Сейсмограф

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Сейсмограф, содержащий корпус, в котором установлена маятниковая система, состоящая из инертной немагнитной массы, размещенной на плече, закрепленном на оси качаний, а в продолжение этого плеча за осью качаний установлено продленное плечо с постоянным силовым магнитом на конце, масса которого значительно меньше инертной массы первый бесконтактный преобразователь колебаний маятниковой системы в электрический сигнал и первый усилитель электрического сигнала, отличающийся тем, что содержит второй бесконтактный преобразователь колебаний маятниковой системы в электрический сигнал, каждый из преобразователей выполнен на датчике Холла с обеспечением подключения соответственно к первому и второму каналам измерений ось качаний 17516 1 2013.08.30 выполнена с обеспечением двух степеней свободы колебаний соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях, на плече и его продлении по обе стороны от оси качаний расположены две пары миниатюрных магнитов так, что в каждой паре они соприкасаются и противоположными полюсами ориентированы перпендикулярно соответствующим пластинам датчиков Холла, каждый из которых размещен неподвижно в непосредственной близости от каждой пары магнитов на инертной немагнитной массе размещен постоянный силовой магнит, выполненный продолговатой цилиндрической формы, намагниченный аксиально и расположенный соосно в отверстии первой катушки с витками, которая закреплена неподвижно в корпусе и через первый измерительный резистор подключена к регулируемому источнику тока первого канала измерений, к которому подключен первый усилитель сигнала с датчика Холла, воспринимающего колебания плеча в горизонтальной плоскости силовой магнит, размещенный на продленном плече, выполнен продолговатой цилиндрической формы, намагничен аксиально и расположен соосно в отверстии второй катушки с витками, которая закреплена в корпусе неподвижно и через второй измерительный резистор подключена к регулируемому источнику тока второго канала измерений, к которому подключен второй усилитель сигнала с датчика Холла, воспринимающего колебания в вертикальной плоскости на корпусе нанесен многослойный пленочный экран с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, причем внешний слой экрана заземлен. Заявляемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в средствах регистрации горизонтальных и 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 известен сейсмограф 1 для измерения преимущественно вертикальных колебаний с частотой, превышающей 1 Гц, содержащий корпус, установленную в нем уравновешенную инертную сейсмическую массу (куб из алюминия), размещенную на горизонтальном плоском держателе, постоянный магнит, установленный на конце указанного плоского держателя, неподвижный датчик Холла для регистрации виброперемещений постоянного магнита, а следовательно, и инерционной массы, неподвижная катушка с витками для электромагнитного демпфирования колебаний магнита, пружина с механизмом контролируемого растяжения, установленная под углом 30-45 к горизонтальному плоскому держателю и одним концом прикрепленная к нему, электронный блок, включающий фильтр цепи, усилители и другие электронные компоненты. Недостатком этого устройства является низкая точность 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. Невозможны одновременные измерения вертикальных и горизонтальных колебаний. Известно устройство 2 на эффекте Холла для измерения горизонтальных колебаний. Устройство содержит корпус, установленную в нем инертную массу в виде постоянного магнита, размещенную на верхнем конце вертикального упругого держателя, выполненного с возможностью малых горизонтальных перемещений относительно положения равновесия, нижний конец которого закреплен в корпусе (так называемый обратный маятник),установленные симметрично с зазором относительно постоянного магнита по обе его стороны два неподвижных датчика Холла, подключенные дифференциально, для регистрации виброперемещений постоянного магнита (инертной массы), электронную плату с 2 17516 1 2013.08.30 усилителем электрического сигнала и другие электронные компоненты, необходимые для функционирования устройства. Такое размещение датчиков Холла относительно магнита позволяет реализовать выходную характеристику устройства, близкую к линейной от величины смещения магнита. Недостатком устройства 2 является низкая точность измерения горизонтальных колебаний, особенно в области низких частот (ограничение связано со спектром собственных частот устройства). Аналогично, как и в 1, невозможны одновременные измерения вертикальных и горизонтальных колебаний. Наиболее близким к заявляемому является сейсмограф 3 (прототип) для регистрации горизонтальных колебаний. Устройство содержит корпус, инертную массуи ее плечо до оси качаний 1, бесконтактный преобразователь колебаний горизонтальной маятниковой системы поворота в электрический сигнал и усилитель электрического сигнала, в продолжение плеча 1 через ось качанияустановлено продленное плечо 2 с постоянным силовым магнитомна