Датчик зенитного и визирного углов

)5 Е 21 В 47/02 ТЕНИ К АВ ьскиии кл. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗО У СВИДЕТЕЛЬСТВ 21) 4761431/0322) 23.11.8946) 07.03.92, Бюл, М 971) Всесоюзный научно-исследоватеинститут нефтепромысловой геофизи72) Н,П.Рогатых и Л.А,Куклина53) 622.241(088,8)56) Патент США 3 Ф 4779353,6 01 С 9/06. опублик. 1972,ЕНИТНОГО И ВИЗИРНОГО ие относится к промысловой едназначено для определевенного положения траектоЦель изобретения ности измерения зенитного щищенности. Датчик содереский корпус 1 из проводнииала, четыре стержневых(57) Изобретенгеофизике и прния пространстрии скважинповышение точугла и помехозажит цилиндричкового матер1717806 электрода 2, расположенных параллельно оси корпуса 1 на одинаковых расстояниях друг от друга и от корпуса и пересекающих границу раздела несмешивающихся диэлектрической 4 и электропроводной 5 жидкостей. По оси корпуса 1 установлен полый цилиндр 3 из проводникового материала, изолированный от корпуса 1, электродов 2 и жидкостей 4,5 с помощью диэлектрических втулок б. Кроме того, датчик содержит пятый электрод 10, имеет цилиндриИзобретение относится к промысловойгеофизике и может быть использовано в инклинометрэх в качестве первичных преобразователей зенитного и визирного углов,Известен преобразователь зенитного 5угла при измерении искривления скважины,содержащий корпус, установленную сооснос корпусом в опорах вращения подвижнуюрамку и тороидальную полость с электродами, которая установлена на подвижной рамке, сообщается с цилиндрическойспиральной трубкой и заполнена двумя несмешивающимися жидкостями.Недостатки преобразователя - сложность изготовления тороидальной полости с 15электродами в силу ее специфической конфигурации и низкая надежность при работев условиях вибраций в связи с применениемтвердотельной подвижной рамки, опор вращения; а также в связи с необходимостью 20использования коллектора для съема сигналов с подвижной рамки. Кроме того, недостатком преобразователя является низкаяточность измерений угла, обусловленнаяизменением соотношения объемов жидкостей в области электродов и изменениемфизических свойств жидкостей электрической проницаемости и удельного сопротивления) под действием температуры.Последние факторы в значительной степени 30обусловлены тороидальной формой рабочей полости устройства, применение которой ставит измеренные значения зенитногоугла в прямую зависимость от расположения границы раздела жидкостей по отношению к центру симметрии тороидальнойполости,Известен также датчик зенитного и визирного углов, содержащий цилиндриче.ский корпус, внутри которого размещены 40три цилиндрические спиральные трубки,объединенные своими верхними и нижнимиконцами и залитые двумя несмешивающимися жидкостями. Верхние концы трубок ческую форму и полностью погружен в проводящую жидкость 5. При наклоне и повороте датчика граница раздела жидкостей 4.5 смещается вдоль стержневых электродов 2, вследствие чего меняются проводимости между электродами 2 и корпусом 1, Проводимость между пятым электродом 10 и корпусом 1 остается неизменной. Значения указанных проводимостей используют для вычисления зенитного и визирного углов.2 ил. имеют прямолинейные участки, установленные вертикально вплотную к стенкам корпуса и снабженные соосными электродами, пересекающими границу раздела жидкостей, Углы между плоскостями, проходящими через оси прямолинейных участков трубок и ось корпуса, составляют 120 О.Датчик более прост и точен в изготовлении, более надежен, так кэк не имеет подвижных механических соединений. Наряду с этим датчик имеет большую точность измерения, не зависим от соотношения объемов заливаемых жидкостей, так как изменение соотношения объемов жидкостей, в том числе и температурное изменение, приводит к одинаковому смещению границы раздела жидкостей вдоль каждого из параллельных стержневых электродов и не влияет на результат измерений углов.Недостатком датчика является погрешность измерения зенитного угла, вызванная температурным изменением таких физиче.