Преобразователь азимута для телеизмерительной системы Советский патент 1983 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится к промисловой геофизике и предназначено для использования в геофизических телеизмерительных системах, может найти применение Р автономных и кабельных инклинометрах, а также/ с небольшими дополнениягш, в качестве самостоятельного устройства.

Известно устройство для определения магнитного курса, содержаадее датчик магнитного поля, подключенный выходными обмотками через последовательно соединенные суммирующий элемент, фильтр и формуювдкй блок к блоку интервала времени, а обмотками возбуждения соединенный с фазовращателем, генератор, счетчик, ключ и формирующий блок, а также делители частоты, вход одного из которых подключен к генератору, а выход - к блоку интервала времени и входу другого делителя частоты, выход последнего через формирукяций блок соединен с фазовраедателем fl.

Известен также электронный компас, содержащий кольцевой феррозонд и удвоитепь частоты, подключенные к выходу генератора, два канала преобразования, состоящие из последовательно соединенных избирательного усилителя, фазового детектора и усилителя , к входам каналов преобразования под1сп1очены сигнальные обмотк феррозонда, а к выходам - индикатор выходы удвоителя частоты соединена управляющим входами фазовых детек торов Г2 .

Недостатком этих устройств является значительная температурная погрешность, создаваемая температурными уходами фильтров и избирательных усилителей, вследствие чего устройства обладают низкой точностью измерения при работе в условиях меняющейся в широких пределах температуры окружающей среды.

Наиболее близким к изобретению является преобразователь азимута дл телеизмерительной .системы, содержащий генератор, датчик азимута, выполненный в виде;двух ортогональных дифференциальных феррозондов, .коммутатор, четыре ключа, усилитель и интегратор З.

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, а также низкая точность измерения параметров из-за больших амплитудных и фазовых дрейфов фильтров и фазорасщепителя, которые расположены в сквалсинном приборе и подвергаются воздействию высоких температур. Кроме этого, устройство обладает малым быстродействием, которое ограничивается большими постояурными врелйэни фильтров, интегратора, и фазорасщепителя,

Целью изобретения является повышение точности,

Указанная цель достигается тем, что устройство, содержащее генератор, датчик азимута, выполненный в виде двух ортогональных дифференциальных (;р ррозондов, коммутатор, четыре ключа, усилитель и интегратор, снабжено делителем частоты, преобразователем амплитуда - временной интервал, тремя дополнительными ключс1ми и ограничителем тока, при этом делитель частоты включен между ген€;ратором и датчиком азимута, два ключа подключены одними выводами к сигнальным обмоткам датчика аз.имута, третий ключ одним выводом Ч€фез ограничитель тока подключен к общему проводу , четвертый и пятый ключи также одними вывoдa « соединены с входс1мн интегратора,, выполненного по дифференциальной схеме, другие выводы указанных пяти ключей соединены между собой, шестой ключ подключен параллельно конденсатору интегратора, и седькюй ключ включен между усилителем и преобразователем г1мплитуда временной интервал, управля «дае входы четвертого и пятого ключей подключены к генератсфу, аостальных ключей - к коммутатору, выход интегратора соединен с входом усилителя - и выход преобразователя амплитуда - временной интервал является выходом устройства.

На |Я1Г, 1 представлена функциональная схема преобразователя азиь та; на фиг, 2 и 3 - временные диаграмгАл работы устройства.

