Многоканальный ультразвуковой сейсмоскоп

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистических

Республик о>894647 (63) Дополнительное к авт. свид-ву (51) м. кл.з (22) Заявлено 050580 (21) 2924205/18-25 с присоединением заявки N9

6 01 V 1/40

Государетаенный комнтет

СССР но делам нзобретеннй я открытий (23) Приоритет

Опубликовано 30.12,81 Бюллетемь Ж 48

Дата опубликования описания 30. 12 81 (53) УДК 550 ° 83 (088.8) (72) Авторы изобретения

О.В. Львов и В.И. Коптев 1"!0 с

„.Zhi l(Ai ьеВлМТ3%4

Всесоюзный ордена Ленина проектно-изыск и научно-исследовательский институт "Гидропроект" им. С.Я. Жука

{71) Заявитель! (54 ) МНОГОКАНАЛЬНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СЕЙСМОСКОП

Изобретение относится к области исследований и контроля физико-механических свойств и состояния горных пород при инженерно-геологических изысканиях, преимущественно на больших глубинах, например, в глубоких скважинах при строительстве подземных резервуаров.

Одним из перспективных направлений гидротехнического строительства в ближайшие годы является сооружение высоконапорных гидроаккумулирующих электростанций с подземными бассейнами глубокого заложения. Проектирование и строительство подземных резервуаров и других горных выработок не может. быть выполнено без знания величины и характера напряжений в горных породах на глубине заложения этих сооружений, т.е. порядка

1000-1500 м.

В настоящее время отсутствуют сейсмоскопы, позволяющие производить исследования на укаэанных глубинах с необходимой точностью и достоверностью.

Изучение напряженного состояния горных пород в скважинах малой глубины (50-500 м) производят одноканальными ультразвуковыми сейсмо2 скопами типа HDA-59 (1), УКВ 1 Р3 и УК-10п (3).

Эти приборы малопроизводительны ввиду того, что они имеют в своем составе один излучатель ультразвуковых колебаний и один приемник этих колебаний, прошедших через исследуемую среду.

Поэтому при использовании одноканальных сейсмоскопов приходится . переставлять ультразвуковые приемники при исследовании изучаемой среды из одной точки в другую и производить последовательно фотографирование одноканальных волновых процессов с экрана электроннолучевой труб .ки и только после фотообработки получать многоканальную запись.

Невозможность корреляции полезных

20 волн в процессе выполнения наблюдений снижает качество получаемых результатов и их достоверность, что вместе с низкой производительностью труда ограничивают сферу применения этих сейсмоскопов. Кроме того, их входные устройства исполнены таким образом, что исключают возможность подключения каротажного кабеля для исследования скважин на большой глу30 бине.

894647

Известен многоканальный ультразвуковой сейсмоскоп, разработанный в институте физики Земли АН СССР, в состав. которого входит задающий генератор, осуществляющий управление всеми блоками сейсмоскопа. Его импульсы поступают на два делителя частоты, которые делят частоту генератора в соотношении 1:2:4. Потенциалы генератора и двух делителей частоты поступают на смеситель,где они складываются и подаются на усилитель сейсмоскопа, обеспечивая смещение луча при канальном переключении по оси У. Кроме того, импульсы с задающего генератора поступают на три генератора импульсов. Пройдя через собирательную схему, они, удвоенные по частоте, с одной стороны, через временную задержку поступают на генератор возбуждения ультразвуковых колебаний и с него на излучатель, а с другой стороны— на генератор коммутации каналов, с которого импульсы, пройдя делитель частоты, через диодную матрицу подключают к усилителю поочередно приемники ультразвуковых колебаний.

Для синхронизации коммутатора с разверткой осциллографического индикатора на делитель частоты коммутатора и осциллографический индикатор поступают импульсы от генератора синхронизации (4 j.

Недостатком этого многоканального сейсмоскопа является сложность функциональной схемы, а, следовательно, ненадежность в работе. Возникающие при работе сбои синхронизации ведут к получению недостоверной информации. Кроме того, использование коммутирующего устройства, выполненного по комбинационно-матричному принципу, при необходимости увеличения каналов требует еще большего усложнения схемы сейсмоскопа. Кроме того, этот сейсмоскоп не может быть использован в комплекте с существующими промышленными каротажными кабелями.

