Устройство для эхолокационного контроля скважин Советский патент 1982 года по МПК G01S7/52 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭХОЛОКАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ

СКВАЖИН

I

Изобретение относится к звуколокационной технике, в частности к измерению расстояний в газовой среде и может быть использовано в горнодобывающей промышленности для измерения глубины взрывных скважин и определения местоположения локальных нарушений их стенок.

Известны устройства для измерения расстояний в газовой среде, основанные на измерении времени распространения акустического сигнала между электроакустическим преобразователем и лоцируемой поверхнос- . тью 1 J.

Недостатком данных устройств является то, что они позволяют фиксировать только одно измеряемое расстояние, соответствующее времени поступления первого отраженного эхо-сигнала. Это может привести к грубым ошибкам при измерении длины скважин, имеющих локальные нарушения ствола.

2

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее электронноакустический блок, включающий импульсный генератор и приемный усилитель, подключенные через коммутатор к электроакустическому преобразователю, индикатор дальности, состоящий из последовательно соединенных схемы возбуждения световых сигналов, и N

10 дискретных источников светового сигнала, подключенный своим сигнальным входом к выходу приемного усилителя, синхронизатор, выход которого заведен на вход запуска импульсного

15 генератора.

Коррекция скорости развертки осуществляется путем регулирования встроенного в приводной электродвигатель центробежного регулятора ско20рости вращения до совмещения калибровочного импульса с п°рвым или кратным делением отсчетной шкалы. Причем калибровочные импульсы фиксируют одновременно с измерением расстоянии до забоя и локальных нарушений отва ла скважины путем измерения базовог расстояния до отражателя, установле ного на пути распространения излуча мых акустических импульсов перед электроакустическим преобразователем. Базовое расстояние выбирается равным или кратным цене деления отсчетной шкалы. В качестве отражателя используются внутренний кольцево выступ конусной насадки, в основани которой размещается электроакустиче кий преобразователь. Конусная насад ка обеспечивает акустическую связь ;приемоизлучаю1цего устройства с объемом скважин различного диаметра. Кроме того, приемоизлучающее устройство снабжено подвижными рейками, с помощью которых осуществляют дополнительное измерение расстояния от электроакустического преобразователя до устья скважины и тем самым определяют поправку к показателям индикатора на фактическое смещение начала отсчета. Совмещение моментов излучения зондирующего акустического импульса и начала развертки осу.ществляется путем запуска генератора от синхроконтакта, установленного на оси диска проблескового индикатора дальности z. Однако в настоящее время в горнодобывающей промышленности применяются буровзрывные скважины диаметром от 60 до 250 мм и длиной до мм При контроле их глубины эхолокационным методом необходимо использовать звуковую частоту порядка 1 кГц (длина волны О , 3 м). На этой частоте наиболее эффективными являются элект роакустические преобразователи элект родинамического и электромагнитного типа. В момент излучения зондирующего импульса такой преобразователь со вершает не менее вынужденных колебаний с указанной частотой. В те чение этого времени он оказывается неспособным принимать более слабые отраженные импульсы - образуется мертвая зона, величина которой с учетом двукратного пробега акустического импульса от преобразователя до отражателя и обратно составит 0,85-1,0 м. Кррме того, дополнительный вклад вносит акустическая реверберация зондирующего импульса в объеме конусной насадки, в основании . которой установлен преобразователь. Полагая, что реверберация увеличивает мертвую зону не более чем на 50, легко подсчитать, что базовое расстояние до отражателя должно составлять не менее 1,2-1,5 м. Очевидно, что конусная насадка длиной 1,5 м с диаметром в основании 25 мм и снабжены домерными рей- противоречит упомянутым выше требованиям и практически непригодна для транспортировки по восстающим ходкам и буровым выработкам. Другим недостатком известного устройства является то, что механическая развертка изображающего источника светового сигнала, хотя и дает возможность фиксироватьна шкале индикатора одновременно несколько отраженных импульсов, но не позволяет изменять масштаб шкалы отсчета без существенного изменения передаточного отношения кинематической цепи, например, с помощью ступенчатого редуктора, а также сложность регулировки и стабилизации скорости вращения элект родвигателя при изменении напряже ния автономного источника питания и параметров окружающей среды, недостаточная надежность подвижных кинематических звеньев и контактов при эксплуатации в подземных условиях. Кроме того, в известном эхолокаторе схема возбуждения световых сигналов не обеспечивает разделения индицируемых акустических импульсов по интенсивности. Все импульсы, превышающие порог срабатывания проблескового индикатора; дают одинаковые по яркости световые сигналы. Это является недостатком, так как в ряде случаев может затруднить дешифрирование показаний индикатора при эхолокации скважин с нарушениями стенок. Цель изобретения - повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены переключатель измеряемых интервалов, формирователь цифровых кодов измеряемых интервалов, формирователь цифровых кодов циклов срабатывания синхронизатора, блок равнозначности цифровых кодов, первый и второй входы которого связаны соответственно с выходами указанных формирователей, а выход - со входом управления индикатора дальности, синхронизатор выполнен в виде последова5тельно соединенных блока коррекции частоты коммутации, автогенератора сигналов коммутации, управляемого