Датчик угла наклона

Изобретение относится к устройствам для измерения углов наклона объекта в трехмерной системе координат относительно гравитационного и магнитного полей Земли и может быть использовано, например, при горизонтально-наклонном бурении скважин. Сущность изобретения: датчик угла наклона объектов содержит корпус из двух полусфер (1, 2), каждая из которых включает по немагнитному электропроводному изолированному друг от друга сектору (3). Внутри секторов (3) размещен шар (4) со смещенным центром масс и нулевой плавучестью. Одна полусфера шара (4) выполнена из электропроводящего немагнитного материала (5), а другая полусфера - из диэлектрика (6) и имеет постоянный магнит (7). Шар (4) удерживается концентрично полусферам (1, 2) гидростатическим подвесом за счет сил поверхностного натяжения жидкости (8), заполняющей эквидистантный зазор («А») по сферической поверхности. Технический результат: упрощение и уменьшение габаритов устройства, повышение его чувствительности и надежности, расширение шкалы измерений. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения углов наклона объекта в трехмерной системе координат относительно гравитационного и магнитного полей Земли при горизонтально-наклонном бурении скважин или для иного применения с замером углов наклона объекта.

Известны устройства для измерения угла наклона:

1. Патент на изобретение RU №2004786 С1, МПК5, Е21В 47/02. Инклинометр. // Бюл. №45-46, 1993.

2. Заявка на изобретение №94026114/03, МПК6, Е21В 47/02. Гироинклинометр. // Дата публикации заявки: 10.06.1996.

3. Авторское свидетельство СССР №802534, МКИ3, Е21В 47/02. Устройство для измерения угла наклона скважины. // Бюл. №5, 1981.

4. Патент на изобретение RU №2065184 С1, МПК6, GO 1 V3/18. Блок первичных преобразователей скважинного магнитометра-инклинометра. // Опубликовано: 10.08.1996.

5. Гибридные микроэлектромеханические гироскопы и акселерометры / С.Ф. Коновалов и др. // Наука и образование: Электронное научно-техническое издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2011. - Октябрь. -Эл №ФС 77 - 30569/219257. - Режим доступа:

http://technomag.edu.ru/doc/219257.html

6. Ларионов, С.Акселерометры компании ANALOG DEVICES // Электронные компоненты. - 2005. - №11. - С.125-129.

7. Бузыканов С. Датчик наклона на основе твердотельного акселерометра // Современная электроника. - 2004. - Декабрь. - С.42-45.

8. Как использовать акселерометр для определения угла наклона. -Режим доступа: http://www.robochamp.ru/index.php/articles/sensor/l 14-how-to-use-accelerometer-as-mclmometer.

9. Авторское свидетельство СССР №553443, МКИ2, G 01 С 9/00. Устройство для измерения угла наклона. // Бюл. №13, 1977.

10. Авторское свидетельство СССР №876979 МКИ3, Е 21 В 47/02. Устройство для определения положения инструмента в скважине. // Бюл. №40,1981.

11. Авторское свидетельство СССР SU №1155732 А, МКИ4, Е 21 В 47/02. Устройство для контроля параметров траектории скважины. // Бюл. №18, 1985.

12. Авторское свидетельство СССР SU №1199916 А, МКИ4, Е 21 В 47/02. Устройство для контроля параметров траектории скважины. // Бюл. №47,1985.

Указанные устройства могут быть использованы как датчики углов наклона объекта. Многие из них конструктивно и технологически сложны, дороги и чаще всего (устройства 5, 6, 7, 8) предназначены для измерения отклонений по одной из осей, тем самым могут применяться для измерения по трем осям координат при расположении датчиков в каждой плоскости, соответствующей оси, что значительно усложняет устройство и схему преобразования сигналов.

