Магнитометрический датчик

 

Изобретение относится к инклинометрии, в частности к системам ориентации подвижных объектов, и предназначено для контроля параметров искривления скважин. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритных размеров и повышение точности измерений. Для этого датчик содержит три одинаковых феррозонда, оси чувствительности которых образуют с продольной осью цилиндрического корпуса одинаковые углы. Феррозонды расположены таким образом, что каждый из них может быть совмещен с остальными путем поворота вокруг продольной оси корпуса на угол ±120°. При этом значения углов между осями чувствительности феррозондов и продольной осью корпуса лежат в диапазонах [Д₁, 90° - Д₂] и [90° + Д₂, 180° - Д₁], где Д_1, Д₂ - значения углов, обусловленные допустимыми погрешностями измерения вектора геомагнитного поля. 1 ил.

Изобретение относится к области промысловой геофизики и может быть использовано в инклинометрах для построения преобразователей магнитного азимута, а также в магнитометрах различного назначения.

Известен датчик для измерения азимута в скважине, содержащий три феррозонда, расположенные в кольцеобразном корпусе таким образом, что их оси чувствительности образуют между собой углы 120° и лежат в параллельных плоскостях, перпендикулярных оси корпуса, а центры феррозондов находятся на оси корпуса [Авторское свидетельство №605950, Е 21 В 47/022, БИ № 17, 1978].

Недостаток датчика состоит в том, что в силу компланарного расположения осей чувствительности феррозондов он не позволяет измерять все три компоненты вектора геомагнитного поля. Кроме этого, недостатком датчика является сложность конструкции, обусловленная применением трех феррозондов, в то время как для измерения азимута в данном случае достаточно применить всего лишь два феррозонда, упростив тем самым не только конструкцию датчика, но и схемы преобразования сигналов феррозондов.

Известно также устройство для контроля комплекса параметров искривления скважин, содержащее генератор, три феррозонда, один из которых сориентирован по продольной оси корпуса, а два других расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях под одинаковыми углами к продольной оси корпуса, три избирательных усилителя, подключенные к сигнальным обмоткам феррозондов, семь коммутаторов, три синусно-косинусных трансформатора (СКВТ), последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и блок памяти, а также таймер, подключенный через блок фиксации останова к блоку управления, соответствующие выходы которого подключены ко входам управления коммутаторов, при этом входы первых четырех коммутаторов подключены к выходам избирательных усилителей и генератора, а выходы к статорным обмоткам первого и второго СКВТ, роторные обмотки которых подключены ко входам седьмого коммутатора и через пятый и шестой коммутатор к статорным обмоткам третьего СКВТ, роторная обмотка которого соединена со входом седьмого коммутатора, подключенного выходом к аналого-цифровому преобразователю [Авторское свидетельство №1208208, Е 21 В 47/02, БИ № 4, 1986].

Недостатком устройства является сложность конструкции, обусловленная применением большого числа одинаковых функциональных элементов (трех избирательных усилителей, семи коммутаторов, трех СКВТ), а также низкая точность измерения параметров из-за влияния трения в опорах вращения рамок, с которыми связаны СКВТ, измеряющие зенитный и визирный углы, из-за относительно низкой точности СКВТ, из-за отсутствия отрицательных обратных связей в каналах обработки сигналов феррозондов, а также из-за неоптимальной схемы расположения феррозондов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому датчику является датчик магнитного азимута, который принят за прототип и содержит три закрепленных в цилиндрическом корпусе стержневых феррозонда, оси чувствительности которых образуют с продольной осью корпуса одинаковые углы, значения которых меньше 57,36° , а углы между проекциями осей чувствительности феррозондов на плоскость поперечного сечения корпуса составляют 120° [Патент РФ № 2018646, Е 21 В 47/02, БИ № 16, 1994].

По сравнению с феррозондовым датчиком в известном устройстве этот датчик обеспечивает более высокую точность за счет равенства углов между продольной осью корпуса и осями чувствительности всех феррозондов и симметричного расположения относительно оси корпуса проекций осей чувствительности феррозондов на плоскость поперечного сечения корпуса, но имеет большие габаритные размеры. Они обусловлены тем, что для исключения взаимного влияния феррозондов их необходимо размещать на некотором расстоянии друг от друга, увеличивая тем самым продольные размеры цилиндрического корпуса.

