Преобразователь азимута инклинометра

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1>s Е 21 В 47/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

И

:0 (л)

I0 ! (л (21) 4868904/03 (22) 25.09.90 (46) 23.09.92. Бюл, № 35 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт нефтепромысловой геофизики (72) H. П. Рогатых и Л. А, Куклина (56) Авторское свидетельство СССР № 1078040, кл, Е 21 В 47/02, 1984, Авторское свидетельство СССР

¹ 11229988336633, кл. Е 21 В 47/02, 1987.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1025877, кл. Е 21 В 47/02, 1983. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АЗИМУТА ИНКЛИНОМЕТРА (57) Использование: в цифровых инклинометрах для определения магнитного азимута искривленных скважин. Цель: повышение точности измерения за счет исключения влияния на результат измерений разброса параметров параллельно работающих каналов преобразования. Сущность изобретения: преобразователь содержит генератор (1), дифференциальные феррозонды (2, 3, 4), коммутаторы (5, 6), 2 избирательных усилителя (7, 10), фазовые детекторы (8, 11), аналого-цифровые преобразователи (9, 12), 1 сумматор (13), источник опорного напряжения (14), устройство выборки хранения (15), резистор (1 6), блок управления (17). Преобразователь позволяет определить условные значения коэффициентов передачи каналов преобразования с помощью третьего феррозонда 4, Его сигнал используется в качестве опорного сигнала, обладающего свойствами информационных сигналов феррозондов 2. 3.

2 ил.

1763644

20

35

50

Изобретение относится к области промысловой геофизики и может использоваться в цифровых инклинометрах для определения магнитного азимута искривленных скважин, Известен инклинометр, содержащий датчики углов, подключенные ко входам коммутатора, выход которого через аналого-цифровой преобразователь подключен ко входу блока памяти, блок управления, подключенный выходами ко входам управления коммутатора и блока памяти, а входом — к таймеру, а также автономный источник питания (1).

Известен также преобразователь зенитного и визирного углов, содержащий два поплавка-маятника, оси вращения которых и продольная ось корпуса взаимно ортогональны, датчики углов поворота поплавковмаятников, выходы которых через мультиплексор, аналого-цифровой преобраэователь, демультиплексор и регистры соединены со входами программируемых логических матриц, блок управления, под" -- - ключенный ко входам управления аналогоцифрового преобразователя и программируемых логических матриц, а также элемент задержки, включенный в разрыв цепи управления одной .из программируемых логических матриц (2), Недостатком известных устройств является низкое быстродействие вследствие разнесения во времени циклов преобразования сигналов датчиков, то есть последовательной обработки сигналов с помощью одного общего канала аналого-цифрового преобразования. В результате при движении устройств по скважине все сигналы датчиков соответствуют различным пространственным положениям скважинног0 прибора и при обработке информации, накопленной за один полный цикл работы устройств, возникает погрешность. Величина погрешности существенно эависит от скорости движения прибора и имеет сложный закон изменения, затрудняющий ее компенсацию.

Прототипом изобретения является 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 квадрантов, при этом выводы фазовых детекторов подключены ко входам аналогоцифровых преобразователей, выходы которых и выход аналогового компаратора подключены к одному из коммутаторов, а выход последнего подключен к цифровому компаратьру, с которым связан другой коммутатор; причем к последнему подключены два цифровых интегратора ui 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 (3). Устройство принято за прототип.

Известный феррозондовый датчик азимута (3) имеет низкую точность, которая обусловлена следующими причинами, Вопервых, параллельные каналы аналого-цифрового преобразования, включающие последовательно соединенные избирательные усилители, фазовые детекторы и собственно аналого-цифровые преобразователи (АЦП), имеют существенный разброс параметров, который усугубляется использованием избирательных усилителей, которые, как известно, имеют наибольшую чувствительность характеристик к изменению параметров. Указанный разброс может быть уменьшен только путем точной настройки и за счет применения прецизионных элементов, Тот и другой пути принципиально не исключают разброс параметров, а позволяют лишь уменьшить разброс до определенного предела, причем требуют значительной трудоемкости, обусловленной необходимостью обеспечения температурной стабильности параметров. Вследствие этого устройство обладает весьма низкой эффективностью. Вовторых, в устройстве никак не учитывается смещение нулевых уровней АЦП, которые при обработке разнополярных сигналов, поступающих от фазовых детекторов, должны быть равными примерно половине диапазона из менения кода на выходах АЦП. В связи с этим минимальная погрешность измерения азимута составляет 20 — 25, что делает устройство практически неработоспособным.

