Преобразователь азимута

(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт нефтепромысловой геофизики (72) Н,П. Рогатых и Л,А. Куклина(56) Авторское свидетельство СССР М 1008432, кл. Е 21 В 47/02, 1981.Авторское свидетельство СССР В 1452953, кл. Е 21 В 47/02, 1987.(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ Ь АЗИМУТА (57) Изобретение относится к промысловой геофизике и предназначено для определения магнитного азимута. Цель изобретения - повышение точности за счет исключения влияния на результат измерения азимута разности фаз между сигналами феррозондов (Ф) и сигналом генератора (Г). Преобразователь азимута содержит синусно-косинусный датчик 1 в виде двух ортогональных Ф (1 - 1) и (1 - 2), с входами возбуждения которых через делитель 3 частоты связан первый вход Г 2, Сигнальные ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ выходы Ф подключены к первому и второму входам коммутатора (К) 4, третий вход которого соединен с общим проводом. Выход К 4 подключен к первому входу фазовращателя 5, выход которого через избирательный усилитель 6 связан с блоком 7 интервалов времени, С вторым выходом Г 2 соединен вход блока 8 управления, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами соответственно блока 7 и К 4. С вторым выходом Г 2 соединен вход амплитудного манипулятора 9, Управляющий вход манипулятора 9 подключен к второму выходу блока 8, а выход - к второму входу фазовращателя 5, Сигнальные выходы Ф и общий провод схемы К 4 последовательно подключают к первому входу фазовращателя 5 при двух значениях амплитуды опорного сигнала с манипулятора 9. В блоке 7 разность фаз сигнала усилителя 6 и управляющего сигнала, синфазного с сигналом Г 2, преобразуется в пропорциональную длительность импульсов, которую измеряют и определяют азимут по соответствующему алгоритму. 4 ил.Изобретение относится к промысловойгеофизике и может быть использовано в инклинометрах для определения магнитногоазимута,Цель изобретения - повышение точно 5сти за счет исключения влияния на результат измерения азимута разности фаз междусигналами феррозондов и сигналом генераторэ,На фиг,1 представлена структурная схема преобразователя азимута; на фиг.2 -блок управления; на фиг.З - блок интерва, лов времени; на фиг.4 - амплитудный манипулятор.Преобразователь азимута содержит синусно-касинусный датчик 1 в виде двух ор, тагональных феррозондов 1 - 1) и (1 - 2),генератор 2, первый выход которого черезделитель 3 частоты связан с зходами возбукдения ферразондов. Сигнальные выхо Оды последних подключены к первому ивторому входам коммутатора 4, третий вход, которого соединен с общим проводом схемы. Выход коммутатора 4 подключен к первому входу ВС-фазовращателя 5 выходкоторого через избирательный усилитель бсвязан с блоком 7 интервалов времени. Преобразователь азимута содержит также блок8 управления, вход которого соединен с вторым входом генератора 2, а первый и второй Зовыходы соединены с управляющими входами соответственно блока 7 интервалов времени и коммутатора 4, Кроме того, в составпреобразователя азимута входит амплитудный манипулятр 9, вход которого соединенс вторым выходом генератора 2, управляющий вход подключен к второму выходу блока 8 управления, а выход - к второму входуфазавращателя 5,Блок 8 управления иг,2) состоит из 4двух счетчиков 10 и 11, двух дешифраторов12 и 13, двух ВС-триггеров 14 и 15 и логических элементов 16 и 17,Блок 7 интервалов времени фиг.