конце. Снизу от магнита размещен фрагмент цилиндрической поверхности вращения, выполненный из магнитомягкого материала с радиусом несколько большим, чем продленное плечо 2, и скрепленный с корпусом. Больший радиус необходим для того, чтобы при работе магнитне прикасался к фрагменту цилиндрической поверхности вращения. Установление положения равновесия достигается при равенстве моментов сил тяжести инертной массы и вертикальной составляющей силы притяжения силового магнитак фрагменту цилиндрической поверхности вращения. При этом масса магнитавыбрана значительно меньше инертной массы , которая должна обладать инерционными свойствами. При горизонтальных колебаниях грунта инертная массавыходит из положения равновесия. Возврат массыв исходное положение - к середине цилиндрической поверхности вращения, осуществляется за счет краевого магнитного эффекта, то есть незначительным по величине притяжением магнитак краям цилиндрической поверхности вращения. Таким образом, время возврата в исходное положение инертной массыоказывается более медленным, чем в конструкциях традиционных горизонтальных сейсмографов, и период колебаний при этом естественно увеличивается, что эквивалентно уменьшению снижения порога часты изучаемых колебаний объекта в область более низких значений. Основными недостатками прототипа являются низкая точность измерений, обусловленная неконтролируемым уровнем демпфирования горизонтальных колебаний, неустойчивость маятника в вертикальной плоскости из-за уравновешивания силы тяжести инертной массы вертикальной составляющей силы магнитного притяжения, которая не регулируется, и невозможность измерений вертикальных колебаний. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение точности измерения горизонтальных и (или) вертикальных колебаний. Для решения поставленной задачи предлагается следующая конструкция устройства. Сейсмограф содержит корпус, в котором установлена маятниковая система, состоящая из инертной немагнитной массы, размещенной на плече, закрепленном на оси качаний, а в продолжение этого плеча за осью качаний установлено продленное плечо с постоянным силовым магнитом на конце, масса которого значительно меньше инертной массы первый бесконтактный преобразователь колебаний маятниковой системы в электрический сигнал и первый усилитель электрического сигнала. Сейсмограф отличается тем, что содержит второй бесконтактный преобразователь колебаний маятниковой системы в электрический сигнал, каждый из преобразователей выполнен на датчике Холла с обеспечением подключения соответственно к первому и второму каналам измерений ось качаний выполнена с обеспечением двух степеней свободы колебаний соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях, на плече и его продлении по обе стороны от оси качаний расположены две пары миниатюрных магнитов так,что в каждой паре они соприкасаются и противоположными полюсами ориентированы пер 3 17516 1 2013.08.30 пендикулярно соответствующим пластинам датчиков Холла, каждый из которых размещен неподвижно в непосредственной близости от каждой пары магнитов на инертной немагнитной массе размещен постоянный силовой магнит, выполненный продолговатой цилиндрической формы, намагниченный аксиально и расположенный соосно в отверстии первой катушки с витками, которая закреплена неподвижно в корпусе и через первый измерительный резистор подключена к регулируемому источнику тока первого канала измерений,к которому подключен первый усилитель сигнала с датчика Холла, воспринимающего колебания плеча в горизонтальной плоскости силовой магнит, размещенный на продленном плече, выполнен продолговатой цилиндрической формы, намагничен аксиально и расположен соосно в отверстии второй катушки с витками, которая закреплена в корпусе неподвижно и через второй измерительный резистор подключена к регулируемому источнику тока второго канала измерений, к которому подключен второй усилитель сигнала с датчика Холла, воспринимающего колебания в вертикальной плоскости на корпусе нанесен многослойный пленочный экран 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 ряд новых элементов, изложенных в отличительной части вышеизложенного текста и позволяющих реализовать значительное повышение точности измерения как вертикальных, так и (или) горизонтальных колебаний грунта или земной поверхности. Анализ предлагаемого решения и известных показывает,что конструкция устройства позволяет осуществить компенсационный принцип измерения по каждому каналу, что и позволяет повысить точность измерений, а именно для каждого канала независимого измерения (вертикальных и горизонтальных колебаний) выводы соответствующей катушки с витками через соответствующий измерительный резистор подключены к регулируемому источнику тока, который регулируется платой обработки сигнала с соответствующего датчика Холла, и поэтому токи, проходящие через катушки с витками, создают магнитные поля, силовым образом воздействующие на удлиненные силовые цилиндрические магниты таким образом, что при колебаниях они удерживают плечо в одной точке пространства над элементами Холла, соответствующей переходам индукции магнитного поля, по осям ординат (в вертикальной плоскости) и абсцисс (в горизонтальной плоскости), через нуль. Сигналы снимаются с соответствующих измерительных резисторов и могут подаваться для дальнейшей обработки и хранения(например, на самописец или в базу данных компьютера). Кроме того, в отличие от прототипа и известных аналогов предлагаемая конструкция сейсмографа, благодаря изготовлению корпуса с нанесенным многослойным пленочным экраном с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, обладает повышенной помехозащищенностью от внешних магнитных и электромагнитных полей, что также значительно увеличивает точность измерений. Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого устройства, показал, что заявляемый сейсмограф соответствует критерию новизна по действующему законодательству. 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 обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно, можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется фигурами. 4 17516 1 2013.08.30 На фиг. 1 представлена схема функционирования устройства. На фиг. 2 изображено распределение нормальной составляющей индукции магнитного поляот двух миниатюрных постоянных магнитов 9 и 10, размещенных на плече вдоль оси горизонтальных колебанийпри расстоянии до датчика Холла 0,5 мм (линия ) и 1,0 мм (линия ). Длина, ширина и высота магнитов равна 5 мм. Магниты марки 5 с удельной энергией 20. Координата- точка перехода индукции магнитного поля через нулевое значение, т.е.0. Рабочая область малых горизонтальных колебаний находится вблизи точки , составляет несколько десятков микрон и не выходит за область линейности функции . Аналогичный вид (не изображено) имеет распределение нормальной составляющей индукции магнитного поляот двух миниатюрных постоянных магнитов 7 и 8, размещенных на продленном за ось качаний плече вдоль оси вертикальных колебаний , и соответственно о - точка перехода индукции магнитного поля через нулевое значение, т.е. В(о)0. На фиг. 3 приведена электронная функциональная схема канала измерения вертикальных колебаний. На фиг. 4 приведена электронная функциональная схема канала измерения горизонтальных колебаний. При этом ЭДС, снимаемые с датчиков Холла 1, 2, подаются на соответствующие операционные усилители 1 и 2, выходы которых подключены к регулируемым независимым образом источникам тока (собраны на транзисторах 1, 2 и 3, 4 соответственно.) Сейсмограф содержит корпус 1, в котором установлена инертная масса 2, размещенная до оси качаний 3, имеющей две степени свободы колебаний, соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях, на плече 4, и в продолжение этого плеча, через ось качаний 3 установлено продленное плечо 5 с постоянным силовым магнитом 6 на конце,масса которого значительно меньше инертной массы 2. На плече 4 и его продлении 5 по обе стороны от оси качаний 3 расположены две пары миниатюрных магнитов 7, 8 и 9, 10,так что в каждой паре они соприкасаются и противоположными полюсами ориентированы перпендикулярно соответствующим пластинам датчиков Холла 11 и 12, которые размещены неподвижно в непосредственной близости от каждой пары магнитов. Миниатюрные магниты 7, 8 с датчиком Холла 11, а также 9, 10 с датчиком Холла 12 образуют два бесконтактных преобразователя колебаний маятниковой системы поворота в электрический сигнал. Датчик Холла 11 подключен к первому каналу измерений (плата первого канала 13),а датчик Холла 12 подключен к второму каналу измерений (плата второго канала 14). На инертной немагнитной массе 2 размещен еще один постоянный силовой магнит 15, преимущественно выполненный продленной цилиндрической формы, намагниченный аксиально и расположенный соосно в отверстии катушки 16 с витками (число витков 2 от 2000 до 5000), которая прикреплена к корпусу 1 неподвижно и через первый измерительный резистор м 2 подключена к регулируемому источнику тока (он размещен на плате 14 и собран на транзисторах 3 и 4 в соответствии с электронной схемой, изображенной на фиг. 4) второго канала измерений, который регулируется платой обработки и усиления сигнала с датчика Холла 12, воспринимающего колебания плеча 4 в горизонтальной плоскости (вдоль оси абсциссдекартовой системы координат ). Силовой магнит 6, размещенный на продленном плече качаний 5, также выполнен продленной цилиндрической формы, намагничен аксиально и расположен соосно в отверстии второй катушки 17 с витками 1, которая прикреплена к корпусу 1 неподвижно и через измерительный резистор м 1 подключена к регулируемому источнику тока (он размещен на плате 13 и собран на транзисторах 1 и 2 в соответствии с электронной схемой, изображенной на фиг. 3) первого канала измерений, который регулируется платой обработки и усиления сигнала с датчика Холла 11, воспринимающего колебания плеча в вертикальной плоскости (вдоль оси ординат ). 