Сейсмоприемное устройство

 

Использование: в геофизическом приборостроении. Сущность изобретения: устройство состоит из электродинамического сейсмоприемника ускорений, трансформатора, в котором дополнительно установлены конденсатор и резистор, соединенные последовательно с сейсмоприемником и первичной обмоткой трансформатора. Параметры сейсмоприемника, конденсатора, резистора и трансформатора связаны определенным соотношением. 3 ил.

Изобретение относится к геофизическому приборостроению.

Известен электродинамический преобразователь вибраций на вихревых токах, составляющий вместе с входным трансформатором сейсморазведочной станции сейсмоприемное устройство, обеспечивающее подъем пропорционально квадрату частоты высокочастотной части спектра сейсмических сигналов, имеющих колоколообразный подъем на средних частотах и спад на низких и высоких частотах.

Недостаток сейсмоприемного устройства заключается в том, что его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) до собственной частоты преобразователя, равной 12 Гц, пропорциональна четвертой степени частоты, и поэтому низкочастотные составляющие сейсмических сигналов с небольшим уровнем, уходя под уровень микросейсм или аппаратурных шумов, теряются на выходе сейсмоприемного устройства и не могут быть восстановлены последующей обработкой, тем самым снижается разрешающая способность сейсморазведки.

Прототипом сейсмоприемного устройства является электродинамический преобразовательный блок сейсмоприемника ускорений, составляющий вместе с входным трансформатором сейсморазведочной станции сейсмоприемное устройство, обеспечивающее подъем высокочастотной части спектра сейсмических сигналов пропорционально квадрату частоты.

Недостаток сейсмоприемного устройства-прототипа тот же, что и у аналога, но для меньших частот потому, что АЧХ сейсмоприемного устройства линейна во всем сейсмическом диапазоне частот.

Технической задачей предлагаемого технического решения является увеличение разрешающей способности сейсморазведки путем создания сейсмоприемного устройства, обеспечивающего подъем низкочастотных составляющих спектра сейсмических сигналов по сравнению с прототипом.

Поставленная задача достигается тем, что в сейсмоприемном устройстве, состоящем из электродинамического сейсмоприемника ускорений и трансформатора, содержащего первичную и вторичную обмотки, установлены конденсатор и резистор, соединенные последовательно с сейсмоприемником и первичной обмоткой трансформатора, а параметры сейсмоприемника, конденсатора, резистора и трансформатора связаны соотношениями R_Σ ≅ L₁= C где R_Σ R_сп + R_тр + R_p + R_л сумма сопротивлений обмотки катушки сейсмоприемника, первичной обмотки трансформатора, резистора и линии связи; U_ш среднеквадратичное значение шума усилителя сейсморегистрирующей системы, приведенного к выходу трансформатора сейсмоприемного устройства, подключаемого к входу усилителя; Δf полоса частот сейсмического сигнала; W₂/W₁ коэффициент передачи трансформатора, равный отношению числа W₂ витков вторичной обмотки к числу W₁ витков первичной обмотки; L₁ индуктивность первичной обмотки трансформатора; π 3,1415; f_н нижняя частота полосы частот сейсмического сигнала;
β затухание электрического колебательного звена на частоте f_н;
С емкость конденсатора.

На фиг. 1 изображена электрическая схема сейсмоприемного устройства; на фиг. 2 изображены спектр сейсмических сигналов, АЧХ сейсмоприемных устройств и спектры сейсмических сигналов на выходах сейсмоприемных устройств; на фиг. 3 изображен сигнальный граф сейсмоприемного устройства.

Сейсмоприемное устройство состоит из электродинамического сейсмоприемника 1 ускорений, имеющего внутреннее сопротивление (сопротивление обмотки катушки) R_сп, из линии 2 связи с сопротивлением R_л, из конденсатора 3 с емкостью С, из резистора 4 с сопротивлением R_p и трансформатора 5, первичная обмотка которого обладает индуктивностью L₁и сопротивлением R_тр. Выходной сигнал сейсмоприемного устройства снимается с вторичной обмотки трансформатора.

