Теоретические, технические и технологические разработки гравиметрических устройств и сейсмоприемников на основе магнитных подвесов

Петров, Юрий Павлович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Теоретические, технические и технологические разработки гравиметрических устройств и сейсмоприемников на основе магнитных подвесов
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Теоретические, технические и технологические разработки гравиметрических устройств и сейсмоприемников на основе магнитных подвесов"

На правах рукописи

Петров Юрий Павлович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ, ТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ГРАВИМЕТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И СЕЙСМОПРИЕМНИКОВ НА ОСНОВЕ МАГНИТНЫХ ПОДВЕСОВ

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Пермь - 2005

Работа выполнена на кафедре геофизики Пермского государственного университета

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук Конешев Вячеслав Николаевич;

- член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Уткин Владимир Иванович;

- доктор физико-математических наук, профессор Путин Геннадий Федорович.

Ведущая организация:

ЗАО "Архангельскгеолразведка" (г. Новодвинск)

Защита состоится 6 октября 2005 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 212.189.01 при Пермском государственном университете по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15 E-mail: info@.psu.ru Факс:(3422)37-16-11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета

Автореферат разослан " /S1' а уcTQ 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Гершанок В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Чувствительные системы традиционно используемых гравиметров, градиентометров и сейсмоприемников содержат инерциальную массу, подвешенную к корпусу прибора. Чувствительность таких систем к преобразуемым ими кинематическим величинам зависит от упругих свойств элементов подвеса. В механических устройствах упругие элементы реализуются пружинами, нитями, в электромагнитных подвесах - величиной магнитного поля. Разработка устройств с различной чувствительностью требует: в механических - разработку новой конструкции чувствительного элемента с заменой пружин и нитей; в электромагнитных подвесах - без изменения конструкции - регулировку магнитного поля. В механических устройствах одна из основных погрешностей, влияющих на точность измеряемых величин, связана с наличием гармоник, вырабатываемых упругими измерительными элементами обладающими массой. В электромагнитных подвесах - гармоники отсутствуют, так как отсутствует масса магнитного поля, обеспечивающая упругость. Нужно учитывать, что измерительные устройства на электромагнитных подвесах обладают большей эксплуатационной надежностью, так как в них отсутствуют механические элементы, которые могут быть разрушены во время эксплуатации.

Как видим, разработка базовых конструкций геофизических приборов на основе электромагнитных подвесов, при конструировании гравиметров, градиентометров и сейсмоприемников является актуальной проблемой в настоящее время.

Цель и задачи исследований

Целью исследований является научное обоснование направлений существенного улучшения технических, технологических и эксплуатационных свойств гравиинерциальных преобразователей гравиметрических устройств и сейсмоприемников путем полной замены механических упругих элементов их магнитными аналогами.

Реализация поставленной цели потребовала решения следующих задач:

- анализ технических свойств механических гравиинерциальных преобразователей и разработка математических моделей их аналогов на основе магнитных подвесов, способных обеспечить им работу как в гравиметрических приборах, так и в сейу^^т^етшиах; -—

| БИБЛИОТЕКА^*]

ь гз&ям

шжЛ

-ГОЛ ^Г

- определение основных принципов конструирования высокостабильных магнитных подвесов с учетом физических свойств и условий работы магнитных материалов;

- разработка гравиметров и градиентометров с расширенными эксплуатационными возможностями на основе совмещенных электромагнитных подвесов (СЭМП);

- разработка высокостабильных электронных цепей СЭМП, в том числе схем для телеметрической передачи сейсмической информации;

- разработка конструкторской документации и внедрение в серийное производство высокотехнологичных конструкций сейсмопри-емников на основе пассивных магнитных подвесов (ПМП).

Научная новизна

В диссертационной работе впервые:

-разработаны математические модели гравиинерциальных преобразователей кинематических величин на основе магнитных подвесов;

-предложены способы расчетов линейных магнитных цепей подвесов: аналитический - для конструкций с СЭМП, включающих постоянный магнит и соленоид; графоаналитический - для конструкций ПМП, включающих постоянный магнит и индуктивный датчик;

- создана электронная схема подвеса СЭМП, в которой в качестве первичного датчика служит параметрический резонансный LCR датчик;

-разработаны и прошли лабораторные испытания конструкции макетов гравиметров, градиентометров и сейсмоприемников на основе СЭМП;

- разработаны и внедрены в производство конструкции сейсмоприемников на основе ПМП;

- предложена концепция построения многофункциональной конструкции для одновременного измерения первых и вторых производных гравитационного потенциала, сейсмических волн и наклона земной поверхности.

Основные защищаемые положения

1. Гравиинерциальные преобразователи на основе совмещенного электромагнитного подвеса и пассивного магнитного подвеса, позволяющие разрабатывать высокостабильные измерительные устройства с регулируемой механической чувствительностью.

2. Принципы конструирования и способы расчетов магнитных подвесов с использованием магнитов из закритических материалов, удовлетворяющие техническим требованиям разрабатываемых устройств.

3. Конструкции гравиметрических устройств и сейсмоприемников с возможностью регулировки их характеристик в широких пределах.

Научная и практическая значимость работы

Проведенные исследования явились:

- научной основой для разработки измерительных электромагнитных подвесов, использующих пондеромоторные силы высокостабильных постоянных магнитов из закритических материалов;

- базой для создания нового поколения устройств с регулируемыми в широких пределах техническими характеристиками.

Разработанные модели гравиметра, градиентометра и сейсмо-приемника на основе совмещенных электромагнитных подвесов (СЭМП) обладают:

- высокой механической чувствительностью и большим диапазоном измеряемых значений кинематических величин при одновременном уменьшении размеров и массы;

- возможностью варьирования в широких пределах частоты собственных колебаний инерциальной массы, которая в гравиметрах может использоваться для уменьшения влияния внешних возмущающих моментов, в градиентометрах - для регистрации сейсмических волн различной частоты;

- надежностью, благодаря отсутствию механических упругих элементов.

Разработанные и внедренные в производство в Пермской научно-производственной приборостроительной компании новые конструкции широкополосных высокочастотных и среднечастотных, вертикальных и горизонтальных сейсмоприемников на основе пассивных магнитных подвесов (ПМП) показали преимущества данных конструкций по сравнению с их механическими аналогами по амплитудно-частотным характеристикам, коэффициенту нелинейных искажений, идентичности, надежности.

Исходный материал и личное участие автора в решение задач разработки геофизических устройств

отделении ВНИГНИ, а в дальнейшем с 1984 г. по 1994 г. в тресте "Пермнефтегеофизика", автор под руководством В.М. Новоселицкого занимался теоретическими и экспериментальными исследованиями создаваемых гравиметрических приборов и сейсмоприемников на магнитных подвесах. Базой для разработки приборов послужили магнитные подвесы, впервые разработанные в России доцентом Пермского государственного университета В.М. Понизовским. С 1985 г. по 1989 г. автор являлся соискателем Института физики Земли Российской академии наук. В 1989 г. защитил кандидатскую диссертацию "Геофизические преобразователи на основе магнитного подвеса". Научными руководителями при подготовке диссертации являлись д.г.-м. наук, профессор В.М. Новоселицкий и д.ф.-м. наук, профессор В.А. Кузиванов.

В 1995 г. автор был приглашен генеральным директором А.Г. Андреевым в Пермскую научно-производственную приборостроительную компанию и по 2002 г. возглавлял работы по выпуску технической документации и сопровождению серийного производства сейсмоприемников. С 2002 г. по 2005 г., находясь в докторантуре кафедры геофизики Пермского государственного университета, завершал теоретическое и технологическое обоснование задач по разработке геофизических устройств на основе магнитных подвесов.

Реализация результатов

Исследования и разработка гравиметрических устройств и сейсмоприемников в период с 1978 г. по 1994 г. проводились в рамках госбюджетных тем в Камском отделении ВНИГНИ, Пермском политехническом институте, ПО "Пермнефтегеофизика". Разработанные макеты гравиметров и градиентометров проходили лабораторные испытания в ПО "Пермнефтегеофизика", сейсмоприемников - в фирме "Western Atlas International", Хьюстон (США).

В Пермской научно-производственной приборостроительной компании в период с 1995 г. по 2002 г. творческим коллективом, руководимым автором, разработан полный комплект конструкторской документации на серийно выпускаемые сейсмоприемники. Сейсмоприемники изготовлялись по заказам Горного института Уральского отделения РАН (г. Пермь), ЗАО "Архангельскгеолразведка" (г. Новодвинск), ЗАО "Заприкаспийгеофизика" (г. Волгоград). Опытные партии сейсмоприемников прошли успешные испытания в ОАО "Пермнефтегеофизика", в ЗАО "Хантымансийскгеофи-зика", ЗАО "Герус" и других организациях.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 113 наименований. Работа изложена на 262 страницах, содержит 105 рисунков и 6 таблиц.

Апробация работы

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах:

-Совещании Комиссии по изучению неприливных изменений силы тяжести (КИНИСТ) межведомственного геофизического комитета при Президиуме АН СССР "Повторные гравиметрические наблюдения" (Москва, ИФЗ, 13-15 мая 1984 г.);

- Международных совещаниях-семинарах "Инженерно-физические проблемы новой техники" (Москва, МГТУ, 17-19 мая 1994 г.; Москва, МГТУ, 21-23 мая 1996 г.);

- Международной геофизической конференции и выставке "Москва- 1997" с демонстрацией разработанных сейсмоприемников (Москва, Совинцентр, 15-18 сентября 1997 г.);

- Международной геофизической конференции "300 лет горногеологической службе России" (Санкт-Петербург, 2-6 октября 2000 г.);

-Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2001 (Пермь, ПГТУ, 12-14 апреля 2001 г.);

-Проблемном совете "Сейсмичность Земли, природные и при-родно-техногенные катастрофы" (Москва, ОИФЗ, 6-7 апреля 2002 г.);

-Международной конференции по горизонтальному бурению (Ижевск, 23-24 октября 2002 г.);

-Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2004 (Пермь, ПГТУ, 12-14 апреля 2004 г.);

- Международной научно-практической конференции "Перспективы развития геофизических методов в XXI веке" (Пермь, ПГУ, 15-16 октября 2004 г.);

- Международном научном семинаре имени Д.Г. Успенского (Пермь, Горный институт Уральского отделения РАН, 24-29 января 2005 г.).

Публикации

Основные результаты по теме диссертации изложены в 43 публикациях, в том числе в 1 монографии, 9 авторских свидетельствах, 7 патентах и

18 научных статьях, из них 13 работ в центральных научных журналах "Геофизический вестник", "Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика", "Геофизическая аппаратура", "Сейсмические приборы".

