Сейсмометрическое устройство

 

Изобретение относится к техни- , ческой физике и может быть использовано для морских сейсмологических исследований. Цель изобретения - расширение области применения сейсмометрического устройства путем увеличения динамичёско .о диапазона на инфранизких частотах, благодаря выполнению прерывателя резисторы подключаются либо к общей шине, либо к входам парафазных усилителей. Синхронизатор вырабатывает на выходе прямоугольные электрические импульсы , которые поочередно подключают по входу через мультиплексор и фильтр к входам регистрирующего канала. Функцией фильтра является сглаживание высокочастотной составляющей коммутационных помех, вносимых мультиплексором . Таким образом, при нали- , чии периодической коррекции нулевых уровней усилителей осзществляется непрерьшная регистрация сейсмосигнала от пьезоэлектрических или пьезорезистивных первичных приемников с симметричными выходом в инфранизкочастотном диапазоне и по постоянному току. Это достигается сочетанием режима временного мультиплексирования аналоговых сигналов с прерывистой синхронной периодической подстройкой нулевых уровней усилителей по постоянному току активными компенсационными каналами параллельного типа по дополнительной паре входов парафазного усилителя при неотключаемой цепи обратной передачи типа мостового согласованного четырехполюсника. Весь тракт передачи сигнала от первичного приемника до регистратора не имеет частотноразделительных реактивностей и позволяет расширить область применения с высокой разрешающей способностью вплоть др нулевых частот. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. I (Л N9 00 Kl

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСН ИХ

РЕСПУБЛИК (я)4 G 01 V 1 22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOIVIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3800994/24-25 (22) 15.10.84 (46) 23.12.86. Бюл. 9 47 (72) М.Н. Кормщиков, В.В. Меер, В.И. Нестеров, К.П. Тиханович и В.А. Яковлев (53) 550.83(088.8) (56) Патент США Ф 3939468, кл. 340/7, С 01 V 1/00, 1976.

Авторское свидетельство СССР

В 1000970, кл. С 01 V 1/22, 1983. (54) СЕЙСМОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для морских сейсмологических исследований. Цель изобретения— расширение области применения сейсмометрического устройства путем увеличения динамически,о диапазона на инфранизких частотах. Благодаря выполнению прерывателя резисторы подключаются либо к общей шине, либо к входам парафазных усилителей. Синхронизатор вырабатывает на выходе прямоугольные электрические импульсы, которые поочередно подключают по входу через мультиплексор и фильтр к входам регистрирующего канала.

„„Я0„„1278740 A 1

Ф ункцией фильтра является сглаживание высокочастотной составляющей коммутационных помех, вносимых мультиплексором. Таким образом, при наличии периодической коррекции нулевых уровней усилителей осуществляется непрерывная регистрация сейсмосигнала от пьезоэлектрических или пье" эорезистивных первичных приемников с симметричными выходом в инфранизкочастотном диапазоне и по постоянному току. Это достигается сочетанием режима временного мультиплексирования аналоговых сигналов с прерывистой синхронной периодичесФ кой подстройкой нулевых уровней И усилителей по постоянному току активными компенсационными каналами параллельного типа по дополнительной паре входов парафаэного усилителя при неотключаемой цепи обратной передачи типа мостового согласованно- го четырехполюсника. Весь тракт пе- "® редачи сигнала от первичного приемни" Ь ) ка до регистратора не имеет частотноразделительных реактивностейи поэво-, Я) . ляет расширить область применения с вы- а 1 сокой разрешающей способностью вплоть ф до нулевых частот. 2 э.п. ф-лы, 2 ил.

1278740

Изобр» гс ние отногнтся к технической физике н может бь1ть преимушестненно использовано цля морских сейсмологических исследований, а также может найти применение в аппаратуре для тенэометрии и гидрофизических исследований.

Современный уровень технических средств для сейсмометрии позволяет принимать по гидроканалу слабые сейсмосигналы от искусственных ис точников зондирования .в частотном диапазоне с нижней границей 2,5-5 Гц.

Усилительные тракты соответствующей сейсмоиетрической аппаратуры строятся для повьппения помехозащищенности и расширения динамического диапазона по схемам дифференциальных усилителей переменного тока с разделительными конденсаторами или .сейсмотрансформаторами, что позволяет не усиливать смещения нулевого уровня усилительных каскадов по постоянному току и ограничивает ниж\ нюю границу частотного диапазона.

В то же время задача построения телеметрической аппаратуры для про" гнозиронания низкочастотных волн от естественных источников, например, типа цунаии, или для непрерывных сейсмологических наблюдений требует расширения нижней границы частотного диапазона до десятых и сотых долей герца, а иногда и вплоть др нулевых частот (телеметрия гидростатического фона давлений и сопутствующих гидрофизических параметров).

Это может быть технически реализовано только в дифференциальньгк усилительных трактах постоянного тока, но при этом наряду с полезным сигналом неизбежно усиливаются начальные напряжения каскадов с их тепловыми и временными дрейфами, частотно неотделимые от слабых полезных сигналов и превьппающие их по величине.

Тем самым резко ограничивается динамический диапазон сейсмометрических устройств н инфранизкочастотной области.

Цель изобретения — расширение области применения сейсмометрического устройства путем увеличения динамического диапазона на ннфранизких частотах.

На фиг. 1 .приведена структурная схема предлагаемого сейсмометрического устрой".òâë; на фиг. 2 - фраг10

SO ..усилителей 3 и резисторами 2 прямой передачи сигнала, а попарно объединенными управляющими входами — к первому 20 и второму 21 выходам синхронизатора 22, третий выход 23 которого подключен к управлякяцему нходу

18 мультиплексора 12.

Каждый парафаэный усилитель снабжен дополнительными входами 24 и 25, И

И

45 мент схемы, пояснякнцнй выполнение ее основных узлов.

Сейсмометрическое устройство

{фиг. 1) содержит по меньшей мере один первичный приемник 1 сигнала с симметричным выходом, по меньшей мере две пары резисторов 2 прямой передачи сигнала, по меньшей мере два симметричных четырехполюсника, каждый из которых выполнен в виде парафаэного усилителя 3 постоянного тока, охваченного по каждой паре основных входов 4 и 5 и выходов б и 7 двумя цепями отрицательной обратной связи в виде резисторов обратной передачи, разделенных на две час" ти 8 и 9, между которыми включен резистивный двухполюсник 10, а также по меньшей мере один регистрирующий канал .11, между входом которого и выходами 6 и 7 усилителей 3 включено последовательное соединение мультиплексора 12 и фильтра 13 нижних частот. Первичный приемник 1 может быть выполнен в виде двухполюсного изолированного пьезоэлектрического датчика или н виде мостового датчика на основе пьеэо- или тенэорезисторон.

Сейсморегистрирующий канал 11 может быть выполнен, например, н виде известного последовательного соединения устройства выборки — хранения, кодирующего преобразователя, линии передачи и цифрового накопителя на магнитном носителе. Мультиплексор 12 в простейшем случае представляет собой двойной двухпозиционный электронный ключ, а фильтр 13 выполняется по любой из известных схем апериоди-, ческих активных фильтров на основе операционного усилителя. Мультиплексор 12 снабжен сигнальными входами

14 и 17, а также управляющим входом 18. 1

Кроме того, схема содержит по меньшей мере четыре прерывателя 19 сигнала, которые включены своими сигнальными входами и выходами между соответствующими основными входаии

1278740 которые соединены с соответствующими выходами 6 и 7 через канал 26 периодической компенсации нулевого уровня. Стробирующие входы упомянутых каналов 26 попарно соединены и .подключены к соответствующим выходам 20 и 21 синхронизатора 22.

Карый парафазный усилитель 3 выполнен (фиг. 2), например, в виде двух операционных усилителей 27, инвертирующие входы которых служат основными входами 4 и 5, а неинвертирующие входы — дополнительными входами 24 и 25 усилителя 3. Каждый канал 26 периодической компенсации нулевого уровня выполнен в виде последовательного соединения аналогового усилителя инвертора 28, вход которого служит входом канала 26 и

20 аналогового запоминающего устройства 29, выход которого служит выходом канала 26, усилитель — инвертор

28 выполнен по известной схеме операционного усилителя 30, охваченного цепью отрицательной обратной связи через резисторы 31 и 32, а аналоговое запоминающее устройство 29 — по одной из известных схем выборки-хранения на основе запоминающего конденсатора и ключа или на основе известных микросхем серии 1100. Стробирующие входы каналов 26 подключены (фиг. 2) к первому выходу 20 синхронизатора 22.

Каждый прерыватель 19 выполнен в виде трехполюсника, между входом и выходом которого включен первый электронный ключ 33, между входом и об,«щей шиной - второй электронный ключ

34, а между выходом и нулевой шиной — третий электронный ключ 35.

Электронные ключи могут быть выполнены в виде соответствующих микросхем серии 564. Управляющие входы ключей 34 и 35 соединены, а точка их соединения служит, управляющим входом прерв|вателя и подключена к управляющему входу ключа 33 через логический инвертор 36 (либо к инверсному эквиваленту выхода 20). Подобное по50 строение коммутатора обеспечивает при замыкании ключей 34 и 35 двухсторонне низкое выходное сопротивление прерывателя по входу и выходу, развязанным через большое сопротив55 ление разомкнутого ключа 33. Синхронизатор 22 может быть выполнен по известной структуре последовательного соединения накопительного счетчика и дешифратора его состояний, реализу-емой на микросхемах серии 564.