Ближайшим техническим устройством, выбранным в качестве прототипа, является авторское свидетельство СССР на изобретение №555284, МКИ2, G01C 9/12, E21B 47/02. Устройство для контроля параметров траектории скважины. // Бюл. №15, 1977, где чувствительный элемент датчика азимута выполнен в виде сферы со смещенным вниз центром тяжести, снабженный постоянным магнитом, а чувствительный элемент датчика угла зенита и угла установки отклонителя - в виде конуса с центром тяжести, смещенным эксцентрично относительно оси его вращения, и с расположенным в конусе постоянным магнитом с центром тяжести, находящимся ниже оси его качания. Подвес в эквидистантном положении чувствительных элементов обеспечивается подачей воздуха от компрессора к опорам.

Прототип и аналоги обладают одними и теми же недостатками -технически сложны, требуют дополнительных вспомогательных устройств (компрессор, ресивер, приспособления и пр.) для обеспечения подвеса.

Целью изобретения является создание простого, надежного, стабильного в работе, малогабаритного датчика угла наклона объекта в пространстве в трехмерной системе координат относительно гравитационного и магнитного полей Земли с неограниченной шкалой измерения, с повышенной чувствительностью и точностью, исключающего недостатки аналогов и прототипа.

Осуществление поставленной цели достигается применением гидростатического подвеса и нулевой плавучести чувствительного элемента (шара) на основе сил поверхностного натяжения жидкости при наличии возможности контроля положения шара с тремя степенями свободы относительно трех осей положения объекта одновременно.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен датчик угла наклона объекта в пространстве в трехмерной системе координат относительно гравитационного и магнитного полей Земли, содержащий пустотелый корпус из полусфер 1 и 2, которые состоят из немагнитных электропроводных, изолированных друг от друга секторов 3, с помещенным внутри шаром 4 со смещенным центром масс и нулевой плавучестью, состоящим из электропроводной немагнитной полусферы 5 и полусферы-диэлектрика 6 с постоянным магнитом 7 на гидростатическом подвесе жидкости 8, заполняющей эквидистантный зазор «А» по сферической поверхности. Датчик посредством гайки 9 собран по штифтам 10, с прокладкой 11 и содержит компенсационную эластичную мембрану 12, зажатую заглушкой 13.

На фиг.2 указан вариант монтажа датчика на объекте с обеспечением ориентации по осям.

Предлагаемый датчик, исключая недостатки существующих конструкций, при высокой чувствительности, надежности и устойчивости к ударным и вибрационным нагрузкам обеспечивает достаточную точность замера углов наклона объекта в трехмерной системе координат относительно гравитационного и магнитного полей Земли посредством преобразователя сигналов на базе схем по емкостному сопротивлению или изменению частоты, что подтверждено испытаниями опытного образца в лабораторных условиях.

Датчик может быть выполнен с помощью стандартного оборудования и материалов отечественного производства. Таким образом, заявленное устройство соответствует критерию «промышленная применимость».

Принцип действия датчика угла наклона. Отклонение датчика, установленного на объект с требованием обеспечения углов наклона в заданных пределах в трехмерной системе координат, сопровождается вращением шара 4 под действием гравитационной и магнитной силы при эксцентриситете центра масс относительно оси вращения, в результате чего возникают разности емкостных сопротивлений и изменения частоты в каждой из осей перемещения шара 4 в связи с рассогласованием по перекрытию электропроводящей немагнитной полусферы 5 относительно электропроводных немагнитных секторов 3, что регистрируется преобразователем сигналов 14 как углы наклона датчика по каждой из осей при замере по трем осям одновременно.

Датчик угла наклона объекта, чувствительный элемент которого выполнен в виде сферы со смещенным центром масс, снабженной постоянным магнитом, отличающийся тем, что он представляет собой шар, размещенный в корпусе из полусфер, состоящих из немагнитных электропроводных изолированных друг от друга секторов, и удерживается концентрично сфере гидростатическим подвесом за счет сил поверхностного натяжения жидкости, заполняющей сферический зазор, и нулевой плавучести, и состоит из одной электропроводящей немагнитной полусферы, а другой - из диэлектрика, чем обеспечивается измерение углов наклона объекта по трем осям одновременно за счет рассогласования сигналов емкостного сопротивления и частоты между секторами полусфер корпуса.