Сейсмоприемное устройство может быть выполнено в одном корпусе, тогда линия 2 связи отсутствует, а сопротивление R_л равно нулю. Индуктивность обмотки сейсмоприемника ускорений мала по сравнению с индуктивностью L₁ трансформатора и в расчет не принимается.

На фиг.2, 6 спектр сейсмического сигнала, 7 АЧХ сейсмоприемного устройства (1, 2), 8 АЧХ сейсмоприемного устройства (2, 3), 9 АЧХ предлагаемого устройства, 10, 11 и 12 результирующие спектры.

Сейсмоприемное устройство работает следующим образом.

Сейсмический сигнал, прошедший исследуемую геологическую среду, имеет спектр, изображенный графиком 6 на фиг.2. Сейсмический сигнал вызывает колебания поверхности земли, преобразуемые сейсмоприемником 1 в электрические сигналы (напряжения), пропорциональные ускорению перемещения его корпуса. Электрическое напряжение, вырабатываемое генератором Е₁ сейсмоприемника 1, вызывает переменный ток в последовательной цепи: генератор напряжения Е₁ и сопротивление обмотки катушки R_сп сейсмоприемника 1 сопротивление R_л/2 линии 2 связи емкость С конденсатора 3 сопротивление R_р резистора 4 сопротивление R_тр и индуктивность L₁ первичной обмотки трансформатора 5 сопротивление R_л/2 линии 2 связи. Ток, протекающий через первичную обмотку трансформатора, преобразуется вторичной обмоткой трансформатора в напряжение U_вых, увеличенное пропорционально отношению числа W₂ витков вторичной обмотки к числу W₁ витков первичной обмотки.

Применением в сейсморазведочной станции трансформатора реализуется его основное свойство: усиление сигналов и увеличение отношения сигнала к шуму. Для передачи без потерь низкочастотных сигналов (от 2,5 Гц и выше) сейсмического частотного диапазона индуктивность L₁ первичной обмотки трансформатора должна иметь значение в несколько сотен Генри. В сейсмоприемном устройстве используется это основное свойство трансформатора. Кроме того, большое значение индуктивности первичной обмотки позволяет создать вместе с рассчитанным значением емкости С конденсатора резонанс напряжений, обеспечивающий подъем низкочастотного сигнала на выходе сейсмоприемного устройства на частотах, близких к частоте, равной отношению единицы к 2π . АЧХ сейсмоприемного устройства изображена графиком 7 на фиг.2. АЧХ прототипа изображена графиком 8, а АЧХ сейсмоприемного устройства (1, 2) графиком 9. Спектр на выходе сейсмоприемного устройства (1, 2) изображен графиком 10, спектр на выходе прототипа графиком 11, а спектр на выходе предлагаемого сейсмоприемного устройства графиком 12.

Сейсмоприемное устройство представляет собой вэаимосвязанную электромеханическую систему. Найдем передаточную функцию сейсмоприемного устройства с помощью сигнального графа, изображенного на фиг.3. Индуктивная (трансформаторная) связь между каркасом и обмоткой катушки электродинамического преобразовательного блока не значительна и в сигнальном графе она отсутствует.

Ветви сигнального графа выражаются следующими передаточными функциями:
a передаточная функция механического колебательного звена без затухания, возбуждаемого со стороны корпуса, где Z относительное перемещение корпуса сейсмоприемника и инерционного элемента катушки;
Х перемещение корпуса сейсмоприемника;
р оператор, равный
τ_o постоянная времени колебательного механического звена, равная единице, деленной на круговую собственную частоту;
b pK_п1 коэффициент передачи электродинамического преобразователя, где К_п1 коэффициент преобразования электродинамического преобразовательного блока,
d передаточная функция проводимости последовательной цепи, содержащей R_сп, R_л, R_тр, С и L₁, где I₁ ток, протекающий в этой последовательной цепи;
e pM₁₂= pL₁ коэффициент передачи взаимного индуктивного сопротивления трансформатора, где M₁₂ взаимная индуктивность обмоток трансформатора;
j K_п1 коэффициент преобразования электродинамического преобразователя, где F сила, действующая на катушку при протекании тока через ее обмотку;
g передаточная функция механического колебательного звена без затухания, возбуждаемого со стороны инерционного элемента катушки;
h pK_п2 коэффициент передачи электродинамического преобразователя каркаса катушки;
m коэффициент передачи проводимости каркаса катушки;
r K_п2 коэффициент преобразования каркаса катушки.

Используя известные способы решения, легко найти передаточную функцию сейсмоприемного устройства по сигнальному графу:
W(p)
Подставив значения ветвей сигнального графа в передаточную функцию сейсмоприемного устройства и учтя то, что обратные связи hmrg и bdjg отрицательные, после преобразования получим в знаменателе передаточной функции многочлен четвертой степени. Определив собственные частоты сейсмоприемного устройства известным способом решения, приравняв нулю сумму членов с четными степенями плюс единица многочлена знаменателя и затем определив затухание найденных многочленов второй степени, получим передаточную функцию сейсмоприемного устройства

Полученная передаточная функция сейсмоприемного устройства представляет собой произведение передаточной функции электродинамического преобразовательного блока и электрического колебательного звена R_Σ L₁C, включающего коэффициент передачи трансформатора W₂/W₁.

Значительное увеличение коэффициента преобразования сейсмоприемного устройства путем большого увеличения коэффициента передачи трансформатора W₂/W₁ наталкивается на ограничение, обусловленное тем, что тепловые шумы суммы сопротивлений R_Σ сейсмоприемного устройства не должны превышать шумы усилителя сейсморегистрирующей системы.

Приняв критерием оптимальности соотношения шума сейсмоприемного устройства и шума усилителя сейсморегистрирующей системы, приведенного к его входу, их равенство, из формулы Найквиста для температуры 27^оС получим уравнение
U_ш= 1,29·10^-10· ·
Решая уравнение относительно , получим
≅
Решив то же уравнение относительно R_Σ получим
R_Σ ≅ ·
Зная сопротивление R_Σ легко найти формулу для расчета индуктивности L₁ первичной обмотки, предварительно получив из передаточной функции электрического колебательного звена формулу его АЧХ:
W(ω)
На частоте резонанса ω_н член (1 ω²_нL₁C)² равен нулю, а значение АЧХ равно добротности, выраженной отношением 1/2β

Решив уравнение относительно L₁, получим
L₁=
На частоте резонанса
1 ω²_нL₁C 0;
Из уравнения получим
C
Предлагаемое сейсмоприемное устройство позволяет поднять низкочастотную часть АЧХ (график 9) по отношению к прототипу, имеющему линейную АЧХ по ускорению перемещения во всем сейсмическом диапазоне частот (график 8), и тем самым дает возможность сохранить низкочастотные составляющие сейсмических сигналов, подняв их над уровнем аппаратурных шумов и микросейсм и сохранив их для последующей обработки, а в результате позволяет повысить разрешающую способность сейсморазведки.

В случае применения электродинамического сейсмоприемника скорости перемещения в предлагаемом устройстве оно позволит расширить АЧХ по скорости перемещения в сторону низких частот.

Формула изобретения

СЕЙСМОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее электродинамический сейсмоприемник, выполненный в виде катушки с обмоткой, линии связи и трансформатора, включающего первичную обмотку и вторичную обмотку, соединенную с усилителем сейсморегистрирующей системы, отличающееся тем, что в нем установлены конденсатор и резистор, соединенные последовательно с сейсмоприемником и первичной обмоткой трансформатора, при этом параметры сейсмоприемника, конденсатора, резистора и трансформатора связаны соотношениями



где R_Σ= R_сп+R_тр+R_р+R_л - сумма сопротивлений обмотки катушки сейсмоприемника, первичной обмотки трансформатора, резистора и линии связи;
U_ш - среднеквадратичное значение шума усилителя сейсморегистрирующей системы, приведенного к выходу трансформатора сейсмоприемного устройства;
Δf - полоса частот сейсмического сигнала;
W₂/W₁ - коэффициент передачи трансформатора, равный отношению числа w₂ витков вторичной обмотки к числу витков W₁ первичной обмотки;
L_i - индуктивность первичной обмотки трансформатора;
f_н - нижняя частота полосы частот сейсмического сигнала;
β - затухание электрического колебательного звена R_ΣL_IC на частоте f_н;
C - емкость конденсатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3