DE2644887A1

DE2644887A1 - Verfahren und einrichtung zum selbsttaetigen messen von resonanzfrequenzen in seismischen detektoren

Info

Publication number: DE2644887A1
Application number: DE19762644887
Authority: DE
Inventors: Oke A Fredriksson; Elmer L Thomas
Original assignee: Chevron Research and Technology Co
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1975-10-01
Filing date: 1976-10-01
Publication date: 1977-04-14
Also published as: JPS57203337U; GB1557699A; JPS5255676A; DE2644887C2; CA1054679A; FR2326712B1; US4015202A; FR2326712A1

Description

Hamburg, den 28.September

Priorität: 1. Oktober 75 USA Ser.Nr. 618 6o6

Anmelder;

Chevron Research Company
San Francisco, U.SoAo

Verfahren und Einrichtung zum selbsttätigen Messen von Resonanzfrequenzen in seismischen Detektoren

Bei seismischen Aufschlußarbeiten werden akustische Wellen erzeugt und in die Erde hinein übertragen. An den Übergangsbereichen zwischen Schichten aus verschiedenen Gesteinen treten Reflexionen der akustischen Wellen auf, und gedämpfte Teile der reflektierten Wellen gelangen zur Erdoberfläche zurück, wo sie von Gruppen von an der Erdoberfläche aufgestellten Geophonen wahrgenommen werden. Jede Geophongruppe, die eine Anzahl einzelner Geophone enthalten kann, erzeugt entsprechend der wahrgenommen akustischen Welle ein elektrisches Signal und überträgt dieses auf einen in der Mhe befindlichen Aufnahmewagen.

Seismische Aufnahmeeinrichtungen müssen, beginnend mit den ausgelegten Detektoren, den Geophonen, oder im Fall von

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Marinen Aufschlußarbeiten, den Hydrophonen, gelegentlich überprüft werden, um sicherzugehen, daß nicht bei der üblichen Benutzung im rauhen Feldbetrieb die Empfindlichkeit und allgemeine Brauchbarkeit zerstört worden ist. Bislang gibt es keine Standardprüfungen für Geophone j gewisse meßbare Eigenschaften sind jedoch als für Testzwecke geeignet bekannt geworden, z.B. die Resonanzfrequenz, die Impedanz und der Dämpfungsfaktor. Hierzu sind die nachfolgend angeführten Veröffentlichungen zu nennen: Mark Products, Inc., Katalog, Februar 1968, Seiten 3-14; "The Phone", veröffentlicht von Walker-Hall-Sears, Inc., Frühjahr 1974; US-PS 3 717 810.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur selbsttätigen Anzeige der Resonanzfrequenz eines oder mehrerer angesprochener Detektorelemente innerhalb eines geophysikalischen Datenaufnahmesystems. Unter Detektorelement sind Geophone oder Hydrophone oder Gruppen von beiden zu verstehen.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Verfahrens und einer Einrichtung, die mit Laborpräzision arbeitet, obwohl sie im üblichen Feldbetrieb eingesetzt werden kann. Es soll ein Verfahren und eine Einrichtung geschaffen werden, die unempfindlich gegen die üblichen, sehr rauhen Einsatzbedingungen eines Feldbetriebes sind.

Die Erfindung sieht vor, daß die Resonanzfrequenz eines seismischen Detektorelementes, das z.B. ein Geophon, ein

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Hydrophon oder eine Gruppe derartige Detektoren sein kann, automatisch mit verhältnismäßig hoher Präzision, d.h. bis auf zwei Dezimalstellen, bestimmt und dargestellt werden kann. Nach dem Verfahren wird die Phasendifferenz zwischen zwei Sinusspannungen identischer Frequenz abgetastet, wobei die eine Spannung an einen reinen Widerstand und die andere an das zu prüfende seismische Detektorelement angelegt wird, und zwar unter solchen Bedingungen, daß die jeweiligen Ströme, die dadurch durch den reinen Widerstand und durch das zu prüfende Element fließen, gleich und entgegengesetzt bleiben. Sodann wird die (identische ) Frequenz der beiden Sinusspannungen automatisch verändert, bis die Phasendifferenz zwischen den zwei Spannungen genau 180° beträgt. Die Frequenz, bei der dieser Zustand erreicht wird, ist auf Grund der Definition die gesuchte Resonanzfrequenz.

