RU2028646C1

RU2028646C1 - Source of seismic waves

Info

Publication number: RU2028646C1
Authority: RU
Inventors: В.В. Ивашин; С.А. Симкин; А.К. Кудинов
Original assignee: Ивашин Виктор Васильевич; Кудинов Андрей Константинович; Симкин Семен Аронович
Priority date: 1991-05-29
Filing date: 1991-05-29
Publication date: 1995-02-09

Abstract

FIELD: geophysics. SUBSTANCE: source of seismic waves includes radiation plate, weight with magnetic system fabricated in the form of magnetic circuit with D C excitation winding with circular gap between its poles and pulse winding. Pulse winding is fixed on poles of magnetic circuit on side of nonmagnetic gap. Sleeve produced from conductive material with low specific electric resistance is placed in gap between poles for movement in axial direction along gap. Lower butt of sleeve is attached to radiation plate. Pulse winding is located in slots on surface of poles made of laminations of electrical sheet steel blade up in radial direction. Central of sectional sleeve is manufactured from strong magnetic material. Upper butt of sleeve protrudes beyond poles. EFFECT: expanded operational capabilities. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для возбуждения сейсмических волн невзрывным способом, в частности, для геофизической разведки. The invention relates to devices for exciting seismic waves in an non-explosive manner, in particular for geophysical exploration.

Известен источник сейсмических волн [1], содержащий импульсный электрический двигатель возвратно-поступательного движения, излучающую плиту, пригрузочную массу и механический преобразователь, например, гидравлического типа. Недостатками этого источника являются сложность конструкции, недостаточная надежность, а также большое механическое реактивное сопротивление, ограничивающее быстродействие, частоту посылок создаваемых силовых воздействий на грунт и частотный спектр излучаемых сейсмических волн. A known source of seismic waves [1], containing a pulsed electric motor of reciprocating motion, a radiating plate, a loading mass and a mechanical transducer, for example, of a hydraulic type. The disadvantages of this source are the design complexity, lack of reliability, as well as a large mechanical reactance that limits speed, the frequency of sending generated forces on the ground and the frequency spectrum of the emitted seismic waves.

Наиболее близким техническим решением является источник сейсмических волн [2], содержащий излучающую плиту, пригруз с магнитной системой, выполненной в виде магнитопровода с обмоткой возбуждения постоянного тока и кольцевым зазором между полюсами его магнитопровода, импульсную обмотку, помещенную в зазоре между полюсами магнитопровода с возможностью перемещения вдоль его оси и закрепленную нижним торцом к излучающей плите. The closest technical solution is a source of seismic waves [2], containing a radiating plate, a load with a magnetic system made in the form of a magnetic circuit with a direct current excitation winding and an annular gap between the poles of its magnetic circuit, a pulse winding placed in the gap between the poles of the magnetic circuit with the possibility of movement along its axis and fixed by the lower end to the radiating plate.

Протекание тока по обмотке возбуждения сопровождается образованием постоянного магнитного потока, проходящего по магнитопроводу и через зазор между его полюсами. При пропускании по обмотке в зазоре импульса тока на нее действует механическая сила, направленная в сторону излучающей плиты. Обмотка и излучающая плита перемещаются под действием этой силы в направлении грунта, и в результате этого грунт сжимается и создается сейсмическая волна. Недостатком этого источника является ненадежность обмотки в зазоре между полюсами. Обмотка перемещается вместе с излучающей плитой и действующие на витки обмотки и токоподводы к ней механические силы приводят к ее быстрому разрушению, особенно при большой частоте повторения импульсов тока через нее, что снижает ресурс ее работы. The current flowing through the excitation winding is accompanied by the formation of a constant magnetic flux passing through the magnetic circuit and through the gap between its poles. When a current pulse is passed through the winding in the gap, a mechanical force acts on it, directed towards the radiating plate. The winding and the radiating plate move under the action of this force in the direction of the soil, and as a result, the soil is compressed and a seismic wave is created. The disadvantage of this source is the unreliability of the winding in the gap between the poles. The winding moves along with the radiating plate and the mechanical forces acting on the windings of the winding and current leads to it lead to its rapid destruction, especially at a high frequency of repetition of current pulses through it, which reduces its working life.

