Датчик угла отклонения от вертикали Советский патент 1984 года по МПК E21B47/02 

со to

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в геофизических скважинных инклинометрах, телеметрических системах контроля бурения, автоматизированных системах ориентации, в частности при ироводке туннелей.

Известен датчик отклонения от вертикали, содержащий феррозонд, электромагнит, чашеобразный полюсный наконечник 1.

Наиболее близким к предлагаемому является датчик угла отклонения от вертикали, содержащий кольцевой феррозонд с усилителем и индикатором, электромагнит с катущкой течения, неподвижный чашеобразный и конусный полюсные наконечники, катушка питания электромагнита, установленная на основании конусного полюсного наконечника вдоль его оси 2.

Недостатками указанных устройств является наличие остаточной намагниченности подвижного полюсного наконечника, создающей случайную погрешность и высокие требования к размагничиванию деталей магнитопровода, высокие требования к точности выполнения сферы полюсного наконечника, необходимость использования для магнитопровода дорогих пермаллоев, а также необходимость независимого датчика магнитного меридиана для привязки измеряемых углов отклонения. Все это снижает точность из.мерений.

Цель изобретения - повышение точности.

Указанная цель достигается тем, что датчик угла отклонения от вертикали, содержа ндий кольцевой феррозонд с усилителем и индикатором, подвижный чашеобразный и конический полюсные наконечники, электpoMaiHHT, катушка питания которого установлена на основании коничеекого полюсного наконечника вдоль его оси, снабжен генератором переменного тока и фильтром частоты, а чашеобразный полюсный наконечниик выполнен из неферромагнитного материала и заполнен двумя несмешивающимися жидкостями, отношение плотностей которых/i/jj l, а вязкостей7, причем катушка питания электромагнита подключена к генератору переменного тока, частота нитания которого относится к частоте питания феррозонда, как , а в выходной цепи усилителя феррозонда установлен фильтр с пропусканием на частоте 1„, где PJ и рг -соответственно плотности жидкостей, которыми заполнен чашеобразный наконечник, г/см-; 7,1 и 2,2 - соответственно вязкости;

н - частота переменного тока генератора;

fj, - частота питания феррозонда. На чертеже представлена принципиальная схема конструкции предлагаемого датчика.

В катушку питания 1 конического полюсного наконечника 2 подается напряжение переменного тока с частотой от генератора 3. По оси катущки перпендикулярно этой оси устанавливается кольцевой феррозонд 4

с тороидальной обмоткой 5 питания и плоской обмоткой 6 выхода. При необходимости двухкоординатных измерений обмотка 6 дублируется, ось ее перпендикулярна оси первой (для простоты на чертеже опущена).

Обмотка о питания феррозонда 4 соединена с генератором 7, имеющим частоту . Обмотка выхода б может быть конструктивно объединена с обмоткой отрицательной обратной связи. Обмотка 6 выхода феррозонда 4 соединена с входом резонансного усилителя 8, имеющего полосу пропускания в зоне частоты . Выход усилителя 8 подключен к фильтру 9, пропускающе.му только частоту „. Сигнал с выхода фильтра 9 поступает в полярности положительной областной связи с коэффициентом обмотку 6 на феррозонде 4. Так как частота выходного сигнала феррозонда, равная 2lf,, относится к частоте питания катущки 1 как

2Г,/Г„ 20,

то использование конструктивно одной обмотки 6 для функций выхода и обратной связи не создает дополнительных трудностей. Этот же сигнал с выхода фильтра 9 поступает на вход усилителя 8, содержащий блок 10 трансформации частоты и полярности и обеспечивающий нолучение на входе усилителя положительной обратной связи с коэффициентом К..При выполнении условия на приведенные значения коэффициентов выходной сигнал остается таким же, как и без обратных связей, а магнитное поле на частоте „ в середнике сильно ослабляется, в то время как постоянная составляющая магнитного поля, например земного, остается прежней.

Чашеобразный полюсный наконечник 11 заполнен жидкостью с высокой проводимостью, например ртутью, но его можно также, заполнить ферромагнитной суспензией. Чащеобразный полюсный наконечник расположен по оси катущки 1 и при вертикальном положении датчика поверхность жидкости 12 перпендикулярна оси датчика.

Датчик вертикали работает следующим образом.

При подаче в катущку 1 питания переменного тока с частотой fy от генератора 3 на оси катущки полюсный наконечник 2 создает магнитное поле, симметричное относительной этой оси. Поэтому в сердечнике кольцевого феррозонда 4 суммарное магнитное поле в плоскости кольца равно нулю.

