Преобразователь азимута инклинометра

Преобразователь азимута инклинометра

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РесПУБлик (Я)з G 01 С 17/ОО

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

"4

iQ

1Ю

M (22) 26.09.90 (46) 07.09.92, Бюл, ¹ 33 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт нефтепромысловой геофизики (72) Н.ll.Ðîãàòûõ и Л.А.Куклина (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1078040, кл, Е 21 В 47/02, 1984.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1298363, кл. Е 21 В 47/02, 1987.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1208208, кл. Е 21 В 47/02, 1986.

Авторское свидетельство СССР № 1025877, кл. Е 21 В 47/02, 1983.

Изобретение относится к области промысловой геофизики и может использоваться в цифровых инклинометрах для определения магнитного азимута искривленных скважин.

Известен инклинометр, содержащий датчики углов, подключенные к входам коммутатора, выход которого через аналогоцифровой преобразователь подключен к входу блока памяти; блок управления, подключенный выходами к входам управления коммутатора и блока памятИ, а входом — к таймеру, а также — автономный источник питания.

Известен преобразователь зенитного и визирного углов, содержащий два поплавка-маятника. оси вращения которых и продал ная ось корпуса взаимно ортогональны, датчики углов поворота поплавков-маятников, выходы которых через мультиплексор, „„Я „„1760324 Al

ЛИНОМЕТРА (57) Использование: в цифровых инкли о-метрах для определения Mdlíèfíîãî азимута искривленных скважин. Цель: повышение точности эа счет уменьше1:ия влияния ошибки, o6÷ -ловленной p, çáf-;o;.":. коэффициентов передачи параллельно 1.. ботающих каналов преобразования. С .. ность изобретения: преобразовател. содержит генератор 1. два феррозонда

3, два коммутатора 4 и 5, два избирательны.* усилителя 6 и 7, два фазовых детектора 8 и

9, два аналого-цифровых преобразователя

10 и 11, аттенюатор 12, схему управления 13.

1-2-4-6-8-10, 1-3-5-7-9-11, 1-12, 12-8, 12-9. 1-1310, 13-11, 2-3, 12-4, 12-5, 13-4, 13-5. 2 ил, аналого-цифровой преобразователь, демультиплексор и регистры соединены с входами программируемых логических матриц, блок управления, подключенный ко входам управления аналого-цифрового преобразователя и программируемых логических матриц, а также элемент задержки, включенный в разрыв цепи управления одной из программируемых логических матриц.

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 скважинHîãо прибора, и при обработке информации, на1760324

20

55 копленной за один полный цикл работы устройств, возникает погрешность. Величина погрешности существенно зависит от скорости движения прибора и имеет сложный закон изменения, затрудняющий ее «омпенсацию, Известно также устройство для контроля комплекса параметров искривления скважин, содержащее генератор, подключенный к обмоткам возбуждения феррозондов и первому входу блока управления. избирательные усилители, подключенные входами к сигнальным обмоткам феррозондов, а выходами через коммутаторы к первичным обмоткам синусно-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ), вторичные обмотки которых через коммутатор подключены к входу аналогоцифрового преобразователя, блок памяти, соединенный с выходом аналого-цифрового преобразователя, таймер, подключенный. через блок фиксации останова ко второму входу блока управления, выходы которого соединены с входами управления коммутаторов, аналого-цифрового преобразователя и блока памяти, Недостатком известного устройства является то, что сигналы феррозондов преобразуются с помощью раздельных каналов, образованных последовательным соединением избирательных усилителей и СКВТ, в результате чего разброс параметров указанных каналов обуславливает низкую точность измерения азимута. Кроме того, недостатком устройства является разнесене во времени циклов преобразования сигналов феррозондов, в результате чего снижаются быстродействие устройства и достоверность получаемой от устройства измерительной информации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является принятый за прототип ферроэондовый датчик азимута, который содержит последовательно соединенные генератор, делитель частоты, два феррозонда с ортогональными и горизонтальными осями чувствительности, два избирательных усилителя, подключенных к фэзовым детекторам, счетчик, три коммутатора, два аналого-цифровых преобразователя, цифровой компаратор, дешифратор и блок кода квадрантов, при этом выходы фазовых детекторов подключены к входам аналого-цифровых преобразователей, выходы которых и выход аналогового компарэтора подключены к одному иэ коммутаторов, а выход последнего подключен к цифровому компаратору, с которым связан другой коммутатор, причем к последнему подключены два цифровых интегратора и 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.

Известный феррозондовый датчик азимута имеет низкую точность, которая обусловлена следущими причинами, Во-первых, параллельные каналы аналого-цифрового преобразования, включающие последовательно соединенные избирательные усилители, фазовые детекторы и собственно аналого-цифровые преобразователи (АЦП), имеет существенный разброс параметров, который усугубляется использованием избирательных усилителей, имеющих наибольшую чувствительность характеристик к изменению параметров, Указанный разброс может быть уменьшен только путем точной настройки и за счет применения прецизионных элементов, Однако тот и другой пути позволяют лишь уменьшить разброс до определенного предела, причем требуют значительной трудоемкости, которая главным образом обусловлена необходимостью обеспечения температурной стабильности параметров. Вследствие этого устройство обладает весьма низкой эффективностью.

