CZ301385B6

CZ301385B6 - Kapalinový rotacní seismometr

Info

Publication number: CZ301385B6
Application number: CZ20080850A
Authority: CZ
Inventors: Jedlicka@Petr; Buben@Jirí; Kozák@Jan
Original assignee: Geofyzikální ústav AVCR, v. v. i.
Priority date: 2008-12-29
Filing date: 2008-12-29
Publication date: 2010-02-10
Also published as: CZ2008850A3

Abstract

Kapalinový rotacní seismometr je tvoren obvodove uzavrenou trubicí (2) naplnenou kapalinou (1), která má v jednom míste vnitrní pevnou prepážku (3). V kapaline (1) je nejméne jeden snímac tlaku pripojený na prevodník (4) spojený s vyhodnocovacím zarízením. Snímac tlaku muže být umísten poblíž pevné prepážky nebo mohou být tyto snímace tlaku umísteny po obou stranách pevné prepážky (3). Trubice (2) muže mít kruhový nebo ctvercový tvar nebo muže být vytvorena jako spirála.

Description

Oblast techniky

Zařízení je určeno k měření rotačních složek seismických pohybů půdy,

Dosavadní stav techniky

Výzkum zemětřesení vychází především z analýz seismických kmitů, které se zaznamenávají pomocí seismografů. Kmity se šíří od ohnisek zemětřesení jakožto seismické vlny. Čela těchto vln v homogenním, dokonale elastickém, spojitém a neohraničeném prostředí mají tvar kulových vlnoploch. V reálném zemském tělese (heterogenní, nespojité, ohraničené prostředí) kulovou vlnoplochu nemají, lomí se, odrážejí a transformují do různých typů vln a polarizují se do různě orientovaných složek, Kromě translačních kmitů částic ve třech složkách (obecná seismická vlna se rozkládá do tří složek - vertikální pohyb a dva horizontální, standardně sever-jih a východzápad) se mohou vyskytnout i pohyby částic okolo tří os rotace (pohyby tedy mají celkem šest stupňů volnosti). Vedle převládajících translačních (přímočarých) pohybuje proto třeba registro20 vat i kmity rotační, jejichž amplitudy jsou zpravidla relativně velmi malé a mechanizmy jejich buzení a šíření jsou dosud předmětem výzkumu. Registrace rotačních složek pomocí standardních translačních seismografů není možná, protože rotační složky jsou o několik řádů slabší než trans lační. Proto je třeba konstruovat seismometry určené speciálně pro snímání rotačních kmitů, V současné době používané rotační seismografy jsou založeny na následujících principech:

a) Spojení dvou translačních seismometrů v protifázi.

b) Snímání vynucených kmitů rotující hmoty kapacitními nebo indukčními snímači.

c) Využití Sagnacova jevu.

d) Na elektrochemickém principu.

Nedostatkem zapojení dvou lineárních seismometrů v protifázi (antiparalelní spojení) jsou vysoké nároky kladené na dodržení identity obou použitých seismometrů. Rozdíly v jejich parametrech by měly být menší než jedno promile. Jinak jsou výsledky měření, vzhledem k malým amplitudám rotačních složek vůči amplitudám složek translačních, silně zkresleny. Dalším nedo35 statkem této metody jsou také vysoké výrobní náklady zařízení a citlivost aparatur na rušivé vlivy okolního prostředí.

Při použití tuhého rotoru se snímá jeho rotační pohyb vůči základně (zemi) kapacitním nebo indukčním snímačem. Nedostatkem této metody je mechanická náročnost a tím také vysoká cena zařízení.

K měření rotačních složek seismických vln při zemětřesení lze rovněž využít Sagnacova jevu. Měří se fázový rozdíl, který vzniká mezi dvěma protisměrnými laserovými paprsky v kruhovém světlovodu při jeho rotačním pohybu. Nedostatkem této metody je velmi vysoká cena aparatury.

Jinou možností měření rotačních složek seismických vln je využití vlivu seismických vln na rychlost pohybu iontů v elektrolytu mezi elektrodami a převod těchto změn na elektrický signál. 1 tato zařízení jsou velmi nákladná.

