ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ ТРУБНОГО СТАВА Российский патент 1995 года по МПК G01C21/16 

Изобретение относится к системе измерения и обработки информации и может быть использовано для определения линейного и углового отклонения упругого протяженного тела, одним концом закрепленного относительно заданной системы координат, в частности для измерения положения трубного става, погружаемого в море с добывающего судна.

Для эффективного использования става необходимо в течение всего времени работы достаточно точно определить координаты конца става и углы наклона его относительно горизонта. Из известных технических решений наиболее подходящим для этой цели является инерциальная навигационная система (ИНС), вырабатывающая углы наклона относительно плоскости горизонта и координаты точки, в которой она размещена, выполненная с возможностью коррекции от средств обсервации. Для измерения положения трубного става с помощью прототипа необходимо разместить ИНС на конце става.

Недостатком прототипа при этом является как низкая точность определения исходного места конца става на момент погружения, так и неограниченное нарастание со временем погрешности определения места конца става (как погрешность долготы некорректируемой ИНС) в процессе добычи (движения). Для повышения точности измерения координат в этом случае нельзя применять известные методы коррекции ИНС от средств обсервации (радионавигационные системы, астрокорректоры, дальномеры и т.п.), так как для их работы должно быть задано положение ИНС относительно средств обсервации, что невозможно при размещении ИНС в подводном положении и на перемещающемся относительно судна конце става.

Целью изобретения является повышение точности измерения координат конца става путем оценки указанных погрешностей.

Цель достигается тем, что инерционная навигационная система установлена в точке крепления става с объектом, и тем, что на ставе равномерно размещены n двухкоординатных блоков измерения линейных ускорений и приращений углов наклона, например, включающих два маятниковых акселерометра и два кольцевых лазерных гироскопа со взаимно ортогональными входными осями, перпендикулярными оси става, введен блок выработки координат конца става, а также два канала определения линейного отклонения и угла наклона конца става, содержащие каждый n-1 группу следующих блоков, блок определения приращений линейного отклонения и углов наклона, блок суммирования ускорений, выходами связанный с входами по ускорению соответствующих блоков определения приращений, прямыми входами - с выходами по ускорению последующих двухкоординатных измерительных блоков и инверсными входами - с выходами по ускорению соответствующих двухкоординатных измерительных блоков, блоки суммирования приращений угла, выходами связанные с входами по приращению угла соответствующих блоков определения приращений, прямыми входами - с выходами по приращению угла наклона последующих двухкоординатных измерительных блоков и инверсными входами - с выходами по приращению угла наклона соответствующих двухкоординатных измерительных блоков, последовательно соединенные блоки суммирования приращений угла наклона, последовательно соединенные блоки суммирования линейного отклонения.

Кроме того, в заявляемом измерителе блок выработки приращений линейного отклонения угла наклона представляет собой замкнутый контур из последовательно соединенных блока определения ускорения оси става, первого сумматора, первого интегратора, второго сумматора, второго интегратора, масштабирующего блока, блока определения среднего приращения угла наклона става, блока суммирования приращений среднего угла наклона, блока учета упругости става, блока определения невязки угла и блока демпфирования собственных колебаний.

На фиг.1 приведена структурная схема предложенного измерителя; на фиг.2 показано размещение двухкоординатных измерительных блоков на ставе (в плоскости килевой качки); фиг.3 иллюстрирует расположение использованных систем координат; на фиг.4 представлена схема блока определения приращений линейного отклонения и угла наклона.

