SU661460A1 - Устройство управлени вибрационным источником сейсмических сигналов - Google Patents

Description

нала. Это вызвано тем, что в выходном акселерометра уровень помех, св занных с работой различных, мезанизмов вибратора , имеет значительную величину и на низких частотах может намного превысить уровень полезного сигнала. Последнее обсто тельство неизбежно приводит к ошибкам при определении рассогласовани  фаз опорного и выходного сигналов, и, как следствие, к фазовым искажени м возбуждаемых колебаний . В устройствах 3 в цел х йсклю чени  искажений при передаче по радиоканалу опорный сигнал формируетс  непосредственно на вибрационных источниках, дл  чего В схему управлени  каждого из них введен генератор опорного сигнала, аналогичный генератору, установленному на сейсмостанции . В определенный момент времени регистратор последней вырабатывает стартовый импульс, по которому запускаютс  оба генератора. Передача стартового импуль с ,а.рт сейсмостанции к вибрационному истОч ,-нику осуществл етс  по радиоканалуёв зи, включающему в себ  на передающей стороне радиопередатчик с шифратором, а на приемной стороне - радиоприемник, дешифратор и блок задержки запуска. Опорные сигналы, формируемые обоими генераторами строго идентичны по форме и могут быть смещены друг относительно друга во времени на любую заранее установленную величину . Наиболее близкимпо технической сущности к насто щему изобретению  вл етс  устройство управлени  вибрационным источником , содержащее преобразователь код-аналог , выход которого соединен с управл ющий входом вибрационного источника, генератор опорного сигнала с радиоканалом дистанционного запуска на входе и интегратор , подключенный к выходу акселерометра, установленного на опорной плите вибрационного источника 4 .. . В этом устройстве суммирующий усилитель гидравлического вибратора  вл етс  объектом управлени . Один из трех входов суммирующего усилител  служит дл  ввода опорного,сигнала, а два других - дл  образовани  местных обратных св зей: по скорости потока жидкости, направл емой в полости гидроцилиндра вибратора, и по смещению инертной массы относительно порщн . жестко св занного с опорной плитой. Дл  этого сервозолотник, перераспредел ющий поток .жидкости, и масса тйдроцилйндра сна.бжены соответственно двум  датчиками смещени . Вибратор и суммирующий усилитель,,охваченные местными обратными св з ми, образуют, таким образом, электрогидра .вл.ический преобразователь колебаний электрического сигнала в сейсмические колебани  грунта. Помимо электрогидравлического преобразовател , рассматриваемого как объект регулировани , и элементов радиоканала, предназначенных дл  приема стартового импуль- са , система управлени  известного источника содержит два идентичных генератора импульсов линейно измен ющейс  частоты и контур обратной св зи по фазе. При этом один из генераторов формирует опорный сигнал; а другой - сигнал управлени  вибратором , который в принципе идентичен опорному сигналу. На выходах каждого из указанных генераторов установлены преобразователи код-аналог, преобразующие последовательности кодовых значений сигнала в напр жени  синусоидальной формы. Контур обратной св зи по фазе в известном источнике построен таким образом, что выходные сигнйЛЫ акселерометра, установленного на опорной плите вибратора, и датчика смещений инертной массы подаютс  на суммирующие входы интегрирующего усилител , охваченного также цепью, АРУ. Выход интегрирующего усилител  св зан с одним из двух входов аналогового перемножител , на второй вход которого через корректирующую цепь подаетс  выходное напр жение первого генератора опорного сигнала. Результат перемножени  поступает на вход интегратора, включаемого во врем  развертки опорного сигнала. Выходное напр жение интегратора преобразуетс  в,последовательность импульсов, задающих скорость выборки «слов второго генератора, формирующего управл ющий сигнал вибратора . В зависимости от рассогласовани  по фазе сигналов, поданных на входы перемножител , происходит увеличение или уменьшение скорости выборки «слое второго генератора . Это равнозначно смещению во времени управл ющего сигнала относительно опорного сигнала, скорость выборки слов которого остаетс  посто нной. Как следует из, анализа элементов и св зей функцйднал1Гной схемы, способ синхронизации по фазе, реализованный в устройстве 4, хот  и более совершенен по сравнению с фазовой коррекцией в устройствах , тем не менее и он имеет р д серьезных недостатков. Рассмотрим некоторые из них. Так, на вход перемножител  в качестве выходного сигнала вибратора подаетс  сумма сигналов акселерометра и датчика смещений инертной массы. Суммирование этих сигналов производитс  с цельюувеличени  общего уровн  полезного сигнала вибратора на низких частотах, снижа  тем самым вли ние помех от действующих механизмов (например, от главного приводного Двигател , от двигател  автомобил  и т.п.). При этом используетс  то обсто тельство, что смещени  массы в области низких частот намного превышают уровень виброускорений плиты и уменьшаютс  по мере возрастани  частоты. Уровень сигнала датчика смещений на частотах выше 20-25 Гц становитс  ниже уровн  сигнала акселерометра и продолжает плавно убывать. Суммирование этих сигналов основано на допуш,ении, что виброускорение плиты и смепдени  массы в области низких частот происход т в фазе. Как показывают расчеты динамических характеристик гидравлического вибратора и результаты экспериментальной проверки, указанное допущение весьма условно. Так, условие синфазности, при котором отклонение фаз указанных колебаний не превышает значени  (ср) 10 °, удовлетвор етс  только в весьма узкой полосе частот (от О до 8-10 Гц). Если учесть что в коррел ционном способе вибрационной сейсморазведки обычно реализуетс  диапазон частот от 5 до 100 Гц, а требуема  при этом точность синхронизации по фазе сигналов де должна быть ниже ( tf) 3°, то становитс  очевидным недопустимость использовани  суммы двух несинфазных сигналов в качестве выходного сигнала вибратора. Несинфазность колебаний инертной массы и опорной плиты вызвана наличием .в рабочем диапазоне частот р да резонансов механической схемы вибратора, обусловленных, например, сжимаемостью ра- бочей жидкости, наличием упругих элементов в прижимном устройстве, а также резонансными  влени ми в системе вибраторгрунт . Другим недостатком устройства 4  вл етс  то, что коэффициент передачи цепи. осуществл ющеи усилие, перемножение и интегрирование произведени  сравниваемых сигналов, не посто нен и зависит в рабочем диапазоне частот как от величины сдвига фаз, так и от уровн  сравниваемых сигналов. Кроме того, поскольку регулирование фазы в известном источнике выполнено по схеме след щей системы с интегральным управлением , то, как известно из теории след щих систем, введение в закон управлени  сигнала, пропорционального интегралу ощибки , ухудшает устойчивость системы к самовозбуждению , понижает ее быстродействие, про вл ющеес  в увеличении длительности переходного процесса при быстрых изменени х фазы. Из условий поддержани  статических и динамических характеристик такой системы в заданных пределах следует достаточно жест кое требование к посто нству коэффициента передачи в рабочем диапазоне частот и независимости от параметров регулируемых сигналов. Установленный дл  этой цели в устройстве 4 интегрирующий усилитель с цепью АРУ не может обеспечить посто нную амплитуду виброускорени  хот  бы . потому, что автоматическа  регулировка усилени  производитс  в немне по одному полезному сигналу, а Посреднему значению суммарного сигнала. Наличие в последнем шумов, несинфазного сигнала датчика смещений массы , а также высших гармоник полезного сигнала , св занных с нелинейным характером колебаний опорной плиты, неизбежно приведет к значительной модул ции амплитуды виброускорени , определ ющей стабильность коэффициента передачи цепи перемножчтель-интегратор , а следовательно, и к потере устойчивости и точности всей схемы регулировани  фазы. Целью изобретени   вл етс  повышение помехоустойчивости передачи колебаний, возбуждаемых вибрационным источником. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в схему вибрационного источника дополнительно введены цифровой регул тор фазы, делитель частоты, усилитель-ограничитель и след щий фильтр, включенные таким образом , что импульсный выход опорного сигнала генератора подключен к первому и, через делитель частоты, ко второму входам цифрового регул тора фазы, который по выходу св зан с входом преобразовател  коданалог , а по третьему входу, через усилитель-ограничитель , - с выходом след щего фильтра. Сигнальный вход фильтра соединен с выходом интегратора, а управл ющий вход - с цифровым выходом частоты генератора. Цифровой регул тор фазы выполнен в виде схемы, содержащей два RS-триггера, нулевые выходы которых через первый и второй элементы 2И-НЕ подключены к первому входу, а единичные выходы через эле мент ЗИ-НЕ и элемент задержки - ко второму входу третьего элемента 2И-НЕ. Sвход первого триггера,св занный через первый инвертор с S-входом второго триггера, R-вход второго триггера, св занный через второй инвертор с R-входом первого триггера ,; и третий вход элемента ЗИ-НЕ, св занный со вторым входом второго элемента 2И-НЕ,  вл ютс , соответственно, вторым, третьим и первым входами, а выход третьего элемента 2И-НЕ - выходом цифрового регул тора фазы. На фиг. 1 представлена структурна  схема предложенного устройства управлени  вибрационным источником сейсмических сигналов; на фиг. 2 - принципиальна  схема цифрового регул тора фазы; на фиг. 3-4 временные диаграммы, по сн ющие работу цифрового регул тора фазы, соответственно дл  случаев отставани  и опережени  фазы выходного сигнала. В качестве электромеханического преобразовател  энергии устройство содержит (см. фиг. 1) вибратор 1 электрогидравлического типа, основными элементами которого

