Устройство для калибровки и метрологической поверки цифровых сейсмических регистраторов

Періодична тимчасова зміна властивостей сейсмометричної апаратури власної або іноземної розробки вимагає періодично проводити їх інженерне дослідження та метрологічний контроль. В період існування ЄССС таке тестування сейсмометрів проводилося на калібрувальних пристроях, розташованих в Росії. Зараз...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2014
1. Verfasser:	Щербина, С.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України 2014
Schriftenreihe:	Геофизический журнал
Schlagworte:	Научные сообщения
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100398
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Устройство для калибровки и метрологической поверки цифровых сейсмических регистраторов / С.В. Щербина // Геофизический журнал. — 2014. — Т. 36, № 2. — С. 161-171. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-100398
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1003982016-05-22T03:02:14Z Устройство для калибровки и метрологической поверки цифровых сейсмических регистраторов Щербина, С.В. Научные сообщения Періодична тимчасова зміна властивостей сейсмометричної апаратури власної або іноземної розробки вимагає періодично проводити їх інженерне дослідження та метрологічний контроль. В період існування ЄССС таке тестування сейсмометрів проводилося на калібрувальних пристроях, розташованих в Росії. Зараз кількість сейсмічних датчиків різного виробництва в нашій країні збільшується. Коротко описується апаратура, розроблена для вібраційного тестування сейсмометрів різного виробництва і результати її використання для проведення перевірки методів процедур метрологічного контролю. Periodic temporary change properties seismometrological own equipment or foreign development requires periodic their engineering studies and measurement control. In the period of the USSM is made on test seismometer calibration devices located in Russia. Now the number of seismic sensors of various industries in the country is increasing. Briefly describes the instrumentation developed for vibration testing of different seismometer output and results of its use for testing methods of metrological control procedures. 2014 Article Устройство для калибровки и метрологической поверки цифровых сейсмических регистраторов / С.В. Щербина // Геофизический журнал. — 2014. — Т. 36, № 2. — С. 161-171. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0203-3100 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100398 550.341 ru Геофизический журнал Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научные сообщения Научные сообщения
spellingShingle	Научные сообщения Научные сообщения Щербина, С.В. Устройство для калибровки и метрологической поверки цифровых сейсмических регистраторов Геофизический журнал
description	Періодична тимчасова зміна властивостей сейсмометричної апаратури власної або іноземної розробки вимагає періодично проводити їх інженерне дослідження та метрологічний контроль. В період існування ЄССС таке тестування сейсмометрів проводилося на калібрувальних пристроях, розташованих в Росії. Зараз кількість сейсмічних датчиків різного виробництва в нашій країні збільшується. Коротко описується апаратура, розроблена для вібраційного тестування сейсмометрів різного виробництва і результати її використання для проведення перевірки методів процедур метрологічного контролю.
format	Article
author	Щербина, С.В.
author_facet	Щербина, С.В.
author_sort	Щербина, С.В.
title	Устройство для калибровки и метрологической поверки цифровых сейсмических регистраторов
title_short	Устройство для калибровки и метрологической поверки цифровых сейсмических регистраторов
title_full	Устройство для калибровки и метрологической поверки цифровых сейсмических регистраторов
title_fullStr	Устройство для калибровки и метрологической поверки цифровых сейсмических регистраторов
title_full_unstemmed	Устройство для калибровки и метрологической поверки цифровых сейсмических регистраторов
title_sort	устройство для калибровки и метрологической поверки цифровых сейсмических регистраторов
publisher	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Научные сообщения
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100398
citation_txt	Устройство для калибровки и метрологической поверки цифровых сейсмических регистраторов / С.В. Щербина // Геофизический журнал. — 2014. — Т. 36, № 2. — С. 161-171. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Геофизический журнал
work_keys_str_mv	AT ŝerbinasv ustrojstvodlâkalibrovkiimetrologičeskojpoverkicifrovyhsejsmičeskihregistratorov
first_indexed	2025-07-07T08:46:56Z
last_indexed	2025-07-07T08:46:56Z
_version_	1836977243463614464
