Электродинамический преобразовательный блок сейсмоприемника ускорений Советский патент 1992 года по МПК G01V1/16 

сл

с

Изобретение относится к геофизическому приборостроению, а также может быть использовано в вибротехнике. Цель - расширение частотного диапазона преобразуемых ускорений перемещений и увеличение показателя преобразования. Введением вторых полюсных наконечников и переносом в кольцевой воздушный зазор, образованный ими, проводящего кольца уменьшается индуктивная связь между этим кольцом и обмоткой. Приведенные соотношения конструктивных параметров обеспечивают возможность расчета оптимальной конструкции преобразовательного блока с минимальными размерами. 2 ил.

Изобретение относится к геофизическому приборостроению, а также может быть использован в вибротехнике.

Известен электродинамический акселерометр без индуктивной связи сигнальной и управляющей обмоток, так как они расположены в двух отдельных магнитных системах. ОЪмотки катушки установлены в корпусе. Узел из магнитных систем является инерци- онным элементом акселерометра. Сигнал, пропорциональный скорости относительного перемещения обмотки и магнитной системы, поступает в управляющую обмотку от усилителя. Необходимость источника питания является недостатком акселерометра.Известен геофон, воспринимающий ускорения перемещения грунта. Инерционным элементом геофона является проводящее

кольцо, расположенное в двух воздушных зазорах дифференциальной магнитной системы. Обмотки катушки расположены в тех же воздушных зазорах магнитной системы. Вихревые токи, возникающие в проводящем кольце при относительном перемещении магнитной системы и проводящего кольца, наводят в обмотках ЭДС, пропорциональную ускорению относительного перемещения. Недостатком геофона является то, что сигнал на выходе геофона пропорционален ускорению перемещения, начиная с собственной частоты геофона, а до собственной частоты выходной сигнал пропорционален четвертой степени относительного перемещения. Кроме того, показатель преобразования геофона на порядок меньше показателей преобразования известных геофонов.

XI

ю о о ы XI

Наиболее близким по техническому решению является электродинамический сейсмометр, воспринимающий низкочастотные ускорения перемещений поверхности земли. Электродинамический преобразователь сейсмометра содержит магнитную систему, инерционный элемент, выполненный в виде катушки с проводящим кольцом и обмоткой, и две пружины, соединяющие катушку с магнитной системой, Магнитная система состоит из постоянного магнита с выбранными параметрами, из полюсного наконечника, установленного на постоянном магните, из магнитопровода, из полюсного наконечника, установленного в магнитопроводе, совпадающего по длине с первым полюсным наконечником и образующего с ним кольцевой воздушный зазор. Катушка расположена в кольцевом воздушном зазоре симметрично относительно дли- ны полюсных наконечников. Недостатком сейсмометра является то. что его коэффициент преобразования на высоких частотах уменьшается из-за наличия индуктивной связи между проводящим кольцом и обмот- кой, намотанной на нем.

Цель изобретения - расширение частотного диапазона преобразуемых ускорений перемещений электродинамического преобразовательного блока сейсмоприемника ускорений и увеличение его показателя преобразования. Поставленные цели достигаются тем, что в электродинамическом преобразовательном блоке сейсмоприемника ускорений, содержащем магнитную систему, состоящую из постоянного магнита с выбранными диаметром - D, длиной - 1, напряженностью Н и магнитной индукцией - В в точке, соответствующей максимуму удельной магнитной энергии1 на кривой удельного магнитного потока, отдаваемого постоянным магнитом в воздушный зазор, из одного полюсного наконечника, установленного на постоянном магнитопроводе, из одного полюсного наконечника, установ- ленного в магнитопроводе концентрично и совпадающим по длине - L с полюсным наконечником, размещенным на постоянном магните, и образующего с ним кольцевой воздушный зазор, механическое колебатель- ное звено, состоящее из катушки с проводящим кольцом и обмоткой, расположенной в кольцевом воздушном зазоре симметрично по обе стороны длины полюсных наконечников, и из двух пружин, соединяющих ка- тушку с магнитной системой, в нем установлены на постоянном магните и в магнитопровод е вторые полюсные наконечники, аналогичные первым, и в кольцевом воздушном зазоре которых расположено

