Сейсмометр

 

Использование: в технической физике, а именно в геофизическом приборостроении для прикладной сейсмологии и сейсморазведки, в частности при вертикальном сейсмическом профилировании методом отраженных волн. Сущность изобретения: сейсмометр содержит корпус с размещенными в нем инертной массой, постоянным магнитом и магнитоупругим преобразователем из магнитоупругого чувствительного элемента и измерительных обмоток и отличается выполнением инертной массы из немагнитного материала предпочтительно высокой плотности, выполнением магнита в виде радиально намагниченного кольца с полюсами на боковых (цилиндрических) поверхностях, жестким скреплением инертной массы с магнитоупругим чувствительным элементом, заполняющим внутреннюю полость радиально намагниченного кольца без зазора (т.е. жестко посаженным на свободный конец магнитоупругого чувствительного элемента с возможностью непосредственного взаимодействия с полюсом магнита на внутренней боковой поверхности намагниченного кольца). Цель - повышение резонансной частоты собственных колебаний системы, что дает повышение разрешающей способности метода, и повышение чувствительности за счет оптимизации конструкции и ослабления паразитных внешних воздействий, что дает увеличение глубины разведки. 1 ил.

Изобретение относится к технической физике, а именно к геофизическому приборостроению, и предназначено для использования в прикладной сейсмологии и сейсморазведке, в частности при вертикальном сейсмическом профилировании методом отраженных волн.

Известен сейсмометр [1] содержащий инертную массу, посредством пружин прикрепленную к корпусу, магнитоэлектрический преобразователь сейсмических колебаний в электрические и источник опорного сигнала, выполненный в виде электромагнита, причем инертная масса выполнена в виде немагнитного стержня из, например, алюминия, на одном конце которого закреплена пластина из ферромагнетика, взаимодействующая с источником опорного сигнала, а на другом конце закреплена цилиндрическая катушка в виде незамкнутого кольца, помещенного в зазор магнитной системы магнитоэлектрического преобразователя.

Однако выполнение инертной массы в виде протяженного стержня в аксиальном направлении из материала типа алюминия, требуемого конструкцией известного сейсмометра, влечет за собой относительно невысокую резонансную частоту собственных колебаний системы, что приводит к ограничению сверху частотного диапазона чувствительности известного сейсмометра. Следствием этого является невысокая разрешающая способность такого сейсмометра. Выполнение магнитной системы магнитоэлектрического преобразователя в виде открытой системы с существенной частью незамкнутых магнитных линий приводит к наличию значительных полей рассеяния, что снижает эффективность работы преобразователя и ограничивает чувствительность известного сейсмометра. Указанная выше причина (незамкнутость магнитных линий) при протяженных размерах магнитной системы приводит также к тому, что эта система становится восприимчивой к внешним магнитным полям, т.е. своеобразной магнитной антенной. Это также ограничивает чувствительность известного сейсмометра.

Известен сейсмометр [2] содержащий корпус, в котором жестко закреплен крестообразный магнитоупругий преобразователь, через постоянный магнит жестко соединенный с инертной массой.

Подобно предложенному этот сейсмометр снабжен магнитоупругим преобразователем, что позволяет расширить частотный диапазон чувствительности сейсмометра в область более высоких частот.

Однако жесткое соединение вышеуказанных элементов ведет к относительно низкой частоте резонанса собственных колебаний системы, а это через ограничение сверху частотного диапазона чувствительности известного сейсмометра ведет к относительно невысокой разрешающей способности такого прибора. Выполнение магнитной системы в виде крестообразной ферромагнитной балки и протяженного магнита обладает значительными полями рассеяния, что снижает эффективность работы преобразователя и ограничивает чувствительность известного сейсмометра, а также ведет к восприимчивости к внешним магнитным полям и дополнительно ограничивает чувствительность такого сейсмометра.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является сейсмометр [3] содержащий корпус, и инертную массу и магнитоупругий преобразователь, торец которого прикреплен к одному полюсу постоянного магнита, к другому полюсу которого прикреплена инертная масса, причем инертная масса и корпус выполнены из ферромагнитного материала.

