NO174490B - Signalsensor som er ufoelsom for variasjoner i statisk trykk - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en signalsensor som er ufølsom for variasjoner i det statiske trykk som opptrer i mediet hvor den er anordnet.

En slik signalsensor kan anvendes i et hvilket som helst medium hvor det er ønskelig å utføre akustiske signalmålinger, og spesielt i vann. Den er for eksempel egnet i oseanografi for å utføre undersjøiske deteksjons-operasjoner eller ellers for å tildanne multisensor-mottaksanordninger som er egnet for marine seismiske prospekterings-operasjoner.

Fra fransk patent 2122 675 er det kjent en hydrofon som består av to sirkulære plater. I det minste en av platene omfatter et sentralt, fleksibelt parti mot hvilket det er fastgjort et sensitivt element tilformet av en piezoelektrisk, keramisk skive tilordnet med en elektrode på hver av sine to flate motstående overflater. Periferipartiet til de to platene er forsterket og stivt. De to platene blir påtrykt hverandre og definerer et indre luftfylt hulrom. Variasjonen i de seismiske signalene som skal måles, deformerer hvert fleksible sentrale parti. Hvert sensitive element arbeider under bøyning eller elastisitet, hvilket gir det en høy følsomhet. Det statiske trykket som for eksempel øker med nedsenkningsdybden, får hver fleksibel plate til å bøye seg innover i anordningen. Anordningen er videre utformet slik at mulig deformasjon av de fleksible platene under virkningen av det statiske trykket, er reversibel. For å oppnå dette er avstanden mellom de to platene valgt for eksempel slik at de støter mot hverandre før deres deformasjon blir reversibel.

En ^lik hydrofon er egnet for et gitt dybdeområde.

Ved å gjøre de to motstående platene tykkere, kan dybde-området hvor hydrofonen kan virke økes, men dette skjer på bekostning av dens følsomhet. En bør også merke seg at den elektriske kapasitansen til hvert følsomme element som arbeider under bøyning eller elastisitet, varierer med graden av bøyning i deformasjonen. Responsen til hydrofonen endrer seg så med dybden.

Fra det Franske patentet 1 556 971 er det også kjent en hydrofon som omfatter et følsomt element fastgjort til en tynn fleksibel plate som er festet til et stivt legeme. Det sist-nevnte har to indre, luftfylte rom som kommuniserer via en kapillar kanal. Et første hulrom er adskilt fra det eksterne medium med en fleksibel membran. Den ytre overflaten til den fleksible platen er utsatt for trykket som skal måles. Trykket som hersker i det andre hulrommet, blir påtrykt dets indre overflate. Variasjonene i det eksterne trykket blir overført inn i det første hulrommet ved deformasjon av den fleksible membranen, men kapillar-kanalen virker som et lavpassfilter som forhindrer transmisjonen av de dynamiske variasjonene i trykket som skal måles, inn i den andre hulrommet, fra den indre siden av den tynne platen. De dynamiske variasjonene kan så måles.

Også fra US patent nr. 4,166,229 er det tidligere kjent en signalsensor av tilsvarende type, som omfatter minst en plate hvis sentrale parti er fleksibelt, et følsomt element i form av en skive fastgjort mot den første overflate av platen og filtreringsinnretninger for å skjerme den motstående overflaten til platen fra de dynamiske variasjonene av trykket i mediet.

Med slike arrangementer som nevnt ovenfor vil dybde-området hvor hydrofonen kan arbeide bli økt vesentlig. Begrensningene blir hovedsakelig bestemt av membranens evne til å kompensere, ved dens deformasjon, variasjonene i det eksterne statiske trykket. En bør også merke seg at den dynamiske variasjons-filtreringseffekten tilveiebrakt av kapillar-røret, avhenger av dets lengde. Dersom det er ønskelig å øke passbåndet til en slik hydrofon så mye som mulig mot de lave frekvensene, må det anvendes et svært langt kapillar-rør. I praksis så er en slik løsning vanskelig å få til med utformingen av svært små hydrofoner som anvendes i store antall i utformingen av eksempelvis seismiske strimere.

Sensoren i henhold til oppfinnelsen unngår de ovenfor beskrevne ulemper.

Sensoren defineres nøyaktig i de vedføyde patentkravene.

