Датчик зенитного и визирного углов Советский патент 1992 года по МПК E21B47/02 

. фиг.7

электрода 2, расположенных параллельно оси корпуса 1 на одинаковых расстояниях друг от друга и от корпуса и пересекающих границу раздела несмешивающихся диэлектрической 4 и электропроводной 5 жидкостей. По оси корпуса 1 установлен полый цилиндр 3 из проводникового материала, изолированный от корпуса 1, электродов 2 и жидкостей 4,5 с помощью диэлектрических втулок 6-9. Кроме того, датчик содержит пятый электрод 10, имеет цилиндрическую форму и полностью погружен в проводящую жидкость 5. При наклонен повороте датчика граница раздела жидкостей 4.5 смещается вдоль стержневых электродов 2, вследствие чего меняются проводимости между электродами 2 и корпусом 1. Проводимость между пятым электродом 10 и корпусом 1 остается неизменной. Значения указанных проводимостей используют для вычисления зенитного и визирного углов. 2 ил.

Изобретение относится к промысловой геофизике и предназначено для определения пространственного положения траектории скважин. Цель изобретения - повышение точности измерения зенитного угла и помехозащищенности. Датчик содержит цилиндрический корпус 1 из проводникового материала, четыре стержневых п СО с 4 00 О О

Изобретение относится к промысловой геофизике и может быть использовано в инклинометрах в качестве первичных преобразователей зенитного и визирного углов.

Известен преобразователь зенитного угла при измерении искривления скважины, содержащий корпус, установленную соосно с корпусом в опорах вращения подвижную рамку и тороидальную полость с электродами, которая установлена на подвижной рам- ке, сообщается с цилиндрической спиральной трубкой и заполнена двумя несмешивающимися жидкостями.

Недостатки преобразователя - сложность изготовления тороидальной полости с электродами в силу ее специфической конфигурации и низкая надежность при работе в условиях вибраций в связи с применением твердотельной подвижной рамки, опор вращения, а также в связи с необходимостью использования коллектора для съема сигналов с подвижной рамки. Кроме того, недостатком преобразователя является низкая точность измерений угла, обусловленная изменением соотношения объемов жидкостей в области электродов и изменением физических свойств жидкостей (электрической проницаемости и удельного сопротивления) под действием температуры. Последние факторы в значительной степени обусловлены тороидальной формой рабочей полости устройства, применение которой ставит измеренные значения зенитного угла в прямую зависимость от расположения границы раздела жидкостей по отношению к центру симметрии тороидальной полости.

Известен также датчик зенитного и визирного углов, содержащий цилиндриче- .ский корпус, внутри которого размещены три цилиндрические спиральные трубки, объединенные своими верхними и нижними концами и залитые двумя несмешивающимися жидкостями. Верхние концы трубок

имеют прямолинейные участки, установленные вертикально вплотную к стенкам корпуса и снабженные соосными электродами, пересекающими границу раздела жидкрстей. Углы между плоскостями, проходящими через оси прямолинейных участков трубок и ось корпуса, составляют1 120°.

Датчик более прост и точен в изготовлении, более надежен, так как не имеет подвижных механических соединений. Наряду с этим датчик имеет большую точность измерения, не зависим от соотношения объемов заливаемых жидкостей, так как изменение соотношения объемов жидкостей, в том числе и температурное изменение, приводит к одинаковому смещению границы раздела жидкостей вдоль каждого из параллельных стержневых электродов и не влияет на результат измерений углов.

Недостатком датчика является погрешность измерения зенитного угла, вызванная температурным изменением таких физических свойств жидкостей, как удельное сопротивление, и электрическая проводимость.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения .наклона и ротации (зенитного и визирного углов), содержащее полый цилиндр из диэлектрика,

заполненный двумя несмешивающимися жидкостями, одна из которых диэлектрик, а другая проводник, несколько стержневых электродов, расположенных вдоль внутрен ней стенки цилиндра, и центральный электрод, расположенный по оси цилиндра. Все электроды пересекают границу раздела жидкостей. Перемещение последней приводит к изменению электрических проводимостей между электродами. Измерение

проводимостей дает информацию для определения зенитного и визирного углов посредством вычислений.

Недостатком данного устройства является значительная погрешность измерения

зенитного угла, вызванная температурным изменением удельного электрического со- противления рабочей жидкости.

Целью изобретения является повышение точности измерения зенитного угла и повышение помехозащищенности.

Указанная цель достигается тем. что датчик зенитного и визирного углов, содержащий цилиндрический корпус, заполнен- ный двумя несмешивающимися жидкостями, одна из которых обладает свойствами диэлектрика, а другая проводника, параллельные оси корпуса, стержне вые электроды, расположенные на одинаковых расстояниях друг от друга и от оси корпуса и пересекающие границу раздела жидкостей, снабжен дополнительным электродом цилиндрической формы, расположенные полностью в объеме проводящей жидкости, не перекрывая стержневые электроды в радиальном направлении, а цилин- дрический корпус выполнен из проводникового материала. Кроме того, датчик снабжен полым цилиндром, установленным по оси корпуса и выполненным из проводникового материала, а также диэлек- трическими втулками, изолирующими полый цилиндр от корпуса, электрода и жидкостей.

