Преобразователь азимута

Преобразователь азимута

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к промысловой геофизике и предназначено для определения магнитного азимута. Цель - повышение точности за счет исключения влияния на результат измерения азимута разности фаз между сигналами феррозондов (Ф) и сигналом генератора (Г). Преобразователь азимута содержит синусно-косинусный датчик 1 в виде двух ортогональных Ф(1-1) и (1-2), с входами возбуждения которых через делитель 3 частоты связан первый вход Г 2. Сигнальные выходы Ф подключены к первому и второму входам коммутатора (К) 4, третий вход которого соединен с общим проводом. Выход К 4 подключен к первому входу фазовращателя 5, выход которого через избирательный усилитель 6 связан с блоком 7 интервалов времени. С вторым выходом Г 2 соединен вход блока 8 управления, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами соответственно блока 7 и К 4. С вторым выходом Г 2 соединен вход амплитудного манипулятора 9. Управляющий вход манипулятора 9 подключен к второму выходу блока 8, а выход - к второму входу фазовращателя 5. Сигнальные выходы Ф и общий провод схемы К 4 последовательно подключают к первому входу фазовращателя 5 при двух значениях амплитуды опорного сигнала с манипулятора 9. В блоке 7 разность фаз сигнала усилителя 6 и управляющего сигнала, синфазного с сигналом Г 2, преобразуется в пропорциональную длительность импульсов, которую измеряют и определяют азимут по соответствующему алгоритму. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 E 21 В 47/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4602752/24-03 (22) 09.11.88 (46) 30.11.90. Бюл. М 44 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт нефтепромысловой геофизики (72) Н,П. Рогатых и Л,А. Куклина (53) 622,242(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1008432, кл. E 21 В 47/02, 1981.

Авторское свидетельство СССР

В 1452953, кл. Е 21 В 47/02, 1987. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ Ь АЗИМУТА (57) Изобретение относится к промысловой геофизике и предназначено для определения магнитного азимута. Цель изобретения— повышение точности за счет исключения влияния на результат измерения азимута разности фаз между сигналами феррозондов (Ф) и сигналом генератора (Г). Преобразователь азимута содержит синусно-косинусный датчик 1 в виде двух ортогональных Ф (1 — 1) и (1 — 2), с входами возбуждения которых через делитель 3 частоты связан первый вход Г 2. Сигнальные!

Ж 1609987А 1 выходы Ф подключены к первому и второму входам коммутатора (К) 4, третий вход которого соединен с общим проводом. Выход К

4 подключен к первому входу фазовращателя 5, выход которого через избирательный усилитель 6 связан с блоком 7 интервалов времени. С вторым выходом Г 2 соединен вход блока 8 управления, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами соответственно блока 7 и К 4. С вторым выходом Г 2 соединен вход амплитудного манипулятора 9, Управляющий вход манипулятора 9 подключен к второму выходу блока 8, а выход — к второму входу фазовращателя 5, Сигнальные выходы Ф и общий провод схемы К 4 последовательно подключают к первому входу фазовращателя 5 при двух значениях амплитуды опорного сигнала с манипулятора 9. В блоке 7 разность фаз сигнала усилителя 6 и управляющего сигнала, синфазного с сигналом Г

2. преобразуется в пропорциональную длительность импульсов, которую измеряют и определяют азимут по соответствующему алгоритму. 4 ил.

1609987

Блок 8 управления (фиг,2) состоит из 40 двух счетчиков 10 и 11, двух дешифраторов

12 и 13, двух RC-триггеров 14 и 15 и логических элементов 16 и 17, I

Блок 7 интервалов времени (фиг.3) содержит два элемента — компаратор 18 и

RC-триггера 19, 50

Изобретение относится к промысловой геофизике и может быть использовано в инклинометрах для определения магнитного азимута, Цель изобретения — повышение точности за счет исключения влияния на результат измерения азимута разности фаз между сигналами феррозондов и сигналом генератора.

На фиг,1 представлена структурная схема преобразователя азимута; на фиг.2— блок управления; на фиг.З вЂ” блок интерва, лов времени; на фиг.4 — амплитудный манипулятор.