Низкая сейсмическая эффективность обусловлена тем, что очередной силовой импульс может быть осуществлен только после того, как излучающая плита и пригруз с магнитопроводом займут относительно друг друга первоначальное положение, при котором обмотка также занимает первоначальное положение относительно полюсов магнитопровода. Пригруз с магнитопроводом возвращаются в исходное положение под действием силы тяжести, а плита с обмоткой на ней - под действием упругих свойств грунта. При подаче импульса тока в обмотку на плите до момента, когда она займет первоначальное положение, развиваемое источником усилие снижается. Low seismic efficiency is due to the fact that the next power pulse can be carried out only after the emitting plate and the load with the magnetic circuit occupy an initial position relative to each other, in which the winding also occupies an initial position relative to the poles of the magnetic circuit. A load with a magnetic circuit returns to its original position under the action of gravity, and a plate with a winding on it returns under the action of the elastic properties of the soil. When a current pulse is applied to the winding on the plate until it takes its initial position, the force developed by the source decreases.

Целью изобретения является увеличение ресурса работы источника и повышение сейсмической эффективности за счет увеличения максимальной частоты повторения силовых сигналов. The aim of the invention is to increase the life of the source and increase seismic efficiency by increasing the maximum repetition rate of power signals.

Поставленная цель достигается тем, что в источнике сейсмических волн, содержащем излучающую плиту, пригруз с магнитной системой, выполненной в виде магнитопровода с обмоткой возбуждения постоянного тока с кольцевым зазором между его полюсами, и импульсную обмотку, импульсная обмотка закреплена на полюсах магнитопровода со стороны немагнитного зазора, в зазоре между полюсами помещена с возможностью перемещения в осевом направлении вдоль зазора гильза из электропроводящего материала, нижний торец которой прикреплен к излучающей плите. This goal is achieved by the fact that in the source of seismic waves containing the radiating plate, the load is with a magnetic system made in the form of a magnetic circuit with a direct current excitation winding with an annular gap between its poles, and a pulse winding, pulse winding is fixed to the poles of the magnetic circuit from the side of the nonmagnetic gap , in the gap between the poles placed with the possibility of movement in the axial direction along the gap of the sleeve of an electrically conductive material, the lower end of which is attached to the radiating plate.

На фиг.1 представлена конструктивная схема источника сейсмических волн; на фиг. 2 - сечение воздушного зазора между полюсами магнитопровода с импульсной обмоткой, помещенной в пазы на поверхности полюсов и с гильзой, выполненной в виде трех гильз, соединенных между собой; на фиг.3 - примерные временные диаграммы импульса силы, перемещений излучающей плиты и магнитопровода. Figure 1 presents a structural diagram of a source of seismic waves; in FIG. 2 - section of the air gap between the poles of the magnetic circuit with a pulsed winding placed in grooves on the surface of the poles and with a sleeve made in the form of three sleeves interconnected; figure 3 is an exemplary timing diagrams of a pulse of force, the movements of the radiating plate and the magnetic circuit.

Источник сейсмических волн (фиг.1) содержит магнитопровод 1 с полюсами 2 и 3, образующими кольцевой воздушный зазор 4, обмотку возбуждения 5. На обращенных к зазору поверхностях полюсов 2 и 3 закреплены секции 6 импульсной обмотки. Магнитопровод 1 с обмоткой возбуждения 5 образуют пригруз источника сейсмических волн. Пригруз опирается на излучающую плиту 7, расположенную на грунте. Между магнитопроводом 1 и плитой 7 присоединен демпфер 8. К излучающей плите 7 прикреплена цилиндрическая гильза 9, выполненная из материала с низким удельным электрическим сопротивлением, например, из меди, алюминия. Гильза 9 установлена с возможностью осевого перемещения в кольцевом воздушном зазоре 4. Верхний торец гильзы 9 может выступать за пределы зазора 4 над полюсами 2 и 3. Обмотка возбуждения 5 подключена к источнику постоянного тока 10, а импульсная обмотка 6 - к схеме импульсного питания 11. The seismic wave source (Fig. 1) contains a magnetic circuit 1 with poles 2 and 3 forming an annular air gap 4, an excitation winding 5. On the surfaces of the poles 2 and 3 facing the gap, sections 6 of the pulse winding are fixed. The magnetic circuit 1 with an excitation winding 5 form the load of the source of seismic waves. The load is based on a radiating plate 7 located on the ground. A damper 8 is connected between the magnetic circuit 1 and the plate 7. A cylindrical sleeve 9, made of a material with a low electrical resistivity, for example, copper, aluminum, is attached to the radiating plate 7. The sleeve 9 is installed with the possibility of axial movement in the annular air gap 4. The upper end of the sleeve 9 can protrude beyond the gap 4 above the poles 2 and 3. The field winding 5 is connected to a direct current source 10, and the pulse winding 6 is connected to a switching power supply 11.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения секций импульсной обмотки 6 в пазах, выполненных на поверхности полюсов 2 и 3. Полюса могут быть выполнены шихтованными из пластин электротехнической стали, ориентированными в радиальном направлении. Шихтованные части полюсов показаны штриховыми линиями. In FIG. 2 shows an embodiment of pulsed winding sections 6 in grooves made on the surface of poles 2 and 3. The poles can be made from electrical steel plates laminated in radial direction. The lined parts of the poles are shown by dashed lines.

Гильза в зазоре между полюсами может быть выполнена составной в виде центральной гильзы 12 из ферромагнитного прочного материала, например из стали, и закрепленных на ее боковых поверхностях гильз 13 и 14 из материала с низким удельным электрическим сопротивлением. The sleeve in the gap between the poles can be made composite in the form of a Central sleeve 12 of a ferromagnetic strong material, such as steel, and mounted on its side surfaces of the sleeves 13 and 14 of a material with low electrical resistivity.

На фиг.3 показан силовой импульс 15, перемещение 16 излучающей плиты 7 и перемещение 17 магнитопровода 1 под действием на них импульса 15. Figure 3 shows the power pulse 15, the movement 16 of the radiating plate 7 and the movement 17 of the magnetic circuit 1 under the influence of a pulse 15 on them.

Введенные элементы и образованные новые конструктивные связи между элементами предлагаемого источника сейсмических волн образуют совокупность отличительных признаков, что обусловливает соответствие предлагаемого технического решения критерию "новизна". Introduced elements and formed new structural relationships between elements of the proposed source of seismic waves form a set of distinctive features, which determines the compliance of the proposed technical solution with the criterion of "novelty."

При проведении исследований предлагаемого технического решения по патентной и научно-технической литературе авторами не обнаружено технических решений со сходными отличительными признаками, что позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями. When conducting research on the proposed technical solution for patent and scientific and technical literature, the authors did not find technical solutions with similar distinctive features, which allows us to conclude that the proposed technical solution has significant differences.

Источник работает следующим образом. При протекании постоянного тока по обмотке возбуждения 5 в магнитопроводе 1 и кольцевом воздушном зазоре 4 создается постоянный магнитный поток Ф_п (фиг.1). Этот поток пересекает в радиальном направлении гильзу 9 в той ее части, которая располагается внутри кольцевого воздушного зазора 4. При подаче импульса тока от схемы импульсного питания 11 в импульсную обмотку 6 вокруг ее проводников возникают импульсные потоки Ф_и, которые стремятся проникнуть в тело гильзы 9. Гильза 9 выполнена из электропроводного материала, поэтому в ней индуктируется импульсный ток, препятствующий проникновению в нее импульсных потоков Ф_и. Направление токов в проводниках импульсной обмотки 6 и в гильзе 9 показано крестиками и точками. Ток в гильзе 9 в основном сосредоточен в той ее части, которая находится в данный момент в кольцевом воздушном зазоре между полюсами. В результате взаимодействия тока в гильзе 9 и потока Ф_п возникает электромагнитная сила Р, действующая через гильзу 9 и излучающую плиту 7 на грунт. Процесс перемещения различных частей источника поясняется фиг.3. В момент времени t_o подается импульс тока в импульсную обмотку 6. Под действием электромагнитной силы Р (кривая 15) излучающая плита смещается вниз (кривая 16), а магнитопровод 1 - вверх (кривая 17). После окончания в момент t₁ импульса тока в обмотке 6 сила 15 также становится равной нулю, плита 7 к моменту t₂ под действием упругих сил грунта возвращается в исходное положение. Магнитопровод 1 под действием силы Р за время t_o, t₁ перемещается вверх и получает некоторую скорость. В дальнейшем при t>t₁ он продолжает движение в поле силы тяжести.The source works as follows. When direct current flows through the excitation winding 5 in the magnetic circuit 1 and the annular air gap 4, a constant magnetic flux _{f p is created} (Fig. 1). This stream crosses in a radial direction the sleeve 9 in that part which is located inside the annular air gap 4. When a current pulse is supplied from the pulse supply circuit 11 to the pulse winding 6, pulse flows Φ _and appear around its conductors, which tend to penetrate the body of the sleeve 9 The sleeve 9 is made of an electrically conductive material, therefore, a pulsed current is induced in it, which prevents the penetration of pulsed fluxes F _and . The direction of the currents in the conductors of the pulse winding 6 and in the sleeve 9 is shown by crosses and dots. The current in the sleeve 9 is mainly concentrated in that part of it that is currently in the annular air gap between the poles. As a result of the interaction of the current in the sleeve 9 and the flow Ф _п, an electromagnetic force P arises, acting through the sleeve 9 and the radiating plate 7 on the ground. The process of moving various parts of the source is illustrated in Fig.3. At time t _o , a current pulse is supplied to the pulse winding 6. Under the influence of electromagnetic force P (curve 15), the emitting plate is shifted down (curve 16), and the magnetic circuit 1 is up (curve 17). After the end of the current pulse in the winding 6 at the time t _{1, the} force 15 also becomes zero, the plate 7 at the time t ₂ under the action of the elastic forces of the soil returns to its original position. The magnetic circuit 1 under the action of the force P during the time t _o , t ₁ moves up and gets some speed. Subsequently, at t> t _1, he continues to move in the field of gravity.

