Преобразователь азимута инклинометра

(51) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗС)БРЕТЕНИ овательскийофизики 984,ССР 987.ССР983.МУТА ИНК-,х инклиноного азимун. Цель: за счет исК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СМ 1078040, кл, Е 21 В 47/02, 1Авторское свидетельство СМ 1298363, кл. Е 21 В 47/02, 1Авторское свидетельство СМ 1025877, кл. Е 21 В 47/02, 1(57) Использование: в цифровметрах для определения магнита искривленных скважповышение точности измерени ключения влияния на результат измерений разброса параметров параллельно работающих каналов преобразования. Сущность изобретения: преобразователь содержит генератор (1), дифференциальные феррозонды (2, 3, 4), коммутаторы (5, 6), 2 избирательных усилителя (7, 10), фазовые детекторы (8, 11), аналого-цифровые преобразователи (9, 12), 1 сумматор (13), источник опорного напряжения (14), устройство выборки хранения (15), резистор (1 6), блок управления (17). Преобразователь позволяет определить условные значения коэффициентов передачи каналов преобразования с помощью третьего феррозонда 4, Его сигнал используется в качестве опорного сигнала, обладающего свойствами информационных сигналов феррозондов 2. 3.2 ил.5 10 15 20 30 35 40 50 Изобретение относится к области промысловой геофизики и может использоваться в цифровых инклинометрах для определения магнитного азимута искривленных скважин,Известен инклинометр, содержащий датчики углов, подключенные ко входам коммутатора, выход которого через аналого-цифровой преобразователь подключен ко входу блока памяти, блок управления, подключенный выходами ко входам управления коммутатора и блока памяти, а входом - к таймеру, а также автономный источник питания 1.Известен также преобразователь зенитного и визирного углов, содержащий два поплавка-маятника, оси вращения которых и продольная ось корпуса взаимно ортогональны, датчики углов поворота поплавков- маятников, выходы которых через мультиплексор, аналого-цифровой преобраэователь, демультиплексор и регистры соединены со входами программируемых логических матриц, блок управления, подключенный ко. входам управления аналогоцифрового преобразователя и программируемых логических матриц, а также элемент задержки, включенный в разрыв цепи управления одной.из программируемых логических матриц 2),Недостатком известных устройств является низкое быстродействие вследствие разнесения во времени циклов преобразования сигналов датчиков, то есть последовательной обработки сигналов с помощью одного общего канала аналого-цифрового преобразования. В результате при движении устройств по скважине все сигналы датчиков соответствуют различным пространственным положениям скважинного прибора и при обработке информации, накопленной за один полный цикл работы устройств, возникает погрешность, Величина погрешности существенно эависит от скорости движения прибора й имеет сложный закон изменения, затрудняющий ее компенсацию. Прототипом изобретения является феррозондовый датчик азимута, который содержит последовательно соединенные генератор, делитель частоты, два феррозонда с ортогональными и горизонтальными осями чувствительности, два избирательных усилителя, подключенных к фазовым детекторам, счетчик, три коммутатора, два аналого-цифровых преобразователя, цифровой компаратор, дешифратор и блок квадрантов, при этом выводы фазовых детекторов подключены ко входам аналогоцифровых преобразователей, выходы которых и выход аналогового компаратора подключены к одному из коммутаторов, а выход последнего подключен к цифровому компаратьру, с которым связан другой коммутатор; причем к последнему подключены два цифровых интегратора и аналоговый компаратор, связанный с дешифратором, подключенным к блоку квадрантов, выход которого подключен к счетчику, соединенному с интеграторами и третьим коммутатором, подключенным к выходу генератора и входу делителя частоты 3. Устройство принято за прототип.