Преобразователь азимута содержит синусно-касинусный датчик 1 в виде двух ор, тагональных феррозондов (1 — 1) и (1 — 2), генератор 2, первый выход которого через ! делитель 3 частоты связан с зходами возбу>кдения ферразондов. Сигнальные выходы последних подключены к первому и второму входам коммутатора 4, третий вход, которого соединен с общим проводом схемы. Выход коммутатора 4 подключен к первому входу RC-фазовращателя 5,, выход которого через избирательный усилитель 6 связан с блоком 7 интервалов времени. Преобразователь азимута содержит также блок

8 управления, вход которого соединен с вто: рым входом генератора 2, а первый и второй выходы соединены с управляющими входа1 ми соответственно блока 7 интервалов вре: :мени и коммутатора 4, Кроме того, в состав преобразователя азимута входит амплитудный манипулятр 9, вход которого соединен с вторым выходом генератора 2, управляющий вход подключен к второму выходу блока 8 управления, а выход — к второму входу фазавращателя 5, Амплитудный манипулятор 9 (фиг.4) представляет собой усилитель с изменяемым коэффициентом передачи. Он содержит операционный усилитель 20, резисторы

21 — 24, два аналоговых ключа 25 и 26 и логический элемент И-НЕ 27, Рассмотрим работу RC-фазовращателя

5 (фиг.1), один вход которого с помощью коммутатора 4 последовательно подключается к сигнальным обмоткам синусно-косинусного датчика и к общему проводу схемы,а на второй вход падается опорный сигнал, 5

Представим сигналы синусно-косинусного датчика и опорный сигнал в виде

Us = U» sin (в t + р), Uc=- Ucm sin (в t+ p), Uo = Uom sin cut, (x) где Usm, Ucm, 0о и — амплитуды сигналов; в — частота сигналов;

p — фазовый сдвиг, вносимый цепями возбуждения синусно-косинусного датчика, Фазы сигналов U< и Uc равны между собой с достаточно высокой степенью точности, что практически просто достигается разгрузкой сигнальных обмоток датчика.

Фаза опорного сигнала принята равной нулю, так как относительно опорного сигнала формируется временной интервал на выходе преобразователя.

Фаза сигнала на выходе RC-фазовращателя при последовательной работе ключей коммутатора принимает значения д>, =arctg

pc = arctg p

Uов К ,(2)

Ucm К Ucm (са$ p + К sin p)

pc =arctg 1/ К, где К= вВС, R и С вЂ” параметры элементов RC-фазовращателя, На основании этого проанализируем работу устройства-прототипа, Допустим, что в его схеме действуют сигналы вида (1) и примем во внимание равенства Usm = Um"

%in ф Ucm = Um сазф где Um — максимальный размах сигналов синусно-косинусного датчика, а ф — угол поворота чувствительного элемента датчика. Тогда искомый угол определится по формуле

t( ф, =arctg—

tg (Pc Po (3) или с учетом (2 )

U sin Мсоз в ф, =arctg . — х

Uc,m К вЂ” Um sin /csin ф

„0оп К вЂ” О,; созф$ п р

Um cos ф cos p

Его значение отличается от истинного значения ф вследствие наличия сдвига фаз

p . Следовательно, устройство-прототип имеет погрешность, обусловленную фазовым сдвигом между сигналами датчика и опорным сигналом. Эта погрешность имеет вид

1609987

0,25.sin 2 sin 2 — cos + s in ô

Лф = arctg, (5)

Uom К созе — 0,25 sin 2 )jr sin 2 р (соз ф + sin ti>)

psi — pо = arctg

om1 K — Um Sin P Sin g

Ps2 Po = дГСт9

Uom2 — Um sin ф sin p (7),(9) а уравнения (8)—. (10) (g — — tg 2 — o К ) (tg c1 о tg с2 о ) (tg p 1 — ((7о tg pс2 ро К1 ) (tg ps po — tg Рз2 po ) йли при малых углах у1 (в пределах 0 — 10o)

Лф = 0 5 К з!о2 ф (-сов ф + з!о ф ) сов phd{6) и

Закон изменения погрешности достаточно сложен и зависит от отношения амплитуд сигналов датчиков и опорного сигнала, от расстройки RC-фазоврэщателя (К 1), а также от величины самого измеряемого угла, причем указанные параметры существенно зависят от температуры. Укаэанную погрешность скомпенсировать весьма сложно, что составляет существенный недостаток прототипа.

Таким образом, низкая точность прототипа обусловлена существованием сдвига фаз между сигналами датчика и опорным сигналом генератора, от которого возбуждается датчик, В данном устройстве исключение указанного недостатка осуществляется изменением амплитуды опорного сигнала, синфазного с сигналом генератора и подаваемого на соответствующий вход фаэовращателя (фиг.1). При этом каждый сигнал датчика обрабатывается для двух значений опорного сигнала, которые отличаются по амплитуде.