Для использования его на глубинах

1000-1500 м необходимо разработать специальный кабель, что связано с известными трудностями, поскольку при геофизических исследованиях скважин для спуска и подъема скважинных приборов, их питания и получения от них информационных сигналов применяются специальные трехжильные электрическйе кабели, к которым предъявляются следующие требования: высокое механическое сопротивление разрывным усилителям, возникающим при спуске и подъеме из скважины зондов вследствие большого их веса и веса кабеля; низкое электрическое сопротивление жил; высокое электрическое сопротивление изоляции, мало изменяющееся при повышении давления, температуры

26

65 и содержания в среде, окружающей кабель, солей и нефти; высокая эластичность, позволяющая наматывать его на лебедку без боязни повредить жилы и изоляцию.

Очевидно, что изготовление и использование подобных кабелей для глубин 1000-1500 м сопряжено с еще большими к ним и к их обслуживанию требованиями.

В связи с вышесказанным подобные сейсмоскопы не нашли широкого применения и в настоящее время не выпускаются.

Наиболее близким к предлагаемому является многоканальный ультразвуковой сейсмоскоп, в состав которого входит многоканальный коммутатор, входы которого подключены к приемникам ультразвуковых колебаний,первый его выход подключен ко входу осциллографического индикатора,а второй через дифференцирующее устройство — ко входам ждущей развертки осциллографического индикатора и генератора ультразвуковых колебаний, выход которого подключен к излучателю ультразвуковых колебаний j,5 .

Работает сейсмоскоп следующим образом. Многофазный мультивибратор, входящий в состав многоканального коммутатора, генерирует сдвинутую во времени последовательность прямоугольных импульсов. На общеэмиттерном сопротивлении многофазного мультивибратора импульсы, соответствующие каждому переключению мультивибратора, поступают на дифференцирующее устройство, с которого импульсы с крутым фронтом и срезом подаются с одной стороны на вход ждущей развертки осциллографического индикатора, а с другой стороны — на генератор ультразвуковых колебаний, состоящий из усилителя-формирователя и тиристора,обеспечивая их синхронный запуск.

Одновременно прямоугольные импульсы с коллекторов многофаэного мультивибратора поступают на усилители-ограничители, где на них формируются прямоугольные импульсы с разными уровнями потенциалов одинаковой длительности с импульсами многофаэного мультивибратора, ио с крутыми фронтами и срезами. Эти импульсы поступают на временные селекторы, которые подключают на время действия импульса к общеканальной нагрузке один из приемников ультразвуковых колебаний.

ВВиду того, что на общеканальную нагрузку поступают также и импульсы, соответствующие каждому каналу, с разными потенциальными уровнями с усилителей-ограничителей, то эти потенциальные уровни смещают сигналы с приемников на экране осциллографического индикатора по оси Y.

Таким образом, на экране осциллографического индикатора одновремен894647 но наблюдается многоканальная картина исследуемого процесса прохождения ультразвуковых волн в изучаемой среде, что выгодно отличает этот. сейсмоскол от рассмотренных выше.

Однако применение и этого многоканального ультразвукового сейсмоскопа ограничено глубинами 50-500 м, так как хотя с ним и возможно проводить исследования в скважинах,используя трехжильный каротажный кабель, но его схема не предусматривает поканальное регулирование уровня принимаемых сигналов, и он не обеспечивает получение информации, необходимой для построения встречных годографов, по которым более детально можно судить о состоянии пород отдельных участков исследуемой среды, исключив ошибки, связанные с неровностями изучаемого рельефа, что,следовательно, не обеспечивает точность и достоверность измерений.

