Преобразователь азимута инклинометра Советский патент 1983 года по МПК E21B47/02 

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

Известен индукционный датчик магнитного курса, содержащий два ортогональных феррозонда

Недостатком данного датчика является невозможность непосредственного определения азимута без дополнительных вычислений.

Известен также цифровой компас, содержащий генератор, магнитомодуляционный датчик, фазовращатель, сумматор, подключенный к выходам датчика и фазовращателя, формирователи импульсов, подключенные входами к сумматору и генератору, а выходами к преобразователю фаза-временной интервал, и подключенный к выходу последнего счетчик С21.

Недостатком этого устройства является то, что при применении в нем в качестве магнитомодуляционного датчика ортогональных феррозондов для выделения второй информационной гармонику в схему необходимо ввести избирательный усилитель, настроенный на частоту второй гармоники генератора, включив его после или в состав сумматора, в противном случае схема является неработоспособной, так как с выхода сумматора снимается широкий спектр гармоник. При этсэм изменение фазы и коэффициента усиления избирательного усилителя от воздействия температуры окружакпцей среды приводит к значительной ошибке

10 в измерении магнитного курса (азимута ). К ошибке приводит воздействие температуры на фазовращатель. Кроме этого, поворот фазы сигнала со стороны сигнальных обмоток феррозондов

15 реально выполняется с меньшей точностью, чем со стороны питающей феррозонды цепи.

Наиболее близким к изобр.етению является электронный компас, содержа20щий магнитомодуляционный датчик, представлянхций собой феррозонд кольцевого типа, генератор, удвоитель частоты, два избирательных усилителя, два фазовых детектора, два усилителя 25 и индикатор 3.

