PL240132B1 - Sposób pomiaru drgań oraz urządzenie do pomiaru drgań - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru drgań, zwłaszcza sejsmicznych oraz urządzenie do pomiaru drgań, zwłaszcza sejsmicznych, pozwalające na powtarzalną, tanią i bezpieczną ocenę w szczególności amplitudy drgań przy zachowaniu, a nawet zwiększeniu czułości wykrywania trzęsień ziemi w stosunku do znanych rozwiązań.

Pomiar drgań jest jedną z podstawowych metod określenia ryzyka lub zaistnienia stanów zagrożenia konstrukcji, zwłaszcza w przypadku drgań o charakterze sejsmicznym. Pomiar taki pomaga określić uciążliwość sąsiedztwa np. ruchliwych węzłów komunikacyjnych i wpływ takiego sąsiedztwa na przykład na konstrukcje budynków lub budowli, albo ocenę zagrożeń dla samych ciągów komunikacyjnych, mostów wynikających z drgań pochodzenia komunikacyjnego oraz naturalnych drgań skorupy ziemskiej. Ocena amplitudy drgań i jej zmienności w czasie pozwala także na określenie prawdopodobieństwa wystąpienia zdarzeń niebezpiecznych takich jak trzęsienia ziemi, osunięcia ziemi itp.

W celu pomiaru i oceny drgań stosuje się czujniki, najczęściej mechaniczne, jakie rejestrują lub przesyłają dane o przemieszczeniach, a także niekiedy o prędkości lub przyspieszeniu w polu pomiarowym. Przemieszczenia w obszarze prowadzenia pomiaru stanowią informację o zaistniałej magnitudzie drgań skorupy ziemskiej. W szczególności z wykorzystaniem wynalazku możliwe jest obserwowanie drgań budynków, maszyn, jak i innych obiektów.

Jednymi z najpopularniejszych czujników drgań, szczególnie o genezie tektonicznej, są sejsmografy wahadłowe, w jakich bezwładna masa tworząca wahadło pionowe lub poziome, drgając, w zależności od konstrukcji sejsmografu, powoduje powstanie zapisu odpowiadającego „sile trzęsienia ziemi”. Zapis odbywa się na nośnikach zarówno fizycznych, jak też cyfrowych. Zasadniczą cechą grupującą te rozwiązania jest to, czy wahadło w nich zastosowane jest ruchome, czy nie. W tych drugich pomiar dotyczy nie siły z jaką drga podłoże na którym ustawiono sejsmograf, ale siły koniecznej do utrzymania wahadła w równowadze.

Najstarsze znane czujniki drgań rejestrowały dane w piasku, w którym końcówka wahadła „rzeźbiła” rowek będący następstwem przemieszczeń. W późniejszym okresie wahadło zostało wyposażone w rysik, a warstwę piasku zastąpiono walcem lub zespołem walców z papierową taśmą, na której rysik kreślił sejsmogram. Nowsze konstrukcje przetwarzają dane elektryczne jakie się wzmacnia oraz rejestruje, zazwyczaj galwanometrem na taśmie światłoczułej, ewentualnie w nowszych rozwiązaniach w pamięci komputera Zasadniczym warunkiem działania sejsmografu jest to, aby okres drgań wahadła był duży lub bardzo duży w stosunku do okresu drgań obserwowanej powierzchni, na przykład skorupy ziemskiej.

Z opisu EP2906916 znany jest czujnik drgań, który posiada podstawę, bezwładną masę, źródło światła oraz detektor, a gdzie sygnał optyczny wykorzystany jest do pomiaru zmiany położenia względnego bezwładnej masy oraz podstawy. W szczególności do pomiaru zastosowano zjawisko interferencji między dwoma wiązkami światła. W opisanym wynalazku do konstrukcji czujnika zastosowano interferometr w postaci objętościowej.

Z opisu EP2385357 znany jest światłowodowy czujnik drgań, jaki wykorzystuje włókno światłowodowe w funkcji wahadła poziomego. Wolny i niezamocowany koniec światłowodu stanowi bezwładne wahadło i jest umieszczony w tulei zakończonej lustrem lub płytką szklaną. Tym samym drgania światłowodu powodują, że wychodząca z niego wiązka światła oscyluje, a owe oscylacje są miarą drgań. Swobodny ruch światłowodu stanowiącego bezwładne wahadło może wprowadzić drgania harmoniczne, które będą zakłócać odczyt mierzonych drgań.

Z kolei opis US5381492 ujawnia czujnik drgań, w którym zastosowano dwa pojedyncze włókna światłowodowe, jakie sprzęgnięte są sprzęgaczami tak, że sygnał wprowadzany do nich dzielony jest korzystnie symetrycznie. Jedno z ramion zamocowane jest nieruchomo do podłoża lub obudowy urządzenia i stanowi ramię odniesienia, a drugie „rozpięte jest” swobodnie pomiędzy źródłem światła a sprzęgaczem wyjściowym. Drugi światłowód jest ramieniem pomiarowym, jaki zmienia swoje położenie w skutek drgań podłoża lub otoczenia czujnika.

Podobną zasadę działania ma czujnik według CN205785495, w jakim ramiona mają postać pętli, z jakich jedna jest nieruchoma, a druga odpowiada na drgania otoczenia, przy czym światłowody na których wykonano obie pętle połączone są tak, że sygnał z jednej pętli przechodzi do drugiej. Układ ten wymaga stosunkowo skomplikowanego układu przetwarzania danych, w którym muszą zostać wyeliminowane nakładające się na siebie sygnały z obu włókien.

PL 240 132 B1

Znany jest także układ do pomiaru drgań, według US4893930, jaki zawiera cylinder z umieszczonymi w nim promieniowo wokół centralnego rdzenia trzpienie z gumy silikonowej. Wokół każdego z rdzeni nawinięte jest włókno światłowodowe, jakie podczas przemieszczania się urządzenia i drgania trzpieni zmienia swoje położenie, zmieniając także propagację światła. Tym samym wykorzystane włókna przejawiają działanie analogiczne jak w interferometrze Michelsona, pozwalając na ocenę amplitudy drgań w oparciu o pomiar zmian w propagacji sygnału optycznego.

Znane urządzenia, nawet bardzo czułe obarczone są stosunkowo dużym błędem pomiarowym, jaki wynika przede wszystkim z ograniczeń elementów kinematycznych występujących w znanych miernikach drgań, na przykład sejsmografach. Urządzenia o czysto mechanicznej konstrukcji wymagają, aby siła wprawiająca w drgania ośrodek pomiarowy była stosunkowo duża, aby uruchomić elektryczne elementy przetwarzania sygnału, tym samym informacja o na przykład nadchodzącym trzęsieniu ziemi lub wstrząsach wtórnych nadchodzi z dużym opóźnieniem. Urządzenia mechaniczne wymagają dodatkowo zasilania elektrycznego, co czyni je podatnymi na awarie i nie pozwala na ich łatwe zastosowanie poza obszarami zelektryfikowanymi. Dodatkowo urządzenia zasilane elektrycznie podatne są na uszkodzenia wynikające z kradzieży kabli lub elementów zasilających, a także wymagają częstej i dokładnej kalibracji wynikającej ze zmian sygnału elektrycznego w zależności od długości przewodów, nawet zasilających. Ponadto, sygnał transmitowany elektronicznie na długich dystansach kablami miedzianymi ulega degradacji co skutkuje znaczącym ograniczeniem maksymalnego zasięgu transmisji.

Z kolei w urządzeniach w jakich wykorzystywane są włókna światłowodowe, w których nie propaguje się sygnał elektryczny, jako element, zaobserwować można niedokładność wynikającą z ograniczeń mechanicznych samego włókna, jakiego elastyczność i bezwładność jest często niewystarczająca do wykrycia początku drgań, zwłaszcza sejsmicznych.

Dlatego celowym było opracowanie urządzenia i sposobu do pomiaru drgań, zwłaszcza sejsmicznych, jakie łączyłoby zalety prostej konstrukcji urządzeń mechanicznych i dokładności pomiaru światłowodowego, jednocześnie wykorzystującego dostępną i rozwijającą się infrastrukturę światłowodową. Ze względu na wykorzystanie światłowodów w układzie pomiarowym, nie ma konieczności zasilania miejsca pomiaru energią elektryczną, czego unika się w szczególności w miejscach zagrożonych wybuchami. Dodatkowo, z wykorzystaniem wynalazku możliwe jest uzyskanie dużej czułości niezależnie od zakresu w jakim mierzone są drgania, w szczególności drgania sejsmiczne (trzęsienia ziemi). W czujnikach znanych ze stanu techniki stosunkowo duże drgania, w szczególności trzęsienia ziemi, mierzone są z małą dokładnością natomiast przy aparaturze dedykowanej stosunkowo małym drganiom, w szczególności trzęsieniom ziemi, przy dużych drganiach czujnik nasyca się.

Urządzenie do pomiaru drgań sejsmicznych zawierające interferometr światłowodowy oraz sposób pomiaru drgań na podstawie obserwacji interferometru ujawniono w dokumencie CN2594809.

Sposób pomiaru drgań w układzie podstawy i ruchomej bezwładnej masy, za pomocą interferometru światłowodowego zawierającego ramię referencyjne i ramię pomiarowe, w którym ramię referencyjne sprzęga się mechanicznie z układem podstawy, zaś ramię pomiarowe sprzęga się mechanicznie z ruchomą, bezwładną masą, natomiast do interferometru dołącza się źródło światła oraz detektor i obserwuje się zmiany fazy sygnału interferencyjnego na detektorze dla określenia amplitudy drgań, zgodnie z wynalazkiem cechuje się tym, że przeprowadza się kalibrację wprawiając masę w kontrolowane drgania wymuszone za pomocą cewki i wykonując za pomocą interferometru pomiar kontrolny.