Формулы (9) и (10) включают величины

sin о и К как общие сомножители. Поэтому при вычислении ф через отношение sin ф/

/созе влияние р и К на результат измерения исключается. Для этого необходимо точно знать и отношение амплитуд опорных

СИГНаЛОВ Uom2/Uom1 К1, КОтсрОЕ ПрЕдСтаВне зависящий от р и К, т.е. от сдвига фаэ между сигналами синусно-косинусного датчика и сигналом генератора и от расстройки

RC-фазовращателя, Это повышает точность измерений.

В отличие от известных устройств в дан-. ном преобразователе азимута при обработке сигналов синусно-кссинусного датчика производится изменение амплитуды опорного сигнала, вследствие чего формируется

Подают на перввый вход фазовращателя 5 сигнал Us, а на второй вход — опорный сигнал с амплитУДой Uom1, а потом с амплитудой Uomz, которые имеют различные значения, Определяют соответствующие значения фаз pet p cz. Далее подают сигнал Uc u преобразуют его для тех же значений амплитуд опорного сигнала, что дает соответстВуЮщИЕ ЗНаЧЕНИя фаэ pc1 — pcZ И pcZ.ФаЗЫ определяют согласно формулам (2). Из полученных значений фаз выходного сигнала вычитают значение ро, которое измеряется при подключении первого входа фазовращателя к общему проводу схемы. В результате получают

Ч

0om1 К Оm СОЗ ф Sin P ус2 — po = arCtg " 1/ . (3)

Um соз соз

Uom2 К Um cos ф sin P

После преобразований уравнения (7) имеют ляет собой коэффициент манипуляции. Этот коэффициент может быть заранее задан параметрами схемы или определен путем тестовых измерений.

Таким образом, отношение величин (9) и (10) дает результат

l дополнительная информация, позволяющая увеличить точность измерений путем исключения из результата влияющих факторов. Это стало возможным благодаря введению в схеме преобразователя амплитудного манипулятора, с помощью которого осуществляется изменение амплитуды опорного напряжения на входе RC-фазовращателя.

Преобразователь азимута работает следующим образом, работы преобразователя соаковьх циклов, каждый из коПрс гтоит и, ГЦЕСС

Э ОДИН

U„1 K + U 2 (K co

= ЯГС1g

Iorn1 К2 — Ц:,2 (cos

ФЗ

Генератор 2 (фиг.1) вырабатывает -епрерывный периодический сигнал прямоУГОЛЬНОЙ ИЛИ СИНУСОИДЯЛЬНОЙ ФОРМЫ.

Частота ОснОВнОЙ Гармоники сиГHaëa ГенерВТ0рВ 2 с помОЩью Делителя 3 чЯстоты делится на два и усиливается до получения мощности, необходимой для возбуждения ферроэондов (1 — 1) и (1 — 2). Феррозонды (1 — 1) и (1 — 2) выдают полигармонические . сиГналы, В cQcTBB6 которых ямплитуда ВТо10 рой гармоники несет информацию, Благодаря применению делителя 3 частоты частота основной гармоники генератора 2 совпадает с частотой информационных гармоник феррозондов. Коммутатор 4 осуществляет попеременное подключение сигнальных обмоток ферроэонДОВ и Общего провода сх мы к первому входу фязовращятеля 5. j B второй вход фазовращателя 5. — îñòóïàåò

Опорный сиГнал с выхоДЯ ЯмплитуДнОГО ма- 2О нипулятора 9, который скачкообразно Гленяет ямг литуду опорного сигнала по сигналам блока 8 управления, С помощью избирательного усилителя 6 производится Выделение основной гармоники из суммарного сигнала фазовращателя 5, чем достигается необходимое качество информационного сигнала, В блоке 7 интервалов времени изменения фазы сЙГнала:НЯ ВыхоД6 иэбирЯтельного усилителя 6 преобразуюгся в 3Q длительность импульсоВ, Блок 8 управле-. ния, тактируилый сиГналом Г8H6pBTopa 2, предназначен для формирования сигналов управления для коммутато".;à 4, блока 7 интервалов Времени., а также Осуществляет

ВыД8ржку Врем6ни, необходимую Для завершения переходных процессов в схемах фазовращателя 5 и изоира.1 ельного усилителя 6. торых имеет пять равных по времени подциклов.