- ских свойств жидкостей, как удельное сопротивление, и электрическая проводимость.Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения наклона и ротации (зенитного и визирного углов), содержащее полый цилиндр из диэлектрика, заполненный двумя несмешивающимися жидкостями, одна из которых диэлектрик, а другая проводник, несколько стержневых электродов, расположенных вдоль внутрен- ней стенки цилиндра, и центральный электрод, расположенный по оси цилиндра. Все электроды пересекают границу раздела жидкостей. Перемещение последней приводит к изменению электрических проводимостей между электродами. Измерение проводимостей дает информацию для определения зенитного и визирного углов посредством вычислений,Недостатком данного устройства является значительная погрешность измеренияЬУвс = - Г - , ЬУос.= - Г - (2)ЬЯвс ЬЬсрТрЬ50 где р- удельное электрическое сопротивление жидкости; 11 - средняя длина проводника, образованного проводящей жидкостьюмежду электродами, которая эквивалентнарасстоянию между электродами,55 Искомый угол определяется зависимостьюф= агстд К 1(ЬУос - ЬУвс) =. =агстд 1 (ЬЯос - ЬЯвс), (3)рИгде К 1 - постоянный коэффициент, определяемый путем контрольных измерений.Во втором варианте датчика при наклоне корпуса изменяются электрические проводимости между электродами В,О и5 корпусом А, в связи с чем измеряемый уголравенф = а гс 1 д Кг (Ь Уод - Ь Увд) == агсд (Ь Яод - Ь Явд), (4)Кгроггде Кг - постоянный эмпирический коэффициент;1 г - средняя длина проводников, образованных жидкостью между электродамии корпусом, которая эквивалентна расстоя 15нию между электродами и корпусом; Л Яод.ЬЯвд - средние площади поперечного сечения соответствующих проводников.Среднее смещение границы разделажидкостей между рассмотренными парамиэлектродов при одном и том же угле наклонаф в первом варианте (п 1) значительно меньше, чем во втором варианте(пг). Эти смешения пропорциональны изменению среднегосечения проводников между соответствующими парами электродов. В предлагаемомдатчике корпус выполнен из проводникового материала, При изменении температурыокружающей среды происходит обьемноерасширение жидкостей и изменение удельного электрического сопротивления проводящей жидкости. Первый фактор приводитк смещению границы раздела жидкостейвдоль электродов и соответствующему приращению площадей поперечных сеченийжидкостных проводников, Если для второговарианта датчика представить изменениеплощадей Ь Яод, Ь Явд в видеЬ Яод = Яод (ф) - Я(0),Ь Явд = Явд (ф) - Я(0), . (5)ф О где Я(0) - площадь сечения проводников при40ф= О, одинаковая для обоих пар электродов,то нетрудно увидеть, что вычисление разности Ь Яод - Ь Явд при определении угла поформуле (4) полностью исключает влияние зенитного угла, вызванная температурным изменением удельного электрического сопротивления рабочей жидкости.Целью изобретения является повышение точности измерения зенитного угла и повышение помехозащищенности,Указанная цель достигается тем, что датчик зенитного и визирного углов, содержащий цилиндрический корпус, заполненный двумя несмешивающимися жидкостями, одна из которых обладает свойствами диэлектрика, а другая проводника, параллельные оси корпуса, стержневые электроды, расположенные на одинаковых расстояниях друг от друга и от оси корпуса и пересекающие границу раздела жидкостей, снабжен дополнительным электродом цилиндрической формы, расположенные полностью в обьеме проводящей. жидкости, не перекрывая стержневые электроды в радиальном направлении, а цилиндрический корпус выполнен из проводникового материала. Кроме того, датчик снабжен полым цилиндром, установленным по оси корпуса и выполненным из проводникового материала, а также диэлектрическими втулками, изолирующими полый цилиндр от корпуса, электрода и жидкостей.На фиг.1 приведена структурная схема датчика; на фиг.2 - разрез А-А на фиг,1.Датчик содержит цилиндрический корпус А, залитый двумя несмешивающимися жидкостями, нижняя из которых обладает электрической проводимостью и является рабочей, а также три параллельных стержневых электрода В,С,О, из которых С является центральным, т.