Способ измерения сигналов феррозондовых датчиков

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 1609988 51)5 Е 21 В 47 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВИДЕТЕЛЬСТВУ КО К АВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1059157, кл. Е 21 В 47/02, 1982,Авторское свидетельство СССРй. 1025877, кл. Е 21 В 47/02, 1982,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СИГНАЛОВФЕРРОЗОНДОВЫХ ДАТЧИКОВ(57) Изобретение относится к промысловойгеофизике и предназначено для использования в ферроэондовых преобразователяхазимута инклинометров. Цель - повышение Изобретение относится к промысловой геофизике и может быть использовано в феррозондовых преобразователях азимута для инклинометров, магнитометрах и других измерительных преобразователях с последовательной обработкой сигналов датчиков.Цель изобретения - повышение чувствительности и обеспечение стабильности измерений,На фиг, 1 представлена структурная схема канала аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 - векторная диаграмма, поясняющая сущность способа; на Фиг. 3 - пример реализации Фазового детектора с переключением Фазы опорного сигнала.Канал аналого-цифрового преобразования способа измерения сигналов состоит иэ последовательно соединенных иэбирательчувствительности и обеспечение стабильности измерений. Способ осуществляется следующим образом, Выделяют и усиливают избирательным усилителем с коэффициентом К 1 усиления сигнал (С) с модулем К 10 и фазой р второй информационной гармоники (Г) феррозонда. Осуществляют синхронное детектирование и аналого-цифровое преобразование Г при двух опорных С, фазы рц и очаг которых и фазу удетектируемого С выделенной Г выбирают из условия 01ррю . При этом разность фаз выбирают иэ условия у 01 - сог 5 90, Конечный результат получают в виде суммарного вектора Мп, что обеспечивает повышение чувствительности и стабильности измерений 3 ил. ного усилителя (у), фазового детектора (Д) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (фиг. 1), На вход канала подается полигармонический сигнал с феррозонда (не показан), в составе которого вторая гармоника имеет вид Оэи (ай+,В 1 ), где Оп - амплитуда гармоники, пропорциональная проекции геомагнитного поля на ось чувствительности Феррозонда; в - частота возбуждения феррозонда; Р 1 - Фазовый сдвиг, вносимый электрическими цепями феррозондового датчика, На выходе канала Формируется цифровой код Й, пропорциональный О и:й = К 1 КгКзсоз Щ +Д уо 1) О, (1) где К 1 - коэффициент усиления избирательного усилителя: Кз - коэффициент преобоазования АЦП; Кгсоэ Щ +Рг - уЪ)- коэффициент передачи фазового детектора; ф 2 - фазовый сдвиг сигнала, вносимый иэбираК 1 =- К 1 К 2 КЗОгпсаз(г Ро 1)Мг = К 1 К 2 КзОгпсоз ( р гРог ) (3) И= Ъ М + Мгг + 2 К 1 КгСОЗ ( рЗ 1 РОг ) Ь " - = кгк 2 кзсоз (гп - щ Ъ+ соз (го - то )+ гсоз (гр - р 11 ) соз р - иа ) ссз (го - , 1 со 2 ) % тельным усили.гелем; В 1- фаза спорного сигнала, управляОщего расстай фазового детектора, Далее введем величину гго =-31 +Рг, котоРУю опРеДелим как фазУДетек гируемого сигнала, т,е, выходного сигнала избирательного усилителя,Чувствглтельнасть канала преобразования согласно известному Определению рав- на йЫ =. - = К 1 К 2 КЗСОЗ (ггпу гг%1 ) (2)ОгпСпособ поясняется векторной диаграммой ,фиг, 2), На ней представлены вектор выходного сигнала избирательного усили- тЕЛЯ С МОУЛгЗМ К 1 Оп И фаЗОй Г 0 И ВЕКТОРЫ р,:.: Ичн;.,: " и й 2" с г 11 азами и".О 1 и о,"р . указывающие направления действия спорных сигналов фэзавсгадетектора. Значения фаз сигналов показаны относительно вектора 0;, фаза которогс принята равной нулю. В качестве сигнала, соответствующегс этому вектору, может быть принят произвольный сигнал, синхронный с информационной гармоникой феррозанда и спорными сигналами, например, сигнал, вырабатываемый удваителем частоты генератаоа. Фазовый детектоа при работе выделяет составлягошугс детектируемого сигнала, синфазную с опорным сигналам, Эта операция на векторной диаграмме эквивалентна пооецированию вектора выходного сигнала избирательного усилителя на оси, заданные векторами "01" и "02 Полученные проекции равны К 1(,ггпсаЗ ( Г 0 - го 1 ), К 1 ОгпСОЗ ( г,о - фЗ 2 ) И показаны в виде модулей векторов, совпадающих по направлению с векторами опорных сигналов, Они представляст собой значения выходных сигналов фазового дете 11 сгора с единичным коэффициентом пере" дачи. Поскольку фазовый детектор имеет максимальный коэффициент передачи Кг и его выходные сигналы прес бразугстся в цифровой код с каэффициенгам Кз, та указанные паоекции необходима увеличить в К 2 Кз раз, получив тем самым векторы 1 г 1, Игизмерений или кодов, котооые снимаются с выхода А 1 1, ; Дг 1 я оценки эффективности способа введем козг)фициент увеличения чувствительностиА=.