Датчик угла наклона объекта

)ю 6 0 О, Е 21 В 47/022 170 9ЛИТЕТТКРЫТИЯМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР ТЕНИЯ ОМУ СВИДЕТЕ К А кий рото Е КТА ительано в я орижинах атчика ОПИСАНИЕ И(71) Всесоюзный научно-исследователинститут нефтеп ромысловой геофизи(56) Авторское свидетельство СССР(54) ДАТЧИК УГЛА НАКЛОНА ОБЪ(57) Изобретение относится к измерной технике, может быть использовпромысловой геофизике для контролентации отклонителей в буровых скваи имеет целью повышение точности д Изобретение относится к промысловой геофизике и может быть использовано в системах автоматического контроля ориентации отклонителей в буровых скважинах.Известен датчик углов наклона объектов, содержащий синусно-косинусный трансформаторный преобразователь, статор которого скреплен с объектом, и маят-. ник, укрепленный внутри ротора этого преобразователя,Датчик обеспечивает высокую точность ориентирования в условиях статики.Однако, он имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, маятник этого датчика имеет большой аес, что снижает надежность устройства а условиях ударных нагрузок. Во-вторых, большой аес маятника вызывает соответственно и большую силу угла наклона объекта за счет компенсации трения в опорах. Датчик содержит ось 1 вращения и закрепленную на ней рамку 6, охваченную катушкой 9 индуктивности и несущую эксцентричный груз 5, Поворот рамки 6 измеряется с помощью вращающегося трансформатора 4. На упругой консоли 8 установлен дополнительный груз 7, выполненный в виде постоянного магнита и размещенный внутрирамки 6, При подключении катушки 9 индуктивности к ис-, точнику переменного напряжения в ней наводится магнитноеполе, взаимодействующее с постоянным магниФтом и приводящее к относительному перемешению грузов 5 и 7. Это вызывает колебание оси вращения 1 относительно по ложения статического равновесия и компенсирует влияние сухого трения на точность измерения. 2 ил. трения в опорах вращения, тем самым снижается точность установки маятника, а также точность статических измерений углового параметра.Известен преобразователь инклинометрический, содержащий корпус, в котором жестко закреплены три взаимноортогональных ферроэонда, маятниковый датчик зенитного угла и гравитационный датчик визирного угла, Причем, датчик зенитного угла имеет радиальные от- верстия, в которых размещены металлические шарики с возможностью свободного перемещения по ответной внутренней поверхности корпуса. Такое техническое решение увеличивает, инерционную массу маятника, но поскольку все три шарика связаны одним шарикодержателем. даа край1них шарика под действием силы тяжести прижимаются к шарикодержателю и скользят по нему. Возникающие при этом силы Сухого"трениясущественно снижают точность данного устройства,Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является уст ройство для определения зенитного и визирного угла в скважине, содержащее две взаимндперпендикулярные оси вращения, лежащие в плоскости поперечного сечения и совмещенные с осями синусно-косинусных трансформаторов, а также два эксцентричных груза, закрепленных на осях вращения посредством легких цилиндрических рамок-поплавков.. Недостатком данного устройства явля-ется,низкая точность в связи с наличием сухого трения в опорах вращения, Влияние трения выражается в том, что оси вращения и связанные с ними роторы трансформаторов под действием эксцентричных грузов устанавливаются с некоторыми погрешностями+ Лф 1,2, величины которых зависят от углов между осями вращения и вектором свободного падения Р 1,2 При уменьшении углов Р 1, 2. до 5-3 погрешности возрастают до 5 - 10 О, что обуславливает низкую точность измерения параметров. При этом знак погрешности установки осей вращения носит вероятностный характер, что не позволяет скомпенсировать погрешности каким-либо способом в данном устройстве,Цель изобретения - повышение точности измерения угла наклона объектов эа счет компенсации трения в опорах.