СЕЙСМИЧЕСКИЙ ВИБРАТОР Российский патент 2003 года по МПК G01V1/04 

Изобретение относится к средствам сейсмической разведки и может быть использовано в качестве источника сейсмических сигналов.

Известны сейсмические вибраторы аналогичного назначения, например, сейсмический вибратор разработки СКБИМ (Xб2.775.063T01) [1]. Вибратор содержит канал дистанционного запуска: генератор цифровой управляющего сигнала, выход которого подключен к одному из входов канала управления, а вход - к выходу канала обратной связи по фазе. Каналы обратных связей, соответственно, по положению золотника электрогидравлического преобразователя и положению корпуса гидроцилиндра также соединены со входами канала управления. Электрогидравлический преобразователь механически и гидравлически соединен с гидроцилиндром, шток которого соединен с опорной плитой. Датчик виброускорения преобразует колебания корпуса гидроцилиндра в сигнал ускорения, который через усилитель, первый фильтр, сумматор, детектор, второй фильтр нижних частот, усилитель сигнала рассогласования, умножитель, ключ, сумматор, высокочастотный корректор подается совместно с управляющим сигналом через умножитель на один из входов канала управления. По такой схеме в аналоге осуществляется автоматическое регулировка усиления по силе (АРУ). Аналогичный канал по виброускорению плиты здесь не рассматривается, т.к. он улучшает работу системы АРУ по силе, но не устраняет ее недостатков.

Недостатком такой схемы является низкое быстродействие из-за наличия детектора и фильтра нижних частот с частотой среза около 5 Гц, в результате чего сейсмическая эффективность вибратора снижается.

Известен сейсмический вибратор, наиболее близкий к предлагаемому, по а. с. 1571526 [2], содержащий канал дистанционного запуска, генератор, включающий опорный счетчик импульсов, источник высокостабильных тактовых импульсов; блок синхронизации, блок ввода параметров вибросигнала, преобразователь код-частота, цифровой регулятор фазы, опорный счетчик, канал обратной связи по фазе, опорную плиту, датчик колебаний опорной плиты, блок обработки сигнала, усилитель-ограничитель, канал управления, каналы обратных связей по положению корпуса гидроцилиндра и золотника, электрогидравлический преобразователь, гидроцилиндр.

Известный вибратор работает следующим образом.

Электрогидравлический преобразователь преобразует выходной сигнал канала управления в переменный поток рабочей жидкости высокого давления, поочередное поступление которой в полости гидроцилиндра вызывает перемещение его корпуса с заданной частотой. Инерционная масса корпуса гидроцилиндра через поршень со штоком и опорной плитой воздействует на грунт, вызывая колебания, соответствующие выходному сигналу цифроаналогового преобразователя генератора цифрового.

Недостатком описанного сейсмического вибратора является низкая точность отработки сигналов управления при быстро изменяющейся частоте из-за отсутствия обратной связи по силовому воздействию на грунт, что в конечном итоге и снижает сейсмическую эффективность.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения сейсмической эффективности за счет повышения точности отработки сигнала управления с заданными характеристиками.

Для достижения этого технического результата в предлагаемый сейсмический вибратор введены датчик виброускорения корпуса гидроцилиндра и ПИД регулятор, входом своим подключенный к выходу датчика виброускорения, а выходом - к одному из входов канала управления, причем ПИД регулятор выполнен с управлением кодом рабочей частоты.

На чертеже приведена структурная схема сейсмического вибратора.

Сейсмический вибратор содержит канал 1 дистанционного запуска, генератор цифровой 2 управляющего сигнала, выход которого подключен к одному из входов канала управления 3, а вход - к выходу датчика колебаний опорной плиты 7 канала обратной связи по фазе. Каналы 4 и 5 обратных связей, соответственно, по положению золотника электрогидравлического преобразователя 6 и положению корпуса 8 гидроцилиндра также соединены со входами канала 3 управления. Электрогидравлический преобразователь 6 механически и гидравлически соединен с корпусом 8 гидроцилиндра, шток 9 которого соединен с опорной плитой 10.

Датчик виброускорения корпуса гидроцилиндра 11 преобразует его колебания в сигнал ускорения, который через ПИД регулятор 12 соединен с одним из входов канала управления.

Датчик виброускорения корпуса гидроцилиндра 11 включает в себя акселерометр с предварительным усилителем напряжения или заряда.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД регулятор) введен для повышения устойчивости электрогидравлической системы.

