Сейсмометр с системой фазовой автоподстройки периода собственных колебаний

 

Использование: в области измерительной техники, в частности в гравитационных измерениях, а именно в сейсмометрии. Сущность: сейсмометр содержит инертную массу, емкостной датчик перемещений, датчик силы, выполненный в виде многосекционной катушки, операционный усилитель, разделительный конденсатор, три переключателя, блок коммутации, матрицу резисторов, генератор и цепь формирования корректирующего сигнала, состоящую из компаратора, многовходового элемента И, двух счетчиков, регистра и генератора высокочастотных колебаний. Инертная масса, датчик перемещений, операционный усилитель, разделительный конденсатор и одна из обмоток многосекционной катушки датчика силы образуют контур обратной связи по скорости. Инертная масса, датчик перемещений, операционный усилитель, вторая обмотка многосекционной катушки датчика силы и матрица резисторов образуют контур обратной связи по перемещению. При отклонении частоты свободных колебаний сейсмометра изменяется содержимое счетчика, которое записывается в регистр. Затем через блок коммутации посредством матрицы резисторов подключает последовательно с второй катушкой датчика силы резисторы соответствующего значения, изменяя частоту свободных колебаний сейсмометра. Технический результат: стабилизация диапазона частот измеряемых сейсмических возмущений за счет автоматической подстройки периода собственных колебаний инертной массы. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к гравитационным измерениям, а именно к сейсмометрии.

Известен сейсмометр (см., например, Трифонов Н.В. "Сейсмическая станция ССМ". Техническое описание. - М.: ИФ3 РАН, 1980), содержащий основание, на котором на двух упругих элементах установлены инертная масса и катушка, магнитную систему, закрепленную одним концом на основании, а другим - на инертной массе, емкостной датчик перемещений, выходной электрод которого соединен с инертной массой, а два электрода возбуждения - с основанием, генератор синусоидальных колебаний, два выхода которого соединены с электродами возбуждения емкостного датчика, а также усилитель и аналоговый интегратор, соединенные первыми входами с выходным электродом емкостного датчика, а выходами - с катушкой.

Этот сейсмометр обеспечивает достаточно высокие метрологические характеристики, но имеет значительные габариты, обусловленные тем, что инертная масса, магнитная система, емкостной датчик перемещений и пружина выполнены на отдельных конструктивных элементах.

Наиболее близким к предложенному является сейсмометр (см., например, патент РФ 2159449, кл.G 01 V 1/16, 1999 г.), содержащий инертную массу, выполненную в виде двух магнитных систем, закрепленных на основании с помощью двух упругих элементов, магнитные системы, датчик силы, выполненный в виде многосекционной катушки, операционный усилитель, выходами подключенный к секциям многосекционной катушки, а входами соединенный с выходом емкостного датчика перемещений и к выходу генератора синусоидальных колебаний, соединенного электрически с магнитопроводами двух магнитных систем.

Этот сейсмометр принят за прототип.

Прототип, содержащий датчик перемещения инертной массы, представляет собой систему с обратной связью с высокими метрологическими характеристиками.

Однако одна из важнейших характеристик сейсмометра - период свободных колебаний инертной массы не обладает стабильностью, а его изменение приводит к изменению диапазона частот измеряемых сейсмических возмущений.

Предложенный сейсмометр решает задачу стабилизации диапазона частот измеряемых сейсмических возмущений за счет автоматической подстройки периода собственных колебаний инертной массы.

В сейсмометре с системой фазовой автоподстройки периода собственных колебаний, содержащем последовательно соединенные инертную массу, закрепленную на основании с помощью двух упругих элементов, датчик перемещений и датчик силы, установленные на инертной массе, операционный усилитель, соединенный входом с выходом датчика перемещений, а выходом с одним из входов датчика силы, выполненного в виде многосекционной катушки, и генератор, указанная задача решается тем, что в него введены три переключателя, разделительный конденсатор, блок коммутации, матрица резисторов и цепь формирования корректирующего сигнала, причем выход операционного усилителя через разделительный конденсатор и первый переключатель подключен к второму входу датчика силы и входу цепи формирования корректирующего сигнала, состоящей из двух счетчиков, регистра, генератора высокочастотных колебаний, многовходового элемента И и компаратора, вход которого соединен с первым переключателем, а выход подключен к первому входу многовходового элемента И, вторым входом соединенного с первым входом первого счетчика, и через второй переключатель с его выходом, выход высокочастотного генератора подключен к третьему входу многовходового элемента И, четвертый вход которого соединен с генератором, и второму входу первого счетчика, выход многовходового элемента И через последовательно соединенные второй счетчик и регистр, вторыми входами подключенными к выходу генератора, подключен к входу блока коммутации, выход которого соединен с управляющим входом матрицы резисторов, соединенной с одной из обмоток датчика силы.

Такое решение позволяет стабилизировать период свободных колебаний инертной массы сейсмометра.

На чертеже приведена функциональная схема сейсмометра с системой фазовой автоподстройки периода собственных колебаний.