Недостатком известного устройства является большая погрешность измерения магнитного курса (азимута ) из-за разброса параметров каждой пары из30бирательных усилителей, фазовых детекторов, усилителей, так как практ чески невозможно сделать эти пары элементов идентичными. В связи с эт пары элементов имеют разные темпера турнйе уходы, что также ведет к таиибке в определении курса. Кроме этого, к недостаткам можно отнести наличие стрелочного индикатора курс дающего низкую точность индикации и за наличия трения в опорах механических узлов и низкую надежность, а также отсутствие цифрового выхода для непосредственного подключения к ЭВМ. Цель изобретения - повышение точ ности измерения азимута, Указанная цель достигается тем, что устройство снабжено фазовращателем, сумматором, управляемым генератором, преобразователем фазавременной интервал и счетчиком, при этом магнитомодуляционный датчик выполнен в виде двух ортогональных феррозондов, фазовращатель включен между генератором и одним из феррозондов , а сукянатор - между сигнальными обмотками феррозондов и фазовь детектором, вход управляемого генератора соединен с выходом усилителя а выходы подключены к фазовому детектору и выходу преобразователя фаза-временной интервал, второй вхо последнего подключен к удвоителю частоты, а выход - к счетчику. На чертеже представлена функциональная схема преобразователя азимута инклинометра. Преобразователь азимута Включает магнитомодуляционный датчик, выполненный в виде двух ортогональных . феррозондов 1 и 2, генератор 3, к выходу «оторого подключен фазовращатель 4, обмотка возбуждения одног из феррозондов и удвоитель частоты сумматор б, подключенный входами к сигнальным обмоткс1м феррозондов 2 и 1, а ВЫХОДОМ - к фазовому детекто ру 7. Усилитель 8, включенный между фазовым детектором 7 и управляемым генератором 9, один из выходов, кото рого соединен с вторым входом файового детектора 7, преобразователь фаза-временной интервал 10, подключенный входами к удвоителю 5 и гене ратору 9, а - к счетчику 11 Преобразователь азимута работает следующим образом. Генератор 3 возбуждает феррозонды 1 и 2, при ЭТСФ1 обмотка возбужде ния одного из феррозондов подключена к генератору 3 через фазовращатёЛь 4, осуществляющий сдвиг сигмал генератора на 45°, Вследствие того, что оси чувствительности феррЬзЬндов взаимно перпендикулярны, ЭДС второй гармоники, наводящиеся в сиг нгшьных обмотках феррозондов под действием переменного магнитного по тока ( от генератора 3 ) и постоянной горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, пропорциональны по амплитуде синусу и косинусу азимута, причем, так как напряжения возбуждения феррозондов 1 и 2 сдвинуты на 45°, ЭДС второй гармоники феррозондов сдвинуты на 90. Напряжения сигнальных обмоток феррозондов суммируются с помощью сумматора б. В результате на выходе сумматора 6 возникает сигнал, который можно представить, учитывая только вторую гар монику: ЕSf поС sin 2ш-Ь+Е cosot3 nCZ(jut+90°)-ЕCOS(Zu)-t-о(.;, где d - азимут; U) - частота генератор 3/ Е - амплитуда напряжения второй гармоники. Из выражения следует, что после сумматора б информацию об азимуте несет не амплитуда, а фаза второй гармоники. Так как в сигнальных обмотках феррозондов 1 и 2, кроме ЭДС второй гармоники, присутствуют ЭДС первой и высыих гармоник, то и сигнал На выходе сумматора представляет собой сумму гармоник. Для выделе-ния информационного сигнала из спектра гармоник предназначены фазовый детектор 7, усилитель постоянного тока 8, управляемый генератор 9. При отсутствии сигнала на выходе сумматора б выходное напряжение фазового детектора 7 равно нулю, при этом в усилителе 8 вводится постоянное смещение выходного сигнала, которое задает некоторую начальную частоту генератора 9, близкую к частоте второй гарлгоники. При подаче сигнала на вход фазового детектора 7, последний сравнивает частоту и фазу входного сигнала с частотой и фазой управляемого генератора 9 и вырабатывает напряжение рассогласо-. вания, связанное с разностью фаз и частот двух сигналов. Напряжение рассогласования фильтруется интегрирующей цепочкой, входящей в состав фазового детектора 7 ( н.е показана), усиливается усилителем 8 и поступает на вход управляемого генератора 9. Йод действием управляющего напряжения частота генератора 9 изменяется таким образом, чтобы уменьшилась разность между частотой входного сигнала и начальной частотой генератора 9. Так как начальная частота генератора 9 достаточно близка к 2 oJ , действие обратной связи приводит к тому, то управляемый генератор оказывается синхронизированным напряжениел второй гармоники, поступающей на вхсЗд фазового детектора 7. После того, как процесс синхронизации закончен, частота гене ратора 9 становится равной частоте второД гармоники, а сдвиг фаз между ними имеет конечную малую постоянную величину, необходимую для выработки напряжения рассогласования, поддерживающего режим синхронизации Таким образом, на выходе генератора 9 воспроизводится частота и фаза (. пропорционально азимуту ) полезного сигнала, а сигналы первой и высших гармоник отсутствуют. Напряжения с выходов удвоителя частоты 5 и генератора 9, фазовый сдвиг между кот рыми пропорционален азимуту, поступают на входы преобразователя фазавременной интервал 10, который формирует последовательность импульсов с длительностью, пропорциональной азимуту. Импульсы с выхода преобразователя 10 поступают на вход счетчика 11, в котором происходит запол нение временного интервала импульсами высокой частоты с последующим подсчетом последних, а также усреднение, запоминание и регистрация информации. Предлагаемый преобразователь ази мута инклинометра отличается от известных устройств повышенной точностью измерения магнитного азимута геофизических скважин за счет введе ния в него генератора, синхронизируемого с .частотой информационного сигнала. При таком построении схемы температурная погрешность устройств сводится к минимуму и определяется лишь конечной фазой между напряжениями информационной второй гармоники и генератора 9, которая состав ляет в градусной мере ±0,1-0,15 . Точность устройства определяется также точностью фазового сдвига информационных сигналов феррозондов. Как отмечалось, фазовый сдвиг в подобных устройствах можно осуществит более точно со стороны питающей феррозонды цепи, так как реально блок питания феррозондов строится п схеме Генератор-делитель-фазовращатель и для повышения точности может быть выполнен на основе цифровых микросхем, с помощью которых фазовы сдвиг в 45° может быть получен с вы кой точностью и не зависит от часто ты генератора 3, при этом выходные каскады блока питания могут предста лять собой усилители-формирователи квазисинусоидальных сигналов С43. Фазовый сдвиг со стороны сигнальной цепи выполняется на основе RС-цепочек и имеет большой температурный уход, а следовательно, уменьшает точность устройства. Предлагаемый преобразователь азииута инклинометра, по результатам лабораторных испытаний, измеряет азимут с точностью ±0,6°в интервале .. температур -Ю - . Устройство работоспособно до температуры с сохранением точности при выполнении его на основе широко распространенных элементов. Формула изобретения Преобразователь азимута инклинометра, содержащий магнитомодуляционный датчик, генератор, удвоитель частоты, фазовый детектор и усилитель, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения азимута, он снабжен фазовращателем, сумматором, управляе ым генератором, преобразователем фаза-временной интервал и счетчиком, при этом магнитомодуляционный датчик выполнен в виде двух ортогональных феррозондов, фазовращатель между генератором и одним из феррозондов, а сумматор - между сигнальными обмотками феррозондов и фазовым детектором, вход управляемого генератора соединен с выходом усилителя,- а выходы подключены к фазовому детектору и преобразователю фаза-временной интервал, второй вход последнего подключен к удвоителю частоты, а выход - к счетчику. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 636480, кл. 01 С 17/30, 1977. 2.Патент США W 3197880, кл. 33-204, опублик. 1965. 3.Авторское свидетельство СССР 495528, кл. 01 С 17/00, 1974. 4.Ломаный В.Д., Ямшанов Ю.А. Применение квазисинусоидального радиочастотного сигнала в квантовыхМ-магнитометрах. - Геофизическая аппаратура, 1980, вып. 71, с. 9-11.