NL8802000A - Geofoonstelsel. - Google Patents

Description

Geofoonstelsel

De uitvinding heeft betrekking op een opnemer voor hetmeten van mechanische trillingen, m het bijzonder seis¬mische golven, omvattende een mechanische omzetter met eenelektronische verwerkingsinrichting. De opnemer zet deversnelling om in een digitaal uitgangssignaal.

Voor het meten van een seismisch signaal wordt gebruikgemaakt van seismometers ofwel geofoons. Deze geofoons zijndoorgaans passieve analoge opnemers, die groepsgewijs inserie zijn geschakeld en met een meetstation zijn ver¬bonden. Door een beweging van de geofoon wordt een span¬ning geïnduceerd in een spoel,die beweegbaar is opgehangenin het magnetisch veld van een permanente magneet. Om eengrote gevoeligheid te bereiken is de massa van de magneetgroot, hetgeen de koppeling van de geofoon met de grond;waarin zij is geplant bij hoge frequenties nadelingbeïnvloed. De analoge verbinding tussen de geofoons en hetmeetstation is. gevoelig voor storing door externe elektro¬magnetische velden.

In het meetstation wordt de analoge uitgangsspanning,van de geofoons versterkt, bemonsterd en gedigitaliseerd.Door de hoge eisefy die worden gesteld aan de resolutie,zijnde daartoe vereiste analoog-digitaal-omztter en het anti-aliasfilter dermate gevoelig zijn voor componenttolerantiesidat vervaardiging in IC-techniek vrijwel niet mogelijlc is.

Geofoons, die niet goed funktioneren,kunnen groteschade berokkenen aan de seismische data die worden ge¬wonnen, terwijl deze schade pas duidelijk wordt bij dedataverwerking, en herstel dan niet meer mogelijk is. Om datte voorkomen worden de geofoons in het veld getest.

Uit US-A 3 429 189 (H. F. Krabbe) is een accelerometer bekend, welke een digitaal uitgangssignaal levert. Desamengestelde opnemer bestaat uit een opneemelement, dat depositie van een trage massa bepaalt, en een aandrijfspoel,die een tenigstelkraclit uitoefent op de trage massa,

Wanneer de uitgangswaarde van het positie-opneemelement eenpositieve of negatieve waarde overschrijdt, . w’ordt eenstroompuls door de aandrijfspoel gedrukt. Hierdoor wordteen lorentzkracht op de trage massa uitgeoefend, tegen¬gesteld aan de kracht die is veroorzaakt door de te metenversnelling. De beweging van de trage massa zal door deterugstelkracht tot in hoofdzaak nul gereduceerd worden.Omdat de tijd van stroompuls klein en konstant is, is desom van de stroompulsen evenredig met de gemiddeldelorentzkracht, en dus met de versnelling. Het behulp van eendigitale teller kan de versnelling worden berekend. Desnelheid van het te meten mechanische ingangssignaal isevenredig met de frequentie van het uitgangssignaal. Infeite is daarmee een opnemer met een frequentie-uitgangontstaan.

Deze acceleerometer heeft enkele nadelen,en is daaromniet geschikt voor seismische metingen. Om een groot dyna¬misch bereik te verkrijgen, zoals bij seismische metingenvereist is, zou de gesloten—lusversterking zeer grootmoeten worden gekozen, waardoor de demping van de samen¬gestelde opnemer sterk afneemt en instabiliteit kanoptreden. Dit kan worden voorkomen door een differen¬tiërend netwerk in de terugkoppellus op te nemen. Decombinatie van een positie-opneemelement en een differen-tiator vormt dan een snelheidsopneemelement. Voor seis¬mische metingen is het wenselijk, dat de geofoon in hori¬zontale en in verticale oriëntatie gebruikt kan worden. Omde bekende accel-ierometer met positie-opneemelement in beide oriëntaties te laten funktaoneren moet net meetbereikgroot genoeg zijn om de gravitatieversnel1ing van de tragemassa te compenseren. Het meetbereik moet dan onnodig grootworden gekozen,omdat voor het gebruik van seismischemetingen een meethereik van i m/s2 voldoende is.

