Способ измерения сигналов феррозондовых датчиков Советский патент 1990 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится к промысловой геофизике и может быть использовано в феррозондовых преобразователях азимута для инклинометров, магнитометрах и других измерительных преобразователях с последовательной обработкой сигналов датчиков.

Цель изобретения - повышение чувствительности и обеспечение стабильности измерений.

На фиг. 1 представлена структурная схема канала аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 - векторная диаграмма, поясняющая сущность способа; на фиг. 3 - пример реализации фазового детектора с переключением фазы опорного сигнала.

Канал аналого-цифрового преобразования способа измерения сигналов состоит из последовательно соединенных избирательного усилителя (У), фазового детектора (Д) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (фиг. 1). На вход канала подается полигармонический сигнал с феррозонда (не показан), в составе которого вторая гармоника имеет вид UmSin ( где От - амплитуда гармоники, пропорциональная проекции геомагнитного поля на ось чувствительности феррозонда; со-частота возбуждения феррозонда; /8i - фазовый сдЁиг, вносимый электрическими цепями феррозондового датчика. На выходе канала формируется цифровой код N, пропорциональный Um:

N KlK2K3COS(/3l-h - l)Um. (1)

где KI - козффициент усиления избирательного усилителя; Кз - коэффициент преоб- р а зования АЦП; Kacos (/Si 4-Дг - i )- коэффициент передачи фазового детектора; ftz -фазовый сдвиг си гнала, вносимый избирао о ю о

00

ф

тельным усилителем; (foi - фаза спорного , управляюа его работой фазового детектора. Далее введем величину р -(3- -1-у32, которую определим как фазу детектируемого сигнала, т.е. выходного сигнала избирательного усилителя.

ЧувстБительность кана.ча преобразования согласно известному определению равна

S - Ki K2K.3COS (V - (1 ) . (2)

Um

Способ поясняется векторной диаграммой (фиг. 2). На ней представлены вектор выходного сигнала избирательного усилителя с модулем KiUm и фазой (/; и векторы оди;М1чнь:а О и 02 с фязами (pi}- и . указывающие направления действия опорных сигналоо фазового детектора. Значения фаз сигналов показаны относительно векто- рз Ui, фаза которого принята равной нулю. В качестве сигнала, соответствующеге этому вектору, может быть принят произвольный сигнал, синхронный с информационной гармоникой феррозонда и опорными сигналами, например, сигнал, вырабатываемый удвоителем частоты генератора. Фазовый детектор при работе, выделяет составляющую детектируемого сигнала, синфазную с опорным смгиалом. Эта операция на векторной диаграмме эквивалентна проецированию вектора выходного сигнала избирательного усилителя на оси. заданные векторами 01 м 02 Полученные проекции равны

KiymCOS ( f - 1 ), KlUmCOS ( (fl - p02 ) И

показаны в виде модулей векторов, совпадающих по направлению с векторами опорных сигналов, Они представляют собой .значения выходных сигналов фазового детектора с единичным ко.эфф 1циентом передачи. Поскольку фазовый детектор имеет лаксимальный ко.эффициент передачи Ка и его выходные сигналы преобразуются в цифровой код с коэффициентом чз,-то указанные проекции необходимо увеличмть з раз, получив тем самым векторы Ni, М2измербнмй или кодов, которые снимаются с выхода АЦП;

NI KiK2K3UniCOs(y7-y: oi) ,

N2 KlK2K3UmCOS (()Ql)

(3)

0

5

0

5

0

5

0

5

Из векторной диаграммы преобразований (3) при различных фазах опорного сигнала видно, что величины Ni и N2 являются составляющими конечного результирующего измерения, которое определяется по правилу сложения векторов:

Nn v W-b N; -Ь 2NiN2COS( - 2 )

(4)

Способ обработки сигналов феррозон- довы.х датчиков реализуется следующим образом.

Выделяют и усиливают избирательным усилителем сигнал второй информационной гармоники феррозонда,, в результате чего формируется синусоидальный сигнал с амплитудой KiUm, г,це Urn - амплитуда второй гармоники, пропорциональная проекции вектора геомагнитного поля на ось чувствительности феррозонда.

Осуществляют синхронное детектирование второй информационной гармоники сигнала феррозонда с выхода избирательного усилителя фазовым детектором при двух опорных сигналах, фазы PQ и pQ2 которых и фазу (/9 детектируемого сигнала выделенной гармоники выбирают из условия (pQ- .(р (pQг при этом разность фаз опорных сигналов выбирают из условия

5 90°. Последовательно во времени получают два сигнала постоянного тока:

KlK2UmCOS (f ), KiK2UmCO.S ((p ( ) .