делителя частоты коммутации, распре делителя сигналов коммутации и пере счетной схемы, выход которой являет ся выходом синхронизаторов, причем выход переключателя измеряемых интервалов соединен с входом формирователя цифровых кодов измеряемых интервалов и управляющими входами управляемого делителя частоты комму тации и пересчетной схемы, информационный выход которой соединен со входом формирователя цифровых кодов срабатывания синхронизатора, а сигнальные выходы распределителя сигна лов коммутации заведены на дискретные источники световых сигналов. На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства на фиг, 2 - временны диаграммы, поясняющие его принцип действия { причем ti,t2, ... tg - моменты времени, соответствующие характерным изменени ям состояния устройства, а цифры сл ва от диаграммы соответствуют номерам элементов устройства на фиг. 1) Электронно-акустический блок 1 содержит электроакустический преобра зователь 2, соединенный через комму татор 3 с выходом импульсного генератора Д и входом приемного усилите ля 5- Коммутатор 3 обеспечивает совмещение функций излучателя и приемника акустических импульсов в одном электроакустическом преобразователе 2. Входом электронно-акустического блока служит вход синхронизации генератора k, выходом - выход усилителя 5 с регулируемым коэф фициентом усиления. Синхронизатор 6 содержит управляемый по частоте автогенератор 7 сигналов коммутации, к выходу которого подключен управляемый делитель 8 частоты коммутации, соединенный с распределителем 9 сигналов коммутации, имеющим N сигнальных выходов К управляющему входу автогенератора 7 подключен блок 10 коррекции частоты коммутации. Управляющие входы делителя 8 соединены с выходами многопозиционного переключателя 11 измеряемых интервалов. Управляющие входы пересчетной схемы 12 соединены с выходами переключателя 11, к выходу синхронизаци 34 подключен вход электронно-акустического блока 1i а информационные выходы соединены со входом формирователя 13 цифровых кодов циклов срабатывания синхронизатора 6. Аналогичный формирователь I цирфовых кодов измеряемых интервалов подключен к выходам переключателя 11. Выходы формирователей 13 и 1 соединены со входами узла 15 равнозначности цифровых кодов. Индикатор дальности 16 содержит последовательность N дискретных источников 17 светового сигнала, подключенных к сигнальным выходам синхронизатора 6. Вторые полюса источников 17 соединены параллельно и подключены к выходу схемы 18 возбуждения световых сигналов. Сигнальный вход схемы 18 соединен с выходом электронно-акустического блока 1, а вход стробирующего сигнала подключен к выходу узла 15 равнозначности. Электронно-акустический блок 1 формирует зондирукмцие акустические импульсы, которые излучаются в контролируемую скважину. Периодичность их посылок определяется периодом следования внешних синхросигналов, поступающих на вход блока 1 от пересчетной схемы 12. В скважине акустический импульс отражается от локальных неоднородностей стенок ,и от забоя (конца) скважины. На выходе блока 1 появляются эхо-импульсы, сдвинутые во времени относительно момента посылки пропорционально расстояниям до мест их отражения. Интенсивность эхо-импульсов зависит от многих причин и колеблется в широком интервале значений. Поэтому в каждом конкретном случае измерений для выделения полезных сигналов необходимо оптимизировать параметры электронно-акустического блока путем регулирования коэффициента усиления (чувствительности) приемного усилителя 5 или измерения частоты заполнения зондирующего импульса в генераторе t. Синхронизатор 6 формирует и в определенной последовательно распределяет по многим каналам сигналы.коммутации, подготавливающие к возбуж дению дискретные источники 17 светового сигнала в моменты .появления эхо-импульсов на выходе (элока 1 . Число каналов на выходе распределителя 9 равно числу источников 17 и выбирается с учетом требований к разрушающей способности отсчетного уст ройства, габаритов шкалы индикатора удобства визуального наблюдения и взятия отсчетов., Последовательное выполнение упом нутых операций в предложенном устройстве осуществляется с помощью многопозиционного переклйэчателя 11 , управляющего делителем 8 частоты в синхронизаторе 6. Частота коммутаци как известно, обратно пропорциональ на длительности и сигнала коммутаци с помощью которого производится ступенчатое изменение частоты колеб НИИ автогенератора 7. Плавная корре ция частоты коммутации осуществляет ся с помощью блока-коррекции 10, пр образующего в электрические величин физические параметры среды локации, от которых зависит скорость распрос ранения звука. В воздухе такими пар метрами являются температура и, в меньшей степени, давление. В качестве датчиков прямого прео разования температуры и давления в блоке 10 можно использовать, например, терморезисторы и механотроны, которые обеспечивают достаточную чувствительность в широком интервале изменения параметров среды. Техническая реализация блока 10 не выз вает затруднений, так как вопросам измерения и преобразования неэлектр ческих величин электрическими мет-одами посвящена обширная литература. Акустические импульсы с выхода бл ка 1 поступают на информационный вход индикатора дальности 1б. При наличии разрешающего сигнала на управляющем входе они проходят через схему 18 возбуждения и вызывают засветку тех дискретных источников 17 на которые поданы сигналы коммутации с выхода распределителя 9 во время действия эхо-импульсов. Таким образом осуществляется разверт ка изображающего светового сигнала по шкале индикатора дальности в каждом цикле срабатывания коммутации 6. При этом измеряемые временные параметры преобразуются в пространственные с помощью последовательности дискретных источников светового сигнала. Вторым информационным параметром является интенсивность эхо-импульсов. Поэтому схема 18 возбуждения представляет собой стробируемыи линейный усилитель мощности, согласующий электрические импедансы выхода блока 1 и источников 17. Он может быть выполнен, например, на транзисторах по трансформаторной схеме с ключевым каскадом управления входными цепями. Длительность управляющего строб-сигнала должна соответствовать продолжительности цикла развертки. Для четкого согласования .