Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Мониторинг сейсмических воздействий

Скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр сильных движений

1. Введение

Скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр (АЦТС) сильных движений, был разработан в рамках договора с ОАО «Газпром».

В рамках ОКР «Разработка скважинного трехкомпонентного цифрового акселерометра сильных движений» была разработана конструкторская и эксплуатационная документация скважинного трехкомпонентного цифрового акселерометра сильных движений (АТЦС), программно-математическое обеспечение и изготовлены три опытных образца.

Скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр сильных движений и программно-математическое обеспечение, входящее в его состав, представляют собой программно-аппаратный комплекс технических средств.

АТЦС не имеет аналогов в мире по совокупности потребительских и функциональных характеристик.

АТЦС предназначен для создания (оснащения) систем мониторинга сильных движений на потенциально опасных объектах, которые позволят уменьшить последствия от сильного землетрясения и сократить ущерб от разрушения охраняемых объектов при таком землетрясении.

АТЦС может использоваться самостоятельно для регистрации ускорений и выдачи сигналов тревоги в случае обнаружения землетрясения с заданным порогом в диспетчерскую потенциально опасных объектов, или в соответствующие службы МЧС.

Список сокращений

Сокращение	Наименование
АТЦ	Акселерометр трехкомпонентный цифровой
АТЦС	Скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр
АЦП	Аналого-цифровой преобразователь
БСД	Блок сбора данных
ДНД	Датчик несанкционированного доступа
ПИ	Преобразователь измерительный однокомпонентный
ВСУ	Вышестоящее устройство
ДПП	Датчик положения платформы
ИВП	Источник вторичного питания
ИОЦ	Информационно-обрабатывающий центр
МОУ	Модуль обработки и управления
МП	Модуль процессорный
МПЗ	Модуль питания и защиты
МПИ	Модуль преобразователей измерительных
МСВ	Модуль синхронизации времени
МФЧХ	Модуль формирования частотных характеристик
ПМО	Программно-математическое обеспечение
СМСД	Система мониторинга сильных движений
ССМ	Система сейсмического мониторинга
ТГЗ	Терминал грозозащиты
ШСД	Шкаф сбора данных
ЭК	Электронный компас
ST	Self Test – электронное самотестирование

 

2. Сравнение технических характеристик

Сравнение технических характеристик скважинного трехкомпонентного цифрового акселерометра сильных движений с зарубежными аналогами (данные из документа «Руководство по аппаратному обеспечению для Улучшенной национальной сейсмической системы», подготовленного Геологической службой США от 13 июня 2007 года – «Instrumentation guidelines of Advanced National Seismic System (ANSS)» prepared by U.S. Geological Survey) приведено в таблице 1. Зеленым выделены параметры, превосходящие аналог.