проводящее кольцо, при этом конструные параметры электродинамического образовательного блока определя следующими соотношениями

/НоНЦ

л

/

pSQlfH)

(ээ+Я цвиесйб1г

i-BD4В

126пиЈ Ь

пи

14

В(У0НЕоСбу

Впк

L &

BD

2|u0He,e()

где А-длина кольцевого воздушного зазора;

,«сг1,256х10 Гн/м-магнитная проницаемость воздуха;

q 0,92 - коэффициент использования квадрата магнитной индукции, распределенной в воздушном зазоре на длине проводящего кольца; ,1415;

р- удельное сопротивление материала проводящего кольца катушки;

fo - собственная частота электродинамического преобразовательного блока сейсмоприемника ускорений;

6- плотность материала проводящего кольца катушки;

5 2,5-2,8 для катушки с обмоткой из медного провода и 5 2,25-2,5 для катушки с обмоткой из алюминиевого провода;

F -желаемый частотный диапазон ускорений перемещений;

t - толщина стенки полюсного наконечника;

Впн - допустимая магнитная индукция материала полюсного наконечника;

,25 - коэффициент, связывающий L и длину полюсного наконечника

L - длина проводящего кольца или обмотки катушки;

е 1,25 - коэффициент, учитывающий нелинейное рассеивание магнитного потока;

,2-коэффициент, учитывающий линейное рассеивание магнитного потока в воздушном зазоре.

На фиг. 1 изображен электродинамический преобразовательный блок сейсмоприемника ускорений; на фиг. 2 - кривая распределения магнитной индукции в кольцевом воздушном зазоре.

Магнитная система электродинамического преобразовательного блока сейсмоприемника ускорений (см. фиг. 1) состоит из

постоянного магнита 1, двух полюсных наконечников 2, магнитопровода 3 с двумя полюсными наконечниками 4. Фланец 5 соединяет полюсные наконечники 2 с магнито- проводом 3. Механическое колебательное звено электродинамического преобразовательного блока сейсмоприемника ускорений состоит из инерционного элемента - катушки 6, двух пружин 7, связывающих катушку с магнитной системой, электромагнитного де- мпфера - проводящего кольца 8 катушки, размещенного в кольцевом воздушном зазоре магнитной системы. Обмотка 9 катушки, расположенная в кольцевом воздушном зазоре магнитной системы, является элект- родинамическим преобразователем.

Геометрические параметры постоянного магнита и конструктивные параметры электродинамического блока сейсмоприемника ускорений имеют следующие обозна- чения: I и D - длина и диаметр постоянного магнита; А- длина кольцевого воздушного зазора магнитной системы; L- длина обмотки (или проводящего кольца) катушки; В длина полюсного наконечника; а - длина зазора между полюсными наконечниками и катушкой; t - толщина стенки полюсного наконечника; г - длина стенки полюсного наконечника.

На фиг, 2 изображена кривая 10 распределения магнитной индукции в кольцевом воздушном зазоре.

На фиг. 2 обозначено: Вт - максимальное значение магнитной индукции в кольцевом воздушном зазоре: п - отношение магнитной индукции, действующей на краях обмотки (или проводящего кольца), к максимальному значению магнитной индукции в воздушном зазоре; S-та длина воздушного зазора, на которой значение магнитной индукции возрастает от nBm до Вт.

Электродинамический преобразовательный блок сейсмоприемника ускорений работает следующим образом.

Механическое колебательное звено преобразует колебательные перемещения магнитной системы, связанные с исследуемым объектом, в колебательные перемещения магнитной системы относительно инерционного элемента - катушки. Электродинамиче- ский преобразователь - обмотка катушки, размещенная в кольцевом воздушном зазоре магнитной системы, преобразуетотноситель- ные колебательные перемещения магнитной системы и катушки в напряжение.

Как известно, передаточная функция электродинамического сейсмоприемника без учета индуктивной (трансформаторной) связи между каркасом и обмотками и без подключения шунта выражается формулой

EI

р2 4 Кп .

