Преобразователь азимута Советский патент 1990 года по МПК E21B47/02 

sinZCjJ sin2Cf(-cosC + sinV) . (5)

Щ arctg u 7u rK cSsif - o725 sin2tp з1п2с Тсозф+ sin(j))

Изобретение относится к промысловой геофизике и предназначено для определения магнитного азимута. Цель - повышение точности за счет исключения влияния на результат измерения азимута разности фаз между сигналами феррозондов и опорным сигналом. Преобразователь азимута содержит синусно-косинусный датчик 1 в виде двух ортогональных феррозондов 1-1 и 1-2, с входами возбуждения которых через делитель 3 частоты связан первый вход генератора 2. Сигнальные выходы феррозондов подключены к первому и второму входам коммутатора 4, третий вход которого соединен с общим проводом, а выход - с первым входом фазовращателя (Ф) 5. Кроме того, преобразователь содержит избирательный усилитель 6, блок (Б) 7 интервалов времени, Б 8 управления и фазовый манипулятор (М) 9. Первый выход Б 8 подключен к управляющим входам коммутатора 4 и Б 7. С вторым выходом генератора 2 соединен вход М 9, управляющий вход которого подключен к второму выходу Б 8. На второй вход Ф 5 подается опорный сигнал, фаза которого изменяется М 9. Усилителем 6 выделяется информационная гармоника, фаза которой определяется отношением входных сигналов Ф 5 и преобразуется в пропорциональную длительность импульса в Б 7. По величине измеренной длительности определяют азимут. 4 ил.

или при малых q (в пределах 0-tO) &W 0,5 .K sin2W(-cosl,J+

Iи vTi

+ sin(|J)cos Cf ut

.Зако« изменения погрешности достаточно сложен и зависит от отношения амплитуд сигналов датчиков и опорного сигнала, от расстройки фазовращателя (), а также от величины самого измеряемого угла, причем перечисленные параметры существенно зависят от температуры, поэтому указанную погрешность скомпенсировать весьма сложно.

25 налом генератора. Допустим, что фаза опорного сигнала на входе RC-фазо вращателя равна В,

о U,

3(

Тогда, при подаче на КС-фазовращатель сигналов датчика U и U фаза его выходного сигнала примет значения

(7)

(UomK(cosPel K sin 5)+UmsinC})(.:: sintp)

Cps arctg OjKCrco s o-sinjj;)-U;sinV(cosq 4- К sinCf)

y6mK(cos oi K sin§o)+UmCOS(K cosCf- sint).

j-V ---I f

Ц)р arctg )Если теперь измерить значения фазы выходного сигнала RC-фазовращателя по отношению к нулевой фазе сигнала генератора, т.е. опорного сигнала, определить разности (Cfg-Ч) tPs

Up,cos(jJ(cosq 4- к sinCl)

(8)

(tp(,-(pp), (CPi-tf) и решить совместно Зфавнения для первой и второй пары разностей, то в результате можно оп д« ределить относительные значения сиг налов синусно-косинусного датчика

Umsin(i К sinJpв - ts(( . и;; tg( - tg((,)4-4,)

Um2°s - -5 . sia& ±-tSi lMltSl lM 2§ -0 Un«sinU 4-„ЛР 10- - t- (№-(OJ

Ч tgCCJ c-M o) - tg jffe o

(9)

(10)

которые однозначно определяют иско- мую величину угла поворота датчика CsinPo-b ts(tp5iq o)-ts(tf5-M 2 EflirtSl s. dD

arctg - ;-;--; g() tg()cosp,tg(q),-(f,)-tge{.L-cp,)

В предлагаемом преобразователе производится измерение фазы опорного

20 сигнала, поступающего на RC-фазовращатель. При этом фаза опорного сигнала, подаваемого на блок 7 интервалов времени, остается неизменной и равной нулю. Опорный сигнал синфазен с налом генератора. Допустим, что фаза опорного сигнала на входе RC-фазо- вращателя равна В,

о U,

3(

Тогда, при подаче на КС-фазовращатель сигналов датчика U и U фаза его выходного сигнала примет значения

(7)

sinC})(.:: sintp)

UmCOS(K cosCf- sint).

