Азимутальный датчик инклинометра Советский патент 1986 года по МПК E21B47/02 

.. . , 1 Изобретение относится к промысловой геофизике и может быть использовано для определения азимута искривленной скважины.

Целью изобретения является повьше- ние точности измерения и упрощения конструкции.

На фиг. 1 приведена блок-схема азимутального датчика инклинометра; на фиг. 2 - преобразоват.ели кода в синусоидальный и косинусоидальный .ток.

Азимутальнь Й датчик инклинометра включает в себя два взаШ Шо перпен- дикуяярных феррозонда 1 и 2, заключенных, во внутреннюю карданную рамку 3, центр тяжести которой смещен вниз; внутренняя карданная рамка 3 находится во внешней карданной рам- ке 4 со смещенным эксцентрично оси вращения центром тяжести с помощью груза 5. Во внутренней рамке размещены дополнительные компенсационные обмотки 6 и 7, расположенные ортого- нально друг к другу, причем их плоскости находятся под углом 45° относительно осей чувствительности феррозондов 1 и 2, а обмотки возбуждения феррозондов и 2 подключены к выхо- ду генератора 8, причем одна из сигнальных обмоток феррозондов 1 и 2 подключена к входу знакового компаратора 9 S выход которого соединен с входом блока Ш .формирователя знака а другая сигнальная обмотка подключе на к входу нуль-органа t i и одновре- менно к входу детектора 12, выход ко . торого подсоедине.н к входу АЩ1 1.3, который своим выходом подключен -к третьему входу блока 4 регистрации. Выход нуль-органа 1I подключен к входу блока 15 управления. Дополнительная, компйнсацйонная обмотка 6 подключена к выходу преобразозателя S6 кода в синусоидальт,1й 7 ок, а до- полкительная компенсационная обмотка 7 подключена к выходу преобразователя 17 кода в косикусоидальный ток, Входы преобразователей подю1юч:ены к выходам счетчика 18 импульсов, кото- рый своим входом подключен к вь.гкоду генератора 9 опорной частоты, вход управления которого соединен с первьгм выходом блока ИЗ управления, второй

выход которого подсоединен к первому входу блока 14 регистрацииj второй вход которого подключен к первому выходу счетчика 18 импульсов.

5 ®

5

78J

Принцип действия азимутального датчика инклинометра заключается Б следующем.

В наклонной скважине под действием эксцентричного груза 5 наружная рамка 4, поворачиваясь, устанавливает ось вращения внутренней рамки 3 перпендикулярно плоскости наклона скважины. При этом плоскость внутренней рамки 3, на которой укреплены феррозонды 1 к 2, за счет смещенного центра тяжести сохраняет горизонтальное положение. Так как азимут изменяется в пределах от О до 360° , то во II и IY квадрантах численное значение азимута вычитается из 180 и 350 соответственно, а в III квадранте складывается со 80 . Это учитьшает блок 10 формирования знака, который позволяет определить квадрант. Знаковый компаратор 9 представляет собой фазочувствительное устройство, которое в зависимости от фазы выходного сигнала с сигнальной обмотки феррозонда 2 выдает на вход блока 10 формирования знака либо положительное, либо отрицательное напряжение. Блок 10 формирования знака может представлять из себя устройство индикации, позволяющее учесть квадрант.,.

Дополнительньге компенсационные об-- мотки 6 и 7 создают вращающееся маг- нитное поле путем подачи на них синусоидального икосинусондального токов соответственно с выходов преобразователей 16 кода в синусоидальный ток и образователя 17 кода в косинусоидаль- ный ток. Вращение вектора напряженности компенсирующего магнитного поля ществл.яется дискретно, через выбранный шаг 10°, 20 и т.д.

Один из возможных вариантов преобразователей кодов в синусоидальный и косинусоидальный токи гфедставлак на фиг. 2. Отличие преобразователей

заключается в подборе весовых резисторов Rj-R,., подктвоченных к выходам дешифратора, причем зти резисторы образуют совместно с добавочным сопротивлением Rg делители напряжения,

что позволяет получить в точке а ряд дискретных значений тока, пропорциональных синусоидальной форме, а в точке В - кссинусоидальной, Дпя формирования отрицательной полуволнь синусок,5ального и косинусоидального токов примен.кется дополнительно усн- читель 1 (см. фиг, 2) с коэффициен31

том усиления равным +1, когда формируется положительная полуволна, и -1 когда формируется отрицательная полуволна гармонических сигналов.

Шаг дискретизации выбирается в зависимости от требуемой точности измерения азимута. Известно, что при малых значениях аргумента значение синуса близко к значению самого аргумента. Поэтому шаг дискретизации компенсационного поля выбирается таким образом, чтоРы остаток нескомпенсированного поля лежал в интервале, где выходное напряжение, снимаемое с феррозонда было пропорционально значению аргумента. Например, при шаге дискретизации 10 погрешность, вызванная нелинейностью между значением и значением его синуса , равна

0 л. . - о л.