Во-вторых, в устройстве никак не учитывается смещение нулевых уровней АЦП, которые при обработке разнополярных сигналов, поступающих от фазовых детекторов, должны быть равными примерно половине диапазона измерения кода на выходах АЦП. В связи с этим устройство практически неработоспособно.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет исключения влияния на результат разброса коэффициентов передачи каналов преобразования.

На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя азимута инклинометра; на фиг.2 — варианты построения принципиальных электрических схем аттенюатора, коммутаторов и схемы управления, Преобразователь содержит генератор

1, подключенный к сигнальным обмоткам феррозондов 2 и 3, коммутаторы 4 и 5. выходы которых через избирательные усилители

6 и 7 и фаэовые детекторы 8 и 9 соединены с входами АЦП 10 и 11, аттенюатор 12, подключенный входом к объединенным входам управления фазовых детекторов 8 и 9 и к генератору 1, а также схему управления 13, подключенную входом к генератору 1, а выходами — к объединенным входам управления коммутаторов 4 и 5 и к объединенным входам управления АЦП 10 и 11. При этом первые входы коммутаторов 4 и 5 объедине, 1760324

40 обеспечивает девять подциклов. В первом подцикле вход избирательных усилителей 6 45

N1p(l) = Кю0о8 + Np1p

Й11(!) = К11009 + N011 ны и подключены к общему проводу схемы преобразователя, вторые входы объединены и подключены к выходу аттенюатора 12, а третьи входы — соединены с сигнальными обмотками феррозондов 2 и 3. Последовательно оединенные избирательные усилители, фазовые детекторы и АЦП (6, 8, 10 и 7, 9, 11 соответственно) образуют одинаковые по структуре каналы преобразования (фиг,1), у которых выходы АЦП 10 и 11 являются выходами схемы преобразователя азимута инклинометра, Принципиальные электрические схемы коммутаторов 4 и 5 включают в себя по три идентичных аналоговых ключа 14, 15, 16 и

17, 18, 19 (фиг,2). Аттенюатор 12 состоит из двух резисторов 20 и 21, образующих простейший делитель напряжения. Схема управления 23 состоит из двух D-триггеров 22 и 23, двух конденсаторов 24 и 25, двух резисторов 26 и 27, двух диодов 28 и 29. счетчика

30, подключенного к дешифратору 31, и RSтриггера 32, На основе 0-триггеров 22 и

23 построены одновибраторы, которые вырабатывают импульсы с длительностями т1 = C24R26 и <2 >

Преобразователь азимута инклинометра работает следующим образом, Генератор 1 вырабатывает переменное синусоидальное напряжение частотой cg которое подается на последовательно соединенные обмотки возбуждения феррозондов 2 и 3 и одновременно формирует последовательность прямоугольных импульсов частотой 2 в для управления фазовыми детекторами 8 и 9, а также низкочастотную последовательность импульсов с периодом Т, предназначенную для тактирования схемы управления 13.

Полный цикл работы преобразователя складывается из нескольких подциклов. Рассмотренный вариант схемы управления и 7 посредством ключей коммутаторов 4 и 5 соединяются с общим проводом схемы преобразователя. В схеме управления 13 с задержкой 1.1 от момента начала подцикла вырабатывается импульс длительностью гг, управляющий работой АЦП 10 и 11. В результате на выходах АЦП 10 и 11 формируются коды соответственно где К1о, K11 — коэффициенты преобразования АЦП;

0о8, Uog — смещения нулевых уровней сигналов в схемах избирательных усилителей 6 и 7 и фазовых детекторов 8 и 9, приведенные к выходам фазовых детекторов;

No1o, йо11 — смещение кода на выходах

АЦП 10 и 11.

Задержка времени т1 необходима для завершения переходных процессов в схемах избирательных усилителей и фазовых делекторов. Она осуществляется в каждом подцикле работы преобразователя и составляет (0,9 — 0,95) Т.

Во втором подцикле входы избирательных усилителей 6 и 7 подключаются к выходу аттенюатора, при этом избирательные усилители 6 и 7 выделяют основную гармонику последовательности прямоугольных импульсов управления фазовыми детекторами

8 и 9. На выходах АЦП формируются коды

N1o(lI) = (КбК8К120со$ Фб+

+ 0о8)Кю+ 4ою (2) N11(II) = (К7К9К110соз Ф7 +

+ 009) К11+И 011, где U — амплитуда импульсов управления фазовыми детекторами 8,9;

Кб 7 — коэффициенты усиления избирательных усилителей на резонансной частоте;

K8, