Электродинамический преобразовательный блок сейсмоприемника ускорений

 

Изобретение относится к геофизическому приборостроению, а также может быть использовано в вибротехнике. Цель - расширение частотного диапазона преобразуемых ускорений перемещений и увеличение показателя преобразования. Введением вторых полюсных наконечников и переносом в кольцевой воздушный зазор, образованный ими, проводящего кольца уменьшается индуктивная связь между этим кольцом и обмоткой. Приведенные соотношения конструктивных параметров обеспечивают возможность расчета оптимальной конструкции преобразовательного блока с минимальными размерами . 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s 6 01 V 1/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4746459/25 (22) 06.10.89 (46) 15.03.92. Бюл. № 10 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт геофизических методов разведки (72) А. В. Рыжов (53) 550.83(088.8) (56) Патент США ¹ 4412317, кл. Н 04 P 11/00, 367/185, опублик. 1984, Патент США ¹ 4663747 кл.G 01 V 1/16, 367/178. опублик 1987.

Токмаков В. А. О сейсмических приборах с большим затуханием, — В кн.: Сейсмические приборы. M.,Вып. 10. 1977, с. 5 — 10. (54) ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪНЫЙ БЛОК СЕЙСМОПРИЕМНИКА УСКОРЕНИЙ

Изобретение относится к геофизическому приборостроению, а также может быть использован в вибротехнике.

Известен электродинамический акселерометр без индуктивной связи сигнальной и управляющей обмоток, так как они расположены в двух отдельных магнитных системах.

Обмотки катушки установлены в корпусе.

Узел из магнитных систем является инерци- онным элементом акселерометра. Сигнал, пропорциональный скорости относительного перемещения обмотки и магнитной системы, поступает в уп ра зля ющую обмотку от усилителя. Необходимость источника питания является недостатком акселерометра.

Известен геофон, воспринимающий ускорения перемещения грунта. Инерционным элементом геофона является проводящее

„, Ы„, 1720037 Al (57) Изобретение относится к геофизическому приборостроению, а также может быть использовано в вибротехнике. Цель — расширение частотного диапазона преобразуемых ускорений перемещений и увеличение показателя преобразования.

Введением вторых полосных наконечников и переносом в кольцевой воздушный зазор, образованный ими, проводящего кольца уменьшается индуктивная связь между этим кольцом и обмоткой. Приведенные соотношения конструктивных параметров обеспечивают возможность расчета оптимальной конструкции преобразовательного блока с минимальными размерами. 2 ил. кольцо, расположенное в двух воздушных зазорах дифференциальной магнитной системы. Обмотки катушки расположены в тех же 4 воздушных зазорах магнитной системы. Вихревые токи, возникающие в проводящем () кольце при относительном перемещении магнитной системы и проводящего кольца, наводят в обмотках ЭДС, пропорциональную ускорению относительного перемещения. Недостатком геофона является то, что сигнал на выходе геофона пропорционален,3 ускорению перемещения, начиная с собственной частоты геофона, а до собственной частоты выходной сигнал пропорционален четвертой степени относительного перемещения. Кроме того, показатель преобразования геофона на порядок меньше показателей преобразования известных геофонов.

1720037

Наиболее близким по техническому решению является электродинамический сейсмометр, воспринимающий низкочастотные ускорения переме(цений поверхности земли. Электродинамический преобразователь сейсмометра содержит магнитную систему, инерционный элемент, выполненный в виде катушки с проводящим кольцом и обмоткой, и две пружины, соединяющие катушку с магнитной системой, Магнитная система состоит из постоянного магнита с выбранными параметрами, из полюсного наконечника, установленного на постоянном магните, из магиитопровода, из полюсного наконечника, установленного в магнитопроводе, совпадающего по длине с первым полюсиым наконечником и образующего с ним кольцевой воздушный зазор.

Катушка расположена в кольцевом воздушном зазоре симметрично относительно длины полюсных наконечников. Недостатком сейсмометра является то, что его коэффициент преобразования на высоких частотах уменьшается из-эа наличия индуктивной связи между проводящим кольцом и обмоткой, намотанной на ием.

