Кондуктометрический датчик колебаний

 

Использование: при тензометрических измерениях, сейсморазведке, в инженерной сейсмологии. Сущность изобретения: чувствительный элемент датчика выполнен в виде полого герметичного корпуса, закрытого с торцов упругими мембранами. Он состоит из двух полостей, соединенных каналом, в котором расположены электроды, перекрывающие сечение канала и параллельные между собой и оси чувствительности, их с обеих сторон охватывают противоэлектроды. Полость корпуса заполнена токопроводящей жидкостью. Чувствительный элемент жестко закреплен в защитном корпусе, причем его надмембранные полости с помощью соединительного канала в кожухе свободно сообщаются друг с другом. Измерительные электроды и противоэлектроды выполнены из химически инертного материала. Токопроводящей жидкостью является электрохимическая редокс-система. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение предназначено для регистрации колебаний, преимущественно инфранизких частот, и может быть использовано при тензометрических измерениях и при исследовании на нфранизких частотах водной среды, верхних слоев атмосферы в сейсморазведке, инженерной сейсмологии, изучении землетрясений и цунами.

Известный кондуктометрический датчик, пригодный для регистрации инфранизких частот и тензометрии, представляет собой микроскопически однородное тело с электронной проводимостью, изменяющее свое сопротивление при разовом или периодическом изменении внешнего давления. Для регистрации изменения сопротивления тела в нем расположены два измерительных электрода. Тело выполнено литым из органического полимера, содержащего сопряженные ковалентные связи.

Недостатком этого датчика следует признать низкую точность измерений, связанную с большим временем релаксации сопротивления тела.

Изобретение представляет собой кондуктометрический датчик с ионной проводимостью, действие которого основано на изменении сопротивления электролита вблизи поверхности измерительных электродов, обусловленном внешними механическими колебаниями.

На фиг.1 изображен датчик в разрезе; на фиг.2 показано взаимное расположение электродов датчика.

Чувствительный элемент кондуктометрического датчика механических колебаний (КДМК) представляет собой устройство, цилиндрический корпус 1которого выполнен из химически стойкого материала (например, фторопласта) и герметично закрыт с торцовых сторон упругими мембранами 2 из химически стойкого эластичного полимерного материала (например, резины из фторкаучука). Корпус представляет собой две полости, соединенные друг с другом каналом 3. В канале вблизи друг от друга расположены два измерительных электрода (катоды К₁ и К₂) 4, которые полностью перекрывают его сечение. Предпочтительно в качестве измерительных электродов использовать диски в виде сплетенной сетки. Канал и измерительные электроды формируют ось чувствительности датчика, причем измерительные электроды располагаются в канале так, чтобы быть параллельными относительно друг друга, а также параллельными оси чувствительности датчика. Измерительные электроды с обеих сторон охватываются противоэлектродами (аноды А₁ и А₂) 5. Все электроды выполнены из химически стойкого проводящего материала (например, из металла платиновой группы). Внутренняя полость датчика заполнена токопроводящей жидкостью электролитом 6 (например, водным раствором иодистого калия с небольшой добавкой иода), при этом измерительные электроды, противоэлектроды и электролит образуют обратимую окислительно-восстановительную систему (редокс-систему). Чувствительный элемент датчика может быть жестко закреплен в защитном кожухе 7, причем для выравнивания давления в надмембранных пространствах 8 в нем выполнен специальный канал 9, обеспечивающий свободное сообщение обеих надмембранных полостей между собой. Датчик включается в электрическую цепь постоянного тока с напряжения порядка 0,5 В.

В отсутствие внешних механических колебаний через датчик течет фоновый ток. Внешнее механическое воздействие приводит к колебаниям электролита относительно измерительных электродов, благодаря чему происходит изменение подводимого к ним количества электроактивного вещества. В связи с этим изменяется электрическое сопротивление в приэлектродной области и в фоновом токе появляется переменная составляющая, частота которой соответствует частоте внешнего механического воздействия, а амплитуда пропорциональна амплитуде этого воздействия. Эта переменная составляющая фонового тока и является выходным сигналом датчика.

Из опыта практической работы следует, что упругость мембран, расстояние между электродами и характеристики электролита не могут быть охарактеризованы каким-либо диапазоном величин, так как в зависимости от характеристик регистрируемых колебаний, а также качества регистрирующей аппаратуры вышеупомянутые величины могут принимать практически любые значения.

Проверка работоспособности датчика проводилась на нескольких макетах, изготовленных в ИЭЛ РАН. Корпус чувствительного элемента этих макетов выполнен из фторопласта 4, мембраны из резины на основе фторкаучука СКФ-26 с акустической емкостью 10^-10 , измерительные электроды из платиновой сетки с размером ячейки 40х40 мкм и гидравлическим сопротивлением 10⁹ , в качестве электролита использован водный раствор 2 н КI + 0,1 н I₂, защитный корпус выполнен из силумина.

Датчики устанавливались на подвижной платформе вибростенда, которой задавались низкочастотные сейсмические колебания. Для проведения испытаний использовалась следующая аппаратура: низкочастотный вибростенд СЭХ-1, генератор шума, макеты КДМК, электрическая схема включения КДМК, быстродействующий самописец И-338.

Испытания проводились следующим образом. В отсутствие колебаний подвижной платформы записывался фоновый сигнал от КДМК. Затем подвижной платформе вибростенда задавались низкочастотные колебания и на самописце И-338 производилась синхронная запись сигнала как от контрольной катушки вибростенда, так и от КДМК. На фиг.3 приведена осциллограмма полученных записей, из которой видно, что обе записи идентичны.

Можно отметить ряд преимуществ вышеуказанного датчика перед приборами аналогичного назначения, основанными на других физических принципах: малые габариты и масса, высокая чувствительность в области инфранизких частот, высокая коррозионная стойкость, возможность использования одного и того же датчика в любой пространственной ориентации без переделок и переналадок, независимость чувствительности от ухода нуль-пункта. Благодаря указанным преимуществам, эти датчики могут быть весьма эффективно использованы в автономных скважинных системах в сейсмологии и сейсморазведке, при изучении землетрясений и цунами, при инфранизкочастотных исследованиях водной среды и т. д.

Формула изобретения

1. КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК КОЛЕБАНИЙ, содержащий чувствительный элемент с двумя измерительными электродами, отличающийся тем, что он содержит два противоэлектрода, охватывающие измерительные электроды с обеих сторон, и заполняющую внутреннюю полость герметичного корпуса токопроводящую жидкость, образующую с измерительными электродами и противоэлектродами электрохимическую редокссистему, чувствительный элемент выполнен в виде закрытого с торцов упругими мембранами полого герметичного корпуса, состоящего из двух полостей, соединенных каналом, формирующим с измерительными электродами ось чувствительности к механическим ускорениям, измерительные электроды выполнены проточными, перекрывающими сечение канала, и параллельными как между собой, так и оси чувствительности.

2. Датчик колебаний по п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент жестко закреплен в защитном кожухе, причем его надмембранные полости с помощью соединительного канала в кожухе свободно сообщаются друг с другом.

3. Датчик колебаний по п.1, отличающийся тем, что измерительные электроды и противоэлектроды выполнены из химически инертного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3