Преобразователь азимута инклинометра Советский патент 1992 года по МПК G01C17/00 

1

(21)4868464/10 (22) 26.09.90 (46)07.09.92. Бюл №33

(71)Всесоюзный научно-исследовательский институт нефтепромысловой геофизики

(72)Н.П.Рогатых и Л.А Куклина (56) Авторское свидетельство СССР № 1078040, кл. Е 21 В 47/02,1984.

Авторское свидетельство СССР Ms 1298363.кл. Е 21 В 47/02, 1987.

Авторское свидетельство СССР № 1208208,кл. Е 21 В 47/02,1986.

Авторское свидетельство СССР № 1025877,кл. Е 21 В 47/02,1983.

2

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АЗИМУТА 1/Ык ЛИНОМЕТРА

(57) Использование в цмфровы инклиио метрах для определения МсНнигного ззи- муга искривленных сч еожин Цель повышение точности за счет уменьикч и« влияния ошибки пиленной коэффициентов мерг-дч HI паралле/н но i- ботающих каналов преобразования ность изобретения преобразоеэте/ содержит генератор 1 два феррозонда 3, два коммутатора 4 и 5 два избирательны усилителя 6 и 7, два фазовых детектора 8 и

9,два аналого-цифровых преобразователя 10 и 11, аттенюатор 12, схему управления 13 1-2-4-6-8-10,1-3-5-7-9-11,1-12 12-8 12-9 1-13

10,13-11,2-3, 12-4. 12-5, 13-4, 13-5 2 ил

О)

Изобретение относится к области промысловой геофизики и может использоваться в цифровых инклинометрах для определения магнитного азимута искривленных скважин.

Известен инклинометр, содержащий датчики углов, подключенные к входам коммутатора, выход которого через аналого- цифровой преобразователь подключен к входу блока памяти, блок управления, подключенный выходами к входам управления коммутатора и блока памяти, а входом - к таймеру, а также - автономный источник питания.

Известен преобразователь зенитного и визирного углов, содержащий два поплавка-маятника, оси вращения которых и про- доль ная ось корпуса взаимно ортогональны, датчики углов поворота поплавков-маятников, выходы которых через мультиплексор.

аналого-цифровой преобразователь, де- мультиплексор и регистры соединены с входами программируемых логических матриц, блок управления, подключенный ко входам управления аналого-цифрового преобразователя и программируемых логических матриц, а также элемент задержки, включенный в разрыв цепи управления одной из программируемых логических матриц.

Недостатком известных устройств является низкое быстродействие вследствие разнесения во времени циклов преобразования сигналов датчиков, то есть последовательной обработки сигналов с помощью одною общего канал.з аналого-цифрового преобразования В результате при движении устройств по гкважине все сигналы датчиков соответствуют различным пространственным положениям скважинного прибора, и при обработке информации, на

|

О

о

ы ю

4

копленной за один полный цикл работы устройств, возникает погрешность. Величина погрешности существенно зависит от скорости движения прибора и имеет сложный закон изменения, затрудняющий ее компенсацию. Известно также устройство для контроля комплекса параметров искривления скважин, содержащее генератор, подключенный к обмоткам возбуждения феррозондов и первому входу блока управления, избирательные усилители, подключенные входами к сигнальным обмоткам феррозондов, а выходами через коммутаторы к первичным обмоткам синусно-косинус- ных вращающихся трансформаторов (СКВТ), вторичные«обмотки которых через коммутатор подключены к входу аналого- цифрового преобразователя, блок памяти, соединенный с выходом аналого-цифрового преобразователя, таймер, подключенный через блок фиксации останова ко второму входу блока управления, выходы которого соединены с входами управления коммутаторов, аналого-цифрового преобразователя и блока памяти.

Недостатком известного устройства является то, что сигналы феррозондов преобразуются с помощью раздельных каналов, образованных последовательным соединением избирательных усилителей и СКВТ, в результате чего разброс параметров указанных каналов обуславливает низкую точность измерения азимута. Кроме того, недостатком устройства является разнесе- не во времени циклов преобразования сигналов феррозондов, в результате чего снижаются быстродействие устройства и достоверность получаемой от устройства измерительной информации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является принятый за прототип феррозондовый датчик азимута, который содержит последовательно соединенные генератор, делитель частоты, два феррозонда с ортогональными и горизонтальными осями чувствительности, два избирательных усилителя, подключенных к фазовым детекторам, счетчик, три коммутатора, два аналого-цифровых преобразователя, цифровой компаратор, дешифратор и блок кода квадрантов, при этом выходы фазовых детекторов подключены к входам аналого-цифровых преобразователей, выходы которых и выход аналогового компаратора подключены к одному из коммутаторов, а выход последнего подключен к цифровому компаратору, с которым связан другой коммутатор, причем к последнему подключены два цифровых интегратора и аналоговый компаратор, связанный с дешифратором, подключенным к блоку квадрантов, выход которого подключен к счетчику, соединенному с интеграторами и третьим коммутатором, подключенным к

выходу генератора и входу делителя частоты.