Цель изобретения — расширение частотного диапазона преобразуемых ускорений перемещений электродииамического преобразовательного блока сейсмоприемника ускорений и увеличение его показателя преобразования. Поставленные цели достигаются тем, что в электродинамическом преобразовательном блоке сейсмоприемиика ускорений, содержащем магнитную систему, состоящую из постоянного магнита с выбранными диаметром — D, длиной—

1, напряженностью Н и магнитной индукцией- В в точке, соответствующей максимуму удельной магнитной энергии на кривой удельного магнитного потока, отдаваемого постоянным магнитом в воздушный зазор, из одного полюсного наконечника, установленного на постоянном магнитопроводе, из одного полюсного наконечника, установленного в магнитопроводе концентрично и совпадающим по длине — 1 с полюсиым наконечником, размещенным на постоянном магните. и образуащего с ним кольцевой воздушный зазор, механическое колебательное звено, состоящее из катушки с проводящим кольцом и обмоткой, раСположенной в кольцевом воздушном зазоре симметрично по обе стороны длины полюсиых наконечников, и из двух пружин, соединяющих катушку с. магнитной системой, в нем установлены на постоянном магните и в магнитопроводе вторые полюсные наконечники, аналогичные первым, и в кольцевом воздушном зазоре которых расположено проводящее кольцо, при этом конструктивные параметры электродииамического преобразовательного блока определяются следующими соотношениями

5 y„WRq, 1 (g+д (ц, И(саабIt

2 Ьаи пн

BD

15 2.Ы. Ь йР.н (.— 1 где Л вЂ” длина кольцевого воздушного зазора; ,ио-1,256 х10 6 Ги/м — магнитная прони20 цаемость воздуха;

q= 0,92 — коэффициент. использования квадрата магнитной индукции, распределенной в воздушном зазоре на длине проводящего кольца;

25 ° x =3,1415; р- удельное сопротивление материала проводящего кольца катушки;

f> — собственная частота электродинамического преобразовательного блока сей30 смоприемиика ускорений; д — плотность материала проводящего кольца катушки; д =2,5-2,8 для катушки с обмоткой из медного провода и д =2,25 — 2,5 для катушки

35 с обмоткой из алюминиевого провода;

F —. желаемый частотный диапазон ускорений перемещений;

t — толщина стенки полюсного наконечника:

® Влн — допустимая магнитная иидукция материала полюсного наконечника;

y --1,25 — коэффициент, связывающий L и длину полюсного наконечника "в";

L — длина проводящего кольца или об45 мотки катушки; я =1,25 — коэффициент, учитывающий нелинейное рассеивание магнитного потока; а1,2 — коэффициент, учитывающий ли50 иейное рассеивание магнитного потока в воздушном зазоре.

На фиг, 1 изображен электродииамический преобразовательный блок сейсмоприемиика ускорений; иа фиг. 2 — кривая распределения магнитной индукции в коль цевом воздушном зазоре.

Магнитная система электродииамического преобразовательного блока сейсмоприемиика ускорений (см, фиг. 1) состоит из

1720037 постоянного магнита 1, двух полюсных наконечников 2; магнитопровода 3 с двумя полюсными наконечникаМи 4. Фланец 5 соединяет полюсные наконечники 2 с магнитопроводом 3, Механическое колебательное звено электродинамического преобразовательного блока сейсмоприемника ускорений состоит из инерционного элемента- катушки

6, двух пружин 7, связывающих катушку с магнитной системой, электромагнитного демпфера — проводящего кольца 8 катушки, размещенного в кольцевом воздушном зазоре магнитной системы. Обмотка 9 катушки, расположенная в кольцевом воздушном зазоре магнитной системы, является электродинамическим преобразователем.

Геометрические параметры постоянного магнита и конструктивные параметры электродинамического блока сейсмоприемника ускорений имеют следующие обозначения:! и D — длина и диаметр постоянного магнита; Л- длина кольцевого воздушного зазора магнитной системы; L- длина обмотки (или проводящего кольца) катушки; В— длина полюсного наконечника; а — длина зазора между полюсными наконечниками и катушкой; t — толщина стенки полюсного наконечника; r — длина стенки полюсного наконечника.

На фиг. 2 изображена кривая 10 распределения магнитной индукции в кольцевом воздушном зазоре.

На фиг. 2 обозначено: Bm — максимальное значение магнитной индукции в кольцевом воздушном зазоре; n — отношение магнитной индукции, действующей на краях обмотки (или проводящего кольца), к максимальному значению магнитной индукции в воздушном зазоре; S — та длина воздушного зазора, на которой значение магнитной индукции возрастает от nBm да Bm.

Электродинамический преобразовательный блок сейсмоприемника ускорений работает следующим образом.