Цель изобретения — расширение диапазона функциональных возможностей многоканального сейсмоскопа с одновременным повышением точности и достоверности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что многоканальный ультразвуковой сейсмоскоп, содержащий многоканальный коммутатор, приемники ультразвуковых колебаний, излучатель ультразвуковых колебаний, генератор ультразвуковых колебаний и осциллографический индикатор, дополнительно содержит излучатели ультразвуковых колебаний,переключатель, стабилизатор питания,усилитель-формирователь, по числу каналов приема усилители-компрессоры, блок согласования, блок формирования и разделения сигналов, блок ключей, блок управления ключами, операционный усилитель, блок Формирования ступенчатого напряжения, блок подготовки запуска, блок сброса в ноль, при этом блок питания выполнен в виде блока питания и управления и соединен со стабилизатором питания, выход стабилизатора соединен с переключателем, который в свою очередь соединен с генератором ультразвуковых колебаний и с излучателями ультразвуковых колебаний, приемники ультразвуковых колебаний в каждом канале подсоединены к усилителям-компрессорам, которые соединены с многоканальным коммутатором, выходы последнего соединены с блоком согласования и усилителем-формирователем, выход усилителя-формирователя соединен со входом генератора ультразвуковых колебаний, блок согласования подключен к блоку Формирования и разделения сигналов, первый выход блока формирования и разделения сигналов подключен через последовательно соеди5

65 ненные блок ключей и операционный усилитель к осциллографическому индикатору, второй выход блока.формирования и разделения сигналов соединен с первым входом блока формирования ступенчатого напряжения, первым входом блока управления ключами и осциллографическим индикатором, а третий выход блока формирования и разделения сигналов.соединен с блоком сброса в ноль, выход которого соединен со вторым входом блока формирования ступенчатого напряжения, первый выход последнего соединен с операционным усилителем, а второй — с блоком подготовки запуска, выход блока подготовки запуска соединен со вторым входом блока управления ключами, выход которого подсоединен к блоку ключей.

На фиг. 1 представлена блок схема многоканального ультразвукоjaoro сейсмоскопа; на фиг. 2 пока-. зана диаграмма работы сейсмоскопа; на фиг. 3 дана принципиальная схема блока формирования ступенчатого напряжения; на фиг. 4 — изображения трасс каналов на экране ЭЛТ.

Блок-схема сейсмоскопа содержит наземный пульт 1 и соединенный с ним каротажным кабелем скважинный контейнер 2.

В состав наземного пульта входят блок 3 питания и управления, осциллографический индикатор 4,операционный усилитель 5, блок б ключей, блок 7 управления ключами, блок В подготовки запуска, блок 9 формирования и разделения сигналов, блок 10 формирования ступенчатого напряжения и блок 11 сброса в ноль..

Б скважинный контейнер 2 входят стабилизатор 12 питания, переключатель 13, усилитель-формирователь

14, генератор 15 ультразвуковых колебаний, блок 16 согласования, многоканальный коммутатор 17, по числу каналов усилители-компрессоры 18, приемники 19 и излучатели

20 ультразвуковых колебаний.

Сейсмоскоп работает следующим образом.

Питание всех блоков, заключенных в скважинный контейнер, осуществляется от стабилизатора 12 питания, регулирующий транзистор которого шунтирован п реле переключателя 13 с различными токами срабатывания. Повышая или понижая напряжение в блоке 3 питания и управления можно включать реле в различных комбинациях, а, следовательно, подключать нужный для исследования излучатель 20, одновременно оставляя неизменным напряжение питания скважинного контейнера.

894647

Блок 9 формирования и разделения сигналов преобразует поступившие íà его вход ступенчатое им пульсное напряжение с информационным на каждой ступеньке сигналами от соответствующего приемника ультразвуковых колебаний в сигналы управления системой изменений параметров этих сигналов. Этот блок имеет один вход и три выхода.

Импульсы, вырабатываемые генератором 15, через замкнутые цепочки контактов реле переключателя 13 поступают на соответствующие излучатели 20.

Излучаемые ультразвуковые колебания, пройдя через исследуемую среду, принимаются приемниками 19 этих колебаний (фиг.2,21 и 22, показаны сигналы на выходе первого и и-го приемников).