З) содержит два элемента - компаратор 18 иВС-триггера 19,Амплитудный манипулятор 9 фиг.4)представляет собой усилитель с изменяемым коэффициентом передачи. Он содержит операционный усилитель 20, резисторы21 - 24, два аналоговых ключа 25 и 26 илогический элемент И-НЕ 27,Рассмотрим работу ВС-фазовращателя5 (фиг.1), один вход которого с помощьюкоммутатора 4 последовательно подключается к сигнальным обмоткам синусно-косинусного датчика и к общемупроводу схемы,ана второй вход падается апооный сигнал, Представим сигналы синусно-косинусногодатчика и опорный сигнал в виде О,=Озв(вт+ср),ис=-Ос зп(в+ р),Оа = Оощ зп в 1, 11)где Оп, Осп 1, Ооп - амплитуды сигналов;в - частота сигналов;р - фазовый сдвиг, вносимый цепямивозбуждения синусно-косинусного датчика,Фазы сигналов О и Ос равны между собой с достаточно высокой степенью точности, что практически просто достигается разгрузкой сигнальных обмоток датчика. Фаза опорного сигнала принята равной нулю, так как относительно опорного сигнала формируется временной интервал на выходе преобразователя,Фаза сигнала на выходе ВС-фазовращателя при последовательной работе ключей коммутатора принимает значения дЪ =агстц(4соз фзп рфсоз р 3) Ъ =агс или с учетомф, = агс 19 Оов К - ОхОп со Его значение отличается от истинного значения ф вследствие наличия сдвига фаз р . Следовательно, устройство-прототип имеет погрешность, обусловленную фазовым сдвигом между сигналами датчика и опорным сигналом. Эта погрешность имеет вид где К= вВС,В и С - параметры элементов ВС-фазовращателя,На основании этого проанализируемработу устройства-прототипа, Допустим,что в его схеме действуют сигналы вида (1)и примем во внимание равенства ОП 1 = Оп 1"Фз 1 п ф Оса = Ов сазфгде Оп 1 - максимальный размах сигналовсинусно-косинусного датчика, а ф - уголповорота чувствительного элемента датчика, Тогда искомый угол определится по формуле-дно =агст огп 1 К - Оп З)П РЗ)П ф О ро =аг п фзп о щ 2 Рс 1 - Оо = ЭГСтд фсозсозфзи р( ) фс 2 Оо = ЭГИ 9 Оп со Оов 2 К - О После преобразован(10) включают величины е сомножители. Поэтому через отношение з)п ф и К на результат измереДля этого необходимо шение амплитуд опорных 1= К 1, оторое представФормулы (9) изи оои К как общпри вычислении ф/созе влияние рния исключаетсяточно знать и отноСИГНаЛОВ Ооп 2/Оо 1(тд(о1 о с 19 К 1( 19 ДЪ Ро 19 Рз 2 1 ДЪ - тд Дс 2 фо информация, позволяючность измерений путем ультата влияющих фактоожным благодаря введеразователя амплитудного омощью которого осущеие амплитуды опорного де ВС-фазовращателя. ль азимута работает следополнительная щая увеличить то исключения из рез ров, Это стало возм нию в схеме преоб манипулятора, с и ствляется изменен напряжения на вхо Преобразовате ющим образом, ду Или при малых углах .у (в пределах 0 - 10 о) Ьф =0,5К зо 2 ф(-соз ф+ 3 оф) соз 1 рЛщ(6)иЗакон изменения погрешности достаточно сложен и зависит от отношения амплитуд сигналов датчиков и опорного сигнала, от расстройки ВС-фазоврэщателя (К Ф 1), а также от величины самого измеряемого угла, причем указанные параметры существенно зависят от температуры. Укаэанную погрешность скомпенсировать весьма сложно, что составляет существенный недостаток прототипа.Таким образом, низкая точность прототипа обусловлена существованием сдвига фаз между сигналами датчика и опорным сигналом генератора, от которого возбуждается датчик,В данном устройстве исключение указанного недостатка осуществляется изменением амплитуды опорного сигнала, синфазного с сигналом генератора и подаваемого на соответствующий вход фаэовращателя (фиг.1). При этом каждый сигнал датчика обрабатывается для двух значений опорного сигнала, которые отличаются по амплитуде.Ь не зависящий от р и К, т.