К моменту t₃ подачи очередного импульса тока в импульсную обмотку он находится на расстоянии h₁ от излучающей плиты. При этом h₁ << h, где h - начальная величина выступания гильзы за пределы полюсов. В момент t₃≥t₂ в обмотку 6 вновь подается импульс тока и происходит очередное силовое взаимодействие. Интервалы времени t₁, t₃; t₃, t₄ и далее между каждыми последующими импульсами тока задаются системой управления (не показана) в соответствии с необходимым законом изменения частоты повторения сейсмических сигналов. Поскольку верхний торец гильзы выступает за полюса на величину h, то подача любого последующего импульса тока в обмотку 6 при положении магнитопровода на любом расстоянии (h₁, h₂) ≅h от излучающей плиты не приводит к уменьшению усилия Р, потому что верхний торец гильзы при выполнении этого условия не будет находиться ниже верхнего края полюсов и условия электромагнитного взаимодействия гильзы с потоками Ф_и и Ф_п будут одинаковыми. Демпфер 8 служит для предотвращения ударов магнитопровода 1 по плите 7 после окончания серии силовых импульсов (окончания свип-сигнала), а также в том случае, когда время между соседними силовыми воздействиями достаточно для возвращения магнитопровода 1 на плиту.By the time t _{3 the} supply of the next current pulse to the pulse winding, it is located at a distance h ₁ from the radiating plate. Moreover, h ₁ << h, where h is the initial value of the protrusion of the sleeve beyond the poles. At the moment t ₃ ≥t ₂ , a current pulse is again fed into the winding 6 and the next force interaction occurs. Time intervals t ₁ , t ₃ ; t ₃ , t ₄ and further between each subsequent current pulses are set by the control system (not shown) in accordance with the necessary law of the change in the frequency of repetition of seismic signals. Since the upper end of the sleeve extends beyond the poles by the value of h, the supply of any subsequent current pulse to the winding 6 at the position of the magnetic circuit at any distance (h ₁ , h ₂ ) ≅h from the radiating plate does not reduce the force P, because the upper end of the sleeve when this condition is met, it will not be below the upper edge of the poles and the conditions for the electromagnetic interaction of the sleeve with the fluxes Ф _and and Ф _п will be identical. Damper 8 serves to prevent impact of magnetic core 1 on plate 7 after the end of a series of power pulses (end of a sweep signal), as well as in the case when the time between adjacent forces is sufficient to return magnetic core 1 to the plate.