Так как эти колебания имеют очень малую величину, то их необходимо усилить в непосредственной близости от приемников,, чтобы они могли достичь наземного пульта сейсмоскопа.Ввиду того, что ультразвуковая волна,проходя через изучаемую среду, имеет различную интенсивность при приходе к каждому приемнику, а возможность изменять степень усиления усилителя в каждом канале, ввиду работы сква- 20 жинного контейнера на большой глубине, не предоставляется возможной,в системе применены усилители-компрессоры, которые позволяют автоматически регулировать усиление каждого ка- 25 нала в отдельности, в соответствии со средним уровнем сигнала в данном канале (фиг.2, 23 и 24).

Сигналы с усилителей-компрессоров 18 поступают на входы многоканального коммутатора 17, выпблненно-го в виде многофазного мультивибратора с общеканальной нагрузкой.

В многоканальном коммутаторе информационные сигналы каждого канала, суммируясь с потенциальными уровнями, образованными в многофаэном мультивибраторе, принимают ступенчатую форму (фиг.2, 25; с целью удобства пояснения временные диаграммы построены для пяти каналов, 40 каждому из которых соответствует своя ступенька, свой уровень).

С выхода многоканального коммутатора через блок 16 согласования сигналы поступают на блок 9 формирования 4 и разделения сигналов. Блок 16 согласования представляет собой,например, эмиттерный повторитель,который обладает большим входным сопротивлением и малым выходным,благодаря чему не шунтируется общеканальная нагрузка коммутатора и достигается хорошее согласование ее.с длинной линией (каротажный кабель длиной до 1,5 км).

С первого выхода на вход блока 6 ключей, например, электронных,поступает информационный сигнал 26.

Со второго выхода на вход блока

10 формирования ступенчатого напряжения поступают прямоугольные импульсы 27, соответствующие моменту переключения приемников с предыдущеro канала на последующий,т.е. соответствующие началу информационной трассы последующего канала.

Эти же импульсы поступают на ждущую развертку осциллографического индикатора 4 и на один из входов блока

7 управления ключами.

Ъ

С третьего выхода блока 9 на вход блока 11 сброса в ноль поступают прямоугольные импульсы 28, соответствующие окончанию информационного цикла передачи, т.е. переключению приемников с последнего на первый канал (в нашем случае с 5-го на

1-й), — опорные импульсы.

Блок 10 формирования ступенчатого напряжения представляет собой двоично-десятичный четырехразрядный счетчик, подключенный своими выходами к сумматору с резисторами на входе с отношениями 1:2:4:8, с выходов которых импульсы поступают на суммирующий вход эмиттерного повторителя, в эмиттер которого включен потенциометр, с помощью которого можно изменять полученное ступенчатое напряжение по амплитуде (фиг.3). Это напряжение 29 поступает на суммирующий вход операционного усилителя.

С приходом очередного опорного импульса блок 11 сброса в ноль осуществляет сброс двоично-десятичного счетчика блока 10 в логический

"нуль", подготавливая к следующему циклу передачи информации. Сброс производится удлиненным в блоке сброса в ноль опорным импульсом 30.

В зависимости от числа каналов с соответствующего выхода счетчика (1:2:4:8) блока 10 (фиг.3) на вход блока подготовки запуска 8 поступает прямоугольный импульс 31.

На выходе блока 8 формируется прямоугольный импульс 32, сдвинутый относительно входного импульса этого блока так, чтобы он начинался перед поступлением предыдущего и оканчивался перед поступлением последующего импульсов начала информационной трассы соответствующих каналов 27. Регулирование положения этого импульса осуществляется при помощи одновибраторов и формирователей блока подготовки запуска. Этот импульс поступает на вход блока 7 управления ключами, подготавливая его к работе.

Теперь при поступлении на другой вход блока 7 управления ключами, представляющего из себя регистр,вы894647

65 полненный на Д-триггерах, импульсов переключения каналов 27, он формирует на своих выходах прямоугольные импульсы, длительность которых соответствует времени, отведенному на каналы 33-37.

С выходов блока 7 управления йлючами импульсы поступают на входы соответствующих ключей блока б ключей, открывая путь для прохождения информации соответствующего канала на суммирующий вход операционного усилителя 5, который при совместной работе с электронными ключами,выполненными, например, на полевых транзисторах, обеспечивает воэможность поканальиого усиления проходящих информационных сигналов.