Известный феррозондовый датчик азимута 3 имеет низкую точность, которая обусловлена следующими причинами, Вопервых, параллельные каналы аналого-цифрового преобразования, включающие последовательно соединенные избирательные усилители, фазовые детекторы и собственно аналого-цифровые преобразователи (АЦП), имеют существенный разброс параметров, который усугубляется использованием избирательных усилителей, которые, как известно, имеют наибольшую чувствительность характеристик к изменению параметров. Указанный разброс может быть уменьшен только путем точной настройки и за счет применения прецизионных элементов, Тот и другой пути принципиально не исключают разброс параметров, а позволяют лишь уменьшить разброс до определенного предела, причем требуют значительной трудоемкости, обусловленной необходимостью обеспечения температурной стабильности параметров. Вследствие этого устройство обладает весьма низкой эффективностью. Вовторых, в устройстве никак не учитывается смещение нулевых уровней АЦП, которые при обработке разнополярных сигналов, поступающих от фазовых детекторов, должны быть равными примерно половине диапазона из менения кода на выходах АЦП. В связи с этим минимальная погрешность измерения азимута составляет 20 - 25, что делает устройство практически неработоспособным.Целью изобретения является повышение точности за счет исключения влияния на результат измерений разброса параметров параллельно работающих каналов преобразования.На фиг. 1 представлена структурная схема преобразователя азимута инклинометра; на фиг, 2 - вариант принципиальной электрической схемы блока управления.Преобразователь содержит генератор 1, подключенный к обмоткам возбуждения первого и второго дифференциальных феррозондов 2, 3 с ортогональными и горизонтальными осями чувствительности, а также к обмотке возбуждения третьего феррозонда 4, ось чувствительности которого параллельна оси чувствительности феррозонда 3, коммутато1763644 15 55 ры 5, 6, первый и второй каналы преобразования, каждый из которых состоит из последовательно соединенных избирательного усилителя, фазового детектора и аналогоцифрового преобразователя (АЦП) - соот ветственно 7, 8, 9 и 10, 11, 12, сумматор 13, входы которого соединены с выходами источника опорного напряжения (ИОН) 14 и устройства выборки-хранения (УВХ) 15, авыход через резистор 16 подключен к сигнальной обмотке третьего феррозонда 4, а также блок управления 17, подключенный входом к генератору 1, а выходами - объединенным входам управления коммутаторов 5, 6, к объединенным входам управления АЦП 9, 12 и ко входу управления УВХ 15. При этом входы "1" коммутаторов 5, 6 подключены к сигнальным обмоткам соответственно первого и второго феррозондов 2, 3, входы "2" объединены и подключены к 20 сигнальной обмотке третьего феррозонда 4, входы "з" объединены и подключены к общему проводу схемы преобразователя, выходы коммутаторов 5, 6 соединены соответственно со входами избирательных 25 усилителей 7, 10, а выходы фазового детектора 11 второго канала преобразования подключены ко входу УВХ 15 (фиг, 1).Вариант схемы блока управления 17 включает в себя первый, второй и третий 30 одновибраторы, содержащие соответственно О-триггеры 18 - 20, резисторы 21 - 23, конденсаторы 24 - 26 и диоды 27 - 29, а также счетчик 30, управляющий дешифратором 31, ЯЯ-триггер 32 и логический элемент 35 И 33 (фиг. 2), Принцип построения блока управления не является оригинальным, схема блока приведена для пояснения пространственно-временного распределения сигналов управления преобразователем, 40Преобразователь работает следующим образом.