Сейсмометрическое устройство

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСН ИХРЕСПУБЛИК ИСАНИТОРСНОМ Е ИЗОБРЕТЕНИЯ ДЕТЕЛЬСТВУ(57) Изческой вано исследо расшире метриче чения ди франизк нению п чаются ливходамронизатпрямоугсы, котпо входук входам 00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ЙСМОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО обретение относится к технифиэике и может быть испольэо я морских сейсмологических ваний. Цель изобретения - ние области применения сейсм ского устройства путем увели намическа,о диапазона на иних частотах. Благодаря выпол рерывателя резисторы подклюбо к общей шине, либо к парафазных усилителей. Синхор вырабатывает на выходе ольные электрические импульорые поочередно подключаютчерез мультиплексор и фильт регистрирующего канала. 80127874(я) 4 С О 1 У 1 22 Функцией фильтра является сглаживание высокочастотной составляющей коммутационных помех, вносимых мультиплексором. Таким образом, при наличии периодической коррекции нулевыхуровней усилителей осуществляетсянепрерывная регистрация сейсмосигнала от пьезоэлектрических или пье"эорезистивных первичных приемниковс симметричными выходом в инфранизкочастотном диапазоне и по постоянному току, Это достигается сочетанием режима временного мультиплексирования аналоговых сигналовс прерывистой синхронной периодической подстройкой нулевых уровнейусилителей по постоянному току активными компенсационными каналамипараллельного типа по дополнительнойпаре входов парафаэного усилителяпри неотключаемой цепи обратной передачи типа мостового согласованно-го четырехполюсника. Весь тракт передачи сигнала от первичного приемни"ка до регистратора не имеет частотноразделительных реактивностейи позво-,ляет расширить область применения с выр сокой разрешающей способностью вплотьдо нулевых частот. 2 э,п. ф-лы, 2 ил.10 Изобретение относится к технической физике и может быть преимушественно использовано цля морских сейсмологических исследований, а такжеможет найти применение в аппаратуре для тенэометрии и гидрофиэических исследований.Современный уровень техническихсредств для сейсмометрии позволяетпринимать по гидроканалу слабыесейсмосигналы от искусственных ис точников зондирования в частотном диапазоне с нижней границей 2,5-5 Гц.Усилительные тракты соответствующей сейсмоиетрической аппаратурыстроятся для повышения помехозащищенности и расширения динамическогодиапазона по схемам дифференциальных усилителей переменного тока сразделительными конденсаторами или.сейсмотрансформаторами, что позволя"ет не усиливать смещения нулевогоуровня усилительных каскадов по постоянному току и ограничивает нижнюю границу частотного диапазона.В то же время задача построениятелеметрической аппаратуры для про"гнозирования низкочастотных волн отестественных источников, например,типа цунами, или для непрерывныхсейсмологических наблюдений требует расширения нижней границы частотного диапазона до десятых и сотыхдолей герца, а иногда и вплоть дрнулевых частот (телеметрия гидростатического фона давлений и сопутствующих гидрофизических параметров).Это может быть технически реализовано только в дифференциальньгк усилительных трактах постоянного тока,но при этом наряду с полезным сигналом неизбежно усиливаются начальныенапряжения каскадов с их тепловымии временными дрейфами, частотнонеотделимые от слабых полезных сигналов и превышающие их по величине,Тем самым резко ограничивается динамический диапазон сейсмометрических устройств в инфранизкочастотнойобласти.Цель изобретения - расширение области применения сейсмометрическсгоустройства путем увеличения динамического диапазона на инфраниэкихчастотах,На фнг. 1 .приведена структурнаясхема предлагаемого сейсмометрического устройстпа; на фиг. 2 - фрагмент схемы, поясняющий выполнение ее основных узлов.Сейсмометрическое устройство(фиг. 1) содержит по меньшей мереодин первичный приемник 1 сигнала с симметричным выходом, по меньшеймере две пары резисторов 2 прямой передачи сигнала, по меньшей мере два симметричных четырехполюсника,каждый из которых выполнен в виде па" рафаэного усилителя 3 постоян"ного тока, охваченного по каждойпаре основных входов 4 и 5 и выходов6 и 7 двумя цепями отрицательной об"ратной связи в виде резисторов обратной передачи, разделенных на две час"ти 8 и 9, между которыми включен резистивный двухполюсник 10, а такжепо меньшей мере один регистрирующийканал 11, между входом которого ивыходами 6 и 7 усилителей 3 включено последовательное соединение мультиплексора 12 и фильтра 13 нижних частот. Первичный приемник 1 может бытьвыполнен в виде двухполюсного изолированного пьезоэлектрического датчика или в виде мостового датчикана основе пьеэо" или тенэорезисторов.