EI

РХ 1 + р2тЈ+2 рго/3 где EI - ЭДС на выходе обмотки;

р - оператор (), у- круговая частота;

Хк - перемещение корпуса;

to - постоянная времени, равная единице, деленной на собственную частоту сейсмоприемника;

Кп - коэффициент преобразования;

/3 - степень затухания.

Обычно в электродинамическом сейс- моприемнике степень затухания равна от 0,5 до 0,6.

Если степень затухания увеличить до значения, превышающего единицу, то колебательное звено сейсмоприемника выродится в два апериодических звена и передаточная функция выражается формулой

PxK peel|i+J).pCB(()3 В том случае, когда степень затухания больше единицы, сейсмоприемник воспринимает вторую производную перемещения корпуса в диапазоне частот от

EI

fo//J + V/Ј-1 AOfo//3-V/32-1 .

Это положение справедливо тогда, когда верхняя частота частотного диапазона не превышает первой сотни герц. Существующая трансформаторная связь между обмоткой и проводящим кольцом катушки нарушает соотношение, выраженное по- следней формулой. ЭДС на выходе обмотки выражается формулой: .

Е-Е1+Н12

где Е - ЭДС на выходе обмотки с учетом индуктивной связи;

EI - ЭДС на выходе обмотки без учета индуктивной связи;,

Ei2 ЭДС, наводимая короткозамкну- тым проводящим кольцом на обмотку.

Ei2 определяется формулой

Wi Р ЧV-i.

E 2 E u 2 E TpT2;

где E2 - ЭДС, развиваемая короткозамкну- тым проводящим кольцом;

Wi - количество витков обмотки;

-один виток проводящего кольца;

Т2 - постоянная времени проводящего кольца.

Подставив выражение Ei2 в предыдущую формулу, получим

E-E,h

Известно,что

...GST «ч--1

где Li, U - индуктивности обмотки и каркаса катушки;

R2 - сопротивление короткозамкнутого каркаса.

Сопротивление R2 найдем из формулы, определяющей степень затухания, обеспечиваемую короткозамкнутым кольцом:

,1 |«

)

ZmcuftRft

Подставив найденное выражение RZ в формулу для определения тг и затем найденное выражение т-г в формулу для определе ния Е, получим

Е,

В формуле не учтено явление зависимости индуктивностей Li и La от частоты. На высоких частотах возникают потери ввиду того, что полюсные наконечники преобразовательного блока выполнены сплошными.

Подставив в формулу вместо Е его выражение из передаточной функции сейс- моприемника, получим

..;.

pl« )-.

Формула показывает то, что при больших значениях степени затухания ft частот- ный диапазон приема ускорений перемещений может сократиться до верхней частоты, равной

и. . . .(M.,

Частотный диапазон электродинамического преобразовательного блока сейсмоп- риемника ускорений находится в пределах

от частоты, равной Wo / Д+ / - 1 , до

частоты, равной W0 / ft - / - 1 , или

{. (Д.

Египет--

где F - частотный диапазон;

fe и fH - верхняя и нижняя частоты частотного диапазона.

. Решив уравнение относительно степени затухания fi, получим

/M.Jfd-ф.

Собственная частота fo связана с fв и fH уравнениями:

fo- ./F .

В предлагаемом техническом решении

индуктивная связь между проводящим кольцом и обмоткой уменьшена по крайней мере на порядок тем, что обмотка и проводящее кольцо катушки размещены в разных

кольцевых воздушных зазорах.

Малые значения нелинейных искажений обеспечиваются тем, что концы обмоток катушки располагаются на линейных участках распределения магнитной индукции в

кольцевом воздушном зазоре, имеющих одинаковый наклон.

Найдем зависимость конструктивных параметров электродинамического преобразовательного блока сейсмоприемника

(длины воздушного зазора - А, длины обмотки и проводящего кольца катушки - L)OT задаваемых параметров постоянного магнита (длины - I диаметра - D, магнитной индукции - В и напряженности магнитного

поля в точке, соответствующей максимуму удельной магнитной энергии, отдаваемой магнитом в воздушные зазоры - Н) от плотности каркаса и обмотки, от проводимости кольца и от желаемого частотного диапазона.