Автор искренне благодарен доктору геолого-минералогических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ В.М. Новоселицкому за идеи по разработке гравиметрических устройств и сейсмоприемников на магнитном подвесе, научное руководство с 1978 г. по 1994 г.; генеральному директору Пермской научно-производственной приборостроительной компании А.Г. Андрееву и его заместителю B.C. Ермакову за предоставленную возможность разработок оригинальных конструкций сейсмоприемников. Автор выражает признательность заведующему кафедрой геофизики Пермского государственного университета, доктору технических наук, профессору В.И. Костицыну за научные консультации в период обучения в докторантуре, всестороннюю помощь и внимание к работе, а также соавторам - докторам технических наук Д.Г. Гридневу, М.С. Чадаеву, кандидатам физико-математических наук Ю.Н. Смирнову, И.И. Науменко-Бондаренко, кандидату геолого-минералогических наук JI.K. Орлову и коллегам по работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во "Введении" обоснована актуальность проблемы, определены цели и задачи исследований, их научная и практическая ценность, а также дана общая характеристика работы.

1. Теоретические основы гравиинерциальных преобразователей на электромагнитных подвесах

В конструкциях гравиинерциальных преобразователей кинематических величин участвуют три элемента: вибрирующее и невибрирующее звенья, связанные между собой упругими силами и демпфером, датчик для измерения движения вибрирующего звена относительно невибрирующего (инерциальная масса). Вибрирующее и невибрирующие звенья вместе с пружиной и демпфером образуют упру-

гую систему (УС). Такая УС обладает частотой собственных колебаний ш0. Свойства УС по преобразованию внешнего воздействия зависят от частоты С2 , с которой действует внешняя сила. Если Q «со0 , то УС измеряет ускорение. В этом случае УС превращается в измерительную систему гравиметра или градиентометра. При Q »<ю0 имеем пример измерительной системы сейсмоприемника. При Q«co0 УС обладает высокой чувствительностью к сигналам с частотой Q и малой - при любых других частотах.

Информация, получаемая УС, преобразуется датчиком, выходной величиной которого является, как правило, электрическая величина. Датчики подразделяют на параметрические и генераторные. Достоинством параметрического датчика является возможность проведения измерений с высокой точностью, сравнивая выходную величину с эталонными единицами-мерами. Достоинства генераторных - отсутствие внешнего питания, простота. В гравиметрах и градиентометрах используются параметрические датчики, в сейсмоприемниках - генераторные.

Объект исследований автора - сложные резонансные LCR датчики, работа которых рассматривается с учетом гравиинерциальных свойств подвижной массы датчиков. Цель - построение математической модели работы устройств. Исследованиями установлено, что любые смещения положения подвижной массы относительно индуктивности L или емкости С в резонансном LCR контуре датчиков вызывают изменение силы электрического тока в индуктивном элементе (электромагнит), либо напряжения на емкости LCR контура; а это всегда адекватно изменению силы между элементами контура и подвижным телом. Степень силового воздействия определяется величиной параметра ri регулирующего силу тока, либо напряжения в соответствующих элементах контура. С учетом гравиинерциальных свойств подвижной массы сложный резонансный LCR датчик, использующий силовые свойства электромагнита, осуществляет подвес тела при условии: Г) > /0ß/r0 , где /0 -максимальная сила тока электромагнита, ß - характеризует приращение магнитного сопротивления при смещении тела от положения равновесия, г0 - магнитное сопротивление при отсутствии смещения тела.

Показано, что сложный резонансный LCR датчик, использующий силовые свойства электрического поля конденсатора, осуществляет подвес тела при условии: т] > U0b/d0 , где U0 - максимальное напряжение на конденсаторе, b - характеризует приращение электрического

сопротивления между пластиной конденсатора и телом, d0 - расстояние между ними.

Сложные резонансные LCR датчики, использующие силовые свойства электромагнитов либо конденсаторов и уравновешивающие вес тела относятся соответственно к магниторезонансным или электростатическим резонансным подвесам (МРП, ЭРП).

Если вес тела уравновешивается постоянным магнитом и соленоидом, то подвес возможен при условии г) > у/П, где у определяет крутизну силовой характеристики постоянного магнита, П - силовая характеристика соленоида. Датчики, использующие силовые свойства постоянных магнитов и соленоидов и уравновешивающие вес тела, относят к совмещенным электромагнитным подвесам (СЭМП) (рис. 1).

2 1

Рис. 1. Силовой элемент одноосного совмещенного электромагнитного подвеса: 1 - соленоид, 2- постоянный магнит, 3 - датчик перемещений, 4 - левитирующее ферромагнитное тело, 5 - электронный блок обратной связи

Преимуществом СЭМП, в котором вес тела 4 компенсируется постоянным магнитом 2, перед предыдущими являются его малые размеры, т.к. отсутствуют ампервитки (магниторезонансный подвес) или большое напряжение (электростатический резонансный подвес) для уравновешивания тела. Полная компенсация веса тела постоянным магнитом делает этот подвес зависящим от свойств магнита. Высокоста-

бильные, с большой удельной энергией магниты, работающие в сложных условиях эксплуатации, без потери своих свойств выбраны автором для работы в СЭМП. Дальнейшие исследования и конструкторские решения посвящены разработке высокостабильных гравиметрических устройств и сейсмоприемников на основе совмещенных электромагнитных подвесов. Для этого подвеса автором разработан параметрический датчик перемещения 3. Схема и результаты исследования датчика опубликованы автором в журнале "Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика" [34] и доложены на Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2004" [42]. Частота собственных колебаний подвешенного тела определяется по формуле coq = (Пг| - у)/m, где m - масса подвешенного тела. В зависимости от поставленной задачи настройкой электронной схемы 5 СЭМП изменяется г|, тем самым регулируется со0. Теоретические основы гравиинерциальных преобразователей опубликованы автором в журналах: "Сейсмические приборы" [29] и "Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика" [35].

Дополнительным преимуществом этого подвеса является то, что в нем органично соединены функции УС и датчика в единой структуре, обеспечивающей формирование инвариантной характеристики.

Разработкой и совершенствованием электромагнитных подвесов в прикладных областях науки и техники занимались следующие ученые: К.А. Ануфриев, В.А. Бесекерский, C.B. Богословский, Г.Б. Вольфсон, Ю.Д. Вышков, В.Н. Герди, В.И. Иванов, О.Г. Кацнельсон, А.Т. Кизимов, К.А.Майков, В.М. Новоселицкий, Ю.А. Осокин, В.М. Понизовский, Г.А. Сапожников, H.H. Станкевич, A.B. Тиль, A.C. Эделыптейн, I.W. Beams, C.N. Cochran, Дж.К. Фремерей.

2. Физические основы конструирования и методы расчетов совмещенных электромагнитных подвесов (СЭМП)

Магнитный подвес (рис. 1), в котором элементы магнитной и электрической цепей остаются стабильными, является основой для построения измерительных подвесов. Требуется учет не только свойств используемых материалов, но и определение условий их работы.

Сила, действующая со стороны магнитного поля на магнитно-мягкое тело в магнитном подвесе, пропорциональна индукции В, наводимой в этом теле. Любое несоответствие индукции намагничивающему полю служит причиной погрешностей в определении сил. Исследованиями установлено, что индукция В будет соответствовать магнитному полю, если вещество, находится в области начального намагничивания, где границы доменов смещаются упруго, либо - в области парапроцесса, при котором изменение намагниченности обусловлено ориентацией в магнитном поле элементарных носителей магнетизма (спиновых и орбитальных магнитных моментов атомов и ионов).

Основные силовые усилия подвесов определяются его магнитами. Материалы, используемые в конструкциях магнитов, делят условно на две группы: закритические и докритические. К магнитам из материалов второй группы, используемым в закрытых магнитных системах, относятся сплавы типа альнико. Магниты из материалов первой группы, используемые в аэрокосмической технике, могут работать в открытых магнитных системах, сторонних магнитных полях, значительных механических воздействиях - вибрациях, ударах, линейных нагрузках (кратковременных), не теряя своих свойств. Магнитная система (рис. 1) - открытая. Поэтому в СЭМП и в рассмотренных ниже конструкциях на ПМП для сейсмоприем-ников применяют магниты из материалов первой группы.

Одним из требований, предъявляемых к постоянным магнитам в магнитной цепи, является стабильность индукции в рабочем зазоре при изменениях внешней температуры, времени. Компенсация температурных погрешностей магнитных цепей производится при применении термомагнитных шунтов. Разработана методика термокомпенсации магнитных колец шунтами из ТКМ-1 для двух типов магнитов из закри-тических материалов, имеющих следующие температурные коэффициенты индукции: аВм =0,04 %/град (8шСо5), аш =0,12 %/град (К<№еВ).

Магнитные свойства постоянных магнитов, независимо от групп материалов в них, в течение длительного времени эксплуатации необратимо уменьшаются. Причиной этого является качество материалов магнитов и экстремальные условия эксплуатации, превышающие технические требования. Необратимые изменения свойств магнита могут составлять от 0,01% до нескольких процентов в год. Разработанная конструкторская документация на сейсмоприемники учитывает условия эксплуатации магнитов.

Автором разработан способ расчета силовых свойств элементов магнитной цепи. Согласно проведенным исследованиям действие соленоида на магнит, магнита на соленоид не изменяют их характеристик. Следовательно, действия этих элементов на подвешенное тело незави-

симы и аддитивны. Расчет сил взаимодействия магнитов из закритиче-ских материалов на ферромагнитные тела правильной геометрической формы проводился из представления магнитов как однослойных соленоидов. В работе [1] получено уравнение для силы действующей на ферромагнитное тело со стороны постоянного магнита с учетом остаточной индукции магнита В{

К-

2/а

^Мо'ф

2и

-^М2

X х+1ф+1

х+1

х+и

у1с!2+4{х+1)1 и2+Лх2 ^2+4(х+/ф+/)2 +4*+1ф)2

Как видим выражение для силы зависит от координаты х , определяющей верхнее положение ферромагнетика от нижнего среза магнита, квадрата индукции В2, геометрии магнита (с1,1 - соответственно диаметр и длина магнита) и геометрии взаимодействующего с ним ферромагнетика ( /ф - соответственно диаметр и длина ферромагнетика). Проницаемость формы цилиндра находится по экспериментальным кривым.

Выражение для силы, действующей на ферромагнетик со стороны соленоида, определяется с учетом индукции Вт, создаваемой постоянным магнитом

1 +

¿ф

2/ф

*1- /с+/ф

16/ф /с

^с2+4(х1-/с+/ф)2 у1^+4(Х1-!с)2

=Щ,

где Я - коэффициент, зависящий от И, Вп с1, /с, /, дс1; х .

Сила является функцией силы тока /с, индукции В, постоянного магнита и геометрии тел магнитной системы (/*/, (1, /ф, /с,/, х,,дс), где х, - расстояние от верхнего среза соленоида до верхнего положения ферромагнетика, /с - длина соленоида, N - количество витков соленоида. Исследования, проведенные в работе [1], показали, что при определенном положении магнита и соленоида в СЭМП обеспечивается пропорциональность силы перемещению левитирующего тела (линейность). Эксперименты, проведенные автором с макетом гравиметра, подтверждают расчетные параметры [32]. При стабильности элементов магнитной цепи инструментальные погрешности в определении силы связаны, прежде всего, с зависимостью сопротивления катушки соленоида от температуры, а соответственно и силы тока /с от температуры. Необходимо также учитывать зависимость намагниченности вещества взвешиваемого тела от внешних электромагнитных полей.

