Датчик угла отклонения от вертикали

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1092270Е 21 В 47/О я/ ИЗОБР ОПИСА ЕТЕЛЬСТВ АВТОРСКОМ УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(54) (57) ДАТЧИК УГЛА ОТКЛОНЕНИЯ ОТ ВЕРТИКАЛИ, содержащий кольцевой феррозонд с усилителем и индикатором, подвижный чашеобразный и конический полюсные наконечники, электромагнит, катушка питания которого установлена на основании конического полюсного наконечника вдоль его оси, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен генератором переменного тока и фильтром частоты, а чашеобразный полюсный наконечник выполнен из неферромагнитного материала и заполнен двумя несмешивающимися жидкостями, отношение плотностей которых р, /,1, а вязкостей ,/ 1, причем катушка питания электромагнита подключена к генератору переменного тока, частота питания которого относится к частоте питания феррозонда, как 1,/1 -, 10, а в выходной цепи усилителя феррозонда установлен фильтр с пропусканием на частоте 1, где У и Я - соответственно плотности жидкостей, которыми заполнен чашеобразный наконечник, а /, и- соответственно их вязкости, 1 - частота переменного тока генератора; 1 - частота питания фер зонда.21/Г ) 20 Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в геофизических скважинных инклинометрах, телеметрических системах контроля бурения, автоматизированных системах ориентации, в частности при проводке туннелей.Известен датчик отклонения от вертикали, содержащий феррозонд, электромагнит, чашсобразный полюсный наконечник 1 .Наиболее близким к предлагаемому является датчик угла отклонения от вертикали, содержащий кольцевой феррозонд с усилителем и индикатором, электромагнит снкату 1 ц 1 сои течения, неподвижный чашеобразный и конусный полюсные наконечники, катушка питания электромагнита, установленная на основании конусного полюсного наконечника вдоль его оси 12.Недостатками указанных устройств является наличие остаточной намагниченности подвижного полюсного наконечника, созда югцей случа йную погрешность и высокие требования к размагничиванию деталей магнитопровода, высокие требования к точности выполнения сферы полюсного наконечника, необходимость использования для магнитопровода дорогих пермаллоев, а также необходимость независимого датчика магнитного меридиана для привязки измеряемых углов отклонения. Все это снижает точность измерений.Цель изобретения - повышение точнос. 1 и .Указанная цель достигается тем, что датчик угла отклонения от вертикали, содержащий кольцевой феррозонд с усилителем и индикатором, подвижный чашеобразный и конический полюсные наконечники, электромагнит, катушка питания которого уста 1 ювлена на основании конического полюсного наконечника вдоль его оси, снабжен генератором переменного тока и фильтром частоты, а чашеобразный полюсный наконечниик выполнен из неферромагнитного материала и заполнен двумя несмешива 1 огцимися жидкостями, отношение плотностей которых Я /У 1, а вязкостей 7 1, причем катушка питания электромагнита подключена к генератору переменного тока, частота питания которого относится к частоте питания феррозонда, как111 10, а в выходной цени усилителя феррозонда установлен фильтр с пропусканием на частоте 1, где Я 1 и Я - соответственно плотности жидкостей, которыми заполнен чашеобразный наконечник, гсм";ф,1 , - соответственно вязкости;- частота переменного тока генератора; частота питания феррозонда.На чертеже представлена принципиальная схема конструкции предлагаемого датчика. 25 30 35 40 45 50 55 2В катушку питания 1 конического полюсного наконечника 2 подается напряжение переменного тока с частотой от генератора 3. По оси катушки перпендикулярно этой оси устанавливается кольцевой феррозонд 4 с тороидальной обмоткой 6 питания и плоской обмоткой 6 вь 1 хода. При необходимости двухкоординатных измерений обмотка 6 дублируется, ось ее перпендикулярна оси первой (для простоты на чертеже опущена). Обмотка 5 питания феррозонда 4 соединена с генератором 7, имеющим частоту 1,. Обмотка выхода 6 может быть конструктивно объединена с оомоткой отрицательной обратной связи. Обмотка 6 выхода феррозонда 4 соединена с входом резонансного усилителя 8, имеющего полосу пропускания в зоне частоты 28. Выход усилителя 8 подключен к фильтру 9, пропускающему только частоту 1. Сигнал с выхода фильтра 9 поступает в полярности положительной областной связи с коэффициентом К+в обмотку 6 на феррозонде 4. Так как частота выходного сигнала феррозонда, равная 21, относится к частоте питания катушки 1 как то использование конструктивно одной обмотки 6 для функций выхода и обратной связи не создает дополнительных трудностей. Этот же сигнал с выхода фильтра 9 поступает на вход усилителя 8, содержащий блок 10 трансформации частоты и полярности и обеспечи вающи Й получение на Входе усилителя положительной обратной связи с коэффициентом К+.ри выполнении условия на приведенные значения коэффициентов К+4 К выходной сигнал остается таким же, как и без обратных связей, а магнитное поле на частоте 1 в середнике сильно ослабляется, в то время как постоянная составляющая магнитного поля, например земного, остается прежней.Чашеобразный полюсный наконечник 11 заполнен жидкостью с высокой проводимостью, например ртутью, но его можно также, заполнить ферромагнитной суспензией. Чашеобразный полюсный наконечник расположен по оси катушкии при вертикальном положении датчика поверхность жидкости2 перпендикулярна оси датчика.Датчик вертикали работает следующим образом.При подаче в катушку 1 питания переменного тока с частотой 1 от генератора 3 на оси катушки полюсный наконечник 2 создает магнитное поле, симметричное относительной этой оси. Поэтому в сердечнике кольцевого феррозонда 4 суммарное магнитное поле в плоскости кольца равно нулю.