fulltext	УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ПОВЕРКИ ЦИФРОВЫХ ... Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 161 Введение. В настоящее время в Украине увеличивается количество сейсмометриче- ской аппаратуры как местного, так и импорт- ного производства. Активное участие в этом процессе принимает Институт геофизики им. С. И. Субботина НАН Украины г. Киев (ИГФ НАНУ). В частности, в Карпатском регионе [Вербицкий и др., 2013] используется около 20 сейсмических станций собственной раз- работки и производства, а также одна стан- ция Guralp CMG-40TD производства Велико- британии [Usher et al., 1978], на сейсмически опасной территории АР Крым — только три новых станции местного и шесть достаточно старых станций советского производства. На территории центральной и восточной Украины имеется около 18 сейсмостанций для проведе- ния различных сейсмических, технических и шахтных исследований. С течением времени температурное, ме- ханическое, электрическое и электронное состояния любого сейсмодатчика изменяет- ся. Например, хорошо известено, что проис- ходит необратимое изменение сопротивления катушек датчика ВЭГИК, работающих в маг- нитном поле и предназначенных для генера- ции сейсмического сигнала за счет движения маятника. Очевидно, что этот процесс требует периодического учета при аналитических рас- четах реальной скорости, смещения или уско- рения. Приведем еще один пример серьезных временных изменений свойств сейсмометра. В отделе сейсмологии ИГФ НАНУ имеется им- УДК 550.341 Устройство для калибровки и метрологической поверки цифровых сейсмических регистраторов © С. В. Щербина, 2014 Институт геофизики НАН Украины, Киев, Украина Поступила 13 января 2014 г. Представлено членом редколлегии А. В. Кендзерой Періодична тимчасова зміна властивостей сейсмометричної апаратури власної або іно- земної розробки вимагає періодично проводити їх інженерне дослідження та метрологічний контроль. В період існування ЄССС таке тестування сейсмометрів проводилося на калібру- вальних пристроях, розташованих в Росії. Зараз кількість сейсмічних датчиків різного ви- робництва в нашій країні збільшується. Коротко описується апаратура, розроблена для ві- браційного тестування сейсмометрів різного виробництва і результати її використання для проведення перевірки методів процедур метрологічного контролю. Ключові слова: сейсмометри, калібрування, сейсмометрія, метрологія, реалтаймові сис- теми вимірювань. портный сейсмометр Guralp CMG-40TD [Usher et al., 1978], у которого произошли серьезные изменения технических характеристик. По- сле ремонта необходимо провести тестирова- ние технических и электронных параметров. В высококачественных импортных датчиках и аппаратуре, регистрирующих сейсмический процесс в широкой полосе частот, например, [Streckeisen STS-2, 1997], происходит ежесуточ- ный внутренний калибровочный процесс. Эта информация позволяет учесть изменения па- раметров сейсмического процесса во времени в зависимости от состояния регистрирующей аппаратуры. В период существования СССР размещен- ная на территории Украины аппаратура про- изводства единой системы сейсмических на- блюдений (ЕССН), таких как ВЭГИК, СД, СКД [Uyeda et al., 2001 и др.], проходила калибро- вочную процедуру тестирования ежегодно. Тестирование проводилось по условной дого- воренности ответственными организациями в начале весеннего периода. Такой выбор време- ни начала процесса тестирования был напря- мую связан с температурными, техническими, электронными и другими изменениями сейс- мической измерительной аппаратуры. Для некоторых известных моделей сейсмо- метров специальная внутренняя калибровоч- ная аппаратура встроена в сам сейсмометр. Рассчитанные новые параметры таких сейс- модатчиков сравнивались с описанными в до- кументации. С. В. ЩЕРБИНА 162 Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 С точки зрения технических вопросов ме- трологии и сертификации сейсмометров для проведения различных измерительных работ становиться ясно, что необходимо периодиче- ски проводить как внутреннее, так и внешнее тестирование сейсмометров совместно с реги- стрирующим устройством (станцией) для вы- явления временных изменений и проверки их физических параметров. В настоящей статье приводится краткое тех- ническое описание запатентованного устрой- ства [Пат. 77339…, 2013] для тестирования, ка- либровки и изучения сейсмометров, а также связанной с ними регистрирующей цифровой аппаратуры при наличии в ней обратной свя- зи для реализации вопроса поиска оптимально допустимого значения процесса задержек из- мерений. Новое устройство калибровки. Основная идея при разработке нового калибровочного устройства связана с необходимостью объеди- нить как вертикальное, как и горизонтальное перемещение платформы устройства в одном варианте конструкции аппаратуры, поскольку калибровочное устройство (виброплатформа), находящееся в отделе сейсмологии ИГФ НАНУ в Симферополе, применяется в основном для калибровки горизонтальных составляющих сейсмометров [Щербина, 2011]. За счет большого размера площадки на ней возможно размещение сразу около 20 сейсмо- метров (для микросейсмического районирова- ния) для тестирования их технического состо- яния. Важными техническими недостатками данного устройства являются: отсутствие возможности любого