Компенсация инструментальных температурных погрешностей сопротивлений соленоидов осуществляется с применением различных схем. Точность компенсации температурных влияний зависит от задач, решаемых магнитным подвесом. Рассмотрена простейшая схема частичной температурной компенсации путем введения добавочного сопротивления с нулевым температурным коэффициентом. Для полной температурной компенсации рассчитана схема с применением термисторов. Большой разброс температурных коэффициентов термисторов потребовал рассмотрения более совершенной схемы температурной компенсации с последовательно-параллельными добавочными сопротивлениями.

Автором в конструкции макета гравиметра на совмещенном электромагнитном подвесе изготовлен двухслойный магнитный экран [1]. Экспериментальная проверка теоретических вычислений коэффициента экранирования подтверждена.

Учет свойств используемых материалов, определение условий их работы, методы компенсации инструментальных погрешностей, линейная, при малых перемещениях инерциального тела, статическая характеристика магнитной и электрической цепей, удовлетворяют требованиям измерительных электромагнитных подвесов.

3. Гравиметры и градиентометры на основе совмещенных электромагнитных подвесов (СЭМП)

ЕП

— 6

В области развития методов измерения гравиметрических величин и создания аппаратуры большой вклад внесли

A.Н. Авсюк, К.Е. Веселов, Д.Г. Гриднев, Л.С. Елинсон, JI.K Железняк, В.Н. Ильин,

B.Н. Конешев, В.Д. Кузиванов, И.И. Нау-менко-Бондаренко, Л.П. Несенюк,

B.М. Новоселицкий, С.А. Поддубный, Е.И. Попов, Г.Ф. Путин, М.У. Сагитов, Ю.Н. Смирнов, В.А. Тулин, В.И. Уткин, М.Е. Хейфиц, М.С. Чадаев, M.J. Pope, K.N. Frasier, S. Pichard.

На рис.2 приведена блок-схема гравиметра, разработанная совместно с

C.С. Рочевым, В.М. Новоселицким, М.С. Чадаевым [7].

Устройство имеет два контура регулирования. Первый контур предназначен для регулирования вертикального положения ферромагнитного тела 3 и

содержит соленоид 1, датчик 4, пропорциональный регулятор 5 и усилитель 7 мощности. Второй контур предназначен для регулирования тока соленоида 1 и содержит упомянутый первый контур, задатчик 6 вертикального положения ферромагнитного тела, нуль-индикатор 8 и задатчик 9 тока соленоида.

Работа первого контура осуществляется следующим образом. В начальный момент времени силу тяжести уравновешивают силой

Рис. 2. Блок-схема устройства для измерения силы тяжести

^ притяжения постоянного магнита 2. При увеличении силы тяжести на т^ на тело будет действовать сила лг^о+А?)- Под действием дополнительной силы тД# тело будет перемещаться вниз, что вызовет уменьшение сигнала датчика 4. Регулятор 5 выдает сигнал, пропорциональный разности сигналов датчика 4 и задатчика 6, что приведет к увеличению силы тока соленоида 1 через усилитель 7 на величину А/с и, соответственно, к увеличению силы притяжения соленоида так, что левитирующее тело займет новое положение равновесия ниже первоначального. При этом с увеличением расстояния от постоянного магнита 3 сила притяжения этого магнита уменьшится, т.е. произойдет перераспределение компенсирующих сил и ^. Данное перераспределение заключается в том, что увеличение силы притяжения соленоида компенсирует не только приращение силы тяжести тЬ% , но также и уменьшение силы притяжения постоянного магнита. Это позволяет увеличить чувствительность изменения тAg за счет увеличения отношения А/с/тяД£, что, в свою очередь, достигается за счет описанного выше перераспределения компенсирующих сил между постоянным магнитом и соленоидом.

Работа второго контура регулирования подвеса аналогична работе диапазонной и измерительной пружин кварцевого астазированно-го гравиметра, выполняющих роль компенсатора изменения силы тяжести. Таким образом, второй контур обеспечивает устройству работу по методу компенсации.

Для совмещенного электромагнитного подвеса получена зависимость [19, 30]

С = АС/^туя-Яс

Дg Пг)-у Й)о

где Си - чувствительность гравиметрического датчика по падению напряжения на соленоиде, /?с - сопротивление соленоида, 77 - параметр силовой характеристики соленоида, ю0 - частота собственных колебаний подвешенного тела, у ~ крутизна силовой характеристики постоянного магнита, г\ - параметр регулирования силы тока в электронной цепи подвеса.

Основные результаты эталонирования гравиметра при различной чувствительности Си, задаваемой параметром г), от эффективного изменения ускорения силы тяжести Д^, представлены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость падения напряжения на соленоиде ис от эффективного изменения ускорения силы тяжести при:

Сщ = 0,54 мВ/мГал (п = 34,16 А/м), С„г = 2,18 мВ/мГал

(т] = 27,74 А/м), Сщ = 4,26 мВ/мГал (л = 26,92 А/м),

Са< = 15,4 мВ/мГал (г| = 26,32 А/м), 1 мВ/мГал = 100 Вс2/м.

Нами предложено устройство скважинного гравиметра [2]. При опускании устройства в скважину задатчик 9 тока соленоида (рис.2) вырабатывает ток А/ь, величина которого пропорциональна глубине опускания А. Выходной сигнал соленоида Д/с сравнивается с выходным сигналом А/ь в блоке 8 нуль-индикатора. Получаемая результирующая разность 8 (а/) = А/с - А/ь как малая и знакопеременная величина регистрируется компенсационным методом с меньшей погрешностью, что обеспечивает повышение точности измерения ускорения силы тяжести в скважине. Основные результаты исследований опубликованы в сборниках [20, 21,22] и в журнале "Геофизический вестник" [32].

ис,мВ

АёЭф >мГал

Проведенные экспериментальные и теоретические работы с гравиметром на основе совмещенного электромагнитного подвеса позволяют выделить следующие его достоинства по сравнению с существующими:

-оригинальность устройства, заключающаяся в органическом соединении функций упругой системы и датчика в единой структуре, способность одновременно с взвешиванием выдавать точную информацию о смещении взвешенного тела;

- линейность измерительной шкалы;

- в единой конструкции решены вопросы настройки и эталони-ровки весов;

-широкий диапазон измеряемой величины изменения ускорения силы тяжести;

- малые габариты, упрощающие вакуумирование и термостати-рование подвесов;

-регулировкой коэффициента обратной связи в электронной цепи подвеса изменяется чувствительность (собственная частота подвешенной массы) весов в широких пределах;

-технологичность конструкции модели гравиметра, позволяющая арретировать инерциальный элемент подвеса наружным элементом конструкции.

Перспективность разработки гравиметров, основанных на использовании электромагнитных подвесов, положительно оценена в учебнике А.К. Маловичко, В.И. Костицына "Гравиразведка" (1992).

Исследование неоднородностей поля тяготения производится гравитационными градиентометрами, которые измеряют вторые производные гравитационного потенциала. В разработку и совершенствование конструкций приборов большой вклад внесли R.V. E5tv6s, О. Hecker, W. Lancaster-Jones, Chuji Tsuboi, К. Kilchling, К. Tangl, М.У. Сагитов. Приборы с использованием крутильной нити (вариометры, градиентометры) имеют относительно большие размеры, длительную регистрацию измерения в одном азимуте. Чувствительные элементы этих систем подвержены воздействию конвекционных моментов и вязкому сопротивлению среды. Кроме того, необходимо учитывать влияние температуры на упругие свойства нити, старение материала нити, а также возможность ее обрыва.

Учитывая недостатки градиентометров с использованием крутильной нити, автор провел исследования по использованию электромагнитного подвеса в конструкциях градиентометров [24]. Магнитно-мягкое тело в совмещенном электромагнитном подвесе используется в качестве носителя коромысла весов. Теоретически рассмотрены две

модели поведения тела в СЭМП [1]. Первая - требующая введения момента сил, действующих на ферромагнитное тело со стороны магнитного поля, вторая - отсутствие момента сил в магнитном поле. Для первой модели найденный период колебаний коромысла, определяющий чувствительность устройства, будет зависеть от геометрических размеров коромысла и его массы. Для второй модели период колебаний коромысла не зависит от геометрических размеров коромысла и его массы, что позволяет в принципе иметь коромысло самых малых размеров. Основные теоретические и экспериментальные результаты исследований разработанных моделей опубликованы автором в журнале "Геофизический вестник"- [33]. В конструкции, защищенной авторским свидетельством [6], для сокращения времени наблюдения измеряются не периоды колебаний коромысла, а их части.

Для регулировки крутильной жесткости предложена специальная конструкция соленоида [1], позволяющая формировать определенную конфигурацию магнитного поля.

На рис. 4 изображено коромысло весов второго рода [5]. Коромысло состоит из трубки 1, внутри которой закреплены грузы 2 в виде полуцилиндров по разным его концам. В верхней части коромысла установлен ферромагнетик 3. Выполнение грузов в виде немагнитных полуцилиндров и помещение их внутри коромысла, а также установка в его верхней части ферромагнетика позволяет сократить размеры коромысла как по вертикали, так и по горизонтали.

Работа крутильных весов второго рода проверялась на макетном варианте градиентометра, разработанного автором. В качестве тела, создающего горизонтальные градиенты, использовался шар из свинца массой

Рис. 4. Блок-схема коромысла весов

75 кг, который перемещался вдоль коромысла весов. Поворот коромысла отслеживался оптическим датчиком, имеющим оптическое плечо 10 м. Период колебаний Т коромысла при использовании СЭМП в зависимости от решаемых задач регулировался устройством регулировки магнитной жесткости [4].

Сравнительные технические характеристики ГРБ-М2 и разработанного устройства на СЭМП приведены в таблице.

Таблица

ГРБ-М2 Устройство на СЭМП

^=10-® С-2 0^=10^ с-2

»» = 9,8 г от = 2,4 г

/ = 0,5 см / = 0,0848 см

А = 40 см А = 6,78 см

1 ~ 2,5 Ю-1 г см2/с2 =4,28-Ю-7 г * см2/ с2

0 - 90 = от/А/т = 7,84 • 10"7 рад 0 - 0„ = УГхг = 3,2 • ИГ3 рад

Приняты следующие обозначения: - горизонтальный градиент ускорения силы тяжести, т - масса груза, / - длина горизонтального плеча коромысла, А - высота коромысла, т, тм - крутильные жесткости, тШ/х - механическая чувствительность.

Проведенные исследования позволили выявить основные достоинства градиентометра при использовании СЭМП:

- высокая механическая чувствительность тЩх^ (выше

механической чувствительности ГРБ-М2 более 4000 раз);

- малые геометрические размеры;

- большая надежность, одной из причин которой является отсутствие торсионного подвеса в виде нити.

Основные результаты исследований разработанной конструкции опубликованы автором в сборнике Пермского госуниверситета [24] и в журнале "Геофизический вестник" [33].