 вл ютс : опорна  плита 2, жестко св занна  с nopmHiBM тидроцилйндра, нагруженного инертной массой 3 и снабжённого датчиком 4 смещени , сервозолотник 5 с датчиком 6 его смещени  и суммирующий усилитель 7, два входа которого использущс  дл  образовани  местных обратных св зей и подключены к выходам датчиков -4. и б, а третий вход служит дл  ввода управл ющего сигнала.

Система управлени  источником содержит генератор 8 опорного сигнала, импульсный выход которого подключен к первому, и, через делитель 9 частоты, ко второму входам цифрового регул тора 10 фазы. Третий вход регул тора 10 через последовательно включенные, усилитель-ограничитель 11, след щий фильтр 12 и интегратор 13 соединен с выходом акселерометра 14, установленного на опорной плите 2 вибратора 1. Цифровой управл ющий вход след щего фильтра 12 поразр дно св зан с выходом текущего .значени  частоты генератора 8. Выход регул тора 10 фазы подключен к счетному входу преобразовател  15 код-аналог, выход которого св зан с управл ющим входом вибратора 1.

Дл  синхронизации запуска генератора 8 с запуском аналогичного ге1нератора, установленного на регистрирующей станции, в системе управлени  вибрационным источником предусмотрен радиоканал 16 дистанционного запуска, включающий в себ  радиостанцию 17, выход которой через дешифратор 18 и блок задержки 19 стартовых импульсов подключен к Пусковому входу генератора 8,

- БлТж задержки 19, установленный в цепи запуска генератора 8, рассчитан на смещение во времени начала развертки опорного сигнала. Така  необходимость возникает при использовании группы вибрационных источников в услови х Пересеченного рельефаместности и изменени  параметров зоны малых скоростей дл  ввода статических поправок , а также при формировании направленного фронта волны.

В качестве генератора 8 может быть использовано любое известное устройство, способное формировать последовательность импульсов с частотой, измен ющейс по заданной программе, например по линейному закону, в пределах установленного диапазона; . Устройство должно обеспечивать высокую ст,абильность и точность воспроизведени  основных параметров сигнала (по частоге и длительности развертки не хуже 0,001 %) и иметь цифровой выход текущего значени  частоты. Запуск устройства долMliH осуществл тьс  автоматически внещниМ Сигналом.