Den omfatter i det minste en fleksibel plate, et følsomt element fastgjort til denne platen og filtrerings-innretninger for å skjerme en av overflatene til nevnte plate fra de dynamiske variasjonene av trykket i mediet. I denne sensoren omfatter filtreringsinnretningen et volum av hovedsakelig ukomprimerbart, absorberende materiale tilpasset for å overføre variasjoene i det statiske trykket i mediet til denne overflaten.

Volumet av hovedsakelig ukomprimerbart, absorberende materiale er inneholdt i for eksempel en beholder som er åpen mot mediet.

Volumet av hovedsakelig ukomprimerbart, absorberende materiale er tilformet av for eksempel fibre laget av et stivt materiale fra en såkalt syntaktisk substans, av baller laget av et massivt materiale (glass for eksempel) belagt med et bindemiddel eller badet i en væske.

I en utførelse omfatter sensoren i henhold til oppfinnelsen i det minste et par fleksible plater som hver har et følsomt element og et volum av hovedsaklig av ukomprimerbart absorberende materiale for å skjerme en overflate til hver av platene fra de dynamiske variasjoene til trykket i mediet.

De fleksible platene er for eksempel vegger til en felles beholder som inneholder volumet av dempematerialet og som har åpninger, idet denne beholderen kan omfatte et gitterdekket parti og er fylt med for eksempel glasskuler eller baller.

Når dempematerialet er tilstrekkelig koherent slik at det kan skjæres til blokker, kan sensoren i henhold til oppfinnelsen være utformet ved at i det minste en fleksibel plate med dennes følsomme element er påtrykket mot en overflate til nevnte blokk.

Volumet av hovedsakelig ukomprimerbart, absorberende materiale, enten det er massivt eller impregnert med væske, er tilpasset til å overføre enhver endring i det statiske trykket i mediet, og de to motstående overflatene til hver fleksibel plate blir derfor utsatt for like krefter. De skadelige virkninger og/eller begrensningene blir frembrakt i de tidligere kjente sensorer ved økningen av det statiske trykket til mediet overkommes derfor fullstendig.

Siden det absorberende materialet som anvendes er hovedsakelig ukomprimerbart, kan sensoren i henhold til oppfinnelsen motstå mulig komprimering. Dette gjør bruken av piezoelektrisk keramikk mulig, hvilket materiale er relativt skjørt, men har en høy elektro-akustisk effektivitet, når det er limt til svært tynne og svært fleksible plater.

Uansett hvilken utførelsesform som velges for å tildanne sensoren i henhold til oppfinnelsen, blir strukturen enklere, siden det absorberende materialet har samme trykk som det eksterne mediet, og t.o.m i noen tilfeller er impregnert med selve dette mediet. Vanskelighetene som kunne oppstå ved avtettende isolering av det indre mediet til sensorbeholderen, blir her eliminert.

Konstruksjonen av en beholder med åpninger og for eksempel dekket med et gitterparti og fylt med absorberende materiale er svært enkel å få til. Derved kan det frembringes en svært følsom sensor med liten størrelse og ved lave kostnader.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i patentkravene angitte trekk.

Andre egenskaper og fordeler med oppfinnelsen i henhold til oppfinnelsen vil fremgå tydelig ved å lese beskrivelsen av utførelser som er gitt som eksempler, med henvisning til de medfølgende tegninger hvor: Fig. 1 viser konstruksjonen av et følsomt element; Fig. 2 viser en første utførelsesform av sensoren med en enkel, fleksibel plate; Fig. 3 viser en andre utførelse av sensoren med to fleksible plater; Fig. 4 viser en variant av den forutgående utførelse; Fig. 5 viser en tredje utførelse av sensoren i henhold til

oppfinnelsen; og

Fig. 6 viser en bruk av sensoren inne i en seismisk streamer.

Hver sensor omfatter (figur 1) en eller flere følsomme elementer 1, som hvert er tilformet som for eksempel en skive 2 av et piezoelektrisk materiale på hvis motstående overflater det er fastlimt to ledende filmer 3, 4 som danner samle-elektrodene. Elektriske ledere 5 forbinder elektrodene med en tilpasningsforsterker (ikke vist) som er velkjent.

I utførelsen vist på figur 2 omfatter sensoren for eksempel et følsomt element 1 som er påført mot en tynn og fleksibel sirkulær plate 6 som har en ringformet flens 7. Denne flensplate 6, 7 er krympet på en ende av en stiv, rørformet hylse 8. Den motstående ende til hylsen er lukket av en plate 9 med åpninger, for eksempel i form av gitter. Åpningene bringer innsiden av hylsen 8 i forbindelse med det eksterne medium. Innsiden av hylsen er fylt med et dempemateriale 10 som er valgt for dets egenskaper til å filtrere de dynamiske variasjonene i det eksterne trykket ned til svært lave frekvenser.