Кроме того, изменение периода колебаний коромысла в широких пределах расширяет возможности прибора для применения не только для регистрации градиентов силы тяжести, но и для приема

сейсмических волн низкой частоты, вызванных тектонической активностью Земли.

Перспективность создания гравиметрических измерительных устройств на ЭМП отмечается в работах В.К. Поликарпова (Геофизический вестник, № 3, 2003), В.Г. Пешехонова и Г.Б. Вольфсона (Применение гравиинерциальных технологий в геофизике, 2002).

4. Сейсмоприемники на основе пассивных магнитных подвесов (ПМП)

Сейсмические методы разведки применяются главным образом при решении задач структурной геологии. Большой вклад в разработку преобразователей сейсмических волн, в том числе сейсмоприемников, внесли И.П. Башилов, Б.Б. Голицын, B.C. Демидов, А.Б. Кирнос, М.И. Киселев, В.В. Малиночка, A.B. Рыжов, A.B. Рыков, А.Н. Слук-венко, В.И. Уткин, Е.С. Шаньгин и другие.

Рассмотрим технические свойства механических сейсмоприемников и направление их дальнейшего совершенствования на основе магнитных подвесов. У механических сейсмоприемников существует зависимость между собственной частотой сейсмоприемников f0 и диапазоном преобразуемых ими частот, при котором выходной сигнал не искажен и постоянен. Например, верхний предел частот для сейсмоприемников: L-4A (/0=1Гц) составляет 30 Гц, GS-20Dx ( /0 = 10 Гц) - 190 Гц, GS-100 ( /0 = 100 Гц) - 650 Гц.

Исследование широкого спектра сейсмических волн возможно в том случае, если будут использованы сейсмоприемники с различными собственными частотами. Но в этом случае необходимо принимать во внимание их цену.

Появление магнитов с удельной энергией до 250 кдж/м3 позволило пересмотреть традиционные принципы конструирования сейсмоприемников. Энергии магнитов оказалось достаточно для того, чтобы заменить механическую пружину на магнитную и обеспечить необходимую собственную частоту, затухание и соответствующий коэффициент преобразования. Кроме того, новая конструкция привела к появлению нового качества. По утверждению Ю.А. Иориша (1963 г.), магнитная пружина не обладает массой и для нее не существует гармоник, присущих механическим пружинам. Это обеспечивает устройству ши-

рокий сейсмический диапазон. Отсутствие механических пружин предполагает большую стабильность и механическую прочность устройств.

В соавторстве и лично получены авторское свидетельство [9] и патенты [11, 12, 13, 15, 16, 17] на устройства, в которых механическое взаимодействие тел обусловлено посредством магнитных полей (пон-деромоторное взаимодействие). Подвесы, в которых инерциальная масса уравновешивается постоянными магнитами, относят к постоянным магнитным подвесам (ПМП). Конструкция (рис. 5) содержит корпус 1, инерциальную массу 2 в виде постоянного магнита, катушку 3, соединенную с корпусом, магнитопровод 5, демпфер 6, растяжку 4, стержень 7, каркас катушки 8.

-1-

Рис. 5. Блок-схема сейсмоприемника на ПМП

Соединение массы 2 с растяжкой 4 посредством стержня 7 представляет собой горизонтальный маятник, в котором растяжка 4 выполняет роль шарнира, а маятник имеет одну степень вращения вокруг оси растяжки 4. В конструкции момент силы тяжести магнита 2 компенсируется моментом пондеромоторной силы со стороны магни-топроводаб. Растяжка 4 центрирует оси подвижного магнита 2 и маг-нитопровода 5 на одной прямой.

Впервые подобная конструкция маятника была предложена В.М. Новоселицким и М.С. Чадаевым в гравиметре (A.C. № 661477, 1975 г.). Математическая модель работы гравиметра разработана автором [18].

Опытная партия сейсмоприемников, изготовленная в соответствии с патентом № 2017175 [11], была внедрена в ПО "Пермнефтегеофизика".

Пермской научно-производственной приборостроительной компанией на основе патента №2018155 [12] изготовлена серийная мо-

дель сейсмоприемника на ПМП - СВ-10-11. Исследования показали, что все параметры сейсмоприемника СВ-10-11 соответствуют ГОСТу 28134-89 "Сейсмоприемники электродинамические". Основные результаты разработок и исследований конструкций сейсмоприемников опубликованы автором в журнале РАН "Геофизическая аппаратура" [25], совместно с А.Г. Андреевым и В.С. Ермаковым в журнале "Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика" [28]; доложены автором на Международных совещаниях-семинарах "Инженерно-физические проблемы новой техники" в 1994 г., 1996 г. [36, 37], на международной геофизической конференции "300 лет горно-геологической службе России" [38], на Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2001" [39].

Рис. 6. Амплитудно-частотный спектр сейсмоприемников СВ-10-Ц, Св-гО-Бх, 1Р-20Л)х, СВ-10-Ы

Проведены сравнительные измерения выходных сигналов сейсмоприемников СВ-10-И (10 Гц, Пермь), СБ-20-Ох (10 Гц, Уфа), СВ-10-Ц (10 Гц, Уфа), .1р-20-0х (10 Гц, Китай) при воздействии на них внешней силы с частотой от 20 Гц до 1000 Гц. Испытуемые сейсмоприемники устанавливались одновременно на вибрационный стол, имитирующий сейсмические волны со скоростью 0,01 м/с в диапазоне частот / до 1000 Гц. Результаты испытаний приведены на рис. 6. Из графиков видно, что у механических сейсмоприемников (08-20-0х, Л^О-Ох, СВ-10-Ц) коэффициент электромеханической связи IV непостоянен в

области свыше 190 Гц. График СВ-Ю-П линеен до 1000 Гц. Очевидно, искажения коэффициента при частоте воздействия более 190 Гц связано с резонансами механических упругих элементов сейсмической системы сейсмоприемников. Линейность графика CB-10-II объясняется отсутствием резонансов.

Технологичность базовой модели реализована при изготовлении различных групп и типов сейсмоприемников в следующих организациях:

- ЗАО "Герус" (г. Тюмень), для которого была выпущена партия резонансных сейсмоприемников на одиннадцать собственных частот (наибольшая частота 91,4 Гц);

- Горный институт УрО РАН (г. Пермь), изготовлена партия сейсмоприемников горизонтального и вертикального типов;

- ЗАО "Заприкаспийгеофизика" (г. Волгоград), принята в эксплуатацию партия высокочувствительных сейсмоприемников;

- ЗАО "Архангельскгеолразведка" (г. Новодвинск), изготовлены и находятся в эксплуатации в течение четырех лет сейсмоприемники на собственную частоту 20 Гц;

- Пермская научно-производственная приборостроительная компания, прошли лабораторные испытания сейсмоприемники на частоту собственных колебаний 1 Гц, которые конструктивно незначительно отличаются от базовых, а следовательно, в производстве будут обладать небольшой стоимостью.

Сравнительные полевые испытания наших сейсмоприемников СВ-Ю-П и Уфимского GS-20-Dx, проведенные в ПО "Пермнефтегеофи-зика", показали, что у CB-10-II лучшее соотношение сигнал-помеха.

В сейсмоприемниках СВ-Ю-П использованы магниты из закри-тических материалов, которые имеют высокую цену. Поэтому конструктивные размеры катушки индуктивности должны обеспечивать максимальное использование магнитной энергии в зазоре магнитной системы и при этом стремиться к минимальному расходу моточного провода по его длине I.

Создан оригинальный способ расчета магнитной системы с учетом экспериментальных кривых распределения индукции магнитного поля в рабочем зазоре магнитной системы [1]. Математически показано и экспериментально подтверждено, что максимальный коэффициент преобразования при наименьшем использовании длины / моточного провода достигается, если обеспечено максимальное произведение Вср feK ПРИ наименьшем объеме F3, занимаемым моточным проводом, где Вср - средняя индукция в объеме V3.

Один из основных параметров сейсмоприемников - коэффициент нелинейных искажений. У сейсмоприемников 08-20-ВХ он не превосходит 0,2%. При отлаженной технологии сборки этот коэффициент у СВ-Ю-И не превышает 0,04-0,03%. Основной вклад в коэффициент нелинейных искажений механических сейсмоприемников вносят высшие гармоники, возникающие в механических упругих элементах сейсмоприемников. Отсутствие гармоник у сейсмоприемников на магнитном подвесе приводит к очень малому коэффициенту. Применение пассивного магнитного подвеса в конструкциях механических сейсмоприемников повышает их эксплуатационную надежность. На устройство, повышающее надежность механических сейсмоприемников при использовании магнитного подвеса, автором получен патент [15].

5. Сейсмоприемники на основе совмещенных электромагнитных подвесов (СЭМП)

Основное достоинство магнитных подвесов - осуществлять взвешивание тел без механического контакта с окружающими телами, возможность регулирования собственной частоты и чувствительности, отсутствие гармоник, связанных с механическими упругими элементами.

Конструкция СЭМП эффективно использована нами в разработке многофункционального, высокоточного и малогабаритного сейсмопри-емника. Частота собственных колебаний левитирующей массы подвеса

определялась из соотношения /02 =—^—/(Щ-у). В разработанном

4 л т

макете, описание которого опубликовано в 1994 и 2000 гг. [25, 28], масса его составляет т = 1,32-Ю-2кг. Постоянный магнит из 8тСо5 в

форме диска имеет диаметр 1,2 10_2м, длину 5■ 10-1 м . Параметр у, определяющий крутизну силовой характеристики постоянного магнита, в соответствии с расчетами и далее подтвержденный в экспериментах, принят равным 63,85 н/м. Подвешивающие соленоиды со средними

диаметрами от 1,5-10-2 м до 3 10~2м и высотой 5 10~3м имеют разную плотность намотки и определяют постоянную соленоида Я от 1 до 10 н/А. Изменение г) для различных соленоидов регулирует частоту

подвешенного тела в пределах от 1 до 60 Гц (рис. 7), что позволяет конструировать много диапазонный сейсмоприемник [43].

Показано, что другая возможность регулирования циклической частоты возникает из рассмотрения зависимости /0 от у . Исследованиями (О.Г. Кацнельсон, A.C. Эдельштейн. Автоматические измерительные приборы с магнитной подвеской. М.: Энергия, 1970) установлено, что полная компенсация массы тела в двойном соленоиде при встречном включении обеспечивает зону практически постоянной силы тяги с очень малой крутизной силовой характеристики. Пользуясь методом эквивалентного соленоида и заменяя соленоиды постоянными магнитами, можно получить подвес тела с очень малой частотой (теоретически <0,001 Гц).

Рис. 7. Зависимость собственной частоты /0 от параметров г| при различных значениях постоянной соленоида 77 (н/А)

Математический анализ работы СЭМП доказывает возможность поддерживать частоту собственных колебаний инерциальной массы /о с относительной точностью ±6-10-6 -5-10-4, что может быть востребовано при высокоточных сейсмических исследованиях. Полученная точность установки является высокой и недостижимой для механических систем.