е, расположен по оси корпуса. Все три электрода находятся в одной плоскости, зта плоскость совпадает с плоскостью чертежа, а с помощью датчика производится измерение угла наклона корпуса относительно гравитационной вертикали фАнализируют два основных варианта построения датчика: 1 - корпус А выполнен из диэлектрика; 2 - корпус А выполнен из проводникового материала и электрод С отсутствует. В первом варианте датчика при наклоне корпуса изменяются электрические проводимости между электродами В;О и центральным электродом С:ЬУвс = Увс ) - Увс (0),Ь Уос- Уос (0) . (1) где У (ф) - проводимости при угле наклона У(0) - проводимости при ф = О. Вследствие того, что электроды параллельны. измерение проводимостей происходит исключительно за счет изменения средней площади сечения проводников, образованных проводящей жидкостью между электродами, т.е.50 параллельного смещения границы разделажидкостей на результат измерений,Следовательно, если происходит температурное смещение границы раздела жидкостей вдоль параллельных электродов, тооно не влияет на результат и точность изме,рения. В этом состоит феноменологическоедостоинство датчиков с прямыми параллельными электродами по сравнению с другими жидкостными датчиками. Однаковтброй фактор, т.е. температурное изменение удельного сопротивления жидкостир(1), вызывает погрешность измерения угла, Чтобы учесть температурный дрейфудельного сопротивления, в предлагаемомустройстве использован дополнительныйэлектрод, который не пересекает границураздела жидкостей. Поэтому температурное изменение проводимости между этимэлектродом и корпусом обусловлено толькоизменением удельного сопротивления жидкости.Обозначают на фиг.1 дополнительнь 1 йэлектрод условно буквой Р, определяютсоответствующую проводимость как: Угд= - Г - , (6)р гдгде Ярд,гд - постоянные величины, характеризующие собой сечение и длину жидкостного проводника между дополнительнымэлектродом и корпусом, и определяют искомый угол следующим образом:,(У,А -У,А)= агссдУгдгде Кз - новый эмпирический постоянныйкоэффициент. Тогда. после преобразованийс учетом (4) и (6) получаютКз (ЛАГОА - ЬЯВД ) гд= агс 1 ц12 БЕА= агс 19 К 4 (ЛАГОА - Ь ЬВА) (8)где К 4 - новый постоянный коэффициент,учитывающий только конструктивные размеры датчика.Таким образом, использование дополнительного электрода устраняет существенный недостаток датчиком с прямымипараллельными электродами,Датчик зенитного и визирного углов(фиг.2) содержит цилиндрический корпус 1из проводникового материала, четыре стержневых электрода 2, параллельные оси корпуса 1, полый металлический цилиндр 3,который изолирован от внутренней полости, залитой жидкостями 4,5 посредствомдиэлектрических втулок б - 9, дополнительный электрод 10 цилиндрической формы,закрепленный на втулке 9. При этом цилиндр 3 выполняет роль шасси, на которомсобираются и закрепляются с помощью гаек 5 10 15 20 30 35 40 45 11 остальные детали датчика. Вывод 12 служит для обеспечения электрического контакта электрода 10 с электронной схемой, а винт 13 выполняет функцию заглушки, Для перетока жидкости через втулку 8 в последней предусмотрены отверстия 14.Датчик работает следующим образом.При наклоне корпуса относительно гравитационной вертикали граница раздела жидкостей перемещается вдоль электродов 2, в результате чего происходит изменение проводимостей, образованных проводящей жидкостью 5, между электродами 2 и корпусом 1. Проводимости меняются благодаря изменению средней площади поперечного сечения соответствующих проводников. Изменение проводимостей происходит как вследствие наклона датчика на зенитный угол О, так и вследствие его поворота вокруг оси, т.е. при изменении визирного угла р. Указанные углы определяются следующими соотношениямиК(% - Уз ) + ( У 4 - У 2 )а 1 У 5р= агсщУ 4 - У 2(9)У - Узгде У 1 У 4 - проводимости между электродами 2 и корпусом 1;У 5 - проводимость между дополнительным электродом 10 и корпусом 1; а 1 - эмпирический коэффициент, который определяется путем контрольных измерений, Номера электродов 1-4 отсчитываются против часовой стрелки, если смотреть на датчик сверху. При этом первый электрод выбирается из условия У 1 - Уз0 при У 4 -- У 2 = О. Поскольку проводимость между каждым из электродов 2, включая дополнительный электрод 10, пропорциональна от-ношению Б/р, где Я - средняя площадь поперечного сечения соответствующего жидкостного проводника; р - удельное электрическое сопротивление жидкости 5. Электроды 2 параллельны, формула (9), инвариантны к одинаковым изменениям площадей поперечного сечения проводников между электродами 2 и корпусом 1 д 5 и к величине удельного сопротивления жидкости 5, т,е,смещение границы раздела жидкостей вследствие их температурного расширения и изменение р не влияет на результат измерений.Если предположить отсутствие дополнительного электрода 10, то в формуле для О подфункциональное выражение было бы пропорционально 1/р, т.е. измеренное значение зенитного угла зависело бы отр и его изменений. Но так как в датчике применен дополнительный электрод 10, полностьюпогруженный в жидкость 5, и соответствующая ему проводимость Уб пропорциональна 1/р, то учет в формуле величины этой проводимости позволяет исключить зависимость О от удельного электрического сопро тивления жидкости, чем и достигается эффект повышения точности измерения зенитного угла. При вычислении визирного угла р информация с дополнительного электрода 10 не требуется, Измерение про водимостей производится посредством любой из известных схем преобразователей, а обработка информации производится с по-. мощью устройств вычислительной техникиПредлагаемый датчик обеспечивает 15 большую точность измерения В за счет использования дополнител ьного электрода, полностью погруженного в рабочую жид-. кость, а также большую чувствительность при одинаковых внутренних диаметрах кор пусов за счет изготовления корпуса из проводникового материала и использование корпуса в качестве общего электрода. Кроме того, обеспечивает возможность прокладки транзитных проводов от соседних 25 блоков через полый цилиндр 3, обладает большей помехозащищенностью, так как корпус 1 и цилиндр 3, выполненные из проводниковых материалов, могут быть соединены с общим проводом схемы и тем самым 30 экранировать жидкостные проводники от воздействия электромагнитных полей токов, протекающих в транзитных проводах и по защитному кожуху датчика,Максимальное значение систематиче ской погрешности измерения зенитного угла составляет 0,12 в диапазоне 0 - 80, максимальное значение систематической погрешности визирного угла составляет 2 при 0= 0,5 и 0,3 при О= 3 - 80, а дополнительная температурная погрешность практически отсутствует в диапазоне изменения температур д 1, =20-150 С, В датчике в качестве рабочей проводящдй жидкости 5 использовалась кремнеорганическая жидкость, а в качестве жидкости 4 со свойствами диэлектрика - трансформаторное масло. Формула изобретения Датчик зенитного и визирного углов, содержащий цилиндрический корпус, заполненный не смешивающимися между собой диэлектрической и электропроводной жидкостями, расположенные на одинаковых расстояниях друг от друга и от оси корпуса четыре стержневых электрода, пересекающие границу раздела жидкостей, и пятый электрод. о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения зенитного угла и помехозащищенности, он снабжен установленным по оси корпуса и выполненным из проводникового материала полым цилиндром с диэлектрическими втулками, предназначенными для изоляции полого цилиндра от корпуса, электродов и жидкостей, при этом цилиндрический корпус выполнен из проводникового материала; а пятый электрод имеет цилиндрическую форму и расположен полностью в обьеме электропроводной жидкости со смещением относительно стержневых электродов в радиальном сечении,Составитель Ю,ЛупичевТехред М.Моргентал Тираж ПодписноеГосударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5