Uvedené aparatury typu jsou určeny převážně pro registraci velmi malých amplitud rychlosti rotačních kmitů řádu setin mikroradiánů za sekundu, jaké se vyskytují při velkých zemětřeseních v epicentrálních vzdálenostech stovek až tisíců kilometrů od ohniska. Pro blízká a místní zemětřesení, která způsobují největší ohrožení bezpečnosti staveb, je potřebné pro podrobné mapování makroseismických efektů použít velkého počtu seismografů rozložených v profilech nebo v hus-1 CZ 301385 Bó tých sítích blízko ohniska. K tomuto účelu jsou potřebné seismografy pro velké amplitudy, které však mají odolnou konstrukci vhodnou pro terénní měření a přiměřeně nízké výrobní náklady.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje předložený kapalinový rotační seismometr. Je tvořen do prstence stočenou trubicí. Tato trubice je vyplněna kapalinou, která tvoří setrvačnou hmotu seismometru. Trubice je v jednom místě příčně přehrazena pevnou přepážkou, v níž může být zabuio dován diferenciální tlakový převodník. V případě pohybu trubice vzniká v kapalině rozdíl tlaků mezi oběma stranami přepážky, který je úměrný úhlovému zrychlení působícímu na trubici. Tento rozdíl tlaků se převádí diferenciálním tlakovým převodníkem na výstupní elektrický signál, který je následně zpracován ve vyhodnocovacím zařízení. Alternativní možností je měření síly působící na přepážku. Výhodou této konstrukce je teoretická necitlivost na trans lační pohyby.

Pro zvýšení jeho citlivosti může být použito většího počtu závitů prstence. Vlastnosti (citlivost, kmitočtová charakteristika) tohoto seismometru závisí na poměru délky k průměru trubice, na měrné hustotě a viskozitě setrvačné kapaliny a na velikosti případného vzduchového sloupce. Vhodnou kombinací těchto parametrů lze vlastnosti seismometru přizpůsobit specifickým požadovaným potřebám.

Je-li poloměr prstence r, průměr použité trubice da počet závitů prstence «, lze získat následující zařízení. Při 2π n r/d- 110 a viskozitu kapaliny η - 0.01 Nsm ² vznikne širokopásmový akcelerometr. Pri 2π n r/d = 110, a η = 1 Nsm’² vznikne širokopásmový rychlostní snímač, pri 2π n r/d = 1000, a η = 0.001 Nsm^-2 vznikne vysokofrekvenční rychlostní snímač. Případný vzduchový sloupec (bublina) v kapalině uvnitř trubice má integrační vliv. Například pokud se při hodnotách 2π n r/d = 1000, a η = 0.001 Nsm ² jedno procento délky trubice vyplní vzduchem, je výstupní signál úměrný přímo amplitudě rotačních pohybů. Přitom však značně poklesne citlivost.

Průřez trubice nemusí být jen kruhový, může mít libovolný profil, Také tvar prstence nemusí být striktně kruhový, ale může být například čtvercový. Trubice také může být stočena do více závitů - šroubovice. Tím je možné zvýšit délku trubice a tím i citlivost bez zvětšení rozměrů seismometrů.

Přehled vyobrazení

Na obr. 1 je schematicky nakresleno konstrukční řešení rotačního seismometru s rozdílovým snímačem tlaku.

Příklady provedení

Příklad 1

Seismometr tvoří kruhová trubice 2 s uzavřeným obvodem. Trubice 2 je naplněna kapalinou i, která tvoří setrvačnou hmotu. Trubice 2 je v jednom místě příčně přehrazena pevnou přepážkou

3. Poblíž přepážky 3, nebo nejlépe v ní, je umístěn snímač tlaku napojený na převodník 4. Převodník 4 převádí naměřené hodnoty na elektrický signál, který je následně zpracován ve vyhodnocovacím zařízení. Seismometr je uložen na vodorovné podložce.

Pokud na podložku se seismometrem působí síla, která má horizontální složku, uvádí do pohybu kapalinu 1 v kruhové trubici 2. Tím vzniká v kapalině 1 po obou stranách přepážky 3 rozdílný tlak. Rozdíl tlaků mezi oběma stranami přepážky 3 je snímán a v převodníku 4 převáděn napří-2CZ 301385 B6 klad na elektrické napětí. Výstupní elektrické napětí je úměrné úhlovému zrychlení působícímu na trubici 2 v měřeném místě.