При этом В „ SL . .41

где В, Н, /АЗ , Л I, D - определены ранее, а SL aDcpLaE 7i;D( + 2l )L«E.

где Ј - коэффициент, учитывающий лели- нейное рассеивание магнитного потока; а- коэффициент, учитывающий линейное рассеивание магнитного потока.

Подставив выражение SL в предыдущую формулу, после преобразований найдем зависимость L от других параметров

BD

(1 + 2t+A)gЈ

Коэффициент е является отношением полного магнитного потока, протекающего через весь объем воздушного зазора и ограниченного кривой 10 на фиг. 2, к магнитному потоку, ограниченному не заштрихованной

трапецией на фиг. 2.

Значение коэффициента едля цилиндрических магнитных систем с внутренним магнитом и двумя полюсными наконечниками (на магните и магнитопроводе) равно приблизительно 1,25 т. е. ,25.

Коэффициент а является отношением магнитного потока, определяемого распределением магнитной индукции в виде тра-. пеции на фиг, 2, к тому магнитному потоку, который бы протекал через проводящее кольцо (или обмотку катушки), если бы магнитная индукция имела прямоугольное распределение. Магнитный поток, определяемый распределением магнитной индукции в воздушном зазоре в виде трапеции на фиг. 2, равен

/ ot.M . . , Ч-«№)..

После упрощения получим

Для рассматриваемых цилиндрических магнитных систем с полюсными наконечниками на магните и магнитопроводе мм. Тот магнитный поток, который бы протекал через проводящее кольцо, если бы магнитная индукция имела прямоугольное распре- деление, равен

(1 Ч- )BmL. Коэффициент а равен

а ФпЕ. 1 + S- . 2 п - 1 ФьрL 1 -п

Для цилиндрических магнитных систем с полюсными наконечниками на магните и магнитопроводе коэффициент а равен а 1.2.

В формуле для определения L остались неизвестными Ant.

Формулу, выражающую зависимость толщины стенки полюсного наконечника t от А и известных параметров, найдем, решив следующую систему .уравнений

.«(D.qta,,,.T-B-g

. .8D

е,..

где г-длина стенки полюсного наконечника (см. фиг. 1);

у- отношение L к Ь, равное

у .

L-1

- 1,25

0

Первое уравнение системы уравнений определяет ту часть магнитного потока, действующего на выходе постоянного магнита, которая протекает через толщину стенки полюсного наконечника.

Второе уравнение получено заменой L на В в выше приведенном уравнении для определения L

Решив систему уравнений относитель-. но t, получим

15

4&

2„ь

Так как второе слагаемое, стоящее под знаком корня значительно меньше единицы, то используя известное уравнение

после преобразований

Ј.

получим

VTT 1+-|t.-SP- «В,

(DtMH.Nex.eif 2b,,D4

(t :

Известно, что весь магнитный поток, вытекающий из торца постоянного магнита, проходит через воздушный зазор, т, е.

О

& Тогда

fiD 4.

Loi6

Вт -

ВО

41(1 +

2t+А D

}ае

0

5

Степень затухания электродинамического преобразовательного блока зависит от квадрата магнитной индукции, распределенной в воздушном зазоре на длине проводящего кольца.

Распределение магнитной индукции В(х) на длине проводящего кольца, равной L, найти из фиг. 2. Определим квадрат коэффициента использования квадрата распределения магнитной индукции на длине L, как отношение квадрата распределения магнитной индукции на длине L к Вт2, т. е.

В2 (х ) d X

55

Непосредственно из фиг. 2 найдем, что

в:

2 L-2s

(&,«.

Вв,

1

О,

После вычислений получим

Тогда коэффициент q равен

. vjaFp f,

Для цилиндрических магнитных систем с двумя полюсными наконечниками коэффициент равен

,92

, Степень затухания электродинамического преобразовательного блока, как известно, равна:

: ,

P 2 iu0R« (,,11к.