длительности циклов с периодом посылок ис пользуется пересчетная схема 12. По физической сущности пересчетная схема 12 представляет собой управляемый делитель частоты, объединенный с многоканальным распределителем си|- налов. На ее информационный вход поступает сигнал с выхода первого канала распределителя 3 сигналов коммутации в синхронизаторе 6. На выходе синхронизации схемы 12 формируется сигнал запуска электронноакустического блока. Одновременно на информационных выходах каналов распределителя импульсов в схеме 12 формируется f сигналов, соответствующих циклам развертки за период Т„, Управление коэффициентом пересчета осуществляется по управляющим входам схемы 12 от многопозиционного переключателя 11. Для индикаций эхо-импульсов в требуемом интервале используется блок 15 равнозначности цифровых кодов, вырабатываемых формирователями 13 и 1. Оба формирователя представляют собой однотипные многоустойчивые пересчетные схемы, переключаемые в одно из возможных устойчивых состояний в зависимости от комбинаций сигналов на их управляюих входах,В частности, можно использовать многостабильный триггер, имеюий более двух устойчивых состояний. Формирователи 13 и 14 различаются только тем, что первый работает в динамическом режиме, последовательно ормируя цифровые коды циклов развертки по управляющим сигналам с инормационных выходов пересчетной схемы 12, а второй формирует стати-, ческий цифровой код, соответствующий установленному положению переключатея интервалов 11. Поскольку каждому положению переключателя 11 соответствует совершенно определенное число Цикл.ов и их цифровые коды последе9вательно появляются на выходе форми рователя 13 то в каждом периоде Т.. всегда будет существовать такой цик цифровой код которого совпадает с установленным кодом интервала измер НИИ на формирователе 14 и на выходе узла 15 равнозначности сформируется сигнал, разрешающий прохождение эхо импульсов через схему 18 возбуждени Так осуществляется выборка и однознанная индикация эхо-импульсов в требуемом интервале измерений. В качестве переключателя 11 можн использовать, например, клавишный переключатель с фиксацией включенно го положения и сбросом предыдущего. Каждое положение такого переключате ля можно обозначить в виде численно го значения интервала измерений и использовать для взятия начальных отсчетов. Для взятия отсчетов по индикатор дальности, содержащему последовател ность дискретных источников светово го сигнала, против них должны быть нанесены деления с- оцифрованными шкалами отсчета. Оцифровка деления в единицах расстояния должна быть . кратной принятым интервалам измерения и должна соответствовать общепр нятым требованиям к оцифровке отсче ных шкал измерительных приборов. Работа устройства поясняется графиками временных диаграмм (фиг.2 номера которых соответствуют номерам узлов на структурной схеме {фиг.1). На выходе делителя 8 существует непрерывная последовательность сигналов, поступающая на вход распреде лителя 9, имеющего, к примеру, четыре канала (). Причем выбран такой режим измерений, когда за один период (t -t) распределитель срабатывает дважды (). На его сигнальных выхо.аах поочередно появля ются сигналы коммутации. Первыйцикл длится от момента t до t., второй от t до Ц затем снова повторяется первый цикл (ц-14) и т.д. Как виДно из диаграмм, никакой разницы между сигналами соседних циклов нет. На вход запуска импульсного генератора i поступают сигналы синхронизации, определяющие период следования посылок Тр и формируемые с помощью пересчетной схемы 12. На информационных выходах пересчетной схемы 12 формируется пара 310 сигналов. Верхний на диаграмме сиг нал схемы 12 меняется, принимая значение 1 в интервалах t.-t, ta-t и значение О между ними. Второй сигнал схемы 12 (нижний) остается равным О до некоторого момента t. Такая последовательность сигналов определяется состоянием управляющих каналов переключателя 11 . До момента t г- это состояние соответствует значению 10, после t - значению 01. Момент t соответствует переключению переключателя в следующее положение. На диаграмме состояния каналов переключателя 11 отображены соответствующими уровнями. Соглсно с установленным положением переключателя 11 на выхог де узла 15 равнозначности формируются разрешающие сигналы. Причем до момента tf- разрешается прохождение первого цикла (интервалы t 2 t--tj), после t проходит второй цикл (, ,). На выходе усилителя 5 в каждом периоде посылок (интервалы t.-tg, , tfetg т.д.) возникает серия акустических импульсов. Первый из них соответствует зондирующему импульсу, просачивающемуся в цепь усилителя 5 через коммутатор 3, второй и третий, треугольной формы, представляют собой собственно эхо-импульсы. Причем первый эхо-импуль.с представляет собой отражение от нарушенного участка скважины, а второй, более мощный, находящийся в конце диапазона измерений, соответствует отражению от забоя скважины и характеризует ее глубину. В соответствии с разрешающими сигналами, поступающими с выхода узла 15, через схему 18 возбуждения будут переданы только те акустические импульсы, которые попадают в эти циклы. Так, до момента t на. выходе схемы 18 будут проходить зондирующий и первый эхо-импульс, после t - только второй эхо-импульс. Ниже временных диаграмм (фиг.2) схематически изображены состояния дискретных источников 17 светового сигнала, соответствующие рассмотренным интервалам времени. Шкала ин,дикатора дальности содержит четыре источника (по числу каналов распре делителя 9)..Начало и конец шкалы