Осуществляют аналого-цифровое преобразование выходных сигналов фазового детектора, в резуль.тате которого гюлучэют два измерения в условных цифровых кодэх:

NI - KlK2K3UrnCOs(). N2 KiK2K3UmCOs(9502 - р)

Определяют конечный результат измерения по правилу сложения векторов Nn 2NiN2Cos ((poi ) Чувствительность измерения при использовании способа составляет

Изобретение относится к промысловой геофизике и предназначено для использования в феррозондовых преобразователях азимута инклинометров. Цель - повышение чувствительности и обеспечение стабильности измерений. Способ осуществлется следующим образом. Выделяют и усиливают избирательным усилителем с коэффициентом K₁ усиления сигнал (С) с модулем K₁U_M и фазой φ второй информационной гармоники (Г) феррозонда. Осуществляют синхронное детектирование и аналого-цифровое преобразование Г при двух опорных С, фазы φ₀₁ и φ₀₂ которых и фазу φ детектируемого С выделенной Г выбирают из условия φ₀₁≥φ≥φ₀₂. При этом разность фаз выбирают из условия φ₁₁-φ₀₂≤90°. Конечный результат получают в виде суммарного вектора N_N, что обеспечивает повышение чувствительности и стабильности измерений. 3 ил.

Sn . ; 1К2Кз -icQ/l ф 2co.s ( - %i) cos i - 0002) cos (/} ipH)

Для оцэнки эффективности способа введем 50 вие А 1 для (Д) р выполняется при коэффициент увеличения чувствительности: ( 120° независимо от величины г

А

Sn

фазы f детектируемого сигнала. При постоянной разности фаз (. Qi - /Ъ2 ) коэффициент А изменяется от величины

Анализ величины коэффициента А с учетом (2) и (5) показывает, что уело- 55

(5)

фазы f детектируемого сигнала. При постоянной разности фаз (. Qi - /Ъ2 ) коэффициент А изменяется от величины

AI V2 + 2cos (pG )

при до величины

A2 V1 -f-3cos ( узо1 ) при .

Коэффициент AI всегда больше единицы, a A2-только при дэт - у)02 90°. Поэто- му последнее неравенство при (pQ (р (рса является наиболее точным критерием эффективности данного способа.

Для более достоверной оценки способа целесообразно сравнить чувствительность Sn с максимально возможной чувствительностью Sm KiK2K3, которую дает способ-прототип. Для этого следует ввести коэффициент

Sn,,

В

(8)

Он увеличивается от величины BI Vi -l-3cos(i )

при

до величины

82 2cos {

po

при .

Обе величины больше единицы при условии, что 1 - 2 90°.

Следовательно, повышение чувствительности достигается всегда при условии

f) -(.

Предельное максимальное значение коэффициентов А и В равно двум при

(pQ - ро2 - 0°, т.е. данный способ преобра- зования сигналов феррозондовых датчиков позволяет увеличить чувствительность измерения максимум в два раза. Практически целесообразно выбирать разность фаз опорных сигналов в пределах 30-90°, что в среднем дает увеличение чувствительности в 1,5-1,8 раза.

Под воздействием температуры окру- ,жающей среды происходит изменение параметров функциональных звеньев канала преобразования. Это приводит к изменению коэффициентов передачи звеньев, т.е. к изменению чувствительности результата. Наиболее существенное влияние на чувствительность оказывает температурный дрейф фазы детектируемого сигнала, который в основном обусловлен дрейфом фазового сдвига/&, вносимого избирательным усилителем. Влияние дрейфа фазы у7детек

10

тируемого сигнала на результат измерения можно оценить величиной чувствительности G результата к изменению f. Для способа-прототипа она составляет

(9N 5 G - -KiK2K3Un,sln (у -уяэ1 ), (11)

а для данного способа - (5Nn - KI К2 Кз Urn

f

w

nvz ixj um г , n /ч

( )

is

0

5

-ь sin 2 ( - уяз2) - 2cos (1 - 2) X

xsin() .(12)

Если чувствительность результата равна нулю, то температурный дрейф фазы р не влияет на результат измерения. Для способа-прототипа G О при р (ро, а для данного способа Gn 0 при (f f

С целью повышения стабильности результата измерения при использовании данного способа целесообразно выбирать соотношение фаз детектируемого сигнала и опорных сигналов близким к соотношению

J001± 2

2

(13)

30

35

В плане стабилизации чувствительности результирующего измерения наибольший практический интерес имеет случай 1 -(ро2 90°, так как при выполнении этого равенства чувствительность Sn результата вообще не зависит от фазы р детектируемого сигнала, которая может изменяться в широких пределах, не оказывая никакого влияния на результат. При этом достигается незначительный выигрыш в чувствительности по сравнению с прототипом, так как

А

1

cos ( - 1 ) )

а разность р - /)о практически не превышает 45°, но и не бывает в точности равной нулю. Однако достигается предельно максимальная стабильность результата измерения сигналов феррозондов, так как

Nn KiK2K3Um и чувствительность G

тождественно равна нулю.

