CS203262B1 - Seismický snímač dráhy svislých kmitů - Google Patents

Description

Vynález se týká seismického snímače dráhy svislých kmitů s nízkým vlastním kmitočtem.

Základní podmínkou pro správné měření chvění jakéhokoliv objektu seismickým snímačem je, aby vlastní kmitočet jeho kmitavého systému byl nižší než nejnižši kmitočet všech harmonických složek měřeného průběhu chvění. V technické i vědecké praxi je často třeba měřit chvění o kmitočtech 1 Hz i nižších, například při měření chvění a vyvažování nízkootáčkových vodních turbín nebo obráběcích strojů, komponentů primárního okruhu jaderných elektráren, potrubí, mostových konstrukcí, stožárů, výškových staveb, aktivních i pasivních nízkoladěných odpružení různých zařízení, otřesů půdy a jiné. Dostatečně nízkého vlastního kmitočtu systému snímače je dosahováno jednak velmi malou tuhostí jeho uložení, například na velmi měkkých pružinách, což je omezeno hledisky technologickými a stabilitními a jednak jeho velkou hmotností- Velká hmotnost systému si vynucuje i větší rozměry snímače. Např. snímače s vlastní frekvencí 0,7 až 1 Hz mívají hmotnost 3,5 až 20 kg i více a rozměry 190x170x260 mm nebo větší. Pro nižší vlastní frekvenci by hmotnost i rozměry byly ještě větší. Takové snímače 3ze pak těžko používat jako přenosné přístroje a mohou ovlivňovat dynamické vlastnosti méně hmotných měřených objektů, Použije-li se za kmitavý systém kyvadlo, vychází jeho délka pro potřebný vlastní kmitočet značná, ale lze ji zmenšit ponořením kyvadla do kapaliny, jak je uvedeno v československém autorském osvědčení 172 492. Systém s ponořeným kyvadlem lze však použít jen pro snímače vodorovných kmitů, protože spojnice těžiště kyvadla s otočným bodem je svislá a moment' setrvačných sil kyvadla při svisl Slij. ΚιΠΐΐα.ní'vzhledem k otočnému bodu je proto nulový.

Tato omezení odstraňuje řešení podle· vynálezu, jehož podstata, spočívé v tom, že těžiště kyvadla, na jehož povrchu jsou uspořádány dutiny nebo žebra, leží na vodorovné přímce, procházející osou kývání.

Hlavním- přínosem . vynálezu je možnost dosažení velmi nízkého vlastního kmitočtu kyvadla při jeho malých rozměrech a hmotnosti. Maximální jeho buzení a tím i citlivost snímače je pro kmitání ve svislém směru. Tím je umožněno použití snímače v přenosných absolutních snímačích svislého chvění pro oblast nízkých kmitočtů i pod 1 Hz: Další výhodou řešení podle vynálezu je, že při kývavém pohybu kyvadla

2Ω3262 se blízké částice kapaliny dostávají do kmltavého pohybu. To se projeví jako fiktivní zvětšení momentu setrvačnosti kyvadla při kývání a tedy snížení vlastního kmitočtu. Teoretické řešení pohybu, kyvadla při kmitání snímače ukazuje určité zkreslení vyššími harmonickými v důsledku nellnearit systému, avšak numerické výpočty pro konkrétní provedení ukazují, že při amplitudách přicházejících v praxi v úvahu je toto zkreslení zanedbatelné.

Kapalina, v níž je systém ponořen, umožňuje použití tíhového kyvadla jako kmitavého systému ve snímačích svislých kmitů, snižuje vlastní kmitočet kyvadla a zajišťuje jeho optimální viskózní tlumení, takže není třeba dalšího tlumicího zařízení. Jako náplň snímače lze použit různé kapaliny; hlavním požadavkem je, aby kapalina nepůsobila agresivně na části snímače a použije-li se elektrického kapacitního čidla pro převod mechanického pohybu na elektrický signál, měla též dobré dielektrické vlastnosti. Se zřetelem na tlumicí funkci jsou vhodné kapaliny s malou změnou viskozity při změně teploty. Těmto požadavkům prozatím nejlépe vyhovuje silikonový olej.