Механическое колебательное звено преобразует колебательнь<е перемещения магнитной системы, связанные с исследуемым объектом, в колебательные перемещения магнитной системы относительно инерционного элемента — катушки. Электродинамический преобразователь — обмотка катушки, размещенная в кольцевом воздушном зазоре магнитной системы, преобразуетотносительные колебательные перемещения магнитной системы и катушки в напряжение.

Как известно, передаточная функция электродинамического сейсмоприемника без учета индуктивной (трансформаторной) связи между каркасом и обмотками и без подключения шунта выражается формулОй

Е1 р Tp Kn. г р Х» 1 + рг т + 2 р го р где E> — ЭДС на выходе обмотки; р- оператор(р=) м), с) — круговая частота;

X» — перемещение корпуса;

tc, — постоянная времени, равная единице, деленной на собственную частоту сейсмоп риемника;

Kn — коэффйциент преобразования;

P — степень затухания.

Обычно в электродинамическом сейсмоприемнике степень затухания равна от

0,5 до О,б.

Если степень затухания увеличить до значения, превышающего единицу, то колебательное звено сейсмоприемника выродится в два апериодических звена и передаточная функция вы ражается формулой

20 < Р "okn

И хк t .< p< (Pi P Д(,,р,())

В том случае, когда степень затухания больше единицы, сейсмоприемник

25 воспринимает вторую производную перемещения корпуса в диапазоне частот от

t, l <<+ ф — < до t, I << — ф — <

Это положение справедливо тогда, ког30 дэ верхняя частота частотного диапазона не и ревь< шает первой сотни герц. Существующая трансформаторная связь между обмоткой и проводящим кольцом катушки нарушает соотношение, выраженное по35 следней формулой. ЭДС на выходе обмотки выражается формулой:

E-Е1+Н 1г где Š— ЭДС на выходе обмотки с учетом индуктивной связи;

40 Е1 — ЭДС на выходе обмотки без учета индуктивной связи;

Е1г — ЭДС, наводимая короткозамкнутым проводящим кольцом на обмотку.

Еа определяется формулой

WÄ P q и. л у л 1+ л где Ег — ЭДС, развиваемая короткозамкнутым проводящим кольцом;

W1 — количество витков обмотки;

W2=1 — один виток и роводящего кольца; тг — постоянная времени проводящего кольца.

Подставив выражение Etz в предыду55 щую формулу, получи ,n„ л

Известно, что

1720037,,, (— ";,) ав где L>, 2 — индуктивности обмотки и каркаса катушки; 5

R2 — сопротивление короткозамкнутого каркаса.

Сопротивление R2 найдем из формулы, определяющей степень затухания, обеспечиваемую короткозамкнутым кольцом: 10

Иывт,йв 2ест,й

Подставив найденное выражение Rz в формулудля определения т и затем найден- 15 ное выражение т в формулу для определе. ния Е, получим

Е, Е

ыв в, y ) и„, 20

В формуле не учтено явление зависимости индуктивностей L1 и 2 от частоты. На высоких частотах возникают потери ввиду того, что полюсные наконечники преобразо- 25 вательного блока выполнены сплошными, Подставив в формулу вместо Е> его выражение из передаточной функции сейсмоприемника, получим влвй 30 (

Формула показывает то, что при больших значениях степени затухания Р частотный диапазон приема ускорений Э5 перемещений может сократиться до верхней частоты, равной

Я

Кл, И

° Е» в.рЬ, 40

Частотный диапазон электродинамического преобразовательного блока сейсмоприемника ускорений находится в пределах от частоты, равной Wo /P + g — 1, до частоты, равной Wo /P — jP -1, или тв сов / <4йй-т

l °

Э

Ев .4Р*-7 Ов 50 где F — частотный диапазон;.

f» и f — верхняя и нижняя частоты частотного диапазона.

Решив уравнение относительно степени затухания Р, получим

2 (Р)

Собственная частота fo связана с fe и f< уравнениями.

=f F, в

М

В предлагаемом техническом решении индуктивная связь между проводящим кольцом и обмоткой уменьшена по крайней мере на порядок тем, что обмотка и проводя щее кол ьцо катуш ки размещен ы в разных кольцевых воздушных зазорах.

Малые значения нелинейных искажений обеспечиваются тем, что концы обмоток катушки располагаются на линейных участках распределения магнитной индукции в кольцевом воздушном зазоре, имеющих одинаковый наклон.