След щий фильтр 12, введенный в цепь передачи выходного сигнала источника, мо6614QO

жет быть вьшолнен по схеме селективного усилител  с регулируемой частотно-задающей цепью. Параметры частотно-задающей цепи можно измен ть с помощью ключевой схемы, управл емой кодом текущего значени  частоты. Така  схема фильтра 12 позвол ет осуществить автоматическую настройку его амплитудно-частотной характеристики на выделение первой гармоники возбуждаемого сигнала.

Цифровой регул тор 10 фазы (см. фиг. 2) представл ет собой логическую схему, реализующую указанные особенности преобразовани  сигналов, и содержит два R S-триггера 20 и 21, три элемента 2И--НЕ 22-24, элемент ЗИ-НЕ 25, элемент 26 задержки и два инвертора 27 и 28.

Функциональные св зи между указанными элементами регул тора 10 выполнены следующим образом.

Нулевые выходы триггеров 20, 21 подключены ко входам элемента 22, выход которого соединен с одним из двух входов элемента 2И-НЕ 23.

Первый вход регул тора фаЪы служит дл  ввода опорного сигнала и подключен ко второму входу элемента 23 и, к одному из трех входов элемента ЗИ-НЕ 25. Остальные два входа элемента ЗИ-НЕ св заны с единичными выходами триггеров 20 И 21.

Выход элемента ЗИ-НЕ 25 через элемент задержки 26 св зан с одним из входов элемента 2И-НЕ 24, второй вход KOJOрого подключен к выходу элемента 2И-НЕ 23, а выход служит выходом регул тора 10.

Второй вход регул тора 10 фазы служит дл  ввода клиппированного опорного сигнала и подключен к S-входу триггера 20 и, через инвертор 27, к S-входу триггера 21.

Третий вход регул тора 10 служит дл  ввода клиппировайного выходного сигнала вибратора 1 и подключен к R-входу триггера 21 и, через инвертор 28, к R-входу триггера 20.

Работа устройства управлени  вибрационньш источником показана на примерах отработки фазы, когда скорость колебаний опорной плиты 2 вибратора 1 Меньще (фиг. 3) или больще (фиг. 4) скорости колебани  опорного сигнала.

Стартовый импульс, переданный по радио От регистрирующей станции, принимаетс  радиоканалом 16 и запускает генератор 8.

Опорный сигнал Uj (см. фиг. 1-3), представл ющий собой последовательность коротких импульсов положительной пол рности , с выхода генератора 8 через элементы 2И-НЕ 23 и 24 регул тора 10 фазы поступает на счетный вход преобразовател  15 код-аналог, где преобразуетс  в напр жение синусоидальной формы. Сформированный таким образом управл ющий сигнал подаетс  на вход вибратора I и преобразуетс  им в сейсмические колебани  грунта.

Под действием колебаний плиты 2 на выходе акселерометра 14 по вл етс  электрический сигнал, соответствующий ускорению возбуждаемых колебаний. Этот сигнал с помощью интегратора 13 преобразуетс  в сигнал виброскорости и поступает на вход след щего фильтра 12.

Под действием сигнала, снимаемого с цифрового выхода генератора 8, фильтр 12 автоматически устанавливаетс  на выделе-; ние только тех колебаний, частота которых равна текущему значению частоты Опорного сигнала.

Преобразованный таким образом выходной сигнал вибратора 1 в виде напр жени  синусоидальной формы поступает на вход усилител -ограничител  11, где клиппируетс  и подаетс  затем на третий вход цифрового регул тора 10 фазы в виде напр жени  Ui 1.

На второй вход регул тора 10 с выхода делител  частоты 9 поступает клиппированный опорный сигнал U9. При этом сигналы Us и U(i, а также соответствующие им инвертированные сигналы Uj/ и U28 подаютс  на S- и R-входы триггеров 20 и 21.

На временных диаграммах фиг. 4 соответствующих случаю, когда фаза выходного сигнала источника отстает от фазы опорного сигнала (ф 0), показаны формы сигналов , по вл ющи2(с  н единичных (Uio, Uit ) и нулевых (Uio, Ujr) выходах триггеров 20 и 21 соответственно.

