CC BY
11ISSN 0868-5886 НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2019, том 29, № 1, c. 11-16
- РАБОТЫ С КОНФЕРЕНЦИИ -
УДК 550.361
© Д. В. Лиходеев, В. В. Гравиров, К. В. Кислов, С. М. Долов, 2019
ПРЕЦИЗИОННЫЕ УЗКОДИАПАЗОННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДАТЧИКИ
С целью исследования тонкой структуры температурных полей в толще горных пород, а также учета внутренних температурных вариаций в различных геофизических приборах созданы прецизионные узкодиапазонные температурные датчики, позволяющие проводить температурные измерения с относительной погрешностью не более 0.005 °С. В статье рассмотрены принципиальные способы достижения требуемой точности измерений, калибровки, установки необходимого рабочего температурного диапазона датчиков. Проведение измерений с использованием разработанных датчиков в штольне Баксанской нейтринной обсерватории ИФЗ РАН позволит получить уникальные данные о структуре и динамике теплового поля в окрестности вулкана Эльбрус.
Кл. сл.: температурные датчики, тепловое поле Земли, мониторинг
ВВЕДЕНИЕ
Исследование тонкой структуры температурных полей в толще горных пород в связи с малой скоростью распространения температурных возмущений и высокой долговременной температурной стабильностью требует высокоточных измерений вариаций температуры. Такое измерение временных вариаций температур с высокой точностью позволит получить оценку динамики температурных полей в толще горных пород уже в течение относительно непродолжительных сроков наблюдения. Установка подобных датчиков после их предварительной одновременной калибровки с разнесением их по вертикали позволит проводить экспериментальные высокоточные измерения динамики теплового потока. В качестве полигона для тестирования системы температурного мониторинга была выбрана уникальная геофизическая лаборатория № 2, находящаяся в составе СевероКавказской геофизической обсерватории ИФЗ РАН и располагающаяся в штольне Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН (БНО ИЯИ РАН) на расстоянии 4100 м от устья штольни [1].
Однако возможное применение приборов подобного типа не ограничивается только измерением температур горных пород или разнообразных грунтов. Такие высокочувствительные термометры позволят проводить высокоточный мониторинг температур внутри любых геофизических приборов. Окружающая температура, как и температурный режим внутри, например, сейсмометра, ока-
зывают существенное влияние на значения его выходных сигналов [2]. В связи с этим очевидно, что при проведении особо точных наблюдений совершенно необходимо вести измерение температуры подобных приборов [3, 4]. Неоценимую помощь такие термометры могут оказать при проектировании и отладке новых приборов, поскольку установка любых исполнительных устройств или электронных схем во внутреннем объеме сейсмических приборов будет вызывать внутренний локальный нагрев воздуха внутри прибора, что может приводить как к возникновению конвекционных воздушных потоков, так и к появлению длиннопериодных термических волн, оказывающих влияние и на элементы конструкции прибора, и на сам чувствительный элемент прибора, например маятник, в случае сейсмометра [5]. Помехи подобного типа относятся к классу трудно идентифицируемых. Учет их влияния до сегодняшнего дня весьма затруднителен ввиду отсутствия необходимых приборов — высокочувствительных малогабаритных электронных термометров.
ПРЕДПОСЫЛКИ К РАЗРАБОТКЕ
Температурные измерения, проводившиеся в БНО ИЯИ РАН с использованием различного типа датчиков [6, 7], позволили получить предварительную оценку температурных полей в ее окрестностях (рис. 1). На основе полученных ранее результатов измерений был сделан вывод о высокой
т .'■■ ■
40.5 40.4
Температуры в конце вырубки
39.4 39.2 39
11П iH
fill
1
J
гп l/ _UII 1L
HI
1 <1 m и
1ft_1
14:00:00 13.12.2007 10.01 .2003 30.01 .2003 19.02 .2003 14:00:00 23.03.2003
Низ
Верх
Время
Рис. 1. Динамика температуры в конце вырубки лаборатории № 2. Длительность записи 6 месяцев. Измерение поверхностных температур производилось при помощи миниатюрных термографов (логгеров) High Capacity Temperature Loggers iButton. Точность измерения 0.1 °С [7]
Рис. 2. Базовая блок-схема термометра
стабильности температуры в вырубке лаборатории № 2, однако из-за физической невозможности расположить датчики на достаточно большом расстоянии друг от друга по вертикали, ввиду того что высота штольни составляет всего 3.5 м и точность измерения использованных датчиков была не более 0.1 °С, погрешность измерений не позволила получить данные низкоамплитудных температурных флуктуаций.