Время t₃' отражает момент возврата магнитопровода в исходное положение после воздействия импульса силы 15 в течение времени t_o, t₁. Уменьшение периода повторения силовых воздействий с величины Т' до величины Т обеспечивает увеличение максимальной частоты повторения сейсмических сигналов, что повышает технические показатели сейсмоисточника, т. е. его сейсмическую эффективность.Time t ₃ 'reflects the moment the magnetic circuit returns to its original position after exposure to a pulse of force 15 during the time t _o , t ₁ . Reducing the period of repetition of force from T 'to T increases the maximum repetition rate of seismic signals, which increases the technical parameters of the seismic source, i.e., its seismic efficiency.

Размещение импульсной обмотки на полюсах увеличивает механическую прочность обмотки, ресурс ее работы и токоподводов к ней. The placement of the pulse winding at the poles increases the mechanical strength of the winding, the resource of its work and current leads to it.

Помещение импульсной обмотки в пазы на поверхности полюсов (фиг.2) еще в большей степени повышает ее механическую прочность и ресурс работы. Кроме этого, помещение импульсной обмотки в пазах уменьшает магнитное сопротивление для импульсного потока Ф_и, что снижает необходимую намагничивающую силу для создания этого потока и потребляемую этой обмоткой электрическую мощность.The placement of the pulse winding in the grooves on the surface of the poles (figure 2) further increases its mechanical strength and service life. In addition, the placement of the pulsed winding in the grooves reduces the magnetic resistance for the pulsed flux Ф _and , which reduces the necessary magnetizing force to create this flux and the electric power consumed by this winding.

Толщина гильз 9 выбирается из конструктивных соображений с учетом необходимой жесткости, прочности и темпера- турного режима, обусловленного потерями при протекании по ней индуктированных токов. The thickness of the sleeves 9 is selected from design considerations, taking into account the necessary rigidity, strength and temperature regime due to losses in the flow of induced currents through it.

Возможно использование гильзы 9 в качестве направляющей, обеспечивающей взаимное центрирование излучающей плиты и магнитопровода и их соосное перемещение при работе сейсмоисточника. It is possible to use the sleeve 9 as a guide, providing mutual centering of the emitting plate and the magnetic circuit and their coaxial movement during operation of the seismic source.

Потоки Ф_и импульсной обмотки проходят по полюсам 2 и 3. С целью снижения потерь на вихревые токи в материале полюсов они могут быть выполнены из пластин электротехнической стали, шихтованными в радиальном направлении. Шихтованные части полюсов показаны на фиг.2 пунктирными линиями.The fluxes F _and pulse winding pass through poles 2 and 3. In order to reduce eddy current losses in the pole material, they can be made of electrical steel plates, lined in the radial direction. The lined parts of the poles shown in figure 2 by dashed lines.

Уменьшение потерь в материале полюсов приводит к уменьшению необходимого значения намагничивающей силы импульсной обмотки 6. The reduction of losses in the material of the poles leads to a decrease in the required value of the magnetizing force of the pulse winding 6.

Выполнение гильзы составной обеспечивает повышение механической жесткости и надежности устройства за счет прочной центральной гильзы 12, снижение магнитного сопротивления для магнитного потока Ф_п, замыкающегося между полюсами 2 и 3.The implementation of the composite sleeve provides an increase in the mechanical rigidity and reliability of the device due to the strong central sleeve 12, a decrease in the magnetic resistance for the magnetic flux Φ _p closing between the poles 2 and 3.

Claims

1. SOURCE OF SEISMIC WAVES, comprising a radiating plate, a pulse winding, a load including a magnetic circuit with a gap between its poles and a direct current excitation winding, characterized in that, in order to increase the service life, the pulse winding is fixed to the poles of the magnetic circuit from the non-magnetic side gap, in the gap between the poles placed with the possibility of movement in the axial direction along the gap of the sleeve of a material with a low value of electrical resistivity, the lower end of which is attached to the radiating plate.

2. The source according to claim 1, characterized in that, in order to increase mechanical reliability and reduce power consumption, the pulse winding is placed in grooves on the surface of the poles.

3. The source according to claims 1 and 2, characterized in that, in order to reduce losses, the poles are made of plates of electrical steel, burdened in the radial direction.

4. The source according to claims 1 to 3, characterized in that the sleeve is made integral, while the central part of the sleeve is made of strong magnetic material, and the outer and inner parts are made of material with a low value of electrical resistivity.

5. The source according to claims 1 to 4, characterized in that, in order to increase the maximum permissible repetition frequency of seismic signals, the upper end of the sleeve extends beyond the poles.