В первом и втором подциклах коммутатор 4 по сигналу блока 8 управления соединяет сигнальную обмотку первого феррозонда с первым входом RC-фазовращателя 5, При- ;ëèòóäà опорного сигнала, подаваемого на второй вход фазовращателя 5 с выхода амплитудного манипулятора 9, в первом подцикле равна

Uom1, а во втоРом — U»2. Сигналы феРРОзондов и опорные сигналы после приведения к выходу избирательного усилителя 6 принимают соответственно вид

U 11 =- U«sin (и т+ p); U12= U12 sjn(cu t + p);

UP1 (>огп1 Sing 1 UP2 — 0от2 SI fl N Т, (12) где ОЗ вЂ” частота I 6I f P pàòoða 2;

p — фазовый сдвиг в цепях ферроэондового датчика 1, На выходе избирательного усилителя 6 в первом и втором подциклах работы преобразователя г олуча1ОТ с- едующие значения фазы сигнала ьр 1 =af clg

Uom1K+ 011(KCOSP-Sing)

+ / б

Uom1K -U11{cosP+KsjnP)

Uom2 K+UI1(Kcosp-sing)

Ф2 =Ягсто +рб, (13)

Uom2 K +011(созр+Кз! Пр)

Где f36 — фаЗОвый сДВЙГ, вносимыЙ иэбира

T6fibíbIì усилит6лем 6.

В третьем и четвертом псдциклах к первому входу фазовращателя 5 подключается

cIiII HBJIbIIBR oOM0TKB aToPoI 0 феРРозонда (1 — 2), Причем на второй вход фяэоврящателя 5 B третьем подцикле подается опорн ы Й си Гнал с амплитУДОЙ Uoin1 Я В четвертом — Uom2, также, как и при обработке сигнала первого ферро=онда (1 — i) 8 первом и втором подциклах, В результате фаза выходного сигнала избирательного усилителя 6 В третьем и четверто.:. подцикlnay принимает значения соответственно

s i — sjn j)

+ /- б, р+К п, р) (; 4 I

Uo„„- К .i- 0-,, (К СОК У вЂ” Si rP

Uom2 " - 12,, i"O": @ + " 3 " P )

В пятом подцикле первый вход Г С-фа- избирательного усилителя 6 (Ф1 — Ф5) пре13оврящятеля 5 посредством ком1лутяторя 4 i- ооразуются 8 длительность прямоуГОльных

5G соединяется c OGUtfiIM ffpoe;)дом схемь1 пре- импульсОВ по ялГори11 у обраэователя, а на в орой вход <зазовраща-, Л, (16)

T8Jf R 5 подается Опорный сигнал с 3N в амплитудой Uom!, Фаза сигнала HB выходе -де — номер псдцикла(изменения), иэбиРат8льнОГО Усилителй 6 пРинимает зна- лмпульсы чениЕ интервалов ьремени (выход преобразоватеФ5=afctg 1/К+,Вб (j5,I ля) с выдержкоЙ Временл по отношению к

В блоке 7 интервалов Врем8ни От-коси- моментЯм перекл очения пОДциклов, что не-ельные фазовые;,дв11-.И выходного сигнала обходимо для завершения переходных про1609987

10,(17)

К1 )(tg (Ф1 — Ф5 }-tg (Ф2 — Ф5 }) 30

45 цессов в схемах фазовращателя 5 и избирательного усилителя 6, После измерения длительностей импульсов и обработки

U11 — С9( (tg (CD3 — Ф5 } — tg (Ф4 — Ф5 представляющее собой тангенс искомого угла. Но так как оси чувствительности фер- . роэондов ортогональны и с помощью, например подвижных рамок с грузами устанавливаются в горизонтальную плоскость, то амплитуды вторых информационных гармоник изменяются по законам

U11 = Оп sin а, 01 = U cos а, (if), где а — ма гн итн ы и азимут.

Отношение (17) определяет азимут а = arctg, (19 )

U12

Кон ечн ы и резул ьтат измерения не эа висит от расстройки фазовращателя и от относительного фазового сдвига сигналов ферроэондов. Кроме того, результат не зависит от собственного фазового сдвига Р s избирательного усилителя, благодаря вычислению разностей Ф1 — Ф5, Ф2 — Ф5, ФЗ вЂ” Ф5, Ф4 — Ф5.

Функциональные блоки преобразователя азимута работают следующим образом.