Целью изобретения является повышение точности за счет исключения влияния на результат измерений разброса параметров параллельно работающих каналов преобразования.

На фиг. 1 представлена структурная схема преобразователя азимута инклинометра; на фиг, 2 — вариант принципиальной электрической схемы блока управления.

Преобразователь содержит генератор 1, подключенный к обмоткам возбуждения первого и второго дифференциальных феррозондов 2, 3 с ортогональными и горизонтальными осями чувствительности, а также к обмотке возбуждения третьего феррозонда 4, ось чувствительности которого параллельна оси чувствительности феррозонда 3, коммутато1763644 ры 5, 6, первый и второй каналы преобразования, каждый из которых состоит из последовательно соединенных избирательного усилителя, фазового детектора и аналогоцифрового преобразователя (АЦП) — соот- 5 ветственно 7, 8, 9 и 10, 11, 12, сумматор 13, входы которого соединены с выходами источника опорного напряжения (ИОН) 14 и устройства выборки-хранения (УВХ) 15, а выход через резистор 16 подключен к сиг- 10 нальной обмотке третьего феррозонда 4, а также блок управления 17, подключенный входом к генератору 1, а выходами — объединенным входам управления коммутаторов 5, 6, к объединенным входам

В блоке управления 17 посредством счетчика 30 дешифратора 31 и RS-триггера

32 осуществляется такое пространственно временное распределение сигналов управления коммутаторами 5, 6, что в течение времени, равном 7Т, входы избирательных

55 управления АЦП 9, 12 и ко входу управления

УВХ 15. При этом входы "1" коммутаторов 5, 6 подключены к сигнальным обмоткам соответственно первого и второго феррозондов

2, 3, входы "2" объединены и подключены к 20 сигнальной обмотке третьего феррозонда 4, входы "з" объединены и подключены к общему проводу схемы преобразователя, выходы коммутаторов 5, 6 соединены соответственно со входами избирательных 25 усилителей 7, 10, а выходы фазового детектора 11 второго канала преобразования подключены ко входу УВХ 15 (фиг. 1).

Вариант схемы блока управления 17 включает в себя первый, второй и третий 30 одновибраторы, содержащие соответственно D-триггеры 18 — 20, резисторы 21 — 23, конденсаторы 24 — 26 и диоды 27 — 29, а также счетчик 30, управляющий дешифратором 31, RS-триггер 32 и логический элемент 35

И 33 (фиг. 2). Принцип построения блока управления не является оригинальным, схема блока приведена для пояснения пространственно-временного распределения сигналов управления преобразователем, 40

Преобразователь работает следующим образом.

Генератор 1 запитывает обмотки возбуждения феррозондов 2 — 4 переменным током с частотой и и, кроме того, выраба- 45 тывает последовательность синхронных с током возбуждения прямоугольных импульсов с частотой 2 в для управления фазовыми детекторами 8, 11 и последовательность низкочастотных прямоугольных импульсов 50 с периодом Тдля тактирования блокауправления 17. усилителей 7, 10 подключены к сигнальным обмоткам феррозондов 2, 3, в течение времени Т вЂ” к сигнальной обмотке феррозонда

4 и далее в течение времени Т вЂ” к общему проводу схемы преобразователя. Интервал времени, равный 9Т, представляет собой цикл работы преобразователя. При использовании показанной на фиг. 2 схемы дешифратора он делится на три подцикла, длительность которых соответственно равны 7Т, Ти Т.