Deze bekende accel-erometer kan voorts alleen wordengetest met behulp van een mechanisch ingangssignaal, hetgeenmet het oog op het grote aantal geofoons, dat wordt geplant,bezwaarlijk is.

De uitvinding beoogt een digitale geofoon te ver¬schaffen, die deze nadelen niet heeft. Deze geofoon is inconclusie 1 nader omschreven, en heeft onder meer devolgende eigenschappen: ten gevolge van de digitalecommunicatie is de invloed van storing op de kabel geringen een grote afstand tussen geofoon en meetstation moge¬lijk; de analoog-digitaal—omzetter en het anti-alias—filter zijn dermate ongevoelig voor componenttoleranties,dat realisatie in iC-techniek mogelijk is, zodat de analoog-digitaal-omzetter en het anti-alias-filter in de geofoonkunnen worden geplaatst; de bandbreedte van de geofoon isgroot, en wordt bepaald door een digitaal filter,hetgeen eengrote mate van vrijheid met zich meebrengt; de trage massais gering, zodat de geofoon zowel een kleine massa als eengering volume heeft, hetgeen een goede grondkoppelingwaarborgt; op grond van de geringe uitwijking van de tragemassa kan gebruik worden gemaakt van veren met een grotestijfheid in de dwarsrichting; de geofoon is in elke standbruikbaar en slechts voor axiale trilling gevoelig; doormiddel van een digitaal testsignaal kan de overdracht en devervorming van de geofoon worden gemeten.

De uitvinding zal in het onderstaande nader wordentoegelicht met verwijzing naar de tekening. In de tekening is: fig. l net Ketenschema van de digitale geofoon volgens deuitvinding.

fig.2 de frequentiekaraKteristiek van het ingangssignaal enhet testsignaalj tevens is de invloed van de kwanti-seringsruis zichtbaar.

fig. 3 de mechanische omzetter,waarvan de geofoon gebruikmaakt.

fig. 4 het schema van de schakeling, waarmee de geofoongetest kan worden^ èe schakeling meet daartoe de harmo¬nische vervorming.

In fig 1 is het ketenschema van de digitale geofoonvolgens de uitvinding weergegeven. De mechanische signalenzijn weergegeven door gestippelde lijnenden de elektrischesignalen zijn weergegeven door getrokken lijnen. De geofoon1 ondervindt een ingangsversnelling'X(s), die een krachtFa laat aangrijpen op een trage massa 2. Als de resul¬tante van deze kracht Fa en de nog nader toe telichten lorentzkracht Fj ongelijk is aan nul, . zaldat een beweging van de trage massa 2 van het massa-veersysteem 3 tot gevolg hebben, die door de snelheids¬opnemer 4 wordt gedetecteerd. De werking van de snelheids¬opnemer 4 zal in figuur 3 nog nader worden toegelicht.Fysisch gezien heeft het opneemelement 4 een uitgangs-spanning, maar met het oog op de realisatie in IC-techniek wordt deze spanning door de analoge ingangs-versterkertrap in een uitgangsstroom omgezet. De verster-kertrap is ondergebracht in de snelheidsopnemer 4. Deuitgangsstroom van de snelheidsopnemer 4 wordt gesommeerdmet de uitgangstroom ij van èennog toe te lichtendigitaal-analoog-omzetter 11^en geïntegreerd door eenlaagdoorlaatfilter 5. Het laagdoorlaatfilter 5 heeft een stroomingang en een grote versterkmgsfaktor. Het uit¬gangssignaal van het filter 5 wordt bemonsterd door eenbemonsterdement 6 na het commando 'HOLD' van een Klok 7. DeKlok 7 wordt aangestuurd met. ·. een extern synchro-nisatiesignaal. Het bemonsterde signaal wordt door eenanaloog-digitaal—omzetter 6 omgezet in een digitaalsignaal na het commando 'START' van de Klok 7. De bemon-steringsfrequentie fs ligt hoog, in ieder geval veelhoger dan de eigenfrequentie van het massaveersysteem 3 ende kantelfrequentie van het laagdoorlaatfilter 5. Door debeperkte resolutie van de analoog-digitaal—omzetter 6 kandeze in een IC-proces worden gerealiseerd. Het digitaleuitgangssignaal Y(z) wordt door een inverter 9 geïnverteerd,zodat het signaal in de terugkoppelketen in tegenfase is l met het uitgangssignaal. Eendigitale optelIer iO sommeerteen testsignaal T(z) met het geïnverteerde uitgangs¬signaal. Tijdens meetbedrijf is het signaal T(z) gelijk aannul. Het testen van de samengestelde opnemer i zal nognader worden toegelicht in figuur 4. Het somsignaal van deoptel Ier 10 wordt door een digitaal-analoog-omzetter iiomgezet in de stromen ij en ig. Zowel de stroomij als de stroom ig is evenredig met het digitalesignaal. De digitaal analoog omzetter ii met twee uit-gangs-stromen Kan in IC-techniek worden gerealiseerd metbehulp van een stroomspiegel met een meervoudige uitgang.