обозначены цифровыми индикатора|11и в окружностях.

В интервалах t -t, и согласно диаграмме 18 на шкале будут возбуждаться источники первый и третий (обозначены крестиками),

После изменения состояния переключателя 11 в момент tf начнет проходить разрешающий сигнал, соответствующий второму циклу (диаграмма 15), возбудится третий источник в момент совпадения эхо-импульса от забоя скважины с третьим сигналом коммутации (диаграмма 9) во втором цикле срабатывания синхронизатора 6 (диаграмма 15).

Предложенное устройство позволяет устранить недостатки известных устройств и реализовать поставленные цели при ограниченном числе дискретных источников световых сигналов. В качестве последних целесообразнее всего использовать малогабаритные светодиоды, хорошо согласующиеся с элементами цифровой техники в интеграль ном исполнении, на которых могут быт реализованы все функциональные узлы предложенного устройства.

Использование предлагаемого устроиства повышает производительность и точность маркшейдерских замеров глубины взрывных скважин, дает возможность определить местоположения вывалов и геологических нарушений в стволе скважины.

Формула изобретения

Устройство для эхолокационного 40 контроля скважин, содержащее электронно-акустический блок, включающий импульсный генератор и усилитель, подключённый через коммутатор, к электроакустическому преобразователю,45 индикатор дальности, состоящий из последовательно соединенных схемы

возбуждения световых сигналов и N дискретных источников светового сигнала, подключенный своим сигнальным входом к выходу усилителя, синхронизатор, выход которого заведен на вход запуска импульсного генератора отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены переключатель измеряемых интервалов, формирователь цифровых кодов измеряемых интервалов, формирователь цифровых кодов циклов срабатывания синхронизатора, блок равнозначности цифровых кодов, первый и второй входы которого связаны соответственно с выходами указанных формирователей, а выход - с входом управления индикатора дальности, синхронизатор выполнен в виде последовательно соединенных блока коррекции частоты коммутации, автогенератора сигналов коммутации, управляемого делителя частоты коммутации, распре/делителя сигналов коммутации и пересчетнОй схемы, выход которой является выходом синхронизатора, причем выход переключателя измеряемых интервалов соединен с входом формирователя цифровых кодов измеряемых интервалов и управляющими входами управляемого делителя частоты коммутации и пересчетной схемы информационный выход которой соединен с входом формирователя цифровых кодов срабатывания синхронизатора, а сигнальные выходы распределителя сигналов коммутации заведены на дискретные источники световых сигналов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

uinjifimuijuirui

Ui

7 К)ЮК8||О1

ts e

fg

I

uuuituuin.

шштши

uuu

A

A

pfffl pm