В течение каждого интервала времени Т происходит формирование импульсов управления АЦП 9, 12 и УВХ 15, Для этой цели используют одновибраторы, выполненные на триггерах 18 — 20. Первый одновибратор осуществляет выдержку времени z> = R2> С24, необходимую для окончания переходных процессов в схемах избирательных усилителей и фазовых детекторов. Длительность этой выдержки составляет в среднем (0,9 — 0,95)Т.

После окончания выдержки вторым одновибратором формируется импульс управления

УВХ 15 длительностью z = йггС28, по окончании которого третьим одновибратором формируется импульс управления АЦП 9, 12 длительностью х = R23C28, В первом цикле работы преобразователя входы избирательных усилителей 7, 10 подключаются к сигнальным обмоткам феррозондов 2, 3. С помощью избирательных усилителей 7, 10, настроенных на частоту 2 со, производится выделение информационных составляющих из полигармонических сигналов феррозондов. Вследствие ортогональности осей чувствительности феррозондов 2, 3 амплитуды этих составляющих пропорциональны функциям измеряемого магнитного азимута и равны

U2 = агНоз! и а, Оз = азН,сов а, (1) где аг, аз — коэффициенты преобразования феррозондов;

Но — горизонтальная составляющая геомагнитного поля; а — магнитный азимут, Далее посредством фазовых детекторов 8, 11 и АЦП 9. 12 осуществляется выпрямление и- аналого-цифровое преобразование информационных сигналов. В результате на выходах АЦП 9, 10 сОответственно формируются коды

Ng(l) = (К7К802соз (Ф7 + p))Kg + Nog;

М12(!) =(КюК1102соз (Ф1о + ф))К12+ Ко12, (2), где К7, Кю — коэффициенты усиления избирательных усилителей 7, 10 на центральной частоте настройки;

К8, К11 — коэффициенты передачи фазовых детекторов 8, 11;

1763644

Ф, Ф10 — фазочастотн ые характеристики избирательных усилителей 7, 10; ф — сдвиг фаз между основйой гармоникой импульсов управления фазовыми детекторами 8, 11 и второй гармоникой в 5 сигнальных цепях феррозондов;

Uo6, 0о»! — - смещения нулевого уровня сигналов в избирательных усилителях и фазовых детекторах, приведенные к выходам фазовых детекторов 8, 11; 10

Kg, K<2 — коэффициенты преобразования

АЦП 9, 12;

Uog, Uo<2 — смещения кодов на выходах

АЦП 9, 12, равные примерно половине полного диапазона изменения кодов. 15

В течение первого подцикла производится, семь измерений сигналов феррозондов 2, 3, что определяется схемой блока управления 17. Перед началом седьмого измерения посредством второго одновибра- 20 тора, выполненного на D-триггере 19, и логического элемента 33 формируется импульс управления УВХ 15. Последнее запоминает зйаченйе сигнала на выходе фазового детектора 11, соответствующее 25 текущему моменту времени, вследствие чего на выходе УВХ 15 возникает сигнал

U>6 = (кюк 10зсоз. (Фю + p)+ 00!>)K<6, (3). где К16 — коэффициент передачи УВХ 15. 30

Во втором подцикле входы избирательных усилителей 7, 10 подключаются к сигнальной обмотке третьего феррозонда 4, Сигнал этого феррозонда (амплитуда второй гармоники) равен 35

U 4 = а4(Н,соз а+ Н), (4), где а4 — коэффициент преобразования феррозонда 4;

Н вЂ” поле, создаваемое током, протека- 40 ющим через резистор 16 и сигнальную обмотку феррозонда 4:

Н = (K 13014+ K 13015) (5)

R16

45 где b4 — постоянный коэффициент, зависящий от параметров феррозонда 4;

R<6 — сопротивление резистора 16;

014 — опорное напряжение постоянного тока, выдаваемое источником 14;

