способ и устройство для выявления структурных изменений в твердых телах

Формула изобретения

Измерительное устройство для выявления структурных изменений в твердых телах, в котором изменения электрического поля регистрируют с помощью одного или нескольких электропроводящих датчиков, усиливают в электронной схеме и затем обрабатывают и регистрируют в блоке оценки, отличающееся тем, что каждый датчик состоит по меньшей мере из двух элементов, изолированных друг от друга, при этом первый элемент имеет плоскостную конструкцию с размерами, превышающими размеры второго элемента, причем первый элемент расположен на поверхности измеряемого объекта в непосредственной близости от второго элемента, второй элемент размещен в полости в теле, предназначенном для измерений и изолированном от него, а электронная схема для усиления разности потенциалов между указанными элементами также расположена в полости в теле, предназначенном для измерений.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый элемент датчика находится в гальваническом контакте с телом, предназначенным для измерений.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что первый элемент датчика содержит несколько отдельно установленных частей, электрически соединенных между собой.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что электронная схема по меньшей мере частично окружена одним из элементов датчика для экранирования помех.

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что первый элемент датчика содержит плоскостной металлический электрод с цилиндрическим элементом, вставленным в имеющий форму стакана второй элемент датчика и охватывающим электронную схему.

6. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что электронная схема содержит по меньшей мере один частотный фильтр.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что частотные фильтры имеют полосу пропускания в диапазоне 0,1 - 100,0 Гц.

8. Способ выявления структурных изменений в твердых телах, основанный на использовании измерительного устройства по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что регистрируют изменения потенциала в полости вблизи поверхности тела, предназначенного для измерений, относительно опорного потенциала на поверхности тела, предназначенного для измерений.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что электрические сигналы в диапазоне частот 0,1 - 100,0 Гц используют для прогнозирования землетрясений.

10. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что зарегистрированные электрические сигналы преобразуют в оптические сигналы и передают по оптиковолоконным кабелям.

11. Способ по одному из пп.8-10, отличающийся тем, что одновременно осуществляют измерение в различных точках тела, предназначенного для измерений, с использованием нескольких измерительных систем по одному или нескольким пп.1-7.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что для оценки используют разности интенсивностей и/или фазовые отношения между сигналами, зарегистрированными разными измерительными устройствами.

13. Способ по одному из пп.8-12, отличающийся тем, что зарегистрированные сигналы преобразуют в цифровую форму и обрабатывают в процессоре.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для выявления структурных изменений в твердых телах, основанных на выявлении изменений напряженности электрического поля, вызываемых изменениями нагрузки, механическими напряжениями и т.п. материала. Описанный способ и соответствующее измерительное устройство в особенности удобны для регистрации изменений электрического поля Земли и могут, таким образом, быть использованы для прогнозирования или оценки вулканической деятельности или землетрясений.

Известно, что в случае изменения нагрузки и возникновения внутренних механических напряжений, твердые тела, состоящие из непроводящих или обладающих низкой проводимостью материалов, генерируют изменения электрического поля в окружающей среде, которые могут быть зарегистрированы чувствительными измерительными устройствами. Эти механически напряжения часто бывают связаны с возникновением в теле трещин или разрушений. Таким образом, путем регистрации изменений поля можно получить информацию, касающуюся структурных изменений, таких как усталость материала, деформация или образование трещин. Необходимо принять специальные меры для подавления помех, которые генерируют, например, сеть питания или передающие станции, поскольку имеющие место изменения поля обладают очень низкой интенсивностью.

В заявке Германии DE OS 4004170 описаны способ и измерительное устройство для контроля возникновения или распространения в материалах разрушений или трещин. Проводящие элементы датчика в различных вариантах выполнения, пригодные для целей выполнения указанных измерений, предназначены для выявления изменений электрического поля. Сигналы, которые генерируют датчики, усиливаются в отдельной электронной схеме и затем регистрируются записывающим блоком. Для снижения электрических помех предусмотрены различные полосовые фильтры. В качестве нижней предельной частоты установлена частота 100 кГц. Сигналы с более низкой частотой полностью подавляются в этом устройстве, и поэтому регистрируются и оцениваются только сигналы относительно высокой частоты.