Up,cos(jJ(cosq 4- к sinCl)

(8)

(tp(,-(pp), (CPi-tf) и решить совместно Зфавнения для первой и второй пары разностей, то в результате можно оп ределить относительные значения сигналов синусно-косинусного датчика

(9)

(10)

1615347

Полученный результат не зависит шг - от расстройки RC-фазовратателя, ни от фазового сдвига Cf; между сигналами и, следовательно, инвариантен к их температурным изменениям. Тем са- мым достигается цель изобретения - повышение точности измерения,

В отличие от известных устройств в предпагаемом преобразователе азимута |п производится измерение и преобразование сигналов синусно-косинусного датчика при изменении фазы опорного сигнала, что дает возможность полу8

усилителем 6. Последний кроме того, вьщеляет основную гармонику опорного сигнала, подаваемого на вход RC-фазОВРащателя с выхода фазового манипулятора 9, в результате чего на выходе избирательного усилителя 6 возникает синусоидальный сигнал, фаза которого по отношению к фазе опорного сигнала, поступающего на вход блока 7 интервалов времени, содержит измерительную информацию. В блоке 7 интервалов времени разность фаз между выходным сигналом избирательного уси --- v ijuii-j пл. najiijn

чить большую точность измерения путем ,5 лителя 6 и опорным сигпалом преоб- исключения из результата влияющих разуется во временные интервалы, пос- факторов. Это стало возможным за счет тупаюгще на выход преобразователя введения в схему преобразователя фа- Процесс работы преобразователя

I зового манипулятора, который по сигна- состоит из одинаковых циклов каждый

I лам блока управления скачкообразно 20 изменяет фазу опорного сигнала, поступающего на RC-фазовращатель.

Преобразователь азимута работает следующим образом.

Генератор 2 (фиг„1) вырабатывает 25 ную обмотку Феррозонда с кс-фазовГа - непрерывный периодический сигнал пря. Щателем 5, на второй вход которого моугольной или синусоидальной формы, поступает опорный сигнал с нулевой

Частота основной гармоники генератора

2 с помощью делителя 3 частоты делится на два В делителе 3 частоты ЗО

I сигнал также усиливается до получе|ния мощности, необходимой для возбуж|дения феррозондов 1-1 и 1-2. Феррозонды вырабатьшают полигармонические

35

из которых делится на шесть подцик- лов. Смена подциклов осуществляется с помощью блока 8 управления. В первом подцикле коммутатор 4 по сигналу с блока 8 управления соединяет сигналь, ( .п.1 пал с нулевой

фазой (П 0). Информационная гармоника феррбзонда и опорный сигнал, приведенные к выходу избирательного усилителя 6, имеют вид соответственно

„ sintot +Cf),

;сигналы, в составе которых вторая : гармоника имеет информащюнный ха |рактер и вьщеляется избирательным

и

VsinCOt.

(12)

Фаза выходного сигнала избирательного усилителя 6 принимает значение

(P.M , t|)ь arctg У.«2I5-i- t1 B(K cosCf -lsin(0.

omK - UHn,cos(f + К sin(f)

Фаза выходного ного усилителя

о Uon,«in(0)t ).

(14)

где (Jl(j- собственный сдвиг фазы избирательного усилителя 6. Во втором Подцикле с помощью фазового манипулятора 9 изменяется фаза опорного сиг- 45 фаза выходного сигнала избиратель- Нала на величину ,,, он принимает вид ного усилителя 6 становится равной

. arctg ii9.(cosf i K sinMiU«ira(K;cos - sM).

(K )-U,,(cos(f 4- к sin(|)

Третий и четвертьт подциклы проте ка-дается сигнал со второго феррозон1 т аналогично и соответствуют пер-да 1-2. В третьем и четвертом подвому и второму подциклам, однако вцикдах работы преобразователя фаза

гечение их на RC-фазовращатель 5 по-сигнала на выходе RC-фазовращателя 5

55пЬинимает значения соответственно

,.Cf, . arctg .m(.(fi ,

Dm

- W.

8

усилителем 6. Последний кроме того, вьщеляет основную гармонику опорного сигнала, подаваемого на вход RC-фазОВРащателя с выхода фазового манипулятора 9, в результате чего на выходе избирательного усилителя 6 возникает синусоидальный сигнал, фаза которого по отношению к фазе опорного сигнала, поступающего на вход блока 7 интервалов времени, содержит измерительную информацию. В блоке 7 интервалов времени разность фаз между выходным сигналом избирательного уси--- v ijuii-j пл. najiijn

лителя 6 и опорным сигпалом преоб- разуется во временные интервалы, пос- тупаюгще на выход преобразователя Процесс работы преобразователя

состоит из одинаковых циклов каждый

ную обмотку Феррозонда с кс-фазовГа - Щателем 5, на второй вход которого поступает опорный сигнал с нулевой

из которых делится на шесть подцик- лов. Смена подциклов осуществляется с помощью блока 8 управления. В первом подцикле коммутатор 4 по сигналу с блока 8 управления соединяет сигнальную обмотку Феррозонда с кс-фазовГа - Щателем 5, на второй вход которого поступает опорный сигнал с нулевой

, ( .п.1 пал с нулевой

фазой (П 0). Информационная гармоника феррбзонда и опорный сигнал, приведенные к выходу избирательного усилителя 6, имеют вид соответственно

„ sintot +Cf),

и

VsinCOt.