ЬпЯгг)Анализ величины коэффициента А с учетом фарг.:, л (2) и (5) показывает, чта услоИз векторной диаграммы преобразова ний (3) при различных фазах опорного сигнала видно, что величины М 1 и Мг являются саста вля ющим и кон еч ного резул ьтирующего измерения. которое определяется по правилу сложения векторов:10 Способ обработки сигналов феррозондовых датчиков реализуется следующим сбразом.Бь 1 делягст и усиливают избирательнымусилителем сигнал варой информационнойгармоники феррозонда, в результате чегоформируется синусоидальный сигнал с амплитУДай К 1 Огп, гДе Огп - амплитУДа втоРойгармоники, пропорциональная проекциивектора геомагнитнага поля на ось чувствительности феррозонда,25Осуществляют синхронное детектирование второй информационной гармоникисигнала феррозонда с выхода избирательнога усилителя фазовым детектором придвух опорных сигналах, фазы у;о 1 и грог которых и фазу гр детектируемого сигнала выделенной гармоники выбирают из условияф 01гр - " гог, при этом разность фаз Опарных сигналов выбирают из условия35 ГгОО 1 - щ .- 90, ПОСЛЕдааатЕЛЬНО Ва ВРЕМЕни получаот два сигнала постоянного тока;К 1 К 2 ОгпСОЗ ( г,о - 01 ),К 1 К 2 ОгпСОЗ г,0 - УЪ 2 )Осуществляют аналого-цифровое пре 40 образование выходных сигналов фазовогодетектсра, в результате которого получаютдва измерения в условных цифровых кодах:к 11 =- К", КгКзО гпсоз(гр о;-ф).Иг = К 1 КгКДОгпсОЗфО 2 ггпу)45 Определяют конечный результат измеренияпо правилу сложения вектоаовг 1 п - у М + К". +2112 ссз (81 М )гувствительность измерения при использовании способа составляет 5 С вие А1 для уо 1го2 выполняется пригго 1 - 002120 независимо от величины 1йазьг го детектируемого сигнала, Прл поСтОЯННОй РаЗНОСтИ фаэ (;г."О 1 - РЗ 2 ) КазффИ- цио-:т А изменяется от величины)2 В 1= 1+ ри о = р 1 ил о величины ов (ров у"Ог- юг г =2 сов при р =-2Обе величины больше единицы при условии, что у 1 - рзг90 ОСледовательно, повышение чувгтвительности достигается всегда при условиир)1 1 ор)г и р)1 - рог90,Предельное максимальное значение коэффициентов А и В равно двум приу 1 - рг -ф 0, т.е. данный способ преоб разования сигналов феррозондовых датчиковпозволяет увеличить чувствительность измерения максимум в два раза. Практическицелесообразно выбирать разность фазопорных сигналов в пределах 30 - 90, что в 4среднем дает увеличение чувствительностив 1,5-1,8 раза.Под воздействием температуры окружающей среды происходит изменение параметров функциональных звеньев канала 5преобразования, Это приводит к изменению коэффициентов передачи звеньев, т.е,к изменению чувствительности результата.Наиболее существенное влияние на чувствительность оказывает температурный 5дрейф фазы р детектируемого сигнала, который в основном обусловлен дрейфом фазового сдвигафг, вносимого избирательнымусилителем. Влияние дрейфа фазы рдетекпри р =рц .Коэффициент А 1 всегда больше единиа Аг - только при ро 1 - рог ( 90 О. Поэтопоследнее неравенство при) р ) рц я вл я ется н а и более точ н ы м терием эффективности данного способа.Для более достоверной оценки способа целесообразно сравнить чувствительность 15 Яп с максимально возможной чувствительностью Яп = К 1 КгКз, которую дает способ-прототип, Для этого следует ввести коэффициенттируемого сигнала на результат измерения можно оценить величиной чувствительности С результата к изменению р, Для способа-прототипа она составляетдй( = - = - К 1 КгКзОпвп ( Д фэ 1 ) (11)дра для данного способа -г 2 г Мп - К 1 Кг Кз 0вп 2 ( р - рц ) Зп 2(р - рц ) - 2 сов (а - рц ) х Х ЯП(2 Р - У 01 - Ри ) . (12)Если чувствительность результата равна нулю, то температурный дрейф фазы р не влияет на результат измерения, Для способа-прототипа 6 = 0 при р = у 01, а для данного способа Оп = 0 при о -аЭ 1+ а 022 С целью повышения стабильности результата измерения при использовании данного способа целесообразно выбирать соотношение фаз детектируемого сигнала и опорных сигналов близким к соотношению(13) стабилизации чувствительноирующего измерения наиактический интерес имеет В пла ти резу ольший 90 О, так как при выполва чувствительность Яп не зависит от фазы р ала, которая может изпределах, не оказывая а результат. При этом ительный выигрыш в сравнению с прототислучаи рз 1 -рг =нении этого равенстрезультата вообщедетектируемого сигнменяться в широкихникакого влияния ндостигается незначувствительности попом, так как А а разность р - шает 45, но и н нулю. Однакодо мальная