Die verhältnismäßig hohe Präzision der selbsttätigen Frequenzbestimmung und Darstellung beruht zum Teil auf der Verwendung eines Sinaswellen-Spannungsynthesizers, der die benötigte Spannung aus einer großen Anzahl diskreter konstanter Spannungen zusammensetzt. Die Veränderung von einem Spannungswert zum nächsten erfolgt auf Grund von Aktivierungspulsen mit verhältnismäßig hoher Folgefrequenz von wenigstens dem hundertfachen und vorzugsweise dem dreihundertsechzigfachen der Frequenz der approximierten Sinuswelle. Die Aktivierungspulse, deren Folgefrequenz genau proportional der Frequenz der Sinuswelle sein muß, werden gezählt anstelle der Perioden

der Sinuswelle selbst.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung, wobei ein zu prüfendes seismisches Detektorelement in der Schaltung mit enthalten ist,

Fig. 2 elektrische Wellenformen, die zwischen den verschiedenen Teilen der in Fig. 1 dargestellen Einrichtung auftreten, zur Erläuterung der wesentlichen Grundlagen, die für die automatische Phasenaufnahme und -Abgleichung in einer Schaltung gemäß Fig. 1 benutzt werden, und

Fig. 3 ein ins einzelne gehendes Schaltbild des Vorei-Iungs-/Verzögerungs-Detektors (lead/lag-Detektor), der als Phasen-Diskriminator dient und positive Korrektur pul se liefert, wenn die an die seismischen Detektorelemente angelegte Frequenz erhöht werden muß, bzw. negative Korrekturpulse, falls diese Frequenz gesenkt werden muß.

Das Blockdiagramm einer selbsttätigen Resonanzfrequenz-Meßschaltung, siehe Fig. 1,zeigt in der unteren rechten Ecke des Diagramms ein zu prüfendes seismisches Detektorelement 16o Das Element 16 wird mit einem Sinuswellenstrom gespeist, ^;

dessen Frequenz irgendwo in der Nähe seiner Resonanzfrequenz liegt. Der Strom kommt vom Funktionsverstärker 25, der ihn auf Grund einer aufgeprägten Sinuswellenspannung erzeugt, die am Punkt 27 am oberen Ende des reinen Widerstandes 26 anliegt«, Das seismische Detektorelement 16 liegt in der Rückkopplungsschleife des Funktionsverstärkers 25· Wie ansich aus der Theorie moderner Funktionsverstärker mit sehr hohen Verstärkungsfaktoren bekannt ist, müssen die zum Punkt 28 am Eingang des FunktionsVerstärkers 25 fließenden Ströme einander negieren oder aufheben, so daß der Sinuswellenstrom, der durch das seismische Detektorelement 16 hindurch und zurück zum Punkt 28 fließt, gleich und entgegengesetzt zu dem Strom ist, der vom Punkt 27 zum Punkt 28 fließt. Diese Bedingung für gleichen und entgegengesetzten Strom erhält sich am Punkt 28 unabhängig von der Frequenz der Spannung, die am Punkt 27 anliegt.

Das eigentliche Ziel ist nun, die Schaltung gemäß Fig. 1 so einzurichten, daß irgendeine beliebige Spannungsfrequenz, die zuerst am Punkt 27 angelegt wird, selbsttätig auf die besondere Frequenz verändert wird, die dafür sorgt, daß die Spannungen am Element 16 und am Widerstand 26 genau in entgegengesetzter Phase sind. Die Ströme durch Element 16 und Widerstand 26 sind stets gleich und entgegengerichtet, und die Spannung am reinen Widerstand 26 ist notwendig in Phase mit dem durch den Widerstand 26 gehenden Strom. Falls daher die Spannungen am Widerstand 26 und am Element 16 genau in entgegengesetzter Phase sind, muß auch das Element 16 sich

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wie ein reiner Widerstand verhalten. Die Frequenz, "bei der dies auftritt, ist definitionsgemäß die Resonanzfrequenz des Elementes 16. D.h., daß die "Resonanz", um die es hier geht, eine "Phasenresonanz" ist. Es können auch andere Arten von Resonanz definiert werden, die bei geringfügig verschiedenen Frequenzen auftreten; die "Phasenresonanz" hat sich Jedoch als äußerst "brauchbar bei dieser Art von Prüfung von seismischen Instrumenten herausgestellt.

Damit die Frequenz sich selbsttätig auf die Frequenz ändert, bei der die Spannung am Treiberpunkt 29 genau in entgegengesetzter Phase zur Quellenspannung am Punkt 27 ist, ist es zunächst erforderlich, ein Signal aus den zwei Spannungen zu erzeugen, das ein Maß für ihre Phasendifferenz ist, und dann dieses Signal zu benutzen, um die automatische Frequenzänderung zu bewirken. Daher wird zunächst beschrieben, wie ein Signal erzeugt wird, das die Phasendifferenz der jeweiligen Spannungen am Punkt 27 und am Treiberpunkt 29 darstellt, Diese Phasendifferenz muß sowohl in Größe als auch Vorzeichen dargestellt werden.

Die Entwicklung des Phasenunterscheidungssignals wird in Fig. 2 dargestellt, die jetzt zusammen mit Fig. 1 betrachtet wird,, Die Spannung vom Punkt 27 wird dem Rechteckwellengenerator 19 aufgeprägt, der im wesentlichen ein Verstärker und ein Clipper ist und einen Rechteckwellenzug abgibt, dessen positive und negative Abschnitte den positiven und negativen Abschnitten der Spannung am Punkt 27 entsprechen.

