Феррозондовый датчик азимута Советский патент 1983 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится к промыспо- вой геофизике и может быть .йспопьаовано дпя опреде пения магнитного азимута искривпеяной скважины.

Известно устройство дпя измерения

азимута, содержащее скважинный прибор с двумя ортогонапькымй феррозондами и наземное устройство, содержащее два.ка напа преобразования, состоящих из генератора, избиратедьного усипитепя, си кронного детектора, удвоитепя частоты, модулятора, датчика длины кабепя, (| зоврашатепя, а также генератор, общий -v дпя обоих канапов, и следящую систему, состоящую ю синусно-косинуснбго вращающегося трансформатора (GKBT), усипитепя и двигатепя 1;.

Недостаток этого устройства низкая точность измерения, обусповпенная зоной нечувствительности, определяемой угпом рассогласования, при котором момент в опорах сельсина ипй СКВТ соизмерим с вращающим моментом исполнительного двигателя. Недостатком устройства является также низкая надежность, обусповленная наличием электромеханических устройств.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является феррозондовый датчик азимута, который содержит систему ортогональных феррозондов, устанавливаемую маятншсом в горизонтальной плоскости, датчик длины кабеля, фазовращатель, генератор опорного напряжения, два идеятичных кана.ла, состоящих из генератора с полосовым, фильтром, избирательного усилителя, фазового детектора, удвоителя частоты и модулятора, а также RC-цепочку, триггеры Шмидта, преобразователь фаза - код и счетчик. В этом устройства сигналы с феррозондов, пропорциональные по амплитуде синусу и косинусу азимута, после выделения, усиления и детектирования модулируются одинаковой частотой и подаются на фазовращающуюся КС-цепочку. При этом азимут пропорционален сдвигу фаз между напряжением в средней точке RC-цепочки и опорным напряжением 2. ,

К недостаткам известного устройства можно отнести невозможность его применения в автономном инклинометре, например, сбрасываемого типа вследствие температурной погрешности, опредепяемой изменением параметров Б С-цепочки при повышенных температурах, а применение конденсаторов с низким ТКЕ ограч ничивается тем, что для выпопнения уоповия настройки КС-цепочки (2 ) иеобходимо повышать частоту, что резко снижает динамический диапазон, поэтому устройство работает на частотах порядка 1-3 кГа, а при этой частоте емкость конденсатора значительная, а ТКЕ таких конденсаторов ветис. Кроме того, для точного сдвига фаз в RC-цепочке необходимо, чтобы амплитуды сигналов, ростушющих на нее, бы пи одинаковыми, а , это невозможно практически выполнить вз-за разных коэффициентов передачи об .обоих канапов, что приводит к существенной мультдаиикативной погрешности по диапазону измерения азимута. Например, : разница в амплитуде сигналов в 5% приводит к погрешности в 3° по азимуту, изменяющемуся с удвоенной частотой.

Цепь изобретешш - повышение т очвости йзме,ренвя,

, Указанная цель достигается тем, что феррозондовый преобразователь азимута, содержащий последовательно соединенные генератор, делитель частоты, систему ортогодальных феррозондов, устанавливаемую в пло жости горизонта эксцентричным грузом, сигнапыале обмотки KOTOJ&IX иодкшочены к тюспедовагельно соединенным избирательному усилитешо, 4азовому детектору, а также счетчик, снабжен тремя коммутаторами, двумя аналого-цифровыми преобразователями, двумя интеграторами, аналоговым компаратором, цифровым компаратором, Цдешифратором, блоко кода квадрантов, при этом выходы фазовы детекторов подключены соответственно к аналого-цифровым преобразователям, выходы которых и выход анапогового компаратора подключены к одному из коммутаторов, а последнего пойкпючен к цифровому коммутатору, с которым связан другой коммутатор, причем к последнему подключены два цифровых интегратора и аналоговый компаратор, связанный с дешифратором, подключенным к блоку квадрантов, выход которого подкпю чен к счетчику, соединенному с интеграторами -.и с третьим коммутатором, подч кгаоченным к выходу генератора и входу делителя частоты.