Для измерения температур в отверстиях, пробуренных в штольне БНО ИЯИ РАН в рамках работ по совершенствованию системы температурного мониторинга в штольне Баксанской нейтринной обсерватории в ИФЗ РАН разработаны новые прецизионные узкодиапазонные (диапазон измерений не более 20 0С) дифференциальные температурные датчики, предназначенные для сверхточного измерения вариаций температур (с чувствительностью не хуже 0.005 0С). Проведение новых экспериментальных наблюдений с использованием этих термометров позволит в ближайшее время получить уникальные данные о структуре и динамике теплового поля.
ОПИСАНИЕ РАЗРАБОТКИ
Для прецизионного измерения температур в условиях их высокой стабильности была разработана схема специализированного узкодиапазонного дифференциального термометра, состоящего из нескольких взаимосвязанных блоков, представленных на рис. 2.
В качестве основного термочувствительного элемента термометра был выбран платиновый терморезистор, обладающий практически линейной температурной зависимостью изменения внутреннего сопротивления от внешней температуры, великолепной долговременной стабильностью базовых характеристик. Применение подобного типа терморезисторов позволяет проводить оперативную и нетрудозатратную замену одного терморезистора на другой в случае неисправности ввиду практически идентичных терморезистивных значений (с точностью до единиц Ом), а также отличной терморезистивной точности (соответствия реальных и теоретических значений зависимости сопротивления от температуры) в большом
ПРЕЦИЗИОННЫЕ УЗКОДИАПАЗОННЫЕ ДАТЧИКИ
13
5 4
3
[ 2
э
■ 1 О
^ л
О -1 X
с!
О
х Ъ
* -3 -4 -5
Выходной сигнал термометра
С
А
Рис. 3. Семейство зависимостей выходного сигнала термометра от температуры
20 30 40
Температура, [°С]
50
60
АЧХ выходного каскада усилителя
0.1
10 100 Частота, [Гц]
1000
Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика выходного каскада фильтра-усилителя при установке единичного коэффициента усиления
температурном диапазоне. Терморезистор входит в состав модуля формирования выходных сигналов, где текущее значение сопротивления терморезистора преобразуется в напряжение выходного дифференциального сигнала. Используя однопо-лярный источник питания, оказалось возможным не только в два раза увеличить выходной динамический диапазон прибора, но и активно бороться с любыми помехами, которые могут быть наведены в проводах и линиях связи между отдельными платами, поскольку внешние электромагнитные помехи в этом случае будут наводиться на оба выхода одновременно и одинаково.
Так как при разработке прибора была поставлена задача получить разрешение термометра не хуже 0.005 °С, то особое внимание было уделено мерам по дополнительному снижению уровня
возможных электромагнитных шумов и локализации их источников. Разумеется, при такой высокой чувствительности динамический диапазон термометра будет весьма ограничен. Поэтому для решения широкого класса задач по наблюдению термодинамического режима разнообразных объектов было разработано семейство дифференциальных термометров, обладающих как разной чувствительностью В/°С, так и рабочим температурным диапазоном: характеристики некоторых из них представлены на рис. 3. Из представленных характеристик видно, что варианты В и С обладают существенно уменьшенным рабочим диапазоном как по температуре, так и по значениям выходных дифференциальных напряжений. Это связано с тем, что данная модификация термометра, обладающая пониженным уровнем собственных
Рис. 5. Терморезистор с модулем формирования Рис. 6. Общий вид сборки 4-канального модуля выходного сигнала и защиты фильтрации и усиления
и наведенных шумов, должна использоваться совместно с последующим низкочастотным фильтром-усилителем, осуществляющим как фильтрацию измеренных температурных сигналов, так и их усиление до величины полного рабочего динамического диапазона. Амплитудно-частотная характеристика фильтра-усилителя при установке единичного коэффициента усиления, показана на рис. 4.
Частота среза низкочастотного фильтра настроена на 8 Гц по уровню -3 дБ. Это позволяет избавиться от большинства средне- и высокочастотных наведенных шумовых гармоник. Кроме этого, в схеме прибора присутствует также дополнительная схема низкочастотной фильтрации по шине питания, настроенная также на частоту 8 Гц, что позволяет убрать как гармоники, кратные частоте сетей питания 50 Гц, так и всевозможные помехи, которые могут возникать при использовании для питания термометра импульсных блоков питания, модулей AC-DC и DC-DC, шин питания систем сбора информации и т.п.