В тексте приняты следующие обозначения:
ДИБ - двухкоординатный измерительный блок;
А_oх, А_оу - маятниковые акселерометры, устанавливаемые по соответствующим осям;
ЛГ_ох, ЛГ_оу - кольцевые лазерные гироскопы, устанавливаемые по соответствующим осям;
КВОУ_х, КВОУ_у - каналы определения линейных отклонений и углов наклона в соответствующих осях;
ВП^у - блоки определения приращений линейных отклонений и углов наклона, установленных по соответствующим осям;
БВК - блок определения координат места конца става, является выходом измерителя положения става;
а_j^x, a_j^y - значения составляющих линейного ускорения,
j = ;
Δθ_j, ΔΨ_j - значения приращений углов наклона (бортовая и килевая составляющие качек),
j = ;
δθ_k^*, δϕ_k^* - приращение углов качки на участках между соседними блоками ДИБ,
k =
Δ X_k, ΔY_k - значения приращения линейных отклонений оси става вдоль горизонтальных осей,
k =
θ_m, Ψ_m - полные значения бортовой и килевой качек на каждом интервале установки ДИБ,
m =
X_k, Y_k - полные значения смещений точки θ_к (место установки ДИБ),
K =
K - курс судна;
ϕ_o,λ_o - координаты судна;
ϕ_N,λ_N - координаты конца става;
θ_k^*,Ψ_k^*- средние значения угла наклона между Ψ_k-1 и Ψ_k; θ_k-1 и θ_k.

Измеритель положения трубного става содержит (фиг.1, 2) корректируемую инерциальную систему (ИНС) 1, например устройство со схемой коррекции от средств обсервации. Схема коррекции ИНС для простоты на чертежах не показана, поскольку ее выполнение известно и не влияет на достижение цели изобретения. Корректируемая ИНС 1 предназначена для выработки курса К, углов килевой Ψ_o и бортовой θ_o качки судна 2, а также координат места ее установки ϕ_o, λ_o с погрешностью, не превышающей заданную постоянную величину при длительной работе ИНС. Система 1 установлена в точке 0 крепления к судну 2 упругого трубного става 3, вдоль оси которого равномерно, на расстоянии l друг от друга, размещены двухкоординатные блоки 4 измерения линейных ускорений и приращений углов наклона, предназначенных для измерения составляющих линейного ускорения а_к^х, а_к^у и приращений углов наклона (углов бортовой и килевой качек) вокруг осей X и Y (фиг. 3) ΔΨ_к и Δθ_к в плоскости, перпендикулярной оси става 3. Величина выбирается с учетом упругости става 3 таким образом, чтобы при максимально допустимых изгибах става 3 изменения угла наклона его оси относительно вертикали на участке между соседними блоками 4 не превышало 0,5-1,0^о, что позволяет считать углы ΔΨ_k и Δθ_k малыми.

Тогда необходимое количество блоков 4 определяется неравенством
N ≥ , (1) где L - заданная длина става, причем 1≅k≅N.

Блоки 4 могут включать, например, по два маятниковых акселерометра 5 и два кольцевых лазерных гироскопа 6 с устройствами съема и преобразования выходного сигнала (на фиг.1 не показаны), оси чувствительности которых лежат в плоскостях бортовой и килевой качки и перпендикулярны оcи става. Выходы чувствительных элементов 5 и 6 блоков 4 подключены в соответствии с фиг. 1 к каналам определения линейного отклонения и угла наклона конца става 7 и 8, содержащим каждый блок 9 суммирования ускорений, предназначенные для выработки измеренных акселерометрами 5 линейных ускорений на участках между соседними блоками 4, блоки 10 суммирования приращений угла, предназначенные для выработки измеренных гироскопами 6 приращений угла наклона оси става на участках между соседними блоками 4 за заданное время Δt, блоки 11 суммирования приращений угла наклона, предназначенные для выработки текущих полных значений углов бортовой θ_k и килевой Ψ_kкачки (K=1, N) оси става в точках установки блоков 4, блоки 12 суммирования линейного отклонения, предназначенные для выработки текущих полных значений смещения Х_k, Y_k точки О_k относительно точки О вдоль осей Х, Y, а также блоки 13 определения приращений линейного отклонения и угла наклона, предназначенные для выработки приращений линейного отклонения оси става Δ X_k, ΔY_k вдоль горизонтальных осей Х, Y и приращений углов качки δθ_k, δϕ_k на участках между соседними блоками 4.