е. от сдвига фаэ между сигналами синусно-косинусного датчика и сигналом генератора и от расстройки ВС-фазовращателя, Это повышает точность измерений.В отличие от известных устройств в дан-. ном преобразователе азимута при обработке сигналов синусно-кссинусного датчика производится изменение амплитуды опорного сигнала, вследствие чего формируется Подают на перввый вход фазовращателя 5 сигнал Оз, а на второй вход - опорный сигнал с амплитУДой Ооп 1, а потом с амплитУдой Ооа 2, котоРые имеют Различные значения, Определяют соответствующие значения фаэ РС 1, С 2, ДаЛЕЕ ПОДаЮт СИГНаЛ Ос И преобразуют его для тех же значений амплитуд опорного сигнала, что дает соответст- ВуЮщИЕ ЗНаЧЕНИя фаэ рс 1 - у 1 с 2 И Рс 2.ФаэЫ определяют согласно формулам (2). Из полученных значений фаз выходного сигнала вычитают значение ро, которое измеряется при подключении первого входа фазовращателя к общему проводу схемы. В результате получают яет собои коэффициент манипуляции. Этотоэффициент может быть заранее задан пааметрами схемы или определен путем тесовых измерений. Таким образом, отношение величин (9и (10) дает результатработы преобразователя соаковь х циклон, каждый из коПрс стоит и, ГЦЕССЭ ОДИН Оол 1 К + 012 ( К СО 05 Л 1 К - 012 (СОЗ ФЗ(;фьд Осщ 7 К 1 О 12 КСОьУ - БьуОоГо012, соз У + К з 1 п)В пятом подцикле первый вход В-фа- избирательного усилителя 6 (Ф 1 - Ф 5) пре;зовращателя 5 посредством коммутатора 4,. образуются н длительность прямоугольныхьсоединяется с общим проводом схемы пре- импульсов пс алгоритму образователя, Я на второй нхОД (Язовраща, Л,(16)ь 1 Т 8 ля 5 подаес Опорный синал с 36 Овамплитудой Оог 1, Фаза сигнала на выходе где 5 - номер подцикла(изменения).избирательнОГО усилит 8 ля б принимает зна-,., Импульсы поступа:от на ВыхОД блока 7чвни 8 интервалов ьремени (выход преобразоватеФ 5=агсщ 1/К+,Об, (15,1 ля) с выдержкой нременл по отношению кВ блоке 7 интеовалав времени относиь моментам переклочения подциклов, что неь18 льные фазоные с, ви "и выходного сигналаОбходимо для завераения переходных проГенератор 2 (фиг,1) вырабатывает епрерынный периодический сигнал прямоуГОльной или синусоидяльной формы, Частота ОснОВнОЙ Гармоники сиГнала ГенеОатора 2 с помощью д 8 лителя 3 чястоты делится на два и усиливается до получения мощности, необходимой для возбуждения феррозондов (1 - 1) и (1 - 2). Феррозонды (1 - 1) и (1 - 2) выда 5 от полигармонические сигналы, н сеставе которых амплитуда вто 10 рой гармоники несет информацию, Благодаря применению делителя 3 частоты частота основной гармоники генератора 2 совпадает с частотой информационных гармоник феррозондов. Коммутатор 4 осуществляет попеременное подключение сигнальных обмоток феррозонДОВ и ОбщеГО проВОДЯ схемы к первому Входу фазонращятеля 5. Ня второй вход фазовращателя 5,поступает Опорный сиГнал с выхоДЯ ЯмплитуДнОГО ма нипулятора 9, который скачкообразно меняет амплитуду опорного сигнала по сигналам блока 8 управления, С помощью избирательного усилителя 6 производится Выделение основной гармоники из суммарного сигнала фазонращателя 5, чем достигается необходимое качество информационного сигнала, В блоке 7 интервалов времени изменения фазы сЙГнала нв ВыхоД 6 иэбирЯ- тельного усилителя б преобразуюгся в ЗО длительность импульсоВ, БлОкупранле" ния, тактируилый сиГналом ГВН 6 ратора 2, предназначен для формирования сигналов управления для коммутатора 4, блока 7 интерВялов Времени., я также Осуществляет ВыДВржку Времени, необходи 54 ВО Для завершения переходных процессов в схемах фазОВраЩателя 5 и изоирательнОГО усилит 8- ля б. торых имеет пять равных по времениподциклов.