На рис. 8 приведена сравнительная запись сейсмических волн от сейсмоприемников на основе СЭМП и СВ-5. Оба сейсмоприемника имели собственную частоту 5 Гц. Сравнение записей показывает, что чувствительность СЭМП в 350 раз выше, чем СВ-5 (40 В/м/с). Коэффициент преобразования сейсмоприемника на СЭМП составляет 1,4 104 В/м/с.

-л-

СЭМП (/о = 5 Гц) Скорость развертки 25 мм/с Цена деления 250 мв

м-

Сейсмоприемник СВ-5 (/0 = 5 Гц) Скорость развертки 25 мм/с Цена деления 1 мв

\ы

А» «А

Рис. 8. Сейсмограммы

При анализе свойств сейсмоприемника на СЭМП, проведенных специалистами Третьего центрального научно-исследовательского института Министерства обороны РФ, установлены следующие достоинства: низкий уровень шумов, расширенный диапазон регистрации в области низких частот до 1-2 Гц.

В дальнейшей работе [14] автор расширил функциональные возможности сейсмоприемника на магнитном подвесе. А именно - разработал устройство с регистрацией сейсмических сигналов по осям х, у, г и ориентировкой в определенном азимуте.

В разработанной конструкции сейсмоприемника инерциальная масса вертикальна независимо от больших наклонов корпуса. Регистра-

ция колебаний этой массы производится не только в вертикальном, но и в двух ортогональных горизонтальных направлениях. Таким образом, имеется искомая трехкомпонентность сейсмоприемника при использовании лишь одной инерциальной массы, при ориентации одной из компонент х (либо у) вдоль магнитного меридиана Земли.

Разработка трехкомпонентного самоориентирующегося сейсмоприемника проводилась с целью эксплуатации его в автономном режиме для проведения мониторинговых работ. Электронные компоненты подвеса разработаны с учетом следующих требований: незначительное потребление энергии, малые габариты, высокая стабильность, автономный источник питания. Нами создана оригинальная электронная схема подвеса с применением микросхем [23]. В описанном электромагнитном подвесе использован соленоид со средним диаметром витков 15 10~3м, высотой 5 • 10~3 м , числом витков 3790, провод ПЭВ-0,07.

Электромагнитный подвес запитывался от источника двух полярного напряжения ±12В, потребление тока 12тА, автономный источник питания 4 батареи "Крона". Непосредственное подключение электронных схем к батареям невозможно из-за различия в потреблении тока от плюсового и минусового источника, поэтому изготовлен стабилизатор напряжения. Автономная работа сейсмоприемника предусматривает телеметрическую передачу механических колебаний с места расположения сейсмоприемника. С этой целью изготовлена УКВ-приставка. Проведенные работы по определению самоориентации сейсмоприемника по магнитному меридиану дают основания утверждать, что точность самоориентации сейсмоприемника находится в пределах ±2 Ю-4 рад [1].

Высокая точность установки технических характеристик трехкомпонентного самоориентирующегося сейсмоприемника, широкий диапазон регулирования частоты собственных колебаний и степени затухания инерциальной массы послужили предпосылкой к разработке проекта комплекса направленного бурения скважин. Результаты исследований изложены в журнале "Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика" [27] и доложены на международной конференции [41]. Комплекс направленного бурения скважин предполагает наличие геоакустического каротажа, в котором используются сейсмо-приемники. Нами предложен оригинальный способ определения местоположения забоя скважины [10], который может быть осуществлен с использованием резонансных свойств сейсмоприемников на магнит-

ном подвесе [40], и с учетом передаточной функции сейсмоприемника (A.B. Рыжов, Геофизика, № 5,1999).

Большая помехозащищенность и высокая чувствительность резонансных сейсмоприемников обеспечивают им нормальную работу в экстремальных условиях, создаваемых при бурении скважины. В зависимости от условий бурения и используемого бура, частота акустического сигнала, вырабатываемого долотом, может быть различной. Соответственно регулируются частота собственных колебаний и степень затухания упругой системы сейсмоприемника, обеспечивающих геоакустический каротаж. Дополнительно разработанные полосовые фильтры позволяют в еще большей степени подавить помехи и усилить полезный сигнал.

Таким образом, конструкции на основе СЭМП показали следующее: в гравиметрах - линейная измерительная шкала и большой диапазон измерения ускорения силы тяжести; в сейсмоприемниках - высокая чувствительность и широкий сейсмический диапазон преобразуемых волн; в градиентометрах - большая механическая чувствительность и широкий диапазон собственных частот колебаний коромысла. Подобные качества устройств на СЭМП являются уникальными и наиболее эффективно могут бьггь использованы при мониторинге землетрясений [31] при условии объединения функциональных возможностей подвеса в единой конструкции. Совместно с Д.Г. Гридневым, В.А. Кузивановым, И.И. Науменко-Бондаренко, В.М. Новоселицким, Ю.Н. Смирновым, А.Г. Фунтиковым, М.С. Чадаевым разработана и защищена авторским свидетельством [3] конструкция гравитационного вариометра, позволяющая одновременно производить измерение всех параметров гравитационного поля, сейсмических характеристик Земли, а также наклонов земной поверхности [8].

Заключение

1. Теоретические и экспериментальные исследования свойств гравиинерционных преобразователей на основе механических упругих измерительных систем показали, что одним из перспективных направлений их совершенствования является замена механических элементов магнитными аналогами на основе измерительных магнитных подвесов (ИМП). ИМП органично объединяют упругую систему и датчик в еди-

ную структуру и обеспечивают формирование инвариантной зависимости измеряемых кинематических величин от информационных параметров. Проведенный сравнительный анализ магниторезонансных, электростатических резонансных и совмещенных электромагнитных подвесов показал, что наименьшими инструментальными погрешностями при измерении кинематических величин обладает совмещенный электромагнитный подвес с использованием магнитов из закритиче-ских материалов, обеспечивающих подвесу высокую стабильность.

2. Впервые разработан способ расчета характеристик измерительных электромагнитных подвесов на основе совмещенных электромагнитных подвесов, с использованием магнитов из закритических материалов. При этом решены следующие задачи:

-определены условия адекватности намагничивания магнитно-мягких и магнитно-твердых тел напряженности намагничивающего поля;

- разработана математическая модель силовых взаимодействий элементов магнитной цепи;

-исследованы причины основных инструментальных погрешностей совмещенных электромагнитных подвесов и разработаны методы их компенсации;

- проведена оптимизация энергетических параметров магнитов из закритических материалов по их геометрическим размерам.

3. Созданы измерительные электромагнитные подвесы на основе совмещенных электромагнитных подвесов и разработаны макеты гравиметров, градиентометров и сейсмоприемников. Экспериментальные исследования разработанных устройств подтвердили обоснованность математических моделей и показали следующие положительные качества:

- в гравиметрах и градиентометрах: высокую механическую чувствительность и широкий диапазон измеряемых значений кинематических величин при одновременном уменьшении, в сравнении с механическими аналогами, размеров и массы; регулировку в больших пределах частоты собственных колебаний инерциальной массы, которая может быть использована в гравиметрах для уменьшения внешних возмущающих моментов, действующих с определенной частотой на измерительную систему прибора, и востребовано в градиентометрах - для регистрации сейсмических волн низкой частоты; технологичность конструкции механической части перспективной модели гравиметра, позволяющей арретировать инерциапьный элемент подвеса, в том числе в градиентометрах - для арретирования коромысла; надежность в эксплуатации, благодаря отсутствию механических упругих измерительных элементов;

- в сейсмоприемниках: трехкомпонентность при использовании одной инерциальной массы, самоориентацию по магнитному меридиану, высокую чувствительность (1,4 • 104 В/м/с).

4. Создан оригинальный способ расчета основных технических характеристик магнитоэлектрического преобразователя сейсмоприем-ника с нелинейным распределением индукции магнитного поля в рабочем зазоре за счет усовершенствования способа расчета электродинамических преобразователей с линейным распределением индукции. Он позволил для сейсмоприемников на пассивных магнитных подвесах (ПМП) с использованием магнитов из закритических материалов:

- обеспечить линейность магнитной цепи ПМП;

- получить максимальный коэффициент электромеханической связи, одновременно уменьшив размеры катушек и их сопротивлений;

- рассчитать степень затухания каркасной и бескаркасной катушек;

- провести компенсацию температурных инструментальных погрешностей преобразователя сейсмоприемника с учетом температурного коэффициента индукции постоянного магнита.

5. Разработаны и внедрены в производство в Пермской приборостроительной компании новые технологичные конструкции широкополосных высокочастотных и среднечастотных, вертикальных и горизонтальных сейсмоприемников на базе пассивных магнитных подвесов. Результаты сравнительных испытаний, проведенных изготовителем и полевыми геофизическими предприятиями в течение нескольких сезонов, показали преимущества разработанных конструкций по сравнению с их механическими аналогами по коэффициенту нелинейных искажений, амплитудно-частотному спектру, идентичности и надежности.

6. На основе конструкции трехкомпонентного самоориентирующегося сейсмоприемника разработана аппаратура и технология геоакустического каротажа в комплексе направленного бурения скважин.

7. Обобщение теоретических и экспериментальных исследований конструкций на базе совмещенного электромагнитного подвеса позволило разработать модель многофункционального геофизического устройства, который может быть использован для проведения мониторинговых работ при прогнозе землетрясений, подсчете запасов нефти и газа в продуктохранилищах.

Полученные результаты позволяют расширить область применения магнитных подвесов в геофизических устройствах, что в свою очередь повысит точность поисковых и разведочных геофизических работ на нефть, газ и другие полезные ископаемые.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

Монография

1. Гравиинерциальные преобразователи гравиметров, градиентометров и сейсмоприемников на магнитных подвесах. Пермь.: Изд-во Перм. ун-та, 2004. - 242 с.

Изобретения

2. A.C. 1073735 СССР, МКИ G01 V7/02. Скважинный гравиметр / Открытия. Изобретения. №6, 1984. С. 163. (Совм. с Новоселиц-ким В.М., Чадаевым М.С., Козловым Е.М.)

3. A.C. 1115002 СССР, МКИ G 01 V 7/10. Гравитационный вариометр / Открытия. Изобретения. № 35. 1984. С. 124. (Совм. с Гридне-вым Д.Г., Кузивановым В.А., Науменко-Бондаренко И.И., Новоселиц-ким В.М., Смирновым Ю.Н., Фунтиковым А.Г., Чадаевым М.С.).

4. A.C. 1241886 СССР, МКИ, G01 V7/10. Способ регулирования периода собственных колебаний чувствительного элемента гравиметра / Открытия. Изобретения. № 24, 1986. С.270. (Совм. с Гридневым Д.Г., Кузивановым В.А., Науменко-Бондаренко И.И., Новоселицким В.М., Смирновым Ю.Н.).

5. A.C. 1362293 СССР, МКИ G 01 V 7/02. Крутильные весы второго рода / Открытия. Изобретения. №47. 1987. С.252. (Совм. с Новоселицким В.М., Чадаевым М.С.).