Блоки 13 (фиг.4) включают каждый первый интегратор 14 ускорения, второй интегратор 15 ускорения, масштабирующий блок 16 с коэффициентом передачи 1/l, блок 17 определения приращения среднего угла наклона оси става по формуле
α_к^*=arcsinU_k, (2) где U_к= - выходной сигнал блока 16; (3) Δl_k есть ΔХ_к илиΔ Y_k в зависимости от того, в каком из каналов 7 или 8 находится блок 13, а α_к^* есть соответственно θ_к^* или Ψ_к^* (см. фиг.2). Выход блока 17 подключен к прямому входу блока 18 суммирования приращения среднего угла наклона, инверсным входом подключенного к выходу предыдущего в канале 7 или 8 блока 11, вырабатывающего соответственно θ_к-1 или Ψ_к-1 . Выход сумматора 18 подключен к блоку 19 учета упругости става с коэффициентом передачи 1/ ζ_к, который вычисляется заранее в процессе калибровки схемы и зависит от упругости данного участка става. Выход блока 19 связан с инверсным входом определения невязки угла 20, прямым входом соединенного с выходом соответствующего блока 10 суммирования приращений угла, выходом - с входом блока 21 демпфирования собственных колебаний, предназначенного для гашения собственных колебаний (переходных процессов) в блоке 13. Схема 21 включает масштабирующие блоки 22 и 23 с постоянными коэффициентами передачи k₁ и k₂ и предварительный фильтр 24, соединенные согласно фиг.4. Фильтр 24 предназначен для предварительной обработки сигнала невязки (подавления помехи). При наличии в сигнале невязки высокочастотной помехи он может представлять собой апериодическое звено, как показано на фиг.4, и включает интегратор 25, масштабирующее звено 26 с коэффициентом передачи 1/ Δt₁, где Δ t₁ выбирается в 3-5 раз больше периода помехи, а также сумматор 27. Выходы схемы 21 демпфирования через сумматоры 28 и 29 связаны с входом интегратора 15 и первым входом блока 30 определения ускорения оси става, предназначенного для вычисления ускорения из-за наклона оси става по формуле
Δ g_k= g δα_k, (4) где δα_k - приборное значение приращения угла наклона, поступающее с выхода сумматора 29 и являющееся выходным сигналом блока 13;
g - величина ускорения свободного падения.

Выход блока 30 соединен с входом интегратора 14 через сумматор 31, вторым входом связанный с выходом соответствующего блока 9 через блок 32 преобразования ускорения, в котором вычисляется горизонтальная составляющая приращения ускорения Δ а_к путем умножения на секанс угла α_к-1, поступающего на второй вход блока 32 с выхода предыдущего блока 11.

Выходы последних блоков 12 в каналах 7, 8 подключены к входам блока 33 определения координат конца става, другими выходами связанного с выходами ИНС 1 по курсу и координатам места. Координаты конца става вырабатываются в блоке 33 по формуле
ϕ_N = ϕ_o+ Y_N cos K - X_Nsin K;
λ_N = λ_o+ (X_N cos K + Y_N sin K);
R_E = ; (5)
R_N= , где ϕ_o,λ_o, к - поступают от ИНС;
Х_N, Y_N - поступают из каналов 7, 8;
R_N, R_E - радиусы кривизны земного сфероида, имеющего большую полуось а и эксцентриситет е.

Работа устройства заключается в следующем.

Корректируемая ИНС 1 с использованием данных средств обсерваций непрерывно измеряет курс k и углы качки θ_o,Ψ_o судна 2, а также координаты ϕ_o, λ_o точки 0, в которой закреплено начало трубного става 3. В результате действия подводных течений и небольших перемещений судна 2 став 3 искривляется в плоскостях бортовой и килевой качки. Работу предлагаемого измерителя рассмотрим на примере канала 8 (в плоскости килевой качки, см. фиг.2), канал 7 действует аналогично. Блоки 4 вместе со ставом 3 испытывают линейные и угловые перемещения. Входящие в них чувствительные элементы 5 и 6 измеряют следующие величины: линейное ускорение, равное разности абсолютного ускорения точки установки акселерометра 5 и гравитационного ускорения:
aYк

_-1= cosΨ_k-1- g sin Ψ_k-1, (6) где - абсолютное ускорение точки O_к-1 вдоль оси Y;
Ψ_k-1 - угол наклона оси става относительно вертикали в точке O_к-1.