В первом и втором подциклах коммутатор 4 по сигналу блока 8 управления соединяет сигнальную обмотку первогоферрозонда с первым входом ЯС-фазовращателя 5, Причем амплитуда опорного сигнала, подаваемо 5 о на второй входфазовращателя 5 с выхода амплитудногоманипулятора 9, в первом подцикле равнаОоп 1, а во втоРом - Ооп.2, Сигналы феРРОзондов и опорные сигналы после приведения к выходу избирательного усилителя 6принимают соответственно видО 11 - 011 з 1 п (и т+ р), 012= 012 зп(щ 1 + р),001 - Оощ 1 Зп 03 Т, 002 - Оов 2 З 5 П О Т Д 2где О - частота генератора 2;р - фазовый сдвиг в цепях ферроэондоного датчика 1,На выходе избирательного усилителя 6в первом и втором подциклах работы преобразователя получа 1 от следующие значенияфазы сигналаОо 1 К+0,1 КсозГр-з Лр)Ю 1 =Ягст +5 бОо 1 К 2-011 созе+Кзпр)Оощг К+О 1(Ксозф-залпу) +Ф 2 - агслц Рб, (13)Ооглг К +011(созр+Кз Пф)ГД 6 Об "фазовьй сДВЙГ, внослмь 5 Й избирательным усилителем б.В третьем и четвертом псдциклах к первому входу фазовращателя 5 подключаетсясигнальная обмотка второго ферроэонда(1 - 2), Причем на второй вход фяэоврящателя 5 н третьем подцикле подается опорныи сиГнал с амплитудои Ооп 1, я вчетвертом - Оотг, также, как и при обработке сигнала первого ферро-онда (1 - 1) впервом и втором подциклах, В результатефаза выходного сигнала избирательногоусилителя б В третьем и четвертом подцикЛах принимает значения г Оответственноз Гр - зп Я )1609987 10 9) 18 (фиг.З) подаетс выхода избираКомпаратор 18 дам через нуль в торый постоянно в О, Каждый имход Я триггера с авливает триггер ря чему на выхо 1 паратораный сигналлителя 6,го по перехосигнал, котриггер 19ющий на вения, устан"1, благода На вход ко ся синусоидаль тельного уси преобразует е прямоугольный устанавливает пульс, поступа блока 8 управл 19 в состояние цессов в схемах фазовращателя 5 и избирательного усилителя 6, После измерения длительностей импульсов и обработки 1 011 - 1 д (012тд ( ФЗ - Ф 5 ) - 1 д ( Ф 4 - Ф 5 представляющее собой тангенс искомого угла. Но так как оси чувствительности фер- . роэондов ортогональны и с помощью, например подвижных рамок с грузами устанавливаются в горизонтальную плоскость, то амплитуды вторых информационных гармоник изменяются по законам011 = Оп 3 и а, 012 = От сов а, (1 О), где а - магнитный азимут, Отношение (17) определяет азимут а = агС 19, (1 011 012 Кон ечн ы й резул ьтат измерения не эа висит от расстройки фазовращателя и от относительного фазового сдвига сигналовферроэондов. Кроме того, результат не зависит от собственного фазового сдвига Р 625избирательного усилителя, благодаря вычислению разностей Ф 1 - Ф 5, Ф 2 - Ф 5,ФЗ - Ф 5, Ф 4 - Ф 5.Функциональные блоки преобразоватезимута работают следующим образом. 3На вход 1 блока 8 управлечия (фиг,2)подаются прямоугольные импульсы с генератора 2, которые с помощью счетчика 11 идешифратора 13 распределяются во времени так, что каждый десятый импульс запускает блок 7 интервалов времени, чемдостигается выдержка времени, необходимая для завершения переходнь 1 х процессов. После каждого импульса,управляющего блоком 7 временных интервалов, следует импульс, переключающийциклы работы преобразователя посредством счетчика 10 и дешифратора 12, С помощью триггеров 14 и 15 формируются сигналы для управления коммутатором 4(фиг.1), который состоит из трех аналоговыхключей, открываемых уровнем 1. С выходалогического элемента 17 снимается сигналдля управления амплитудным манипулятором 9,5 информации в условных кодах согласно алгоритму (11) оп ределяется отношение- ) - ,(17) 1( тд ( Ф 1 - Ф 5 ) -тд ( Ф 