КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УГЛОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности кондуктометрическим датчикам, и может быть использовано при сейсмических исследованиях, измерении углов смещения, ориентации поворота и динамических наклонов.

Как известно, положение тела в пространстве определяется шестью степенями свободы. При этом три степени свободы обусловлены поступательным движением, а три другие - вращательным движением.

В настоящее время для сейсмических исследований в основном используются приборы инерционного действия. С помощью одиночного прибора инерционного действия невозможно определить, какой вид воздействия регистрируется: поступательное или вращательное.

Для разделения этих видов воздействия (которые, кстати, характеризуют тип регистрируемой волны: продольная, поперечная и др.) используется группирование нескольких приборов инерционного действия. Это приводит к необходимости применения одновременно по крайней мере трех датчиков, ориентированных по трем взаимно перпендикулярным осям с соответствующим осложнением математической обработки зарегистрированных сигналов, характеризующих упругие колебания.

Известен, в частности, кондуктометрический детектор (US, патент N 3469441 G 01 N 27/02, 1969), представляющий собой макроскопически однородное литое тело из органического полимера, содержащего сопряженные ковалентные связи, которые обеспечивают электронный тип проводимости тела. Тело при воздействии внешнего давления изменяет свою электропроводность. Для измерения изменения электропроводности тело содержит два измерительных электрода, подключенных к блоку измерений. Недостатками данного детектора следует признать низкую точность, связанную с большим временем релаксации, а также невозможность выделения колебаний одной ориентации.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения следует признать кондуктометрический датчик регистрации колебаний (RU, патент N 2055352 G 01 N 27/02, 1996), представляющий собой защитный кожух, в котором жестко закреплен чувствительный элемент. Чувствительный элемент выполнен в виде полого, преимущественно цилиндрического, корпуса, выполненного из химически стойкого диэлектрического материала, герметически закрытого с обоих торцов упругими мембранами, выполненными из химически стойкого эластичного полимера. В корпусе выполнены две полости, на которых закреплены упругие мембраны. Полости соединены каналом. В канале расположены перпендикулярно поверхности мембран и параллельно оси чувствительности датчика два перфорированных измерительных электрода, охваченные с обеих сторон двумя перфорированными противоэлектродами, причем все электроды полностью перекрывают сечение канала. Полости и канал заполнены токопроводящей жидкостью (электролитом). Пространства защитного корпуса над мембранами соединены каналом, обеспечивающим в процессе измерения колебаний выравнивание давления в надмембранных полостях. В процессе измерения колебаний все электроды подключают к блоку регистрации. В отсутствие колебаний через электролит между измерительными электродами (катодами) и противоэлектродами (анодами) течет фоновый ток, регистрируемый блоком регистрации. При возникновении внешних колебаний, воздействующих на упругие мембраны, происходят колебания корпуса датчика с электродами относительно неподвижного электролита, которые приводят к изменению концентрации электроактивного вещества в межэлектродном пространстве. В связи с этим изменяется электрическое сопротивление электролита в межэлектродном пространстве и в фоновом токе возникает переменная составляющая, частота которой соответствует частоте внешних колебаний, а амплитуда пропорциональна амплитуде внешнего воздействия. Эта переменная составляющая и является информационным сигналом, который усиливается по стандартной схеме и поступает в блок регистрации. Такой датчик регистрирует как линейные, так и угловые колебания в инфразвуковом и звуковом диапазонах частот, но с его помощью невозможно определить, какие именно колебания регистрируются.

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в разработке кондуктометрического датчика, позволяющего предпочтительно регистрировать угловые колебания.

Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, состоит в обеспечении возможности регистрации угловых колебаний с использованием только одного датчика, что упростит как аппаратурное оформление исследований, так и математическую обработку информационного сигнала.

Указанная задача достигается тем, что устройство, содержащее защитный кожух, в котором расположен чувствительный элемент в виде корпуса, выполненного из химически стойкого диэлектрического материала, имеющего сквозной канал, в котором перпендикулярно оси канала расположены выполненные из химически стойкого электропроводящего материала и соединенные с блоком регистрации два перфорированных измерительных электрода и два охватывающих их перфорированных противоэлектрода, причем на концах канала расположены две полости, у которых наружные стороны замкнуты трубкой, расстояние между концами которой выбрано минимальным, а длина которой выбрана максимальной, исходя из свободного внутреннего объема кожуха. Канал с перфорированными электродами, обе полости и соединяющая их трубка могут быть заполнены токопроводящей жидкостью, при этом оказывается возможным измерять постоянные угловые скорости. Наружные стороны полостей могут быть закрыты с обеих сторон эластичными мембранами, благодаря чему можно измерять колебательные вращения в инфразвуковой области частот, при этом трубка, соединяющая наружные стороны полостей, может быть заполнена любой нетокопроводящей жидкостью или газом, что позволяет в широком диапазоне изменять чувствительность устройства. Трубка может быть свернута в виде спирали или любой другой формы.

Изобретение иллюстрировано чертежом, на котором приняты следующие обозначения: корпус 1 с каналом 2, в котором расположены два перфорированных измерительных электрода 3, охваченные снаружи двумя перфорированными противоэлектродами 4 и подключенные к блоку регистрации 5, в качестве которого использован компьютер или магнитофон. На концах канала имеются две полости 6, закрытые мембранами 7, к мембранам прижаты концы трубки 8. При этом полости и канал с электродами заполнены токопроводящей жидкостью (электролитом) 9, а трубка заполнена любой нетокопроводящей жидкостью 10. Корпус 1 и трубка 8 помещены в закрытый кожух 11. В случае отсутствия мембран, полости канал и трубка заполнены токопроводящей жидкостью (электролитом).

Рассмотрим работу датчика в режиме регистрации угловых колебательных ускорений. Защитный кожух устанавливается таким образом, чтобы его плоскость находилась в плоскости, в которой необходимо измерять угловые колебательные ускорения. Измерительные электроды 3 и противоэлектроды 4 подключают к блоку регистрации 5, в качестве которого использован, например, магнитофон. В качестве электролита может быть использован водный раствор иодистого калия с небольшой добавкой иода. Датчик устанавливается на исследуемой поверхности и ориентируется соответствующим образом.

В отсутствие внешних угловых воздействий через датчик течет фоновый ток. При возникновении угловых колебательных ускорений кожух 11 совершает колебательные движения относительного исходного состояния. При этом, благодаря силам инерции, электролит 9 сохраняет свое положение неизменным. В результате этого происходят колебательные перемещения электродов относительно неподвижного электролита, которые приводят к изменениям электрического сопротивления в приэлектродной области, в связи с чем происходят соответствующие изменения фонового тока. Эти изменения и являются количественной оценкой действующего колебательного ускорения.

Датчик может быть использован для измерения угловых колебаний в инфразвуковом и звуковом диапазонах частот, определения динамических углов наклона платформ (в частности, буровых), а также для измерения угловых скоростей вращающихся объектов.