(12)

lsin(0.

Фаза выходного сигнала избирательного усилителя 6 принимает значение

(13)

о Uon,«in(0)t ).

(14)

аза выходного сигнала избиратель- о усилителя 6 становится равной

(16

с,,(р„, ..f а.с., j...&l.M M-t-|.I -Se|it:-4 ;u , Cf,, (П,

В пятом подцикле коммутатор 4 соединяет RC-фаэовращатель 5 с общим проводом, при этом фаза опорного сигнала имеет нулевое значение (/3j 0). Фаза сигнала на выходе избирательного усилителя 6 становится равной

(Р arctg ,

где К G3RG.

В шестом подцикле по сигналу блока 8 управления блок 7 интервалов времени переключается с выхода избирательного усилителя 6 на выходе фаз ового манипулятора, который снова изменяет фазу опорного сигнала на величину RQ. В этом случае блок 7 интервалов време- . ни воспринимает сигналы с относительным фазовым сдвигом, равным

.

У4(т V.m

arctg

(i-f5)I ts 9 ziAl 22s№tg,()3 ,,,, sin( tg(3-p5)-tg()(,) tg(2-«5f)J

представляющее собой тангенс некоторого угла. HO, поскольку оси чувствительности феррозондов ортогональны и с помощью, например, подвижных рамок с грузами устанавливаются в горизонтальную плоскость, то амплитуды вторых информационных гармоник изменяются по законам

«т . и,2,. . (22)

где Oi магнитный азимут, а отношение (21) однозначно определяет азимут как

Ujim , (23):

6 arctg

и

iZm

Конечный результат не зависит ни от расстройки фазовращателя 5, ни от относительного фазового сдвига сигналов феррозондов. Наряду с этим исключается влияние фазового сдвига (0, вносимого избирательным усилителем 6, благодаря вычислению разностей

(С ,- Рр, () 3- « Функциональные блоки преобразова - теля азимута работают следующим образом.

В блоке 7 интервалов времени относительные фазовые сдвиги , - 9 преобразуются в длительности импульсов, значение которых определяется - по формуле

«; -3654- .

(20)

где i - номер подцикла.

При этом широтно-модулированные импуль15 сы в каждом подцикле поступают на выход блока 7 интервалов времени с некоторой выдержкой времени, задаваемой в блоке 8 управления и необходимой для завершения переходных процес20 сов в RC-фазоврагдателе 5 и избирательном усилителе 6. После измерения длительности выходных импульсов и обработки информации в условных кодах согласно алгоритму (11) определяется От25 ношение

На вход 1 фазового манипулятора 9 (фиг,2) поступают прямоугольные импульсы от генератора 2 (скважность равна двум). Формирователь на логи35 ческих элементах 10-12 вьфабатывает узкие тактовые импульсы по передним и задним фронтам входных импульсов, их длительность задается цепочками

. R)« С, It R.J С.Тактовые импульсы запускают одновибратор на триггере 13, который осз ществляет выдержку времени 6 . которая соответствует ; фазовому сдвигу „ ,

45

2-ir .

Триггер 14 путем деления частоты устанавливает скважность сдвинутых одновибратором на триггере 13 импуль ° равную двум. Таким образом, на входе манипулятора 9 и на выходе триггера 14 имеются две последовательности прямоугольных импульсов, сдвинутых между собой на угол й.

Эти последовательности попеременно подаются на выход 3 манипулятора 9 с помощью логического ключа на элеентах 15-18, управляемого по входу 2 блоком 8 управления.

. . П . 1615347 На вход 1 блока 8 управления (4|иг.З) поступает сигнал от генера12

Tolpa 2. Счетчик 19 rf дешифратор 21 выполняют функцию задержки чмпуль- сф так, что каждый десятый входной им|пульс переключает подцикл работы преобразователя , постуадя на вход счетчика 20. Каждый импульс снимаемый с выхода 8 дешифратора 2Т, запускает блок 7 интервалов времени (вых. 2). Депшфратор 22 по с«гнаг лач счетчика 2П управляет коммутато- роч А, включая последовательно во времени его ключи,и фазовьн манипУ лягором 9 с выхода логического эле- MeiTa 26. С выхода 6 дешифратора 22 снимается импульс, переключак |ций блок