Na připojeném obrázku je znázorněn nárys a půdorys příkladného provedení snímače, který využívá vynálezu s výhodným trojúhelníkovým tvarem kyvadla.

Kyvadlo 1, vyrobené z organického skla, sestává z nosné desky 11 tvaru rovnoramenného trujúhelníka s ocelovými břity 14, tvořícími osu kývání, připojenými v blízkosti vrcholu ostrého úhlu k desce 11. Souměrně k ose desky 11 jsou ve zbývajících jejích vrcholech připojeny dva duté stejně hmotné válce 12 a 13, takže těžiště kyvadla 1 leží na ose symetrie desky 11. Rozměry a rozložení hmoty kyvadla 1 je stanoveno tak, aby osa symetrie desky 11 byla ve stabilní rovnovážné poloze vodorovná. Kyvadlo 1 je ponořeno v kapalině 2, která zcela vyplňuje těleso snímače 3, opatřené úzkým nalévacím hrdlem 9, do něhož musí dosahovat hladina kapaliny 2. Relativní pohyb tělesa snímače 3 oproti kyvadlu 1 se měří pomocí elektronických přístrojů pomocí převodu mechanického pohybu na elektrický signál prostřednictvím kapacitního čidla, tvořeného elektrodami 4 spojenými s deskou kyvadla 11 a elektrodami 5, spojenými s tělesem snímače 3. V kapalině 2 je dále umístěno pružné duté těleso 6 hermeticky uzavřené, jehož pružné deformace snižují tlakové změny v oleji způsobené rozdílnou tepelnou izolací a dilatací oleje a tělesa snímače při změnách teploty. Snímač 3 je opatřen aretačním a cejchovním zařízením 7, umožňujícím při každém měření statické ocejchování celé měřicí aparatury- Žebra 15, umístěná na pláštích válců 12 a 13, slouží ke zvýšení množství unášené kapaliny 2. Stejně působí otvory 8 vyvrtané do čel válců 13 a 12, protože jsou vyplněny okolní kapalinou 2. Současně otvory 8 slouží k zašroubování malých závaží k dovyvážení osy kyvadla do vodorovné polohy. Vlastní frekvence netlumeného kyvadlového systému znázorněném na přiloženém obrázku je dána vztahem:

kde

H — í‘° Vz] sin ž/2 mi+m-2'+ (-[) ^2m3 g — tíhové zrychlení 1 — vzdálenost středů válců od osy kývání p — hustota kapaliny Vi, V2 — objem válců 12 a 13 mi, nu, m3 — hmotnosti válců 12 a 13 nebo desky 11 včetně hmotnosti spoluunášené kapaliny 2 r — poloměr setrvačnosti desky 11 vzhledem k ose kývání σ — úhel sevřený spojnicemi středů válců s bodem osy kývání v rovině kolmé na tuto osu.

Z uvedeného vzorce je vidět, že vlastní frekvenci lze snižovat teoreticky až k nulové hodnotě jednak zmenšováním rozdílu objemů obou válců — při zachování rovnosti hmot — a jednak zmenšováním úhlu σ. V praxi je snižování vlastní frekvence omezeno snižováním citlivosti, která s vlastní frekvencí také klesá.

Seismický snímač podle přiloženého obrázku má průměr 186 mm a výšku 180 mm, hmotnost včetně náplně 3,8 kg a vlastní frekvence netlumeného kyvadlového systému podle uvedeného vzorce je p = 0,14 Hz při 1=120 mm, σ=30°, p=0,96 g/cm³,

Vi = 21,2 cm³, 1/2 = 17,8 cm³, poměr amplitudy kývání válců k amplitudě měřeného chvění při frekvenci 0,4 Hz a vyšších a amplitudách chvění do 5 mm byl vypočten 0,4 při zkreslení druhou harmonickou maximálně 0,06 promile.

Claims (1)

1. Seismický snímač dráhy svislých kmitů s nízkým vlastním kmitočtem, tvořený tělesem snímače, uvnitř kterého je kyvně uspořádáno kyvadlo zcela ponořené v kapalině,

   VYNALEZU vyznačený tím, že těžiště kyvadla (lj, na jehož povrchu jsou uspořádány dutiny (8j nebo žebra (15), leží na vodorovné přímce, procházející osou kývání.