ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АЗИМУТА ДЛЯ ИНКЛИНОМЕТРА Российский патент 1994 года по МПК E21B47/02 

Описание патента на изобретение RU2018645C1

Изобретение относится к промысловой геофизике и может использоваться в инклинометрах для определения магнитного азимута геофизических скважин.

Известен преобразователь наклона скважины и угла установки отклонителя бурового инструмента, содержащий генератор, подключенный к обмоткам возбуждения трех первичных трансформаторных преобразователей, связанных с тремя маятниками, аналоговый коммутатор, подключенный входами к сигнальным обмоткам первичных преобразователей, а выходом - через детектор, фильтр низкой частоты и преобразователь напряжение-временной интервал, подключенный к первому входу элемента И, первый двоичный счетчик, включенный между выходом элемента И и первым входом блока формирования кода, а также генератор прямоугольных импульсов, подключенный выходом к второму входу элемента И и через делитель частоты и второй двоичный счетчик к второму входу блока формирования кода и входу управления коммутатора [1].

Известно также устройство, включающее в себя последовательно соединенные избирательный усилитель, фазовый детектор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и реализующее способ измерения сигналов феррозондовых датчиков [2].

Недостатком известных устройств является низкое качество аналоговых сигналов на входах преобразователя напряжение-временной интервал в [1] и АЦП в [2], которое обусловлено значительным уровнем пульсаций, имеющих место вследствие недостаточно эффективной фильтрации выпрямленных сигналов датчиков (первичных преобразователей). Наличие пульсаций в конечном счете снижает разрешающую способность аналого-цифрового преобразования сигналов, ведет к необходимости уменьшения разрядности АЦП, потере точности преобразования и точности измерения параметров.

Уменьшение уровня пульсаций сигналов в известных устройствах может быть достигнуто только за счет увеличения порядка и добротности фильтров низких частот, а также за счет снижения их частоты среза. Однако все эти меры дают лишь относительный эффект, так как сопровождаются значительным усложнением, снижением экономичности и быстродействия преобразователей, что крайне нежелательно для скважинной аппаратуры.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является преобразователь азимута для телеизмерительной системы, который принят за прототип и содержит генератор, датчик азимута, выполненный в виде двух дифференциальных феррозондов с ортогональными осями чувствительности, коммутатор, четыре ключа, усилитель, интегратор, а также делитель частоты, преобразователь амплитуда-временной интервал, три дополнительных ключа и ограничитель тока (резистор). При этом делитель частоты включен между генератором и датчиком азимута, два ключа подключены одними выходами к сигнальным обмоткам датчика, третий ключ одним выводом через ограничитель тока соединен с общим проводом схемы, четвертый и пятый ключи также одними выводами соединены с входами интегратора, другие выводы указанных ключей объединены, шестой ключ подключен параллельно конденсатору интегратора, седьмой ключ включен между усилителем и преобразователем амплитуда-временной интервал, входы управления четвертого и пятого ключей подключены к генератору, а остальных ключей - к коммутатору, и выход интегратора соединен с входом усилителя [3].

Недостаток известного преобразователя состоит в том, что сигнал, снимаемый с выхода интегратора, имеет значительный уровень пульсаций, т.е. низкое качество, вследствие недостаточного подавления переменных составляющих выпрямленных сигналов феррозондов с помощью интегратора. Действие пульсаций при отсутствии синхронизации в работе генератора и преобразователя амплитуда-временной интервал проявляется в виде "дребезга" фронтов и длительности импульсов на выходе последнего, что обуславливает значительную случайную погрешность и низкую точность измерения.

Влияние пульсаций информационных сигналов в известном преобразователе можно частично скомпенсировать путем синхронизации работы генератора с тактовой частотой работы телеизмерительной системы. Поскольку частота генератора (2-3 кГц) значительно выше частоты работы системы (100-400 Гц), то синхронизация может быть осуществлена только с помощью устройств автоподстройки частоты или умножителей частоты. Однако эти устройства сложны в изготовлении и настройке, значительно усложняют преобразователь, снижают эффективность скважинной аппаратуры.

Кроме того, во многих приборах тактовая частота телесистемы не стабилизируется. В то же время частота возбуждения феррозондовых датчиков должна быть стабилизирована. В этом случае синхронизация работы генератора и телеизмерительной системы вообще невозможна.

Целью изобретения является повышение качества выходных сигналов и точности измерений при асинхронном аналого-цифровом преобразовании выходных сигналов.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого преобразователя азимута для инклинометра.

Преобразователь азимута содержит генератор 1, подключенный первым выходом через двигатель 2 частоты к цепям возбуждения датчика, состоящего из двух феррозондов 3, 4 с ортогональными и горизонтальными осями чувствительности, первый 5, второй 6 и третий 7 ключи, выходы которых подключены соответственно к сигнальным обмоткам феррозондов 3, 4 и через ограничитель 8 тока к общему проводу схемы, а выходы объединены и через усилитель 9, четвертый ключ 10, первый интегратор 11 и пятый ключ 12 подключены к входу второго интегратора 13, а также шестой 14 и седьмой 15 ключи, подключенные параллельно конденсаторам интеграторов 11, 13, и коммутатор 16, вход которого подключен к внешнему генератору тактовых импульсов (не показан), а выходы соединены с входами управления первого 5, второго 6 и третьего 7, а также к объединенным входам управления шестого 14 и седьмого 15 ключей. При этом входы управления четвертого 10 и пятого 12 ключей соединены соответственно с вторым и третьим выходами генератора 1.

Преобразователь азимута работает следующим образом.

Сигнал с первого выхода генератора 1 поступает на вход делителя 2 частоты, где формируется синусоидальное напряжение частотой для возбуждения феррозондов 3, 4. По второму, третьему выходам генератор 1 вырабатывает последовательности прямоугольных противофазных импульсов U10, U12 частотой для управления ключами 10, 12.

Коммутатор 16, на вход которого подаются низкочастотные тактовые импульсы Uт от внешнего генератора, формирует сигнал U5, U6, U7, посредством которых последовательно открываются ключи 5, 6, 7, и вход усилителя 9 на интервале времени t2-t0 соединяется с сигнальной обмоткой феррозонда 3, на интервале времени t4-t2 - с сигнальной обмоткой феррозонда 4, а на интервале t6-t4 подключается через ограничитель 8 тока к общему проводу схемы преобразователя. В начале каждого из указанных интервалов времени производится сброс зарядов с конденсаторов интеграторов 11, 13, для чего по сигналу U16-4, снимаемому с четвертого выхода коммутатора 16, на одинаковые короткие интервалы времени t1-t0, t3-t2, t5-t4 открываются ключи 14, 15. В течение интервалов времени t2-t1, t4-t3, t6-t5 протекают переходные процессы заряда конденсаторов интеграторов 11, 13 и на выходе преобразователя (выходе интегратора 13) соответственно устанавливаются напряжения:
Uвых1=К˙U3+U0;
Uвых2=K˙U4+U0; (1)
Uвых3=U0,
где U3, U4 - средние за полупериод значения сигналов феррозондов 3, 4;
К - коэффициент передачи канала преобразования, включающего усилитель 9 и интеграторы 11, 13; U0 - смещения нулевых уровней сигналов в канале преобразования, приведенные к выходу преобразователя.

Кроме рассмотренных выше сигналов коммутатор 16 формирует по пятому выходу сигнал U16-5, который используется для запуска внешнего АЦП и совпадает с теми промежутками времени, когда сигнал на выходе преобразователя принимает установившиеся значения (2).