Seismometr byl testován na kalibrovaném otřesovém rotačním stole s možností nastavení kmitoč5 tu (1 až 100 Hz) a amplitudy (0.001 až 0.1 rad). Skutečný pohyb stolu byl kontrolován laserovým snímačem rychlosti. Výstupní signál ze seismometrů byl digitalizován 24 bitovým převodníkem s následným zpracováním.

io Příklad 2

Seismometr tvoří trubice 2 zhotovená jako spirála, jejíž konce jsou spojeny. Touto konstrukcí je prodloužena délka trubice 2 bez prostorových požadavků. Prodloužením trubice 2 je dosaženo zvýšení citlivosti na rotační pohyby. Trubice 2 je naplněna kapalinou i, která tvoří setrvačnou hmotu. Trubice 2 je v jednom místě příčně přehrazena pevnou přepážkou 3. Poblíž přepážky 3 je umístěn převodník 4. K němu jsou připojeny snímače tlaku uložené po obou stranách přepážky 3. Seismometr je uložen na vodorovné podložce. Citlivost a kmitočtová charakteristika tohoto seismometru se dají měnit délkou trubice 2, jejím průměrem, měrnou hustotou a viskozitou použité kapaliny 1, případně i velikostí vzduchového sloupce v kapalině T

Příklad 3

Seismometr tvoří trubice 2 čtvercového tvaru s uzavřeným obvodem. Trubice 2 je naplněna kapalinou I, která tvoří setrvačnou hmotu. Trubice 2 je v jednom místě příčně přehrazena pevnou přepážkou 3. Poblíž přepážky 3 je umístěn převodník 4. K němu je připojen snímač tlaku uložený poblíž přepážky 3. Seismometr je uložen na vodorovné podložce.

Pokud na podložku se seismometrem působí síla, která má horizontální složku, uvádí do pohybu kapalinu I v trubici 2. Změna tlaku snímaná snímačem poblíž přepážky 3 je v převodníku 4 převáděna na elektrický signál, který je převáděn do vyhodnocovacího zařízení. Tlak v kapalině 1 je úměrný úhlovému zrychlení působícímu na trubici 2.

Průmyslové využití

Mimo registrace rotačních složek seismických vln je možné zařízení použít na rozlišení Loveho a Rayleíghových povrchových vln při zemětřesení. Průmyslové využití seismometrů lze nalézt také ve stavebnictví ke kontrole statiky pilotů u mostů, visutých vozovek a vysokých budov (měření rotační interakce staveb na translační pohyby.). Zařízení nalezne využití i při kontrole stability svahů.

Claims

PATENTOVÉ ROKY

5 1. Kapalinový rotační seismometr, vyznačující se tím, že je tvořen obvodově uzavřenou trubicí (
2) naplněnou kapalinou (1), která má v jednom místě vnitřní pevnou přepážku (3), přičemž v kapalině (1) je nejméně jeden snímač tlaku připojený na převodník (4) spojený s vyhodnocovacím zařízením.

i o 2. Kapalinový rotační seismometr podle nároku 1, vyznačující se tím, že snímač tlaku je umístěn poblíž pevné přepážky (3).
3. Kapalinový rotační seismometr podle nároku 1, vyznačující se tím, že snímače tlaku jsou umístěny po obou stranách pevné přepážky (3).
4. Kapalinový rotační seismometr podle nároku 1 nebo 2 nebo3, vyznačující se tím, že převodník (4) je zabudován v pevné přepážce (3).
5. Kapalinový rotační seismometr podle nároku 1 nebo 2 nebo 3 nebo 4, vyznačující

20 se t í m, že trubice (2) má kruhový tvar.
6. Kapalinový rotační seismometr podle nároku 1 nebo 2 nebo 3 nebo4, vyznačující se t í m, že trubice (2) má čtvercový tvar.

25
7. Kapalinový rotační seismometr podle nároku 1 nebo 2 nebo 3 nebo4, vyznačující se t í m, že trubice (2) má spirálový tvar s nejméně dvěma závity.
8. Kapalinový rotační seismometr podle nároku 5 nebo 6 nebo 7, vyznačující se tím, že v kapalině (l) je plynová bublina.