Генератор 1 запитывает обмотки возбуждения феррозондов 2 - 4 переменным током с частотой и и, кроме того, выраба тывает последовательность синхронных с током возбуждения прямоугольных импульсов с частотой 2 в дляуправления фазовыми детекторами 8, 11 и последовательность низкочастотных прямоугольных импульсов 50 с периодом Тдля тактирования блокауправления 17. В блоке управления 17 посредством счетчика 30 дешифратора 31 и ЯЯ-триггера 32 осуществляется такое пространственно- временное распределение сигналов управления коммутаторами 5, 6, что в течение времени, равном 7 Т, входы избирательных усилителей 7, 10 подключены к сигнальным обмоткам феррозондов 2, 3, в течение времени Т - к сигнальной обмотке феррозонда 4 и далее в течение времени Т - к общему проводу схемы преобразователя. Интервал времени, равный 9 Т, представляет собой цикл работы преобразователя. При использовании показанной на фиг.2 схемы дешифратора он делится на три подцикла, длительность которых соответственно рав- ны 7 Т, ТиТ,В течение каждого интервала времени Т происходит формирование импульсов управления АЦП 9, 12 и УВХ 15, Для этой цели используют одновибраторы, выполненные на триггерах 18 - 20. Первый одновибратор осуществляет выдержку времени г 1 = Яг 1 Сг 4, необходимую для окончания переходных процессов в схемах избирательных усилителей и фазовых детекторов. Длительность этой выдержки составляет в среднем (0,9 - 0,95)Т. После окончания выдержки вторым одновибратором формируется импульс управления УВХ 15 длительностью т = йггСг 5, по окончании которого третьим одновибратором формируется импульс управления АЦП 9, 12 длительностью х = Вгзсгб,В первом цикле работы преобразователя входы избирательных усилителей 7, 10 подключаются к сигнальным обмоткам феррозондов 2, 3, С помощью избирательных усилителей 7, 10, настроенных на частоту 2 щ, производится выделение информационных составляющих из полигармонических сигналов феррозондов. Вследствие ортогональности осей чувствительности феррозондов 2, 3 амплитуды этих составляющих пропорциональны функциям измеряемого магнитного азимута и равныОг = агНоз и а, Оз = азН,сов а, (1) где аг, аз - коэффициенты преобразования феррозондов;Но - горизонтальная составляющая геомагнитного поля;а- магнитный азимут,Далее посредством фазовых детекторов 8, 11 и АЦП 9, 12 осуществляется выпрямление и-. аналого-цифровое преобразование информационных сигналов. В результате на выходах АЦП 9, 10 сОответственно формируются кодыИ 9 = (К 7 К 80 гсоз ( Ф 7 + фИК 9 + 809; М 1 г 0) =(К 1 оК 110 гсоз (Ф 1 о + р)1 К 1 г+ Ко 1 г, (2), где К 7, К 1 о - коэффициенты усиления избирательных усилителей 7, 10 на центральной частоте настройки;К 8, К 11 - коэффициенты передачи фазовых детекторов 8, 11;где К 15 - коэффициент передачи УВХ 15, 30Во втором подцикле входы избирательных усилителей 7, 10 подключаются к сигнальной обмотке третьего феррозонда 4,Сигнал этого феррозонда (амплитуда второй гармоники) равен 35О 4 = а 4(Носоз а+ Н),(4),где а 4 - коэффициент преобразования феррозонда 4;Н - поле, создаваемое током, протека ющим через резистор 16 и сигнальную обмотку феррозонда 4:Н = (К 13014+ К 13015) (5);Ь 4В 6 45 где Ь 4 - постоянный коэффициент, зависящий от параметров феррозонда 4;816 - сопротивление резистора 16;014 - опорное напряжение постоянного тока, выдаваемое источником 14;К 1 з, К 1 з - коэффициенты усиления сум 1 11матора по входам, соединенным с выходами источника 14 и УВХ 15 соответственно, Параметры УВХ 15, источника опорного напряжения 14, сумматора 13 и резистора 16 выбираются такими, чтобы "сигнал ферро- зонда 4 не зависел от азимута и имел посто- явное значение, равное максимальным значениям сигналов феррозондов 2, 3. Это Ф,Ф 1 о - фазочастотные характеристики избирательных усилителей 7, 10;у - сдвиг фаз между основйой гармоникой импульсов управления фазовыми детекторами 8, 11 и второй гармоникой в 5 сигнальных цепях феррозондов;008, Ооц - смещения нулевого уровня сигналов в избирательных усилителях и фазовых детекторэх, приведенные к выходам фазовых детекторов 8, 11; 10К 9, К 12 - коэффициенты преобрфзования АЦП 9, 12;Ооэ, Оог - смещения кодов на выходах АЦП 9, 12, равные примерно половине полного диапазона изменения кодов. 