Сейсмический вибратор работает следующим образом.

Электрогидравлический преобразователь 6 преобразует выходной сигнал канала 3 управления в переменный поток рабочей жидкости, поочередное поступление которой в полости гидроцилиндра вызывает перемещение его корпуса 8 с заданной частотой и амплитудой. Вынуждающая реактивная сила через поршень со штоком 9 и опорную плиту 10 воздействует на грунт, вызывая колебания, соответствующие выходному сигналу генератора цифрового 2 управляющего сигнала. Выходной сигнал генератора в качестве задающего поступает на один из входов канала 3 управления. Сигналы обратных связей с выходов каналов 4, 5 и датчика виброускорения корпуса гидроцилиндра 11 через ПИД регулятор 12 поступают на остальные входы канала 3 управления. Установленный на опорной плите 10 датчик колебаний опорной плиты 7 вырабатывает электрический сигнал для системы фазовой коррекции генератора цифрового 2.

Для эффективной работы вибратора важна равномерность вынуждающей реактивной силы в рабочем диапазоне частот с возможно меньшими нелинейными искажениями, но в связи с наличием резонансов конструкции вибратора и низким быстродействием электрогидравлической системы эффективность работы вибратора снижается.

В низкочастотной области рабочих частот вибратора сила, действующая через опорную плиту на грунт, приблизительно равна произведению массы корпуса гидроцилиндра на его ускорение
F_в = m₂ • a₂.

Так как масса корпуса гидроцилиндра - величина постоянная, то для постоянства силы F_в в диапазоне частот необходимо поддерживать на заданном уровне ускорение корпуса гидроцилиндра, что в определенной степени (из-за ограничения величины коэффициента обратной связи) и выполняет система обратной связи по мгновенным значениям ускорения корпуса гидроцилиндра, снижая тем самым влияние резонансов конструкции на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и уменьшая нелинейные искажения сигнала силы вибратора. Такая система обратной связи не исключает совместную работу с применяемыми в настоящее время схемами автоматического регулирования по силе, например, описанной в аналоге, и улучшает работу последних, так как обладает более высоким быстродействием в связи с отсутствием (в сравнении с системами АРУ) инерционных звеньев детектирования и фильтрации низкочастотных сигналов. Совместная работа систем снижает влияние высокодобротных резонансов на АЧХ вибратора.

Итак, в описанном устройстве благодаря введенным датчику виброускорения корпуса гидроцилиндра и ПИД регулятору, входом сбоим подключенному к выходу датчика виброускорения, а выходом - к одному из входов канала управления и выполненному с управлением кодом рабочей частоты, обеспечивается повышение сейсмической эффективности за счет быстродействующей цепи обратной связи по мгновенным значениям виброускорения.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Конструкторская документация СКБИМ (Xб2.775.063T01).

2. Авторское свидетельство СССР 1571526, опубл. в 1990 г.

Использование: в качестве источника сейсмических сигналов. В сейсмический вибратор введены датчик виброускорения корпуса гидроцилиндра и ПИД регулятор, входом своим подключенный к выходу датчика виброускорения, а выходом - к одному из входов канала управления, причем ПИД регулятор выполнен с управлением кодом рабочей частоты. Сейсмический вибратор содержит канал дистанционного запуска, генератор цифровой управляющего сигнала, канал управления, каналы обратных связей, электрогидравлический преобразователь, датчик колебаний опорной плиты, корпус гидроцилиндра, шток, опорную плиту, датчик виброускорения, ПИД регулятор. Технический результат: повышение сейсмической эффективности за счет повышения точности отработки сигнала управления с заданными характеристиками. 1 ил.

Сейсмический вибратор, содержащий гидроцилиндр со штоком, соединенным с опорной плитой, электрогидравлический преобразователь, механически и гидравлически соединенный с корпусом гидроцилиндра, канал управления, выходом своим соединенный с электрогидравлическим преобразователем, канал дистанционного запуска, генератор цифровой управляющего сигнала, выход которого подключен к одному из входов канала управления, а вход - к выходу датчика колебаний опорной плиты, канал обратной связи по фазе, каналы обратных связей по положению золотника электрогидравлического преобразователя и корпуса гидроцилиндра, выходами своими соединенные со входами канала управления, отличающийся тем, что в него введены датчик виброускорения корпуса гидроцилиндра и ПИД регулятор, входом своим подключенный к выходу датчика виброускорения, а выходом - к одному из входов канала управления и выполненный с управлением кодом рабочей частоты.