Автономный сейсмопреобразователь

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Автономный сейсмопреобразователь, содержащий корпус, установленную в нем уравновешенную инертную сейсмическую массу, размещенную на плоском держателе, источник магнитного поля, установленный на конце указанного плоского держателя, неподвижный магниточувствительный элемент для регистрации виброперемещений источника магнитного поля, а следовательно, и инерционной массы, неподвижную катушку с витками, по крайней мере одну пружину с механизмом контролируемого растяжения и одним концом прикрепленную к указанному плоскому держателю, а другим - к корпусу, магнитный демпфер, отличающийся тем, что источник магнитного поля выполнен в виде параллельных постоянных магнитов, не менее трех, с чередующимися полюсами, намагниченных вдоль длинной стороны и разделенных немагнитными прокладками, а магниточувствительный элемент расположен на оси указанной катушки внутри ее и выполнен в виде 87902012.12.30 проволоки Виганда, содержащей магнитомягкую сердцевину с небольшой коэрцитивной силой и магнитожесткую оболочку с большей коэрцитивной силой, кроме этого, введены еще одна пружина, расположенная симметрично с другой стороны плоского держателя, и магнитомягкий брусок сечением трапециевидной формы в плоскости виброперемещений источника магнитного поля, находящийся в магнитной связи с последним и скрепленный с указанной катушкой и корпусом, охваченным многослойным пленочным электромагнитным экраном с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, причем внешний слой экрана заземлен.(56) 1. Патент на полезную модель 96256, МПК 01 15/09, 2010. 2. Патент 2167558, П 01 1/1808 13/00, 1986 (прототип). 3. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М ДМК Пресс, 2001. - . 88-89. 4. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - . 224. Заявляемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в средствах регистрации горизонтальных или вертикальных колебаний земной коры при различных динамических процессах как на поверхности, так и внутри грунтовых массивов, генерируемых сейсмическими волнами от естественных и искусственных источников (землетрясений, извержений вулканов, взрывов, техногенных катастроф, а также любого технологического оборудования, включая атомные реакторы и др.). Из уровня техники известно устройство 1 - измерительный пьезоиндукционный преобразователь вибрации, содержащий корпус, источник электропитания, инерционный груз, пьезоблок, выполненный из двух пьезоэлементов, скрепленных между собой через прокладку, при этом нижний пьезоэлемент блока жестко прикреплен к корпусу, а верхний пьезоэлемент сопряжен с инерционным грузом, и электроизмерительный прибор, отличающийся тем, что инерционный груз выполнен в виде постоянного магнита, вокруг которого на внутренней поверхности корпуса закреплена индукционная катушка, электрически соединенная посредством переключателя выборочно с электроизмерительным прибором или с источником электропитания, при этом упомянутый постоянный магнит неразъемно прикреплен к верхнему пьезоэлементу пьезоблока с возможностью перемещения вдоль оси корпуса в пределах упругой деформации элементов пьезоблока. Недостатком этого устройства является низкая надежность измерения колебаний, поскольку требуется очень высокоомная усилительная и регистрирующая аппаратура, подверженная большому уровню помех и шумов. Устройство содержит источник питания,следовательно, оно не может работать автономно. Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому решению является устройство, приведенное в 2 (прототип). Сейсмограф 2 для измерения преимущественно вертикальных колебаний с частотой, превышающей 1 Гц, содержит корпус, установленную в нем уравновешенную инертную сейсмическую массу (куб из алюминия), размещенную на горизонтальном плоском держателе, источник магнитного поля (постоянный магнит), установленный на конце указанного плоского держателя, неподвижный магниточувствительный элемент Холла для регистрации виброперемещений постоянного магнита,а следовательно, и инерционной массы, неподвижную катушку с витками (демпфер) для электромагнитного демпфирования колебаний магнита, пружина, с механизмом контролируемого растяжения, установленную под углом 30-45 к горизонтальному плоскому держателю, одним концом прикрепленную к нему, электронный блок, включающий фильтр цепи, усилители и др. электронные компоненты. 2 87902012.12.30 Недостатком этого устройства является низкая точность и надежность измерения вертикальных колебаний, особенно в области низких частот (ограничение связано со спектром собственных частот устройства), причем известно, что порог низкочастотных колебаний земной поверхности превышает 310-4 Гц. Крайне затруднено применение устройства для измерения горизонтальных колебаний. Аналоговый сигнал с магниточувствительного элемента является низкоамплитудным, что требует использования усилительной аппаратуры или его преобразования в частотный (цифровой) код. Устройство не может функционировать автономно без стационарных источников питания, например аккумуляторов и др. гальванических элементов. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение надежности и обеспечение непрерывной работы устройства для индикации уровня вибрации на основе энергосберегающих технологий, то есть без обслуживания и без внешних источников энергии, таких как стационарная электросеть, гальванические элементы, аккумуляторы и т.п. Для решения поставленной задачи автономный сейсмопреобразователь содержит корпус, установленную в нем уравновешенную инертную сейсмическую массу, размещенную на плоском держателе, источник магнитного поля, установленный на конце указанного плоского держателя, неподвижный магниточувствительный элемент для регистрации виброперемещений источника магнитного поля, а следовательно, и инерционной массы, неподвижную катушку с витками, по крайней мере одну пружину с механизмом контролируемого растяжения, одним концом прикрепленную к указанному плоскому держателю, а другим - к корпусу, магнитный демпфер. Он отличается тем, что источник магнитного поля выполнен в виде параллельных постоянных магнитов, не менее трех, с чередующимися полюсами, намагниченных вдоль длинной стороны и разделенных немагнитными прокладками, а магниточувствительный элемент расположен на оси указанной катушки внутри ее и выполнен в виде проволоки Виганда, содержащей магнитомягкую сердцевину с небольшой коэрцитивной силой и магнитожесткую оболочку с большей коэрцитивной силой, кроме этого, введены еще одна пружина, расположенная симметрично с другой стороны плоского держателя, и магнитомягкий брусок сечением трапециевидной формы в плоскости виброперемещений источника магнитного поля, находящийся в магнитной связи с последним и скрепленный с указанной катушкой и корпусом, охваченным многослойным пленочным электромагнитным экраном с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, причем внешний слой экрана заземлен. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных признаков, позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению надежности и функционированию устройства без использования внешних источников питания. Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве магниточувтвительный преобразователь выполнен в виде датчика Виганда 3,и имеет высокий уровень амплитуд генерируемых ЭДС разнополярных импульсов частотного выходного сигнала при перемещении источника магнитного поля, и не требует энергопотребления, что, несомненно, повышает надежность устройства для сигнализации. Кроме того высокая помехозащищенность устройства обеспечивается применением многослойного экрана, что также повышает функцию надежности в целом. Пассивная электромагнитная защита устройства (многослойный экран) крайне необходима вследствие возникновения электромагнитных бурь, которые являются предвестниками активизации сейсмической активности в земной коре, например при землетрясениях. Известно 4, что при экранировании магнитной напряженности низкочастотных электромагнитных полей применяются многослойные экраны как с целью повышения эффективности экранирования,так и с целью более рационального их конструирования (уменьшения массы и габаритов экрана). Слои из ферромагнитного и немагнитного материалов выполнены чередующими 3 87902012.12.30 ся, поскольку чередование слоев с разными волновыми сопротивлениями приводит к многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсивному поглощению энергии поля в поперечном сечении стенок. В экране устройства используются немагнитные слои с высокой электрической проводимостью, что обеспечивает высокую эффективность экранирования электромагнитных полей с увеличением их частоты,когда возрастает роль вихревых токов и происходит вытеснение магнитных силовых линий к поверхностному слою, и экран превращается в электромагнитный. Следует отметить, что форма экрана сравнительно мало влияет на его экранирующие функции. Таким образом, применение в устройстве многослойного экрана, содержащего чередующиеся ферромагнитный и немагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, обеспечивает решение поставленной задачи по значительному повышению его помехозащищенности от внешних источников в широком диапазоне помехонесущих частот, включая и постоянные магнитные поля, а следовательно, повышается надежность устройства в целом. Из литературных источников известно, что многослойный пленочный экран обеспечивает коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 А/м - не менее 8-10 коэффициент экранирования электромагнитного поля в диапазоне частот 100-1000000 Гц не менее 30-40. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемой полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной задачи в заявляемом устройстве, а само устройство содержит новые элементы, следовательно, можно сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности новизна. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 изображено устройство в целом (источник магнитного поля изображен условно с тремя постоянными магнитами, хотя их числоможет быть любым целым,предпочтительно нечетным числом). На фиг. 2 представлена схема перемагничивания проволоки Виганда и генерирования выходного сигнала в катушке как функция времени . Автономный сейсмопреобразователь содержит корпус 1, охваченный многослойным пленочным электромагнитным экраном с чередующимися немагнитными 2 и ферромагнитными слоями 3, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, причем внешний слой экрана заземлен. В корпусе 1 установлена уравновешенная инертная сейсмическая масса 4 (куб из цветного металла),размещенная на плоском держателе 5, выполненная, например, из бериллиевой бронзы. Источник магнитного поля установлен на конце плоского держателя 5 и выполнен в виде параллельных постоянных магнитов 6 (не менее трех, что изображено на фиг. 1) с чередующимися полюсами, намагниченных вдоль длинной стороны и разделенных немагнитными прокладками 7. Неподвижный магниточувствительный элемент, выполненный в виде проволоки Виганда 8 длиной не менее 5 мм, размещен в неподвижной катушке 9 с медными витками, осуществляющей регистрацию виброперемещений источника магнитного поля, а следовательно, и инерционной массы 4. Ферромагнитная проволока Виганда 8 состоит из магнитомягкой сердцевины 10 с небольшой коэрцитивной силой и магнито 4 87902012.12.30 жесткой оболочки 11. В источнике магнитного поля ширина немагнитных прокладок 7 выбрана не менее диаметра катушки 9. Инертная сейсмическая масса 4 уравновешена двумя пружинами 12 и 13, причем пружина 13 выполнена с механизмом контролируемого растяжения 14. Магнитомягкий брусок 15 выполнен сечением трапециевидной формы в плоскости виброперемещений источника магнитного поля, находится в магнитной связи с последним и скреплен с катушкой 9 и корпусом 1, выполняет функцию магнитного демпфера для колебаний плоского держателя 5. Корпус 1 автономного сейсмопреобразователя содержит элементы крепления 16 для установки устройства на объект контроля (почву,станину технологического оборудования и т.д.), которые выполнены на двух смежных сторонах и могут иметь различные варианты исполнения, исходя из условий размещения. В соответствии с направлением вектора силы тяжести , изображенной на фиг. 1, корпус 1 может быть установлен на объекте контроля двояко а именно плоский держатель 5 может располагаться горизонтально при измерении виброперемещений в вертикальной плоскости, что изображено, или вертикально, при измерениях виброперемещений в горизонтальной плоскости. Корректировка размещения держателя 5 в соответствующих плоскостях легко осуществляется при помощи пружин 12 и 13 с механизмом контролируемого растяжения 14. Следует отметить, что миниатюрную катушку 9 целесообразно выполнять из медной проволоки диаметром 0,05-0,1 мм с числом витков обычно 1000-3000 3, а в качестве материалов магнитожесткой оболочки 11 обычно используют сплав 523810. Магнитомягкая сердцевина 10 изготавливается обычно из сплавов 7228, 5248,70426. Также, например, в качестве проволоки Виганда 8 может быть использован аморфный микропровод Бисер-3 (разработка и выпуск Ижевского Государственного технического университета РФ) или аморфная проволока сплава 77,57,515 с положительной магнитострикцией, изготавливаемая фирмой(Япония). Проволока должна быть выполнена диаметром менее 0,25 мм и длиной, превышающей 5 мм. Указанные геометрические соотношения необходимы для проявления бистабильных магнитных свойств проволоке 8, т.е. для ее перемагничивания большими скачками Баркгаузена. При длине менее 5 мм вследствие большого размагничивающего фактора в некоторых образцах проволоки исчезает эффект Виганда. Источник магнитного поля изображен условно с тремя постоянными магнитами, хотя их числоможет быть любым целым, предпочтительно нечетным числом, причем из соображений миниатюризации 11. Для перемагничивания проволоки 8 необходимо создание напряженности магнитного поля над намагниченной областью величиной, где- поле старта (для наиболее часто встречаемых проволок Виганда величинанаходится в диапазоне 150-180 А/м), поэтому магниты 6 могут быть изготовлены из широкого спектра современных магнитотвердых материалов, в том числе из ферритов или магнитопластов. На корпус 1 нанесен многослойный пленочный экран с чередующимися немагнитными 2 и ферромагнитным 3 слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью. На фиг. 1 изображено только три слоя 2 и два слоя 3, хотя их число должно быть значительно больше и ограничиваеться только технологией нанесения. Корпус 1 является каркасом