Магнитное ноле катушки 1 также индуцирует кольцевые токи в проводящей жидкости 12, заполняющей чашеобразный полюсный наконечник 11. Когда датчик вертика 1092270,1 ен и поверхность жидкости 12 перпендикулярна его оси симметрии, т.е. оси катушки 1, индуцированные в жидкости токи только ослабляют поле катушки 1, не изменяя его симметричности относительно оси. Когда ось датчика наклонена по отношению к вертикали, эти же кольцевые токи создают наклонную к оси составляющую магнитного поля на частоте 1, вызывающую на выходе феррозонда 4 сигнал на частоте 21 который усиливается усилителем 8 и после синхронного детектирования и фильтрации фильтром 9 непосрелственно используется для измерения угла отклонения от вертикали.Поле с частотой 1 индуцирует также в обмотках феррозонла непосредственно сигнал на частоте 1, но он не пропускается усилителем 8, что позволяет ослабить требования к точности изготовления и установки обмоток. Так как толщина сердечника феррозонда 4 всегда может быть сделана много меньше его диаметра, то намагничивание сердечника феррозонла полем, перпендикулярным его плоскости, всегда очень мало и на выхолной сигнал не влияет.Так как в датчике целесообразно использование жидкостей с высокой проводимостью, например ртути, то в чашеобразный полюсный наконечник 11 проникает только очень малая часть от основного магнитного поля и в этих условиях его можно выполнить из непроволяшего неферромагнитного материала, например, пластмассы. Значительное ослабление поля под поверхностью жидкости 12 дает возможность отказаться от той части магнитопровода, которая соединяет конический полюсный наконечник 2 и чаше- образный1. Тогда на кольцевой феррозонд действует невозмушенное поле земли и создает в нем постоянный сигнал, зависящий от ориентации обмотки 6 относительно магнитного меридиана, Если на выходе усилителя 8 выделить постоянную составляющую сигнала феррозонда 4 и измерять ее одновременно с составляющей на частоте 1, то можно определить ориентацию угла отклонения от вертикали относительно магнитного меридиана. Для этого целесообразно использовать две взаимно перпендикулярные обмотки 6 и две идентичные схемы усиления сигнала,Величина магнитного поля, индуцированного кольцевыми токами в ртути, много больше земного магнитного поля и в фильтрации постоянной составляющей этого сигнала могут возникать трудности. Поэтому соединяют выход фильтра 9 с обмоткой 6 таким образом, цтобы сигнал с фильтра ослаблял действующее на феррозонл поле на частоте 1. Постоянная составляющая сигнала через этот фильтр не проходит и земное поле не ослабляется. Для того, чтобы на выходе сигнал на частоте 1 при этом не ослаблялся,из той же точки выхода фильт 5101520 45 50 55 Описываехый латчик характеризуется большой механической прочностью и устойчивостью к вибрациям, возможностью сильного уменьшения диаметра датчика по отношению к прототипу, повьцпением точности при сохранении широкого диапазона измерепий за счет устранения влияния остаточной намагниченности, отсутствием требований к малой остаточной нахагниченности материалов, используемых лля магнитопровола вплоть до полного отказа от ферромагнитных материалов в магнитной цепи, а также отсутствием требований к точности выполнения сферы полюсного наконечника, так как проникновение поля в ртуть мало и форма тела, образованного жидкостью в полюсном наконечнике вдали от ее поверхности, не влияет на выходной сигнал. Для демпфирования колебаний жидкости и гашения волн на ее поверхности датчик заполняют двумя несмешивающимися жидкостями, одна из которых взаимолействует с магнитным полем, а другая нет, например ртуть и масло или ферромагнитная суспензия и волная суспензия диэлектрика. Вторая жидкость в паре выбирается по плотности меньше плотности первой жидкости, а по вязкости - больше, т.е. ,(уи ,/ с 1, глеи , плотность и вязкость, а индексы соответствуют тексту: 1 - жидкость, взаимодействуюцая с магнитным полем; 2 жидкость не взаимодействующая с магнитным полем. Под взаимодействием понимается ослабление или усиление магнитного поля жидкостью под ее поверхностью: ослабление за счет индуцированных токов в проводящей жидкости; усиление - в ферромагнитной суспензии. 25 30 35 40 ра 9 полают сигнал на вход усилителя 8 таким образом, чтобь он усиливал входной сигнал. На входе усилителя 8 сигнал может быть только на частоте 21, поэтому вводим блок 10, осуществляющий трансформацию частот. Этот блок можно выполнить в виде феррозонла, помещенного в экран. Такая комбинация отрицательной и положительной обратной связи в усилителях известга и она приводит к тому, что при К 4 К выходгой сигнал не изменяется. Эти преобразования ос сцествляются то,ько лля сигал, н чсстоте 1, связанного с отклонением о; н ртикали, а лля постоянной составляоцц", и; - нала они не действуот, поэтому ло точки включения положительной обратной связи постоянная составляющая сигнала много больпе переменной, связанной с отклонением от вертикали. Этот выход лает синал о земном магнитном поле.Конический полюсный наконечник перпендикулярен плоскости феррозонда, поэтому создаваемая им за счет земного магнитного поля намагниченность не влияет на точность отсчетов земного магнитного поля.1092270 Составитель И. Ка Текред И. Верес Тираж 564 сударственного ко изобретений и Ж - 35, Раушск тент: г. ужгородбочинска едактор Л. Гулько аказ 3220/2 Синицка Корректор ВПодписноеитета СССРткрытийя на 6., д. 4/5ул Проектная 4 ВНИИПИ Гпо дела 113035, Москв илиал ППП П Зиад агнии аипьннщю земно пюу