Подобно предложенному известное техническое решение, принятое за прототип, снабжено магнитоупругим преобразователем, что позволяет расширить частотный диапазон чувствительности сейсмометра в область более высоких частот.

Однако жесткое соединение вышеуказанных элементов ведет к относительно низкой собственной резонансной частоте системы. Вследствие применения постоянного магнита в виде цилиндра, расположенного вдоль вертикальной оси преобразователя, увеличивается характеристическая длина маятника (колебательной системы) при детектировании горизонтальных компонент сейсмического сигнала по сравнению с детектированием вертикальной компоненты такого сигнала. Это дополнительно снижает частоту резонанса собственных колебаний системы в горизонтальной плоскости. Выполнение магнитной системы с частично незамкнутыми силовыми линиями магнитного поля ведет к появлению значительных полей рассеяния, что снижает эффективность работы преобразователя и ограничивает чувствительность известного решения (прототипа).

По вышеуказанной причине и в связи с относительно большой протяженностью в пространстве ферромагнитных деталей известного решения, таких как корпус, инертная масса и постоянный магнит, известное решение является весьма восприимчивой магнитной антенной, откликающейся на воздействие внешних магнитных полей, паразитное воздействие которых также ограничивает чувствительность известного решения (прототипа).

Изобретение направлено на решение таких важных задач прикладной сейсмологии и сейсморазведки, как повышение разрешающей способности и увеличение глубины разведки, в частности, при вертикальном сейсмическом профилировании методом отраженных волн.

Решение указанных задач осуществляется посредством повышения резонансной частоты собственных колебаний системы, что обеспечивает повышение разрешающей способности, и повышением чувствительности предлагаемого устройства за счет оптимизации конструкции и ослабления паразитных внешних воздействий, что обеспечивает увеличение глубины разведки.

Вышеуказанные технические результаты могут быть получены при осуществлении такого технического решения как сейсмометр, содержащий корпус с размещенными в нем инертной массой, постоянным магнитом и магнитоупругим преобразователем из магнитоупругого чувствительного элемента и измерительных обмоток и отличающийся выполнением инертной массы из немагнитного материала предпочтительно высокой плотности, выполнением магнита в виде радиально намагниченного кольца с полюсами на боковых (цилиндрических) поверхностях, жестким скреплением инертной массы с магнитоупругим чувствительным элементом, заполняющим внутреннюю полость радиально намагниченного кольца без зазора (т.е. с жестко насаженным кольцом).

Поскольку все вышеперечисленные признаки влияют на решение поставленных задач, то они являются существенными. Однако среди вышеуказанных признаков можно выделить частные существенные признаки, отличающие конкретные формы выполнения предлагаемого устройства. К таким признакам относятся следующие. Выполнение инертной массы из материала высокой плотности и размещение полюсов магнита на цилиндрических поверхностях магнита.

