Способ балансировки корреляционного измерителя шума электрохимических сейсмоприемников Советский патент 1992 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в сейсмометрическом приборостроении.

При корреляционном способе измерения собственных шумов электронных преобразователей в активном режиме с учетом собственных шумов устройства возбуждения, шумы испытуемого преобразователя получаются как разность автокорреляционной и взаимно корреляционной функций сигналов испытуемого и опорного преобразователей. Формирование автокорреляционной функции осуществляется с помощью квадратора и интегратора, а взаимно корреляционной - с помощью перемножителя и интегратора. Разность этих функций получается с помощью блока разности.

Электрические сигналы с опорного и испытуемого преобразователей усиливаются предварительными усилителями. В результате устройства измерения содержат два канала - канал опорного и канал испытуемого преобразователей. Для исключения собственных шумов устройства возбуждения перед измерением производят предварительную балансировку каналов по выходным напряжением сигналов предварительных усилителей. При таком способе балансировки измерительного устройства не учитывается возможный сдвиг по фазе сигналов от испытуемого и опорного преобразователей.

Наиболее близким к предлагаемому является способ балансировки устройства, с помощью которого измеряют собственные шумы электрохимического сейсмоприемни- ка, исключая влияние сейсмического фона.

Устройство содержит также испытуемый и опорный преобразователи (сейсмоп- риемники), установленные на столе вибростенда, который возбуждают задающим блоком, вырабатывающим гармонический сигнал. Сигналы с испытуемого и опорного сейсмоприемников поступают на входы каналов опорного и испытуемого сейсмоприемников. Канал испытуемого сейс- моприемника содержит последовательно соединенные усилитель, избирательный фильтр, квадратор и интегратор, канал

сл

с

х|

со о

N3

опорного - последовательно соединенные фазовращатель, усилитель с перестраиваемым коэффициентом усиления, избирательный фильтр, перемножитель, интегратор. Выходы интеграторов соединены с входами блока разности, к выходу которого подключен измерительный прибор. Избирательные фильтры включены в каналы с целью получения спектральной плотности шумов. Балансировка этого устройства производится по выходным гармоническим электрическим сигналам усилителей испытуемого и опорного каналов как по амплитуде, так и по фазе.

Такой способ балансировки является сложным, так как требует два различных индикатора (баланса амплитуды и фазы) и приводит к значительной погрешности измерения собственных шумов сейсмоприем- ника, так как при такой балансировке не учитываются последующие блоки каналов устройства измерения.

Целью изобретения является упрощение процесса балансировки и уменьшение погрешности измерения собственного шума электрохимических сейсмоприемников.

Поставленная цель достигается тем, что балансировку по фазе поизводят с помощью измерительного прибора, подключенного к выходу измерительного устройства, по максимуму взаимно корреляционной функции сигналов опорного и испытуемогосейсмоприемников, балансировку по амплитуде выполняют с помощью того же измерительного прибора, что и балансировку по фазе, подключают его к выходу опорного канала, добиваются минимума разности взаимно корреляционной функции сигналов испытуемого и опорного сейсмоприемников и усредненного квадрата сигнала испытуемого сейсмоприемника.

Электрические сигнлы (сигналы возбуждения), снимаемые с испытуемого и опорного сейсмоприемников, установленных на столе вибростенда, возбуждаемого задающим блоком, и являющиеся аналогом сигналов, возбуждаемых сейсмическим фоном, можно записать так:

UBM(t) (11вт)и COS (COt -pi), UBon(t) (UBT)on COS (О) t ( ).

Обозначим Uuji(t), Uiu2(t) - собственные шумы испытуемого и опорного сейсмоприемников. Для простоты анализа, не нарушая его общности, собственные шумы отдельных блоков каналов (усилителей, фильтров, квадратора, перемножителя, фазовращателя, интеграторов) не учитываются.

Для повышения точности балансировки принимают напряжение возбуждения UB(t) на 1,5-2 порядка больше напряжений, вызываемых сейсмическим фоном. 5В процессе балансировки сигнал на выходе интегратора канала испытуемого сейсмоприемника записывается в виде

ии АиКкв 4 / Ки Кфя2 Uuji(t) + LMt),(1)

, °

где Аи, Ккв, Ки; Кфи - коэффициенты передачи интегратора, квадратора, усилителя, избирательного фильтра соответственно.