Тогда приращение абсолютного угла поворота гироскопа 6 за время цикла Δ t:
ΔΨ_к-1= ω_к-1^*˙Δt, (7) где ω_к-1^* - абсолютная угловая скорость поворота оси става вокруг оси Х в точке размещения блока 4.

Аналогично для следующего блока 4 имеем:
aYк

= cosΨ_k - g sin Ψ_k; (8)
ΔΨ_к=ω_к^*Δt (9)
Регулярно, через интервалы времени Δt, ускорения и приращения углов (6)-(9) вводятся в каналы 7, 8 (блоки синхронизации работы измерителя и блоки ввода-вывода информации в каналах 7, 8 на чертежах для простоты не показаны).

Из рассмотрения фиг.2 следует, чтo:
Ψ_к-Ψ_к-1= ΔΨ_к-ΔΨ_к-1=δΨ_к^*, (10) то есть приращение угла наклона оси става 3 на участке между точками О_k-1 и O_k равно разности приращений абсолютных углов поворота оси става в точках O_k-1 и O_k за время цикла, измеренных гироскопами 6 (k--1)-го и k-го блоков 4. Разность δΨ_к вырабатывается на выходе соответствующего сумматора 10.

Вычитая уравнение (6) из уравнения (8), с учетом (9) и (10) найдем в линейном приближении основное уравнение работы блока 13:
= Δaуk

sec + gδΨ*k, (11) где Δ а_к^y= a_к^y-a_к-1^y - ускорение на выходе соответствующего сумматора 9;
Ψ_к-1 - поступает с выхода предшествующего сумматора 11;
- вторая производная линейного отклонения точки О_k от точки О_k-1 вдоль оси Y (см. фиг.2).

Из уравнения (11) следует, что для вычисления Δy_k необходимо выходной сигнал сумматора 9 умножить на sec Ψ_к-1, для чего служит блок 32, к результату на сумматоре 31 прибавить величину Δ g_k, вычисленную в соответствующем блоке 30, и сумму дважды проинтегрировать, это осуществляется в блоках 14, 15, результат является выходным сигналом блока 13.

С другой стороны, из рассмотрения фиг.2 следует уравнение:
Δy_k= esin Ψ_к^*, (12) где Ψ_к^* - среднее значение угла наклона става на участке O_к-1, O_k, которое по теореме о среднем лежит между углами Ψ_к-1 и Ψ_к;
Ψ_к^*= Ψ_кζ_к+Ψ_к-1(1-ζ_к), (13) где O< ζ_к<1 - коэффициент кривизны става на участке О_к-1, O_к, зависящий от упругости става на этом участке.

Из уравнений (12) и (13) найдем второе уравнение для приращения угла наклона:
δΨ_k= arcsin - (14)
Эта величина вычисляется блоками 16-19.

Невязка величин (10) и (11), вычисленная на сумматоре 20, вызвана собственными колебаниями, она поступает на фильтр 24, где из нее выделяется меняющаяся составляющая и через блоки 22, 23 и сумматоры 28, 29 подается в основной контур 13 для гашения собственных колебаний. Характеристический полином блока 15 устойчив, поэтому после окончания переходных процессов на выходах блоков 13 вырабатываются значения приращений линейных отклонений и углов наклона, причем погрешность вычисления не растет со временем. Они суммируются блоками 11 и 12, результирующие углы наклона става Ψ_N,θ_N поступают на выход измерителя, а суммарные линейные отклонения точки O_N от точки O X_N и Y_N подаются в блок 33, где по формулам (5) вырабатываются координаты точки O_N, ϕ_N,λ_N, поступающие на выход измерителя.

Технико-экономические преимущества от реализации заявленного измерителя заключаются в повышении точности измерения координат конца става и расширения функциональных возможностей за счет измерения положения промежуточных точек става.

Изобретение относится к системам измерения и обработки информации и может быть использовано для определения линейного и углового отклонений упругого протяженного тела, одним концом закрепленного относительно заданной системы координат, в частности для измерения положения трубного става, погружаемого в воду с добывающего судна. Однородная распределенная информационная система обеспечивает измерение координат става с большой точностью за счет снижения величины результирующей (позиционной и накапливающейся во времени) погрешности измерения положения конца става и агрегата сбора по мере удаления (погружения) конца става от добывающего судна (поверхности моря). При этом равномерно по длине става установлены акселерометры и датчики угловой скорости (лазерные гироскопы), позволяющие получать информацию о динамических характеристиках и обобщенных параметрах става в условиях воздействия на него подводных возмущений. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ ТРУБНОГО СТАВА, содержащий инерциальную навигационную систему, выполненную с возможностью коррекции от средств обсервации, отличающийся тем, что инерциальная навигационная система установлена в точке крепления става на объекте и дополнительно введены n двухкоординатных блоков измерения линейных ускорений и углов наклона, размещенные равномерно на ставе, блок определения координат конца става, два канала определения линейного отклонения и угла наклона конца става, выполненные в виде n-1 групп элементов, содержащих последовательно соединенные блок суммирования ускорений, блок определения приращений линейного отклонения и угла наклона и блок суммирования приращений угла наклона, блок суммирования приращений угла, выход которого соединен с вторым входом блока определения приращений линейного отклонения и угла наклона, причем инверсный вход каждого блока суммирования ускорений соединен с выходом по сигналу ускорения соответствующего двухкоординатного блока измерений линейных ускорений и углов наклона, а прямой его вход соединен с выходом по сигналу ускорения последующего двухкоординатного блока измерений линейных ускорений и углов наклона, инверсный вход каждого блока суммирования приращении угла соединен с выходом по приращению угла соответствующего двухкоординатного блока измерений линейных ускорений и углов наклона, а прямой его вход соединен с выходом по приращению угла последующего двухкоординатного блока измерений линейных ускорений и углов наклона, второй вход первого блока суммирования приращений угла наклона и третий вход первого блока определения приращений линейного отклонения и углов наклона соединены с выходом по сигналу угла наклона инерциональной навигационной системы, а вторые входы каждого из последующих блоков суммирования приращений угла наклона и третьи входы каждого из последующих блоков определения приращений линейного отклонения и углов наклона соединены с выходом предыдущего блока суммирования приращений угла наклона, последовательно соединенные n-2 блоков суммирования приращений линейного отклонения, первый вход первого блока суммирования приращений линейного отклонения соединен с выходом по сигналу линейного отклонения первого блока определения приращений линейного отклонения и углов наклона, вторые выходы каждого из блоков суммирования приращений линейного отклонения соединены соответственно с выходами по сигналу линейного отклонения последующего блока определения приращений линейного отклонения и углов наклона, выход последнего блока суммирования приращений линейного отклонения каждого из каналов соединен с входом блока определения координат конца стана, третий, четвертый и пятый входы которого соединены соответственно с выходами по курсу и координатам места инерциальной навигационной системы. 2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что блок определения приращений линейного отклонения и угла наклона выполнен в виде последовательно соединенных блоков преобразования ускорений, первого сумматора, первого интегратора, второго сумматора, второго интегратора, масштабирующего блока, блока определения приращений среднего угла наклона оси става, блока суммирования приращений среднего угла наклона, блока учета упругости става, блока определения невязки угла наклона, блока демпферирования собственных колебаний, третьего сумматора, блока определения ускорения оси става, выход которого соединен с входом первого сумматора, причем второй выход блока демпфирования собственных колебаний соединен с вторым входом второго сумматора, первый вход блока преобразования ускорений является первым входом блока определения приращений линейного отклонения и угла наклона, вторые входы блока определения невязки угла наклона и третьего сумматора объединены и являются его вторым входом, инверсный вход блока суммирования приращений среднего угла наклона и второй вход блока преобразования ускорения объединены и являются его третьим входом, выход третьего сумматора является его первым выходом, а выход второго интегратора является его выходом по сигналу линейного отклонения.