Функционально элементы дифференциального термометра расположены в двух герметичных корпусах. В первом миниатюрном корпусе размером 50 х 35 х 15 мм (рис. 5) расположены схемы модуля формирования выходного сигнала и модуля защиты. Данный корпус должен быть установлен максимально близко к термодатчику-терморезистору. С этим связаны его малые габариты, позволяющие производить его установку в скважинах малого диаметра и т.п.
Далее полученный дифференциальный сигнал передается по витой паре во второй корпус (рис. 6), где смонтированы схемы модуля фильтрации напряжения питания (один для всех термометров) и схемы модуля НЧ-фильтрации и усиления (по одной на каждый термометр). На рисунке представлен вариант для 4-канального дифференциального термометра. При помощи быстросъемных перемычек, установленных на электронной плате модуля, можно оперативно и независимо для каждого термометра менять коэффициент усиления. На рис. 7 показан общий вид сборки макета 4-ка-нального термометра, предназначенного для опытной установки в штольне Баксанской нейтринной обсерватории.
Выходные дифференциальные сигналы представленного термометра лежат в диапазоне от 0 до + 5 В, что позволяет его легко подключать к большинству современных электронных систем сбора информации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Созданные прецизионные температурные датчики найдут применение в широком круге геофизических задач, таких как учет температурных вариаций в различных сейсмодатчиках, наклономерах и других измерительных приборах. А также, что немаловажно, в составе системы постоянного температурного мониторинга в штольне Бак-санской нейтринной обсерватории, что позволит
Рис. 7. Общий вид макета сборки 4-канального дифференциального термометра
получать высокоточные данные о динамике температурного поля в окрестности вулкана Эльбрус и внесет важный вклад в продолжающееся комплексное изучение Эльбрусского вулканического центра [8, 9], что особенно актуально в свете активно развивающейся туристической инфраструктуры как в Баксанском ущелье, так и в Приэльбру-сье в целом.
Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской федерации для поддержки научных школ № НШ 5545.2018.5, а также в рамках гос. задания ИФЗ РАН.
7. Лиходеев Д.В. Исследование тепловых и наведенных волновых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра. Дис. ... канд. физ.-мат. наук. М., 2013. 151 с.
8. Маловичко А.А., Габсатарова И.П., Лиходеев Д.В., За-клюковская А.С., Преснов Д.А. Развитие системы разномасштабного сейсмического мониторинга в районе вулкана Эльбрус // Сейсмические приборы. 2014. Т. 50, № 4. С. 47-57.
9. Масуренков Ю.П., Собисевич А.Л., Лиходеев Д.В., Шевченко А.В. Тепловые аномалии Северного Кавказа // Доклады Академии наук. 2009. Т. 428, № 5. С. 667-670.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Собисевич А.Л., Гриднев Д.Г., Собисевич Л.Е., Кано-ниди К.Х. Аппаратурный комплекс Северокавказской геофизической обсерватории // Сейсмические приборы. 2008. Т. 44, № 1. С. 21-42.
Кислов К.В., Гравиров В.В. Исследование влияния окружающей среды на шум широкополосной сейсмической аппаратуры. Серия "Вычислительная сейсмология", вып. 42. М.: Красанд, 2013, 240 с. Кислов К.В., Гравиров В.В. Шумы упругих элементов сейсмической аппаратуры // Естественные и технические науки. 2008. Т. 37, № 5. С. 142-148. Гравиров В.В., Кислов К.В. Критичность сейсмометра к вариациям параметров // Электр. научн. ж. "Исследовано в России". 2008. № 26. С. 301-312. Гравиров В.В., Кислов К.В. Один из путей генерации температурной помехи широкополосного сейсмометра // Электр. научн. ж. "Исследовано в России". 2008. № 27. С. 313-321.
Голубев В.Г., Лиходеев Д.В. Система геотермического и климатического мониторинга Баксанской геофизической обсерватории // Сейсмические приборы. 2006. Т. 42. С. 29-36.
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, Москва (Лиходеев Д.В., Гравиров В.В.)
Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН, Москва (Гравиров В.В., Кислов К.В.)
