Прецизионные дифференциальные термометры для исследования тепловых процессов…

ISSN: 2079-5165, eISSN: 2410-7948, https://elibrary.ru/title_about.asp?id=32295; http://std.ifz.ru/

Наука и технологические разработки. 2018. Т. 97, № 1, с. 15–24. DOI: 10.21455/std2018.1-2

ПРЕЦИЗИОННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА БАЗЕ СЕВЕРОКАВКАЗСКОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ

1 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

2 Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН, г. Москва, Россия

Автор для переписки: Д.В. Лиходеев, e-mail: dmitry@ifz.ru

– созданы прецизионные термометры с чувствительностью не хуже 0.005 °C

– платиновые терморезисторы, фильтрация, узкий диапазон, дифференциальная схема

– термометры для исследования тонкой структуры температурных полей в массиве пород

– мониторинг жидкого магматического расплава в недрах вулкана

– термометры предназначены для оценки вулканической опасности Эльбруса

Аннотация. С целью исследования тонкой структуры температурных полей в толще горных пород, созданы прецизионные термометры, позволяющие проводить температурные измерения с чувствительностью не хуже 0.005 °C. Показано, что достичь требуемой чувствительности измерений можно за счет сужения измерительного диапазона, применения платиновых терморезисторов и 24-разрядного АЦП для цифровой регистрации сигналов. Принцип работы термометра основан на использовании платиновых терморезисторов, обладающих практически линейной температурной зависимостью изменения внутреннего сопротивления от внешней температуры и великолепной долговременной стабильностью базовых характеристик. Для уменьшения уровня собственных шумов применены специальные меры по низкочастотной фильтрации как выходных сигналов, так и всех питающих напряжений. Выходные дифференциальные сигналы термометра позволяют легко подключать его к большинству современных электронных систем сбора информации. В статье рассмотрены принципиальные способы калибровки и установки необходимого рабочего температурного диапазона датчиков. Проведение измерений с использованием разработанных датчиков в штольне Северокавказской геофизической обсерватории ИФЗ РАН в Баксанском ущелье позволит получить уникальные данные о структуре и динамике теплового поля в окрестности вулкана Эльбрус. Постоянный мониторинг этого поля необходим не только для получения новых фундаментальных знаний о строении магматических структур вулкана, но и для оценки вулканической опасности, обусловленной наличием жидкого магматического расплава в недрах вулкана. Это позволит получить новые данные о потенциальной опасности Эльбрусского вулканического центра. Проведение подобных исследований сейчас особенно актуально в свете активно развивающейся туристической инфраструктуры как в Баксанском ущелье, так и в Приэльбрусье в целом.

Ключевые слова: температурные датчики, тепловое поле Земли, мониторинг.

Цитируйте эту статью как: Лиходеев Д.В., Гравиров В.В., Кислов К.В. Прецизионные дифференциальные термометры для исследования тепловых процессов на базе Северокавказской геофизической обсерватории // Наука и технологические разработки. 2018. Т. 97, № 1. С.15–24. [Тематический выпуск “Прецизионный геофизический мониторинг природных опасностей. Часть 1. Приборы и технологии”]. DOI: 10.21455/std2018.1-2

Голубев В.Г., Лиходеев Д.В. Система геотермического и климатического мониторинга Баксанской геофизической обсерватории // Сейсмические приборы. 2006. Т. 42. С.29–36.

Лиходеев Д.В. Исследование тепловых и наведенных волновых процессов в районе Эльбрусского вулканического центра: дис. ... канд. физ.-мат. наук. М., 2013. 151 с.

Лиходеев Д.В., Дударов З.И., Жостков Р.А., Преснов Д.А., Долов С.М., Данилов К.Б. Исследование глубинного строения вулкана Эльбрус методом микросейсмического зондирования // Вулканология и сейсмология. 2017. № 6. С.28–32.

Маловичко А.А., Габсатарова И.П., Лиходеев Д.В., Заклюковская А.С., Преснов Д.А. Развитие системы разномасштабного сейсмического мониторинга в районе вулкана Эльбрус // Сейсмические приборы. 2014. Т. 50, № 4. С.47–57.

Масуренков Ю.П., Собисевич А.Л., Лиходеев Д.В., Шевченко А.В. Тепловые аномалии Северного Кавказа // Докл. РАН. 2009. Т. 428, № 5. С.667–670.

Собисевич А.Л., Гриднев Д.Г., Собисевич Л.Е., Канониди К.Х. Аппаратурный комплекс Северокавказской геофизической обсерватории // Сейсмические приборы. 2008. Т. 44, № 1. С.21–42.

ЛИХОДЕЕВ Дмитрий Владимирович – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7 (499) 254-90-80. E-mail: dmitry@ifz.ru

ГРАВИРОВ Валентин Валентинович – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7(499) 254-90-80; старший научный сотрудник, Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН. 117997, Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32. Тел.: +7(495) 333-4513. E-mail: gravirov@mail.ru

КИСЛОВ Константин Викторович – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН, 117997, Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32. Тел.: +7(495) 333-4513. E-mail: kvkislov@yandex.ru

NAUKA I TEKHNOLOGICHESKIE RAZRABOTKI (SCIENCE AND TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS), ISSN: 2079-5165, eISSN: 2410-7948, DOI: 10.21455/std; https://elibrary.ru/title_about.asp?id=32295; http://std.ifz.ru/. The journal was founded in 1992.