стабил ния сигналов(14) Ъ 1 практически не превыбывает в точности равной игается предельно макси- ость результата измерееррозондов так какдйпьность 6 = и - К 1 КгКзОп и чувствител ождественно равна нулю,Способ может быть реализован, например, на основе фазового детектора (Д) с изменяемой фазой опорного сигнала на 45 (фиг. 3). Фазовый детектор включает в себя усилитель с изменяемым знаком коэффициента усиления, содержащий операционный усилитель 1 с внешними резисторами 2 - б и аналоговый ключ 7, фильтр низких частот, выполненный на операционном усилителе 8с внешними элементами 8-13, четыре В- триггера 14 - 17, выполняющие роль делителей частоты, и группу логических элементов 18-22.На вход а 1 фазового детектора подается синусоидальнсе напряжение с выхода избирательного усилителя, а с выхода а 2, который подключается кс входу АЦП, снимается пропорциональное постоянное напряже ние, На вход аз фазового детектора поступает последовательность прямоугольныхимпульсов от внешнего тактового генератора, синхронизирующего работу всех функциональных узлов преобразователя, Частота импульсов в данном случае равна 4 Ш где Ор - частота второй информационной гармоники феррозондсвагс датчика, В результате деления частоты прямой и инвертированной последовательности импульсов с помощью триггеров соответственно 16, 17 и 14, 15 на выходе триггеров 15 и 17 формируются также последовательности пря, моугольных импульсов, но с частотой в и относительным фазовым сдвигом ри - р 2 =45. При подаче на вход а 4 детектора уровня логической единицы на ключ 7 с выхода логического элемента 22 поступает опорный сигнал с фазой срс 1, а при подаче на вход а 4 логического нуля фазаОпсрнсгО сигнала становится равной ф 02 Когда ключ 7 закрыт, усилитель 1 работает в , неинвертирующем режиме с коэффициен, том усиления т 1 = 1 + Яв/Я 5, (15) а когда открыт - в инвертлрующем режиме с коэффициентом усиленияе 2 = ЯУЯ 2 (16) Для правильной работы необходимо выбрать т 1 = 12 = т и Яз =- Я 4 = Я 2/2, На выходе усилителя 1 формируется напряжение, соответствующее по форме двухполуперисдному выпрямлению синусоиды. Зто напряжение имеет постоянную ссставля 1 ощую, для которой максимальный коэффициУ) ент передачи усилителя 1 равен т в , 11 ротг чие гармоники сглаживаются флльтром низкой частоты на операционном усилителе 8, у которого коэффициент передачи для постоянной составляющей равен Ь = Я 1 з/Я 9 + + Я 1 о, Таким образом., общий максимальный коэффициент передачи фазового детектора5 10 Формула изобретения Способ измерения сигналов феррозондовых датчиков, вклсчающий выделение и усиление сигнала второй информационной гармоники и синхронное детектирование ее с последующим аналого-цифровым преобразованием, отл и ч а ю щи й ся тем, что, с целью повышения чувствительности иобеспечения стабильности измерений, синхронное детектирование Осуществляют при двух опорных сигналах, фазы рц и в 2 кото, рых и фазу р детектируемсго сигнала выдеь 0ленной гармоники выбирают из условия у 1. р 2 р 2, а разность фаз опорных сигналов выбиоают из условия /"О". ф 0290 15 20 25 30 35 2составляет К 2 = - 1 Ь, Если учесть разЛность фаз между детектируемым сигналом со входа а 1 и опорным сигналом на выходе элемента 22, то коэффициент передачи фазового детектора для логической единицы на выходе а 4 составляет 2 /- т Ь сов 1 р - бо 1), а для логического ну- Л2ля -- 1 Ь совр - у 2 ). Для обеспече,7 гния разности фаз о 1 - рс 2 = 90 достаточно исключить из схемы триггеры 14 и 16, а частоту импульсов на входе аз детектора уменьшить в два раза,В данном способе измерения сигналов/ феррсзондсвых датчиков в отличие от прототипа производится двойное синхронное детектирование сигнала каждого из феррозондов, Благодаря этому результат измерения сигналов приобретает новые свойства - с одной стороны чувствительность результата измерения в среднем возрастает в 1,5 - 1,8 раза по сравнению с чувствительностью канала преобразования, с другой стороны появляется новая возможность увеличения стабильности результата измерения, В частности, если разность фаз опорных сигналов равна 90, то результат измерения принципиально не зависит от фазы детектируемого сигнала и ее температурного дрейфа, а сл 8 дсвдт 8 льнс, н 8 м 8 няется по величине и остается стабильным, При этом схема самого канала аналого-цифрового преобразования сигналов Остается без изМСНЕНИй.1609988 орректор Л, Патай едактор Н.Горва аз 3715 Тираж 486 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 оизводственно-издательский комаинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 1 Составител Техред Ь 1.М