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Am wichtigsten ist, daß die Anstiegs- und Abfallsflanken zeitlich genau den Nulldurchgängen der Spannung am Punkt 27 entsprechen. Der aus dem Generator 1.9 kommende Rechteckwellenzug ist in Pig. 2 A dargestellt und dort als Quellenrecht-" eckwellenzug "bezeichnet. In gleicher Weise wird die Spannung vom Treiberpunkt 29 auf den Rechteckwellengenerator 18 aufgeprägt, der einen Rechteckwellenzug erzeugt, dessen Anstiegsund Abfallflanken den Nulldurchgängen der Spannung am Punkt 29 entsprechen Der aus dem Generator 18 kommende Rechteckwellenzug ist in I"ig. 2 B dargestellt und wird Rechteckwellenzug am Treiberpunkt genannt.

Die punktierten senkrechten Linien in Fig. 2 geben gleiche Zeiten an. In den in Fig. 2 A und 2 B dargestellten Fällen eilt der Rechteckwellenzug vom Treiberpunkt dem Quellenrechteckwellenzug nach. Falls das zu prüfende seismische Detektorelement ein Geophon ist, das sich im wesentlichen so verhält, als ob seine Induktivität und Kapazität parallel sind, zeigt das Nacheilen der Rechteckwelle vom Treiberpunkt an, daß die am Detektorelement angelegte Frequenz höher als die Resonanzfrequenz ist. Die angelegte Frequenz muß daher herabgesetzt werden.

Die aus den Generatoren 19 und 18 stammenden Rechteckwellenzüge 2 A und 2 B werden in den Digitalphasendetektor 22 eingespeist, der im wesentlichen aus einem ausschließlichen Oder-Tor besteht, das eine positive Spannung nur dann abgibt, wenn die Eingangs spannungen ungleiches Vorzeichen haben.. Die Wellen-

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form 2C ist das Ergebnis der Einspeisung der Quellenrechteckwelle und einer Treiberpunktrechteckwelle, die gegenüber dem Quellenrechteckwellenzug nacheilt, in den Phasendetektor Falls anstelle des Treiberpunktrechteckwellenzuges 2B der Phasendetektor 22 mit dem Treiberpunktrechteckwellenzug 2D gespeist wird, der dem Quellenrechteckwellenzug 2A voreilt, würde das Ausgangssignal 2E vom Fhasendetektor abgegeben.

Offensichtlich sind die Phasendetektorausgänge 20 und 2E in ihrer allgemeinen Form gleich. Der wesentliche Unterschied ist, daß in der Wellenform 2C die verhältnismäßig schmalen, nach unten gehenden Pulse, welche die Phasendifferenz darstellen, unmittelbar auf die Anstiegs- bzw.Abstiegsflanken des Quellenrechteckwellenzuges 2A folgen, während dagegen in der Wellenform 2E die die Phasendifferenz darstellenden, verhältnismäßig schmalen abwärts gerichteten Pulse unmittelbar den Anstiegs- und Abfallflanken des Quellenrechteckwellenzuges 2A vorhergehen. Dieses Unterscheidungsmerkmal wird benutzt, um zu bestimmen, ob die Frequenz verringert oder erhöht werden muß.

Beim Vergleich der Wellenformen 2C und 2A zeigt sich, daß unter den verhältnismäßig engen, abwärtsgerichteten Pulsen der Wellenform 20 der erste, dritte, fpnfte usw. mit einem oberen (positiven) Teil der Wellenform 2A zusammenfällt, während die geradzahligen abwärtsgerichteten Pulse nicht mit oberen (positiven) Teilen der Wellenform 2A koinzidieren. Dagegen zeigt sich beim Vergleich der Wellenform 2E mit der Wellenform 2A,

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das von den verhältnismäßig engen, nach unten gehenden Pulsen der Wellenform 2E der erste, dritte, fünfte usw. nicht mit einem oberen oder positiven Teil der "Wellenform 2A zusammenfällt, während hier die geradzahligen, nach unten gehenden Pulse mit oberen, positiven Teilen der Wellenform 2A zusammentreffen. Falls nur die ungeradzahligen Pulse oder stattdessen nur die geradzahligen Pulse ausgewählt werden, können demnach die Wellenformen 2C und 2E voneinander durch Überprüfung der Koinzidienzen mit den oberen oder positiven Teilen der Wellenform 2A unterschieden werden.

Die vorstehenden Absätze können dahingehend zusammengefaßt werden, daß in den Voreilungs-/Nacheilungs-Detektor 21 Spannungswellenformen eingespeist werden, von denen die Wellenform 2A aus dem Rechteckwellengenerator 19 und die Wellenform 2C bzw. 2E aus dem Digital-Phasendetektor 22 kommt. Um die geradzahligen abwärtsgerichteten Pulse der Wellenform 2C oder 2E auszuscheiden und zwischen den Wellenformen 2C und 2E zu unterscheiden, werden noch zwei weitere Wellenformen in den Voreilungs-ZNacheilungs-Detektor 21 eingespeist. Die erste ist die Wellenform 2IP, die die umgekehrte Form 2A ist. Um die zusätzliche Wellenform 2F zu erzeugen, wird nur innerhalb des Rechteckwellengenerators 19 ein Inverter oder Umkehrer angeordnet. In den Detektor 21 wird außerdem eine zweite zusätzliche Wellenform 2G eingespeist, welche der um 90° verschobenen Wellenform 2A entspricht. Diese ghasenverschoebene Wellenform ist ohne weiteres aus einem Teil der Einrichtung erhältlich, die weiter unten im Zusammenhang erläutert wird.