Сейсморегистрирующий канал 11 может быть выполнен, например, э видеизвестного последовательного соединения устройства выборки - хранения,кодирующего преобразователя, линиипередачи и цифрового накопителя намагнитном носителе. Мультиплексор 12в простейшем случае представляет собой двойной двухпозиционный электронный ключ, а фильтр 13 выполняетсяпо любой из известных схем апериоди- ,ческих активных фильтров на основеоперационного усилителя. Мультиплексор 12 снабжен сигнальными входами14 и 17, а также управляющим входом 18,1Кроме того, схема содержит поменьшей мере четыре прерывателя 19сигнала, которые включены своимисигнальными входами и выходами междусоответствующими основными входаии И,усилителей 3 и резисторами 2 прямойпередачи сигнала, а попарно объединенными управляющими входами - кпервому 20 и второму 21 выходам синхронизатора 22, третий выход 23 которого подключен к управляющему входу 18 мультиплексора 12.Каждый парафаэный усилитель снабжен дополнительными входами 24 и 25, 1278740которые соединены с соответствующимивыходами 6 и 7 через канал 26 периодической компенсации нулевого уровня. Стробирующие входы упомянутыхканалов 26 попарно соединены и,подключены к соответствующим выходам 20и 21 синхронизатора 22,Карый парафазный усилитель 3 выполнен (фиг. 2), например, в видедвух операционных усилителей 27, инвертирующие входы которых служатосновными входами 4 и 5, а неинвертирующие входы " дополнительными входами 24 и 25 усилителя 3, Каждый канал 26 периодической компенсациинулевого уровня выполнен в видепоследовательного соединения аналогового усилителя инвертора 28, входкоторого служит входом канала 26 и20аналогового запоминающего устройства 29, выход которого служит выходом канала 26, усилитель - инвертор28 выполнен по известной схеме операционного усилителя 30, охваченногоцепью отрицательной обратной связичерез резисторы 31 и 32, а аналоговое запоминающее устройство 29 - поодной из известных схем выборки-хранения на основе запоминающего конденсатора и ключа или на основе известных микросхем серии 1100. Стробирующие входы каналов 26 подключены (фиг. 2) к первому выходу 20 синхронизатора 22.Каждый прерыватель 19 выполнен ввиде трехполюсника, между входом ивыходом которого включен первый электронный ключ 33, между входом и общей шиной - второй электронный ключ34, а между выходом и нулевой шиной - третий электронный ключ 35.Электронные ключи могут быть выполнены в виде соответствующих микросхем серии 564, Управляющие входыключей 34 и 35 соединены, а точка ихсоединения служит, управляющим входомпрерывателя и подключена к управляющему входу ключа 33 через логический инвертор 36 (либо к инверсномуэквиваленту выхода 20). Подобное по 50строение коммутатора обеспечиваетпри замыкании ключей 34 и 35 двухсторонне низкое выходное сопротивление прерывателя по входу и выходу,развязанным через большое сопротив 55ление разомкнутого ключа 33. Синхронизатор 22 может быть выполнен поизвестной структуре последовательного соединения накопительного счетчика и дешифратора его состояний, реализуемой на микросхемах серии 564.Состав сейсмоприемного устройства . на фиг, 1 представлен в минимальной совокупности признаков для обработки сигнала от одного первичного приемника, т.е. в однокальном варианте, Для и первичных приемников количество структурных узлов, предшествующих регистрирующему каналу 11 должно быть увеличено в п раз, а блок снабжается соответствующим мультиплексором каналов, к входам которого подключаются усилительные структуры (фиг. 1), а мультиплексор каналов и его логика выполняются по известным принципам временного уплотнения кана" лов и реализуются, например, на микросхемах серий 564, 504 и других.Сейсмометрическое устройство работает следующим образом.