В результате логического перемножени  сигналов ( Us, Uae и Uzi на инверсном выходе элемента ЗИ-НЕ 25 по вл етс  напр жение Uas. представл ющее собой последовательность пачек инвертированных импульсов сигнала Ug. Длительность tf каждой пачки определ етс  величиной сдвига фаз сро и равна Т4 оТ, где Т - период колебаний выходного сигнала.

Как видно из диаграмм схема регул тора 10 позвол ет определить фазовую ощибку дважды в течение одного периода колебаний .

Сигналы Uzo и 3ц дл  рассматриваемого случа  f О оказываютс  в противофазе , и будучи поданы на входы элемента 22, привод т к по влению на выходе последнего напр жени  Ujj, разрещающего прохождение импульсов опорного СйгнаЛа Ug через элемент 23. В этом случае элемент 24 производит суммирование инвертированных элементов 23 импульсов Ug с импульсами сигнала ощибки Uzs, предварительно задержанными элементом 26.

Полученна  таКим образом суммарна  последовательность импульсов после преобразовани  преобразователем 15 в аналоговый управл ющий сигнал приведет к ускорению колебательного процесса в вибраторе 1, уменьща  тем самым фазовый сдвиг.

При отсутствии фазового сдвига (р 0) сигналы Uit и Ujy соответствуют единичному состо нию элементов 22 н 25 к опорный сигнал Ug проходит через регул тор 10 без изменений.

В том случае (см. фиг. 4),когда выходной сигнал опережает опорный (р 0), работа устройства управлени  вибрационным источником принципиально ничем не отличаетс  от рассмотренного случа  дл  «р 0. Отличие состоит лищь в том, что сигнал U22 содержит импульсы отрицательной пол рности с длительноСТбю; также равной rf QoT, которые запрещают прохож. дение импульсов Uj через элемент 23. Это равнозначно вычитанию пачки импульсов из последовательности Uj. В результате колебательный процесс в вибраторе 1 замедл етс  и сдвиг фаз сокращаетс .

Предложенное устройство управлени  вибрационным источником в отличие от известных имеет посто нный коэффициент передачи по фазе цепи, вычисл ющей фазовую ощибку.

Действительно, пусть коэффициенты пересчета делител  9 и преобразовател  15 равны и выбраны такими, что периоду Т выходного сигнала.соответствует 2 импульсов опорного сигнала. Если То - текущее значение периода следОЁани  опорных импульсов Us, то число импульсовв пачке, соответствующей сдвигу р°, равно

NT-tf2 ,

Как видно, искомый коэффициент передачи цепи обратной св зи по фазе равен величине |до, определ емой только разр дностью пересчетных схем п, и не зависит, таким образом, ни от частоты колебаний, ни от уровней сравниваемых сигналов. Повыща  число разр дов п (при бинарном пересчете), можно увеличить коэффициент передачи по фазе, что, в свою очередь, повысит чувствительность системы регулировани  к изменению фазы выходного сигнала, а следовательно, и точность синхронизации последнего с заданными колебани ми опорного сигнала.

Помимо высокой помехоустойчивости и точности синхронизации, предложенное устройство управлени  источником обладает повыщенным быстродействием при отработке фазы как в случае линейного закона изменени  частоты, так и в случае нелинейного закона, когда скорость развертки частоты не посто нна и может измен тьс  в щироком диапазоне.

Необходимость увеличени  быстродействи  св зана с тем, что электромеханическим преобразовател м энергий,используемым в качестве вибратора, свойственна задержка

Claims (4)