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In Pig. 3 sind Teile des Voreilungs-ZNacheilungs-Detektors 21 dargestellt. Die Spannungswellenform 2C wird durch den Umkehr er 80 eingeführt, um ihr Inverses "2"C zu erhalten. Diese Wellenform ist Null, wo 2C + ist, und +, wo 2C Null ist. Die Wellenformen 2Ü und 2G werden in das UND-Tor 106 eingespeist. Aus dem UND-Tor 106 kommt die gewünschte Wellenform 2H, die aus 2C durch Umkehrung und Eliminierung der geradzahligen Pulse entstanden ist. In gleicher Weise, würde falls die 7/ellenform 2E anstatt 2C benutzt worden wäre, während die übrigen Bedingungen die gleichen sind, aus dem UND-Tor 106 die Wellenform 2J kommen, welche angesehen werden kann als Umkehrung der Wellenform 2E, aus der die geradzahligen Pulse eliminiert worden sind.

Die Wellenform 2H (oder 2J) wird jetzt sowohl in das NAND-Tor 98 als auch in das UND-Tor 99 eingespeist<,' Am anderen Eingang des NAND-Tores 98 liegt die Wellenform 2A und am anderen Eingang des UND-Tores 99 die Wellenform 2F (Inverses von 2A) an. Ein UND-Tor liefert bekanntlich einen positiven Ausgang nur dann, wenn beide Eingänge positiv sind. Daraus ergibt sich, daß, falls die Wellenform 2H eingespeist wird, das NAND-Tor 98 negative Pulse abgibt, d.h. Pulse, die von einem positiven Potential auf Erdungspotential abfallen, wobei diese Pulse zeitlich mit den engen positiven Pulsen der Wellenform 2H zusammenfallen. Bei Zuführung derselben Wellenform 2H liefert das UND-Tor 99 kein Signal; sein Ausgang bleibt auf Erdungspotential. Falls andererseits die Wellenform 2J zugeführt wird, liefert das NAND-Tor 98 kein Signal;

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sein Ausgangspotential bleibt positiv konstant. Dagegen liefert jetzt das UND-Tor 99 positive Pulse, die zeitlich, mit den positiven Pulsen der Wellenform 2J übereinstimmen.

An diesem Punkt ist die gewünschte Unterscheidung erreicht. Falls die Spannung, welche den Strom durch das seismische Detektorelement 16 treibt, dem Strom nacheilt, werden vom NAtTD-Tor 98 negative Pulse, d.h. solche, die auf Erdungspotential abfallen, mit einer der Größe der Nacheilung entsprechenden Breite abgegeben. Falls die Spannung, mit welcher der Strom durch das seismische Detektorelement 16 geschickt wird, diesem Strom voreilt, werden vom UND-Tor 99 positive Pulse abgegeben, deren Breite der Größe der Voreilung entsprechen. Die negativen Pulse werden dann benutzt, um die als notwendig erkannte Verringerung der Spannungsfrequenz zu erzeugen, die an das seismische Detektorelement 16 angelegt wird. Ensprechend dienen positive Pulse dazu, die als notwendig erkannte Erhöhung der Spannungsfrequenz zu erzeugen, die an das Element 16 angelegt wird.

Die nagativ gerichteten Pulse aus dem NAND-Tor 98 ermöglichen, daß Strom durch die Diode 103b in das NAND-Tor 98 fließt. Dieser Strom kommt letztlich von der Kapazität 24·, obwohl ein gewisser Teil von der Kapazität 90 unmittelbar kommt, und sucht die Kapazität 24 zu entladen und ihre Spannung zu verringern. Andererseits verursachen positive Pulse aus dem UND-Tor 99» daß Strom durch die Diode 103a zur Kapazität 24· fließt und diese aufzuladen und ihre Spannung zu erhöhen

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sucht. Die Spannung an der Kapazität 24 steuert die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 12. Damit ist das Gesamtverfahren beschrieben, durch das eine voreilende Treiberpunktspannung ein selbsttätiges Ansteigen der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 12 und eine nacheilende Treiberpunktspannung eine selbsttätige Verringerung dieser Frequenz verursachen.