6. A.C. 1403822 СССР, МКИ G 01 V 7/00. Устройство для измерения вторых производных гравитационного потенциала / Открытия. Изобретения. №22. 1988. С.271. (Совм. с Тимоховым A.B., Нечаевым С.А., Рочевым С.С., Новоселицким В.М., Чадаевым М.С.).

7. A.C. 1415930 СССР, МКИ G 01 V 7/02. Устройство для измерения силы тяжести / Открытия. Изобретения. №29. 1988. С.245. (Совм. с Рочевым С.С., Новоселицким В.М., Чадаевым М.С.).

8. A.C. 1418566 СССР, МКИ G01 С9/12. Устройство для измерения величины и направления угла наклона объекта / Открытия. Изобретения. № 31,1988. С.167. (Совм. с Рочевым С.С., Пальчиком В.Я.).

9. A.C. 1436079 СССР, МКИ G 01 V 1/16. Сейсмоприемник / Открытия. Изобретения. №41. 1988. С. 186. (Совм. с Мифтахутдино-

вым Р.К., Новоселицким В.М., Орловым Л.К., Петровой Л.С., Речевым С.С.).

10. А С. 1698865 СССР, МКИ в 01 V 1/40. Способ определения местоположения забоя скважины / Открытия. Изобретения. № 46. 1991. С.198. (Совм. с Семеновым Б.А.).

11. Пат. № 2017175 Россия, МКИ в 01 V 1/16. Сейсмоприемник / Изобретения. № 14. 1994. С.123. (Совм. с Орловым Л.К., Мифтахутдино-вым Р.К., Новоселицким В.М.).

12. Пат. № 2018155 Россия, МКИ в 01 V 1/16. Сейсмоприемник / Изобретения. № 15. 1994. С. 154. (Совм. с Шумилиной С.Ю., Сиге-нюк Б.Е., Серебряковым В.А., Петровой И.Ю.),

13. Пат. № 2045080 Россия, МКИ в 01 V 1 /16. Сейсмоприемник / Изобретения. №27, 1995. С.275. (Совм. с Петровой Л.С., Размахни-ным П.Г.),

14. Пат. № 2046374 Россия, МКИ в 01 V 1/16. Самоустанавливающийся трехкомпонентный сейсмоприемник / Изобретения. № 29. 1995. С.251.

15. Пат. № 2046375 Россия, МКИ в 01 V 1/16. Сейсмоприемник / Изобретения. № 29. 1995. С.251.

16. Пат. № 2047188 Россия, МКИ в 01 V 1/16. Сейсмоприемник / Изобретения. № 30.1995. С.244.

17. Пат. № 2047189 Россия, МКИ в 01 V 1/16. Сейсмоприемник / Изобретения. № 30. 1995. С.244.

18. Маятник в неоднородном поле при измерении ускорения свободного падения // Геофизическая аппаратура, вып.69. Л.: Недра, 1979. С.157-160.

19. Возможности использования электромагнитного подвеса для гравиметрических устройств // Повторные гравиметрические наблюдения. М.: АН СССР, ВНИИГеофизика, 1984. С.121-127. (Совм. с Кузи-вановым В.А., Смирновым Ю.Н., Новоселицким В.М.).

20. Астазированный гравиметр на совмещенном электромагнитном подвесе //Повторные гравиметрические наблюдения. М.: АН СССР, 1986.

21. Гравиметр на совмещенном электромагнитном подвесе с двойным астазированием // Геофизические методы поисков и разведки месторождений нефти и газа: Межвуз. сб. науч. тр. / Пермь: Перм. ун-т,

Статьи

С.56-61.

1987. С.128-132.

22. Основные свойства гравиметрического датчика на совмещенном электромагнитном подвесе // Геофизические методы поисков и разведки месторождений нефти и газа: Межвуз. сб. науч. тр. / Пермь: Перм. ун-т, 1989. С.54-58.

23. Электромагнитный подвес гравиметрических устройств // Геофизическая аппаратура, вып. 94. JI.: Недра, 1991. С.123-126. (Совм. с Нечаевым С.А.).

24. О возможности измерения градиентов силы тяжести в скважинах // Геофизические методы поисков и разведки месторождений нефти и газа: Межвуз. сб. науч. тр. / Пермь: Перм. ун-т, 1991. С.96-100.

25. Сейсмометрические преобразователи на основе пондеромо-торных сил магнитного поля // Геофизическая аппаратура, вып. 99. JI.: РАН. 1994. С. 105-112.

26. Разработка высоко- и низкочастотных датчиков на основе бесконтактного подвеса для сейсмических исследований. СПб.: Изд-во МАНЭБ, 2000. С.396-399. (Совм. с Андреевым А.Г., Ермаковым B.C., Новоселицким В.М.).

27. Разработка вибростойкого гироскопа для реализации проекта скважинной навигации // Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика. № 11. М.: Научтехлитиздат, 2000. С.30-35. (Совм. с Ермаковым B.C., Максимовым А.Г.).

28. Построение перспективного класса сейсмоприемников на основе бесконтактных подвесов // Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика. №11. М.: Научтехлитиздат, 2000. С.46-49. (Совм. с Андреевым А.Г., Ермаковым B.C.).

29. Пондеромоторные силы колебательных процессов и левитация // Сейсмические приборы. М.: РАН, 2002. С.23-26.

30. Гравиметр на основе измерительных совмещенных электромагнитных подвесов // Материалы Международной научно-практической конференции "Перспективы развития геофизических методов в XXI веке" / Пермь: Перм. ун-т, 2004. С. 128-134. (Совм. с Кос-тицыным В.И.).

31.0 возможности разработки многофункционального геофизического устройства на электромагнитном подвесе для проведения мониторинговых работ // Теоретические и прикладные аспекты информационных технологий: сб. науч. тр. / Пермь: Гос НИИУМС, 2004. С.102-105. (Совм. с Костицыным В.И.).

32. О возможности разработки гравиметров на базе совмещенного электромагнитного подвеса // Геофизический вестник, №7. М.: ЕАГО, 2004. С.14-22.

33. О возможности разработки гравитационного градиентометра на базе совмещенного электромагнитного подвеса // Геофизический вестник, № 9. М.: ЕАГО, 2004. С.6-14.

34. Параметрический LCR датчик // Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика. №11. М.: Научтехлитиздат, 2004. С.39-41.

35. Электромагнитные подвесы как сложные резонансные LCR датчики с учетом гравиинерциальных свойств подвижной массы дат чика // Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика. № 3. М.: Научтехлитиздат, 2005. С.37-42.

Тезисы докладов

36. Сейсмоприемники и сейсмометрические преобразователи с использованием магнитных пружин // Тез. докл. Международ, совеща ния-семинара "Инженерно-физические проблемы новой техники", 1719 мая 1994 г. М.: МГТУ, 1994. С.32-33.

37. Совершенные магнитные опоры в технике измерения меха нических колебаний // Тез. докл. четвертого Международ, совещания-семинара "Инженерно-физические проблемы новой техники", 21-23 мая 1996 г. М.: МГТУ, 1996. С.23.

38. Широкополосные сейсмоприемники с использованием маг нитной пружины // Тез. докл. международ, геофизической конферен ции "300 лет горно-геологической службе России", 2-6 октября 2000 г. СПб.: Рудгеофизика, 2000. С.4.

39. Перспективы повышения точностных параметров сейсмо-приемников // Тез. докл. Всероссийской научно-технической конфе ренции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2001", 12-14 апреля 2001 г. Пермь: ПГТУ, 2001. С.26.

40. Способ определения местоположения забоя скважины // Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосми ческая техника и высокие технологии - 2001", 12-14 апреля 2001 г. Пермь: ПГТУ, 2001.С.253.

41. Повышение надежности контроля параметров ГИС, преци зионности измерителей информационных систем и алгоритмов обра ботки информации комплексного освоения недр // Стендовый докл. на VII Международной конф. по горизонтальному бурению, 23-24 октября 2002 г. Ижевск. (Совм. с Цветковым Г.А., Костицыным В.И.).

»14696

42. Сложный параметрически докл. на VII Всероссийской научно космическая техника и высокие т< 2004 г. Пермь: ПГТУ, 2004. С. 102.

43. Гравиинерциальные техн строении на основе магнитных подв ждународного научного семинара и? ря 2005 г., г. Пермь: РАН, УрО РАН.

РНБ Русский фонд

2006-4 10255

Подписано в печать 31.05.2005. Формат 60 х 84/16. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ №122

Отпечатано на ризографе ООО "Учебный центр "Информатика"

614 990 г. Пермь, ул. Букирева, 15

Содержание диссертации, доктора технических наук, Петров, Юрий Павлович

• ВВЕДЕНИЕ.

СОКРАЩЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ГЛАВА

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГРАВИИНЕРЦИАЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОДВЕСАХ.

1.1. Основные требования, предъявляемые к преобразователям сейсмоприемников и гравиметров.

1.2. Анализ сейсмической системы преобразователей с учетом инерциальных свойств подвижной массы.

1.3. Анализ датчиков преобразователей.

1.3.1. Простые параметрические датчики.

1.3.1.1. Датчик сопротивлений.

1.3.1.2. Емкостный датчик.

1.3.1.3. Индуктивный датчик.

1.3.2. Простые генераторные датчики.

1.3.2.1. Индукционный датчик. ф 1.3.2.2. Оптический датчик.

1.3.2.3. Пьезоэлектрический датчик.

1.3.2.4. Электретный датчик.

1.3.3. Математическая модель работы резонансного контура сложного LCR датчика.

1.3.4. Сложный параметрический LCR датчик.

1.4. Электромагнитные подвесы (ЭМП) как сложные резонансные LCR ф датчики с учетом гравиинерциальных свойств подвижной массы датчика.

1.4.1. Сложный резонансный LCR датчик с учетом инерциальных свойств подвижной массы.

1.4.2. Сложные резонансные LCR датчики с учетом гравиинерци-альных свойств подвижной массы.

1.4.2.1. Магниторезонансный подвес (МРП).

1.4.2.2. Электростатический резонансный подвес (ЭРП).

1.4.2.3. Совмещенный электромагнитный подвес (СЭМП).

1.5. Электромагнитные подвесы как инвариантные преобразователи кинематических величин.

Выводы.

ГЛАВА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И СПОСОБЫ РАСЧЕТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОДВЕСОВ (ЭМП).

2.1. Исследование адекватности намагничивания тел напряженности магнитного поля.

2.1.1. Перемагничивание ферромагнетиков.

2.1.2. Исследование работоспособности постоянных магнитов.

2.1.2.1. Метод компенсации температурных погрешностей постоянных магнитов.

2.1.2.2. Оптимизация энергетических параметров магнитов из закритических материалов.

2.1.3. Исследование работоспособности магнитно-мягких материалов.

2.2. Способ расчета взаимодействия элементов магнитной цепи совмещенного электромагнитного подвеса (СЭМП).

2.2.1. Аддитивность силовых характеристик магнитной цепи.