экрана, поэтому его целесообразно изготавливать из медной фольги или тонкой пластины. Остальные чередующиеся слои легко изготавливаются электролитическим осаждением, например, из пермаллоя состава 80 - 20(слои 3) и электролитической меди- слои 2. Толщина каждого слоя - не менее 0,1 мм. Выбор материалов чередующихся слоев магнитный-немагнитный может быть и другим, но он ограничивается требованием гальванической совместимости материалов и их адгезионной прочностью. Внешний слой экрана заземлен. Автономный сейсмопреобразователь работает следующим образом (на примере регистрации вертикальных колебаний объекта контроля, что соответствует фиг. 1, а для регистрации горизонтальных колебаний корпус 1 поворачивается на 90 и устанавливается на 5 87902012.12.30 объекте контроля). Автономный сейсмопреобразователь устанавливается в контрольном положении, т.е. закрепляется на объекте контроля. При вертикальных толчках (ускорениях) сейсмического характера происходит виброперемещение корпуса 1 относительно инертной сейсмической массы 4, что эквивалентно перемещению источника магнитного поля относительно проволоки 8, находящейся в катушке 9. В последней генерируются импульсы ЭДС Виганда длительностьюоколо (1040) мкс и высокой амплитудой (3-7)вследствие перемагничивания 8 большими скачками Баркгаузена по схеме, приведенной на фиг. 2. Как правило, маленькие импульсы не используются, поскольку они имеют амплитуду на полтора порядка меньше. Перемагничивание происходит следующим образом. Проволока обладает бистабильными магнитными свойствами и характеризуется двумя скачками намагниченности за один цикл перемагничивания. Более подробно этот процесс можно представить так соседние магниты 6 перемещаются относительно проволоки Виганда 8. Сначала насыщающее магнитное поле первого магнита одной полярности ориентирует полярность сердцевины 10 и оболочки 11 в одном направлении (этап ). В ходе перемещения к области магнита с противоположной полярностью изменяется полярность приложенного к проволоке магнитного поля. При приближении ко второму магниту (отсчет условный, относительно положения равновесия плоского держателя 5) напряженность вновь приложенного магнитного поля увеличивается. Это приводит к тому, что сначала переключается полярность сердцевины 10 (этап Б) и в катушке 9 генерируется импульс напряжения, длительность которого . Затем, при дальнейшем увеличении напряженности поля (по мере приближения ко второму намагниченной области), переключается полярность оболочки 11 (этап ), при этом генерируется импульс гораздо меньшей амплитуды за счет большего времени переключения. В итоге магнитное поле второго магнита полностью насыщает проволоку Виганда (этап Г). На этапе Д происходит сначала переключение полярности сердцевины 10 и в катушке 9 генерируется импульс напряжения противоположной полярности большой амплитуды, а затем на следующем этапе - генерируется импульс с малой амплитудой (на схеме фиг. 2 этот этап не изображен). Интервал временимежду разнополярными импульсами является индивидуальной функцией геометрических размеров магнитов 6 и ненамагнитных прокладок 7 вдоль вертикальной оси, а также параметров виброперемещений, определяемый экспериментально в процессе калибровки. Источник магнитного поля изображен на фиг. 1 условно с тремя постоянными магнитами, хотя их числоможет быть любым целым, предпочтительно нечетным числом, причем из соображений миниатюризации 11. Амплитуда виброперемещений зависит от сейсмической активности объекта контроля. Поэтому по количеству импульсов в катушке 9 с учетом известного числаможно судить дискретно об амплитуде виброперемещений или ее проградуировать, например, по шкале магнитуд землетрясений. Выходной сигнал вых с катушки 9 может передаваться непосредственно по двухпроводной линии без усиления, поскольку он является частотным с амплитудой 37(а не мВ с элемента Холла, как в прототипе), а следовательно, и помехозащищенным. Таким образом, в предложенном устройстве магниточувтвительный преобразователь выполнен в виде датчика Виганда, имеет высокий уровень амплитуд генерируемых ЭДС разнополярных импульсов частотного выходного сигнала при перемещении источника магнитного поля и не требует энергопотребления и обслуживания, что повышает надежность устройства. Кроме того, высокая помехозащищенность автономного сейсмопреобразователя, а значит, и надежность обеспечиваются применением многослойного пленочного экрана, что является дополнительным преимуществом предложенного устройства в условиях возникновения электромагнитных бурь, которые являются предвестниками активизации сейсмической активности в земной коре, например, при землетрясениях. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с по 6 87902012.12.30 мощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство для сигнализации соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7