На фиг.1 приведена структурная схема датчика; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Датчик содержит цилиндрический корпус А, залитый двумя несмешивающимися жидкостями, нижняя из которых обладает электрической проводимостью и является рабочей, а также три параллельных стерж- невых электрода B,C,D, из которых С явдя- ется центральным, т.е. расположен по оси корпуса. Все три электрода находятся в одной плоскости, эта плоскость совпадает с плоскостью чертежа, а с помощью датчика производится измерение угла наклона корпуса относительно гравитационной вертикали-.

Анализируют два основных варианта построения датчика: 1 - корпус А выполнен из диэлектрика; 2 - корпус А выполнен из проводникового материала и электрод Сот- сутствует. В первом варианте датчика при наклоне корпуса изменяются электрические проводимости между электродами В,О и центральным электродом С:

AYBc YBc(t/ )-YBc(0),

AYDcfy)-YDc(0),(1)

где Y ($) - проводимости при угле наклонаif Y(0) - проводимости при гр 0. Вследствие того, что электроды параллельны, измерение проводимостей происходит исключительно за счет изменения средней площади

сечения проводников,образованных проводящей жидкостью между электродами, т.е.

AYBC ,AYDC ,(2)

гдер- удельное электрическое сопротивление жидкости; И - средняя длина проводника, образованного проводящей жидкостью между электродами, которая эквивалентна расстоянию между электродами.

Искомый угол определяется зависимостью

t/ arctg KI (Д YDC - AYec)

. arctg 1(Д5ос-Д SBC),(3)

где KI - постоянный коэффициент, определяемый путем контрольных измерений.

Во втором варианте датчика при наклоне корпуса изменяются электрические проводимости между электродами B.D и корпусом А, в связи с чем измеряемый угол равен

V arctg К (Д YDA - Д YBA)

К2

(4)

arctg (Д SDA - A SBA),

где Ка - постоянный эмпирический коэффициент; 2 - средняя длина проводников, образованных жидкостью между электродами и корпусом, которая эквивалентна расстоянию между электродами и корпусом; АЗод. A SB A - средние площади поперечного сечения соответствующих проводников.

Среднее смещение границы раздела жидкостей между рассмотренными парами электродов при одном и том же угле наклона 1р в первом варианте (nij значительно меньше, чем во втором варианте (п2). Эти смешения пропорциональны изменению среднего сечения проводников между соответствующими парами электродов. В предлагаемом датчике корпус выполнен из проводникового материала. При изменении температуры окружающей среды происходит объемное расширение жидкостей и изменение удельного электрического сопротивления проводящей жидкости. Первый фактор приводит к смещению границы раздела жидкостей вдоль электродов и соответствующему приращению площадей поперечных сечений жидкостных проводников. Если для второго варианта датчика представить изменение площадей A SDA. A SBA в виде

ASDA SDA(V)-S(0),

A SBA SBA ($-S(0),(5)

где 5(0} - площадь сечения проводников при 0, одинаковая для обоих пар электродов, то нетрудно увидеть, что вычисление разности Д SDA - Д SBA при определении угла по формуле (4) полностью исключает влияние

параллельного смещения границы раздела жидкостей на результат измерений.

Следовательно, если происходит температурное смещение границы раздела жидкостей вдоль параллельных электродов, то оно не влияет на результат и точность измерения. В этом состоит феноменологическое достоинство датчиков с прямыми параллельными электродами по сравнению с другими жидкостными датчиками. Однако Ётброй фактор, т.е. температурное изменение удельного сопротивления жидкости /){t°), вызывает погрешность измерения угла. Чтобы учесть температурный дрейф удельного сопротивления, в предлагаемом устройстве использован дополнительный электрод, который не пересекает границу раздела жидкостей. Поэтому температурное изменение проводимости между этим электродом и корпусом обусловлено только изменением удельного сопротивления жидкости.

Обозначают на фиг.1 дополнительный электрод условно буквой F, определяют соответствующую проводимость как

SFA

YFA

(6)

ф arctg:

(7)

где SFA, IFA - постоянные величины, характеризующие собой сечение и длину жидкостного проводника между дополнительным электродом и корпусом, и определяют искомый угол следующим образом:

Кз(АУрА-АУвА)

YFA

где Кз - новый эмпирический постоянный коэффициент. Тогда, после преобразований с учетом (4) и (6) получают

у arctg (ASDA-ASBA)FA. hSFA

arctg К4 (A SDA - A SBA).(8)

где «4 - новый постоянный коэффициент, учитывающий только конструктивные размеры датчика.

Таким образом, использование дополнительного электрода устраняет существенный недостаток датчиком с прямыми параллельными электродами.