Благодаря выполнению прерывателя 19 (фиг. 2) резисторы 2 подключаются либо к общей шине (нулевому потенциалу), либо к входам 4 и 5 парафазных усилителей 3, находищимся при наличии резистивной цепи обратной передачи (8-10) под квазинуле,вым потенциалом. Поэтому оба выхода первичного приемника 1 сигнала находятся при любых состояниях прерывателей 19 под одинаковыми токовыми и резистивными нагрузками, что не приводит к нагрузочным дисбалансам приемника 1 при изменении состояния прерывателей 19. Синхронизатор 22 вырабатывает на выходе 23 поток прямоугольных электрических импульсов со скважностью с 1=2, кото-рые гоочередно подключают по входу 18 через мультиплексор 12 и фильтр 13 к входам регистрирующего канала 11 выходы 6 и 7 то одного, до другого усилителей 3. Функцией фильтра 12 является сглаживание высокочастотной составляющей коммутационных помех, вносимых мультиплексором 12 и практически не искажающих спектр полезного сигнала и в инфранизкочастотной и низкочастотной областях. На выходах 20 и 21 синхронизатор 22 вырабатывает 2 кратковременных (до 50 мкс) электрических импульса за один период коммутирующего сигнала на выходе 23, причем таким образом, что когда через мультиплексор 12 передаются сигналы с его входов16 и 17 (фиг. 1), импульс вырабатывается на выходе 20, а когда через мультиплексор 12 передаются сигналы с,его входов 14 и 15, импульс вырабатывается на выходе 21.5Каждый иэ импульсов с выходов 20 и 21 кратковременно прерывает подачу сигнала от приемника 1 на соответствующий усилитель 3 и переводит последний,посредством включения пары ,каналов 26 компенсации в режим из+ мерения текущего значения приведен-, ного напряжения смещения нулевого уровня. За счет временного уплотнения сигналов усилителей 3 посредством мультиплексора озидаемый сиг" нал отключенного усилителя 3 копируется на выходе фильтра 13, т.е. .непрерывно поступает на регистра" цию в канал 11Измерение и запоминание приведенного сигнала нулевого уровня усилителя 3 осуществляется следующим образом. При выключении прерывате" ля 19 происходит отключение от первичного приемника, а усилитель 3оказывается охваченным цепью отрицательной обратной связи через малоевыходное сопротивление открытогоключа 55 и цень обратной передачи8-10 о входам 4 и 5, а такзе вто. рой цепью отрицательной обратной связи,через канал 26 периодической компенсации по входам 24 и 25. Действиевторой цепи отрицательной обратной35связи существенно доминирует вследствие того, что выходное сопротивление ключа 35 значительно меньше,сопротивлений резисторов 8 и 9. Поэтому практически полностью исключается взаимное влияние выходов 6 и 7друг на друга через резистор 10; необходимое при пропускании полезногосигила для резекции синфазного сигнала приемника 1 по постоянному току, и для операционных усилителй 27возможно практически раздельное измерение напряжений приведенного смещения нуля посредством каналов 2650без отключения общей цепи обратнойпередачи 8-10. Прн включении стробирующим сигналом соответствующегоаналогового запоминающего устройства 29 на отслеживание (выборку) навходе 24 (или 25) выбаратывается55Фнапряжение ф см приведенного смещения нуля соответствующего операционного усилителя Э 7; причем усилитель 28, обеспечивая режим отрицательнгй обратной связи, увеличивает своим усилением точность выработки 6 см в условиях неотключаемой цепи обратной передачи 8-10, По окончании стробирующего сигнала запоминающее устройство 29 хранит запомненный сигнал, компенсирует собственное е см усилителей 27 и позволяет осуществить усиление полезного сигнала без соответствующего усиления 6 см.Совокупность отличительных признаков позволяет прщ наличии периодической коррекции нулевых уровней усилителей осуществить непрерывную регистрацию сейсмосигнапа от пьеэо" электрических или пьезорезистивнцх первичных приемников с симметричным выходом в инфранизкочастотном,диапазоне и по постоянному току. Это достигается укаэанным сочетанием резима временного мультиплексирования аналоговых сигналов с прерывистой синхронной периодической подстройкой нулевых уровней усилителей.