После возведения в квадрат, интегрирования, учитывая, что сигнал шума и сигнал возбуждения являются центрированными и независимыми сигналами и их взаимно корреляционная функция равна нулю, получим усредненный квадрат сигнала испытуемого сейсмоприемника

Ои - Аи Ки2 Кфи2 Ккв (0Ш12 + ОвД (2) Сигнал на выходе интегратора канала опорного сейсмоприемника (взаимно корреляционная функция) запишется в виде

-1г

Uon Aon Кп Y / Ки Кол Кфи Кфоп Uiul(t)f- 1 о

+ iMt) iMt) + uBon(t) dt, (3)

где Аол, An, Коп, Кфоп - коэффициенты передачи интегратора, перемножителя, усилителя с фазовращателем, фильтра канала опорного сейсмоприемника.

Произведя перемножение, интегрирование, учтя указанное замечание и приняв р . , получим

Uon Коп Кп Ки Коп Кфи Кфоп UBH Ueon. (4)

Сигнал на выходе блока разности:

U Ои - Uon Аи Ки2 Ккв Кфи2 0Ш12 + (Цви2 Аи Ки Ккв Кфи Аоп Кп Ки Коп Кфи Кфоп UBJI Uean).(5)

Из выражения (5) видно, что первое слагаемое пропорционально усредненному квадрат; значения собственных шумов ис- пытуемого сейсмоприемника. Второе слагаемое определяет погрешность измерения шума за счет несбалансированности коэффициентов передачи опорного и испытуемого каналов. Если учесть еще собственные шумы остальных блоков каналов, то погрешность за счет несбалансированности будет еще больше.

Запишем второе слагаемое выражения (5) в виде

В известном устройстве балансировку производят по амплитудам гармонических сигналов испытуемого и опорного сейсмоп- риемников, возбуждаемых вибростендом. При этом индикатор баланса амплитуд (вольтметр переменного тока) подключают к выходам усилителей опорного и испытуемого каналов, регулируют коэффициент уси- ленияусилителяопорного

сейсмоприемника и добиваются равенства амплитуд, которое регистрируется по нулевому показанию индикатора баланса амплитуд. При таком способе балансировки выполняется только условие

Коп Цвоп

1

I I

(7)

Ки иви

Для полной балансировки устройства необходимо выполнить дополнительно условие

Арп Кп Кфрн л{о

Кфн 1 (8)

условия приведет к

Аи Ккв

Невыполнение этого значительной погрешности измерения собственных шумов сейсмоприемника.

Для оценки погрешности измерения примем в качестве избирательного фильтра активный RC-фильтр с коэффициентом пеQредачи Кф 27Tf R С для КОТ°Р°ГО в

диапазоне частот 10-0,01 Гц величины R и С имеют значения (1-100) мкФ и (1-100) мОм. Если принять точность изготовления их равной 1 %, то погрешность коэффициента передачи фильтра Кф равна 2%.

Подобные рассуждения можно применить к интегратору и принять погрешность коэффициента его передачи равной 2%.

В качестве перемножителей можно использовать микросхемы 525ПС1, 525ПС2, для которых погрешность перемножения, коэффициента передачи может быть принята 1%.

Таким образом, результирующая погрешность коэффициента передачи каждого канала /3составит величину/ 2,2%.

Результат измерения собственного шума сейсмоприемника получается как разность значений напряжений опорного и измерительного каналов. В этом случае результирующая погрешность измерения

В лабораторных условиях промышленного города величина сейсмического фона UB может достигать (10-50) 11Ш1, тогда /Зг) (22-110)%, что явно недопустимо.

Для устранения этой погрешности в предлагаемом способе балансировку предлагается проводить с учетом всех блоков, т.е. выполнить условия (7) и (8) одновремен- но.

Величина взаимно корреляционной функции двух сигналов зависит от разности фаз между ними.

В известном устройстве балансировку по фазе выполняют по выходным гармоническим сигналам усилителей испытуемого и опорного каналов. С помощью индикатора баланса фаз (двухлучевого осциллографа), путем регулирования фазовращателя доби- ваются совмещения обоих сигналов. При таком способе балансировки не учитывается дополнительный возможный сдвиг фаз в блоках фильтров.

При возбуждении сейсмоприемников

гармоническим воздействием, при условии

(UB)T Umi значение напряжения на выходе

интегратора опорного канала (взаимнокорреляционная функция) запишется в виде

25 г, , ,л AiA2 Uon О)- 2

UBTCosI T-Oi (pi} ,

(9)

где Ai, A2 - коэффициенты передачи испы- туемого и опорного каналов, AI Ки2 Кфк,

А2 Аоп Коп К фоп Кп,

1 - pi - разность фаз сигналов испытуемого и опорного каналов на входе перемножителя.