2.2.2. Расчет магнитного поля по оси цилиндрического магнита.

2.2.3. Расчет тяговых усилий постоянных магнитов на тела из магнитно-мягких материалов.

2.2.4. Расчет тяговых усилий соленоида с использованием постоянного магнита в качестве сердечника.

2.3. Основные инструментальные погрешности магнитных подвесов и методы их компенсации.

2.3.1. Методы компенсации температурных погрешностей сопротивлений.

2.3.2. Расчет защиты измерительных приборов от влияния внешних магнитных полей.

Выводы.

ГЛАВА

ГРАВИМЕТРЫ И ГРАДИЕНТОМЕТРЫ НА ОСНОВЕ СОВМЕЩЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОДВЕСОВ (СЭМП).

3.1. Оценка работоспособности механических гравиметров.

3.1.1. Гравиметр с линейным перемещением массы.

3.1.2. Гравиметр с вращательным перемещением массы.

3.1.3. Исследование погрешностей механических гравиметров.

3.2. Исследование конструкции и основных принципов работы газового гравиметра.

3.3. Разработка гравиметров с использованием простых электромагнитных подвесов.

3.3.1. Гравиметр на сверхпроводящем подвесе.

3.3.2. Гравиметр на основе пассивного магнитного подвеса (ПМП).

3.3.3. Активные электромагнитные подвесы (ЭМП) и их свойства.

3.4. Разработка гравиметра на основе измерительного совмещенного электромагнитного подвеса (СЭМП).

3.4.1. Разработка линейной статической характеристики магнитной цепи.

3.4.2. Особенности конструкции гравиметрических весов на СЭМП.

3.4.3. Инструментальные погрешности гравиметра и методы их компенсации.

3.4.4. Устройство для измерения силы тяжести

3.5. Разработка градиентометра на основе совмещенного электромагнитного подвеса (СЭМП).

3.5.1. Математическое описание моментного подвеса коромысла.

3.5.2. Математическое описание безмоментного подвеса коромысла.

3.5.3. Устройство для регулировки крутильной магнитной жесткости СЭМП.

3.5.4. Устройство для измерения вторых производных гравитационного потенциала

3.5.5. Разработка конструкции крутильных весов второго рода.

3.5.6. Экспериментальная проверка работоспособности градиентометра.

Выводы.

ГЛАВА

• СЕЙСМОПРИЕМНИКИ НА ОСНОВЕ ПАССИВНЫХ МАГНИТНЫХ ПОДВЕСОВ (ПМП).

4.1. Оценка работоспособности механических сейсмоприемников.

4.1.1. Сейсмографы маятниковые.

4.1.2. Сейсмоприемники пружинные.

4.2. Разработка сейсмоприемников на основе измерительных пассивных магнитных подвесов (ПМП).

4.2.1. Разработка измерительного магнитного подвеса.

4.2.2. Разработка базовой конструкции сейсмоприемника.

4.2.3. Сейсмоприемник высокочастотный

4.2.4. Сейсмоприемник низкочастотный.

4.2.5. Совершенствование механических сейсмоприемников с использованием элементов пассивного магнитного подвеса (ПМП).

4.3. Расчет магнитной системы базового сейсмоприемника.

4.3.1. Особенности магнитной системы ПМП.

4.3.2. Способ расчета магнитной системы ПМП с нелинейным распределением магнитного поля.

4.3.3. Инженерный расчет магнитной системы сейсмоприемника.

4.3.3.1. Расчет магнитной системы преобразователя GS-20DX.

4.3.4. Расчет магнитной системы сейсмоприемника с учетом инструментальных температурных погрешностей.

Выводы.

ГЛАВА

СЕЙСМОПРИЕМНИКИ НА ОСНОВЕ СОВМЕЩЕННЫХ ЭЛЕКТРО

МАГНИТНЫХ ПОДВЕСОВ (СЭМП).

5.1. Сравнительный анализ работы электромагнитных подвесов.

5.1.1. Разработка совмещенного измерительного электромагнитного подвеса (СЭМП).

5.1.2. Исследование функциональных возможностей сейсмоприемника на совмещенном электромагнитном подвесе (СЭМП).

5.1.3. Самоориентирующийся трехкомпонентный сейсмоприемник.

5.2. Разработка электронных цепей подвеса.

5.2.1. Разработка электронной схемы подвеса.

5.2.2. Разработка стабилизатора напряжения электронной схемы подвеса.

5.2.3. Приставка к электронной схеме подвеса для передачи аналогового сейсмического сигнала в УКВ диапазоне.

5.2.4. Экспериментальная проверка работоспособности трехком-понентного самоориентирующегося сейсмоприемника.

5.3. Использование сейсмоприемников в комплексе направленного бурения скважин.

5.3.1. Структурная схема комплекса.

5.3.2. Способ определения местоположения забоя скважины.

5.4. Разработка многофункциональной конструкции на основе электромагнитных подвесов (ЭМП).

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Теоретические, технические и технологические разработки гравиметрических устройств и сейсмоприемников на основе магнитных подвесов"

Актуальность исследования

Упругие измерительные системы гравиметров, градиентометров и сейс-моприемников, при использовании датчиков, преобразуют кинематические величины внешнего воздействия в сигналы, удобные для обработки и визуального восприятия. Сфера применения: гравиметрический и сейсмический методы разведки.

В гравиметрах ускорение силы тяжести преобразуется в перемещение инерциальной массы его упругой системы в том случае, если частота изменений воздействующей силы будет гораздо меньше частоты собственных колебаний инерциальной массы упругой системы. Колебания поверхности Земли с частотой, близкой к частоте собственной, преобразуются в скорость перемещения инерциальной массы. В итоге происходит измерение не ускорения силы тяжести, а скорости приходящей волны, что приводит к грубым инструментальным ошибкам. Избежать этих ошибок можно, или имея гравиметры с упругими системами, настроенными на различную частоту, или -гравиметр с возможностью перестройки частоты. Колебания поверхности Земли с частотой, большей частоты собственной упругой системы, в нелинейных системах приводят к грубым ошибкам измерения, в линейных -инерциальная масса колеблется около положения равновесия и погрешность носит случайный характер, а за отсчет показаний прибора принимаются средние значения, которым стоит доверять.

Задачи научного и производственного характера, решаемые в геологии, геодезии, геофизике, навигации и фундаментальных исследованиях, требуют более точной информации о распределении неоднородностей поля тяготения.

Эти задачи решаются с помощью гравитационных градиентометров, измерительные системы которых состоят из коромысла с разноуровневыми по высоте массами и торсионного подвеса. Большие размеры и масса устройств, возможность обрыва нити, непредсказуемые процессы старения материала нити, длительное время измерений, невысокая механическая чувствительность послужили причиной того, что механические градиентометры в настоящее время не используются в практике геофизических исследований.

Электромагнитные подвесы имеют меньшие геометрические размеры и массу по сравнению с их механическими аналогами, т.к. органично соединяют функции упругой системы и датчика в единой структуре. Разработка гравиметров и градиентометров на основе электромагнитных подвесов, с возможностью перестройки собственной частоты и механической чувствительности, имеющих линейную шкалу и высокую точность измеряемых величин, малые размеры и массу, небольшое время отсчета показаний, является в настоящее время актуальной задачей.

Традиционно используемые в полевых сейсморазведочных работах сейсмоприемники преобразуют отраженные и преломленные волны в частотном диапазоне от 10 до 120 Гц. В последнее время, в связи с развитием новых технологий разведки, возникла потребность исследования условий прохождения в земной коре упругих волн с частотой в пределах 1 Гц, при изучении залегания солей - с волнами до 2-3 кГц. Имеющиеся механические (электродинамические) сейсмоприемники, работающие как в низких, так и в высоких частотах, имеют столь высокую цену, что их применение в полевых работах нерентабельно.

Магнитные подвесы позволяют регулировать жесткость подвеса, обеспечивая тем самым разную частоту собственных колебаний инерциальной массы упругой системы сейсмоприемников. Разработка базовой конструкции сейсмоприемника на основе электромагнитных подвесов, которая явилась бы технологичной и универсальной для изготовления всех групп и типов сейсмоприемников, обладающих, в то же время, повышенной точно стью регистрируемых параметров и одновременно - невысокой стоимостью, является в настоящее время актуальной задачей.

Цель и задачи исследований

Целью исследований является научное обоснование новых направлений существенного улучшения технических, технологических и эксплуатационных свойств гравиинерциальных преобразователей гравиметрических устройств и сейсмоприемников путем полной замены механических упругих элементов их магнитными аналогами.

Реализация поставленной цели потребовала решения многих задач, основными из которых являются:

- анализ технических свойств механических гравиинерциальных преобразователей и разработка математических моделей аналогов на основе магнитных подвесов, способных обеспечить им работу как в гравиметрических приборах, так и в сейсмоприемниках;

- оценка технических и эксплуатационных свойств механических гравиметров и градиентометров и разработка их аналогов с расширенными эксплуатационными возможностями на основе совмещенных электромагнитных подвесов (СЭМП);

- решение технических вопросов разработки высокостабильных электронных цепей СЭМП, в том числе схем для телеметрической передачи сейсмической информации;

- разработка конструкторской документации, технологии и внедрение в серийное производство высокотехнологичных конструкций сейсмоприемников на основе пассивных магнитных подвесов (ПМП). и

•у

Научная новизна

В диссертационной работе впервые:

- предложены способы расчетов линейных магнитных цепей подвесов: аналитический - для конструкций с СЭМП, включающих постоянный магнит и соленоид; графоаналитический - для конструкций ПМП, включающих постоянный магнит и индуктивный датчик;

- разработаны и внедрены в производство конструкции сейсмоприемников на основе ПМП;

-предложена концепция построения многофункциональной конструкции для одновременного измерения первых и вторых производных гравитационного потенциала, сейсмических волн и наклона земной поверхности.

Основные защищаемые положения

ЧЬ механической чувствительностью.

2. Принципы конструирования и способы расчетов магнитных подвесов Ф с использованием магнитов из закритических материалов, удовлетворяющие техническим требованиям к разрабатываемым устройствам.

Научная и практическая значимость работы

Проведенные исследования явились:

Разработанные модели гравиметра, градиентометра и сейсмоприемника на основе совмещенных электромагнитных подвесов (СЭМП) обладают:

- надежностью, благодаря отсутствию механических упругих элементов.

Разработанные и внедренные в производство в Пермской научнопроизводственной приборостроительной компании новые конструкции широкополосных высокочастотных и среднечастотных, вертикальных и горизонтальных сейсмоприемников на основе пассивных магнитных подвесов (ПМП) показали преимущества данных конструкций по сравнению с их механическими аналогами по амплитудно-частотным характеристикам, коэффициенту нелинейных искажений, идентичности, надежности.