типа вертикального движения; отсутствие четких импульсных верти- кального и горизонтального перемеще- ний, которые позволяют математически точно сделать вычисление передаточных функций сейсмометров. Это калибровочное устройство осуществля- ет непрерывное затухающее колебание в го- ризонтальной плоскости. Использовать такой входной сигнал для расчета параметров пере- даточных функций достаточно сложно по при- чине исключительно численного метода вы- полнения этой процедуры. Очевидно, что чем ближе значение входного сигнала сейсмометра на калибрующем его устройстве к импульс- ному теоретическому, тем проще становится математический аппарат его решения для по- лучения строго вычисленной передаточной функции. Отсутствие вертикального перемещения калибровочного устройства приводит к необ- ходимости укладывать вертикальные датчики набок и снимать с них пружину компенсации вертикального перемещения. В результате этой процедуры возникает экспериментальная ошибка при расчете передаточной функции вертикальной составляющей сейсмометра. Од- нако такой вариант положения сейсмодатчика на горизонтальном калибровочном устройстве позволяет произвести только качественное те- стирование, т. е. проверить, есть ли серьезные технические нарушения в передаточной функ- ции вертикальной составляющей или нет. Электронная регистрация осуществляется за счет емкостного датчика, одна часть кото- рого закреплена на подвижной платформе, а другая — на неподвижном основании платфор- мы. Выход емкостного датчика подключается к АЦП цифровой сейсмической станции. Для решения вопроса о невозможности калибровки сейсмометров на этом устрой- стве, когда не допускалось их перемещение в наклонное положение в силу особенностей конструкций корпусов, проводилась работа по внутренней калибровке этих устройств через специальные внутренние электромагнитные калибровочные устройства. Результаты такой работы по определению эмпирических АЧХ разных сейсмометров на основе использова- ния входных синусоидальных сигналов разной частоты позволили определить их передаточ- ные параметры. Анализ относительных поло- жений графиков АЧХ для различных сейсмо- станций позволяет оценить уровень чувстви- тельности исследуемых устройств, который определяется направлением их использова- ния для регистрации сейсмических вибраций разной природы — взрывов, землетрясений, микросейсм. Для вычисления наиболее точной передаточной функции сейсмометра делается расчет на основе математического аппарата ре- шения интегрального уравнения первого рода. Основные технические особенности и не- которые недостатки вышеперечисленной ка- либровочной аппаратуры привели к необхо- димости разработки нового калибровочного устройства, используя современные техниче- ские и компьютерные возможности. На рис. 1 представлена техническая струк- тура нового калибровочного устройства, опи- сывающая только основную схему новых за- патентованных конструктивных особенностей [Пат. 77339…, 2013]. Самая технически важная принципиальная особенность этого устройства УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ПОВЕРКИ ЦИФРОВЫХ ... Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 163 заключается в том, что совмещение горизон- тального и вертикального перемещений на одном устройстве выполняется за счет ис- пользования гибкой пластины FP. На рис. 1 она показана слегка изогнутой за счет влияния размещенных на ней сейсмометров регистра- ции сейсмического процесса в вертикальном направлении. Воздействие на горизонтальный сейсмометр HS обеспечивается за счет пере- мещения платформы PL в горизонтальном на- правлении по гибкой пластине FP в этом же направлении. Движение платформы PL в вер- тикальном направлении для оказания импульс- ного или периодического воздействия на вер- тикальный датчик VS обеспечивается за счет изгиба пластины FP. Рассмотрим короткое описание основных механических и электронных компонент этого калибровочного устройства: VS, HS — верти- кальный и горизонтальный сейсмометрические датчики, которые расположены на подвижной платформе PL для их калибровки; PL — плат- форма для обеспечения входных импульсов го- ризонтального и вертикального направлений в расположенных на ней калибруемых сейсмо- метрах VS и HS; FP — изгибная пластина для обеспечения двух типов движения платформы PL, EMD1, EMD2 — электромагнитные устрой- ства обеспечения как импульсного, так и пери- одического вертикального и горизонтального перемещений, IRS1, IRS2 — вертикальный и горизонтальный инфракрасные датчики пе- ремещения платформы PL по/на пластине FP, EDD — электронное устройство для регистра- ции вертикальной деформации пластины FP и горизонтального смещения платформы PL. Механические калибровочные воздействия в двух направлениях (вертикальное на гибкую пластину FP и горизонтальное на платформу PL) обеспечиваются за счет электромагнитов EMD1 и EMD2 в вертикальном и горизонталь- ном направлениях соответственно. За счет использования классических электронных генераторов может быть обеспечено как сину- соидальное