Федеральный исследовательский центр "Единая геофизическая служба Российской академии наук", Обнинск (Долов С.М.)
Контакты: Лиходеев Дмитрий Владимирович, dmitry@ifz.ru
Материал поступил в редакцию 28.06.2018
ISSN 0868-5886
NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2019, Vol. 29, No. 1, pp. 11-16
PRECISION NARROW BAND DIFFERENTIAL TEMPERATURE SENSOR
D. V. Likhodeev1, V. V. Gravirov1,2, K. V. Kislov2, S. M. Dolov3
1Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences, Moscow; Russia Institute of Earthquake Prediction Theory and Mathematical Geophysics of the Russian
Academy of Science , Moscow;Russia Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences (GS RAS), Obninsk, Russia
Recently, we have created precision narrow-band temperature sensors that allow us to measure temperature with a relative error of at least 0.005 oC. These temperature sensors are designed to study the fine structure of temperature fields in the rock solid, as well as to take into account internal temperature variations in various geophysical devices. The article considers the principal ways to achieve the required accuracy of measurements, calibration, and installation of the necessary operating temperature range of the sensors. Carrying out measurements using the developed sensors in the tunnel of the North Caucasus Geophysical Observatory of the IPE RAS in the Baksan Gorge will provide unique data on the structure and dynamics of the thermal field near the Elbrus volcano.
Keywords: temperature sensors, the Earth's thermal field, monitoring
REFERENСES
1. Sobisevitch A.L., Gridnev D.G., Sobisevitch L.E., Kano-nidi K.Kh. [Instrumental System of the North Caucasus Geophysical Observatory]. Sejsmicheskie pribory [Seismic instruments], 2008, vol. 44, no. 1, pp. 21-42. DOI: 10.3103/S0747923908010027 (In Russ.).
2. Kislov K.V., Gravirov V.V. Issledovanie vliyaniya okruzhayushchej sredy na shum shirokopolosnoj sejs-micheskoj apparatury. Seriya "Vychislitel'naya sejsmo-logiya" [Research of influence of a surrounding medium on noise of the broadband seismic equipment. Computing Seismology series]. Moscow, Krasand Publ., 2013, vol. 42. 240 p. (In Russ.).
3. Kislov K.V., Gravirov V.V. [Noise of elastic elements of the seismic equipment]. Estestvennye i tekhnicheskie nau-ki [Natural and technical science], 2008, vol. 37, no. 5, pp. 142-148. (In Russ.).
4. Gravirov V.V., Kislov K.V. [Criticality of a seismometer to variations of parameters]. Elektronnyj nauchnyj zhurnal "Issledovano v Rossii" [Online scientific magazine "It is investigated in Russia"], 2008, no. 26, pp. 301-312. (In Russ.).
5. Gravirov V.V., Kislov K.V. [One of paths of oscillation of a temperature hindrance of a broadband seismometer].
Contacts: Likhodeev Dmitriy Vladimirovitch, dmitry@ifz.ru
Elektronnyj nauchnyj zhurnal "Issledovano v Rossii" [Online scientific magazine "It is investigated in Russia"], 2008, no. 27, pp. 313-321. (In Russ.).
6. Golubev V.G., Lihodeev D.V. [System of geothermic and climatic monitoring of the Baksan geophysical observatory]. Sejsmicheskie pribory [Seismic instruments], 2006, vol. 42, pp. 29-36. (In Russ.).
7. Lihodeev D.V. Issledovanie teplovyh i navedennyh vol-novyh processov v rajone El'brusskogo vulkanicheskogo centra. Diss. kand. fiz.-mat. nauk [Research of the thermal and induced wave processes around the Elbrus volcanic center. Cand. phys. math. sci. diss.]. Moscow, 2013. 151 p. (In Russ.).
8. Malovichko A.A., Gabsatarova I.P., Likhodeev D.V., Zaklyukovskaya A.S., Presnov D.A. [Development of the multiscale seismic monitoring system in the Elbrus volcano region]. Sejsmicheskie pribory [Seismic instruments], 2014, vol. 50, no. 4, pp. 47-57. (In Russ.).
9. Masurenkov Yu.P., Sobisevich A.L., Lihodeev D.V., Shevchenko A.V. [Thermal anomalies of the North Caucasus] . Doklady Akademii nauk [Reports of Academy of Sciences], 2009, vol. 428, no. 5, pp. 667-670. (In Russ.).
Article received in edition 28.06.2018