Het belang van de terugkoppelstroom ij zal nog naderworden toegelicht. Een'Krachtomzetter 12 oefent eenlor ent zkr acht Fj uit op de trage massa 2, die evenredigis met de stroom ig. Door de lorentzkracht zal debeweging van de trage massa 2 tot in hoofdzaak nul wordengereduceerd.

Fig. 2 laat de frequentiekarakteristiek van de samengestel de opnemer 1 zien. Het massaveersysteem 3 heefteen eigenfrequentie, die in de seismische handbreedte ligt,maar door de grote openlusversterKing wordt de overdrachtvan de samengestelde opnemer 1 in de seismische handbreedtein hoofdzaaK bepaald door de overdracht van de digitaal-analoog-omzetter 11 en de Krachtomzetter 12. Voor frequen¬ties hoger dan de seismische bandbreedte is de openlus¬versterKing Klein door de Kleine overdracht van het massa¬veersysteem 3 en het laagdoorlaatfilter 5. De overdrachtY(s)/X(s) van de samengestelde opnemer 1 neemt dan af metde toename van de frequentie. Omdat het snelheidsopneem-element 4 alleen de beweging van de trage massa 2 detec¬teert, is de overdracht van de samengestelde opnemer 1Klein bij frequenties Kleiner dan de seismische band¬breedte.

De resolutie van de analoog-digi taal—omzetter β islaag,en er wordt Kwantiseringsruis aan het uitgangssignaaltoegevoegd. Deze Kwantiseringsruis is uniform over defrequentieband verdeeld, maar door de grote openlus¬versterKing bij lage frequenties is de bijdrage van deKwantiseringsruis aan het uitgangssignaal gering. Bijhogere frequenties neemt de openlusversterKing af, en enwordt de Kwantiseringsruis niet langer onderdruKt. Infiguur 2 wordt de bijdrage van de Kwantiseringsruis in hetuitgangssignaal weergegeven door het gearceerde oppervlaK.Uit de figuur blijKt,dat het dynamisch bereiK van desamengestelde opnemer 1 in de seismische bandbreedte zeergroot is. Het behulp van een digitaal laagdoorlaatfilterKunnen frequenties boven de seismische bandbreedte wordenonderdruKt. Ten gevolge van de toepassing van het digitalefilter neemt de signaalruisverhouding toe en wordt deresolutie van het digitale uitgangssignaal hoger. Door herbemonstering van het digitale signaal na net laagdoor-laatfilter wordt de capaciteit van het datacommunicatie-Kanaal en de data-opslag meer efficiënt gebruikt. Hetfilter Kan in VLSI gerealiseerd worden, zodat ooK betfilter in de geofoon Kan worden ondergebracht. Dezetechniek is op zichzelf bekend, en .zal daarom niet verderworden toegelicht.

