Многоканальный ультразвуковой сейсмоскоп Советский патент 1981 года по МПК G01V1/52 

1

Изобретение относится к области исследований и контроля физнко-механических свойств и состояния горных пород при инженерно-геологических изысканиях, преимущественно на больших глубинах, например, в глубоких скважинах при строительстве подземных резервуаров.

Одним из перспективных направлений гидротехнического строительства в ближайшие годы является сооружение высоконапорных гидроаккумулирующих электростанций с подземными бассейнами глубокого заложения. Проектирование и строительство подземных резервуаров и других горных выработок не может быть выполнено без знания величины и характера напряжений в горных породах на глубине заложения этих сооружений, т.е. порядка 1000-1500 м.

В настоящее время отсутствуют сейсмоскопы, позволяющие производить исследования на указанных глубинах с необходимой точностью и достоверностью.

Изучение напряженного состояния горных пород в скважинах малой глубины (50-500 м) производят одноканальными ультраз.вуковыми сейсмоскопами типа ИПА-59 ij, УКБ-1 2 и УК-Юп 3.

Эти приборы малопроизводительны ввиду того, что они имеют в своем составе один излучатель ультразвуковых колебаний и один приемник этих колебаний, прошедших через исследуемую среду.

Поэтому при использовании одно10канальных сейсмоскопов приходится переставлять ультразвуковые приемники при исследовании изучаемой среды из одной точки в другую и производить последовательно фотографироваtsние одноканальных волновых процессов с экрана электрюннолучевой труб ки и только после фотообработки получать многоканальную запись.

Невозможность корреляции полезных

20 волн в процессе выполнения нaбJПOдeний снижает качество получаемых результатов и их достоверность, что вместе с низкой производительностью труда ограничивают сферу применения

25 этих сейсмоскопов. Кроме того, их входные устройства исполнены таким образом, что исключают возможность подключения каротажного кабеля для исследования скважин на большой глу30бине.

Известен многоканальный ультразвковой сейсмоскоп, разработанный в институте физики Земли ЛН СССР, в состав, которого входит задающий генратор, осуществляющий управление всеми блоками сейсмоскопа. Его импульсы поступают на два делителя частоты, которые делят частоту генератора в соотношении 1:2:4. Потенциалы генератора и двух делителей частоты поступают на смеситель,где они складываются и подаются на усилитель сейсмоскопа, обеспечивая смещение луча при канальном переключении по оси. Y. Кроме того, импульсы с задающего генератора поступают на три генератора импульсов. Пройдя через собирательную схему, они, удвоенные по частоте, с одной стороны, через временную задержку поступают на генератор возбуждения ультразвуковых колебаний и с него на излучатель, а с другой стороны на генератор коммутации каналов, с которого импульсы, пройдя делитель частоты, через диодную матрицу подключают к усилителю поочередно приемники ультразвуковых колебаний. Для синхронизации коглмутатора с разверткой осциллографическогоиндикатора на делитель частоты ког1мутатора и осциллографический индикатор поступают импульсы от генератора синхронизации f4j.

Недостатком этого многоканальног сейсмоскопа является сложность функциональной схеглы, а, следовательно, ненадежность в работе. Возникающие при работе сбои синхронизации ведут к получению недостоверной информации. Кроме того, использован коммутирующего устройства,выполненного по комбинационно-матричному принципу, при необходимости увеличения каналов требует еще большего усложнения схемы сейсмоскопа. Кроме того, этот сейсмоскоп не может быть использован в комплекте с существующими промышленными каротажными кабелями.

Для использования его на глубина 1000-1500 м необходимо разработать специальный кабель, что связано с известными трудностями, поскольку п геофизических исследованиях скважин для спуска и подъема скважинных приборов, их питания и получения от ни И1 формационных сигналов применя ртся сиециальные трехжильные злектрическйе кабели, к которым предъявляются следующие требования: высокое механическое сопротивление разрывным усилителям, возникающим при спуске и подъеме из скважины зондов вследствие большого их веса и веса кабел низкое электрическое сопротивление жил; высокое электрическое сопротивление изоляции, мало изменяющееся при повышении давления, температуры

и содержания в среде, окружающей кабель, солей и нефти; высокая эластичность, позволяющая наматывать его на лебедку без боязни повредить жилы и изоляцию.