В установившемся режиме работы в схеме преобразователя протекают следующие процессы. В течение первого полупериода сигнала генератора Т1открыт ключ 10 и конденсатор интегратора 11 заряжается полуволной усиленного с помощью усилителя 9 сигнала феррозонда Uвых9. В то же время через внутреннее выходное сопротивление усилителя 9 происходит разряд указанного конденсатора, поскольку он был заряжен от предыдущих полуволн сигнала феррозонда. В результате сигнал на выходе интегратора 11 имеет постоянную составляющую Uс, пропорциональную среднему за время Т1значению сигнала феррозонда, и наложенную на нее переменную составляющую (пульсацию), среднее значение которой за время Т1 равно нулю. В течение второго полупериода Т2 ключ 10 закрыт, на конденсаторе интегратора 11 сохраняется заряд, соответствующий среднему значению сигнала феррозонда, и на выходе интегратора 11 действует постоянный сигнал Uc, не имеющий никаких пульсаций. Конденсатор интегратора 13 через открытый в течение Т2 ключ 12 заряжается сигналом Uc. Поскольку процесс установившийся, т.е. сигнал феррозонда не меняется, то конденсатор к этому времени уже заряжен до напряжения Uc. Поэтому подключение интегратора 13 к выходу интегратора 11 лишь подтверждает заряд конденсатора в интеграторе 13, вследствие чего сигнал на выходе последнего Uвых= Uс представляет собой практически идеальное постоянное напряжение, у которого принципиально отсутствуют пульсации, обусловленные недостаточно эффективным подавлением переменных составляющих сигналов.

В процессе работы преобразователя производится измерение установившихся значений выходного сигнала (1). Вследствие того, что оси чувствительности феррозондов горизонтальны и ортогональны, средние значения сигналов феррозондов пропорциональны функциям азимута U3=asin α, U4=acos α, и вычисление азимута производится по алгоритму
αn= arctg ,, (2), с помощью которого исключается влияние смещения нулевых уровней сигналов U0 на результат измерения.

В отношении конструкции преобразователя необходимо отметить, что коммутатор 16 по существу представляет собой распределитель импульсов и реализуется на широко распространенных цифровых микросхемах. Его конструкция в данном случае не является оригинальной. Интеграторы 11, 13 в целях унификации конструкции преобразователя целесообразно выполнять одинаковыми по схеме и параметрам.

Предлагаемый преобразователь азимута для инклинометра по сравнению с прототипом имеет более высокое качество аналоговых сигналов, предназначенных для преобразования в цифровую форму. Это достоинство обеспечивается тем, что в устройстве использован второй интегратор 13, на вход которого в установившемся режиме всегда подается постоянное напряжение. При этом вход второго интегратора никогда не соединяется с источником переменных во времени сигналов. Поэтому на выходе интегратора действует сигнал, который принципиально не имеет пульсаций. Последнее в сравнении с прототипом дает преимущества, которые имеют большую практическую ценность, а именно: существенное увеличение точности преобразования сигналов за счет увеличения разрядности используемого совместно с преобразователем АЦП; высокую точность измерений сигналов при отсутствии жесткой синхронизации в работе питающего феррозонды генератора, с одной стороны, и коммутатора и внешнего АЦП, с другой.

Лабораторные исследования показали, что помехи (пульсации) на выходе преобразователя обусловлены только коммутационными процессами при работе ключей, внешними помехами и шумами операционных усилителей. Уровень помех не превышает уровня 1,0 мВ при максимальном значении выходного сигнала ±5,0 В, что позволяет использовать для работы сигналов 12-разрядный АЦП. Для сравнения, у прототипа уровень пульсаций на выходе интегратора составляет 20 мВ, что в лучшем случае дает возможность применить 10-разрядный АЦП.

Таким образом предлагаемое техническое решение обеспечивает увеличение точности преобразования сигналов феррозондов в среднем в 4 раза.

Согласно результатам метрологических испытаний погрешность измерения азимута в случае использования преобразователя составляет ±0,6о. При этом она определяется в основном нелинейностью характеристик феррозондов.