периодическое, так и импульсное перемещение калибровочного устройства. Для регистрации перемещения применя- ются инфракрасные датчики смещения IRS1 и IRS2, подключенные к усилителю напряже- ния, расположенному в комплексном устрой- стве EDD. После электронного усиления сигнал передается на вход аналогово-цифрового пре- образователя PCI-9111HR [ADLink Technology Inc., 1999] с 16-битным разрешением входно- го аналогового сигнала. Этот вариант записи входного калибровочного сигнала может ис- пользоваться для процесса калибровки сейс- модатчиков, у которых отсутствует возмож- ность записи входных внешних сигналов. Существенная разница в способах тестово- го воздействия на калибруемые сейсмометры состоит в том, что импульсный метод воздей- ствия не всегда способен обнаружить деталь- ные изменения параметров сейсмометров на узких полосах частоты, поскольку осущест- вляется математически путем интегральных вычислений. Для обнаружения изменений ме- ханических и электромагнитных параметров датчиков необходимо использовать периоди- ческий метод калибровки — заданием полосы и шага частот, например, чисто синусоидаль- ного сигнала, который подается на устройства EMD1 и EMD2. Программное обеспечение регистрации входных сигналов калибровочного устрой- ства. Использование стандартных и широко распространенных персональных компьюте- ров с любыми непрофессиональными опера- ционными системами (ОС) в измерительных процедурах приводит к нежелательным изме- нениям точности получаемых результатов в неограниченных количествах и в непредвиден- ных направлениях. Это связано с тем, что про- цессоры компьютеров со стандартными ОС не способны выдерживать ограниченные интер- валы времени на выполнение разных опера- ций. Очевидно, что для решения таких проблем при разработке калибровочного устройства не- обходимо использовать реалтаймовую опера- ционную систему (РТ ОС). Учитывая большое разнообразие цен, лицензионных и качествен- ных параметров, была выбрана ОС real-time Linux [Introduction…, 2002]. Были проведены исследования изменения параметра задержки Рис. 1. Макет устройства для калибровки горизонтальных и вертикальных сейсмометров. С. В. ЩЕРБИНА 164 Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 процессора при использовании РТ ОС и стан- дартной ОС при выполнении однообразных тестовых операций большого объема, напри- мер, копировании папки, содержащей файлы объемом 300 Мб, с одного диска на другой. Процедура модернизации операционной системы Linux в направлении реалтайм (РТ) достаточно стандартна и в настоящее временя хорошо известна [Barabanov, Yodaiken, 1996]. До и после ее проведения был проведен экспери- мент по оценке параметров оцифровки вход- ного сигнала на АЦП одного типа — синусои- дального, с частотой 1 Гц. Для ответственного проведения такого эксперимента необходимо учитывать задержки процессора на выполне- ние операции получения данных с АЦП после оцифровки входного сигнала в разном диапа- зоне. Интервал для задержек процессора был выбран от 0,0001 до 0,0011 долей секунды для синусоидального входного сигнала. На рис. 2 показаны результаты процесса измерения параметров синусоидального сигнала посред- ством АЦП с их среднеквадратичной ошибкой для стандартной ОС и РТ ОС. Сравнивая гра- фик измерения периода одногерцового сину- соидального входного сигнала на стандартной ОС (рис. 2, а) с графиком аппаратно (но не программно) аналогичного процесса в РТ ОС (рис. 2, б), видно, что качество измерительного процесса периода входного сигнала в РТ ОС несравнимо выше, чем в стандартной ОС, а ошибка измерения периода в РТ ОС минимум на порядок меньше (рис. 2, в). Еще одним важным этапом процедуры из- мерения известного периода входного сигнала (1 с) стал процесс определения параметра вре- менной задержки процессора для достижения высокой точности. Анализ результата экспери- мента в определении известного периода вход- ного сигнала показал, что имеется несколько допустимых значений времени задержки про- цессора (см. рис. 2, б). На рис. 2, а показана зависимость измерен- ного периода сигнала от генератора на АЦП от задержки программы по обращению к процес- сору (в микросекундах), на рис. 2, в — амплиту- да ошибки между компьютерными процессами в реалтайм и нереалтайм режимах. В реалтайм варианте ошибка процессора меньше, так как тратится меньше времени на выполнение программ (процессов), загруженных в опера- тивную память компьютера. При получении записей разными типами аппаратов, исполь- зуемых в процессе измерений, и дальнейшем математическом расчете их значений это очень важно, поскольку минимизация биполярного сдвига по времени приводит к более допусти- мым статистическим разбросам погрешностей измерений. Тестирование измерительных свойств ка- либровочной аппаратуры. После комплексной разработки и технической сборки калибровоч- ного устройства (см. рис. 1) необходимо было провести тщательный процесс тестирования его электронно-механической части путем из- мерений смещений при равнозначных по шагу нагрузках в вертикальном и