Очевидно, что изготовление и использование подобнЕлх кабелей для глубин 1000-1500 м сопряжено с еще большими к ним и к их обслуживанию требованиями.

В связи с вышесказанным подобные сейсмоскопы не нашли широкого применения и в настоящее время не ,выпускаются.

Наиболее близким к предлагаемому является многоканальный ультразвуковой сейсмоскоп, в состав которого входит многоканальный KONHviyTaTOp, входы которого подключены к приемникам ультразвуковых колебаний,первый его выход подключен ко входу осциллографического индикатора,а второй через дифференцирующее устройство - ко входам ждущей развертки осциллографического индикатора и генератора ультразвуковых колебаний, выход, которого подключен к излучателю ультразвуковых колебаний C5j.

Работает сейсмоскоп следующим образом. Многофазный мультивибратор, входящий в состав многоканального коммутатора, генерирует сдвинутую во времени последовательность прямоугольных импульсов. На общеэмиттерном сопротивлении многофазного мультивибратора импульсы, соответствующие каждому переключению мультивибратора, поступают на дифференцирующее устройство, с которого импульсы с крутым фронтом и срезом подаются с одной стороны на вход ждущей развертки осциллографического индикатора, а с другой стороны - на генератор ультразвуковых колебаний, состоящий из усилителя-формирователя и тиристора,обеспечивая их синхронный запуск.

Одновременно прямоугольные импульсы с коллекторов многофазного мультивибратора поступают на усилители-ограничители, где на них формируются прямоугольные импульсы с разными уровнями потенциалов одинаковой длительност с импульсами многофазного мультивибратора, но с крутьми фронтами и срезами. Эти импульсы поступают на временные селекторы, которые подключают на время действия импульса к общеканальной нагрузке один из приемников ультразвуковых колебаний.

Ввиду того, что на общеканальную нагрузку поступают также и импульсы, соответствующие каждому каналу, с разными потенциальными уровнями с усилителей-ограничителей, то эти потенциальные уровни смещают сигналы с приемников на экране осциллографического индикатора по оси Y.

Таким образом, на экране осциллографического индикатора одновременно наблюдается многоканальная картина исследуемого процесса прохождения ультразвуковых волн в изучаемой среде, что выгодно отличает этот, сейсмоскоп от рассмотренных выше.

Однако применение и этого многоканального ультразвукового сейсмоскопа ограничено глубинами 50-500 м так как хотя с ним и возможно проводить исследования в скважинах,используя трехжильный каротажный кабель , но его схема не предусматривает поканальное регулирование уроня принимаемых сигналов, и он не обеспечивает получение информации, необходимой для построения встречны годографов, по которым более детально можно судить о состоянии пород отдельных участков исследуемой сред исключив ошибки, связанные с неровностями изучаемого рельефа, что,следовательно, не обеспечивает точност и достоверность измерений.

Цель изобретения - расширение диапазона функциональных возможност многоканального сейсмоскопа с одновременным повышением точности и достоверности измерений.