5 17516 1 2013.08.30 На корпусе 1 нанесен многослойный пленочный экран с чередующимися немагнитными 18, 20 и ферромагнитными слоями 19, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, причем внешний слой экрана заземлен (на фиг. 1 изображено только три слоя 18, 19 и 20, но реальное их количество составляет не менее двух десятков). Чередующиеся слои легко изготавливаются электролитическим осаждением, например ферромагнитные - из пермаллоя состава 8119(слой 19) и- слои 18, 20 толщиной не менее 100 мкм каждый. Выбор материалов чередующихся слоев магнитный - немагнитный может быть и другим, но он ограничивается требованием гальванической совместимости материалов и их адгезионной прочностью. Сейсмограф работает следующим образом. Вначале проводится настройка двух каналов устройства в отсутствие колебаний грунта. Корпус сейсмографа устанавливается в начальное горизонтальное положение, при этом выходной сигнал вых 2, снимаемый с измерительного резистора м 2, соответствует величине, установленной при калибровке устройства, и без ограничения общности можно считать вых 20, а плоскость, разделяющая магниты 9 и 10, находится над датчиком Холла 12 в точке . Это положение в горизонтальной плоскости, описываемое координатой , является устойчивым положением равновесия, поскольку поддерживается электроникой второго канала. Выходной сигнал вых 1, снимаемый с измерительного резистора м 1, соответствует постоянной величине напряжения смещения см, установленной когда плечо 4 (и его продление 5) находятся в строго горизонтальном положении, т.е. вых 1 см, а плоскость, разделяющая магниты 7 и 8, находится над датчиком Холла 11 в точке . Напряжение смещения см вызвано тем обстоятельством, что необходимо уравновесить моменты сил в вертикальной плоскости по обе стороны оси качаний 3. Это положение в вертикальной плоскости, описываемое координатой , является устойчивым положением равновесия, поскольку поддерживается электроникой первого канала. Рассмотрим случай функционирования устройства при наличии колебаний грунта(виброускорений) в горизонтальной плоскости. При горизонтальных колебаниях грунта инертная масса 2 пытается выйти из положения равновесия и отклоняется на малую величину. Датчик Холла 12 вырабатывает ЭДС разбаланса 2, которая подается на операционный усилитель 2, и после усиления с помощью транзисторов 3 и 4 регулируется ток комп 2. Таким образом, управляющий ток комп 2, вырабатываемый вторым каналом измерений (платой 14), проходящий через катушку с витками 16, создает магнитное поле, силовым образом воздействующее на силовой удлиненный цилиндрический магнит 15, таким образом плечо 4 удерживается в одной точке с координатой Хо, соответствующей переходу индукции магнитного поля через нуль 0. При этом осуществляется полная компенсация горизонтальной силы инерции силовым взаимодействием тока комп 2 катушки 16 и силового магнита 15 в ней. Выходной сигнал вых 2 снимается с измерительного резистора м 2, подается далее на самописец или другой регистрирующий прибор. При вертикальных колебаниях грунта инертная масса 2 пытается выйти из положения равновесия и отклоняется на малую величину(-) в вертикальной плоскости. Датчик Холла 11 вырабатывает ЭДС разбаланса 1, которая подается на операционный усилитель 1, и после усиления с помощью транзисторов 1 и 2 регулируется ток комп 1. Таким образом, управляющий ток комп 1, вырабатываемый первым каналом измерений (платой 13), проходящий через катушку с витками 17, создает магнитное поле,силовым образом воздействующее на силовой удлиненный цилиндрический магнит 16,таким образом плечо 5 удерживается в одной точке с координатой , соответствующей переходу индукции магнитного поля через нуль 0. Выходной сигнал вых 1 снимается с измерительного резистора м 1, подается далее на самописец или другой регистрирующий прибор. Измерение виброускорения в вертикальной плоскости осуществляется по разности сигналов вых 1 и см. 6 17516 1 2013.08.30 При одновременных колебаниях грунта в горизонтальной и вертикальной плоскостях каждый канал сейсмографа функционирует независимо друг от друга по схеме, описанной выше. Возможность этого обусловлена следующими обстоятельствами. При отклонении плеча в вертикальной плоскости на величинукоордината устойчивого равновесия 0 в горизонтальной плоскости не меняется, что следует из зависимостей , приведенных на фиг. 2 (линиииимеют различный градиент вдоль оси , но пересекаются в одной точке с координатой 0). Аналогично при отклонении плеча в горизонтальной плоскости на величинукоордината устойчивого равновесия 0 в вертикальной плоскости не меняется, что следует из идентичности построения бесконтактных преобразователей колебаний маятниковой системы поворота в электрический сигнал по осями . Таким образом, использование компенсационного принципа измерений и одновременное использование многослойного пленочного экрана с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, позволяет решить поставленную задачу по значительному повышению точности измерений. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Источники информации 1. Патент 2167558, МПК 01 1/1808 13/00, 1986. 2. Патент 57013325, МПК 01 11/0201 1/1601 1/18, 1982. 3. Патент 2208816, МПК 701 1/16, 2003 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8