PRECISION DIFFERENTIAL THERMOMETERS FOR STUDYING THERMAL PROCESSES BASED ON THE GEOPHYSICAL OBSERVATORY IN NORTHERN CAUCASUS

1 Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

2 Institute of Earthquake prediction Theory and Mathematical Geophysics, Russian Academy of Sciences,
Moscow, Russia

– precision thermometers with sensitivity not worse than 0.005 °C are designed

– thermometers for studying the fine structure of temperature fields in a rock massif

Abstract. In order to study the fine structure of temperature fields in the thickness of rocks, precision narrow-band temperature sensors have been created that allow carrying out temperature measurements with sensitivity at least 0.005 °C. It is shown, that it is possible to achieve the required sensitivity by narrowing the measuring range, using platinum thermoresistors and 24-bit ADC for digital signal recording. The developed thermometer is based on the using of platinum thermistors, which have a practically linear temperature dependence of the change in internal resistance from the external temperature and excellent long-term stability of their basic characteristics. To reduce the noise level, special technics of low-frequency filtering of both output signals and all supply voltages are applied. The output differential signals of the thermometer allow it to be easily connected to the majority of modern electronic data acquisition systems. Principal ways to achieve the required measurements accuracy, calibration and installation of the necessary operating temperature range of sensors are considered. Carrying out measurements using the developed sensors will provide unique data on the structure and dynamics of the thermal field near the Elbrus volcano in the tunnel of the Geophysical Observatory in Northern Caucasus of the IPE RAS in the Baksan Gorge. This constant monitoring is a particularly very important task, in both point of view as obtaining new fundamental knowledge about the structure of magmatic structures, and as the viewpoint of assessing the volcanic hazard caused by the presence of a liquid magmatic melt in the bowels of the volcano. These data will provide new knowledge about the potential hazard of the Elbrus volcanic center. Carrying out of such researches is especially actual now in the light of actively developing tourist infrastructure both in the Baksan gorge and in the Elbrus region as a whole.

Cite this article as: Likhodeev D.V., Gravirov V.V., Kislov K.V. Precision differential thermometers for studying thermal processes based on the geophysical observatory in Northern Caucasus, Nauka i tekhnologicheskie razrabotki (Science and Technological Developments), 2018, vol. 97, no. 1, pp. 15–24. [Special issue “Precise Geophysical Monitoring of Natural Hazards. Part 1. Instruments and Technologies”]. [in Russian]. DOI: 10.21455/std2018.1-2

Golubev V.G., Likhodeev D.V. Geothermal and Climate Monitoring System of the Baksan Geophysical Observatory, Seysmicheskiye pribory (Seismic Devices), 2006, vol. 42, pp. 29–36 [in Russian].

Likhodeev D.V. Issledovaniye teplovykh i navedennykh volnovykh protsessov v rayone El'brusskogo vulkanicheskogo tsentra (Investigation of thermal and induced wave processes in the region of the Elbrus volcanic center). Dis. cand. phys.-math. sciences. Moscow, 2013. 151 p. [in Russian].

Likhodeev D.V., Dudarov Z.I., Zhostkov R.A., Presnov D.A., Dolov S.M., Danilov K.B. Investigation of the deep structure of the Elbrus volcano by the method of microseismic sounding, Vulkanologiya i seysmologiya (Volcanology and seismology), 2017, no. 6, pp. 28–32 [in Russian].

Malovichko A.A., Gabsatarova I.P., Likhodeev D.V., Zaklyukovskaya A.S., Presnov D.A. Development of a system of various-scale seismic monitoring in the vicinity of the Elbrus volcano, Seysmicheskiye pribory (Seismic Devices), 2014, vol. 50, no. 4, pp. 47–57 [in Russian].

Masurenkov Yu.P., Sobieshevich A.L., Likhodeev D.V., Shevchenko A.V. Thermal anomalies of the North Caucasus, Doklady Akademii nauk (Reports of the Academy of Sciences), 2009, vol. 428, no. 5, pp. 667–670 [in Russian].

Soubisevich A.L., Gridnev D.G., Sobieshevich L.E., Kanonidi K.Kh. Instrument complex of the North Caucasian Geophysical Observatory, Seysmicheskiye pribory (Seismic Devices), 2008, vol. 44, no. 1, pp. 21–42 [in Russian].

LIKHODEEV Dmitry Vladimirovich – PhD (Phys.-Math.), Senior Researcher, Schmidt Institute of Physics of the Earth, RAS. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya 10, stroenie 1. Ph.: +7(499) 254 9080. E-mail: dmitry@ifz.ru

GRAVIROV Valentin Valentinovich – PhD (Phys.-Math.), Senior Researcher, Schmidt Institute of Physics of the Earth, RAS. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya 10, stroenie 1. Ph.: +7 (499) 254 9080; Senior Researcher, Institute of Earthquake prediction Theory and Mathematical Geophysics, RAS. 117997, Moscow, Profsouznaya ul., 84/32. Ph.: +7(495) 333-4513. E-mail: gravirov@mail.ru

KISLOV Konstantin Viktorovich – PhD (Phys.-Math.), Senior Researcher, Institute of Earthquake prediction Theory and Mathematical Geophysics, RAS. 117997, Moscow, Profsouznaya ul., 84/32. Ph.: +7(495) 333-4513. E-mail: kvkislov@yandex.ru

НАУКА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ,

2018, том 97, № 1, с. 15-24