Оба сейсмоприемника установлены на столе вибростенда, тогда т 0, и при р- - pi получим

Uon(O)

сП AI Аа , .2 Вт Usrn - 1иоп,)максоUBT

(Ю)

2 WBT2

где Bi Аоп Ки Коп Кфц Кфоп Кп.

Для упрощения принято (11Вт)и (ивт)огг. По предлагаемому способу балансировку по фазе осуществляют по максимуму взаимно корреляционной функции. При этом индикатором баланса фаз является измерительный прибор, который через переключатель подключают к выходу интегратора

опорного канала, регулируют фазовращатель и регистрируют максимум взаимно корреляционной функции. Такая балансировка значительно проще и дополнительно учитывает сдвиг по фазе в фильтрах.

Автокорреляционная функция сигнала канала испытуемого сейсмоприемника (сигнал на выходе интегратора) запишется в виде

Ti /-л RI UBW UM (r)5

COS (ОТ.

При Г 0 получим

AiUim

(11)

Ои(0) (ии)макс

где AI Аи Ки2 Ккв Кфи2.

Сравнивая выражения (10) и (11), при (ии)макс (иоп)макс(12)

получим Bi At.

Следовательно, при выполнении условия (12) обеспечивается полная балансировка каналов опорного и испытуемого сейсмоприемников, т.е. выполняется услоАрп Кп Кфоп Коп JBOO

Кфи

вне:

1

АИ Ккв Кфи Ки Ови

По предлагаемому-способу балансировку по амплитуде выполняют путем сравнения среднего квадрата сигнала испытуемого сейсмоприемника и взаимно корреляционной функции сигналов опорного и испытуемого сейсмоприемников по измерительному прибору (вольтметру постоянного тока), который подключен к выходу блока разности. Изменяя коэффициент усиления регулируемого усилителя, добиваются минимума показания прибора.

По предлагаемому способу балансировки вместо двух индикаторов баланса фаз и амплитуд используют один измерительный прибор (вольтметр постоянного тока), который подключают к выходу измерителя шума (блоку разности) через переключатель на два положения. Это существенно упрощает процесс балансировки.

На чертеже представлена схема возможного варианта измерителя шума и подключения к нему измерительного прибора, который одновременно используют и для балансировки.

На схеме обозначены: задающий блок 1, вибростенд 2, испытуемый 3 и опорный 4 сейсмоприемники, фазовращатель 5, усилители б, 7, избирательные фильтры 8 и 9, перемножители 10,11, интеграторы 12 и 13,

блок 14 разности, переключатель 15, измерительный прибор 16.

Предлагаемый способ балансировки выгодно отличается от известного тем, что

балансировку проводят не по переменному аналоговому сигналу с учетом только коэффициентов преобразования и фазовых сдвигов сейсмоприемников и усилителей, а по среднему значению сигнала и взаимно корреляционной функции сигналов с учетом коэффициентов передачи и фазовых сдвигов всех блоков каналов испытуемого и опорного сейсмоприемников, что значительно уменьшает погрешность измерения собственных шумов и упрощает процесс балансировки.

Формула изобретения

Способ балансировки корреляционного измерителя шума электрохимических сейсмоприемников, состоящий в том, что предварительную балансировку выполняют по гармоническим сигналам испытуемого и

опорного сейсмоприемников, которые возбуждают через вибростенд задающим блоком, регулируют коэффициент усиления перестраиваемого усилителя, затем регулируют фазу сигнала опорного сейсмоприемника, отл и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения собственных шумов и упрощения процесса балансировки, балансировку по фазе производят с помощью измерительного прибора, подключенного к выходу измерительного устройства, по максимуму взаимно корреляционной функции сигналов опорного и испытуемого сейсмоприемников, балансировку по амплитуде выполняют с

помощью того же измерительного прибора, что и балансировку по фазе, подключают его к выходу опорного канала, добиваются минимума разности взаимно корреляционной функции сигналов испытуемого и опорного

сейсмоприемников и усредненного квадрата сигнала испытуемого сейсмоприемника.

jЈ1

U

Г№

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в сейсмическом приборостроении. По предлагаемому способу балансировку по фазе производят по максимуму взаимно корреляционной функции сигналов опорного и испытуемого сейсмоприемников, а балансировку по амплитуде - по минимуму разности взаимно корреляционной функции указанных сигналов и усредненного квадрата сигнала испытуемого сейсмопри- емника. 1 ил.