Таблица 1

Наименование параметра	Характеристики трехкомпонентного цифрового акселерометра сильных движений Исполнителя	Характеристики трехкомпонентного акселерометра для ANSS
Количество ортогональных осей чувствительности, каждая из которых соответствует своему каналу преобразования по одному из направлений X, Y или Z	3	3
Диапазон амплитуд измеряемого ускорения каждого канала преобразования, не менее	±40 м/с2 (±4g)	±35 м/с2 (±3,5 g)
Динамический диапазон в полосе частот 0,1 – 35 Гц, не менее	100 Дб	87,3 Дб
Диапазон рабочих частот каждого канала преобразования (по уровню – 3 дБ),	0,1…50 Гц	0,1…50 Гц
Предел основной допускаемой погрешности каждого канала преобразования акселерометра в диапазоне частот до 10 Гц, не более	±1%	±1%
Относительный коэффициент поперечного преобразования акселерометра, не более	— 40 Дб	— 40Дб
Коэффициент нелинейности амплитудной характеристики на частоте 1 Гц, не более	— 70 Дб	-70Дб
Гистерезис, не более	— 70 Дб	-70Дб
Предел дополнительной погрешности каждого канала преобразования акселерометра от влияния температуры в диапазоне рабочих температур, не более	±2% при температуре от -30 до +45 °С ±1% при температуре от 0 до +40 °С	±2% при температуре от -20 до +40 °С ±1% при температуре от 0 до +40 °С
Время восстановления работоспособности датчика после перегрузки по ускорению (сейсмическому сигналу), не более	10 с	10 с
Погрешность синхронизации времени GPS , не хуже	1 мс	1 мс
Напряжение питания	24 В (+15% / –10%)	24 В (+15% / –10%)
Частота дискретизации АЦП, максимальная, не менее	200 Гц	200 Гц
Число эффективных разрядов АЦП при частоте дискретизации 200 Гц для каждого канала в полосе частот 0,1 — 35 Гц	18	16
Контроль работоспособности	Механическая калибровка	Электронная калибровка
Погрешность определения наклона датчика к горизонтальной плоскости, град., не более	± 0,5	нет
Погрешность определения ориентации  датчика по сторонам света, град, не более	± 1	нет
Количество серийных портов  RS 485 со скоростью передачи данных 115 200 бит/с	2	2
Объем энергонезависимой памяти до, ГБ	32	8
Возможность работы в режимах накопления или передачи информации	есть	есть
Длина кабеля между АТЦ и ШСД не более	1200 м	100 м
Жизненный цикл	12 лет	10 лет
Условия эксплуатации: — температура	от -30 до +45°С	от — 0 до + 45°С
Степень защиты в соответствии со шкалой IEC 60529	IP68	IP67
Возможность работы в затопленных скважинах глубиной до100 м	есть	нет
Возможность установки в скважину и на постамент	есть	нет
Наличие грозозащиты между устройствами, составляющими скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр	есть	нет

Сравнение технических характеристик Блока сбора данных, входящего в состав скважинного цифрового трехкомпонентного акселерометра и Блока сбора данных ANSS приведено в таблице 2.

Таблица 2

Наименование параметра	Характеристики Блока сбора данных Исполнителя	Характеристики блока сбора данных ANSS
Жизненный цикл	12 лет	10 лет
Количество независимых последовательных портов RS-232 RS-485 10/100BaseT (TCP/IP)	1 2 1	2 нет данных нет данных
Скорость передачи данных по последовательным портам, не более по каналу RS-232 по каналам RS-485 10/100BaseT (TCP/IP)	115200 бит/с 115200 бит/с 100 Mбит/с	Нет данных
Объем ОЗУ, не менее	2 Мбайт	2 Мбайт
Объем энергонезависимого ОЗУ, не менее	8 Мбайт (*можно нарастить до 2 Гбайт)	8 Мбайт
Наличие синхронизации времени	Встроенный GPS	Встроенный GPS
Точность привязки к системе единого времени при использовании для синхронизации приемника GPS, не хуже	1 мс	2 мс
Диапазон рабочих температур	от -40°C до +60°C	от -40°C до +60°C
Степень защиты в соответствии со шкалой IEC 60529	IP67	IP67
Измерение ориентации по вертикали и азимута	есть	нет
Пересчет измеряемых ускорений в мировую систему координат север (Y), восток (X), вертикаль (Z)	есть	нет

3. Структурная схема АТЦС

4. Функции, выполняемые АТЦС

Выделены функции, которых нет у аналога.

• Непрерывное измерение ускорений, наведенных на грунт в месте его размещения.

• Привязка измеренных ускорений к системе единого времени и системе географических координат.

• Измерение ориентации по вертикали и по азимуту.

• Пересчет измеренных ускорений в мировую географическую систему координат – север (Y), восток (Х), вертикаль (Z).

• Распознавание землетрясений с соответствующими параметрами по заданному алгоритму обнаружения на фоне техногенных и природных сейсмических событий, воздействующих на промышленный объект.