Поставленная цель достигается те что многоканальный ультразвуковой сейсмоскоп, содержащий многокангшьный коммутатор, приемники ультразвуковых колебаний, излучатель ультразвуковых колебаний, генератор ультразвуковых колебаний и осциллографический индикатор, дополнительно содержит излучатели ультразвуковых колебаний,переключатель, стабилизатор питания,усилитель-формирователь , по числу каналов приема усилители-компрессоры, блок согласования, блок формирования и разделения сигналов,блок ключей, блок управления ключами,операционный усилитель, блок формирования ступенчатого напряжения,блок подготовки запуска, блок сброса в ноль, при этом блок питания выполнен в виде блока питания и управления и соединен со стабилизатором питания, выход стабилизатора соединен с переключателем, который в свою очередь соединен с генератором ультразвуковых колебаний и с излучателями ультразвуковых колебаний, приемники ультразвуковых колебаний в каждом канале подсоединены к усилителям-компрессорам, которые соединены с многоканальным коммутатором, выходы последнего соединены с блоком согласования и усилителем-формирователем, выход усилителя-формирователя соединен со входом генератора ультразвуковых колебаний, блок согласования подключен к блоку формирования и разделения сигналов, первый выход блока формирования и разделения сигналов подключен через последовательно соединеннЬш блок ключей и операционный усилитель к осциллографическому индикатору, второй выход блока,формирования и разделения сигналов соединен с первым входом блока формирования ступенчатого напряжения, первым входом блока управления ключами и осциллографическим индикатором, а третий выход блока формирования и разделения сигналов-соединен с блоком сброса в ноль,выход

0 которого соединен со вторым входом блока формирования ступенчатого напряжения, первый выход последнего соединен с операционным усилителем, а второй - с блоком подго5товки запуска, выход блока подготовки запуска соединен со вторым входом блока управления ключами, выход которого подсоединен к блоку ключей....

0

На фиг. 1 представлена блоксхема многоканального, ультразвукоjBoro сейсмоскопа; на фиг. 2 пока-, зана диаграмма работы сейсмоскопа; на фиг. 3 дана принципиальная схема блока формирования ступенчатого

5 напряжения; на фиг. 4 - изображения трасс каналов на зкране ЭЛТ.

Блок-схема сейсмоскопа содержит наземный пульт 1 и соединенный с ним каротажным кабелем скважинный

D контейнер 2.

В состав наземного пульта входят блок 3 питания и управления, осциллографический индикатор 4,операционный усилитель 5, блок 6 клю5чей, блок 7 управления ключами, блок 8 подготовки запуска, блок 9 формирования и разделения сигналов, блок 10 формирования ступенчатого напряжения и блок 11 сбро0са в ноль. в скважинный контейнер 2 входят стабилизатор 12 питания, переключатель 13, усилитель-формирователь 14, генератор 15 ультразвуковых колебаний, блок 16 согласования,

5 многоканальный коммутатор 17, по числу каналов усилители-компрессоры 18, приемники 19 и излучатели 20 ультразвуковых колебаний.

Сейсмоскоп работает следующим

0 образен.

Питание всех блоков, заключенных в скважинный контейнер, осуществляется от стабилизатора 12 питания, регулирукяций транзистор

5 которого шунтирован п реле переключателя 13 с различными токами срабатывания. Повышая или понижая напряжение в блоке 3 питания и управления можно включать реле в