Датчик зенитного и визирного углов (фиг.2) содержит цилиндрический корпус 1 из проводникового материала, четыре стержневых электрода 2. параллельные оси корпуса 1, полый металлический цилиндр 3, который изолирован от внутренней полости, залитой жидкостями 4,5 посредством диэлектрических втулок 6-9, дополнительный электрод 10 цилиндрической формы, закрепленный на втулке 9. При этом цилиндр 3 выполняет роль шасси, на котором собираются и закрепляются с помощью гаек

5 0 5 0

5

11 остальные детали датчика. Вывод 12 служит для обеспечения электрического контакта электрода 10 с электронной схемой, а винт 13 выполняет функцию заглушки, Для перетока жидкости через втулку 8 в последней предусмотрены отверстия 14.

Датчик работает следующим образом.

При наклоне корпуса относительно гравитационной вертикали граница раздела жидкостей перемещается вдоль электродов 2, в результате чего происходит изменение проводимостей, образованных проводящей жидкостью 5, между электродами 2 и корпусом 1. Проводимости меняются благодаря изменению средней площади поперечного сечения соответствующих проводников. Изменение проводимостей происходит как вследствие наклона датчика на зенитный угол в, так и вследствие его поворота вокруг оси, т.е. при изменении визирного угла р. Указанные углы определяются следующими соотношениями

У(У1-Уз)2+ ()2.

31 Y5

Р arctg .(9)

0

5

0

5

0

0 arctg

Yi-Уз

где Y1...Y4 - проводимости между электродами 2 и корпусом 1;

Y5 - проводимость между дополнительным электродом 10 и корпусом 1; ai - эмпирический коэффициент. который определяется путём контрольных измерений. Номера электродов 1-4 отсчитываются против часовой стрелки, если смотреть на датчик сверху. При этом первый электрод выбирается из условия YI - Уз 0 при Y4 - - Y2 0. Поскольку проводимость между каждым из электродов 2, включая дополнительный электрод 10,пропорциональна отношению Si/p, где Si - средняя площадь поперечного сечения соответствующего жидкостного проводника;/)-удельное электрическое сопротивление жидкости 5. Электроды 2 параллельны, формула (9), инвариантны к одинаковым изменениям площадей поперечного сечения проводников между электродами 2 и корпусом 1 дБ и к величине удельного сопротивления жидкости 5, т.е. смещение границы раздела жидкостей вследствие их температурного расширения и изменениер не влияет на результат измерений.

Если предположить отсутствие допол- с нительного электрода 10, то в формуле для в подфункциональное выражение было бы пропорционально Мр, т.е. измеренное значение зенитного угла зависело бы от/ и его изменений. Но так как в датчике применен дополнительный электрод 10, полностью

погруженный в жидкость 5, и соответствующая ему проводимость YS пропорциональна 1/р, то учет в формуле величины этой проводимости позволяет исключить зависимость бот удельного электрического сопро- тивления жидкости, чем и достигается эффект повышения точности измерения зенитного угла. При вычислении визирного угла f информация с дополнительного электрода 10 не требуется. Измерение про- водимостей производится посредством любой из известных схем преобразователей, а обработка информации производится с помощью устройств вычислительной техники,.

Предлагаемый датчик обеспечивает большую точность измерения в за счет использования дополнительного электрода, полностью погруженного в рабочую жидкость, а также большую чувствительность при одинаковых внутренних диаметрах к0р- пусов за счет изготовления корпуса из проводникового материала и использование корпуса в качестве общего электрода. Кроме того, обеспечивает возможность прокладки транзитных проводов от соседних блоков через полый цилиндр 3, обладает большей помехозащищенностью, так как корпус 1 и цилиндр 3, выполненные из проводниковых материалов, могут быть соединены с общим проводом схемы и тем самым экранировать жидкостные проводники от воздействия электромагнитных полей токов, протекающих в транзитных проводах и по защитному кожуху датчика.

Максимальное значение систематиче- ской погрешности измерения зенитного угла составляет 0,12° в диапазоне 0-80°, максимальное значение систематической погрешности визирного угла составляет 2° при 0 0.5° и 0,3° при в 3-80°, а дополнительная температурная погрешность практически отсутствует в диапазоне изменения температур дт.0 20-150°С. В датчике в качестве рабочей проводящий жидкости 5 использовалась кремнеорганическая жидкость, а в качестве жидкости 4 со свойствами диэлектрика - трансформаторное масло.

Формула изобретения Датчик зенитного и визирного углов, содержащий цилиндрический корпус, заполненный не смешивающимися между собой диэлектрической и электропроводной жидкостями, расположенные на одинаковых расстояниях друг от друга и от оси корпуса четыре стержневых электрода, пересекающие границу раздела жидкостей, и пятый Электрод, отличающийся тем, что. с целью повышения точности измерения зенитного угла и помехозащищенности, он снабжен установленным по оси корпуса и выполненным из проводникового материала полым цилиндром с диэлектрическими втулками, предназначенными для изоляции полого цилиндра от корпуса, электродов и жидкостей, при этом цилиндрический корпус выполнен из проводникового материала, а пятый электрод имеет цилиндрическую форму и расположен полностью в объеме электропроводной жидкости со смещением относительно стержневых электродов в радиальном сечении.

/V

Шиг.2