Nachstehend werden noch Schaltungseinzelheiten für die Tore 98 und 99 und die Kapazität 24 erläutert. Diese Einzelheiten sind insofern nicht vorrangig, da noch andere Wege denkbar sind, auf denen dieselben Schaltungsprobleme gelöst werden können. Die in Fig. 3 dargestellte besondere Lösung dürfte jedoch mit Bezug auf andere bekannte Lösungsmöglichkeiten einfacher imd vorteilhafter sein. Der aus dem NAND-Tor 98 herausführende Zweig der Schaltung weist eine Kapazität 90 im Nebenschluß zu einem Widerstand 104b auf. Der entsprechende, aus dem UND-Tor 99 führende Schaltungszweig hat jedoch keine entsprechende Kapazität. Die Kapazität 90 löst das Problem, das sich aus der Asymmetrie zwischen den zwei erwähnten Zweigen ergibt. In einer tatsächlich gebauten Ausführungsform benötigt der öpannungsgesteuerte Oszillator 12 einen Steuerspannungseingang von etwa 1VoIt, um zu veranlassen, daß Frequenzen von etwa 8 Hz an die zu prüfenden seismischen Detektorelemente angelegt werden. Die Spannung an der Kapazität beträgt daher 1 Volt. Die positiven Pulse aus dem UND-Tor 99 haben eine Größe von etwa 6V; selbst nach einem Abfall von 0,6V an der Diode 103a bleibt zwischen UND-Tor 99 und Kapazi-

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tat 24 etwa 4,4- V Unterschied, mit welchem Strom durch den Widerstand 104a der Kapazität 24 zugeleitet wird. Andererseits sind die negativen Pulse aus dem NAND-Tor 98 Abfälle von + 6 V auf Erdpotential; bei einem Spannungsabfall von etwa 0,6V an der Diode 103b bleibt dann nur ein Unterschied von 0,4V, um über den Widerstand 104b Ladung aus der Kapazität 24 zu entnehmen. Falls alle anderen Schaltungskonstanten günstig gewählt worden sind, hätte dieses Porblem dadurch gelöst werden können, daß der Wert des Widerstandes 104b mit einem Zehntel des Widerstandes 104a gewählt worden wäre. Es hat sich aber herausgestellt, daß dadurch nicht die gewünschten positiven und negativen Vorgänge in Symmetrie gebracht worden wären. Die negativen Pulse wären immer noch verhältnismäßig zu schwach, und für die Einstellung der Frequenz würde zu viel Zeit auf der zu hohen Seite verbraucht. Die Kapazität 90 löst dieses Problem,da sie ein endliches Ladungsdekrement aus der Kapazität 24 jeweils sofort aufnimmt, wenn der negative Zweig aktiviert wird. Die Kapazität 90 ist verhältnismäßig klein, nur ein Tausendstel der Kapazität 24, sorgt jedoch wirksam für eine Symmetrie der Vorgänge auf dem positiven und dem negativen Zweig, die zur Kapazität 24 führen.

In I¹Ig. 3 ist weiter der auch in Fig. 1 dargestellte Steuerschalter 32 gezeigt. Bei der vorstehenden Erläuterung wurde stillschweigend angenommen, daß der Schalter 32 die dargestellte untere Lage einnimmt und die Kapazität 24 mit dem die selbsttätige Irequenzangleichung verursachenden Sehaltungs-

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teil verbindet. Der Schalter 32 ermöglicht einen Übergang .zur nicht selbsttätigen Frequenzeinstellung. In seiner oberen Lage wird die Spannung an der Kapazität 24 gleich derjenigen, die am Potentiometer abgenommen wird, dessen Arm 34 von Hand verstellt werden kann.

Vorstehend wurde erläutert, wie die Spannung an der Kapazität 24 durch positive oder negative Pulsä gesteuert wird, die vom Voreilungs-/Nacheilungs-Detektor 21 kommen _o Es wurde ferner gezeigt, daß die Spannung an der Kapazität 24 ihrerseits die Frequenz am Spannungsgesteuerten Oszillator 12 (VCO) steuert. Das Ausgangssignal aus VCO 12 bestimmt, wie nachfolgend gezeigt wird, die Frequenz der Sinuswellenspannung, die an das seismische Detektorelement 16 angelegt wird, dessen Resonanzfrequenz gesucht wird. VCO 12 liefert tatsächlich eine Impulsreihe, deren Frequenz ein Vielfaches der Frequenz der Sinuswellenspannung ist, die an das seismische Detektorelement 16 angelegt werden soll. Für diese verhältnismäßig hohe Folgefrequenz gibt es zwei Gründe_o Zunächst soll die Frequenz der Sinuswellenspannung, die an das seismische Detektorelement 16 angelegt werden soll, möglichst sehr genau bekannt sein, z_oB. auf zwei Dezimalen. Falls die Pulsfolgefrequenz ein genaues Vielfaches der gewünschten Frequenz und in der Größenordnung von einem hundertfachen der gewünschten Frequenz ist, kann der Frequenzzähler 20 die gewünschte Frequenz dadurch messen, daß die aus VCO 12 kommenden Pulse über eine Zeitspanne gezählt werden, die nur ein Hundertstel so lang wie die Spanne ist, die erforderlich wäre, wenn Perioden der gewünschten Sinus-