Сейсмометр содержит инертную массу 1, емкостной датчик перемещений 2, датчик силы 3, выполненный в виде многосекционной катушки, операционный усилитель 4, разделительный конденсатор 5, переключатели 6, 7, 8, блок коммутации 9, матрицу резисторов 10, генератор 11 и цепь формирования корректирующего сигнала, состоящую из компаратора 12, многовходового элемента И 13, двух счетчиков 14 и 15, регистра 16 и генератора 17 высокочастотных колебаний.

Инертная масса 1, датчик перемещений 2, операционный усилитель 4, разделительный конденсатор 5 и одна из обмоток многосекционной катушки датчика силы 3 образуют контур обратной связи по скорости.

Инертная масса 1, датчик перемещений 2, операционный усилитель 4, вторая обмотка многосекционной катушки датчика силы 3 и матрица резисторов 10 образуют контур обратной связи по перемещению.

Подстройка периода свободных колебаний осуществляется изменением коэффициента передачи К_пер в контуре стабилизации перемещения инертной массы.

Известно, что фазовый сдвиг между перемещением колебательного звена (магнитной системы инертной массы) и возмущающим воздействием на собственной частоте составляет Это позволяет сформировать сигнал управления коэффициентом преобразования контура отрицательной обратной связи по перемещению на основе фазового компаратора. Для этого в сейсмометр вводится цепь формирования корректирующего сигнала, состоящая из генератора 11, задающего номинальное значение частоты f_г свободных колебаний инертной массы, компаратора 12, многовходового элемента И, генератора 17 высокочастотных колебаний, от которого синхронизируется генератор 11, счетчика 15, регистра 16, блока коммутации 9, матрицы резисторов 10 и второго счетчика 14.

Сейсмометр работает следующим образом Переключатель 8 устанавливается в положение, при котором генератор 11 подключается контактами к одной из катушек датчика силы 3, возбуждая в сейсмометре колебания на частоте f_г, при этом контакты переключателя 6 отключают вторую катушку датчика силы 3 в контуре обратной связи по скорости и подключают корректирующую емкость к входу компаратора 12, который формирует прямоугольные импульсы частоты f_г Причем скважность этих импульсов пропорциональна отклонению собственной частоты сейсмометра от частоты генератора 11. При замыкании переключателя 7 высокочастотные импульсы f_н генератора 17 поступают на вход счетчика 15.

Если фазовый сдвиг то показания счетчика составят N=N₀, если то N<N, а при N>N₀.

Время работы счетчика 15 составляет Т₁=(1-f_c/f_г)f_г, где f_г - частота генератора 11; f_c - частота сейсмометра; f_н - частота высокочастотного генератора 17, а содержимое счетчика 15 составит N=f_нT₁ f_c/f_г, где T₁ - время работы счетчика 15.

Например, при f_н= 10⁶ Гц, T₁=1с, f_c=f_г, получим N=N₀=510⁵, а при f_c= 1,01, f_г-N=490500.

Таким образом, при отклонении частоты свободных колебаний сейсмометра от номинального значения на 1% содержимое счетчика изменилось на 9500 единиц. С выхода счетчика 14 поступают импульсы, период которых равен времени подстройки _п периода сейсмометра. Оно может составлять от 1 до 10 с в зависимости от частоты f_г.

Содержимое счетчика 15 с периодом T₁ записывается в регистр 16, затем через блок коммутации 9 посредством матрицы резисторов 10 подключает последовательно с второй катушкой датчика силы 3 резисторы соответствующего значения, изменяя частоту свободных колебаний сейсмометра.

В зависимости от емкости счетчиков 15 и 14, числа разрядов регистра 16 и числа каналов блока коммутации 9 шаг подстройки частоты может изменяться от 10^-2 до 10% Для получения необходимой стабильности в качестве генератора 11 необходимо использовать кварцевый генератор или получать импульсы частоты f_г путем деления частоты генератора 17.

Формула изобретения

Сейсмометр с системой фазовой автоподстройки периода собственных колебаний, содержащий последовательно соединенные инертную массу, закрепленную на основании с помощью двух упругих элементов, датчик перемещений и датчик силы, установленные на инертной массе, операционный усилитель, соединенный входом с выходом датчика перемещений, а выходом - с одним из входов датчика силы, выполненного в виде многосекционной катушки, и генератор, отличающийся тем, что в него введены три переключателя, разделительный конденсатор, блок коммутации, матрица резисторов и цепь формирования корректирующего сигнала, причем выход операционного усилителя через разделительный конденсатор и первый переключатель подключен к второму входу датчика силы и входу цепи формирования корректирующего сигнала, состоящей из двух счетчиков, регистра, генератора высокочастотных колебаний, многовходового элемента И и компаратора, вход которого соединен с первым переключателем, а выход подключен к первому входу многовходового элемента И, вторым входом соединенного с первым входом первого счетчика и через второй переключатель - с его выходом, выход высокочастотного генератора подключен к третьему входу многовходового элемента И, четвертый вход которого соединен с генератором, и к второму входу первого счетчика, выход многовходового элемента И через последовательно соединенные второй счетчик и регистр, вторыми входами, подключенными к выходу генератора, подключен к входу блока коммутации, выход которого соединен с управляющим входом матрицы резисторов, соединенной с одной из обмоток датчика силы.

РИСУНКИ

Рисунок 1