Uit het oogpunt van onderdrukking van de Kwanti-seringsruis moeten de versterkingfaktoren van deingangstrap van het snelheidsopneemelement 4 en hetlaagdoorlaatfilter 5 groot worden gekozen. De terug¬koppeling in de samengestelde opnemer i voor een signaalmet frequentie nul is onderbroken, omdat het snelheids¬opneemelement 4 alleen een beweging van de trage massa £dan detecteren. De offsetspanning van de ingangstrapverschijnt met een zeer grote versterkingsfaktor aan deuitgang, en beperkt daarmee het dynamisch bereik van desamengestelde opnemer i. In iC-techniek is offset-compensatie moeilijk te realiseren en daarom kostbaar. Dooreen tweede terugkoppelketen met de stroom ij aan tebrengen wordt dit nadeel beperkt. De offset van hetlaagdoorlaatfilter wordt door ij teruggekoppeld,en deversterkingsfaktor van het laagdoorlaatfilter 5 Kan nu zeerhoog worden gekozen zonder dat de offset het dynamischbereik beperkt. Bovendien levert de tweede terugkoppelketeneen bijdrage in de onderdrukking van de kwantiseringsruis.

Voor het gebruik van geofoons bij seismische metingenis het noodzakelijk, dat de geofoon getest kan worden. Deoverdracht van de digitale geofoon 1 kan worden getest methet testsignaal T(z). Door de digitale optelIer 10 wordthet testsignaal gesommeerd met het geïnverteerde uitgangs¬signaal en door de digitaal-analoog-omzetter il wordt een stroom ig door de Krachtomzetter 12 gestuurd. De tragemassa 2 wordt op eenzelfde wijze geëxiteerd als door hetingangsversnellingssignaal. De overdracht Y(z)/T(z) is mde seismische handbreedte nagenoeg gelijk aan de overdrachtY(s)/X(s)/ behoudens een frequentieonafhankelijke faktor. Infiguur 2 is de overdracht Y(z)/T(z) geschetst. Voor hetgebruik van de testinrichting is het noodzakelijk, dat hetuitgangssignaal en het testsignaal worden gesynchroniseerd.Daarom wordt door de klok 7 het 'START' commandogegenereerd met het uitwendige synchronisatiesignaal,

Om het aantal draden te beperken kan gebruik wordengemaakt van seriële communicatie tussen geofoons en. het meet¬station. Er is dan een gemeenschappelijke datalijn, die deuitgangssignalen van een groep geofoons met het meet¬station verbindt, en een besturingssignaal die de seriëlecommunicatie bestuurt. Het besturingssignaal maakt gebruikvan een decodeerinrichting en een specifieke code waarmeeelke geofoon is uitgerust. Het testsignaal en het synchro¬nisatiesignaal kunnen door specifieke bitcombinaties in hetbesturingssignaal worden ondergebracht. Een dergelijkcommunicatiesysteem is bekende techniek/en wordt daaromniet verder toegelicht.

Fig.'3 toont de mechanische omzetter 13. Deze omzet¬ter bestaat uit de trage massa 2» die een magneet 14. eenafstandsstuk 15 en binnenpool schoenen 16 omvat, alsmede eenhuis 17 met een opneemspoei 18i een aandrijfspoel 19» eencompensatiespoel 20 en een busvormige bui tenpoolschoen 21.

De trage massa 2 is in het huis 17 Dpgehangen door middel vanveren BB. Een beweging van de trage massa 2 verandert demagnetische flux in de opneemspoei 16, en induceert dan eenspanning. De opneemspoei 16 staat in serie met de compen-satie-spoel 20 en is verbonden met de ingang van de elektronische verwerking smricht mg. Doordat het magnetischeveld/dat door de magneet 14 wordt opgewekt, m de lucht -spleet van de compensatiespoel EO nihil is, zal eenbeweging van de trage massa Z geen spanning induceren in decompensatiespoel £0. De aandrijfspoel 19 is aangesloten opde elektronische verwerkingsinrichtmg, en bevindt zich mhet magnetisch, veld van de magneet 14. Wanneer een stroomdoor de aandrijfspoel 19 wordt gedrukt, oefent delorentzkracht Fj=B. i. 1 een kracht uit op de trage massa£. Omdat de magnetische f luxdichtheid B en de spoel lengte 1constant zijn,is de lorentzkracht Fl evenredig met destroom i. De stroom door de aandrijfspoel 19 heeft ook totgevolg,dat door de wederkeringe inductie tussen deaandrijfspoel 19 en de opneemspoel 16 een inductiespanningwordt geïnduceerd. Om te voorkomen, dat de elektronischeverwerkingsinrichting deze inductiespanning als bewegingvan de trage massa £ zou herkennen, is de compensatiespoel£0 aangebracht. Daar de relatieve permeabiliteitswaarde vanhet afstandsstuk 15 gelijk is aan die van de magneet 14,nl.die van lucht, zal de inductiespanning in de compensatie¬spoel £0 gelijk zijn aan de inductiespanning in de opneem¬spoel 16. De wikkelzin van de beide spoelen is echtertegengesteld, zodat door serieschakeling van de beidespoelen de inductiespanning ten gevolge van een stroom doorde aandrijfspoel 19 nihil is.

Tussen de spoelen zou ook capacitieve koppeling kunnenontstaan. Om dit te voorkomen worden de binnenpoolschoenen16 door êön piiaar £3 verbonden met elkaar en met de elek¬trische massa van de elektronische verwerkmgsinrichting.

Het materiaal van de pilaar £3 is elektrisch geleidend,maar magnetisch niet geleidend, zoals bijvoorbeeld koper.

De pilaar £3 dient daarnaast ook voor de mechanische bevestiging van de pool schoenen 16, de magneet 14 en hetafstandsstuK 15 aan de veren 22. Een mechanische verbindingdoor middel van lijmen is mogelijk, maar uit het oogpuntvan stootvastheid niet aantreKKelijk.

Bij de in het voorgaande beschreven digitale geofoon 1kan de vervorming worden gemeten met de schakeling volgensfig, 4. Ineen ROM-geheugen £4 is een gedigitaliseerdsinusvormig signaal opgeslagen. Door middel van eenschakelaar 25 wordt het ROM-geheugen 24 uitgelezen en hettestsignaal T(z) voortgebracht. De herhalingstijd van hettestsignaal wordt bepaald door de klokfrequentie,, die wordtgegenereerd door de klokgenerator 26 en de deler 27, zodatmet de instelling van nj de frequentie van het test¬signaal kan worden gevarieerd. Het testsignaal T(z)exciteert de trage massa 2, en simuleert daarmee eenversnellingssignaal X(s). Het uitgangssignaal Y(z) bevat deresponsie van hét testignaal T(z) en het versnellings¬signaal X(s).

Tegelijkertijd leest een tweede schakelaar £6 het ROM-geheugen 26 uit met een herhalingstijd/die wordt bepaalddoor de klokfrequentie van de klokgenerator 26 en een deler29. Hierdoor ontstaat eenzelfde testsignaal, maar met eenn2 /ni-maal hogere frequentie. Dit signaal wordt dooreen digitale vermenigvuldiger 30 vermenigvuldigd met hetuitgangssignaal Y(z) van de digitale geofoon i. Het produktvan de vermenigvuldiger 30 bevat de som- en verschil-frequenties van het testsignaal met ng/njKhogerefrequentie en het uitgangssignaal Y(z), De harmonischevervorming in het signaal Y(z) met de n£/nj-maalhogere frequentie kan worden bepaald door de meting van deverschil frequentie, die aan de uitgang van de vermenig¬vuldiger 30 een frequentie nul heeft. Een laagdoorlaatfliter 31 filtert deze frequentie uit hetsignaal van de vermenigvuldiger 30. De Kantelfrequentiebepaalt de breedte van het filter in het spectrum van hetseismischtsignaal. Naarmate de Kantel frequentie lager wordtgeKozei^ zal de bijdrage van de omgevingsruis ten gevolgevan de ingangsversnelling afnemen.

Omdat de woordlengte van de signalen Y(z) en T(z)

Klein is, is de realisatie van de digitale schaKelingeenvoudig.