Между вышеперечисленными существенными признаками и достигаемыми техническими результатами существуют следующие причинно-следственные связи. Применение в сейсмометре, состоящем из корпуса с размещенными в нем постоянным магнитом и инертной массой, магнитоупругого преобразователя позволяет повысить резонансную частоту собственных колебаний системы, так же как выполнение инертной массы из материала высокой плотности и конструктивное выполнение устройства с жесткими связями. Выполнение инертной массы из немагнитного материала позволяет повысить чувствительность предлагаемого устройства за счет снижения восприимчивости сейсмометра к паразитным внешним магнитным воздействиям (наводкам) за счет невосприимчивости этих наводок инертной массой в отличие от известных решений. Выполнение магнита в виде радиально намагниченного кольца с полюсами на боковых поверхностях позволяет повысить чувствительность за счет снижения наводок благодаря концентрации магнитного поля внутри магнита и части магинитоупругого чувствительного элемента, без зазора заполняющего внутреннюю полость магнита в виде кольца. Посадка кольцевого магнита на свободный конец магнитоупругого чувствительного элемента обеспечивает создание в последнем требуемого намагничивания без внешних помех, что также повышает чувствительность. Выполнение кольцевого магнита с боковыми цилиндрическими поверхностями упрощает конструкцию и изготовление магнита и магнитоупругого чувствительного элемента. Жесткое скрепление инертной массы с магнитоупругим чувствительным элементом и последнего с кольцевым магнитом обеспечивает повышение резонансной частоты собственных колебаний системы за счет суммарного увеличения колеблющейся массы. Вследствие замкнутости циркулирующих в устройстве магнитных потоков повышается чувствительность из-за отсутствия эффекта магнитной антенны. Выполнение магнита в виде кольца и соответствующего выполнения магнитоупругого чувствительного элемента обеспечивает сближение механических параметров колебательной системы в вертикальном и горизонтальном направлениях. В результате этого соответственно сближаются резонансные частоты системы в указанных направлениях. Таким образом, оказывается возможным получить равномерную линейную характеристику сейсмометра предложенной конструкции в диапазонах частот до 500 Гц в горизонтальном направлении и до 1-2 кГц в вертикальном, а разрешающую способность повысить до пределов, обеспечивающих одномоментное (т.е. без дополнительной статистической обработки) обнаружение при вертикальном сейсмическом профилировании слоев толщиной от 50 до 20 м.

На чертеже представлен предлагаемый сейсмометр в разрезе.

Сейсмометр содержит корпус 1, выполненный из ферромагнитного материала, внутри которого жестко закреплен один торец магнитоупругого чувствительного элемента 2, свободный конец которого проходит через полость кольцевого магнита 3, имеющего радиальное направление намагничивания и полюса на боковых поверхностях кольца. Магнит 3 закреплен на свободном конце магнитоупругого чувствительного элемента 2 так, что торцовые плоскости магнита 3 перпендикулярны продольной оси магнитоупругого чувствительного элемента 2, к свободному торцу которого жестко прикреплена инертная масса 4, выполненная из немагнитного материала. Магнитоупругий чувствительный элемент 2 снабжен измерительными обмотками 5.

Сейсмометр работает следующим образом.

Под воздействием сейсмического возбуждения корпус 1, воспринявший это возбуждение, смещается относительно удерживаемой в состоянии покоя инертной массы 4. Вследствие жесткого закрепления с инертной массой 4 магнитоупругого чувствительного элемента 2 в последнем возникают механические напряжения, изменяющие его форму, а значит, и магнитный поток, взаимодействующий с полем постоянного магнита 3. Изменение магнитного потока возбуждает в обмотках 5 ЭДС, характеризующую продетектированное возбуждение посредством третьей производной по времени от смещения корпуса, вызванного этим возбуждением.

Таким образом, предложенное решение при сохранении таких достоинств прототипа как простота и надежность устройства обеспечивает повышение резонансной частоты собственных колебаний системы. Это позволяет вести высокоразрешающую сейсморазведку с использованием более высокочастотного возбуждения сейсмических колебаний. Локализация магнитного поля за счет предлагаемого расположения и формы выполнения постоянного магнита ведет к повышению эффективности преобразования и снижению влияния внешних наводок, благодаря чему увеличивается глубина разведки.

Формула изобретения

СЕЙСМОМЕТР, содержащий размещенные в выполненном из ферромагнитного материала корпусе постоянный магнит, инертную массу и магнитоупругий преобразователь, выполненный в виде прикрепленного одним торцом к корпусу магнитоупругого чувствительного элемента, на котором расположены измерительные обмотки, отличающийся тем, что инертная масса выполнена из немагнитного материала и жестко скреплена со свободным торцом магнитоупругого чувствительного элемента, а постоянный магнит выполнен в виде радиально намагниченного кольца с полюсами на боковых поверхностях, жестко насаженного на свободный конец магнитоупругого чувствительного элемента так, что торцевые поверхности магнита перпендикулярны продольной оси магнитоупругого чувствительного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1