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frequenz gezählt würden. In der tatsächlich gebauten Einrichtung hat es sich als vorteilhaft und nützlich erwiesen, eine Pulsfolgefrequenz von dem 360-fachen der gewünschten Endausgangsfrequenz zu verwenden, so daß die Zeit zwischen den Pulsen einem Grad der Sinuswelle entspricht. Der Zähler braucht nur während 1/360 der Zeit zu zählen, die sonst für die Zählung der Sinusperioden erforderlich wäre. Zweitens besteht der Sinuswellengenerator 13 im wesentlichen aus einem nur ablesenden Speicher, in welchem Digital-Zahlen gespeichert werden, die Ordinaten einer Sinuswelle darstellen. Diese einzelnen Zahlen werden gelesen und in Analogwerte der Sinuswelle aufgrund der aus VCO 12 kommenden einzelnen Pulse umgewandelt. Je größer die Frequenz der aus VCO 12 kommenden Pulse in Beziehung zu der gewünschten Sinusfrequenz ist, umso feiner kann die Unterteilung der Sinuswelle in ihre Digitalen Ordinatenwerte sein, und umso genauer kann der Ausgang des Sinuswellengenerators 13 eine ideale, glatte Sinuswelle annähern.

Mit Bezug auf den ersten Grund für die verhältnismäßig hohe Folgefrequenz der Aktivierungspulse, die von VCO 12 abgegeben werden, nämlich der Erreichung einer hohen Präzision beim Messen der Frequenz, können die quantitativen Vorzüge am besten mathematisch ausgedrückt werden.

Falls, wie tatsächlich der Fall ist, die zu messende Frequenz in der Größenordnung von 10 Hz ist, und falls eine

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Genauigkeit mit zwei Dezimalen gewünscht wird, z.B. 8,58 Hz, so würde die Erreichung dieser Genauigkeit durch bloßes Zählen der Perioden der Sinuswelle selbst erfordern, daß eine Größenordnung von etwa 1000 Perioden gezählt würde. Das würde die Größenordnung von etwa 1CO Sekunden beanspruchen, für die praktische Verwendung eine zu lange Zeito Falls andererseits bekannt ist, daß jeder Periode genau C Pulse aus VCO 12 zugeordnet vrären, würde die Anzahl dieser in einer Sekunde auftretenden Pulse, geteilt durch das Periodenverhältnis,die Sinus-Frequenz angeben, und zwar ohne weiteres bis auf zwei Dezimalstellen. Noch allgemeiner läßt sich sagen, falls C die Anzahl der Aktivierungspulse je Periode der Sinuswelle und D die Zahl der Dezimalstellen ist, die für die Frequenzdarwtellung gewünscht werden, beträgt die Zeitspanne At, über die das Zählwerk 20 zählen muß, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen,

10^D
At« -n sec.

In einem nach der Erfindung hergestellten Apparat war D = 2 und C = 360, d.h. ein Puls pro Grad, so daß Delta t 100/360« 0.2778 sek. betrug.

Über das Vorstehende hinausgehende Einzelheiten des Sinuswellengenerators 13 sind in einer Anmeldung enthalten, die die Anmelderin gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht hat und auf deren Inhalt, soweit erforderlich, hiermit Bezug genommen wird. Ein besonderes Detail des Sinuswellengenerators 13 muß noch nachstehend erwähnt werden, da es in Beziehung zu der Funktion des Voreilungs-Z^Iacheilungs-Detek-

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-W-

tors 21 steht.

Fig. 2 zeigte die verschiedenen, dem Detektor 21 zugeführten Wellenformen, und bei der Beschreibung des Detektors 21 war die Wellenform 2G- erwähnt worden, welche der um 90° verschobenen Wellenform 2A enspricht. Wellenform 2A hat positive und negative Teile, welche den positiven und negativen Abschnitten der Spannung am Punkt 27 entsprechen, welches das verfeinerte Ausgangssignal des Sinuswellengenerators 13 ist. Die Wellenform 2G ist die um 90° verschoebene Wellenform 2A. Zum vollständigen Verständnis des Ursprunges der Wellenform 2G braucht man nur zu wissen, daß der nur lesende Speicher im Sinuswellengenerator 13 gespeicherte Digital-Zahlen enthält, die analog Spannungswerten von zwei Viertel-Perioden der Sinuswelle entsprechen, nämlich einer positiven Viertelwelle und der nachfolgenden negativen Viertelwelle„ Zur Erzeugung der vollen Welle veranlassen die einzelnen Aktivierungspulse aus VCO 12, daß einzelne Werte aus dem nur lesenden Speicher erzeugt werden, beginnend z.B. mit dem am meisten positiven Wert und fortlaufend bis zu dem am meisten negativen Wert. Ein Zählwerk überwacht die Zahl der Aktivierungspulse, und sobald genügend eingelangt sind, um den Speicher zur Erzeugung aller Werte vom größten Positiven bis zum größten Negativen zu veranlassen, erzeugt das Zählwerk einen Spannungsschritt, der die abwärts lesende Folge in eine aufwärts lesende Folge umschaltete Die Aufwärts- und Abwärts-Spannungsschritte dieses Aufwärts- Abwärtszählers, die an positiven und negativen Spitzen der erzeugten Sinus-

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welle auftreten, bilden selbst die oberen und unteren Abschnitte der Wellenform 2G, die aus dem Sinuswellengenerator 13 nur durch die Leitung 15 herausgeführt und in den Voreilungs-/ Nacheilungs-Detektor 21 eingespeist zu werden braucht.