К 1з, К 1a — коэффициенты усиления сумI II матора по входам, соединенным с выходами источника 14 и УВХ 15 соответственно, Параметры УВХ 15, источника опорного напряжения 14, сумматора 13 и резистора 16 выбираются такими, чтобы "сигнал ферро- зонда 4 не зависел от азимута и имел постоянное значение, равное максимальным значениям сигналов феррозондов 2, 3. Это условие выполняется в том случае, когда внешнее поле Но cos а в объеме сердечника феррозонда 4 полностью компенсируется той составляющей тока через резистор 16, которая пропорциональна сигналу феррозонда 3. Формирование необходимого сигнала феррозонда 4 достигается непосредственно установкой его оси чувствительности параллельно оси чувствительности феррозонда 3 и обеспечением следующих соотношений:

b4 и

K зКюК»Клсоз (Ф!0+у)Н,соз а= г 16

=-Н соза; (6), — K 13U14+ K 13K15U011 = Но, (7), b4 Ь4 и

R6 1 16 которые вытекают из формул (1), (3 — 5).

В результате сигнал феррозонда 4 практически определяется величиной опорного напряжения источника 14 (00» «014)

04 = а4 K 13014, b4 (8).

В16

После измерения этого сигнала во втором подцикле работы преобразователя на выходах АЦП 9, 12 возникают коды

Ng(ll) = (К7К804соз (% + p) + Uos)Kg +

Nog:

N

+ No>2, (9), В третьем подцикле входы избирательных усилителей 7, 10 соединяются с общим проводом схемы преобразователя и на выходах АЦП формируются коды

Ng(I I I) = KgU08 + N09, N12(I I I) = K)200» + N012, (10), соответствующие общим смешениям нулевых уровней в каналах преобразования.

При обработке измерительной информации вычисляются разности

Ng(I) — Ng(l I I); N12(l) — N12(111): (1 1), . Ng(I I) — Ng(ill); N12(l) N12(ill) (12) первые из которых приводят к нулевым уровням каналов преобразования измеренные сигналы феррозондов 2, 3. а вторые— сигнал феррозонда 4. В результате полностью исключается влияние смешений Uoe, U0», N09, М012, Далее производится нормирование сигналов феррозондов 2, 3, для чего вычисляются отношения аг Но з1п а

04 аз Но сиз а

Ас—

U4 (13).

-.-- Полученные значения As, Ac используются для вычисления азимута:

Qn = arctgAs!А, (14). — При точной настройке феррозондов 2, 3 их коэффициенты преобразования равны

1763644

10 между собой (az = аз) и полученное значение магнитного азимута а> равно истинному значению а

Формула изобретения 5

Преобразователь азимута инклинометра, содержащий генератор, два дифференциальных феррозонда с горизонтальными и ортогональными осями чувствительности, два двухвходовых коммутатора и два канала 10 преобразования, каждый из которых состоит из последовательно соединенных избирательного усилителя, фазового детектора и аналого-цифрового преобразователя,отличающийся тем,что,с 15 целью повышения точности измерения за счет исключения влияния на результат измерений разброса параметров параллельно работающих каналов преобразования, он снабжен третьим дифференциальным 20 ферроэондом с горизонтальной осью чувствительности, источником опорного напряжения, блоком выборки-хранения, сумматором, резистором и блоком управле-. ния, коммутаторы выполнены с тремя вхо- 25 дами, при этом входы управления фазовых детекторов объединены, а генератор подключен к обмоткам возбуждения феррозондов, к объединенным входам управления фазовых детекторов и к входу блока управления, первые входы коммутаторов соединены с сигнальными обмотками соответственно первого и второго феррозондов, вторые входы коммутаторов объединены и подключены к сигнальной обмотке третьего феррозонда, а третьи входы коммутаторов объединены и соединены с общим проводом схемы, входы управления коммутаторов объединены и соединены с выходом блока управления, два других выхода которого подключены соответственно к объединенным входам управления аналого-цифровых преобразователей и одним из входом выборки-хранения, к второму входу которого подключен выход фазового детектора второго канала преобразования, выходы блока выборки-хранения и источников опорного напряжения подключены к входам сумматора, выход последнего через резистор соединен с сигнальной обмоткой третьего феррозонда, выходы коммутаторов подключены к входам избирательных усилителей первого и второго каналов преобразования соответственно, а оси чувствительности второго и третьего феррозондов расположены параллельно,