горизонтальном направлениях. Горизонтальное смещение под- вижной части платформы PL осуществлялось с помощью винта, прикрепленного к непод- вижной части, и небольшого его вращения, которое было минимально допустимым по техническим свойствам микрометра, изме- ряющего реальные смещения. Вертикальное перемещение — вследствие переменной на- грузки определенным количеством воды, на- ливаемой в достаточно большую пластиковую емкость размером в 0,02 куб. м. Такие экспе- риментальные измерения выходного напряже- ния двухкомпонентного электронного датчика смещений в двух направления (вертикальном и горизонтальном) показали их полную линей- ную зависимость. Коэффициент зависимости значения выходного напряжения датчика сме- щений от амплитуды входного смещения плат- формы ( ) измеряется в В/мк и определяется по формуле Y=Ax+B, где x — смещение, измеряе- мое в микронах, а Y — смещение, измеряемое в вольтах. Значение константы B определяется положением пластины инфракрасного датчи- ка смещения относительно ее нуля, поэтому должно быть выбрано минимальным. Установ- ка самой пластины двухкомпонентного инфра- красного интерферометра для измерений сме- щений двумя частями IRS1 и IRS2 (см. рис. 1) в положение нуля выполняется перед началом процесса измерений. Результаты эксперимен- та представлены в табл. 1. Для проверки качества расчета коэффици- ентов преобразования выходного напряжения двухкомпонентного датчика смещения из вольт в микроны необходимо провести расчет откло- нений их вычисленных значений при разных режимах работы — 20 и 200 мк/В. При верти- кальном режиме измерений среднее значение коэффициента =0,051977667 В/мк, усреднен- ный процент отклонений самого среднего от всех остальных значений — 3,93 %, при горизон- тальном режиме измерений =0,049868667 В/мк, усредненный процент — 0,81 %. УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ПОВЕРКИ ЦИФРОВЫХ ... Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 165 Сравнительный анализ процентов отклоне- ний (3,93 и 0,81 %) показывает, что для изме- рений вертикальных перемещений требуются более точные методы, чем те, которыми данные измерения осуществлялись в первый раз. Импульсная калибровка станций различ- ных конструкций. В процессах разработки, мо- дернизации и тестирования технического со- стояния всех существующих украинских стан- ций необходимо проводить периодическую поверку их работы и определять допустимые пределы изменений параметров технических компонентов системы блоков их устройств и сейсмометров. Перед таким важным шагом разработанный калибровочный прибор необ- ходимо предварительно протестировать путем проверки качества его работы на имеющихся сейсмостанциях внутренней разработки. Для этого была выбрана сейсмостанция DAS04 [Вербицький, 2006], разработанная в карпат- ском отделе ИГФ НАНУ. В качестве входного сейсмометра, в который подавался входной Рис. 2. Экспериментальное измерение периода входного сигнала АЦП PCI-9111HR в зависимости от задержки процес- сора и ошибка этого процесса при оцифровке входного сигнала в виде синуса частотой 1 Гц: 1 — измеренный сигнал, получаемый с АЦП PCI-9111HR, 2 — теоретический сигнал частотой 1 Гц с генератора, 3 — ошибка измерений, 4 — не- реалтаймовая ОС, 5 — реалтаймовая ОС. Т а б л и ц а 1. Значения коэффициента А и константы B при разных режимах работы двух- компонентного датчика смещения и типах микрометра Режим работы, мк/В Диапазон смещений, мк А, В/мк В Вертикальный Горизонтальный Вертикальный Горизон- тальный Верти- кальный Горизонтальный 20 от 50 до +50 от 40 до +34 0,052136 0,049758 +1,752469 +0,003767 20 от 300 до +300 от 300 до +300 0,048907 0,050478 0,134395 0,224348 200 от 1200 до +970 от 3000 до +25000 0,005489 0,004937 0,041866 +0,093170 С. В. ЩЕРБИНА 166 Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 сигнал в виде прямоугольного импульса раз- ной амплитуды использовался датчик SK1P. Первоначально перед импульсной калибров- кой сейсмометра SK1P, подключенного к дан- ной станции, была проведена предваритель- ная работа по вычислению коэффициентов для преобразований цифровых единиц АЦП в смещения, измеряемых в микронах. В табл. 2 представлены значения этих коэффициентов для каждого канала отдельно с указанием кон- стант, которые необходимо учитывать при вы- числениях в каждый момент работы каждого заново подключаемого сейсмометра к любому из каналов. Т а б л и ц а 2. Значения коэффициентов пре- образований единиц АЦП в микроны для станции DAS04 с сейсмометрами SK1P по каж- дому каналу Канал Коэффициент преобразования, мк/ADC unit Константа поправки E 0,000031991049 0,546915008344 N 0,000033023593 1,051730752418 Z 0,000042860462 1,511692983584 Коэффициенты преобразования единиц АЦП вычислялись для каждого канала станции DAS04 отдельно путем проведения процеду- ры стандартных метрологических процессов, представленных в виде подачи прямоугольно- го входного сигнала определенной амплитуды на каждый канал отдельно, величина которой измерялась микрометром, прикрепленным к платформе. Экспериментальный