7

во

вр

iнтepвaлoв времени с выхода избиПо сигналам блока 8 управления, . поступающим Н4 вход 2 блока 7 интервалов, времени, последовательности импульсов с компаратора 27 и выхода фазового манипулятора 9 попеременно подаются на вход R триггера 32, который устанавливается в исход- ное состояние. На вход S этого тригт поступают импульсы с дешифратора 21 блойа В управления, временной промежуток мёвду которьми равен девяти периодам генератора 2, что обеспечи- ваёт завершение перезсодны процессов j в схеме, преобразователя.. Каждый импульс устанавливает триггер 32 в сое-- -тояние Г из которого он выводится каадым следующим импульсом последовательностей, подаваемых на вход R,

рагельйого усилителя 6 на вх од фазо- д поэтому длительность импульсов на вы

- V -.. J..«ъ дъ

О манипул 1тора 9. На вход 1 блока 7- интервалов

гмени (фиг.4) подается синусоидальные сигнал с выхода избирательного усилителя 6. который по переходам чеэез нуль преобразуется .компаратор- ро л 27 в последовательность прямо- угэльньгх импульсов. Вход 2 блока 7 Интервалов времени подключен к вы- 3 фазового манИпуЛятора 9, а вхЬды 3 - .соответственно к . вы|х:одам 2 и 3 блока 8 управления.

ходе триггера 32 пропорциональна фазовому сдвигу между сигналами генератора 2 и выходными сигналами избирательного усилителя 6 и фазо- 2J вого манипулятора 9 соответственно номеру подцикла. преобразователя.

С целью упрощения вычислений при обработк;е измерительной информации фазу опорного с1игнала в фазовом манипуляторе 9 целесообразно сдвигать на 90 (Д 90). В этси случае алгоритм обработки .принимает вид

30

, ,1 ri+ts(,(j,-)-ts()II - )Ktg(

и существенно упрощается по срав.нению датчика и при температуре

с алгоритмом (21).

Предлагаете преобразователь ази- в сравнении с известньм имеет aohee высокую точность, так как в ней исключается влияние на результ ат измерения азшчута разности фаз между опЬрным сигналом и сигналами синус- н6 -косинусного датчика, поступающими на RC-фазовращатель, т.е. исключается погрешность вида (5), обусловленная фа1зовым сдвигом q, и соответствую- ща|я дополнительная температурная по|грешность. Кроме того, принципиально исключается погрешность, на|я расстройкой я температурным дрей- фой параметров RC-фазрвращателя, и по грешность, обусловленная наличием и ;1;};айфом фазового сдвига, вносимого ; избирательным ycилитeJ Ieм. Тёмператур- на|.я погрешность преобразователя азимута ое5условлена практически . только др:ейфом параметров феррозондового

тавляет 0,02.

« W

40

45

50

55

Формула изобретен Преобразователь азимута, .сод вший синус Ho-Koctfнусный в де двух ортогональных феррозонд генератор, первый выход которог через делитель частоты связан с ми возбуждения феррозондов, сиг ные выходы которых подключены к вому и второму входам коммутато третий вход которого соединен с |цим проводом выход коммутатора ключен к первойу входу фазовращ выход которого через избиратель усилитель связан с блоком интер Времени, и блок управления, вход торого соединен с вторьм выходом нератора , а первый выход соедин управляющим входом блока интерва времени, о- т л и ч а ю щ tt и с я тем, что, с целью повышения точн

12

(24)

датчика и при температуре

тавляет 0,02.

« W

сос

ормула изобретения Преобразователь азимута, .содержавший синус Ho-Koctfнусный в виде двух ортогональных феррозондов, генератор, первый выход которого через делитель частоты связан с входами возбуждения феррозондов, сигнальные выходы которых подключены к первому и второму входам коммутатора, третий вход которого соединен с об- |цим проводом выход коммутатора подключен к первойу входу фазовращателя, выход которого через избирательный усилитель связан с блоком интервалов Времени, и блок управления, вход которого соединен с вторьм выходом генератора , а первый выход соединен с управляющим входом блока интервалов времени, о- т л и ч а ю щ tt и с я тем, что, с целью повышения точности

за счет исключения влияния на результат измерения азимута разности фаз между сигналами феррозондов и опорным сигналом, он снабжен фазовым манипулятором, вход которого соединен с вторым выходом генератора, управляюпшй вход подключен к второму выходу блока управления, а выход соединен с вторым входом фазовращателя и входом блока интервалов времени, при этом первый выход блока управления подключен к управляющему входу коммутатора.

0ifS.