15В течение первого подцикла производится, семь измерений сигналов феррозондов 2, 3, что определяется схемой блока управления 17. Перед началом седьмого измерения посредством второго одновибра тора, выполненного на О-триггере 19, и логического элемента 33 формируется импульс управления УВХ 15. Последнее запоминает зйаченйе сигнала на выходе фазового детектора 11, соответствующее 25 текущему моменту времени, вследствие чего на выходе УВХ 15 возникает сигнал 05= кюк 110 зсоз. ( Фю+ р)+ Оо)к 5, (3),Полученные ются для вычисл а, = агстцА- При точной х коэффициен/А,(14),астройке феррозондов 2, 3ы преобразования равны условие выполняется в том случае, когда внешнее поле Но соз а в объеме сердечника феррозонда 4 полностью компенсируется той составляющей тока через резистор 16, которая пропорциональна сигналу феррозонда 3. Формирование необходимого сигнала феррозонда 4 достигается непосредственно установкой его оси чувствительности параллельно оси чувствительности феррозонда 3 и обеспечением следующих соотношений: Ю 4 П К 1 зКюКК 15 соз (Ф 1 о+ср)Н,соз а=г16 =-Носоза; (6), - К 13014+ К 1 ЗК 15 ОО 11 = Но (7) Ь 4 1 Ь 4 и В 6 86 которые вытекают из формул (1), (3 - 5). В результате сигнал феррозонда 4 практически определяется величиной опорного напряжения источника 14 (Оо 11 014) 04 = а 4 К зОи,Ь 4 1 816(8).После измерения этого сигнала во втором подцикле работы преобразователя на выходах АЦП 9, 12 возникают кодыи 9(11) = к 7 к 804 соз ( Ф 7+ДР) + 008)к 9 + М 09И 12(11) =КюК 104 соз (Фю + ср)+ Оо 1)Ка + Мог, (9),В третьем подцикле входы избирательных усилителей 7, 10 соединяются с общим проводом схемы преобразователя и на выходах АЦП формируются коды М 9(11) - К 9008 + И 09, Ми(111) = К 20 о 1 + Ио 12, (10), соответствующие общим смешениям нулевых уровней в каналах преобразования.При обработке измерительной информации вычисляются разности Й 9(1) - Й 9(111); К 12(1) - К 12(111); (1 1),Й 9(1 1) - И 9(11); М 12(1) Й 12(11), (12),первые из которых приводят к нулевым уровням каналов преобразования измеренные сигналы феррозондов 2, 3, а вторые - сигнал феррозонда 4, В результате полностью исключается влияние смешений Ооз, Оо, Мо 9, Ко 2, Далее производится нормирование сигналов феррозондов 2, 3, для чего вычисляются отношения аг Н, з 1 па04аз Но сиз а10 1763644 ра гьеО 4;77 г С между собой (а 2 = аз) и полученное значение магнитного азимута а равно истинному значению а Формула изобретения 5 Преобразователь азимута инклинометра, содержащий генератор, два дифференциальных феррозонда с горизонтальными и ортогональными осями чувствительности, два двухвходовых коммутатора и два канала 10 преобразования, каждый из которых состоит из последовательно соединенных избирательного усилителя, фазового детектора и аналого-цифрового преобразователя,отличающийся тем,что,с 15 целью повышения точности измерения за счет исключения влияния на результат измерений разброса параметров параллельно работающих каналов преобразования, он снабжен третьим дифференциальным 20 ферроэондом с горизонтальной осью чувствительности, источником опорного напряжения, блоком выборки-хранения, сумматором, резистором и блоком управле-. ния, коммутаторы выполнены с тремя вхо дами, при этом входы управления фазовых детекторов объединены, а генератор подключен к обмоткам возбуждения феррозондов, к объединенным входам управления фазовых детекторов и к входу блока управления, первые входы коммутаторов соединены с сигнальными обмотками соответственно первого и второго феррозондов, вторые входы коммутаторов объединены иподключены к сигнальной обмотке третьего феррозонда, а третьи входы коммутаторов объединены и соединены с общим проводом схемы, входы управления коммутаторов объединены и соединены с выходом блока управления, два других выхода которого подключены соответственно к объединенным входам управления аналого-цифровых преобразователей и одним из входом выборки-хранения, к второму входу которого подключен выход фазового детектора второго канала преобразования, выходы блока выборки-хранения и источников опорного напряжения подключены к входам сумматора, выход последнего через резистор соединен с сигнальной обмоткой третьего феррозонда, выходы коммутаторов подключены к входам избирательных усилителей первого и второго каналов преобразования соответственно, а оси чувствительности второго и третьего феррозондов расположены параллельно,