Urządzenie do pomiaru drgań mechanicznych według wynalazku zawiera układ podstawy oraz ruchomą, bezwładną masę oraz układ optyczny z interferometrem wyposażonym w ramię referencyjne i ramię pomiarowe. Ramię referencyjne jest mechanicznie sprzężone z podstawą, zaś ramię pomiarowe jest mechanicznie sprzężone z masą. Urządzenie zawiera ponadto układ cewki przystosowany do wymuszania kontrolowanych drgań masy.

Korzystnie sprzężenie mechaniczne stanowi połączenie lutowane przynajmniej na części długości ramienia.

Alternatywnie sprzężenie mechaniczne ramienia stanowi połączenie klejone przynajmniej na części długości ramienia.

Alternatywnie sprzężenie mechaniczne ramienia stanowi połączenie przez elektrolizę przynajmniej na części długości ramienia.

Alternatywnie sprzężenie mechaniczne ramienia stanowi połączenie zgrzewane przynajmniej na części długości ramienia.

Korzystnie interferometr optyczny stanowi interferometr w konfiguracji transmisyjnej Macha-Zehndera.

PL 240 132 B1

Alternatywnie interferometr stanowi interferometr w konfiguracji odbiciowej Michaelsona.

Korzystnie przynajmniej jedno z ramion referencyjnego i pomiarowego jest zakończone zwierciadłem.

Korzystnie przynajmniej jedno z ramion referencyjnego i pomiarowego zawiera siatkę Bragga.

Urządzenie do pomiaru drgań według wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat urządzenia do pomiaru drgań, fig. 2 przedstawia inny wariant schematu urządzenia do pomiaru drgań.

Urządzenie do pomiaru drgań, zwłaszcza sejsmicznych według wynalazku zawiera znany układ podstawy 1 oraz zawieszonej nad podstawą bezwładnej masy 2, jakie współpracują z ramionami 3 i 4 interferometru światłowodowego, którego ramię 3 referencyjne zamocowane jest trwale i nierozłącznie do podstawy 1, a ramię pomiarowe 4 zamocowane jest do bezwładnej masy 2 tak, że jest unieruchomione na powierzchni bezwładnej masy 2. Ramię pomiarowe jest przyklejone przynajmniej w jednym punkcie do powierzchni bezwładnej masy.

Ramiona: pomiarowe 4 i referencyjne 3 połączone są z elementami sprzęgającymi w postaci sprzęgaczy 5 i 6. Źródło światła 7 przyłączone jest do ramienia wejściowego pierwszego elementu sprzęgającego 5 a detektor 8 przyłączony jest do ramienia wyjściowego drugiego elementu sprzęgającego 6. Źródłem światła jest laser 7.

Sposób pomiaru drgań, zwłaszcza sejsmicznych według wynalazku polega na tym, że zestawione ze sobą podstawę oraz bezwładną masę, do jakich zamocowane są ramiona interferometru światłowodowego, którego ramię referencyjne 3 zamocowane jest trwale i nierozłącznie do podstawy 1, a ramię pomiarowe 4 zamocowane jest częściowo do podstawy 1 i częściowo do bezwładnej masy 2 i posiada wiotkie, ruchome odcinki, umieszcza się w miejscu, gdzie obserwowane są drgania, w szczególności drgania sejsmiczne, a następnie wprowadza się poprzez wejściowy element sprzęgający wiązkę światła, którą rozdziela się w elemencie sprzęgającym w stosunku 50:50 i prowadzi się ją ramionami referencyjnym 3 i pomiarowym 4 aż do drugiego elementu sprzęgającego, a na podstawie sygnału odebranego przez detektor przyłączony do drugiego elementu sprzęgającego prowadzi się pomiar wynikającej z drgań podstawy 1 względem bezwładnej masy zmian fazy sygnału interferencyjnego odebranego przez detektor, po czym dokonuje się interpretacji wyniku pomiaru i określa się zmiany amplitudy drgań w czasie, w szczególności jako amplitudę drgań skorupy ziemskiej.

P r z y k ł a d II

Urządzenie do pomiaru drgań, zwłaszcza sejsmicznych według wynalazku zawiera znany układ podstawy 1 oraz zawieszoną nad podstawą bezwładną masę 2, jakie współpracują z ramionami 3 i 4 interferometru światłowodowego, którego ramię 3 referencyjne zamocowane jest trwale i nierozłącznie do podstawy 1, a ramię pomiarowe 4 zamocowane jest częściowo do podstawy i częściowo do bezwładnej masy i posiada wiotki, ruchomy odcinek znajdujący się pomiędzy podstawą 1 oraz bezwładną masą 2. Ramię pomiarowe jest przyklejone przynajmniej w jednym punkcie do powierzchni bezwładnej masy.