Forskjellige materialer kan være egnet. Eksempelvis kan et fibrøst materiale velges så som en glassfiber eller et tekstilmateriale. I drift er dette fibrøse materiale impregnert med fluidet hvori trykksensoren er anordnet. Det statiske trykket til fluidet blir derfor påtrykt begge sider av platen 6 som opplagrer det sensitive elementet 1. På grunn av filtreringen tilveiebrakt av dempematerialet 10, blir de dynamiske variasjonene til fluidtrykket påtrykt bare en side av den fleksible platen. Det sensitive elementet 1 kan så oppfange vibrasjonene til denne platen og omforme dem til et elektrisk signal.

I utførelsen på figur 3 omfatter sensoren to sensitive elementer 1 tilordnet med respektive to identiske plater 6, 7 som avskjærer de motstående endene til en hylse 8 hvis sidevegger er gjennomboret av flere hull 11. Det indre av hylsen er fylt med et lignende dempemateriale, en fibrøs substans eller en annen porøs substans som kan impregneres med fluidet som trenger inn i hylsen gjennom åpningene 11. På tilsvarende måte virker dette dempematerialet slik at det skjermer de indre overflatene til de to platene 6, 7 mot det statiske trykket til mediet. De to sensitive elementene er forbundet elektrisk (ved hjelp av ikke viste ledere) på kjent måte for å tilveiebringe elektrisk kompensasjon for

akselerasj oner.

Som dempemateriale kan ytterligere en sammensatt substans av en syntaktisk type anvendes.

Utførelsen vist på figur 4 avskjærer de to fleksible flensplatene 6, 7 endene til en hylse tilformet av et gitterrør 12. Det indre er fylt med et fibrøst eller porøst dempemateriale som tidligere eller glasspartikler eller baller/kuler 13 med noen få millimeter i diameter. Disse baller eller kuler kan være innleiret i et bindemiddel 14 så som en epoxyharpiks.

Den akustiske impedansen til glass er svært forskjellig fra den akustiske impedansen til bindemiddelharpiksen. På grunn av den høye kuletettheten som inneholdes i materialet og også på grunn av plass/epoxy-grensesnittene absorberer det sammensatte materialet de variable akustiske bølgene på den samme siden som den indre overflaten til platene 6, 7. Variasjoner i det eksterne statiske trykket blir imidlertid overført til de indre overflatene til disse samme platene 6, 7. Med denne utførelse er sensoren også i stand til å arbeide uten hensyn til det statiske trykket til det eksterne mediet. Kulene eller kornene kan være tilformet av et hvilket som helst massivt materiale hvis akustiske impedans er forskjellig fra materialet det er innleiret i.

I en variant kan den mellomliggende substans mellom kulene erstattes av fluidet hvori sensoren er plassert.

I utførelses på figur 5 har dempematerialet tilstrekkelig kohesjon slik at det kan skjæres til en blokk 15. Hver opp-lagringsplate 6, 7 blir påført direkte mot en flate av blokken 15 slik at dens indre overflate blir skjermet fra variasjonene

1 det dynamiske trykket som blir absorbert av materialet. Sensorer av typen vist i utførelseseksemplene på figurene 2 til 5 kan være anordnet i en seismisk streamer 16. Den omfatter vanligvis en fleksibel kappe 17 med lang lengde og eksempelvis fylt med olje eller parafin, og hvor det langs hele lengden er anordnet et stort antall trykksensorer 18 som er adskilt fra hverandre. På grunn av åpningene tilformet i hver hylse 8 blir dempematerialet når det er fibrøst eller porøst impregnert med væsken som fyller streameren 16. Variasjoner i det eksterne trykket, enten statiske eller dynamiske, blir overført til den indre væsken via kappen 17. Men her igjen blir bare de dynamiske variasjonene målt av hvert følsomt element.

I de forskjellige beskrevne utførelser kan fluidet hvori sensoren er plassert bli brukt som mellomliggende fluid (tilfellet med glasskuler) eller som impregneringsfluid (tilfellet med porøst eller fibrøse materialer). Fluidet kan være vann dersom sensoren blir brukt, som den gjør, som en hydrofon. En bør imidlertid merke seg at dempeeffekten på de akustiske signalene er bedre når væsken er viskøs. Dette er tilfellet ved væsken som vanligvis fyller seismiske streamere.