Известный феррозондовый датчик азимута имеет низкую точность, которая обусловлена следущими причинами. Во-первых,

параллельные каналы аналого-цифрового преобразования, включающие последовательно соединенные избирательные усилители, фазовые детекторы и собственно аналого-цифровые преобразователи (АЦП),

имеет существенный разброс параметров, который усугубляется использованием избирательных усилителей, имеющих наибольшую чувствительность характеристик к изменению параметров. Указанный разброс может быть уменьшен только путем точной настройки и за счет применения прецизионных элементов. Однако тот и другой пути позволяют лишь уменьшить разброс до определенного предела, причем требуют

значительной трудоемкости, которая главным образом обусловлена необходимостью обеспечения температурной стабильности параметров. Вследствие этого устройство обладает весьма низкой эффективностью.

Во-вторых, в устройстве никак не учитывается смещение нулевых уровней АЦП. которые при обработке разнополярных сигналов, поступающих от фазовых детекторов, должны быть равными примерно

половине диапазона измерения кода на выходах АЦП. В связи с этим устройство практически неработоспособно.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет исключения

влияния на результат разброса коэффициентов передачи каналов преобразования.

На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя азимута инклинометра; на фиг.2 - варианты построения принципиальных электрических схем аттенюатора, коммутаторов и схемы управления.

Преобразователь содержит генератор 1, подключенный к сигнальным обмоткам феррозондов 2 и 3, коммутаторы 4 и 5. выходы которых через избирательные усилители 6 и 7 и фазовые детекторы 8 и 9 соединены с входами АЦП 10 и 11, аттенюатор 12, подключенный входом к объединенным входам управления фазовых детекторов 8 и 9 и к

генератору 1, а также схему управления 13, подключенную входом к генератору 1, а выходами - к объединенным входам управления коммутаторов 4 и 5 и к объединенным входам управления АЦП 10 и 11. При этом

первые входы коммутаторов 4 и 5 объединены и подключены к общему проводу схемы преобразователя, вторые входы объединены и подключены к выходу аттенюатора 12. а третьи входы - соединены с сигнальными обмотками феррозондов 2 и 3. Последовательно оединенные избирательные усилители, фазовые детекторы и АЦП (6, 8, 10 и 7, 9, 11 соответственно) образуют одинаковые по структуре каналы преобразования (фиг,1), у вторых выходы АЦП 10 и 11 являются выходами схемы преобразователя азимута инклинометра.

Принципиальные электрические схемы коммутаторов 4 и 5 включают в себя по три идентичных аналоговых ключа 14, 15, 16 и 17, 18, 19 (фиг.2). Аттенюатор 12 состоит из двух резисторов 20 и 21, образующих простейший делитель напряжения. Схема управления 23 состоит из двух D-триггеров 22 и 23, двух конденсаторов 24 и 25, двух резисторов 26 и 27, двух диодов 28 и 29, счетчика 30, подключенного к дешифратору 31, и RS- триггера 32. На основе D-триггеров 22 и 23 построены одновибраторы, которые вырабатывают импульсы с длительностями T C24R26 и Г2 C25R27 соответственно.

Преобразователь азимута инклинометра работает следующим образом, Генератор 1 вырабатывает переменное синусоидальное напряжение частотой ш, которое подается на последовательно соединенные обмотки возбуждения феррозондов 2 и 3 и одновременно формирует последовательность прямоугольных импульсов частотой 2 а) для управления фазовыми детекторами 8 и 9, а также низкочастотную последовательность импульсов с периодом Т, предназначенную для тактирования схемы управления 13. Полный цикл работы преобразователя складывается из нескольких подциклов. Рассмотренный вариант схемы управления обеспечивает девять подциклов. В первом подцикле вход избирательных усилителей 6 и 7 посредством ключей коммутаторов 4 и 5 соединяются с общим проводом схемы преобразователя. В схеме управления 13 с задержкой т от момента начала подцик- ла вырабатывается импульс длительностью та , управляющий работой АЦП 10 и 11. В результате на выходах АЦП 10 и 11 формируются коды соответственно

Nio(l) KioUos + N010 Nii(l)KiiUog+ N011

(1)

где Кю, Кп - коэффициенты преобразования АЦП;

Uoe, Uog - смещения нулевых уровней сигналов в схемах избирательных усилителей 6 и 7 и фазовых детекторов 8 и 9. приве- денные к выходам фазовых детекторов; Мою NOH - смещение кода на выходах

АЦП Юи 11.

Задержка времени т необходима для завершения переходных процессов в схемах избирательных усилителей и фазовых делекторов. Она осуществляется в каждом подцикле работы преобразователя и составляет (0,9-0,95)1.