На вход 1 блока 8 управлечия (фиг.2) подаются прямоугольные импульсы с генератора 2, которые с помощью счетчика 11 и дешифратора 13 распределяются во времени так, что каждый десятый импульс запускает блок 7 интервалов времени, чем достигается выдержка времени, необходимая для завершения переходных процессов. После каждого импульса, управляющего блоком 7 временных интервалов, следует импульс, переключающий циклы работы преобразователя посредст. вом счетчика 10 и дешифратора 12, С помощью триггеров 14 и 15 формируются сигналы для управления коммутатором 4 (фиг.1), который состоит из трех аналоговых ключей, открываемых уровнем 1. С выхода логического элемента 17 снимается сигнал для управления амплитудным манипулятором 9, На вход компаратора 18 (фиг.3) подается синусоидальный сигнал с выхода избирательного усилителя 6, Компаратор 18 преобразует его по переходам через нуль в прямоугольный сигнал, который постоянно устанавливает триггер 19 в О, Каждый импульс, поступающий на вход S триггера с блока 8 управления, устанавливает триггер

19 в состояние "1", благодаря чему на выхо10

25 информации в условных кодах согласно апгоритму (11) on ределяется отношение де триггера формируется импульс. Поскольку между импульсами, поступающими на входы триггера 19, имеется фазовый сдвиг, равный в каждом подцикле соответствующему значению Фь то длительность импульса на выходе триггера 19 также пропорциональна значению Ф (выражение (16), Когда на входы элемента 27 (фиг.4) и ключа 25 подается управляющий сигнал "1", ключ 25 находится в открытом состоянии, а ключ 26 — в закрытом, Коэффициент передачи усилителя 20 равен R24/R22, Когда управляющий сигнал равен "0", открыт ключ

26 и коэффициент передачи усилителя равен R24/R23. Следовательно, коэффициент манипуляции К1, входящий в выражение (17), равен

К1 R22 (20) и 23

Он показывает отношение двух амплитуд опорных напряжений. Для стабилизации величины коэффициента необходимо выбрать резисторы 23 и 22 с одинаковыми температурными коэффициентами. Величина коэффициента задается заранее или определяется из (17) экспериментальным путем. Коэффициент может быть выбран произвольно, но не равным единице (К1Ф1), так как в этом случае возникает неопределенность, Например, его значение может быть равным 0,25, 0,5, 2, 4 и т,д.

Предлагаемый преобразователь азимута по сравнению с прототипом имеет более высокую точность измерения азимута, так как в нем исключается влияние фазового сдвига, вносимого цепями датчика, на оеэультат измерения. Вместе с тем искл ючается влияние на результат расстройки RC-фазовращателя и собственного фазового сдвига избирательного усилителя, т.е. предлагаемое устройство не только сохраняет все достоинства прототипа, но и устраняет

его существенный недостаток.

Устройство может быть использовано и с другими датчиками, например, с синуснокосинусными вращающимися трансформаторами. В этом случае из схемы следует исключить делитель частоты. Кроме того, при использовании генератора с синусоидальным выходным сигналом можно исключить.также избирательный усилитель.

Лабораторные испытания показали, что погрешность, обусловленная температурц 36

f Õ! )) ными дрейфами параметров элементов схе мы преобразователя, не превышает единицы четырнадцатиразрядного кода, используемого для записи и обработки информации, т,е. практически отсутствует, Испытания проводятся в диапазон( температур 20 — 180 С.

Ф ормула изобретения

Преобразователь азимута, содержащий инусно-косинусный датчик в виде двух орогональных феррозондов, генератор„ перый выход которого через делитель частоты вязан с входами возбуждения феррозонов,сигнальные выходы которых подключены к первому и второму входам

0MM TBTopG, третий вход KGTOpOI соединен с общим и роводом, выход коммутатора подключен к первому входу фазовращателя, выход которого через избирательный усилитель связан с блоком интервалов времени, и блок управления, вход которого соединен с вторым выходом генератора, а первый и второй выходы соединены с управляющими входами соответственно блока интервалов времени и коммутатора, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения точности за счет исключения влияния на результат измерения азимута разности фаз междусигналами феррозондов и сигналом генератора, он снабжен амплитудным манипулятором, вход которого соединен с вторым выходом генератора, управляющий вход подключен к второму выходу блока управления, а выход — к второму входу фазовращателя.

1609987

Й(хИ

Редактор И. Касарда

Заказ 3715 Тираж 486 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

0N tfNllPomdjQ(AN ЛапЕДЯ

nm джаз упра5миив 8 фц яе//юpNm0pQ Я аа Юлаи рабкная крам/ращвчеаи1

Составитель А. Цветков

Техред M.Моргентал Корректор J1.Патай