процесс для канала E станции DAS04 показал, что есть ли- нейная прямая зависимость значений единиц АЦП канала E этой станции, подключенной к сейсмометрам SK1P, от входного прямоуголь- ного сигнала в микронах. Для проверки работы основной измеритель- ной части самого калибровочного устройства (для проверки точности измерений смещений с помощью стрелочного микрометра) повелись испытательные измерения входных смещений и откликов на них импортного сейсмометра Guralp CMG40T. Для этого использовалось программное обеспечение (ПО) [Güralp…, 2012], разработанное его производителями и обеспечивающее процессы вычисления зна- чений ускорения, скорости и смещения в лю- бой момент записи. Результаты представлены в табл. 3. Проведенный простой анализ разброса значений ошибки и ее среднего значения по- казывает, что для более точных результатов не- обходимо использовать статистические клас- сические методы вычислений. Кроме измерений реальных смещений с по- мощью устройств, фиксирующих этот процесс как входной сигнал для любого сейсмометра или сейсмостанции, запатентованное калибро- вочное устройство позволяет за счет использо- вания входного сигнала в виде прямоугольного импульса осуществлять вычисление АЧХ одно- кратно. Существует достаточно много публи- Т а б л и ц а 3. Экспериментальное сравнение измеренных и вычисленных значений смещений для канала N сейсмометра Guralp CMG40T Реальное значение входного смещения, мк Вычисленное значение смещение, мк Разница между вычисленным и измеренным значением 20,0 19,255 0,745 50,0 46,429 3,571 100,0 95,489 4,571 150,0 127,613 22,387 200,0 195,200 4,800 250,0 274,464 24,464 300,0 322,182 22,182 350,0 344,527 5,473 400,0 423,488 23,488 450,0 430,316 19,684 500,0 472,704 27,296 600,0 613,713 13,713 Среднее значение отклонений 0,385 УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ПОВЕРКИ ЦИФРОВЫХ ... Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 167 каций, в которых представлены результаты разных методов калибровки, в том числе полу- ченные аналогичным способом, с хорошо опи- санными математическими методами вычисле- ний передаточных функций сейсмометров на основе использования нулей и полюсов (см., например, [Bormann, 2009; Mitronovas, Wielandt, 1975]). В этих работах хорошо описано, почему использование входного сигнала в виде пря- моугольного импульса в процессе калибровки для любой сейсмостанции позволяет в допусти- мых пределах точности за достаточно корот- кий период однократного процесса измерений получать поканальные цифровые значения за- писей, с помощью которых можно вычислить передаточную функцию данного устройства. В качестве первого тест-устройства для процесса калибровки сеймологического обо- рудования отечественного производства, ис- пользующегося в нашей стране для измере- ний вибраций поверхности земли во многих научных и технических направлениях [Вер- бицький, 2006], была выбрана станция DAS04 с подключенными к ней тремя сейсмометрами SK1P. Результат спектрального анализа реак- ции канала Е этой станции с подключенным к нему горизонтальным сейсмометром SK1P представлен на рис. 3. На рис. 3, а виден отклик горизонтального сейсмометра SK1P на входной сигнал прямоугольной формы, длина которого по времени была выбрана в пределах порядка 4 с, что необходимо для прослеживания полно- го затухания отклика сейсмометра. Ниже пред- ставлены результаты преобразования Фурье входного сигнала, которые рассчитаны с по- мощью использования действительной и мни- мой части результатов расчета и представляют собой их амплитуду (рис. 3, б) и фазу (рис. 3, в) преобразования Фурье входного сигнала пря- моугольной формы. Для проверки свойств и качества работы запатентованного устройства проводилось его дальнейшее испытание с помощью калибровки станции UK16 с модернизированным сейсмо- приемником ВЭГИК внутренней разработки [Щербина, 2011] и сейсмометра международ- ной сертификации Guralp CMG40T [Güralp…, 2012]. Результаты откликов этих отдельных устройств в виде записей и их спектральных преобразований представлены на рис. 4—6. На рис. 4 показаны записи откликов канала Е с сейсмоприемником ВЭГИК станции UK16 и результаты расчетов преобразований Фурье записей этих откликов. На рис. 4, а видны раз- ные типы записи откликов, которые череду- ются значениями амплитуд и знаками направ- лений по вертикальной оси. Такое изменение типа отклика связано с тем, что калибруемым сейсмометром данного образца производится дифференцирование входного сигнала пря- моугольной формы, который своим знаком отражает изменение направления движения верхней части платформы PL (см. рис. 1). Процесс исследования свойств запатенто- ванного калибровочного устройства был опро- бован и на международном сертифицирован- ном сейсмометре Guralp CMG40T [Güralp…, 2012], который обладает достаточно высокими техническими качествами и имеет специаль- ное ПО для расчетов реальных сигналов в виде ускорений, скорости и смещения (рис. 5). Наиболее важные результаты этой работы представлены на рис. 6 — два графика