.0

sin

180° ° °

при шаге дискретизации 20-0,4 .

Для преобразователя кода в сину-, соидальный ток должно выполняться соотношение

R

sin

к

90 k-1

R.

sin

90

где ,.,.,п;

п - количество выходов дешифратора. .

Аналогично, для преобразователя кода в косинусоидальный ток должно выполняться соотношение

R.

cos

9pl k-1

RK-I

90

-cos -jp

где ,...,n;

n - количество выходов дешифратора.

Так при выборе шага дискретизации равным 10 , погрешность не превышает 0,05 , при этом, учитывая, что шаг дискретизации

д - «

п

где п - количество выходов дешифратора;

Д - шаг дискретизации, требуется дешифратор с пятью выходами и пятью весовыми резисторами.

Если выбрать шаг дискретизаций 22,5, то погрешность не превьш1ает 0,5 , причем требуется дешифратор

, 5 О 5 20

25

30

35

,

40

0

5

1784

с двумя выходами и двумя весовьгмй резисторами.

Создаваемое компенсационными обмотками вращающееся магнитное поле взаимодействует с внешним измеряемым магнитным полем.

Суммарное магнитное поле регистрируется феррозондом 1, и в момент, когда произойдет компенсация или когда компенсационное поле по величине превысит измеряемое, сработает нуль-орган 1, выходной сигнал которого поступит на вход блока 15 управ- левдя, который остановит генератор 19. В блок регистрации поступит код, снимаемый со счетчика I8 импульсов, соответствующий предыдущему моменту компенсации состояния.

Таким образом регистрируются старшие разряды измеряемого азимута, сотни и десятки градусов.

В момент, когда сработает нуль-орган II на выходе феррозонда I будет присутствовать напряжение пропорциональное остатку перекомпенсированного поля. Этот остаток лежит в интервале, где выходное напряжение с-феррозонда 1 прямо пропорционально изме зяемому углу. Сигнал с выхода феррозонда детектируется -детектором 12 и поступает на вход АЦП 13. Код с выхода АЦП 13 nocTyiaeT в блок 14 регистрации. Такиь5 образом, регистрируются младшие разряды измеряемого азимута, единицы и десятые доли градуса в обратном коде.

В результате блок 14 регистрации отобразит непосредственное значение измеряемого азимута.

В целях устранения неоднозначности определения азимута дополнительную информацию о квадранте выдает блок 10 формирования знака, получающий напряжение с сигнальной обмотки феррозонда 2 через знаковый- компаратор 9. Выбор феррозонда для выполнения функции определения квадранта и феррозонда, регистрирующего компенсацию полей, может быть произвольным, т.е. феррозонды 1 и 2 можно менять местами.

Так как дополнительные компенсационные обмотки 6 и 7 могут быть выполнены с большей точностью и стабильностью, а феррозонд .1 , обычно являющийся источником максимальной погрешности, в данной схеме работает в режиме измерения малых углов, где

S

аго чувствительность и точность максимальна, можно с большой точностью определить значение азимута. Предлагагмое техническое решение обладает по сравнению с прототи- пом повьшеннной точностью измерения азимута 5, так как погрешность измерения определяется не дискретностью компенсирующего поля j а лишь нелинейностью преобразования сигнала феррозонда и дискретностью АЦП, что имеет порядок значш ости, зиачитешь- но меньший, чем погрешность от диск- ретизации в прототипе,

Например, дост1 кение погрешности в 0,7° при измельчении asHivgyra у прототипа требует применение дешифратора на 64 выхода и 64 прецизионно

I / seoBp&s&3Gfffe/ fy fi-ef a

j S fJfJ Cunff. ГУ7&.

78 , и

подобранных резистора на каждый из преобразователей кода в синусоидальный и косинусоидао1ьнь Й токи.

В предлагаемом техническом решении достижение погрешности в 0, требует дешифратора на два выхода и два резистора на каз-сдый -преобразователь, дос ч ютенке большей точности з прототипе связано с большими аппаратурнь - ми затратами и повышение точности более 0,5 нецелесообразно в то время, как в предлагаемом техническом решении повышение точности до 0,05° требует лишь увеличение разрядности дешифратора до 5 и 5 прецизионно подоО- ранных резисторов на каждый преобразователь кода в синусоидальный и косинусоидальный токи.

...,„.„.„™„,. Л /

.l,nr«r v -tmi-- u,,«il.-ft&. .:J5i

, I -f SfI U,. / L. 5

ffgfS с e ffimft .

R1

-,,

I®

e.

,.«ii

I /JpeaSpeS si&riH- fj

I S fW C€ff i/ce& i3 . fffSJi

iU-.

Составитель И Харбачинская Редактор Н. Слободяник Техред М.Ходзнг-т Корректор А, Тяско

Заказ 4888/24 , Тираж 548 , Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытки 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,, г„ Ужгород, ул. Проектная 4