Похожие патенты RU2018645C1

название год авторы номер документа
Преобразователь азимута для телеизмерительной системы 1982
  • Ковшов Геннадий Николаевич
  • Филин Николай Иванович
  • Рогатых Николай Павлович
  • Киселев Аркадий Викторович
SU1059157A1
Преобразователь азимута инклинометра 1990
  • Рогатых Николай Павлович
  • Куклина Любовь Андреевна
SU1760324A1
Феррозондовый датчик азимута 1982
  • Ковшов Геннадий Николаевич
  • Сергеев Анатолий Николаевич
  • Миловзоров Георгий Владимирович
  • Батурин Игорь Николаевич
SU1025877A1
Аналого-цифровой преобразователь 1989
  • Ракаев Анатолий Петрович
  • Диденко Валерий Иванович
  • Кишко Борис Борисович
  • Капустин Владимир Михайлович
  • Быков Александр Петрович
SU1695499A1
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ ИНКЛИНОМЕТРА 2002
  • Рогатых Н.П.
RU2249790C2
Преобразователь азимута инклинометра 1990
  • Рогатых Николай Павлович
  • Куклина Любовь Андреевна
SU1763644A1
АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 1992
  • Лукьянов Л.М.
RU2062549C1
Измерительный преобразователь для тензорезисторных весоизмерительных устройств 1990
  • Быков Александр Петрович
  • Диденко Валерий Иванович
  • Капустин Владимир Михайлович
  • Кишко Борис Борисович
  • Ракаев Анатолий Петрович
SU1830463A1
Преобразователь азимута 1988
  • Рогатых Николай Павлович
  • Куклина Любовь Андреевна
SU1609987A1
ИНТЕГРИРУЮЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 1991
  • Лукьянов Л.М.
RU2012130C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 018 645 C1

Реферат патента 1994 года ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АЗИМУТА ДЛЯ ИНКЛИНОМЕТРА

Изобретение относится к промысловой геофизике и может использоваться в инклинометрах и инклинометрических модулях для комплексной геофизической аппаратуры. Цель изобретения - повышение качества выходных сигналов и точности измерений при асинхронном аналого-цифровом преобразовании выходных сигналов. Сущность изобретения: преобразователь содержит генератор, делитель частоты, феррозонды, семь ключей, ограничитель тока, усилитель, интеграторы и коммутатор. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 018 645 C1

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АЗИМУТА ДЛЯ ИНКЛИНОМЕТРА, содержащий генератор, подключенный первым входом через делитель частоты к цепям возбуждения, датчика азимута, выполненного в виде дифференциальных феррозондов с ортогональными и горизонтальными осями чувствительности, семь ключей, интегратор, усилитель и коммутатор, выходы которого подключены к управляющим входам первого, второго, третьего и четвертого ключей, а вход соединен с внешним генератором тактовых импульсов, выход четвертого ключа подключен параллельно конденсатору интегратора, к входу которого подключен выход пятого ключа, а к входам управления пятого и шестого ключей подключены второй и третий выходы генератора, выходы первого, второго и третьего ключей объединены, а входы подключены соответственно к сигнальным обмоткам феррозондов и через ограничитель тока к общему проводу схемы, отличающийся тем, что, с целью повышения качества выходных сигналов и повышения точности измерений при асинхронном аналого-цифровом преобразовании выходных сигналов, он снабжен вторым интегратором, параллельно конденсатору которого подключен седьмой ключ, объединенные выходы первого, второго и третьего ключей подключены через усилитель к входу пятого ключа, выход первого интегратора через шестой ключ соединен с входом второго интегратора, а управляющие входы четвертого и седьмого ключей объединены.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1994 года RU2018645C1

Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. 1921
  • Богач Б.И.
SU3A1
Преобразователь азимута для телеизмерительной системы 1982
  • Ковшов Геннадий Николаевич
  • Филин Николай Иванович
  • Рогатых Николай Павлович
  • Киселев Аркадий Викторович
SU1059157A1
Выбрасывающий ячеистый аппарат для рядовых сеялок 1922
  • Лапинский(-Ая Б.
  • Лапинский(-Ая Ю.
SU21A1

RU 2 018 645 C1

Авторы

Рогатых Н.П.

Куклина Л.А.

Даты

1994-08-30Публикация

1990-11-21Подача