ТЕСТЕР СЕЙСМОПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ Российский патент 2018 года по МПК G01V1/18 G01V13/00 

Изобретение относится к приспособлениям для приемников сейсмических сигналов, а именно к тестерам, обеспечивающим проверку правильности работы одного или группы сейсмоприемников (СП) электродинамических (геофонов).

Известно устройство для тестирования неисправностей множества подключаемых к нему сейсмоприемников (см. патент на изобретение US 4,003,018, МПК G01V1/20, G01V13/00, опубл. 11.01.1977). Устройство содержит средство подачи на указанные сейсмоприемники серии импульсов тока постоянной амплитуды и длительностью, превышающей нормальный резонансный период сейсмоприемников, и средство измерения отклика пикового напряжения сейсмоприемников на указанные импульсы тока.

Однако известное устройство имеет неконтролируемую точность измерения параметров сейсмоприемников.

Известно устройство для измерения параметров геофонов (см. патент на изобретение US 4,296,483, МПК G01V1/18, G01V13/00, опубл. 20.10.1981). Устройство содержит множество датчиков силы, на каждом из которых устанавливается соответствующий геофон. Электрическая ступенчатая функция прикладывается к активным элементам геофонов для генерации механических переходных процессов, которые детектируются датчиками силы, генерирующими соответствующие электрические сигналы. Электрические сигналы анализируются для определения чувствительности, затухания и собственной частоты каждого геофона.

Однако известное устройство предусматривает необходимость использования дополнительного набора пьезоэлектрических датчиков для преобразования механических сигналов геофонов в электрические.

Наиболее близким к заявляемому устройству по своей технической сущности является устройство для тестирования геофонов (патент на изобретение EP 203 227, МПК G01V 13/00, G01V 1/16, опубл. 03.12.1986). Известное устройство включает в себя программируемый микропроцессор, снабженный входами для подключения источника питания, одного или нескольких тестируемых геофонов, модуля памяти, устройства ввода и индикации. Известное устройство позволяет измерять отклонение от хранящихся в модуле памяти эталонных значений сопротивления, нелинейного искажения, чувствительности (коэффициента преобразования), собственной частоты и степени затухания.

Недостатком прототипа является необходимость использования эталонного сейсмоприемника (эталонной группы СП) для диагностики и калибровки работы тестера.

Технической проблемой является сокращение трудовременных затрат на контроль точности измерений параметров сейсмоприемников тестером.

Указанная техническая проблема решается тем, что заявляемый тестер сейсмоприемников Д электродинамических содержит блок КИ контроллера интерфейсного, снабженный входом для подключения источника ИП питания и включающий модуль МУ управления, блок БЦП цифрового преобразования, снабженный входом для подключения источника ИП питания и включающий аналого-цифровой преобразователь АЦП и генератор ТГ тестовых сигналов, подключенные к модулю МУ управления, согласно решению блок КИ контроллера интерфейсного включает сетевой интерфейс СИ, термодатчик ТД и формирователь ФПП переходного процесса, подключенные к модулю МУ управления, блок БЦП цифрового преобразования включает блок БКУ коммутации и усиления, снабженный входами, подключенными к модулю МУ управления, формирователю ФПП переходного процесса, генератору ТГ тестовых сигналов и аналого-цифровому преобразователю АЦП, а также входами для подключения одного или нескольких тестируемых сейсмоприемников Д.

Технический результат, достигаемый заявляемым решением, заключается в повышении точности работы тестера за счет своевременной диагностики отклонения измеренных тестером параметров блока формирователя ФПП переходного процесса, имитирующего работу сейсмоприемника и представляющего собой полосно-пропускающий фильтр (ППФ) 2-го порядка, от заданных в блоке ФПП параметров.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого тестера, на фиг. 2 показана эквивалентная схема блока формирователя переходного процесса (ФПП), на фиг. 3 и 4 - структурная схема блока коммутации и усиления. Позициями на чертежах обозначены:

1 - аккумуляторная батарея (АБ); 2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 3 - блок коммутации и усиления (БКУ); 4 - блок питания (БП); 5 - блок цифрового преобразования (ВЦП); 6 - тестируемый сейсмоприемник (СП) или группа сейсмоприемников (Д); 7 - зарядное устройство (ЗУ); 8 - индикатор заряда (ИЗ); 9 - источник питания (ИП); 10 - блок контроллера интерфейсного (КИ); 11 - модуль беспроводной связи (МБС); 12 - модуль управления (МУ); 13 - сетевой интерфейс (СИ); 14 - генератор тестовых сигналов (ТГ); 15 - термодатчик (ТД); 16 - формирователь переходного процесса (ФПП); 17 - сопротивление (R); 18 сопротивление обратной связи (Roc); 19 - ноутбук; 20 - канал связи LAN; 21 - канал связи Wi-Fi.

Заявляемое изобретение позволяет измерять значения сопротивления цепи катушки сейсмоприемника (СП) на постоянном токе, коэффициента нелинейных искажений (коэффициента гармоник) СП, собственной частоты колебаний СП, коэффициента (степени) затухания колебаний СП и коэффициента преобразования амплитуды механических колебаний катушки СП в электрический сигнал (коэффициент преобразования). Тестер обеспечивает контроль как одиночных СП, так и СП, объединенных в группу, а кроме того, обеспечивает возможность самотестирования для контроля точности измерений и компенсации влияния изменения температуры. Принцип действия тестера основан на возбуждении колебаний электрического тока в цепи катушки СП с помощью испытательного (тестового) сигнала, измерении зависимости силы тока и частоты этих колебаний во времени и последующем автоматизированном расчете параметров СП по заданному алгоритму.

Конструкция изобретения

Заявляемый тестер «Тест-СП» содержит блок КИ контроллера интерфейсного, снабженный входом для подключения источника ИП питания и включающий модуль МУ управления, а также сетевой интерфейс СИ, термодатчик ТД и формирователь ФПП переходного процесса, подключенные к модулю МУ управления. Тестер содержит блок БЦП цифрового преобразования, снабженный входом для подключения источника ИП питания и включающий аналого-цифровой преобразователь АЦП и генератор ТГ тестовых сигналов, подключенные к модулю МУ управления, а также блок БКУ коммутации и усиления, снабженный входами, подключенными к модулю МУ управления, формирователю ФПП переходного процесса, генератору ТГ тестовых сигналов и аналого-цифровому преобразователю АЦП, а также входами для подключения одного или нескольких тестируемых сейсмоприемников Д.

Элементы тестера скомпонованы в следующие узлы: плату блока цифрового преобразования (БЦП), плату контроллера интерфейсного (КИ), плату блока питания (БП) и аккумуляторную батарею (АБ), соединенные между собой и расположенные в кейсе «PELI - 1300». Для обеспечения функционирования тестер «Тест-СП» подключают к ноутбуку/планшету с установленным специальным программным комплексом «Тест-СП». Структурная схема тестера приведена на фиг. 1.

На плате БЦП расположены следующие схемные модули:

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП): 24-разрядный дифференциальный АЦП на основе микросхемы ADS 1251;

- генератор тестовых сигналов (ТГ): собран на основе 16-разрядного цифро-аналогового преобразователя AD 5541 и операционных усилителей OP 413;

- блок коммутации и усиления с фильтрами (БКУ): собран на аналоговых коммутаторах ADG 711 и операционных усилителях OP213 и OP413.

АЦП осуществляет измерение зависимости во времени мгновенных значений силы тока, возбужденного в цепи катушки СП тестовым сигналом, поступающим с тестового генератора ТГ, с нормируемыми метрологическими характеристиками, преобразование измеренных мгновенных значений силы тока в цифровой сигнал АЦП, а также фильтрацию сигнала в области верхних частот.

Программный комплекс «Тест-СП» производит цифровую обработку сигнала АЦП и расчет параметров СП с нормированными значениями погрешности измерения параметров сейсмоприемника.

На плате КИ расположены:

- сетевой интерфейс (СИ): на основе модуля WIZNET W3100A;

- модуль управления (МУ): на основе программируемой логической интегральной схемы LC 4256 и цифрового сигнального процессора ADSP 2189;

- формирователь переходного процесса (ФПП): активный полосно-пропускающий фильтр 2-го порядка на основе операционного усилителя OP 213.

Сетевой интерфейс СИ производит сбор данных, поступающих от АЦП через МУ, и передачу их через плату БП на ноутбук-планшет (протокол TCP/IP) посредством кабеля «Патч-корд» или беспроводной связи WiFi.

Модуль МУ управления принимает данные от АЦП для последующей их передачи на СИ и осуществляет прием команд от ноутбука/планшета и формирование управляющих сигналов для других модулей тестера.

Определение пределов допускаемой относительной погрешности измерения собственной частоты, коэффициента преобразования и степени затухания осуществляется при помощи встроенного блока ФПП (формирователя переходного процесса), который формирует электрический сигнал, эквивалентный сигналу реакции СП на внешнее ударное возбуждение, то есть имитирует работу сейсмоприемника с нормированными значениями собственной частоты колебаний, коэффициента преобразования и степени затухания.

ФПП имитирует работу сейсмоприемника, имеющего следующие параметры:

- собственную частоту - 70,7 Гц;

- степень затухания - 0,5;

- коэффициент преобразования - 894,4.

На плате БП расположены:

- источник питания (ИП);

- зарядное устройство аккумулятора (ЗУ);

- индикатор заряда аккумулятора (ИЗ);

- модуль беспроводной связи WiFi (МБС).

Источник питания (ИП), собранный на микросхемах LP 2950, LTC 3600, TPS 62200, формирует напряжения постоянного тока, необходимые для работы тестера.

Зарядное устройство (ЗУ) на основе микросхемы BQ 24650 осуществляет заряд аккумуляторной батареи при подключении к тестеру сетевого адаптера 220 V AC 50/60 Hz - 12 V DC - 6000 mA.

Индикатор заряда аккумулятора (ИЗ) выполнен на основе микросхемы LM 3914 и 10-сегментной светодиодной матрицы HDSP-4832 и показывает степень заряда АБ по линейной шкале в диапазоне 7,3-8,4 V.

Модуль беспроводной связи WiFi (МБС) на основе блока WizFi 630 обеспечивает передачу данных от тестера до ноутбука-планшета по беспроводному интерфейсу.

Для учета температуры окружающей среды тестер снабжен термодатчиком (ТД) на основе микросхемы DS18B20.

Описание блока ФПП (формирователя переходного процесса)

1. Для проверки тестера «Тест-СП» в режиме самотестирования собственной частоты, степени затухания и коэффициента преобразования в качестве формирователя переходного процесса (ФПП), идентичного отклику сейсмоприемника на ударное воздействие, используется полосно-пропускающий фильтр (ППФ) 2-го порядка с заданными параметрами (фиг.2). Известно, что комплексный коэффициент передачи такого фильтра имеет вид:

,

где ω₀ - собственная (резонансная) частота фильтра; А₀ - коэффициент передачи фильтра на резонансной частоте; ; D - затухание; Q=1/D - добротность фильтра.

Найдем полюса и обозначим их и :

Известно, что изображение имеет оригинал

(преобразование Карсона )

Тогда преобразование из частотной области во временную даст:

.

Сделав обозначения: ,

Получим: .

С учетом преобразований и формулы Эйлера

,

h(t) будет иметь вид:

Коэффициент передачи модели сейсмоприемника имеет вид:

,

где - собственная частота сейсмоприемника, - степень затухания сейсмоприемника.

Из сравнения К(р) фильтра ППФ и К(р)_сп сейсмоприемника видно, что Q=2β или β=1/2Q, т.е., зная добротность используемого фильтра ППФ, можно рассчитать степень затухания переходного процесса.

Введя β вместо Q в выражение для h(t), получим:

Таким образом, переходная характеристика ППФ 2-го порядка совпадает с переходной характеристикой сейсмоприемника и, следовательно, ППФ может использоваться в качестве имитатора сейсмоприемника (ФПП) с заданными параметрами собственной частоты и степени затухания. При этом собственная частота сейсмоприемника совпадает с собственной частотой ППФ, а степень затухания сейсмоприемника β = 1/2Q, где Q - добротность ППФ. Схема ППФ 2-го порядка представлена на фиг. 2.

Работа изобретения

1.1. Описание метода определения сопротивления СП или группы СП (выходное сопротивление)

Метод определения сопротивления СП или группы СП (фиг.3) основан на измерении амплитуды выходного сигнала дифференциального усилителя тестера, на входы которого («Вх+», «Вх-») подается импульсный парофазный сигнал постоянного тока амплитудой U_Вх, который повторяется на контактах Д (СП или группы СП).

По окончании переходных процессов в течение действия импульса в сейсмоприемнике протекает ток I_Д, равный:

,

где R_Д - сопротивление СП или группы СП по постоянному току.

Этот ток вызывает на выходе усилителя выходное напряжение, равное:

Величина напряжения импульса U_вых: измеряется АЦП. По известным значениям амплитуды входного импульса U_вх и сопротивлению обратной связи R_ос вычисляется значение сопротивления СП R_Д.

1.2. Процедура измерения (контроля)

Амплитуда входного тестового сигнала U_вх устанавливается программно в зависимости от сопротивления либо одиночного СП, указываемого в окне «Параметры сейсмоприемника (сейсмогруппы») - «Сопротивление, Ом», либо количества СП в группе и их конфигурации (дополнительно используется информация из окна «Параметры тестирования» - «Конфигурация сейсмогруппы»).

Амплитуда выходного импульса дифференциального усилителя определяется как разность его выходных напряжений на интервалах действия и отсутствия импульса на входе усилителя, чем исключается влияние напряжения смещения нуля усилителя и влияние синфазной помехи.

2.1. Описание метода определения коэффициента нелинейных искажений (КНИ и КНИ циклическое)

КНИ одиночного СП или группы СП рассчитывается путем подачи на входы «Вх+», «Вх-» (фиг. 3) парофазного гармонического сигнала амплитудой U_Вх от генератора тестера (ТГ) с малыми нелинейными искажениями. Сигнал, повторяясь на контактах СП или группы СП, вызывает в нем ток, амплитуда которого зависит от нелинейности сопротивления катушки СП, возникающей в процессе механических колебаний. Этот ток вызывает на выходе усилителя выходное напряжение, равное:

.

На выходе АЦП этот сигнал подвергается цифровой фильтрации с целью определения амплитуд гармонических составляющих выходного сигнала (i = 1,2…5), значения которых используются в дальнейшем для расчета коэффициента нелинейных искажений в соответствии с формулой:

.

Цифровая фильтрация осуществляется с применением цифровых рекурсивных фильтров. В соответствии с алгоритмом работы цифровых рекурсивных фильтров текущая амплитуда U_iⁿ выделенной i-й гармоники определяется формулой:

,

где n- порядковый номер отсчета АЦП, U_сⁿ - мгновенное значение выходного напряжения усилителя, зарегистрированное на n-м отсчете АЦП, a_i0, a_i1, a_i2, b_i1, b_i2 - коэффициенты рекурсивных цифровых фильтров, рассчитанные для выделения i-й гармоники.

Среднеквадратичное значение амплитуды выделенной i-й гармоники рассчитывается в соответствии с формулой:

,

где N - количество используемых для расчета выборок цифрового сигнала АЦП.

2.2. Процедура измерения (контроля)

При выборе в окне «Параметры тестирования» - «Частота тестирования » - «По умолчанию») с тестового генератора подается сигнал с частотой, близкой к 1,5f₀, (f₀ - собственная частота сейсмоприемника данного типа, указываемая в окне «Параметры сейсмоприемника (сейсмогруппы) - «Собственная частота, Гц»), либо частота тестового генератора выбирается в этом же окне.

Величина входного тестового сигнала U_вх устанавливается программно в зависимости от сопротивления одиночного СП, указываемого в окне «Параметры сейсмоприемника (сейсмогруппы») - «Сопротивление, Ом», либо количества СП в группе и их конфигурации (дополнительно используется информация из окна «Параметры тестирования» - «Конфигурация сейсмогруппы»).

3.1. Описание метода определения собственной частоты, степени затухания и коэффициента преобразования

Определение собственной частоты, степени затухания и коэффициента преобразования СП или группы СП осуществляется путем записи переходного процесса, возникающего в контуре СП. Процедура измерения этих параметров проводится в два этапа.

На первом этапе на входы «Вх+», «Вх-» подается парофазное напряжение постоянного тока U_Вх согласно фиг.4 ( сейсмоприемник Д включен в цепь обратной связи дифференциального усилителя, т.е. подключен к входам «-» операционных усилителей), которое по окончании переходных процессов вызывает в СП ток I_Д , определяемый формулой (1).

На втором этапе отключается парафазное напряжение постоянного тока U_Вх, а СП отключается от цепи обратной связи дифференциального усилителя и подключается к его входам в соответствии с фиг. 4 (СП подключается к входам «+» операционных усилителей). Выходной сигнал переходного процесса в контуре СП усиливается с коэффициентом усиления К_ус=1 и преобразуется АЦП в цифровой сигнал. Последующая программная обработка этого сигнала позволяет определить параметры переходного процесса.

Собственная частота , степень затухания β и коэффициент преобразования μ рассчитываются по формулам соответственно:

,

,

,

где Т₁ - интервал времени между первым и вторым максимумами зарегистрированного переходного процесса, А₁ и А₂ - амплитуды первого и второго максимумов переходного процесса, определяемые путем параболической интерполяции, m - подвижная масса СП или группы СП, указанная в окне «Параметры сейсмоприемника (сейсмогруппы)» - «Масса, г» (определяется нормативно-технической документацией на СП), I_Д - как и ранее, ток, вызывающий начальное отклонение катушки СП, равный (U_Вх/R_Д). Величина R_Д определяется перед измерением параметров переходного процесса соответствующей программой. Величина входного тестового сигнала U_Вх определяется техническими характеристиками тестера.

3.2. Процедура измерения (контроля)

При определении указанных параметров катушка СП поднимается постоянным током из положения покоя, затем ток отключается и, при падении катушки, записывается ее переходный процесс, отображаемый на экране дисплея, если в главном окне выбран пункт «График переходного процесса». Величина поданного на катушку тестового сигнала рассчитывается программно в зависимости от сопротивления одиночного СП, либо числа СП в группе и их конфигурации. Запись переходного процесса осуществляется десятикратно с последующим усреднением значений проверяемого параметра по количеству записей.

Изобретение относится к приспособлениям для приемников сейсмических сигналов, а именно к тестерам, обеспечивающим проверку правильности работы одного или группы сейсмоприемников (СП) электродинамических. Заявлен тестер сейсмоприемников электродинамических, который содержит блок КИ контроллера интерфейсного, снабженный входом для подключения источника ИП питания и включающий модуль МУ управления, блок БЦП цифрового преобразования, снабженный входом для подключения источника ИП питания и включающий аналого-цифровой преобразователь АЦП и генератор ТГ тестовых сигналов, подключенные к модулю МУ управления. Согласно решению блок КИ контроллера интерфейсного включает сетевой интерфейс СИ, термодатчик ТД и формирователь ФПП переходного процесса, подключенные к модулю МУ управления. Блок БЦП цифрового преобразования включает блок БКУ коммутации и усиления, снабженный входами, подключенными к модулю МУ управления, формирователю ФПП переходного процесса, генератору ТГ тестовых сигналов и аналого-цифровому преобразователю АЦП, а также входами для подключения одного или нескольких тестируемых сейсмоприемников. Технический результат - повышение точности работы тестера. 4 ил.

Тестер сейсмоприемников электродинамических, содержащий: блок контроллера интерфейсного, снабженный входом для подключения источника питания и включающий модуль управления; блок цифрового преобразования, снабженный входом для подключения источника питания и включающий аналого-цифровой преобразователь и генератор тестовых сигналов, подключенные к модулю управления, отличающийся тем, что блок контроллера интерфейсного включает сетевой интерфейс, термодатчик и формирователь переходного процесса, подключенные к модулю управления; блок цифрового преобразования включает блок коммутации и усиления, снабженный входами, подключенными к модулю управления, формирователю переходного процесса, генератору тестовых сигналов и аналого-цифровому преобразователю, а также входами для подключения одного или нескольких тестируемых сейсмоприемников.