Claims (7)

1. Geofoonstelsel, omvattende een mechanische omzetter en eenelektronische verwerkingsinrichting, waarbij de mechanische om¬zetter een trage massa en een krachtomzetter omvat, welketrage massa kan worden bekrachtigd door een ingangsversnel-lingssignaal en door de krachtomzetter, waarbij de bekrachti¬ging door een opneemelement wordt gedetecteerd, welkekrachtomzetter door de elektronische verwerkingsinrichtingwordt aangestuurd, terwijl de elektronische verwerkingsin¬richting een analoog-digitaal-omzetter omvat, die vanuit het opneemelement wordt aangestuurd, met het kenmerk, dat hetopneemelement (3) de snelheid van de trage massa (2) detecteerten de analoog-digitaal-omzetter (8) aanstuurt door middel vaneen versterker (5) met zeer hoge versterkingsfaktor, dat de uit¬gang van de analoog-digitaal-omzetter (8) met de ingang vaneen digitaal-analoog-omzetter (11) is verbonden, en dat deuitgang van deze digitaal-analoog-omzetter (11) de kracht¬omzetter (12) aanstuurt.

2. Geofoonstelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, datde versterker (5) een laagdoorlaatkarakteristiek heeft, en datde ingang ervan, behalve met het snelheidsopneemelement (3),met de uitgang van de digitaal-analoog-omzetter (11), isverbonden, ten einde de uitsturing van de analoog-digitaal-omzetter (8) ten gevolge van de offset van de versterker (5)te beperken en de kwantiseringsruis te onderdrukken.

3. Geofoonstelsel volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dateen digitaal testsignaal (T(z) in een opteltrap (10) met hetuitgangssignaal van de analoog-digitaal-omzetter (8) wordt ge¬sommeerd, waarbij de uitgang van deze opteltrap (10) met dedigitaalanaloog-omzetter (11) is verbonden, ten einde in over¬eenstemming met dit testsignaal door middel van de krachtom¬zetter (12) een kracht op de trage massa (2) uit te kunnenoefenen, waarbij het kloksignaal (7) voor de analoog-digitaal-omzetter tevens als kloksignaal voor het testsignaal werkt.

4. Omzetter voor het opnemen van mechanische trillingen, inhet bijzonder seismische golven, omvattende een coaxiaalpermanent magnetische samenstel, en een coaxiaal spoelensamen- dat een opneemspoel en een aandrijfspoel omvat, die concentrischin een busvormige buitenpoolschoen zijn geplaatst, waarbij hetene stelsel beweegbaar en de andere vast is, met het kenmerk,dat het magneetsamenstel bestaat uit een permanente magneet(14), die aan weerszijden is voorzien van twee binnenpoolschoe¬nen (16), waarbij de aandrijfspoel (19) in de luchtspleet tussende ene binnenpoolschoen (16) en de buitenpoolschoen (21) en deopneemspoel (18) in de luchtspleet tussen de andere binnenpool-schoen (16) en de buitenpoolschoen (21) is geplaatst, terwijleen compensatiespoel (20) buiten het magnetisch veld van demagneet (14) in de buitenpoolschoen (16) is aangebracht, een enander zodanig, dat de inductiespanning, die tengevolge van dedoor de aandrijfspoel (19) veroorzaakte wisselflux in de compen¬satiespoel (20) wordt geïnduceerd, althans nagenoeg gelijk is aande inductiespanning, die tengevolge van die wisselflux in deopneemspoel (18) wordt geïnduceerd.

5. Omzetter volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat hetmagneetsamenstel een derde binnenpoolschoen (16) tegenover decompensatiespoel (20) omvat, die door een niet-magnetischetussenruimte (15) van de eerste binnenpoolschoen (16) is ge¬scheiden .

6. Omzetter volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat debinnenpoolschoenen (16) onderling zijn verbonden door middel vaneen elektrisch geleidende en volgens de as van het samenstelgerichte kern (23).

7. Werkwijze voor het testen van de geofoon volgens conclusie1 of 2, met het kenmerk, dat een digitaal testsignaal wordtvoortgebracht door een in een geheugen opgeslagen signaal uit telezen en daarmee de geofoon aan te sturen, waarbij een tweedetestsignaal wordt voortgebracht door het eerdergenoemde geheugenmet een n-maal grotere snelheid uit te lezen, terwijl een digi¬tale vermenigvuldiger het genoemde tweede testsignaal met hetuitgangssignaal van de geofoon vermenigvuldigt, en het laag-doorlaatfilter de n-de-harmonische-vervorming uit het uitgangs¬signaal van de vermenigvuldiger filtert.