Другой способ и устройство, специально предназначенные для измерения электромагнитных волн, генерируемых механическими напряжениями в мантии Земли, описаны в патенте США N 4837582. В этом способе металлический проводящий датчик вводится глубоко в землю (примерно на 1000 м) в качестве антенны. Длина датчика настроена на 1/4 длины волн, генерируемой в геоэлектрическом поле в диапазоне частот около 3 кГц. В результате такого размещения устройства антенна оптимально принимает только узкий диапазон частот, а низкочастотные помехи, возникающие на поверхности Земли, достигают глубоко погруженного датчика в ослабленной форме.

В Европейском патенте N 0067924 также описан способ прогнозирования землетрясений. Для регистрации используется датчик из двух идентичных металлических электродов, гальванически погруженных в грунт на расстоянии приблизительно 100 м. Электронные фильтры подавляют помехи таким образом, что регистрируются и усиливаются только сигналы чрезвычайно низкой частоты, в диапазоне ниже 2 Гц.

Из описанного уровня техники ясно, что важной проблемой при выявлении электрических сигналов, генерируемых механическими напряжениями, является эффективное подавление помех. Основывыясь на достигнутом уровне техники, задача настоящего изобретения заключается в создании усовершенствованного способа и устройства для регистрации структурных изменений в твердых телах.

Эта задача решается, в соответствии с настоящим изобретением и формулой изобретения, новой конструкцией датчика который, с одной стороны благодаря своей конструкции и с другой стороны благодаря выполнению электронных компонентов, обеспечивает высокую степень усиления принятых сигналов, при одновременном сохранении весьма низкого уровня помехи. Для этой цели датчик содержит по меньшей мере два различных элемента, изготовленных из проводящего материала, Один элемент покрывает значительную площадь и устанавливается на поверхности или рядом с измеряемым объектом. Второй элемент, меньших размеров чем первый, устанавливается в полости тела, предназначенного для измерений, будучи при этом электроизолированным от него. Первый элемент датчика больших размеров служит опорным электродом, т.е. все изменения потенциала в меньшем электроде датчика усиливаются и регистрируются относительно потенциала более крупного электрода. Выделение полезного сигнала из помех может также быть обеспечено путем установки электронной схемы усиления в полости тела, предназначенного для измерений.

Дальнейшие варианты выполнения и особенности изобретения будут описаны со ссылкой на приведенные ниже примеры реализации изобретения и на чертежи.

На чертежах показаны:

на фиг. 1 - схематическое изображение датчика, являющегося предметом настоящего изобретения,

на фиг. 2 - вариант выполнения датчика с экранирующим эффектом,

на фиг. 3 - установка в элементе датчика усилительной электронной схемы,

на фиг. 4 - пример использования нескольких датчиков,

на фиг. 5 - специальный вариант выполнения датчика с высокой чувствительностью (вид сбоку).

На фиг. 1 показан датчик 1, который состоит из двух различных элементов 2 и 3. Элементы датчика состоят из электропроводного материала, например металла. Один элемент 2 устанавливается на поверхности тела 10, предназначенного для измерений, и может находиться в гальваническом контакте с телом 10 по всей его поверхности. Как вариант, этот элемент 2 датчика может также быть установлен в непосредственной близости от тела 10, предназначенного для измерений, таким образом, что закрывает часть его поверхности. Форма такого элемента 2 не ограничивается плоскостью, но может повторять неровности, такие как выступы и впадины. Элемент датчика может также состоять из частей 21, 22, 23, 24, которые связаны между собой электрической цепью. В зависимости от размеров тела, предназначенного для измерений (конструкция, опора моста и т.п.) появляется также возможность полностью охватить тело. Пример такого размещения схематически показан на фиг. 2 в разрезе.

Второй элемент 3 датчика размещается в полости 4 внутри тела 10 и электроизолирован от этого тела и первого элемента датчика. Площадь его поверхности меньше, чем у первого элемента 2 датчика. Как показано на фиг. 3, электронная схема 5, используемая для усиления принятых сигналов, также устанавливается в полости 4. Помехи, которые могут генерироваться, например, более длинными соединительными проводами, подавляются схемой, расположенной в непосредственной близости от приемного элемента 3 датчика.