Усиленные до требуемой величины информационные сигналы с определяющими их место по вертикали ступенчатым напряжением с выхода операционного усилителя 5 поступают на вход осциллографического индикатора 4.

Таким образом, на экране осциллографического индикатора наблюдается многоканальная картина исследуемого процесса прохождения ультразвуковых волн в изучаемой среде (фиг.4), что позволяет выполнять правильную корреляцию прихода продольных и поперечных волн на стадии производства наблюдений. Кроме того, обеспечение возможности использования в устройстве и излучателей позволяет строить встречные годографы и детально изучать отдельные участки исследуемого профиля,исключая ошибки, вносимые, например,неровностями рельефа.

Устанавливая излучатели на корпусе зонда в различных плоскостях по отношению к приемникам, с помощью сейсмоскопа можно получить информацию о состоянии изучаемой среды в плоскости X-Y.

Достоинством сейсмоскопа является и воэможность широкого регулирования параметров информационных сигналов.

Таким образом, с помощью ультразвукового многоканального сейсмоскопа можно получить гораздо больший объем информации, с большей точностью и достоверностью, чем с помощью известных приборов, и распространить ультразвуковой метод изучения пород до 1000-1500 м и ниже.

Формула изобретения

Многоканальный ультразвуковой сейсмоскоп, содержащий многоканальный коммутатор, приемники ультразвуковых колебаний, излучатель ультразвуковых колебаний, генератор ультразвуковых колебании и ос5 t6

2О

35 циллографический индикатор, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей сейсмоскопа с одновременным повышением точности и достоверности измерений, он дополнительно содержит излучатели ультразвуковых колебаний, переключатель, стабилизатор питания, усилительформирователь, по числу каналов приема усилители-компрессоры, блок согласования, блок формирования и разделения сигналов, блок ключей, блок управления ключами,операционный усилитель, блок формирования ступенчатого напряжения, блок подготовки запуска, блок сброса в ноль и блок питания и управления, который соединен со стабилизатором питания, выход стабилизатора соединен с переключате-,.р лем, последний, в свою очередь, соединен с генератором ультразвуковых колебаний и с излучателями ультразвуковых колебаний в каждом канале, приемники ультразвуковых колебаний подсоединены к усилителям-компрессорам, которые соединены с многоканальным коммутатором, выходы которого соединены с блоком согласования и усилителемформирователем, выход последнего соединен со входом генератора ультразвуковых колебаний, блок согласования подключен к блоку формирования и разделения сигналов, первый выход. блока формирования и разделения сигналов подключен через последо- вательно соединенные блок ключей и операционный усилитель к осциллографическому индикатору, второй выход блока формирования и разделения сигналов соединен с первым входом блока формирования ступенчатого напряжения,первым входом блока управления клю» чами и осциллографическим индикатором, а третий выход блока формирования и разделения сигналов соединен с блоком сброса в ноль, выход последнего соединен со вторым входом блока формирования ступенчатого напряжения, первый выход которого соединен с операционным усилителем, а второй — с блоком подготовки запуска, выход блока подготовки запуска соединен со вторым входом блока управления ключами, выход которого подсоединен к блоку ключей.

Источники информации„ принятые во внимание при экспертизе

1. Импульсная переносная аппаратура ИПА. Техническое описание, выпускной аттестат и инструкция по эксплуатации. Киев, 1967.

2. Переносной импульсный ультразвуковой прибор для исследования бетона типа УКВ-1. Техническое опи11

894647

12 сание и инструкция по эксплуатации.

3-д "Электроточприбор", 1967.

3. Прибор ультразвуковой УК-10п.

Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЩЮ 2.043.013.ТО.

1975.

4. Труды института физики Зем ли. М.,изд. АН СССР,1959, Р 6 (173), с. 355-374.

5. Авторское свидетельство СССР

Р 691750, кл. С 01 Н 29/04, G 01 V 1/00, 1978 (прототип).

894647 фиГ.Ц

Заказ 11483/75

Тираж 735 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4

Составитель Н. Журавлева

Редактор E. Папп Техред A.Av Корректор С. Иекмар