спек- Рис. 3. Результаты экспериментального процесса кали- бровки канала Е с сейсмоприемником SK1P на станции DAS04: а — запись сигналов отклика вертикального сейс- мометра SK1P на входной прямоугольный импульс, б — спектр отклика, в — фаза отклика. Рис. 4. Результат анализа экспериментального процесса калибровки канала Е с сейсмоприемником ВЭГИК на стан- ции UK16: а — запись сигналов отклика вертикального сейсмометра ВЭГИК на несколько входных прямоуголь- ных импульсов, б — увеличенный отклик сейсмометра, в — спектр отклика, г — фаза отклика. С. В. ЩЕРБИНА 168 Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 Рис. 6. Результат экспериментального процесса калибровки канала N сейсмометра Guralp CMG40T: а — спектр входного сигнала прямоугольной формы с платформы, б — отклик сейсмометра на сигнал прямоугольной формы. Рис. 5. Результаты экспериментального процесса калибровки канала N сейсмометра Guralp CMG40T: расчетная запись ускорения сейсмометра (а), скорости (б), смещения (в) на входной прямоугольный импульс. УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ПОВЕРКИ ЦИФРОВЫХ ... Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 169 тральных преобразований Фурье: 1) спектр входного сигнала прямоугольной формы с платформы, который имеет достаточно ши- рокую полосу частот, 2) спектр отклика этого сейсмометра на входной сигнал прямоуголь- ной формы. При простой сверке полученного результата калибровки при испытании нового разработанного калибровочного устройства на сейсмометре с международной сертификацией можно увидеть, что полученный результат под- тверждает некоторые свойства этого сейсмо- метра. Так, на рис. 6, б справа, в соответствии с техническим описанием сейсмометра Guralp CMG40T, виден спад амплитуды спектральной функции канала N в диапазоне от 10 до 50 Гц. Практически до 0,033 Гц уровень амплитуды практически линеен, что также соответствует значениям, приведенным в техническом писа- нии. Выводы. Экспериментальные опробования запатентованного калибровочного устройства показали его широкие возможности для про- ведения работ по тестированию изменяющих- ся во времени механических и электронных свойств сейсмометров и сейсмостанций оте- чественной и международной разработки. С его помощью можно определять коэффици- енты преобразований единиц АЦП в записях в различные физические и метрологически стандартизованные значения смещения, ско- рости и ускорения. Кроме того, производя па- раллельные синхронные измерения входных сигналов для сейсмостанций и сейсмометров разного типа одновременно, можно оценивать их качественные технические различия или со- впадения. В настоящее время работа по этим направле- ниям носит более теоретический характер, чем прикладной, что явно ограничивает возмож- ности при проведении процедур для опреде- ления метрологических свойств сейсмологиче- ских приборов в отношении их соответствия государственным требованиям при проведе- нии измерений. Например, на сайте (http:// thedifference.ru/chem-otlichaetsya-poverka-ot- kalibrovki) хорошо описано, каким образом должна проводиться процедура определения органами государственной метрологической службы (или любыми другими уполномочен- ными организациями) пригодности сейсмо- метрических измерительных устройств для использования в определенных направлени- ях исследований или стандартных измерений. Анализируя цитату из этого источника: «Повер- ка — это проверка соответствия определенным стандартам. Калибровка — это приведение к определенным стандартам. Поверка — обяза- тельная процедура. Калибровка — процеду- ра добровольная и необязательная. Поверка осуществляется исключительно силами ГМС. Калибровка, кроме органов ГМС, может выпол- няться метрологической службой организации или предприятия, даже не имеющей соответ- ствующей аккредитации», можно прийти к вы- воду, что в силу требований выполнения этих условий для приведения сейсмооборудовния собственной разработки к международному стандарту необходимо провести и осуществить ряд организационных, технических и научных работ по организации определенных групп спе- циалистов, которые обладают необходимыми знаниями и опытом работы в таких направлени- ях, а также провести разработку и производство программно-аппаратных комплексов, метроло- гические возможности которых также должны соответствовать международным стандартам метрологического контроля сейсмологического и сейсмометрического оборудования. Вербицький С. Т. Апаратно-програмний комплекс DAS- 04 для моніторингу небезпечних геодинамічних та природних явищ: Матеріали Всеукраїнської наук. конф. «Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану геологічного середовищa», Київ, 21—24 вересня 2006 р. Київ: ВПЦ «Київський університет», 2006. С. 159—161. Вербицкий С. Т., Вербицкий Ю. Т., Прокопишин В. И., Игнатишин В. В. Carpathian Seismological Network of Ukraine. 2013. http://seism.lviv.ua/map. Пат. 77339 Украина. Устройство для калибровки сейс- мометров (Щербина С. В., Фещенко А. И., Пан- Список литературы ков Ф. Н, Лесовой Ю. В., Кендзера А. В.). Опубл. 