Ramiona: pomiarowe 4 i referencyjne 3 połączone są z elementem sprzęgającym w postaci sprzęgacza 5. Źródło światła 7 przyłączone jest do ramienia wejściowego elementu sprzęgającego, tj. sprzęgacza 5 a detektor 8 przyłączony jest do drugiego ramienia wejściowego elementu sprzęgającego, tj. sprzęgacza 5. Na końcu ramion 3 i 4 znajdują się elementy zwiększające odbicie promieniowania w postaci zwierciadeł naniesionych na powierzchnie czołowe światłowodów. Źródło światła jest diodą SLED. Sposób pomiaru drgań, zwłaszcza sejsmicznych według wynalazku polega na tym, że zestawione ze sobą podstawę oraz bezwładną masę, do jakich zamocowane są interferometru światłowodowego, którego ramię referencyjne 3 zamocowane jest trwale i nierozłącznie do podstawy, a ramię pomiarowe 4 zamocowane jest częściowo do podstawy i częściowo do bezwładnej masy i posiada wiotki, ruchomy odcinek, umieszcza się w miejscu, gdzie obserwowane są drgania, w szczególności drgania sejsmiczne, a następnie wprowadza się poprzez wejściowy element sprzęgający wiązkę światła, którą rozdziela się w wejściowym elemencie sprzęgającym w stosunku 50:50 i prowadzi się ją ramionami referencyjnym 3 i pomiarowym 4 aż do zwierciadeł 13 naniesionych na czoła światłowodów tworzących oba ramiona, a na podstawie sygnału odebranego przez detektor 8 przyłączony do drugiego z ramion wejściowych pierwszego elementu sprzęgającego prowadzi się pomiar wynikającej z drgań podstawy względem bezwładnej masy zmiany fazy sygnału interferencyjnego odbieranego przez detektor 8, po czym dokonuje się interpretacji wyniku pomiaru i określa się zmiany amplitudy drgań w czasie, w szczególności jako amplitudę drgań skorupy ziemskiej.

Claims (10)

1. Sposób pomiaru drgań w układzie podstawy (1) i ruchomej bezwładnej masy (2), za pomocą interferometru światłowodowego zawierającego ramię referencyjne (3) i ramię pomiarowe (4), w którym ramię referencyjne sprzęga się mechanicznie z układem podstawy (1), zaś ramię pomiarowe sprzęga się mechanicznie z ruchomą, bezwładną masą (2), natomiast do interferometru dołącza się źródło światła (7) oraz detektor (8) i obserwuje się zmiany fazy sygnału interferencyjnego na detektorze (8) dla określenia amplitudy drgań, znamienny tym, że przeprowadza się kalibrację wprawiając masę (2) w kontrolowane drgania wymuszone za pomocą cewki i wykonując za pomocą interferometru optycznego pomiar kontrolny.

2. Urządzenie do pomiaru drgań mechanicznych zawierające układ podstawy (1) oraz ruchomą, bezwładną masę (2) oraz układ optyczny z interferometrem światłowodowym wyposażonym w ramię referencyjne (3) i ramię pomiarowe (4), przy czym ramię referencyjne (3) jest mechanicznie sprzężone z podstawą (1), zaś ramię pomiarowe (4) jest mechanicznie sprzężone z masą (2), znamienne tym, że zawiera ponadto układ cewki przystosowany do wymuszania kontrolowanych drgań masy (2).

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że sprzężenie mechaniczne stanowi połączenie lutowane przynajmniej na części długości ramienia.

4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że sprzężenie mechaniczne ramienia stanowi połączenie klejone przynajmniej na części długości ramienia.

5. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że sprzężenie mechaniczne ramienia stanowi połączenie przez elektrolizę przynajmniej na części długości ramienia.

6. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że sprzężenie mechaniczne ramienia stanowi połączenie zgrzewane przynajmniej na części długości ramienia.

7. Urządzenie według dowolnego z zastrz. od 1 do 6, znamienne tym, że interferometr optyczny stanowi interferometr w konfiguracji transmisyjnej Macha-Zehndera.

8. Urządzenie według dowolnego z zastrz. od 1 do 6, znamienne tym, że interferometr stanowi interferometr w konfiguracji odbiciowej Michaelsona.

9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że przynajmniej jedno z ramion referencyjnego (3) i pomiarowego (4) jest zakończone zwierciadłem.

10. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że przynajmniej jedno z ramion referencyjnego (3) i pomiarowego (4) zawiera siatkę Bragga.