1. i сигнала, распростран ющегос  в цепи механического преобразовател . Задержка сигнала в механической цепи электрогидравлического вибратора составл етТв Ю-20 мс. Указанна  задержкапри измен ющейс  частоте сигнала приводит к тому, что частота колебаний на выходе вибратора отличаетс  от частоты опорного сигнала на величину Д (t) cg, где F(t) - скорость изменени  частоты опорного сигнала; задержка сигнала в вибраторе. При переменной скорости развертки частоты наличие задержки v в случае применени  известных схем регулировани  фазы с интегрированием ошибки (снижающим быстродействие источника ) приводит к значительным фазовым искажени м сигнала. В предложенном устройстве управлени  вибрационным источником быстродействие увеличено путем смещени  частоты управл ющего сигнала на указанную величину Д F. Дл  этого .(на чертежах не показано) с последовательностью импульсов опорного сигнала, поступающей на вход преобразовател  код-аналог, сум.мируютс  импульсы, частота которых пропорциональна скорости развертки частоты F(t). При этом суммированке производитс  со знаком, определ емым знаком скорости F(t). Применение предложенного устройства управлени  вибрационным источником сейсмических сигналов, отличающегос  при повышенном быстродействии высокой помехоустойчивостью и точностью синхронизации сигналов по фазе,позволит увеличить глубинность исследований, повысить качество и надежность материалов, получаемых при поисковых работах на нефть и газ. Внедрение предложенного устройства управлени  вибрационным источником в производство принесет народному хоз йству зна чительную экономию средств, особенно в тех районах, где встречаютс  сложные услови  бурени  взрывных скважин. Так, например , по выполненным в НПО «Южморгео расчетам замена буровзрывных работ измерени ми с помощью вибрационных источников с предложенным устройством управлени  в сейсмических парти х на земл х Северного Кавказа, несмотр  на увеличение .стоимости основного оборудовани , составит экономию около 200 тыс. рублей в год на одну партию, оснащенную трем  источниками . Следует отметить, что экономи  средств не  вл етс  единственным преимуществом сейсморазведки с,применением вибрационных источников. Не менее важным положительным факторои при использовании вибрационных источников  вл етс  безопасность полевых работ, резкое уменьшение ущерба, наносимого сельскохоз йственным угодь м и окружающей среде. Формула изобретени  1.Устройство управлени  вибрационным источником сейсмических сигналов, содержащее преобразователь код-аналог, выход которого соединен с управл ющим входом вибрационного источника, генератор опорного сигнала с радиоканалом дистанционного запуска на входе и интегратор, подключенный к выходу акселерометра, установленного на опорной плите вибрационного источника, отличающеес  тем, что, с целью повыщени  помехоустойчивости, в него -введены цифровой регул тор фазы, делитель частоты, усилитель-ограничитель и след щий фильтр, включенные таким образом, что импульсный выход-опорного сигнала генератора подключен к первому и, через делитель частоты, ко второму входам цифрового регул тора фазы, который по выходу св зан со входом преобразовател  код-аналог , а по третьему входу, через усилительограничитель - с выходом след щего фильтра , сигнальный вход которого соединен с выходом интегратвра, а управл ющий вход с цифровым выходом частоты генератора. 2.Устройство управлени  вибрационным источником сейсмических сигналов по п. 1, отличающеес  тем, чтоцифровой регул тор фазы выполнен в виде схемы, содержап1ей два RS-триггера, нулевые выходы которых через первый и второй элементы 2И-НЕ подключены к первому входу, а единичные выходы через элемент ЗИ-НЕ и элемент задержки - ко второму входу третьего элемента 2И-НЕ, причем S-вход первого триггера , св занный через первый инвертор с S-входом второго триггера, R-вход второго триггера, св занный через второй инвертор с R-входом первого триггера, и третий вход элемента ЗИ-НЕ, св занный со вторым входом второго элемента 2И-НЕ,  вл ютс , соответственно, вторым, третьим и первым входами, а выход третьего элемента 2И-НЕ - выходом цифрового регул тора фазы. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3.807,525, кл. 340-15,5, 1975.
2. 2.Патент США № 3.733,584, кл. 340-15.5, 1973.
3. 3.Патент США № 3.739.870, кл. 181-5, 1973.
4. 4.Патент США № 3.881.167, кл. 340-15.5, 1975.

   ae.f

   Риг. г

   uViO

   га

   It

   га га

   го

   2Г

   ro

   iJn

   V

   tj