Найдем зависимость конструктивных параметров электродинамического преобразовательного блока сейсмоприемника (длины воздушного зазора — Л, длины обмотки и проводящего кольца катушки — L) от задаваемых параметров постоянного магнита (длины — I диаметра — D, магнитной индукции — В и напряженности магнитного поля в точке, соответствующей максимуму удельной магнитной энергии, отдаваемой магнитом в воздушные зазоры — Н) от плотности каркаса и обмотки, от проводимости кольца и от желаемого частотного диапазона.

При этом

В - > Е., . 4 l

Н . 2Ь где В, Н,,ио, Л 1, 0 — определены ранее, а

S L =л0,р1 ае =л0(1+

2Е+Л

)Lae, где о — коэффициент, учитывающий нелинейное рассеивание магнитного потока; а- коэффициент, учитывающий линейное рассеивание магнитного потока.

Подставив выражение $ в предыдущую формулу, после преобразований найдем зависимость L от других параметров

BD (г

2и, Н1(1+ )ае

2 т+Л

Коэффициент е является отношением полного магнитного потока, протекающего через весь объем воздушного зазора и ограниченного кривой 10 на фиг. 2, к магнитному потоку, ограниченному не заштрихованной трапецией на фиг. 2.

Значение коэффициента е для цилиндрических магнитных систем- с внутренним магнитом и двумя полюсными наконечниками (на магните и магнитопроводе) равно приблизительно 1,25 т. е. е =1,25.

1720037

Коэффициент Q является отношением магнитного потока, определяемого распределением магнитной индукции в виде тра-. пеции на фиг. 2, к тому магнитному потоку, который бы протекал через проводящее 5 кольцо (или обмотку катушки), если бы магнитная индукция имела прямоугольное распределение. Магнитный-поток, определяемый распределением магнитной индукции в воздушном зазоре в виде трапеции на 10 фиг. 2, равен

g 6(и,нЫЕу ф—

- и 4В „„Ь

Для рассматриваемых цилиндрических 20 магнитных систем с полюсными наконечниками на магните и магнитопроводе S=1 мм.

Тот магнитный поток, который бы протекал через проводящее кольцо, если бы магнитная индукция имела прямоугольное распре- 25 деление. равен получим. (D+&l tu ° Нблооо

BD 2&ел D& ь„, вл. лл|

4B«&

Коэффициент а равен

Тогда

ФР 1+ S-. 2п — 1

Ф(р 1 1 — п

Вр

4L(1+ )ae

Для цилиндрических магнитных систем с полюсными наконечниками на магните и магнитопроводе коэффициент а равен а =1,2.

В формуле для определения 1 остались 40 неизвестными Ли t.

Формулу, выражающую зависимость толщины стенки полюсного наконечника с от Ли известных параметров, найдем, ре- 45 шив следующую систему. уравнений

2P2

2(р.с11 „е- —" ь&

BD

Ь Ь

2(M Í2I Р 1ебГ

50,(B (x ) d X

2 о

В2L

Непосредственно из фиг. 2 найдем, что у = =1,25

L (— 1 (И &) Впн-пбп, (,-2&+(,-2& ие Р< Р Ь 2

После упрощения получим где r-длина стенки полюсного наконечника (см, фиг. 1); у- отношение L к Ь, равное

Первое уравнение системы уравнений определяет ту часть магнитного потока, действующего на выходе постоянного магнита, которая протекает через толщину стенки полюсного наконечника.

Второе уравнение получено заменой на В в выше приведенном уравнении для определения L.

Решив систему уравнений относитель-. но t, получим

Так как второе слагаемое, стоящее под знаком корня значительно меньше единицы, то используя известное уравнение от+а = 1 + —, после преобрееоеении а

Известно, что весь магнитный поток, вытекающий из торца постоянного магнита, проходит через воздушный зазор, т. е.

Степень затухания электродинамического преобразовательного блока зависит от квадрата магнитной индукции, распределенной в воздушном зазоре надлине проводящего кольца.

Распределение магниткой индукции

В(х) на длине проводящего кольца; равной

L, моЖно найти из фиг, 2. Определим квадрат коэффициента использования квадрата распределения магниткой индукции на длине L, как отношение квадрата распределения магнитной индукции на длине L к Bm

2 т. е. (в

t IP(x)dx ((„е., ." " л„ о (-2в

--5 ет) (L

i720037

q.=0,92

20 к В, 1 1.

J3.