Для эффективного подавления дополнительных помех от внешних источников электронная схема в предпочтительном варианте выполнения закрывается частью площади внешнего элемента 2 датчика и/или частями внутреннего элемента 3 датчика, образуя таким образом клетку Фарадея. Соединение электронной схемы и внешнего элемента 2 датчика осуществляется посредством экранированного кабеля 6, проложенного через канал 7, ведущий к поверхности. Этот соединительный кабель может также быть использован для подачи напряжения питания электронной схемы.

Основным преимуществом такого выполнения, соответствующего настоящему изобретению, является то, что даже датчики относительно небольших размеров достаточны для гарантированного детектирования измеряемых сигналов. Экспериментальные измерения изменений электрического поля осуществлялись с датчиком, показанным на фиг. 5, где элемент 2 датчика представлял собой металлическую пластину диаметром всего около 50 см с цилиндрическим элементом 9 длиной приблизительно 10 см и диаметром 5 см. Элемент датчика 2 гальванически соединен с телом 10, предназначенным для измерений. Элемент 3 датчика имел форму металлического стакана диаметром приблизительно 7 см и был расположен таким образом, что частично охватывал конец цилиндрического элемента 9. Операционный усилитель был размещен внутри цилиндрического элемента 9 и соединен с элементами 2 и 3 датчика в соответствии с фиг. 5. Часть датчика, погруженная в тело 10, предназначенное для измерений, была окружена изолирующим экраном 8, предназначенным для предупреждения помех, возникающих от электрического контакта. Сигналы, связанные с дрожанием земли, были получены с помощью такой системы, размещенной на глубине всего в 50 см.

Возможны также другие формы датчика 1, при условии что его выполнение удовлетворяет основному условию о том, что экранирующий элемент 2 датчика большой площади, который предпочтительно находится в гальваническом контакте с телом, предназначенным для измерений, сочетается с приемным элементом 3 датчика, который изолирован от тела 10, предназначенного для измерений, и от элемента 2 датчика и установлен в полости тела, предназначенного для измерений. Расстояние между элементами 2 и 3 датчика в предпочтительном варианте должно составлять порядка нескольких миллиметров.

Возможно также, после соответствующего преобразования электрических сигналов в оптические сигналы, применение оптиковолоконных кабелей для передачи сигналов результатов измерений. Этот способ позволяет исключить электромагнитные помехи.

В дополнение к подавлению помех за счет эффекта экранирования и применения коротких соединительных линий в схему усилителя 5 могут быть дополнительно включены электронные фильтры. Таким образом, приемный диапазон датчика может быть ограничен определенным диапазоном частот.

Особый интерес при обнаружении геофизических процессов представляет диапазон низких частот между 0,1 и 100 Гц.

Во многих случаях регистрация с использованием одного датчика в одной точке измерений оказывается недостаточной для дифференцированного анализа структурных изменений в изучаемом теле. Например, при использовании датчика, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, для обнаружения геофизических процессов, желательно измерять не только абсолютные изменения геоэлектрического поля в одном месте, но и выявлять локальные отклонения, распределенные как можно в более широком районе.

Для получения таких данных для конкретных точек измерений можно использовать несколько одновременно работающих датчиков. На фиг. 4 показаны, в качестве примера, три датчика, причем имеется возможность разместить элементы 31, 32, 33, погруженные в тело, на различной глубине.

Естественно, что как количество, так и геометрическое расположение датчиков могут варьироваться в зависимости от поставленной задачи. При таком расположении датчиков можно получить множество измеренных значений, зарегистрированных одновременно в разных точках. Совокупность данных, полученных таким путем, позволяет, например, определить положение мест возникновения структурных изменений и/или их местоположение и развитие на основе зарегистрированных в каждой точке интенсивностей и разностей фаз.

В частности, удобная измерительная схема состоит из шести датчиков, размещенных по углам шестиугольника.

Для ускорения получения оценки представленную датчиками информацию преобразуют в цифровую форму и обрабатывают в процессоре 40. Соединенное с ним запоминающее устройство 41 обеспечивает свободный доступ к результатам измерений, так что можно отслеживать их изменение во времени. Это представляет возможность, например, непрерывного и в значительной степени автоматизированного контроля вулканической активности или движений земной коры и выдачи соответствующих предупредительных сигналов при получении критических значений.