5 Магнитное ноле катущки 1 также индуцирует кольцевые токи в проводящей жидкости 12, заполняющей чашеобразный полюсный наконечник 11. Когда датчик вертикаден и поверхность жидкости 12 перпендикулярна его оси симметрии, .т.е. оси катушки 1, индуцированные в жидкости токи только ослабляют поле катушки 1, не изменяя его симметричности относительно оси. Когда ось датчика наклонена по отношению к вертикали, эти же кольцевые токи создают наклонную к оси составляющую магнитного поля на частоте f, вызывающую на выходе феррозонда 4 сигнал на частоте 2fg ± „, который усиливается усилителем 8 и после синхронного детектирования и фильтрации фильтром 9 непосредственно используется для измерения угла отклонения от вертикали. Поле с частотой „ индуцирует также в обмотках феррозонда непосредственно сигнал на частоте 1„, но он не пропускается усилителем 8, что нозволяет ослабить требования к точности изготовления и установки обмоток. Так как толщина сердечника феррозонда 4 всегда может быть сделана много меньше его диаметра, то намагничивание сердечника феррозонда нолей, перпендикулярным его плоскости, всегда очень мало и на выходной сигнал не влияет. Так как в датчике целесообразно использование жидкостей с высокой проводимоетью, например ртути, то в чашеобразный полюсный наконечник И проникает только очень малая часть от основного магнитного поля и в этих условиях его можно выполнить из непроводящего неферромагнитного материала, например, пластмассы. Значительное ослабление поля под поверхностью жидкости 12 дает возможность отказаться от той части магнитопровода, которая соединяет конический полюсный наконечник 2 и чашеобразный 11. Тогда на кольцевой феррозонд действует невозмущенное поле земли и создает в нем постоянный сигнал, зависящий от ориентации обмотки 6 относительно магнитного меридиана. Если на выходе усилителя 8 выделить постоянную составляющую сигнала феррозонда 4 и измерять ее одновременно с составляющей на частоте f, то можно определить ориентацию угла отклонения от вертикали относительно магнитного меридиана. Для этого целесообразно использовать две взаимно перпендикулярные обмотки 6 и две идентичные схемы усиления сигнала. Величина магнитного поля, индуцирован. ного кольцевь1ми токами в ртути, много больще земного магнитного поля и в фильтрации постоянной составляющей этого сигнала могут возникать трудности. Поэтому соединяют выход фильтра 9 с обмоткой 6 таким образом, чтобы сигнал с фильтра ослаблял действуюшее на феррозонд поле на частоте fw. Постоянная составляющая сигнала через этот фильтр не проходит и земное поле не ослабляется. Для того, чтобы на выходе сигнал на частоте („ при этом не ослаблялся ,из той же точки выхода фильтра 9 подают сигнал на вход усилителя 8 таким образом, чтобы он усиливал входной сигнал. На входе усилителя 8 сигнал может быть только на частоте 21, поэтому вводим блок 10, осуш,ествляюш.ий трансформацию, частот. Этот блок можно выполнить в виде феррозонда, помешенного в экран. Такая комбинация отрицательной и положительной обратной связи в усп.чителях известна и она приводит к тому, что при. Kf К выходной сигнал не изменяется. Эти преобразования осун1ествляются только для сигнала н;; частоте f,, связанного с отклонением от вертикали, а для постоянной составляюще ч:пгнала они не действуют, поэтому до точки включения положительной обратной сня.ли постоянная составляюпхая сигнала много больше переменной, связанной с отклонением от вертикали. Этот выход дает сигнал о земном магнитном поле. Конический полюсный наконечник нерпенДикулярен плоскости феррозонда, поэтому создаваемая им за счет земного магнитного поля намагниченность не влияет на точность отсчетов земного магнитного ноля, Описываемый датчик характеризуется большой механической прочностью и устойчивостью к-вибрациям, возможностью сильного уменьшения диаметра датчика по отношению к прототипу, повышением точности при сохранении njHpOKoro диапазона измерений за счет устранения влияния остаточной намагниченности, отсутствием требований к малой остаточной намагниченности материалов, используемых для магнитопровода вплоть до полного отказа от ферромагнитных материалов в магнитной цепи, а также отсутствием требований к точности выполнения сферы полюсного наконечника, так как проникновение поля в ртуть мало и форма тела, образованного жидкостью в полюсном наконечнике вдали от ее поверхности, не влияет на выходной сигнал. Для демпфирования колебаний жидкости и гашения волн на ее поверхности-датчик заполняют двумя несмешивающимися жидкостями, одна из которых взаимо.аейстБует с магнитным полем, а другая нет, например ртуть и масло или ферромагнитная суспензия и водная суспензия диэлектрика. Вторая жидкость в паре выбирается по плотности меньше плотности первой жидкости, а по вязкости - больше, T.e.fi/pi l и 1J1y Р ч 1 плотность и вязкость, а индексы соответствуют тексту: 1 - Ж11дкость, взаимодействующая с магнитным полем; 2 - жидкость не взаимодействующая с магнитным полем. Под взаимодействием понимается ослабление или усиление магнитного ноля жидкостью под ее поверхностью: ослабление за счет индуцированных токов в проводящей жидкости; усиление - в ферромагнитной суспензии.

BhiAoS сигнопи конпонеить земного поля Выход (/s с efpma a bfo a

ДАТЧИК УГЛА ОТКЛОНЕНИЯ ОТ ВЕРТИКАЛИ, содержащий кольцевой феррозонд с усилителем и индикатором, подвижный чашеобразный и конический полюсные наконечники, электромагнит, катушка питания которого установлена на основании конического полюсного наконечника вдоль его оси, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен генератором переменного тока и фильтром частоты, а чашеобразный полюрный наконечник выполнен из неферромагнитного материала и заполнен двумя несмешивающимися жидкостями, отношение плотностей которых р, /Р2 1, а вязкостей 1, причем катушка питания электромагнита подключена к генератору переменного тока, частота питания которого относится к частоте питания феррозонда, как fg/f т-Ю, а в выходной цепи усилителя феррозонда установлен фильтр с пропусканием на частоте f, где р1 и PJ - соответственно плотности жидкостей, которыми заполнен чашеобразный наконечник, а и - соответственно их вязкости, f - частота переменного тока генератора; fg - частота питания феррозонда.