Изобретение решает задачу уменьшения габаритных размеров датчика.

Технический результат, получаемый от использования изобретения, состоит в том, что в датчике за счет определенного расположения феррозондов имеется возможность изготовления соосного с корпусом отверстия для прокладки транзитных проводов. При этом достигается выравнивание воздействий на сигналы феррозондов токов, протекающих по этим поводам, что значительно упрощает способы и средства компенсации соответствующих помех. Кроме того, уменьшение габаритных размеров датчика позволяет увеличить точность измерений анизотропных магнитных полей.

Решение указанной задачи достигается тем, что в магнитометрическом датчике, содержащем три закрепленных в цилиндрическом корпусе одинаковых феррозонда, оси чувствительности которых образуют с продольной осью корпуса одинаковые углы, а углы между проекциями осей чувствительности феррозондов на плоскость поперечного сечения корпуса составляют 120° , феррозонды расположены таким образом, что каждый из них может быть совмещен с другими путем поворота вокруг продольной оси корпуса на угол ± 120° , а значения углов между осями чувствительности феррозондов и продольной осью корпуса лежат в диапазонах [Δ ₁, 90° -Δ ₂] и [90° +Δ ₂, 180° -Δ ₁], где Δ ₁, Δ ₂ - значения углов, обусловленные допустимыми погрешностями измерения вектора геомагнитного поля.

В предлагаемом датчике феррозонды расположены симметрично относительно продольной оси корпуса. Благодаря этому магнитные системы всех феррозондов находятся в одинаковых условиях, т.е. если существуют взаимные влияния феррозондов, то они равны между собой. Равны между собой также и влияния каждой пары феррозондов на третий феррозонд. Это приводит к выравниванию параметров феррозондов и в случае коррекции характеристик феррозондов позволяет обойтись более простыми алгоритмами и способами калибровки датчика.

В датчике-прототипе взаимные влияния феррозондов выравниваются только путем обнуления, которое достигается за счет разнесения феррозондов в направлении продольной оси корпуса и соответствующего увеличения габаритных размеров датчика. Если при этом учесть, что для устранения взаимного влияния феррозондов расстояние между ними должно быть не менее 1,5L, где L - длина феррозонда, то продольный размер датчика-прототипа составляет не менее L₁=3L+SLcosγ , где γ - угол между осями чувствительности феррозондов и осью корпуса.

В отличие от этого размер предлагаемого датчика составляет L₂=Lcosγ , т.е. например, при γ =60° , в L₁/L₂=9 раз меньше, чем у датчика-прототипа.

Заметим, что размер феррозондового датчика в известном устройстве для контроля комплекса параметров даже при ортогональном расположении поперечных феррозондов, когда γ =90° и феррозонды можно разместить в непосредственной близости друг от друга, равен 2,5L и в 5 раз превышает соответствующий размер предлагаемого датчика.

Таким образом, существенное отличие предлагаемого датчика от известных датчиков с объемным расположением феррозондов состоит в симметричном расположении феррозондов относительно продольной оси корпуса. Благодаря этому достигаются значительное уменьшение габаритных размеров датчика, выравнивание возможных взаимных влияний феррозондов, а также выравнивание влияний на сигналы феррозондов возможных помех от токов, протекающих по транзитным проводам, проходящим через соосное с корпусом технологическое отверстие, которое образуется вследствие симметричного расположения феррозондов. При этом выравнивание взаимных влияний феррозондов само по себе является существенным отличием предлагаемого датчика от известных устройств, т.к. в них взаимные влияния феррозондов не выравниваются, а уменьшаются за счет разнесения феррозондов и соответствующего увеличения габаритных размеров.

На чертеже представлен магнитометрический датчик.

Датчик содержит три стержневых феррозонда 1-3, закрепленные в цилиндрическом корпусе 4. Оси чувствительности феррозондов образуют с продольной осью корпуса одинаковые углы γ , а углы между проекциями осей чувствительности на плоскость поперечного сечения корпуса составляют 120° . Поворот любого из феррозондов вокруг оси корпуса на ±120° позволяет совместить его с остальными феррозондами, в связи с чем ось корпуса является осью симметрии конструкции датчика. При размещении феррозондов образуется соосное с корпусом технологическое отверстие 5.