На чертеже яредставпена функциональная схема феррозондового датчика азимута,.

Устройство содержит генератор 1 стабипвзированной частоты, делитель 2 чао тоты, ортогональные феррозонды 3 и 4, устанавливаемые в плоскости горизонта эксцентричным грузом, избирательные усилители 5 и 6, настроенные на частоту второй гармоники, фазовые детекторы 7 и 8, аналого-цифровые преобразовавтёпи (АЦП) 9 и 10, цифровые интеграторы 11 и 12, цифровой компаратор 13, аналоговый компаратор 14, дешифратор

15, бпок 16 кода квадрантов, счетчик 17 и коммутаторы 18 - 20.

Под действием горизонтальной составляющей напряженности магнитного попя Земпи в феррозондах 3 и 4 наводятся напряжения удвоенной частоты. Эти напряжения, выпрямпенные фазовыми детекторами 7 н 8, пропорциональные по амппитуде синусу и косинусу магнитного азимута (SiHot и С05о), преобразуются АЦП 9 и 1О в коды, которые сравниваются с представленным в виде опорного кода, изменяющегося по закону синуса и косинуса и переключаемого в моменты равенства по абсолютной величине, напряжением с феррозондов (т.е. при oL 45 ). При этом в счетчике 17 накапливается код аргумента, соответствующего интервалу времени отНачала развертк опорных кодов синусоиды или косинусеиды до момента сравнения кодов, т.е. измеряемому азимуту.

Феррозондовый датчик азимута работает следующим образом.

С выхода генератора 1 сигнал с часТО5РОЙ поступает на вход делителя. 2. В нем формируется опорное напряжение для фазовых детекторов 7 и 8. В феррозондах 3 и 4 наводятся напряжения второй гармоники, пропорциональные по амплитуде соответственно sinCKf и , затем сигналы с феррозондов фильтруют- , ся и усиливаются избирательными усилителями 5 и 6, настроенными на вторую гармонику частоты возбуждения, выпрямляются фазовыми детекторами 7 и 8 и поступают на АЦП 9 и 1О, где преобразуются в код. Формирование кодов, соответствующих образцовым синусоиде и косинусоиде, происходит как результат ре- шения в цифровом виде системы дифферен циальных уравнений второго порядка без демпфирующего члена с ненулевыми начальн ми условиями: .-5(t);: iv, A|.c(t).

Решения этой системы при С(О)А, ,9 (0)0 представляют искомые синусоида и косинусоида: (-t)Ac,ij, ( ) с (i;) (2 4.) которые получаются на . выходах цифровых интеграторов 11 и 12 образующих замкнутую петлю при подаче на другие входы интеграторов кода аргумента, накопленного в счетчике 17.

Таким образом, на входы коммутатора 18 непрерывно поступают коды, соответствующйе IWof и CoBci, а на входы коммутатора 19 - коды образцовых синусоиды или косинусоиды от цифровЬ1х ингтеграторов 11 и 12. При этом компара-i тор 14 сравнивает по абсогаотной величине выпрямленные напряжения, пропорциональные SIMot ( Uc ) и UK ) постук пающие от фазовых детекторов 7 и 8, так что при Ufc; Ко он находится в состояйии i, а при UQ v - в состоянии,О. Моменты времени, а следовательно, и моменты переклн чения компаратора 14 соответствуют углам о6 45, 135, 225 и . Таким образом, ком паратор 14 управляющий коммутаторами 18 и 19, переключает их так, что нацифровой компаратор поступают через коммутатор 18 коды, соответствующие SitJot и образцовой синусоиде, если азимут лежит в интервалах oiC (0,45%), 135,225-(315,0), т.е. U,, (jg , а через коммутатор 19 - коды, соответствующие СОвоС образцовой косинусоиде, если азимут лежит в остальных интервалах и при этом Uc UK Таким образом, сравнение кодов происходитпри таких углах азимута, когда феррозонд, напряжение от которого участвует в определении азимута, обладает максимальной чу&ствитепьностью, а следовательно, позволяет с большей точностью производить измерения.