Указанная цель доСтигается тем, что известный датчик угла наклона, содержащий корпус, закрепленные в корпусе опоры вращения и установленный в них вал, жестко закрепленный на оси вала эксцентричный груз, выполненный в виде рамки, и преобразователь угла поворота вала, выполненный в виде вращающегося трансформатора, снабжено дополнительным эксцентричным грузом, который закреплен на оси вала с помощью упругой: пластинчатой консоли, установленной на рамке, и охватывающей рамку катушкой индуктивности, магнитная ось которой совпадает с общей линией центров масс основного и дополнительного эксцентричных грузов, дополнительный . груз выполнен в аиде двухполюсного постоянндго магнита и установлен внутри рамки, магнитныеоси постоянного магнита; катушки индуктивности и ось вала ортогональны, а пластинчатая консоль установлена с возможностью изгиба в плоскости, перпендикулярной оси вала.В предлагаемом датчике используютсядва груза, связанные упругой консолью, ри5 этом сила взаимодействия магнитного поляпостоянного магнита (дополнительного гру. за) и переменного магнитного поля катушкииндуктивности, приводит к относительномуколебанию грузов, что исключает влияние10 сухого трения на точность установки рамкипутем замены сухого трения меньшим повеличине динамическим трением.На фиг, 1 представлен предлагаемыйдатчик, разрез; на фиг. 2 - то же, вид сбоку.15 Датчик угла наклона объектов содержитось вращения 1, установленную в опорахвращения 2 в корпусе 3, синусно-косинусный трансформаторный преобразователь 4,основной груз 5. эксцентричный относи-.20 тельно оси вращения 1 и жестко закрепленный на ней посредством легкой рамки 6произвольной формы, дополнительный груз(постоянный магнит) 7, соединенный с осьювращения 1 посредством плоской упругой25 консоли 8 и катушку индуктивности 9, установленную на рамке 6, Кроме этого датчиксодержит крышку 10 (фиг, 2), с помощьюкоторой опоры вращения (радиальные подшипники 2 и ротор трансформаторного пре 30 образователя 4 устанавливаются на оси 1,коллектор 11 и щеточный узел 12, С помощью контактов щеточно-коллекторногоузла осуществляется токоподвод к роторнойобмотке преобразователя 4 и к катушке ин 35 дуктивности 9.Датчик работает следующим образом,Катушка индуктивности 9 запитываетсяпеременным током и создает переменноемагнитное поле, которое взаимодействует с40 постоянным магнитным полем дополнительного груза 7. Воздействие переменноговнешнего поля возбуждает в плоской консоли изгибные волны, распространение которых вызывает смещение каждого элемента45 консоли (пластины) перпендикулярно ееплоскости, то есть вибрацию консоли. Помимо этого в результате взаимодействия магнитных полей катушки индуктивности 9 игруза 7 возникает пара сил, действующая на50 дополнительный груз 7 и стремящаяся повернуть его вдоль силовых линий поля катушки индуктивности 9, Вследствиефизических свойств консоли 8 поворот груза 7 в поле катушки 9 сопровождается про 55 гибом консоли 8 и соответственноотклонением дополнительного груза 7 от положения равновесия,При протекании по катушке 9 перемен. ного тока оба эксцентричных груза колеблются (вибрируют) относительно друг друга.При этом среднее положение линии центров масс грузов соответствует направлению гравитационной вертикали, следовательно, среднее значение угла отклонения маятника 6, состоящего из рамки 6 и основного груза 5, равно нулю, поскольку среднее значение возбуждающей силы равно нулю, Сила сухого трения действует в направлении, обратном движению маятника, Вследствие колебаний груза 5 ее среднее значение равно нулю и ее влияние на точность среднего углового поворота оси вращения датчика, исключается.