Во втором подцикле в/оды избирательных усилителей 6 и 7 подключаются к выходу аттенюатора, при этом избирательные усилители 6 и 7 выделяют основную гармонику последовательности прямоугольных импульсов управления фазовыми детекторами 8 и 9. На выходах АЦП формируются коды

Мю(П) (КбК8К12исо82Фб+

+ Uos)Kio+Noio(2)

Nn(ll) (K7K9KiiUcos2 Ф + + Uo9)Kn+Non,

где U - амплитуда импульсов управления фазовыми детекторами 8,9;

Ке,7 - коэффициенты усиления избирательных усилителей на резонансной чзсто- те;

KB, Kg - коэффициенты передачи детекторов;

К12 - коэффициент передачи аттенюатора;

фд t ф; - фазочастотные характеристики избирательных усилителей, которые в общем случае не равны между собой и составляют

40

Фб. 7 arctg Qe. 7 - ,

где 0.6,7 - добротности избирательных уси- лителей б,7;аб,7 2 ca/cos, i 6,7-резонанс- ные частоты избирательных усилителей. При точной настройке усилителей на частоту 2 со, Фб Ф2 0. Однако практически всегда имеет место небольшая расстройка, вследствие которой ФБ Ф1 , Фз О ,Ф2 5 0. Это обстоятельство учитывается формулами (2).

В течение последующих семи подциклов входы избирательных усилителей 6, 7 подключены к сигнальным обмоткам феррозондов 2, 3. В каждом из этих подциклов на выходах АЦП 10 и 11 формируются коды Nlo(IIHX) (K6K8U2COS2 Фб +

+ Uoa)Kio+Noio(3)

Nii(NI-IX) (K7K9U3COS2 Ф +

+ Uo9)Kn+Noii,

где U2, из - амплитуды вторых информационных гармоник в составе сигналов феррозондов, которые вследствие ортогональности и горизонтальности осей чувствительности феррозондов равны

U2 32 Но sin а. Уз аз Но cos a . (4),

где 32. эз - коэффициенты преобразования феррозондов; Но - горизонтальная составляющая геомагнитного поля.

Цифровая информация, снимаемая с выходом АЦП 10 и 11, регистрируется в запоминающих устройствах или вводится в специализированные вычислительные устройство для обработки.

При обработке информации производится нормирование сигналов феррозондов, для чего вычисляются отношения

A NioQlt-lX)-Nio(l)a2Ho

As N10 (и) - IMio (I) Ki2 U sln a lb

A,

N11 (m - tx) - Nn (I) а3Но NH (II) - NH (I) Ki2U

cos a

(6)

которые используются далее для вычисления азимута.по алгоритму

AsЭ2 sin a ,.

On arctg -arctg - (7)

у Асу аз cos a v

При равенстве 32 аз, которое достигается точной настройкой феррозондов, измеренное значение азимута «л равно истинному значению а.

Отметим, что при точечных измерениях информация, полученная в течение 1II-IX РОДЦИКЛОВ. относится к одному -значению &шмута и может использоваться для вычис- Я8ния математического ожидания. При измерениях в процессе движения прибора по скважине эта информация используется для построения участка траектории скважины, так как в данном случае измерения в каждом из III-IX подциклов относятся к различным пространственным положениям прибора.

Предлагаемый преобразователь азимута инклинометра, по сравнению с прототипом, имеет более высокую точность. Это преимущество достигается тем, что преобразователь содержит аттенюатор и имеет специальный подцикл работы, в течение которого в параллельно работающих каналах преобразования обрабатывается выходной сигнал аттенюатора. В результате формируется дополнительная информация, позволяющая нормировать измеренные сигналы

феррозондов, то есть вычислить значения As, AC, инвариантные к величинам коэффициентов передачи каналов преобразования, и, следовательно, получить точный результат измерения азимута, который не зависит от параметров каналов преобразования. Последнее свойство обуславливает еще одно важное достоинство предлагаемого преобразователя. Оно состоит в том, что

точность измерения азимута остается высокой даже при существенных расстройках из- бирательных усилителей и разбросе параметров каналов преобразования. Это исключает дополнительные температурные

погрешности и снижает требования к настройке и подгонке параметров канала преобразования, то есть обеспечивает высокую технологичность и эффективность преобразователя.

Лабораторные исследования преобр.а- зователя азимута инклинометра показали, что погрешность измерения азимута при его исследовании, в основном, зависит от степени идентичности феррозондов. При подборе коэффициентов преобразования феррозондов с точностью 1,0% она составляет Д« 0,25°. В диапазоне температур 20-125°С дополнительная температурная погрешность практически отсутствует.

Формула изобретения

Преобразователь азимута инклинометра, содержащий генератор, первый и второй выходы которого подключены к обмоткам возбуждения первого и второго ортогональных дифференциальных феррозондов, канал преобразования каждого из которых выполнен в виде последовательно соединенных избирательного усилителя, фазового детектора, подключенного к третьему

выходу генератора, и аналого-цифрового преобразователя,отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения влияния ошибки, обусловленной разбросом коэффициентов передачи

параллельно работающих каналов преобразования, он снабжен аттенюатором и схемой управления, входы которых подключены соответственно к третьему и четвертому выходам генератора, канал

преобразования каждого из феррозондов выполнен с коммутатором, выход которого соединен с избирательным усилителем, первый вход подключен к общему проводу, второй вход- к выходу аттенюатора, третий

вход - к выходу феррозонда, а четвертый вход - к первому выходу схемы управления, второй выход которой подключен к управляющему входу каждого аналого-цифрового преобразователя.