постоянной. Другим важным моментом является возможность при калибровке набрать практически любую статистическую выборку для определения коэффициента K_ω что позволяет повысить точность измерений, по-видимому, будет определяться влиянием компоненты H_y для рассматриваемого случая. На фиг.3 представлена зависимость коэффициента преобразования крутильного сейсмометра K_ω от различных условий калибровки. Зависимость получена для случая, когда горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Земли совпадала по направлению с H_y Это худший, с точки зрения выполнения измерений, вариант. Видно, что вариация коэффициента преобразования K_ω относительно среднего значения K_ωср полученного путем статистической обработки результатов калибровки в воздухе, не превышает ±15% При опускании сейсмографа в грунт на глубину 0,5 и 1 м, значение коэффициента преобразования K_ω практически не меняется. Это объясняется тем, что большинство грунтовых сред в своем составе содержат кремний ( -60% и более), у которого магнитная восприимчивость составляет порядок -10^-6
Поскольку относительную магнитную проницаемость m в (3) можно представить в виде
m = 1 + κ,
где κ магнитная восприимчивость,
то вклад k в магнитную проницаемость воздуха ( m1) является несущественным.

Вторым моментом, судя по полученным экспериментальным данным, является возможно более широкий угол поворота, при котором силовые линии сохраняют перпендикулярность (точнее псевдоперпендикулярность) по отношению к поверхности A сейсмометра. Экспериментальная проверка показала, что полученное на практике значение рабочего диапазона измерений по углу оказалось даже больше расчетного, составляющего -20^o. Полученные при этом точностные характеристики сейсмометра позволяют применять его для весьма широкого круга прикладных задач.

Таким образом, использование предлагаемого крутильного сейсмометра обеспечивает, по сравнению с существующими техническими решениями, расширение диапазона измерений при линейности выходной характеристики.

Источники информации
1. Hikari Vatanabe A. Rotational strain Sesmometer. "Disaster prevention research Institute Kyoto Universuty bulletins ", p.2-15, N 58, September, 1962.

2. Авторское свидетельство СССР N 1300393, кл. G 01 V 1/16, 1985.

3. Авторское свидетельство СССР N 828149, кл. G 01 V 1/16, 1979.

Использование: для измерения крутильных колебаний грунтовой среды, а также для определения параметров вращательного движения различных строительных конструкций и их элементов. Сущность изобретения: крутильный сейсмометр содержит корпус из ферромагнитного материала, катушку формирования выходного сигнала при вращении корпуса в магнитном поле (например магнитном поле Земли) и вторую катушку, расположенную под углом 90^o к первой. Ферромагнитный корпус выполнен кубической формы. Введение второй катушки позволяет получить сигнал на ее выходе, сдвинутый по фазе на π/2 относительно сигнала с первой катушки и реализовать вычислительную операцию типа , где E₁ и E₂ - величины ЭДС, наводимые в первой и второй катушках, соответственно, в результате которой формируется линейная выходная характеристика во всем диапазоне изменения угловых параметров. 3 ил.

Крутильный сейсмометр, содержащий корпус из ферромагнитного материала и катушку формирования выходного сигнала, отличающийся тем, что ферромагнитный корпус выполнен кубической формы и дополнительно введена вторая катушка, расположенная под углом 90^o к первой, причем значение угловой скорости определяется по величинам выходных сигналов с первой и второй катушек как

где ω - значение угловой скорости;
Е₁, Е₂ величина ЭДС, наводимая в первой и второй катушках, соответственно;
K_ω - масштабный коэффициент передачи.