по постоянному току активными компенсацион-ными каналами параллельного типа по дополнительной паре входов парафаэного усилителя при неотключаемой цепи обратной передачи типа мостоного. согласованного четырехполюсни" ка,(8-10). Весь тракт передачи сигнала от первичного приемника до регистратора ие имеет частотнораэделнтельных реактивностей и позволяет расширить область применения с вц" сокой разрешающей способностью (большим динамическим диапазоном) вплоть до нулевых частот, т.е. беэ ограничений на тип первичного приемника с симметричным выходом.Предлагаемое устройство реализуется для диапазона полезного сигнала 02000 Гц с динамическим диапазо- . ном в одноступенном парафазном усилении не менее 60 дБ, достигаемое подавление сигнала смещения нуля усилителей составляет не менее 95 дВ. Верхний предел частоты входного сигнала зависит только от частотных свойств усилителей 27 и 30 и мультиплексора 12.формула изобретения1. Сейсмометрическое устройство,содержащее по меньшей мере один пер"вичный приемник сигнала с симметрич 1178кым выходом, по меньшей мере днгпары резисторов прямой передачи сигнала, по меньшей мере дна симметричных четырехпогпосника, каждый из,которых выполнен в виде парафаэного усит 5лителя постоянного тока, охваченногопо каждой паре основного входа и выхода цепью отрицательной обратной связи н виде резисторов обратной передачи,разделенных на две части, между котоОрыми включен двухполюсник, а также по меньшей мере один регистрирующий . канал, вход которого электрическисвязан с выходами каждого четырехполюсника, причем первые выводы каждой пары резисторов прямой передачиэлектрически связаны со входами соответствующего четырехполюсника, авторые выводы одной пары резисторовпрямой передачи подключены к выводам 20симметричного выхода первичного приемника, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью расширения областиприменения путем увеличения динами. ческого диапазона на инфранизких частотах, оно содержит по меньшей меречетыре прерывателя сигнала, мультиплексор, фильтр нижних частот исинхронизатор, а каждый двухполюсниквыполнен в виде резистора, каждый па-ЗОрафаэный усилитель снабжен двумя каналами периодической компенсациинулевого уровня, каждый нз которыхвключен между выходом парафазногоусилителя и его соответствующим дополннтельным входом, при этом электрическая связь выходов четырехполюс.ника с входом регистрирующего канала выполнена через последовательноесоединение мультиплексора и фильтра 40посредством подключения сигнальныхвходов мультиплексора к выходамчетырехполюсников, выхода фильтра -к входу регистрирующего канала, аэлектрическая связь первого вывода 45каждого резистора прямой передачи ссоответствующим входом четырехполюскккк кьпилкек, чероэ ттрерьк 1 кт чь, первые выводы другой пары резисторов прямой передачи подключены к соответствующим выводам первичного приемника, а управляющие выводы первого и второго прерынателей соединены со стробирующими входами одной пары каналов компенсации и подключены к первому выходу синхронизатора, управляющие входы третьего и четвертого прерывателей соединены со стробирующими входами другой пары каналов компенсации и подключены к в 1 орому выходу синхронизатора, третий выход которого подключен к управляющему входу мультиплексора.2. Устройство по п,1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что каждый парафазный усилитель выполнен в ниде двух операционных усилителей, инвертирующие и неинвертирующие вхо-. ды которых соответственно служат основными и дополнительными входами парафазного усилителя, а каждый канал периодической компенсации выполнен в виде последовательного соединения аналогового усилителя инвертора, вход которого служит входом канала, и аналогового запоминающего устройства, выход которого служит выходом канала компенсации. 3. Устройство по пп. и 2, о т - л и ч а ю щ е е с я тем, что каж-. дый прерыватель сигнала выполнен н виде трехполюсннка, между входом и выходом которого включен первый электронный ключ, между входом и общей шиной - второй электронный ключ, между выходом и,общей шиной- третий электронный ключ, причем управляющие входы второго н третьего ключей соединены, а точка их соединения служит управляющим входом прерывателя и подключена к управляющему входу первого ключа через логический иннертор.аказ 6830/42ВНИК 2 енног етении Рауш 1303 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Тираж Госудерст делам изоб осква, Ж-З Подписноекомитета СССРи открытийкая наб., д. 4/5