где lk я 0(1+ ) - длина средней

линии проводящего кольца;

m - масса катушки;

Rk - сопротивление проводящега кольца катушки.

Сопротивление проводящего кольца катушки, как известно, определяется по формуле:

RK р- Ь

где р- удельное сопротивление материала кольца;

SK площадь сечения проводящего кольца, определяемая по формуле:

().

Масса катушки складывается из массы обмотки, проводящего кольца, цилиндра, соединяющего проводящее кольцо и обмотку, деталей крепления внешнего кольца пружины.

m.8v.ysY,f,M,8,Y,.

.H M -ill V-)- -М« М -гН

где 5 , 2 , 5з , дз - плотности проводящего кольца, обмотки, цилиндра, соединяющего проводящее кольцо и обмотку, деталей крепления пружины.

V, /2, Va. V4 - объемы, занимаемые этими частями катушки.

Подставив в формулу для определения степени затухания найденные выражения для/б, L, B2m,q2, Rk, m и решив относительно

Д, получим

Мвг

Предлагаемое техническое решение позволяет создать тот электродинамический блок сейсмоприемника ускорений, который имеет наибольший показатель преобразования и наименьшие габаритные размеры для выбранных параметров постоянного магнита и выбранного динамического диапазона воспринимаемых ускорений и перемещений исследуемых объектов. Электродинамический

преобразовательный блок сейсмоприемника ускорений найдет применение при проведении сейсморазведочных работ по методу высокоразрешающей сейсморазведки и может быть использован в качестве контрольного

прибора в вибросейсмических источниках колебаний.

Формула изобретения Электродинамический преобразовательный блок сейсмоприемника ускорений,

содержащий магнитную систему, состоящую из постоянного магнита с выбранными диаметром D, длиной , напряженностью Н и магнитной индукцией В в точке, соответствующей максимуму удельной магнитной

энергии на кривой удельного магнитного потока, отдаваемого постоянным магнитом в воздушный зазор, из одного полюсного наконечника, установленного на постоянном магните, из магнитопровода, из одного

полюсного наконечника, установленного в магнитопроводе концентрично и совпадающего подлине L с полюсным наконечником, размещенным на постоянном магните, и образующего с ним кольцевой воздушный зазор, механическое колебательное звено, состоящее из катушки с проводящим кольцом и обмоткой, расположенной в кольцевом воздушном зазоре симметрично по обе стороны длины полюсных наконечников, и

из двух пружин, соединяющих катушку с магнитной системой, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона преобразуемых ускорений перемещений и увеличения показателя преобразования, в нем установлены на постоянном магните и в магнитопроводе вторые полюсные наконечники, аналогичные первым, в кольцевом воздушном зазоре которых расположено проводящее кольцо, при этом

конструктивные параметры электродинамического преобразовательного блока определяются следующими соотношениями:

|Ц.Ц

ftTpSOrH)

|D d(u.

гб..сь Б|Ц.нг«сЈт /

а™ вп

if,.««e((.)

где Д- длина кольцевого воздушного зазора:-в

10 Гн/м - магнитная проницаемость воздуха;

,92 - коэффициент использования квадрата магнитной индукции, распределенной в воздушном зазоре на длине проводящего кольца;

р- удельное сопротивление материала проводящего кольца катушки;

fо - собственная частота электродинамического преобразовательного блока сей- смоприемника ускорений;

б - плотность материала проводящего кольца катушки;

(,5-2,8 для катушки с обмоткой из медного провода,

0

5

,25-2,5 для катушки с обмоткой из алюминиевого провода;

F - желаемый частотный диапазон ускорений перемещений;

t - толщина стенки полюсного наконечника;

Впн - допустимая магнитная индукция материала полюсного наконечника;

,25-коэффициент, связывающий L и длину полюсного наконечника Ь;

L - длина проводящего кольца или обмотки катушки;

,25 - коэффициент, учитывающий нелинейное рассеивание магнитного потока;

а 1,Т-1,2 - коэффициент, учитывающий линейное рассеивание магнитного потока в воздушном зазоре.

фиа.2.