В процессе работы магнитометрического датчика проекции вектора геомагнитного поля на оси чувствительности феррозондов преобразуются в соответствующие сигналы феррозондов. При этом уравнение, связывающее между собой вектор сигналов феррозондов (вектор сигналов датчика) с вектором измеряемого поля, имеет вид:

где к - одинаковый для всех феррозондов коэффициент преобразования, С -оператор ориентации осей чувствительности феррозондов, имеющий в указанной на чертеже системе координат матрицу:

Вектор геомагнитного поля определяется из (1) с помощью обратного преобразования:

и значения его координат используются в качестве измерительной информации, получаемой от магнитометрического датчика.

Погрешность измерения вектора , обусловленная различными помехами при измерении сигналов феррозондов, в значительной степени зависит от величины угла γ и возрастает при его приближении к значениям 0° , 90° или 180° , при которых направляющие векторы осей чувствительности феррозондов становятся коллинеарными или компланарными, а датчик неработоспособным. Поэтому в предлагаемом датчике значения угла γ лежат в диапазонах [Δ ₁, 90° -Δ ₂] и [90° +Δ ₂, 180° -Δ ₁], в которых посредством допусков Δ ₁ и Δ ₂ ограничиваются их приближения к 0° , 90° и 180° .

Значения Δ ₁ и Δ ₂ определяются расчетным путем. В частности, если в качестве погрешности измерения сигналов феррозондов принять погрешность квантования сигналов при их аналого-цифровом преобразовании и задать допустимую погрешность определения направления вектора в виде угла ψ _д, то их можно вычислить по формулам:

где N - разрядность аналого-цифрового преобразователя, применяемого для обработки сигналов феррозондов. Например, если ψ _д=1,0° и N=10, то Δ ₁≥ 9° , Δ ₂>4,5° и значения угла γ могут быть выбраны из диапазонов [9° , 85,5° ] и [94,5° , 171° ].

Когда γ =±arccos т.е угол γ равен 54,73° или 125,27° , оси чувствительности феррозондов расположены ортогонально и датчик имеет максимальную точность. Поэтому при выборе угла γ следует стремиться именно к этим значениям.

Следует отметить, что в предлагаемом датчике взаимные влияния феррозондов практически исключаются за счет использования в феррозондах тонких ферромагнитных сердечников, соотношение продольных и поперечных размеров которых больше 15-20, а также за счет удаления друг от друга концов сердечников соседних феррозондов, создающих наибольшие искажения измеряемого геомагнитного поля.

Благодаря наличию соосного с корпусом технологического отверстия и симметричному расположению феррозондов предлагаемый датчик может быть использован для измерения электрических токов в проводах, пропущенных через указанное отверстие, или для считывания магнитных меток с проходящих через это отверстие геофизических кабелей. В этих случаях измеряемыми величинами будут являться соответственно магнитные поля измеряемых токов и магнитные поля меток, а геомагнитное поле будет выступать в качестве помехи, влияние которой на результаты измерений исключается при соответствующей обработке сигналов феррозондов.

Магнитометрический датчик реализуется на основе стержневых феррозондов, выпускаемых отечественной промышленностью.

Формула изобретения

Магнитометрический датчик, содержащий три закрепленных в цилиндрическом корпусе одинаковых феррозонда, оси чувствительности которых образуют с продольной осью корпуса одинаковые углы, а углы между проекциями осей чувствительности феррозондов на плоскость поперечного сечения корпуса составляют 120° , отличающийся тем, что феррозонды в нем расположены таким образом, что каждый из них может быть совмещен с другими путем поворота вокруг продольной оси корпуса на угол ±120° , а значения углов между осями чувствительности феррозондов и продольной осью корпуса лежат в диапазонах [Δ ₁, 90° -Δ ₂] и [90° +Δ ₂, 180°-Δ ₁], где Δ ₁, Δ ₂ - значения углов, обусловленные допустимыми погрешностями измерения вектора геомагнитного поля.

РИСУНКИ

Рисунок 1