0 различных комбинациях, а, следовательно, подключать нужный для исследования излучатель 20, одновременно оставляя неизменным напряжение питания скважинного кон5 .тейнера. Импульсы, вырабатываемые генератором 15, через замкнутые цепо.чки контактов реле переключателя 13 поступают на соответствующие излучатели 20. Излучаемые ультразвуковые колебания, пройдя через исследуемую среду, принимаются приемниками 19 этих колебаний (фиг.2,21 и 22, показаны сигналы на выходе первого и п-го приемников). Так как эти колебания имеют оче малую величину, то их необходимо у лить в непосредственной, близости о приемников,, чтобы они могли достич наземного пульта сейсмоскопа.Ввиду того, что ультразвуковая волна,про ходя через изучаемую среду,имеет различную интенсивность при приход к каждому приемнику, а возможность изменять степень усиления усилител в каждом канале, ввиду работы сква жинного контейнера на большой глуб не, не предоставляется возможной,в системе применены усилители-компрес соры, которые позволяют автоматиче ки регулировать усиление каждого ка нала в отдельности, в соответствии со средним уровнем сигнала в данном канале (фиг.2, 23 и 24). Сигналы с усилителей-компрессоров 18 поступают на входы многоканального коммутатора 17, выполненно го в виде многофазного мультивибра тора с общеканальной нагрузкой. В многоканальном ког « 4утаторе информационные сигналы каждого канала суммируясь с потенциальными уровнями, образованными в многофазном мультивибраторе, принимают ступенчатую форму (фиг.2, 25; с целью удобства пояснения временные диаграммы построены для пяти каналов, каждому из которых соответствует своя ступенька, свой уровень). С выхода многоканального коммута тора через блок 16 согласования сиг на.пы поступают на блок 9 формирован и разделения сигналов.Блок 16 согласовайия представляет собой,например, эмиттерный повторитель,который обладает большим входньил сопротивлением и малым выходным,благодаря чему не шунтируется общеканальная нагрузка коммутатора и достигается хорошее согласование ее,с длинной линией (каротажный кабель длиной до 1,5 км). Блок 9 формирования и разделения сигналов преобразует поступившие на его вход ступенчатое импульсное напряжение с информационным на каждой ступеньке сигналами от соответствующего приемника ультразвуковых колебаний в сигналы управления системой изменений параметров этих сигналов. Этот блок имеет один вход и три выхода. с первого выхода на вход блока 6 ключей, например, электронных,поступает информационный сигнал 26. Со второго выхода на вход блока 10 формирования ступенчатого напряжения поступают прямоугольные импульсы 27, соответствующие моменту переключения приемников с предыдущего канала на последующий,т.е. соответствующие началу информационной трассы последующего канала. Эти же импульсы поступают на ждущую развертку осциллографического индикатора 4 и на один из входов блока 7 управления ключами. С третьего выхода блока 9 на вход блока 11 сброса в ноль поступают прямоугольные импульсы 28, соответствующие окончанию информационного цикла передачи, т.е. переключению приемников с последнего на первый канал (в нашем рлучае с 5-го на 1-й), - опорные импульсы. Блок 10 формирования ступенчатого напряжения представляет собой двоично-десятичный четырехразрядный счетчик, подключенный своими выходами к сумматору с резисторами на входе с отношениями 1:2:4:8, с выходов которых импульсы поступают на суммирующий эмиттерного повторителя, в эмиттер которого включен потенциометр, с помощью которого можно изменять полученное ступенчатое напряжение по амплитуде (фиг.З). Это напряжение 29 поступает на суммирующий вход операционного усилителя. С приходом очередного опорного импульса блок 11 сброса в ноль осуществляет сброс двоично-десятичного счетчика блока 10 в логический нуль, подготавливая к следукицему циклу передачи информации. Сброс производится удлиненным в блоке сброса в ноль опорным импульсом 30. В зависимости от числа каналов с соответствующего выхода счетчика (1:2:4:8) блока 10 (фиг.З) на вход блока подготовки запуска 8 поступает прямоугольный импульс 31. На выходе блока 8 формируется прямоугольный импульс 32, сдвинутый относительно входного импульса этого блока так, чтобы он начинался перед поступлением предыдущего и оканчивался перед поступлением последующего импульсов начала информационной трассы соответствующих каналов 27. Регулирование положения этого импульса осуществляется при помощи одновибраторов и формирователей блока подготовки запуска. Этот тлпулъс поступает на вход блока 7 управления ключами, подготавливая его к работе. Теперь при поступлении на другой вход блока 7 управления ключами, представляющего из себя регистр,выполненный на Д-триггерах,импульсов переключения каналов 27, он формирует на своих выходах прямоугольные импульсы, длительность которых соответствует времени, отведенному на каналы 33-37,

С выходов блока 7 управления ключами импульсы поступают на входы соответствующих ключей блока 6 ключей, открывая путь для прохождения информации соответствующего канала на суммирующий вход операционного усилителя 5, который при совместной работе с электронными ключами,выполненными, например, на полевых транзисторах, обеспечивает возможность поканального усиления проходящих информационных сигналов.

Усиленные до требуемой величины информационные сигналы с определяющими их место по вертикали ступенчатым напряжением с выхода операционного усилителя 5 поступают на вход осциллографического индикатора 4.

Таким образом, на экране осциллографического индикатора наблюдается многоканальная картина исследуемого процесса прохождения ультразвуковых волн в изучаемой среде (фиг.4), что позволяет выполнять правильную корреляцию прихода продольных и поперечных волн на стадии производства наблюдений. Кроме того, обеспечение возможности использования в устройстве п излучателей позволяет строить встречные годографы и детально изучать отдельные участки исследуемого профиля,исключая ошибки, вносимые, например,неровностями рельефа.

Устанавливая излучатели на корпусе зонда в различных плоскостях по отношению к приемникам, с помощью сейсмоскопа можно получить информацию о состоянии изучаемой среды в плоскости X-Y.

Достоинством сейсмоскопа является и возможность широкого регулирования параметров информационных сигналов.

Таким образом, с помощью ультразвукового многоканального сейсмоскопа можно получить гораздо больший объем информации, с большей точностью и достоверностью, чем с помощью известных приборов, и распространить ультразвуковой метод изучения пород до 1000-1500 м и ниж

Формула изобретения

Многоканальный ультразвуковой сейсмоскоп, содержащий многоканальный коммутатор, приемники ультразвуковых колебаний, излучатель ультразвуковых колебаний, генератор ультразвуковых колебаний и осциллографический индикатор, о тличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей сейсмоскопа с одновременным повышением точности и достоверности измерений, он дополнительно содержит излучатели ультразвуковых колебаний, переключатель, стабилизатор питания, усилительформирователь, по числу каналов приема усилители-компрессоры,блок согласования, блок формирования и разделения сигналов, блок ключей, блок управления ключами,операционный усилитель, блок формирования ступенчатого напряжения,

5 блок подготовки запуска, блок сброса в ноль и блок питания и управления, который соединен со стабилизатором питания, выход стабилизатора соединен с переключате-,.

0 лем, последний, в свою очередь, соединен с генератором ультразвуковых колебаний и с излs aтeлями ультразвуковых колебаний в каждом канале, приемники ультразвуковых колебаний подсоединены к усилите5лям-компрессорам, которые соединены с многоканальным коммутатором, выходы которого соединены с блоком согласования и усилителемформирователем, выход последнего

0 соединен со входом генератора ультразвуковых колебаний, блок согласования подключен к блоку формирования и разделения сигналов,первый выход.блока формирования и разделения

5 сигналов подключен через последовательно соединенные блок ключей и операционный усилитель к осци лографическому индикатору, второй выход блока формирования и раз0деления сигналов соединен с первым входом блока формирования ступенчатого напряжения,первым входом блока управления клю чами и осциллографическим индикатором, а третий выход блока форми5рования и разделения сигналов соединен с блоком сброса в ноль, выход последнего соединен со вторым входом блока формирования ступенчатого напряжения, первый выход которого

0 соединен с операционным усилителем, а второй - с блоком подготовки запуска, выход блока подготовки запуска соединен со вторым входом блока управления ключами, выход ко-,

5 торого подсоединен к блоку ключей.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Импульсная переносная аппаратура ИПА. Техническое описание,

0 выпускной аттестат и инструкция по эксплуатации. Киев, 1967.

2.Переносной импульсный ультра,звуковой прибор для исследования

5 бетона типа УКБ-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 3-д Электроточприбор, 1967.

3. Прибор ультразвуковой УК-10п. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЩЮ 2.043.013.ТО. 1975.

4.Труды института физики ли. М.,изд. ЛИ СССР,1959, 6 с. 355-374.

5.Авторское свидетельство № 691750, кл. G 01 N 29/04,

G 01 V 1/00, 1978 (прототип).

I

.///////////

//// //7/7/

/

г/ и

-Vbи т

Й ft П П Й ( rt Л И П

i

-q/v-i

JL

T

г

r

VJt

19

31

згН

-# #

3 35

J6

t

71/1