Формирование кода аргумента начина ется с момента поступления тактовой частоты через коммутатор 2О на счетчик 17, и далее параллельный код аргумента поступает на входы цифровых интеграторов 11 и 12, формирующих коды образцовых синусоиды и косинусоиды, в момент равенства кодов, пропорциональных iHo или и образцовой синусоиде или косинусоиде соответственно, цифровой компаратор 13 выключает коммута- тор 2О, тем самым прекращается поступление тактовой частоты от генератора 1 на счетчик 17, в котором накоплен,код аргумента, т.е. азимута. Для распознавания квадранта, в котором находится азимут, служит дешифратор 15 и блок 16 кода квадрантов. Дешифратор 15 в зависимости от состояния уровней напряжений на фазовых детекторах 7 и 8 выдает сигнал на блок кода квадрантов, который содержит фш сированные коды, соответствующие квадрантам, и передает их в счетчик 17. Например, в зависимости от знака 1щпряжения аа фазовых детекторах

7 и 8 квадрантам 1, П, Ш и 1У ооответствуют коды 11, 1О, ОО, О1, а азимут соответствует квадранту, дешифратор 15 по коду 10 дает команду бпоку квадрантов на установку в счетчике 17 предварительного кода, paBBoio 9О, и дапее к нему добавляется код, соответствук щнй угяус . Состав и связи баока кода квадравтов известны и представдают в общем случае постоянное захкя 1ина ошее устрсЛство, в котором записаны ксщы КЕ адравтов, которые по сигналу от де постутают ва счетчик.

Предпагаед ое устройство отличается от базового объекта аа кбторый принят прототип, бопее высокой точяхггыо 1Взменевий магнитного азимута. Поюышв ная точность определяется тем, что в предлел емсм феррозондовом ш тчике

азимута измерение азимута производится феррозондом, который при данном аз муте обладает на опыоей чувствитель ностьго. Кроме того, устройство обладает низкш порогсм чувствительности, определяемым разрядностью счетчика и AUn. Порог ч увствительности устройства

,.. -- . .

составляет л . где л разрядность.

Предпагагалое устройство отличается от базового объекта еше и тем, что фо{пм: рование значения азшлута в и, происходит в щдфровых блоках, не содержащих термозависимых элементов, как в базовом объекте, что пошшаёт точвэсть измерений при повышенных тешюратурах, ВТО особенно важно при измерении аз мута в глубоких и сверхглубоких сква жинах.

«ШРРОЗЬНДОВЫЙ ДАТЧИК АЗИМУТА, содержащий поспедоватепьно соединенные генератор, деиитепь частоты, ортогональные феррозонда, установленные в плоскости горизонта, а их сигнапьные обмотки подключены к избирательным усилителям подключенным соответственно к фазовым детекторам, и , о т п и- ч а ю щ и и с я тем, что. с цепью повышения точности-измерения, он снабжен тремя коммутаторами, двумя аналого-цифровыми преобразователями, двумя интеграторами, аналоговым компаратором, цифровым кокшаратором, дешиф. ратрром, бпоком кода квадрантов, при этом выходы фазовых детекторов подключены соответственно к аналого-цифровым .л эеобразоватепям, выходы которых и вы. ход анаиогового компаратора подкпючены к к одному вз коммутато|юв, а выход поспеднего подключен к цифровому компараrqpy, с которым связан другой комму татор, щзичем к последнему подключены два шфроимх интеграторами аналоговый компаратор, связанный с дешифратором, подйпюченным к блоку квадрантов, выход (Л которого гюдкшочен к счетчику, соединенному с интеграторами и с третьим коммутатором, подключенным к выходу :, генератора и входу делителя частоты.