• Расчет параметров землетрясения:

• Пиковое ускорение
• Длительность события по 99,9% зарегистрированной энергии
• Длительность превышений определенного порога
• Полная зарегистрированная энергия
• Максимальная скорость
• Основная частота
• Ширина пика основной частоты
• Пиковые значения спектральных откликов

• Формирование релейного сигнала тревоги «Уровень высокий»

• Формирование релейного сигнала тревоги «Уровень опасно высокий»

• Запись и хранение данных о сейсмических событиях (в данные включаются также метаданные, описывающие происхождение каждого пакета)

• Диагностика узлов АТЦС и каналов связи

• Механическая калибровка измерительных акселерометрических каналов по командам дистанционного управления

• Формирование релейного сигнала о неисправности или отказе АТЦС

• Передача зарегистрированных данных и диагностической информации по протоколам TCP\IP в сетевой процессор для последующей обработки.

4.1. Внешний вид измерительного оборудования АТЦС

5. КОМПОНЕНТЫ АТЦС

5.1. Акселерометр трехкомпонентный цифровой АТЦ

5.1.1. Функции, выполняемые акселерометром трехкомпонентным цифровым АТЦ (датчиком, устанавливаемым в скважину)

• Измерение наведенных ускорений по трем ортогональным компонентам X, Y и Z и их преобразование в цифровой код;

• Измерение ориентации компонентов акселерометра в пространстве;

• Привязка измеренных данных к системе единого времени;

• Промежуточное хранение зарегистрированной информации;

• Передача зарегистрированной информации по запросу в БСД по каналу RS-485;

• Автоматическое самотестирование и передачу результатов тестирования по запросу в БСД;

• Механическое тестирование измерительных акселерометрических каналов по команде от БСД;

• Измерение частоты опроса АЦП по команде от БСД.

5.1.2. Технические характеристики АТЦ

Наименование параметра	Величина
Количество ортогональных осей чувствительности, каждая из которых соответствует своему каналу преобразования по одному из направлений X, Y или Z	3
Диапазон амплитуд измеряемого ускорения каждого канала преобразования, не менее	±40 м/с2 (±4g)
Динамический диапазон в полосе частот 0,1 – 35 Гц, не хуже	100 дБ
Диапазон рабочих частот каждого канала преобразования (по уровню – 3 дБ), Гц	0,1…50
Предел основной допускаемой погрешности каждого канала преобразования акселерометра на частотах до 10 Гц  при измерении амплитуды ускорения 10 м/с2  ± 10%, не более	±1%
Точность измерения ориентации АТЦ по азимуту, не хуже	1°
Точность ориентации АТЦ по плоскости горизонта (отклонение осей X и Y от горизонтали), не хуже	0,5°
Относительный коэффициент поперечного преобразования акселерометра, не хуже	– 40 дБ
Коэффициент нелинейности амплитудной характеристики на частоте 1 Гц, не хуже	– 70 дБ
Гистерезис	–70 дБ
Предел дополнительной погрешности каждого канала преобразования акселерометра от влияния температуры в диапазоне от минус 30 до 45°С, не более	>±2% от -30 до +40 °С >±1% от -0 до +40 °С
Восстановление работоспособности датчика после перегрузки по ускорению (сейсмическому сигналу)	≤10 с
Частота дискретизации АЦП, максимальная, не менее	200 Гц
Число эффективных разрядов АЦП при частоте дискретизации 200 Гц для каждого канала в полосе частот 0,1 — 35 Гц	18
Точность привязки к системе единого времени	≤1 мс
Контроль работоспособности	Механическая калибровка
Напряжение питания	24 В (+15% / –10%)
Мощность потребления в рабочем режиме при выключенной системе контроля измерения ориентации (Электронный компас)	3 Вт
Габаритные размеры, не более мм диаметр высота (с соединителями)	135 450
Масса, кг, не более:	10
Условия эксплуатации: -температура -относительная влажность   -атмосферное давление, кПа -вибропрочность при воздействии синусоидальной вибрации с параметрами: -частота, Гц; -амплитуда смещения, мм	от минус 30 до + 45°С 100% при температуре 40°С и более низких температурах c конденсацией влаги. 66-106,7   10-55 0,15
Степень защиты в соответствии со шкалой IEC 60529	IP68

5.1.3. Внешний вид АТЦ

 

Рис. АТЦ (слева) и Блок акселерометров с устройством механической калибровки (справа)