Исходный материал и личный вклад автора в решение задач разработки геофизических устройств

Идея использования пондеромоторных сил магнитного поля в конструкциях гравиметров предложена профессором В.М. Новоселицким в 1975 г. (А.С. № 661477). В период с 1978 г. по 1983 г., работая в Камском отделении ВНИГНИ, а в дальнейшем с 1984 г. по 1994 г. в тресте "Пермнефтегеофизика", автор под руководством В.М. Новоселицкого занимался теоретическими и экспериментальными исследованиями создаваемых гравиметрических приборов и сейсмоприемников на магнитных подвесах. Базой для разработки приборов послужили магнитные подвесы, впервые разработанные в России доцентом Пермского государственного университета В.М. Понизовским. С 1985 г. по 1989 г. автор являлся соискателем Института физики Земли Российской академии наук. В 1989 г. защитил кандидатскую диссертацию "Геофизические преобразователи на основе магнитного подвеса". Научными руководителями при подготовке диссертации являлись д.г.-м. наук, профессор В.М. Новоселицкий и д.ф.-м. наук, профессор В.А. Кузиванов.

Реализация результатов

Исследования и разработка гравиметрических устройств и сейсмоприемников в период с 1978 г. по 1994 г. проводились в рамках госбюджетных тем в Камском отделении ВНИГНИ, Пермском политехническом институте, ПО "Пермнефтегеофизика". Разработанные макеты гравиметров и градиентометров проходили лабораторные испытания в ПО "Пермнефтегеофизика", сейсмоприемников- в фирме "Western Atlas International", Хьюстон (США).

В Пермской научно-производственной приборостроительной компании в период с 1995 г. по 2002 г. творческим коллективом, руководимым автором, разработан полный комплект конструкторской документации на серийно выпускаемые сейсмоприемники. Сейсмоприемники изготовлялись по заказам Горного института Уральского отделения РАН (г. Пермь), ЗАО "Архангельскгеолразведка" (г. Новодвинск), ЗАО "Заприкаспийгеофизика" (г. Волгоград). Опытные партии сейсмоприемников прошли успешные испытания в ОАО "Пермнефтегеофизика", в ЗАО "Хантымансийскгеофизика", ЗАО "Герус" и других организациях.

Структура и объем работы

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Петров, Юрий Павлович

Выводы

1. Разработана оригинальная конструкция сейсмоприемника на основе совмещенного электромагнитного подвеса с линейной магнитной цепью. Создана электронная схема подвеса, в которой в качестве первичного датчика служит параметрический резонансный LCR датчик. Исследования конструкции сейсмоприемника показали следующие характеристики: регулировка коэффициента обратной связи электронной цепи устанавливает собственную частоту колебаний левитирующего тела от 1 Гц до 60 Гц; возможность иметь относительную точность установки частоты ±6• 10~б. 5-Ю-4, что практически недостижимо для механических систем; высокий коэффициент электромеханического преобразования - 1,4-104 В/м/с, превышающий аналогичный коэффициент у GS-20DX в 3,5 • 10 раз; низкий уровень шумов.

2. Разработан макет трехкомпонентного самоориентирующегося по магнитному меридиану сейсмоприемника на основе совмещенного электромагнитного подвеса. Точность установки по меридиану ±2-10~4 рад.

3. Разработана высокостабильная электронная аппаратура, обеспечивающая автономность работы сейсмоприемника на СЭМП и передачу информации через электромагнитный канал связи.

4. Предложен способ определения местоположения забоя скважины на основе резонансных свойств трехкомпонентных сейсмоприемников.

5. Разработана концепция многофункциональной конструкции на основе СЭМП, позволяющая проводить мониторинговые работы по одновременному определению параметров гравитационного поля и сейсмических колебаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Теоретические и экспериментальные исследования свойств гравии-нерционных преобразователей на основе механических упругих измерительных систем показали, что одним из перспективных направлений их совершенствования является замена механических элементов магнитными аналогами на основе измерительных магнитных подвесов (ИМП). ИМП объединяют упругую систему и датчик в единую структуру и обеспечивают формирование инвариантной зависимости измеряемых кинематических величин от информационных параметров. Сравнительный анализ магниторезонансных, электростатических резонансных и совмещенных электромагнитных подвесов показал, что наименьшими инструментальными погрешностями при измерении кинематических величин обладает совмещенный электромагнитный подвес с использованием магнитов из закритических материалов, обеспечивающих подвесу высокую стабильность.

- разработана математическая модель силовых взаимодействий элементов магнитной цепи;

- исследованы причины основных инструментальных погрешностей совмещенных электромагнитных подвесов и разработаны методы их компенсации;

3. Созданы измерительные электромагнитные подвесы на основе совмещенных электромагнитных подвесов и разработаны образцы гравиметров, градиентометров и сейсмоприемников. Экспериментальные исследования разработанных устройств подтвердили обоснованность математических моделей и показали следующие положительные качества:

- в гравиметрах и градиентометрах: высокую механическую чувствительность и широкий диапазон измеряемых значений кинематических величин при одновременном уменьшении, в сравнении с механическими аналогами, размеров и массы; регулировку в больших пределах частоты собственных колебаний инерциальной массы, которая может быть использована в гравиметрах для уменьшения внешних возмущающих моментов, действующих с определенной частотой на измерительную систему прибора, и востребовано в градиентометрах - для регистрации сейсмических волн низкой частоты; технологичность конструкции механической части перспективной модели гравиметра, позволяющей арретировать инерциальный элемент подвеса, в том числе в градиентометрах - для арретирования коромысла; надежность в эксплуатации, благодаря отсутствию механических упругих измерительных элементов;

4. Создан оригинальный способ расчета основных технических характеристик магнитоэлектрического преобразователя сейсмоприемника с нелинейным распределением индукции магнитного поля в рабочем зазоре за счет усовершенствования способа расчета электродинамических преобразователей с линейным распределением индукции. Он позволил для сейсмоприемников на пассивных магнитных подвесах (ПМП) с использованием магнитов из закритических материалов:

- обеспечить линейность магнитной цепи ПМП;

- рассчитать степень затухания каркасной и бескаркасной катушек;

7. Обобщение теоретических и экспериментальных исследований конструкций на базе совмещенного электромагнитного подвеса позволило разработать модель многофункционального геофизического устройства, которое может быть использовано для проведения мониторинговых работ при прогнозе землетрясений, подсчете запасов нефти и газа в продуктохранилищах.

Полученные результаты позволяют расширить область применения магнитных подвесов в геофизических устройствах, что, в свою очередь повысит точность поисковых и разведочных геофизических работ по поиску нефти, газа и других полезных ископаемых.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Петров, Юрий Павлович, Пермь

1. Агейкин Д.И. и др. Руководство по проектированию элементов автоматики. М.: Оборонгиз, 1957. Вып.1. 136 с.

2. Андреев А.Г., Ермаков B.C., Петров Ю.П. Построение перспективного класса сейсмоприемников на основе бесконтактных подвесов // Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика. № 11. М.: Науч-техлитиздат, 2000. С. 46-49.

3. Аркадьев В.К. Электромагнитные процессы в металлах. М.: ОНТИ, 1935.320 с.

4. Барфут Ж., Тейлор Дж. Полярные диэлектрики. М.: Мир, 1981. 526 с.

5. Белов К.П. Электронные процессы в ферритах. М.: Изд-во МГУ, 1996. 103 с.

6. Бугров Я. С., Никольский С.М. Элементы линейной алгебры и аналитической геометрии. М.: Наука, 1980. С. 66-69.

7. Быков М.А. Электрическое экранирование и заземление электроизмерительных схем // Измерительная техника. 1956. № 6. С. 23-26.

8. А.С. 1073735 СССР, МКИ G 01 V 7/02. Скважинный гравиметр / Ново-селицкий В.М., Чадаев М.С., Петров Ю.П., Козлов С.М. // Открытия. Изобретения. № 6. 1984. С. 163.

9. А.С. 1115002 СССР, МКИ G 01 V 7/10. Гравитационный вариометр / Гриднев Д.Г., Кузиванов В.А., Науменко-Бондаренко И.И., Новоселиц-кий В.М., Петров Ю.П., Смирнов Ю.Н., Фунтиков А.Г., Чадаев М.С. // Открытия. Изобретения. № 35. 1984. С. 124.

10. А.С. 1362293 СССР, МКИ G 01 V 7/02. Крутильные весы второго рода / Петров Ю.П., Новоселицкий В.М., Чадаев М.С. // Открытия. Изобретения. № 47. 1987. С. 252.

11. А.С. 1403822 СССР, МКИ G 01 V 7/00. Устройство для измерения вторых производных гравитационного потенциала / Петров Ю.П., Тимо-хов А.В., Нечаев С А, Рочев С.С. Новоселицкий В.М. Чадаев М.С. // Открытия. Изобретения. № 22. 1988. С. 271.

12. А.С. 1415930 СССР, МКИ G 01 V 7/02. Устройство для измерения силы тяжести / Петров Ю.П., Рочев С.С., Новоселицкий В.М., Чадаев М.С. // Открытия. Изобретения. № 29. 1988. С. 245.

13. А.С. 1418566 СССР, МКИ G 01 С 9/12. Устройство для измерения величины и направления угла наклона объекта / Рочев С.С., Петров Ю.П., Пальчик В.Я. // Открытия. Изобретения. № 31. 1988. С. 167.

14. А.С. 1436079 СССР, МКИ G 01 V 1/16. Сейсмоприемник / Петров Ю.П., Мифтахутдинов Р.К., Новоселицкий В.М., Орлов Л.К., Петрова Л.С., Рочев С.С. // Открытия. Изобретения. № 41. 1988. С. 186.

15. А.С. 1698865 СССР, МКИ G 01 V 1/40. Способ определения местоположения забоя скважины / Петров Ю.П., Семенов Б.А. // Открытия. Изобретения. № 46. 1991. С. 198.

16. Вейнберг Б.П. Лед. М.; Л.: Гос. изд-во. технико-теоретич. лит, 1940. 524 с.

17. Веселое К.Е, Сагитов М.У. Гравиметрическая разведка. М.: Недра, 1968.512 с.

18. Волин M.JI. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Сов. радио, 1972. 208 с.

19. Вольфсон Г.Б. Состояние и перспективы развития гравитационной гра-диентометрии // Применение гравиинерциальных технологий в геофизике. СПб., 2002. С. 90-105.

20. Вольфсон Г.Б., Евстифеев М.И., Розенцвейн В.Г., Семенова М.П., и др. Новое поколение гравитационных вариометров для геофизических исследований // Применение гравиинерциальных технологий в геофизике. СПб., 2002. С. 122-135.

21. Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1984. 208 с.

22. Вышков Ю.Д., Иванов В.И. Магнитные опоры, в автоматике. М.: Энергия, 1978. 161 с.

23. Глаголевский Б.А., Пивен И.Д. Электротензометры сопротивления. Л.: Гос. изд-во. технико-теоретич. лит., 1972. 2-е изд. 272 с.

Информация о работе

Петров, Юрий Павлович
доктора технических наук
Пермь, 2005
ВАК 25.00.10

Диссертация

Теоретические, технические и технологические разработки гравиметрических устройств и сейсмоприемников на основе магнитных подвесов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы