Способ изготовления молекулярно-электронной ячейки низкошумящего широкополосного гидрофона для донных исследований Российский патент 2019 года по МПК G01V1/16 

Углеводороды являются основой современной энергетики, а их поиск и добыча важнейшими отраслями народного хозяйства. В современных условиях особое значение приобретают задачи открытия новых, а также уточнения запасов и местоположения нефтегазоносных слоев для уже разрабатываемых месторождений на сложных перспективных площадях, разведка которых требует использования наиболее современных технических средств. В частности, к сложным объектам разведки относятся транзитные зоны, в которых применение простой комбинации стандартных для наземной и морской сейсморазведки методов и средств далеко не всегда возможно. Отсюда следует, в частности, стремление заказчиков сейсморазведочных работ к использованию средств регистрации сейсмических данных с максимально широкой полосой регистрируемого сигнала, первичных чувствительных элементов с высокой линейностью измерений, нечувствительностью к наклонам при установке, высокой идентичности каналов. Таким образом, можно достичь регистрации полного волнового поля и получить более высокое разрешение.

В то же время регистрирующие системы для проведения сейсмических исследований на акваториях можно условно разделить на два основных класса: буксируемые системы и донные системы. Что справедливо как для оборудования, применяемого в нефтяной геофизике так и для оборудования, применяемого в инженерной геофизике.

Обстановка на дне океана является гораздо более тихой и спокойной, чем на поверхности. На поверхности присутствует эффект от погодных условий, волн и зыби. Эти шумы серьезно осложняют сейсмические данные и могут быть критичными в случаях отражений от глубоких границ, когда уровень полезного сигнала становится сравним или даже ниже уровня фонового шума. Необходимо обратить внимание на вертикальные полосы шумов (Фиг. 0) от обтекания и волнения моря на данных, полученных с буксируемой косой.

Различная природа шумов, возникающих при работе с буксируемыми сейсмическими косами, частотный диапазон этих шумов, методы борьбы с шумами и их влияние на качество регистрируемых данных показано в работе [1]. Отсутствие шумов, связанных с буксировкой и обтеканием, позволяет более эффективно использовать высокочувствительные сейсмические и акустические приемники и выделять более слабые сигналы на фоне помех и шумов, что особенно важно при исследовании глубоких горизонтов.

На Фиг. 1 хорошо видна разница в уровне шумов на сейсмических данных, получаемых с буксируемыми косами и с донными приемниками. Необходимо учитывать, что приведенный пример данных с буксируемыми косами демонстрирует уровень шумов при низком уровне волнения и низкой скорости течений. При повышении уровня волнения моря или высокой скорости течения шумы на буксируемых приемных устройствах могут достигать значений, при которых продолжение регистрации сейсмических данных становится невозможным, поскольку выделить полезный сигнал на уровне шумов будет затруднительно даже при последующей сложной обработке данных.

В этой связи, повышающийся интерес со стороны заказчиков работ для поиска и разведки полезных ископаемых в транзитных зонах к использованию стационарных высокоточных измерительных систем требует использования оборудования с высокой разрешающей способностью, в частности первичных чувствительных элементов (гидрофонов) с низким уровнем собственных шумов и широкой полосой регистрации акустических сигналов.

Наиболее близкими аналогами предлагаемого изобретения являются техническое решения для способов изготовления электродного узла молекулярно-электронного измерителя линейных и угловых движений [2], к аналогам также можно отнести технические решения, предложенные в изобретениях [3, 4]. Основные принципы функционирования датчиков на основе молекулярно-электронных преобразующих ячеек для измерения сейсмических и акустических полей представлено в работах [5 и 6]. Кроме того, к аналогам изобретения следует отнести технические решения из [7, 8, 9], в которых описываются особенности построения приборов на основе молекулярно-электронных преобразователей. Использование гидрофонов в технических решениях донных сейсмических станций описывается также в патенте [10].

Наиболее близкий аналог изобретения из [2] состоит из четырех сетчатых электродов и трех перфорированных диэлектрических прокладок, переложенных друг с другом в виде «сэндвича», таким образом, что они образуют систему из порядка 80 микроканалов, через которые протекает электролит, а на перекрестиях сетки электродов перекрывающий каждый из микроканалов происходит электрохимическая реакция, приводящая к вкладу в суммарный сигнальный ток ячейки. Основными недостаткам такого технического решения, в случае применения его для измерения вариаций давления в качестве элемента гидрофона, являются:

- высокий уровень собственного шума (из [6] для которого использовалась молекулярно-электронная ячейка из [2] около 3 мПа на частоте 1-100 Гц) не позволяющий получать данные сейсмо и геолого разведки высокой разрешающей способности,

- высокая граничная частота полосы пропускания (в соответствии с аналогами из [6] и [7] естественный спад полосы пропускания начинается с единиц Гц),

- значительные общие габариты измерителя, более 50 см³.

Согласно данным, из аналога [5] настоящего технического решения, механический коэффициент преобразования акустического давления в поток жидкости через преобразователь, описывается следующей зависимостью:

где, R_h - гидродинамическое сопротивление системы, строго говоря зависящее от геометрии системы, состава рабочей жидкости и др. Следовательно, жесткость системы можно связать с некоторым параметром С, таким, что:

где, S_эф - эффективная площадь сечения сосуда с электролитом, a S_м - площадь мембран, Р₀ - внешнее статическое давление (в отсутствии возмущения), V₀ - объем камеры с воздухом.

Построим АЧХ для электродных узлов различных сечений 6×6 мм, 3×3 мм и 2×2 мм и сравним между собой при р=1 атм и С=1 атм ⋅ см³, изобразив их на одном графике (Фиг. 2).

При этом для каналов различной площади коэффициент гидродинамического сопротивления обратно пропорционален этой площади сечения, что объясняется увеличением числа микроканалов ~s_кан, по которым течет жидкость при увеличении площади сечения:

где s_кан - суммарная площадь микроканалов электродного узла.

Из Фиг. 2 видно, что при уменьшении площади поперечного сечения канала увеличивается ширина полосы пропускания механической системы, центральная частота в рассматриваемой модели не меняется (, где М - масса жидкости), при этом уменьшается модуль передаточной функции, а спад АЧХ имеет более пологий характер с уменьшением площади канала.

Получим теперь значения нижних граничных частот для технических решений отличающихся площадями каналов преобразующего узла. Для этого решим уравнение: (формулы для расчета взяты из описания аналога настоящего технического решения [3])

Возводя в квадрат и преобразуя, получаем:

Наименьшее положительное решение, соответствующее нижней граничной частоте, имеет вид, имеет вид:

Учтено, что

В Таблице 1 приведены нижние граничные частоты, вычисленные для рассматриваемых выше параметров.

Из таблицы 1 видно, что с уменьшением размеров электродного узла нижняя граничная частота технического решения смещается в низкочастотную область, позволяя выполнять все более широкополосные измерения.

Используем приведенную модель передаточной характеристики для различных размеров узла для анализа модели собственных шумов предлагаемого технического решения. В частности, попробуем подобрать оптимальные параметры системы таким образом, чтобы можно было снизить минимальный порог чувствительности заявляемого технического решения по крайней мере на порядок по сравнению с аналогом из [6].

Спектральная плотность суммарного шума молекулярно-электронного гидрофона задается формулой из [6]:

В (3) последовательно учитываются различные физические механизмы возникновения шумов в устройствах на принципах молекулярно-электронного переноса, такие как классический гидродинамический шум, обусловленный тепловым броуновским движением частиц в жидкости, так называемый «геометрический» шум, обусловленный несимметричностью различных преобразующих микроканалов, а также шум конвективной природы, обусловленный возникновением «крупных» гидродинамических потоков в канале преобразователя. Проведем моделирование зависимости величины шума (3) от значения гидродинамического сопротивления ячейки, которое в свою очередь прямо пропорционально ее общей площади и для прототипа из [2] обратно пропорционально общему числу микроканалов. На Фиг. 3, 4, 5 представлено моделирование каждого типа шума в молекулярно-электронном гидрофоне в зависимости от размеров преобразующей ячейки (количества микроканалов) при некоторых одинаковых внешних параметрах (Р и С). На Фиг. 6 приведен суммарный шум системы для трех типоразмеров преобразующих молекулярно-электронных ячеек. Аналог настоящего технического решения из [2 и 6] имеет размер чувствительного элемента ячейки 6×6 мм, 80 микроканалов преобразования и соответствующее гидродинамическое сопротивление порядка .

Из рисунков видно, что снижения собственных шумов акустических молекулярно-электронных измерителей на низких частотах удается достичь повышением гидродинамического сопротивления за счет уменьшения размеров преобразующего элемента, и соответственно уменьшением количества микроканалов преобразования. Это влечет за собой, как было показано выше, существенно расширение рабочей полосы частот измерителя в низкочастотную область, а также существенно снижает габариты технического решения.