2-Ф 5 ) ) де триггера формируется импульс. Поскольку между импульсами, поступающими на входы триггера 19, имеется фазовый сдвиг, равный в каждом подцикле соответствующему значению Фь то длительность импульса на выходе триггера 19 также пропорциональна значению Ф (выражение (16), Когда на входы элемента 27 (фиг.4) и ключа 25 подается управляющий сигнал "1", ключ 25 находится в открытом состоянии, а ключ 26 - в закрытом, Коэффициент передачи усилителя 20 равен В 24/В 22, Когда управляющий сигнал равен "0", открыт ключ 26 и коэффициент передачи усилителя равен В 24/В 23, Следовательно, коэффициент манипуляции К 1, входящий в выражение (17), равен К 1 - В 22 (20)В 23Он показывает отношение двух амплитуд опорных напряжений, Для стабилизации величины коэффициента необходимо выбрать резисторы 23 и 22 с одинаковыми температурными коэффициентами. Величина коэффициента задается заранее или определяется из (17) экспериментальным путем. Коэффициент может быть выбран произвольно, но не равным единице (К 1 Ф 1), так как в этом случае возникает неопределенность, Например, его значение может быть равным 0,25, 0,5, 2, 4 и т,д.Предлагаемый преобразователь азимута по сравнению с прототипом имеет более высокую точность измерения азимута, так как в нем исключается влияние фазового сдвига, вносимого цепями датчика, на ое. эультат измерения. Вместе с тем исключается влияние на результат расстройки ВС-фазовращателя и собственного фазового сдвига избирательного усилителя, т.е. предлагаемое устройство не только сохраняет все достоинства прототипа, но и устраняет его существенный недостаток,Устройство может быть использовано и с другими датчиками, например, с синуснокосинусными вращающимися трансформаторами. В этом случае из схемы следует исключить делитель частоты. Кроме того, при использовании генератора с синусоидальным выходным сигналом можно исключить.также избирательный усилитель.Лабораторные испытания показали, что погрешность, обусловленная температур ными дрейфами параметров элементов схемы преобразователя, не превышает единицы четырнадцатиразрядного кода, используемого для записи и обработки информации, т,е. практически отсутствует, Испытания проводятся в диапазоне температур 20 - 180 С,Формула изобретения Преобразователь азимута, содержащий инусно-косинусный датчик в виде двух орогональных феррозондов, генераторперый выход которого через делитель частоты вязан с входами возбуждения феррозонов,сигнальные выходы которых подключены к первому и второму входам оммутаторэ, третий вход которого соедицен с общим проводом, выход коммутатора подключен к первому входу фазовращателя, выход которого через избирательный усилитель связан с блоком интервалов времени, и блок управления, вход которого соединен с вторым выходом генератора, а первый и второй выходы соединены с управляющими входами соответственно блока интервалов времени и коммутатора, о т л и ч а ю щ и й - с я тем, что, с целью повышения точности за счет исключения влияния на результат измерения азимута разности фаз междусигналами феррозондов и сигналом генератора, он снабжен амплитудным манипулятором, вход которого соединен с вторым выходом генератора, управляющий вход подключен к второму выходу блока управления, а выход - к второму входу фазовра щателя.1609987 л цйцравеа- О ЦбитпЕЯЯ й(хИ па Вагаупра 5 мицв Фц Составитель А, ЦветковРедактор И.Касарда Техред М.Моргентал Корректор Л.Пата Тираж 486 Подписноеарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужго л.Гагарина, 10 дл гие- ,РУПОРУ Я ао Юлой уа 5 кнц Заказ 3715 ВНИИПИ Го крамЮр- ащцщеля