Устройство для компенсации искажений электродинамического сейсмометра Советский патент 1993 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к сейсмометрии и может быть использовано для регистрации и измерений в сейсмологии, сейсморазведке и виброметрии.

Цель изобретения - повышение эффективности устройства, путем изменения диапазона регистрируемых частот, а также расширение динамического диапазона, сейсмометра за счет повышения его чувствительности при регистрации микросейсм и снижения чувствительности при регистрации сверхинтенсивных колебаний, амплитуда которых превышает максимально возможную обусловленную конструкцией сейсмометра величину отклонения маятника сейсмометра от положения равновесия.

На чертеже представлена схема предполагаемого устройства.

Устройство состоит из электродинамического сейсмометра с рабочей катушкой 1 с внутренним сопротивлением R|-2 и индуктивностью U-3, последовательно соединен- ных эквивалента отрицательного сопротивления Ri -4 и эквивалента отрицательной индуктивности LT-5. представляющих собой в совокупности отрицательный

эквивалент катушки сейсмометра; параллельно соединенных эквивалента отрицательного сопротивления R-6. эквивалента отрицательной индуктивности L-7 и набора емкостей С...С|-8, переключателя чувствительности - 9 и входного буферного каскада - 10.

Устройство работает следующим образом.

При возникновении сейсмических колебаний через замкнутый контур-катушка сейсмометра 1,2.3, отрицательный эквивалент катушки сейсмометра 4,5, параллельно соединенные эквиваленты отрицательного сопротивления - 6, отрицательной индуктивности - 7 и отрицательной или положительной емкости - 8, начинает циркулировать ток I. Величина импеданса замкнутого контура 2,3,4,5(6,7,8) такова, что, во-первых, ее механический аналог упругой связи имеет жесткость К0тр. отрицательную по величине, но равную по модулю жесткости пружины инертной массы сейсмометра, а во-вторых, механический аналог демпфирующей связи Н0тр. равен по модулю и противоположен по знаку демпфирующей связи Н сейсмометра. А это означает, что ток

(Л

С

00

ю

hO О О

сл

I, протекающий по замкнутому контуру воздействует на инертную массу сейсмометра с силой, равной и противоположно направленной силам воздействия со стороны упругих пружин и демпфирующего устройства (в том числе и остаточного воздушного демпфирования), т.е. эти силы при колебаниях исследуемого объекта компенсируют друг друга, а следовательно, перемещения (колебания) корпуса сейсмоприемника относительно инертной массы соответствуют колебаниям исследуемого объекта.

Так происходит компенсация АЧХ и ФЧХ искажений устройства. Однако замкнутый контур устройства в соответствии с чертежом имеет кроме этого и такой дополнительный импенданс, что его механический эквивалент оказывается подобен рычагу что позволяет электродинамическим способом регулировать рычаг между инертной массой и рабочей катушкой сейсмометра, а этом в свою очередь позволяет регулировать чувствительность сейсмометра в зависимости от величины эквивалента емкости С-8. А достигается это тем, что величины параметров L. R и С выбираются из следующих условий.

р

m2T0lo , 4лОоК0

c i1/y- Ko

0)

H - постоянный коэффициент демпфирования;

К - жесткость пружины; m - коэффициент электромеханической связи (чувствительность сейсмоприемника);

ft -пп - коэффициент затухания механической системы сеймометра;

(Оо - VTT - частота собственных колеба- Ю ний инертной массы.

Уравнение (1) в операторной форме имеет вид:

15(Р2 + 20Р + fflg)x(P) + В |(р) - -Р21 (р) f (з)

где l(p) - E(p)/Z(p). a Z(p) - импеданс контура. Откуда смещение х(р) и величины электродвижущей силы Е(р) - трх(р) катушки сейс- 20 мометра будут равны.

х(р)- Р2Ј(Р)

р2 + 2/Зр + ftjg +

m

И)

Е(р) - mpx(p) - - mp

3Кр)

+# +«г+м р

(5)

Так как у нас по условию Li; -U. RI - -Ri. т.е. pU + pU + Ri + Ri1 - 0 то импеданс замкнутого контура будет равен

Использование: сейсмометрия, вибро- метрия. Сущность изобретения: устройство содержит дополнительные эквиваленты отрицательного сопротивления отрицательной индуктивности и емкости электромеханического аналога сейсмометра, соединенные между собой параллельно и связанные с входным буферным каскадом. 1 ил.

где m - коэффициент электромеханической связи;

Т0 - период колебаний инертной массы;

10 приведенная длина сейсмометра;

Ко - момент инерции сейсмометра;

Do - коэффициент воздушного успокоения;

А- коэффициент, характеризующий увеличение А 1 или уменьшение А 1 перемещения катушки сейсмометра.

Известно, что взаимосвязь между движением маятника сейсмометра х, колебаниями Ј и током I. протекающим через катушку электродинамического сейсмометра описывается следующим дифференциальным уравнением, представляющим из себя условие баланса сил.

MX + Hx + Kx + ml или

x + 2/ x + оД х +

mi M

-M Ј -I

где М - масса инертной массы сейсмометра;

35

Z(P)

1

т т

где о(р) - |ц- + -f pC - проводимость контура.