Такими образом, задачей изобретения является создание способа изготовления молекулярно-электронной ячейки для гидрофона со значением гидродинамического сопротивления, находящегося из критерия минимизации собственных шумов гидрофона и обеспечивающего расширенной рабочей полосы гидрофона вплоть до 0.05 Гц, существенное сниженние порога собственного шума до 30 мкПа в области низких частот, а также уменьшения габаритов (менее 20 см³) технического решения относительно аналогов из [2, 4, 5, 6].

Поставленная задача и технический результат изобретения достигается тем, что в способе изготовления молекулярно-электронной ячейки для гидрофона, предназначенного для измерения вариаций давления в жидкой и газообразных средах, четыре сетчатых металлических электрода перекладывают перфорированными диэлектрическими прокладками в виде сэндвича, при этом площадь сечения и количество микроканалов ячейки выбирают таким образом, чтобы обеспечить гидродинамическое сопротивление молекулярно-электронной ячейки, которое определяют из минимума шума, заданного интегралом спектральной плотности мощности в рабочей полосе частот соотношением:

где - спектральная плотность мощности собственного шума гидрофона, ω - циклическая частота, ω1 и ω2 - границы частотной полосы пропускания гидрофона, R_h - гидродинамическое сопротивление системы, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, W_mech - механическая часть передаточной функции гидрофона, α - безразмерный коэффициент, W_el-ch - электрохимическая часть передаточной функции гидрофона, K (ω, s_эл) - численный коэффициент, характеризующий конвекцию, s_эл - площадь поверхности сетчатых электродов.

При этом молекулярно-электронная ячейка для гидрофона может быть выполнена по планарной технологии или по микрокерамической технологии. Молекулярно-электронная ячейка может содержать более двух пар электродов, увеличивающих гидродинамическое сопротивление ячейки и эффективность преобразования.

Далее приведено краткое описание графических материалов, поясняющих сущность изобретения.

Фиг. 1 - Сырые сейсмические данные (в окне от 8 до 12 секунд), полученные: а) с буксируемой косой; б) с донным приемным устройством

Фиг. 2. Модель АЧХ механической колебательной системы молекулярно-электронного гидрофона с различными параметрами ячеек.

Фиг. 3. Спектральная плотность гидродинамического шума для датчиков с каналами 6×6, 3×3, 2×2 мм.

Фиг. 4. Спектральная плотность «геометрического» шума для датчиков с каналами 6×6, 3×3, 2×2 мм.

Фиг. 5. Спектральная плотность конвективного шума для датчиков с каналами 6×6, 3×3, 2×2 мм.

Фиг. 6. Спектральная плотность суммарного шума для датчиков с каналами 6×6, 3×3, 2×2 мм. При р=1 атм.; С=1 атм ⋅ см³.

Фиг. 7. Пример реализации технического результат (справа) по сравнению с аналогом из [6] (слева)

Фиг. 8. АЧХ аналога (красный) и технической реализации изобретения (синий)

Фиг. 9. Спектральная плотность мощности в единицах синий - собственный шум технической реализации изобретения.

В соответствии с предлагаемым способом были изготовлены молекулярно-электронные ячейки из четырех сетчатых электродов с уменьшенной в 4 раза площадью сечения, сокращенным количеством микроканалов и соответственно увеличенным в 4 раза значением гидродинамического сопротивления. Перфорированные перегородки были, соответственно, изготовлены с 20 сквозными отверстиями вместо традиционных 80, характеристики ячеек в сравнении приведены в Таблице 2.

На основе изготовленных ячеек были собраны молекулярно-электронные гидрофоны с уменьшенной в 2 раза площадью молекулярно-электронной ячейкой по сравнению с аналогом из [6]. Внешний вид пример реализации по сравнению с аналогом представлен на Фиг. 7 справа. В собранном примере реализации исключена пластиковая основа корпуса, существенно снижен размер молекулярно-электронной ячейки, более чем в 2 раза по площади, существенно сокращен объем используемого электролита, с 5 миллилитров до 1.1 миллилитра.

АЧХ примера реализации технического результата с уменьшенным размером электродного узла (синий) в сравнении с АЧХ аналога (красный). На Фиг. 8 видно существенное расширение полосы в сторону низких частот для собранного примера реализации технического результата.

Экспериментальное измерение собственных шумов примера реализации изобретения было выполнено с помощью стандартных алгоритмов определения некоррелированной части шумового сигнала двух соосных идентичных гидрофонов в условиях низкого фонового шумового сигнала в соответствии с методикой из [7]. На Фиг. 9 представлен результат шумовых измерений для технической реализации изобретения, вычисленный собственный шум (синяя кривая Фиг. 9) боле чем в 4 раза (12 дБ) на высоких частотах ниже уровня регистрируемых собственных шумов аналогом из [6], а на низких (менее 10 Гц) собственный шум снизился более чем в 12 раз (22 дБ), по сравнению с аналогом настоящего изобретения из [6].

Источники информации.

1. Thomas Elboth, Bjorn Anders Pettersson Reif and Oyvind Andreassen. Geophysics 2010. Flow and swell noise in marine seismic.

2. Патент РФ № 2394246

3. Патент РФ № 2444738

4. Патент РФ № 2659578

5. V.М. Agafonov, I.V. Egorov, and A.S. Shabalina, "Operating principles and specifications of small-size molecular electronic seismic sensor with negative feedback," Seismic Instrum., vol. 49, no. 1, pp. 5-19, 2013.

6. Zaitsev, D.L., Avdyukhina, S.Y., Ryzhkov, M.A., Evseev, I., Egorov, E.V., and Agafonov, V. M.: Frequency response and self-noise of the MET hydrophone, J. Sens. Sens. Syst., 7, 443-452, https://doi.org/10.5194/jsss-7-443-2018, 2018

7. Ivan V. Egorov, Anna S. Shabalina, and Vadim M. Agafonov Design and Self-Noise of MET Closed-Loop Seismic Accelerometers IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 17, NO. 7, APRIL 1, 2017

8. Патент РФ 2128850

9. Патент РФ на полезную модель №53459

10. Патент РФ 2572047

Изобретение относится к измерительной технике. Предлагаемый способ изготовления молекулярно-электронной ячейки для гидрофона позволяет обеспечить измерение слабых низкочастотных сейсмических и акустических сигналов, распространяющихся в жидких, твердых и газообразных средах. Изобретение представляет из себя модифицированную молекулярно-электронную ячейку для гидрофона, функционирующего на общих принципах молекулярно-электронного преобразования, отличающуюся тем, что гидродинамическое сопротивление молекулярно-электронной ячейки определяется из условия нахождения минимума интеграла от спектральной плотности мощности собственного шума в рабочей полосе частот. Изобретение приводит к снижению привычных габаритных размеров и массы гидрофона, существенно уменьшает инерционную массу используемого электролита, позволяет молекулярно-электронному гидрофону достичь уровня собственных шумов, порядка 0,03 мПа, в единицах приложенного давления, расширить в сторону низких частот рабочую полосу гидрофона вплоть до 0,01 Гц. Изобретение имеет следующие перспективы применения: стационарные высокоточные измерительных системы для поиска и разведки полезных ископаемых в транзитных зонах, донные сейсмические и акустические приемники, научные исследования мирового океана, военные и гражданские применения в судоходстве и локации подводной обстановки, системы раннего предупреждения цунами и землетрясений и др. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ изготовления молекулярно-электронной ячейки для гидрофона, предназначенного для измерения вариаций давления в жидкой и газообразных средах, заключающийся в том, что четыре сетчатых металлических электрода перекладывают перфорированными диэлектрическими прокладками в виде сэндвича, при этом площадь сечения и количество микроканалов ячейки выбирают таким образом, чтобы обеспечить гидродинамическое сопротивление молекулярно-электронной ячейки, которое определяют из минимума шума, заданного интегралом спектральной плотности мощности в рабочей полосе частот соотношением:

где - спектральная плотность мощности собственного шума гидрофона, ω - циклическая частота, ω1 и ω2 - границы частотной полосы пропускания гидрофона, R_h - гидродинамическое сопротивление системы, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, W_mech - механическая часть передаточной функции гидрофона, α - безразмерный коэффициент, W_el-ch - электрохимическая часть передаточной функции гидрофона, K(ω, s_эл) - численный коэффициент, характеризующий конвекцию, s_эл - площадь поверхности сетчатых электродов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что молекулярно-электронная ячейка для гидрофона выполнена по планарной технологии.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что молекулярно-электронная ячейка выполнена по микрокерамической технологии.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем 1, молекулярно-электронная ячейка содержит более двух пар электродов, увеличивающих гидродинамическое сопротивление ячейки и эффективность преобразования.