Преобразователь азимута содержит генератор 1, .подкл1оч1енный через делитель 2 частоты к обмоткам возбуждения датчика 3 азимута (ортогональных дифференциальных феррозондов), электронные ключи 4 - 10, из которых ключи 4 и 5 одниют выводалм подключены к сигнальным обмоткам датчика 3 азимута, ключ б одним выводом ч€;рез ограничитель 11 тока подключен к общему проводу схемы, ключи 7 и 8 также одними выводами. . подключены к входам интегратора 12, выполненного по дифференциальной схеме, другие вывода ключей 4-8 соединены между собой, клктч 9 подключен параллельно конденсатору интегртора 12, Управлякедие входы ключей 7 и 8 подключены к генератору 1, у остальных ключей - к выходам коммутатора 13, при этом ключ 10 включен между усилителем 14 и преобразователем 15 амплитуда - временной интервал, выход интегратора 12 соединен с входом .усилителя 14, второй вход преобразбватёля 15 алпшитуда - временной интервал и уп-равляющий вход ko мyтaтopa объединены и образуют вход устройства для тактовых импульсов, поступающих от внешнего генератора, Устройство работает следуюютм образом. Генератор 1 эвпитывает через делитель 2 обмотки возбуждения датчик азимута переменным напряжением частотой Wg/2 f а также осуществляет подачу противофазных управляющих импульсов на управляющие входы ключей 7 и 8 с частотой w. В результате взаимодействия в сердечниках феррозондов переменного магнитного потока, наводимого переменным током возбуждения, и постоянной горизонтальной составляющей магнитного поля SeNtnH на вторичных сигнальных обмотках феррозондов возникают четногармонические напряжения (по отнсжаению к частоте возбуждения WB/2 f амплитуды которых по гармоникам пропорциональны синусу угла поворота датчика у одного феррозрнда и косинусу угла поворота у другого. Поэтому напряжение на сигналь ной обмотке одного из феррозондов можно записать как Ug.3inct{U n«;3t U,jSb2Wgt и jSiri 3u)gt-v... + j ,(-1 для второго феррозонда . U co3cC(,gt.U,jSin2«gt U,. Sin3Wpt4...-j,(2 гдеоС - азимут-, {r,-,. амплитуды со .ответствуивдих гаргтоник выход ного напряжения феррозон. да. . На фиг, 2 представлена осциллограмма выходного напряжения U датчика, В момент времени t (фиг.З) по заднему, фронту первого тактового импульса Uj открываются .ключи 9 и 10, управляеьвде .напряжениями и Ujnp 10(Поступающими с коммутатора 13 f причем нуль управляющих напряжений соответствует открытому состоянию ключа.в интервале времени t через открытый ключ 9 происходит полный разряд конденсатора интегратора, Taj что к моменту t напряжение на конденсаторе равно нулю, В момент12 открывается ключ 4 и напряжение U подается на ключи 7 и 8, которые попеременно коммутируются с частотой tog по проти вофазным сигналам, поступающим с , генератора 1, в результате чего напряжения на выходах клкмей 7 и 8 (или входах интегратора 12J иМешт вид однополярных импульсов и5g,-7, sBbrxB Напряженияи ии5в.,«в ос тупают на входы интегратора 12. Так как интегратор выполнен по дифференциальной схеме, его выходное напряжение в интеграле времени может быть представлено как s ВЬ/Х-12 RC J sBbK7 sвЫЧ8/ о . или с учетом 1 и 2 2и„. I и „ - stnoCH-e 5 вЫХ tt Л 4-т в - т %tv..4 X Slnotd-t где Rc. постоянная времени интег . , ратора 12. Полагая, что постоянная времени интегратора значительно больше интервала времени t2, можно пренебречь переменной составляивдей выходного напряжения и записать -I LLsbotll-e sebix-fi jj выходное нгшряжение интегратора усиливается усилителем 14 и получает положительное смещение U , в результате чего выходное напряжение усилителя имеет вид bf ,И-е Seb(X-f4 ( - коэффициент усиления усилителя). Напряжение с выхода усилителя 14 через ключ 10 поступает на вход преобразователя 15 амплитуда - временной интервал 15, При появлении второго тактового штульса, поступающего на второй вход преобразрвателя 15, в интервале з происходит выборка аналогового сигнала, поступающего с усилителя 14, и преобразование его во временный интервал где 15 соответственно коэффициент преобразования и начальный временной интервал при JBb, О, В момент времени t, по заднему фронту тактового импульса закрывается ключ 4 и открывается ключ 9, через который происходит быстрый разряд конденсатора в интеграторе 12 до нуля, В момент tg открывается ключ 5 и закрывается ключ 9, и в интервале t,- ty происходит интегрирование и преобразование сигнала и, снимаемого с второго феррозонда.

Здесь, аналогично (61, выходное. напряжение усилителя 14 запишется

И соответствующий временной интервал при выборке сигнала в интервале

Чоtg представится как

(11)

соответствующий временной интервал

с 5 ебЫх14 о,-Г

(э;

В интераале времени tj- t происходит сброс заряда конденсатора в интеграторе 12 через ключ 9, и в момент tg через отк адвакяцийся ключ б и резистор 11 входы интегратора подключаются к общему проводу схеки, в результате чего шлходное напряжение усилителя имеет вид

о В617( 4 ыл I

(-«о;

N -N « N

Схема выдает три значения временного интервала, соответствуицие сигналам датчика и некоторым начальным сигнсшам ( i канала преобразования, по которым легко могут быть получены значения искомого азимутального угла путем заполнения временных интервалов импульсами высокой частоты с коэффициентом преобразования К и вычисления азимутального угла во внешнем вычислителе по формуле

„ , ).