Der Vollständigkeit halber werden noch zwei weitere Bestandteile des in Fig. 1 gezeigten Schaltbildes erwähnt, nämlich eine Glättungseinrichtung oder Deglitcher 14- und Filter 17° Diese Teile sind ebenfalls ausführlich in der bereits erwähnten gleichzeitigen Anmeldung erläutert. Das Ausgangssignal vom Sinuswellengenerator 13 ist im wesentlichen eine Gruppe von Spannungsschritten, und in der gebauten erfindungsgemäßen Einrichtung entspricht jeder Schritt einem elektrischen Grad oder einem V360 der Sinuswellenperiode= Falls die Spannungsschritte ideale Form hätten und aus perfekten ebenen Niveaus bestünden, die durch einwandfreie senkrechte Anstiege verbunden wären, brauchte zur Erzeugung einer ideal glatten Sinuswelle aus den abgestuften Annäherungen nur eine Tiefpassfilterung vorgenommen zu werden, die mit einem üblichen Tiefpassfilter 17 ausgeführt werden kann. Die Unvollkommenheiten der aus dem Sinuswellengenerator 13 kommenden Wellenform bestehen jedoch in Überschwingungen und anderen Verzerrungen der Spannungsänderungen, die entweder im einzelnen oder zusammen störende Hochfrequenz-Komponenten haben können, die nicht vollständig durch ein übliches Tiefpassfilter entfernt werden können_o Der Deglitcher 14· ist im wesentlichen ein Schalter, dessen geringe Öffnungszeitspannen

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die noch, kleineren Zeitinterwalle umfassen, in welchen die störenden vorübergehenden Verzerrungen auftreten. Nur diese Verzerrungen werden entfernt, während die größeren Teile der Spannungsschritte bleiben, die dann befriedigend durch Filter 17 behandelt werden können.

- PATENTANSPRÜCHE -

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Leerseite

Claims

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1. Einrichtung zur selbsttätigen Bestimmung der Resonanzfrequenz eines seismischen Detektorelementes eines geophysikalischen Datenaufnahmesystems, gekennzeichnet durch

a. einen Sinuswellen-Spannungssynthesizer (12,13)» der eine Reihe diskreter Spannungen erzeugt, die von einem diskreten Spannungswert auf den nächsten diskreten Wert aufgrund von Aktivierungspulsen mit einer verhältnismäßig hohen Folgefrequenz ändern, wobei die gesamte Reihe diskreter Spannungen zusammen eine ideale glatte erste Sinusspannung approximiert und die verhältnismäßig hohe Folgefrequenz mindestens das Hundertfache der Frequenz der approximierten ersten Sinusspannung beträgt,

b. auf die erste Sinusspannung ansprechende Mittel (25) zur Anlegung einer zweiten Sinusspannung an das seismische Detektorelement (16), wobei die zweite Sinusspannung mit der ersten gleiche Freguenz hat und durch das Element (16) einen Strom schickt, der genau umgekehrt zu einem Bezugsstrom ist, der aufgrund der ersten Sinusspannung durch einen reinen Widerstand (26) hindurchgeht,

c. eine auf die erste und die zweite Sinusspannung

selbstansprechende/tätige Einrichtung (18,19,22,21),

die eine Phasendifferenz zwischen der ersten,

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den Bezugsstrom durch den reinen Widerstand (26) hindurchschickenden und der zweiten Spannung wahrnimmt, die das umgekehrte des Bezugsstrcms durch das seismische Detektorelement schickt, und die dann selbsttätig in dem Synthesizer den die Folgefrequenz erzeugenden Generator (12) im Sinne einer solchen änderung der wehrgenommenen Phasendifferenz steuert, das eine schließliche Phasendifferenz von im wesentlichen 180° zwischen der ersten und der zweiten Sinusspannung hergestellt wird, wobei die schließlich eintretende Frequenz die gesuchte Resonanzfrequenz ist, und eine Einrichtung (20) zur fortlaufenden Anzeige und Darstellung der Frequenz der Sinusspannungen einschließlich der schließlich auftretenden Resonanzfrequenz durch Zählung der Aktivierungspulse des Synthesizers, der die erste angenäherte Sinusspannung in einer Zeitspanne . t erzeugt, die durch die Beziehung ._t * 10 see. gegeben ist,

~C~

wobei D die Anzahl der für die Frequenzanzeige gewünschten Dezimalstellen und C die Zahl der Aktivierungspulse ist, die im Synthesizer jeder Periode der erzeugten Spannungen zugeordnet ist.

Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teileinrichtung b einen Funktionsverstärker (25) enthält, dessen einer Eingang über den reinen Widerstand

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(26) mit dem Synthesizer (13) verbunden ist und der wenigstens zwei parallele Ausgänge aufweist, von denen der eine mit '^ίθτπ zu prüfenden "Riement (16) in einer Rückkopplungsschleife und. der andere mit der unter c erwähnten Einrichtung verbunden ist.

Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der unter c erwähnte Teil der Einrichtung enthält

1. einen ersten und einen zweiten parallelen Rechteckwellengenerator (18,19), von denen der erste Generator (19) parallel zu dem reinen Widerstand (26) zur Entwicklung einer ersten Rechteckwelle liegt, die der ersten Sinusspannung zugeordnet ist, und der zweite Generator (18) parallel zu dem zu prüfenden Element (-16) angeordnet ist und eine der zweiten Sinusspannung zugeordnete zweite Rechteckwelle erzeugt, wobei aufgrund der Zuordnung der erzeugten Rechteckwellen und der Sinusspannungen positive und negative Teile und Nulldurchgänge der Rechteckwellen mit den entsprechenden positiven und negativen '"feilen und ITulldurchgängen der ersten und zweiten Sinusspannung koinzidieren,

2. einen mit dem ersten und dem zweiten Rechteckwellengenerator verbundenen Digital-Phasendetektor (22) zur Anzeige der Phasendifferenz zwischen den Rechteckwellenausgangssignalen der Generatoren und

3. einen Voreilungs-ZNacheilungs-Detektor (21), der

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mehrere Eingänge hat, von denen einer mit einem Sinuswellengenerator (13) ci.es Synthesizers, ein zweiter mit dem ersten Rechteckwellengenerator und ein dritter mit dem Phasendetektor verbunden ist, während ein Ausgang über einen Steuerschalter (32) und eine Kapazität (24·) mit dem Synthesizer verbunden ist, so daß eine Voreilungs-/Facheilungsbeziehung der erzeugten Rechteckwellen angezeigt und der Synthesizer in der richtigen Richtung eingestellt wird,

4-, Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß der Synthesizer einen spannungsgesteuerten Pulsfolge-Generator (12) enthält, der zwei parallele Ausgänge aufweist, die mit einem Sinuswellengenerator (13) und einem Frequenzzähler und-Anzeigevorrichtung (20) verbunden sind.

5. Verfahren zur selbsttätigen Bestimmung der Resonanzfrequenz eines seismischen Detektorelementes, dadurch gekennzeichnet, daß

1. aus einer Reihe diskreter Spannungsabfragewerte, die mit einer verhältnismäßig hohen Folgefrequenz sieh ändern, eine Annäherung an eine erste ideal glatte Sinusspannung erzeugt wird,

2. diese erste Sinusspannung über einen im wesentlichen reinen Widerstand an den Eingang eines Funktionsverstärkers angelegt wird, in dessen Rückkopplungschleife das seismische Detektorelement angeschlossen ist, so daß der durch das seismische Detektorelement

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fließende Strom genau das Inverse des Stromes ist, der aufgrund der ersten Sinusspannung durch den reinen Widerstand fließt,

3ο Die Phasendifferenz abgetastet wird, die zwischen der zweiten Sinusspannung, die am Detektorelement aufgrund des durch dieses hindurchfließenden Stromes "besteht, und der ersten Spannung am reinen Widerstand vorhanden ist,

4-, die gemeinsame Frequenz der ersten und der zweiten Spannung selbsttätig eingestellt wird, bis eine Frequenz erreicht wird, bei der die Phasendifferenz im wesentlichen 180° beträgt, wobei diese Frequenz die Resonanzfrequenz des seismischen Detektorelementes ist, und

5. die Frequenz während des selbsttätigen Einstellungsvorganges, nachdem die Frequenz den Resonanzfrequenzwert erreicht hat, durch Zählung der Anzahl der Änderungen der diskreten Spannungsabfragewerte in einer Zeitspanne ut angezeigt und dargestellt wird, wobei Δ t » 10 see.

ist und D die Zahl der in der Frequenzdarstellung gewünschten Dezimalstellen und G die Anzahl der Änderungen der diskreten Spannungsabfragewerte pro Periode der ersten Sinusspannung angibt.

Verfahren nach Anspruch 5, dadurh gekennzeichnet, daß bei Ausführung des dritten Verfahrensschrittes vorgesehen ist, daß

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Ίο entsprechend der ersten und der zweiten Sinusspannung Rechteckwellen erzeugt werden, deren positive und negative Abschnitte und Hulldurchgänge mit den positiven und negativen Abschnitten und Nulldurchgängen der ersten und der zweiten Sinusspannung konzidieren,und

2. der Grad der Koinzidienz zwischen Teilen der erzeugten Rechteckwellen bestimmt und damit eine Phasendifferenz zwischen der ersten und der zweiten Sinusspannung angezeigt wird

Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Voreilungs-/lTacheilungs-Beziehung zwischen den erzeugten Rechteckwellen bestimmt wird und das selbsttätig die !Frequenz der erzeugten ersten und zweiten Sinusspannung in richtiger Richtung aufgrund der festgestellten Yoreilungs-/Nacheilungs-Beziehung eingestellt wird, wobei das Ausmaß der Einstellung durch den festgestellten Grad der Koinzidenz zwischen den erzeugten Rechteckwelllen bestimmt wird, wobei die Einstellung fortgesetzt wird, bis die erzeugte Phasendifferenz zwischen den Sinusspannungen im wesentlichen 180 erreichte