д

Способ может быть реализован, например, на основе фазового детектора (Д) с изменяемой фазой опорного сигнала на 45° (фиг. 3). Фазовый детектор включает в себя усилитель с изменяемым знаком коэффициента усиления, содержащий операционный усилитель 1 с внешними резисторами 2-6 и аналоговый ключ 7, фильтр низких частот, выполненный на операционном усилителе 8

iC внешними элементами Й-13, четыре D- ;триггера 14-17, выполняющие роль делите- ;лей частоты, и группу логических элементов h8-22.

I На вход 31 фазового детектора подается Синусоидальное напряжение с выхода изби- рательного усилителя, а с выхода а2, кото- 1рый подключается ко входу АЦП, снимается пропорциональное постоянное напряже- I ние. На. вход аз фазового детектора поступа- 1ет последовательность прямоугольных импульсов от внешнего тактового генератора, синхронизирующего работу всех функциональных узлов преобразователя. Частота импульсов в данном случае равна 4а, где ш-частота второй информационной гармоники феррозон,цового датчика, В результате деления частоты прямой и инвертированной последовательности импульсов с помощью триггеров соответственно 16, 17 и 14, 15 на выходе триггеров 15 и 17 формируются также последовательности прямоугольных импульсов, но с частотой ш и I относительным фазовым сдвигом

ро - (Р02 45°. При подаче на вход 84 детектора уровня логической единицы на ключ 7 с выхода логического элемента 22 поступает опорный Сигнал с фазой , а при ; подаче на вход эл логического нуля фаза опорного сигнала становится равной (ро2. Когда ключ 7 закрыт, усилитель 1 работает в неинвертирующем режиме с коэффициентом усиления

f, 1 4-R6/R5,(15)

а когда открыт - в инвертирующем режиме с коэффициентом усиления

f2 R6/R2.(16)

Для правильной работы необходимо выбрать fi f2 f и Яз R4 R2/2. На выходе усилителя 1 формируется напряжение, соответствующее по форме двухполупериод- ному выпряпллению синусоиды. Это напряжение имеет постоянную составляю- щую, для которой максимальный коэффици2ент передачи усилителя 1 равен f---. ПроЛ

чие гармоники сглаживаются фильтром низкой частоты на операционном усилителе 8, у которого коэффициент передачи для постоянной составляющей равен b Ria/Rg + RIO. Таким образом, общий максимальный коэффициент передачи фазового детектора

0 5

C;Q ,

0

5

0

5

0

f b cos ((р (po ), а для логического нусоставляет К2 -f b. Если учесть разность фаз между детектируемым сигналом со входа ai и опорным сигналом на выходе элемента 22, то коэффициент передачи фазового детектора для логической единицы на выходе а составляет 2

л;

2 ля - - f b cos (р - Р02 ). Для обеспечеJlния разности фаз po - ра2 - 90° достаточно исключить из схемы триггеры 14 и 16, а частоту импульсов на входе аз детектора

уменьшить в два раза.

В данном способе измерения сигналов/ феррозоидовых датчиков в отличие от прототипа производится двойное синхронное детектирование сигнала каждого из феррозондов. Благодаря этому результат измерения сигналов приобретает новые свойства - с одной стороны чувствительность результата измерения в среднем возрастает в 1,5- 1,8 раза по сравнению с чувствительностью канала преобразования, с другой стороны появляется новая возможность увеличения стабильности результата измерения. В частности, если разность фаз опорных сигналов равна 90°, то результат измерения принципиально не зависит от фазы детектируемого сигнала и ее температурного дрейфа, а следовательно, не меняется по величине и остается стабильным. При этом схема самого канала аналого-цифрового преобразования сигналов остается без изменений.

Формула изобретения Способ измерения сигналов феррозон- довых датчиков, включающий выделение и усиление, сигнала второй информационной гармоники и синхронное детектирование ее с последующим аналого-цифровым преобразованием, отличающийся там, что, с целью повышения чувствительности и обеспечения стабильности измерен лй, син- кронное детектирование осуществляют при двух опорных сигналах, фазы i и pyi кото- : рых И фазу -р детектируемого сигнала выде- л э н н о и гармоники выбираю из условия (pQ2, а разность фаз опорных сигналов выбирают из условия

у:01 90°,

и

o-

Фиг.1

/Vr

K UmCOSl - i)

О

si (J cosi f foz}

ог

Фиг. 2.

/V

/ n W Nl 2NiHgCOs(Vorfo2)

Ur