Uten å forlate rammen for oppfinnelsen, kan beholderen til sensoren være isolert fra det eksterne medium. Fluidet inne i beholderen blir så holdt i et likt statisk trykk med det eksterne medium ved hjelp av balanseringsinnretninger. Fluidet kan i dette tilfellet være valgt som en funksjon av dets fysiske egenskaper for å danne et optimalt akustisk absorberende materiale sammen med dempemediet.

Det ligger fremdeles innenfor oppfinnelsen å erstatte åpningen i beholderen vist på figurene 2-4 med beholdere laget av et sintret materiale som har den egenskap at det er transparent for statiske trykkvariasjoner. Et egnet materiale kan frembringes ved for eksempel å komprimere små kuler under høyt trykk. Kornstørrelsen avhenger av størrelsen på kulene. I noen tilfeller, og i det minste bestemte frekvensbånd, vil en beholder laget av et sintret materiale også dempe de dynamiske trykkvariasjonene. Den kan brukes alene eller i kombinasjon med et akustisk absorberende materiale så som de som er beskrevet ovenfor, for å absorbere de dynamiske variasjonene som kan bli overført til innsiden.

Claims (14)

1. Signalsensor som er ufølsom for variasjoner i ét statisk trykk som hersker i et medium hvor sensoren er plassert, omfattende minst en plate (6, 7) hvis sentrale parti er fleksibelt, et følsomt element (1) i form av en skive fastgjort mot en første overflate av platen og filtrerings-innretninger for å skjerme den motstående overflaten til hver plate fra de dynamiske variasjonene til trykket i mediet, karakterisert ved at filtreringsinnret-ningene omfatter et volum (10) av hovedsakelig ikke-komprimerbart, absorberende materiale tilpasset for å overføre variasjonene i det statiske trykket i mediet til nevnte motstående overflate.

2. Trykksensor som angitt i krav 1, karakterisert ved at volumet (10) av hovedsakelig ikke-komprimerbart, absorberende materiale er inneholdt i en stiv beholder (8, 12) som er åpen mot nevnte medium.

3. Trykksensor som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at volumet (10) av hovedsakelig ikke-komprimerbart, absorberende materiale er laget av stive materialfibre.

4. Trykksensor som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at volumet (10) av hovedsakelig ikke-komprimerbart, absorberende materiale er laget av en porøs substans.

5. Trykksensor som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at volumet (10) av hovedsakelig ikke-komprimerbart, absorberende materiale er laget av en syntaktisk substans.

6. Trykksensor som angitt i krav 5, karakterisert ved at volumet (10) av hovedsakelig ikke-komprimerbart, absorberende materiale er laget av partikler (13) av en massiv substans tilknyttet et mellomliggende materiale.

7. Trykksensor som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter minst et par av fleksible plater (6, 7) som hver har et følsomt element (1) og et volum av hovedsakelig ikke-komprimerbart, absorberende materiale for å skjerme den motstående overflaten til hver av platene (6, 7) fra de dynamiske variasjonene av trykket i mediet.

8. Trykksensor som angitt i krav 7, karakterisert ved at de fleksible platene (6, 7) er veggene til en felles beholder (8, 12) som inneholder volumet av hovedsakelig ikke-komprimerbart absorberende materiale og som har åpninger.

9. Trykksensor som angitt i krav 8, karakterisert ved at den felles beholder omfatter minst ett gitterparti (17).

10. Trykksensor som angitt i krav 7, karakterisert ved at beholderen (12) er fylt med partikler (13) av et massivt materiale nedsenket i en væske.

11. Trykksensor som angitt i krav 1 eller 7, karakterisert ved at volumet av hovedsakelig ikke-komprimerbart materiale er en blokk (15) ved likt trykk som det statiske trykket i mediet, idet hver plate er anordnet mot en overflate av blokken.

12. Trykksensor som angitt i krav 11, karakterisert ved at blokken er tilformet ved å innleire glasspartikler i et beleggsmateriale.

13. Trykksensor som angitt i krav 1, karakterisert ved at filtrerings-innretningene omfatter en beholder laget av et sintret materiale.

14. Trykksensor som angitt i krav 2, karakterisert ved at den stive beholder er anordnet inne i en seismisk streamer.