Подставляя в выражение 1/Z(p) - g(p) значения L, R и С из формул (1) и учитываем, что Т0 2л/сиь , Do PO/WO получим

1 пгп - 2ftM

т

Если подставить это значение 1/Z(p) в формулу (4) и (5), то знаменатель этих формул станет равным 1/ р2, а сами формулы примут вид;

х(р) - А Ј (р) (6) Е(р) - mp А |(р), (7)

т.е. колебания маятника и корпуса сейсмометра относительно друг друга, а также передача информации осуществляются без искажений с коэффициентом увеличения

2н(р)

ВД

равным у. При этом если у 1, то емкость С является положительной (С 0, ф-ла (1)), а амплитуда относительных колебаний сейс- момэссы и корпуса сейсмометра меньше амплитуды колебаний исследуемого объекта ф-ла (6)), что позволяет при соответствующем выборе у и С регистрировать такие колебания, амплитуда которых существенно превышает в десятки и даже в сотни раз максимальную величину отклонения сейс- момассы от положения равновесия, которая обусловлена конструкцией сейсмоприемни- ка. При у 1 емкость С отрицательна С О ф-ла (1) и амплитуда относительных смещений сейсмомзссы и корпуса сейсмометра оказывается выше, чем амплитуда колебаний исследуемого процесса. Такой режим регистрации наилучшим образом соответствует регистрации микросейсм упеличивая чувствительность сейсмометра в у раз.

Таким образом, подключая с помощью переключателя 9 то одну, то другую емкость, как положительную, так и отрицательную, в том числе и нулевую, можно по своему усмотрению регулировать чувствительность устройства. При этом сигнал на входе буферного каскада равен U(p) -- Е(р)

Е(р) mp A Ј (р), то есть информация о скорости колебаний либо Б усиленном (lambda 1) либо в ослабленном (А 1) виде регистрируется без искажений Для того, чтобы в случае необходимости можно было регистрировать информацию не о скорости, а о величине смещения объекта, сижал по еле буферного каскада следует проинтегрировать,

Техническая эффективность предполагаемого изобретения заключается а более полном соответствии выходного информационного сигнала параметрам колебаний исследуемого обьекта (почва, корпус механизма и т.п.) и смещении нижней граничной частоты рабочего диапазона частот за пределы собственной резонансной частоты инертной массы сейсмометра, что приводит к расширению рабочего диапазона частот в область низких частот. Техническая эффективность заключается также и в том, что любые демпфирующие связи (в том числе и остаточное воздушное) могут быть скомпенсированы устройством электродинамически, т.е. без нарушения уже существующих демпфирующих связей а сейсмометре и без помещения сейсмометра в корпус под вакуум.

Технико-экономическая эффективность предполагаемого изобретения заключается в том, что с помощью одного сейсмоприем

ника без изменения его констр. ции и внутренних параметров можно организовать наблюдения за мичросейсмами ( у 1), за событиями средней интенсивности (у 1), за 5 событиями высокой интенсивности (у 1) и за катастрофическими событиями (у« 1).

Формула изобретения Устройство для компенсации искаже10 ний электродинамического сейсмометра, содержащее входной буферный каскад и эквиваленты отрицательного сопротивления и отрицэ:ельной индуктивности рабочей катушки сейсмометра при этом квиваленты

15 отрицательного сопротивления и отрица- гепьнои индуктивности рабочей катушки сейсмомягрэ соединены последовательно с одним иэ нмводоо рчвочей катушки сейсмометра, отогюг вывод КОТОРОЙ соединен с

20 входным буферным КРОЯДОМ отличаю- щ с е о гем, ш с ц о лью повышения эффективное in устройства, а также изменения дилиэ чонл pei но пир/омых частот, в ус- трг, и г т не вне доны переключатель,

25 соединенный с НУОДНЧЧ буферным каскадом и ( с емкостями С по числу пиэп 1 4( Mofi рторь п вь Оцы которых соеди ;. - o lyoi M a . же дополнительные 3fi . ;ы отриц ; | пьног(. сопротивле30 I-Ы И и n i i ibHOll /iH, ГИ |ОСТИ L, СОе; ими r,)hi i i рт,,лельно и IF .н ьыг .i оыволом 1 ,од .ым бу()),,. ьнг rV 3 ВЫВОДОМ С

юрпус ом к чогооому пгд 1ючен также вто- 3b ипно1 ос /if-д- зт, (ьно соединенных ЖРИПД i . Н i4 QI рицзг чьного сопрОгив/ е- Н 1ч и гл пицг гегг 4iji им д/кгчвности рабочей i я i in и revir.MOMPi причем величины парпм лт н к i R и Г nMf)vip iOTCH из следую- 40 щи соотношении

R4лОсК

45

; - 1)К0

m l. i

где т - о ;()ициеь.т vie тром хэнической н.ои

;i гнрии к ii OrtHun инертной массы cenjb OMt, i PO

to - п,л.ьед«г1н;.я дпина сейсмометра;

К, - момент инерцли : чн.мометра; коэффпци{,Н crifl/uiHuro успокоения,

/ -коэффициент ч-арлкте изующийуве- ли - иие (/ i) win уг.к ньшениь ( } 1) i .атуш.и cf -i -.шметра