5.1.4. Схема установки АТЦ в скважину

5.2. Блок сбора данных БСД

5.2.1. Функции, выполняемые блоком сбора данных БСД

• Сбор зарегистрированных данных с АТЦ;

• Мониторинг работоспособности узлов БСД и каналов связи;
• Синхронизация времени АТЦ с единым временем с помощью GPS приемника;
• Анализ полученных данных для распознавания землетрясений с соответствующими параметрами по заданному алгоритму обнаружения на фоне техногенных и природных сейсмических событий, воздействующих на промышленный объект;
• Расчет параметров землетрясения;
• Формирование релейного сигнала тревоги «Уровень высокий»;
• Формирование релейного сигнала тревоги «Уровень опасно высокий»;
• Запись и хранение данных о сейсмических событиях в энергонезависимой памяти;
• Формирование релейного сигнала о неисправности или отказе АТЦС;
• Передача зарегистрированных и рассчитанных данных и диагностической информации по TCP\IP для последующей обработки.

5.2.2. Технические характеристики БСД

Наименование параметра	Величина
Напряжения питания	+24 ± 6В
Количество независимых последовательных портов RS-232 RS-485 Ethernet 10/100 Base-T  по протоколам (TCP/IP)	1 2 1
Скорость передачи данных по последовательным портам, не более по каналу RS-232(или USB) по каналам RS-485	115200 Бит/с 115200 Бит/с
Объем ОЗУ, не менее	2 Мбайт
Объем энергонезависимого ОЗУ, не менее	8 Мбайт
Наличие синхронизации времени	Встроенный GPS
Точность привязки к системе единого времени при использовании для синхронизации приемника GPS, не хуже	1 мс
Температурная и суточная стабильность частоты внутреннего опорного генератора, не хуже	соответственно 1×10-7/°С и 1×10-7/сутки.
Мощность потребления	2,3 Вт
Габаритные размеры, мм* длина ширина (с соединителями) высота	230 150 90
Масса, кг, не более	1,5
Степень защиты в соответствии со шкалой IEC 60529	IP65

 

5.2.3. Внешний вид БСД

5.3. Шкаф сбора данных ШСД

Шкаф сбора данных предназначен для размещения наземной аппаратуры АТЦС (БСД, батареи, устройств коммутации и т.д.).

ШСД должен размещаться в помещениях с нерегулируемыми климатическими условиями (контейнер).

Терминал грозозащиты ТГЗ
Терминал грозозащиты предназначен для обеспечения грозозащиты АТЦ.
Терминал размещается в оголовке измерительной скважины.
Корпус обеспечивает защиту в соответствии со спецификацией IEC 60529, не ниже IP66.

Функциональные преимущества АТЦС перед зарубежными аналогами

• Измерение ориентации по вертикали и по азимуту.
• Пересчет измеренных ускорений в мировую географическую систему координат – север (Y), восток (Х), вертикаль (Z).
• Распознавание землетрясений с соответствующими параметрами по заданному алгоритму обнаружения на фоне техногенных и природных сейсмических событий, воздействующих на промышленный объект.

• Расчет параметров землетрясения в реальном времени:

• Пиковое ускорение
• Длительность события по 99,9% зарегистрированной энергии
• Длительность превышений определенного порога.
• Полная зарегистрированная энергия
• Максимальная скорость
• Основная частота
• Ширина пика основной частоты
• Пиковые значения спектральных откликов
  • Механическая калибровка измерительных акселерометрических каналов по командам дистанционного управления.

Иллюстрация функций и возможностей АТЦС

Приведенный скриншот иллюстрирует все функциональные возможности АТЦС.

Программа «БСД-АТЦ_Тест». Закладка «Параметры БСД и АТЦ». Демонстрация функций и возможностей самотестирования в процессе работы. АТЦС работает в штатном режиме – транспаранты «Тревога» и «Поломка» не подсвечены красным.

В процессе функционирования АТЦС производит полную самодиагностику работы всех узлов и элементов, а также в реальном времени происходит перерасчет измеряемых ускорений (три координаты) в мировую систему координат North – South – West – East — Z.

________________________________________
* Размеры могут уточняться в процессе разработки КД.