Состав сейсмоприемного устройства .

«!а фиг, 1 представлен в минимальной совокупности признаков для обработки сигнала от одного первичного приемника, т.е. в однокальном варианте.

Для и первичных приемников количество структурных узлов, предшествующих регистрирующему каналу 11 должно быть увеличено в п раз, а блок снабжается соответствующим мультиплексором каналов, к входам которого подключаются усилительные структуры (фиг. 1), а мультиплексор каналов и его логика выполняются по известным принципам временного уплотнения каналов и реализуются, например, на микросхемах серий 564, 504 и других.

Сейсмометрическое устройство работает следующим образом.

Благодаря выполнению прерывателя 19 (фиг. 2) резисторы 2 подключаются либо к общей шине (нулевому потенциалу), либо к входам 4 и 5 парафазных усилителей 3, находищимся при наличии резистивной цепи обратной передачи (8-10) под квазинуле-,вым потенциалом. Поэтому оба выхода первичного приемника 1 сигнала находятся при любых состояниях прерывателей 19 под одинаковыми токовыми и резистивными нагрузками, что не приводит к нагрузочным дисбалансам приемника 1 при изменении состояния прерывателей 19. Синхронизатор 22 вырабатывает на выходе 23 поток прямоугольных электрических импульсов со скважностью q=2 кото- рые гоочередно подключают по входу

18 через мультиплексор 12 и фильтр

13 к.входам регистрирующего канала

11 выходы 6 и 7 то одного, до другого усилителей 3. Функцией фильтра

12 является сглаживание высокочастотной составляющей коммутационных помех, вносимых мультиплексором

12 и практически не искажающих спектр полезного сигнала и в инфранизкочастотной и низкочастотной областях.

На выходах 20 и 21 синхронизатор 22 вырабатывает 2 кратковременных (до 50 мкс) электрических импульса за один период коммутирующего сигнала на выходе 23, причем таким образом, что когда через мультиплексор

12 передаются сигналы с его входов

1278740

16 и 17 (фиг. 1), импульс вырабатывается на выходе 20, а когда через мультиплексор 12 передаются сигналы с,его входов 14 и 15, импульс вьграбатывается на выходе 21.

Каждый иэ импульсов с выходов 20 и 21 кратковременно прерывает подачу сигнала от приемника 1 на соответствующий усилитель 3 и переводит последний,посредством включения пары ,каналов 26 компенсации в режим из+ мерения текущего значения приведен-. ного напряжения смещения нулевого уровня. За счет временного уплотнения сигналов усилителей 3 посредством мультиплексора ожидаемый сигнал отключенного усилителя 3 копируется на выходе фильтра 13, т.е. .непрерывно поступает на регистра" цню в канал 11.Измерение и запоминание приведенного сигнала нулевого уровня усилителя 3 осуществляется следующим образом. При выключении прерывате" ля 19 происходит отключение от первичного приемника, а усилитель 3 оказывается охваченным цепью отрицательной обратной связи через малое выходное сопротивление открытого ключа 55 и цень обратной передачи

8-10 ао входам 4 и 5, а также вто. рой цепью отрицательной обратной связи,через канал 26 периодической компенсации по входам 24 и 25. Действие второй цепи отрицательной обратной

35 связи существенно доминирует вследствие того, что выходное сопротивление ключа 35 значительно меньше .сопротивлений резисторов 8 и 9. Поэтому практически полностью исключается взаимное влияние выходов 6 и 7 друг на друга через резистор 10; необходимое при пропускании полезного сиг ыла для режекции синфазного сигнала приемника 1 по постоянному току, и для операционных усилителй 27 возможно практически раздельное измерение напряжений приведенного смещения нуля посредством каналов 26

50 без отключения общей цепи обратной передачи 8-10. Прн включении стробирующим сигналом соответствующего аналогового запоминающего устройства 29 на отслеживание (выборку) на входе 24 (или 25) выбаратывается

Ф напряжение ф см приведенного смещения нуля соответствующего операционного усилителя 27 причем усилитель

28, обеспечивая режим отрицательнгй обратной связи, увеличивает своим усилением точность выработки 6 см в условиях неотключаемой цепи обратной передачи 8-10. По окончании стробирующего сигнала запоминающее устройство 29 хранит запомненный сигнал, компенсирует собственное е см усилителей 27 и позволяет осуществить усиление полезного сигнала без соответствующего усиления 6 см.