11.02.2013. Бюл. № 3. Щербина С. В. Цифровые сейсмические регистрато- ры и их калибровка. Геофиз. журн. 2011. Т 33. № 2. С. 136—160. ADLink Technology Inc. PCI-9111 Multi-Functions Data Acquisition Card. User’s Guide. Manual Rev 2.11: January 25. 1999. Barabanov M., Yodaiken V., 1996. Real-time linux. Linux Journal, March. Bormann P., 2009. New Manual of Seismological С. В. ЩЕРБИНА 170 Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 Verbickij S. T., 2006. Hardware-software system DAS-04 for monitoring hazardous geodynamic and natural phenomena: Proceeding of the Ukrainian Sci. Conf. «Monitoring of hazardous geological processes and ecological condition of the environment», Kiev, September 21—24, 2006. Kiev: «Kiev University», 159—161 (in Ukrainian). Verbickij S. T., Verbickij Ju. T., Prokopishin V. I., Igna- tishin V. V., 2013. Carpathian Seismological Network of Ukraine. http://seism.lviv.ua/map. Shherbina S. V., 2011. Digital seismic recorders and their calibration. Geofizicheskij zhurnal 33(2), 136—160 (in Russian). Shherbina S. V., Feshhenko A. I., Pankov F. N, Leso- voj Ju. V., Kendzera A. V., 2013. Device for calibration of seismometers. Ukraine. Pat. 77339 (in Russian). ADLink Technology Inc. PCI-9111 Multi-Functions Data Acquisition Card. User’s Guide. Manual Rev 2.11: January 25. 1999. Barabanov M., Yodaiken V., 1996. Real-time linux. Linux Journal, March. Observatory Practice (NMSOP). Potsdam: Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Р. 1—18. Güralp Systems Introduction, 2012. http://www.guralp. com/documents/html/MAN-SWA-0003. Introduction to Linux for Real-Time Control. Introductory Guidelines and Reference for Control Engineers and Managers. Aeolean Inc., 54 Sarah Bishop Road Ridgefield. CT 06877-1215. Version 2.0.0, 2002-12-11, T1531. Mitronovas W., Wielandt E., 1975. High-precision phase calibration of long-period electromagnetic seismographs. Bull. Seismol. Soc. Am., 65(2), 441—424. Streckeisen STS-2. Appendix B. Summary Sheet for PASSCAL Sensor, 1997. www.iris.edu/hq/files/ programs/passcal/docs/sensor_specs/sts2.pdf . Usher M. J., Guralp C. M., Burch R. F., 1978. The Design of Miniature Wideband Seismometers. Geophys. J. Roy. Аstr. Soc. 55(is. 3), 605—613. Uyeda S., Nagao T., Hattori K., Hayakawa M., Miyaki K., MolchanovO., GladyshevV., BaranskyL., SchekotovA., Fedorov E., Pokhotelov O., Andreevsky S., Rozhnoi A., Khabazin V., Gorbatikov A., Gordeev E., Chebrov V., Sinitsyn V., Lutikov A., Yunga S., Kosarev G., Surkov V., Belyaev G., 2001. Geophysical Observatory in Kamchatka region for monitoring of phenomena connected with seismic activity. Nat. Hazards Earth System Sci., 1(1/2), 3—7. A device for calibrating and metrological verification of digital seismic recorders © S. V. Shcherbina, 2014 Periodic temporary change properties seismometrological own equipment or foreign develop- ment requires periodic their engineering studies and measurement control. In the period of the USSM is made on test seismometer calibration devices located in Russia. Now the number of seis- mic sensors of various industries in the country is increasing. Briefly describes the instrumentation developed for vibration testing of different seismometer output and results of its use for testing methods of metrological control procedures. Key words: seismometers, calibration, seismometry, metrology, measurement of real-time systems. References Bormann P., 2009. New Manual of Seismological Ob- servatory Practice (NMSOP). Potsdam: Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Р. 1—18. Güralp Systems Introduction, 2012. http://www.guralp. com/documents/html/MAN-SWA-0003. Introduction to Linux for Real-Time Control. Introductory Guidelines and Reference for Control Engineers and Managers. Aeolean Inc., 54 Sarah Bishop Road Ridgefield. CT 06877-1215. Version 2.0.0, 2002-12-11, T1531. Mitronovas W., Wielandt E., 1975. High-precision phase calibration of long-period electromagnetic seismographs. Bull. Seismol. Soc. Am., 65(2), 441—424. Streckeisen STS-2. Appendix B. Summary Sheet for PASSCAL Sensor, 1997. www.iris.edu/hq/files/ programs/passcal/docs/sensor_specs/sts2.pdf . Usher M. J., Guralp C. M., Burch R. F., 1978. The Design of Miniature Wideband Seismometers. Geophys. J. Roy. Аstr. Soc. 55(is. 3), 605—613. Uyeda S., Nagao T., Hattori K., Hayakawa M., Miya- УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ПОВЕРКИ ЦИФРОВЫХ ... Геофизический журнал № 2, Т. 36, 2014 171 ki K., Molchanov O., Gladyshev V., Baransky L., Schekotov A., Fedorov E., Pokhotelov O., Andre- evsky S., Rozhnoi A., Khabazin V., Gorbatikov A., Gordeev E., Chebrov V., Sinitsyn V., Lutikov A., Yunga S., Kosarev G., Surkov V., Belyaev G., 2001. Geophysical Observatory in Kamchatka region for monitoring of phenomena connected with seismic activity. Nat. Hazards Earth System Sci., 1(1/2), 3—7.

Устройство для калибровки и метрологической поверки цифровых сейсмических регистраторов

Institution

Ähnliche Einträge