Zrn(DoR» fR foRx ном магните, из магнитопровода, из одного

30 полюсного наконечника, установленного в, .6ч ° Й,Ч,»В ч, ° И,ч, °

- (—,") (-0(т"- -"т+

-k;g(t. t d)id(- —;)a) р,н( а)»1 2(Г)

tg.gt»,нимбу

BD 26„„Dd

ja bP.Н»КE.f / »» ав -ь

gt»d

2 Я, И (К Е (1 — ð ) После вычислений получим

Тогда коэффициент q равен

Для цилиндрических магнитных систем с двумя полюсными наконечниками коэффициент равен. Степень затухания электродинамического преобразовательного блока, как известно, равна: где 1 = X 0(1+

2т+Л

) — длина средней линии проводящего кольца;

m — масса катушки;

К вЂ” сопротивление проводящега кольца катушки.

Сопротивление проводящего кольца катушки, как известно, определяется по формуле:

1к

Rg =p

Бк где р- удельное сопротивление материала кольца;

SK — площадь сечения проводящего кольца, определяемая по формуле:

S, =Lb,(1 — — }, Ь

Масса катушки складывается из массы обмотки, проводящего кольца, цилиндра, соединяющего проводящее кольцо и обмотку, деталей крепления внешнего кольца пружины. где д, 02, дз, д4 — плотности проводящего кольца, обмотки, цилиндра, соединяющего проводящее кольцо и обмотку, деталей крепления пружины.

V, V2, Чз. V4 — объемы, занимаемые этими частями катушки.

Подставив в формулу для определения степени затухания найденные выражения дляД, L, В, q, Rg, m и решив относительно

2 2

4 получим

Ь т,6 po <(<.-) 35

Предлагаемое техническое решение позволяет создать тот электродинамический блок сейсмоприемника ускорений, который имеет наибольший показатель преобразования и наименьшие габаритные размеры для выбранных параметров постоянногомагнита и выбранного динамического диапазона воспринимаемых ускорений и перемещений исследуемых объектов, Электродинамический преобразовательный блок сейсмоприемника ускорений найдет применение при проведении сейсморазведочных работ по методу высокоразрешающей сейсморазведки и может быть использован в качестве контрольного прибора в вибросейсмических источниках колебаний.

Формула изобретения

Электродинамический преобразовательный блок сейсмоприемника ускорений, содержащий магнитную систему, состоящую из постоянного магнита с выбранными диаметром D, длиной 1, напряженностью Н и магнитной индукцией В в точке, соответствующей максимуму удельной магнитной энергии на кривой удельного магнитного потока, отдаваемого постоянным магнитом в воздушный зазор, из одного полюсного наконечника, установленного на постоянмагнитопроводе концентрично и совпадающего по длине L с полюсным наконечником, размещенным на постоянном магните, и образующего с ним кольцевой воздушный зазор, механическое колебательное звено, состоящее из катушки с проводящим кольцом и обмоткой, расположенной в кольцевом воздушном зазоре симметрично по обе стороны длины полюсных наконечников, и из двух пружин, соединяющих катушку с магнитной системой, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона преобразуемых ускорений перемещений и увеличения показателя преобразования, в нем установлены на постоянном магните и в магнитопроводе вторые полюсные наконечники, аналогичные первым, в кольцевом воздушном зазоре которых расположено проводящее кольцо, при этом конструктивные параметры электродинамического преобразовательного блока определяются следующими соотношениями:

13 t720037

14 где Ь- длина кольцевого воздушного зазора; ,ио-1,256. 10 Гн/м — магнитная проницаемость воздуха;

q-0,92 — коэффициент использования квадрата магнитной индукции, распределенной в воздушном зазоре на длине проводящего кольца;

p — удельное сопротивление материала проводящего кольца катушки;

Ь - собственная частота электродинамического преобразовательного блока сейсмоприемника ускорений; д — плотность материала проводящего кольца катушки;

0=2,5-2,8 для катушки с обмоткой из медного провода, Q=2,25-2,5 для катушки с обмоткой из алюминиевого провода;

F — желаемый частотный диапазон ускорений перемещений;

5 т — толщина стенки полюсного наконечника;

8» — допустимая магнитная индукция материала полюсного наконечника; =-1,25- коэффициент, связывающий L .

10 и длину полюсного наконечника b;

L. — длина проводящего кольца или об. мотки катушки; е =1,25 — коэффициент, учитывающий нелинейное рассеивание магнитного потока;

15 а =1,1-1,2 — коэффициент, учитывающий линейное рассеивание магнитного потока в воздушном зазоре.

1720037

Составитель А. Рыжов

Редактор М. Недолуженко Техред M,Ìîðãåíòàë

1:орректор О. Кравцова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 771 Тираж Подписное .

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5