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АЗИМУТА ДЛЯ TEЛEИЗ EPИTEЛЬHOЙ СИСТЕМЛ, содержащий генератор, датчик азимута, выполненный в виде двух ортогональных дифференциальных феррозондов, коммутатор четыре . ключ а, усилитель и интегратор, о т л и ч а ю щ и й-с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено делителем частоты,преобразователем амплитуда временной интервал, тремя дополнительными ключгали и ограничителем тока, при этом делитель частоты включен между генератором и датчиком азимута, Два ключа подключены однилм выводаки к- сигнальным обмоткам датчика, третий ключ одним выводом через ограничитель тока подключен к общему проводу cxeN«, четвертый и пятый ключи также одними выводакта соединены с входакш интегратора, выполненного по дифференциальной схеме, другие выводы указанных пяти ключей соединены между собой, шестой ключ подключен параллельно конденсатору ин егратоi ра и седьмой ключ включен- между усилителем и преобразователем амплиСЛ туда - временной интервал, управлякяцие входы четвертого и пятого Ключей подключены к генератору, а остальных ключей - к коммутатору, выход интегратора соединен с входом усилителя, выход преобразователя амплитуда - временной интёрва л является выходом устройства. . ел со ел

с чйсйа импульсо где N соответствующи временным ин.тервалам Tg f 7 C I О Таким образом, азимут определяется отнснаением сигналов двух ферро зондов и при равенстве интервалов t2 и tcf которое выполня ется с большой точностью, г актически не зависит от параметров схемы. Преобразователь азимута отличает от известного устройства тем, что он позволяет свести к нулю влияние основного воздействуняцего на схему фактора - температуры окружакцей среды, которая в процессе работы ме няется в широких пределах. Как показывает выражение (12), результат измерения не зависит от коэффициентов преобразования элементов схелал К 4, и начальных значений 0. и fo, которые меняются под воздействием температуры окружакт ей . среды. Результат измерения не зависит также от изменения в яебопыаих пределах временных интервалов Ц 1 Vt, tg-1) , vt2( t,- tj. ,-18) и длительности тактоклх импульсов { длительности выборки /,

(П) Основным и единственным условием максимгшьной точности преобразования является постоянство отношения длительностей тактового импульса, интервала разряда конденсатора в интеграторе 12 ( t). и временного интервала заряда конденcatopa ( tj) за емя периода тактовых импульсов и в пределах цикла работы преобразователяj Это условие выполняется с болвшой точностью даяге при изменении частоты тактовых импульсов, так кай за BpjSMH цикл:а работы, которое весьма мало, частоту та стОвых импульсов можно считать постоянной. Устройство обладает высоким быстродействием благодаря тому, что время заряда конденсатора в интегратсфе выбирается з.начительно меньше постоянной заряда fj (с , т.е. конденсатор заряжается Не до установившегося, а до некоторого промежуточного напряжения, соответствующего моментам времени t,, t, t. Это позволяет увеличить частоту тактовых импульсов, т.е. быстродействие и возможно только при наличии ключа 9, через который осуществляется быстр.ый и полный разряд конденсатора перед каждым последующим зарядом. Введение ключа, включенного параллельно конденсатору интегратора, способствует также повьвдению точности преобразования, так как к юмeнтaм времени 2 S в начала каждого последующего заряда схема приводится каждЕдй раз к одинаковым начальшлм условиям, чем устраняется неопределенность от неравенства начальных условий згфяда конденсатора. .

Преобразователь азимута отличается простотсЛ конструкции, обуслов / ленной малым количеством элементов

по сравнению с известным устройством, и практически не требует настройки , так как погрешности работы устраняются при вычислеНТии значений азимута.

Предварительные лабсч аторные HctMтания предлагаемого устройства показали, что оно обеспечивает точ ;ч ность измерения азимута 11 в диа- ; пазоне температур окружаквдей среды О - 130°С. При этом точность устройства в целом определяется лишь точностью балансировки датчика.

Г-Фт,г