CS203262B1

CS203262B1 - Seismical reader of the vertical oscillations path

Info

Publication number: CS203262B1
Application number: CS198177A
Authority: CS
Inventors: Vladimir Petrovsky
Original assignee: Vladimir Petrovsky
Priority date: 1977-03-24
Filing date: 1977-03-24
Publication date: 1981-02-27

Description

Vynález se týká seismického snímače dráhy svislých kmitů s nízkým vlastním kmitočtem.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a seismic low-frequency vertical oscillation path sensor.

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.The basic condition for proper measurement of vibration of any object by a seismic sensor is that the natural frequency of its oscillating system is lower than the lowest frequency of all harmonic components of the measured course of vibration. In technical and scientific practice, it is often necessary to measure vibration at frequencies of 1 Hz and lower, for example when measuring vibration and balancing low-speed water turbines or machine tools, primary circuit components, pipelines, bridge structures, masts, high-rise, active and passive low cushioning of various equipment, soil shocks and others. A sufficiently low natural frequency of the sensor system is achieved by a very low stiffness of its mounting, for example on very soft springs, which is limited by technological and stability considerations, and also by its large weight. E.g. Sensors with a natural frequency of 0.7 to 1 Hz have a weight of 3.5 to 20 kg and more and dimensions 190x170x260 mm or greater. For a lower natural frequency, the weight and dimensions would be even greater. Such sensors can then be difficult to use as portable devices and can affect the dynamic properties of less massive objects. If a pendulum system is used behind the oscillating system, its length is significant for the required natural frequency, but can be reduced However, the submerged pendulum system can only be used for horizontal oscillation sensors, as the pendulum center of gravity line with the pivot point is vertical and the moment of inertia of the pendulum at the vertical Slij. Because of the pivot point, it is zero.

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.These limitations are eliminated by the solution according to the invention, which consists in the fact that the center of gravity of the pendulum, on the surface of which the cavities or ribs are arranged, lies on a horizontal line passing through the oscillation axis.

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 kyvadlaThe main benefit. of the invention is the possibility of achieving a very low natural pendulum frequency at its small dimensions and weight. Its maximum excitation and thus the sensitivity of the sensor is for oscillation in the vertical direction. This makes it possible to use the sensor in portable absolute vertical vibration sensors for the low-frequency range even below 1 Hz: A further advantage of the solution according to the invention is that when the pendulum is rocking

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.2Ω3262, the nearby liquid particles are moving into a glittering motion. This results in a fictitious increase in the moment of inertia of the pendulum during rocking and thus a reduction in the natural frequency. The theoretical solution of the movement of the pendulum during the oscillation of the sensor shows some distortion by higher harmonics due to the non-linearities of the system, but numerical calculations for a particular embodiment show that this distortion is negligible at the practical amplitudes.

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.The liquid in which the system is immersed allows the gravity pendulum to be used as an oscillating system in vertical oscillation sensors, reduces the pendulum's natural frequency and ensures optimal viscous damping, so that no additional damping device is required. Various fluids can be used as the sensor charge; the main requirement is that the liquid does not act aggressively on the sensor parts and, when an electrical capacitive sensor is used to convert mechanical motion into an electrical signal, it also has good dielectric properties. With regard to the damping function, fluids with a small change in viscosity when the temperature changes are suitable. For the time being, these requirements are best met by silicone oil.

Na připojeném obrázku je znázorněn nárys a půdorys příkladného provedení snímače, který využívá vynálezu s výhodným trojúhelníkovým tvarem kyvadla.The attached figure shows a front view and a plan view of an exemplary embodiment of a sensor which utilizes the invention with a preferred triangular shape of the pendulum.

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:The pendulum 1, made of organic glass, consists of an isosceles triangular-shaped support plate 11 with steel blades 14 forming a pivot axis, connected near the acute angle apex to the plate 11. Two hollow equally masses are connected symmetrically to the axis of the plate 11 The dimensions and mass distribution of the pendulum 1 is determined such that the axis of symmetry of the plate 11 is horizontal in a stable equilibrium position. The pendulum 1 is immersed in a liquid 2 which completely fills the sensor body 3, provided with a narrow pouring neck 9 into which the liquid level 2 must reach. The relative movement of the sensor body 3 relative to the pendulum 1 is measured by electronic instruments by mechanical conversion to electrical signal a capacitive sensor consisting of electrodes 4 connected to the pendulum plate 11 and electrodes 5 connected to the sensor body 3. The fluid 2 further comprises a resilient hollow body 6 hermetically sealed, whose resilient deformations reduce the pressure changes in the oil caused by different thermal insulation and oil expansion; sensor body when temperature changes. The transducer 3 is provided with a locking and calibrating device 7, allowing for each measurement a static calibration of the entire measuring apparatus. The ribs 15 located on the casing of the cylinders 12 and 13 serve to increase the amount of entrained liquid 2. At the same time, the openings 8 serve to screw in small weights to balance the pendulum axis to a horizontal position. The natural frequency of the undamped shuttle system shown in the attached figure is given by:

kdewhere

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.H - '° Vz] sin / / 2 mi + m-2' + (- [) ^2m3 g - acceleration of gravity 1 - distance between cylinder centers and pivot axis p - liquid density Vi, V2 - cylinder volume 12 and 13 mi, nu, m3 - mass of cylinders 12 and 13 or plate 11 including mass of co-carried liquid 2 r - radius of inertia of plate 11 with respect to oscillation axis σ - angle enclosed by the center line of cylinders with the pivot axis in a plane perpendicular to this axis.

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.It can be seen from the above formula that the natural frequency can be theoretically reduced to zero by both reducing the volume difference of the two cylinders - while maintaining mass equality - and decreasing the angle σ. In practice, the reduction in natural frequency is limited by a decrease in sensitivity, which also decreases with natural frequency.

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,The seismic transducer according to the attached figure has a diameter of 186 mm and a height of 180 mm, the weight including a load of 3.8 kg and the natural frequency of the undamped shuttle system according to the formula is p = 0.14 Hz at 1 = 120 mm, σ = 30 °, p = 0.96 g / cm ³ ,

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.Vi = 21.2 cm ³ , 1/2 = 17.8 cm ³ , the ratio of the cylinder oscillation amplitude to the measured vibration amplitude at 0.4 Hz and higher, and the vibration amplitudes up to 5 mm was calculated 0.4 with a second harmonic maximum distortion 0.06 per mille.

Claims

Seismic low-frequency vertical vibration path sensor, consisting of a sensor body inside which a pendulum fully immersed in a liquid is arranged,

BACKGROUND OF THE INVENTION characterized in that the center of gravity of the pendulum (11), on the surface of which the cavities (8j or ribs) are arranged, lies on a horizontal line passing through the pivot axis.