Совокупность отличительных признаков позволяет при наличии периодической коррекции нулевых уровней усилителей осуществить непрерывную регистрацию сейсмосигнапа от пьеэо" электрических или пьезорезистивных первичных приемников с симметричным выходом в инфранизкочастотном.диапазоне и по постоянному току. Это достигается укаэанным сочетанием режима временного мультиплексирования аналоговых сигналов с прерывистой синхронной периодической подстройкой нулевых уровней усилителей.по постоянному току активными компенсацион- ными каналами параллельного типа по дополнительной паре входов парафаэного усилителя при неотключаемой цепи обратной передачи типа мостоного. согласованного четырехполюсни" ка,(8-10). Весь тракт передачи сигнала от первичного приемника до регистратора ие имеет частотнораэделнтельных реактивностей и позволяет расширить область применения с высокой разрешающей способностью (большим динамическим диапазоном) вплоть до нулевых частот, т.е. беэ ограничений на тип первичного приемника с симметричным выходом.

Предлагаемое устройство реализуется для диапазона полезного сигнала 0 2000 Гц с динамическим диапазо- .

НоМ в одноступенном парафазном усилении не менее 60 дБ, достигаемое подавление сигнала смещения нуля усилителей составляет не менее 95 дБ.

Верхний предел частоты входного сигнала зависит только от частотных свойств усилителей 27 и 30 и мультиплексора 12.

Формула изобретения

1. Сейсмометрическое устройство, содержащее по меньшей мере один первичный приемник сигнала с симметрич7 1278 кым выходом, по меньшей мере дн пары резисторов прямой передачи сигнала, по меньшей мере дна симиетричных четырехполюсника, каждый из,которых выполнен в виде парафаэного уси-. 5 лителя постоянного тока, охваченного по каждой паре основного входа и выхода цепью отрицательной обратной связи н виде резисторов обратной передачи, разделенных на две части, между кото-f0 рыми включен двухполюсник, а также по меньшей мере один регистрирующий . канал, вход которого электрически связан с выходами каждого четырехполюсника, причем первые выводы каждой пары резисторов прямой передачи электрически связаны со входами соответствующего четырехполюсника, а вторые выводы одной пары резисторов прямой передачи подключены к выводам 20 симметричного выхода первичного приемника, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения области

° применения путем увеличения динами. ческого диапазона на инфранизких частотах, оно содержит по меньшей мере четыре прерывателя сигнала, мультиплексор, фильтр нижних частот и синхронизатор, а каждый двухполюсник выполнен в виде резистора, каждый па-30 рафаэный усилитель снабжен двумя каналами периодической компенсации нулевого уровня, каждый нз которых включен между выходом парафазного усилителя и его соответствующим до- 35 полннтельным входом, при этом электрическая связь выходов четырехполюсника с входом регистрирующего канала выполнена через последовательное соединение мультиплексора и фильтра 40 посредством подключения сигнальных входов мультиплексора к выходам четырехполюсников, выхода фильтра— к входу регистрирующего канала, а электрическая связь первого вывода 45 каждого резистора прямой передачи с соответствующим входом четырехполюскккк кьпк>лкек.3 чеp(3 прсрынкт чь, первые выводfl другой пары резисторов прямой передачи подключены к соответствующим выводаи первичного приемника, а управляющие выводы первого и второго прерынателей соединены со стробирующими входами одной пары каналов компенсации и подключены к первому выходу синхронизатора, управляющие входы третьего и четвертого прерывателей соединены со стробирующими входами другой пары каналов компенсации и подключены к нэ орому выходу синхронизатора, третий вы-. ход которого подключен к управляющему входу мультиплексора.

2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что каждый парафазный усилитель выполнен в ниде двух операционных усилителей, инвертирующие и неинвертирующие вхо-. ды которых соответственно служат основными и дополнительными входами парафазного усилителя, а каждый канал периодической компенсации выполнен в виде последовательного соеди» кения аналогового усилителя инвертора, вход которого служит входом канала, и аналогового эапоминающфго устройства, выход которого служит выходом канала компенсации. 3. Устройство norm! и 2, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что каж-. дый прерыватель сигнала выполнен н виде трехполюсннка, между входом и выходом которого включен первый электронный ключ, между входом и общей шиной — второй электронный ключ, между выходом и,общей шинойтретий электронный ключ, причем управляющие входы второго н третьего ключей соединены, а точка их соединения служит управляющим входом прерывателя и подключена к управляющему входу первого ключа через логический иннертор.

Составитель В. Зверев

Редактор И. Горная Техред Л.Олейник Корректор Г. Решетник

Заказ 6830/42 Тираж 728 Подписное

ВНИКНИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4