При малых вынужденных колебаниях оси вращения 1 и установленного на ней ротора синусно-косинусного трансформаторного преобразователя 4 сигналы, снимаемые с обмоток трансформатора, имеют вид:О - Оп зп ( Чл- ф, зп вь с) зп в 1; Ос-Оа соз(ф+ фзп вь 1) зпв т(1) где Оп - амплитуда сигналов; в - частота возбуждения трансформатора; ф - измеряемый угол поворота оси вращения 1, соответствующий положению равновесия маятника и направлению вектора ускорения свободного падения. Выделение из сигналов составляющих с частотой возбуждениятрансформатора в с помощью избирательных усилителей или фазовых детекторов дает два сигнала с амплитудами (при ф2,0)О, - КО Мпф (1-0,25 Щ ); О, = КО соз ф 1 - 0,25 ф 4 ) (2) где К - коэффициент преобразования, соответствующий используемому частотно-избирательному элементу.Измерение отношения величины (2) позволяет однозначно определить искомый угол ф.Таким образом, для обработки сигналов предлагаемого датчика может быть использован практический любой из известных преобразователей, .Особенность конструкции данного датчика состоит в том, что ось вращения 1, рамка 6 и основной эксцентричный груз 5 представляет собой единую жесткую конструкцию, Дополнительный груз 7 соединяется с этой конструкцией посредством упругой плоской консоли 8, которая может быть закреплена в верхней части рамки 6, либо непосредственно на оси вращения 1, для чего может быть использована, например, втулка, охватывающая на оси вращения 1 рамку 6, Кроме того. консоль 8 может быть впрессована (вклеена) в разрез на рамке 6 или в совмещенные разрезы рамки 6 иоси 1, выполняя при этом роль шпонки.В предлагаемом датчике отношениемассы основного груза 5 к массе дополни 5 тельного груза 7 целесообразно выбирать впределах 5-10, э основную частоту возбуждающей силы йЪ (частота тока в катушкеиндуктивности 9) из условия вь= 0,5"О. колебаний груза 7; иЬ, - собственная частота маятника(включая рамку с установленными на ней элементами - грузом 5 и катушкойиндуктивности 9). в = 0,5 - 2,0 при аь =. что при в= 21 Гц, в 7 = 110 Гц, вь = 50 Гцпогрешность возврата маятника датчика вположение равновесия составляет 0,008. Втоже время при отключении катушки индук 0 тивности она равна 0,07. Следовательно,предлагаемый датчик обеспечивает точность установки оси вращения примерно в10 раэ большую, чем известный, работа которого эквивалентна работе предлагаемогодатчика с разомкнутой катушкой индуктивности,Предлагаемое технИческое решение позволяет существенно увеличить точность ус-.. тановки маятников в инклинометрическихустройствах и при этом исключает механический гистерезис, обусловленный сухимтрением и характерный длямятников, Этоповышает достоверность измерительнойинформации, что отражается низкой величиной дисперсии измерений, а, следова-,тельно, дает реальную возможностьдальнейшего увеличения точности измерения путем компенсации систематическихпогрешностей,40 Формулаизо 6 рете н и яДатчик. угла наклона обьектэ, содержащий корпус, закрепленные в корпусе опорывращения и установленный в них вал, жестко закрепленный на оси вала эксцентричный груз, выполненный в виде рамки, ипреобразователь. угла поворот вала, выполненный в виде вращающегося трансформатора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности за счет компенсациитрения в опорах, он снабжен дополнительным эксцентричным грузом, который закреплен нэ оси вала с помощью упругойпластинчатой консоли, и охватывающейрамку катушкой индуктивности, магнитная55 ось которой совпадает с общей линией центров основного и дополнительного эксцентричных грузов, дополнительный грузвыполнен в виде двухполюсного постоянного магнита и установлен внутри рамки, маг1747872 Составитель Л.Кук Техред М.Моргента едактор И.Сеглян орреутор Н,Ревскэ Заказ 2492 Тираж . ВНИИПИ Государственного комитета по изобрет 113035, Москва, Ж, РаушскПодписноеями открытиям при ГКНТ СССР наб 4 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10 7 8нитные оси постоянного магнита и катушки можностью изгиба в плоскости, перпендииндуктивности и ось вала ортогональны, а, кулярной оси вала,пластинчатая консоль установлена с воз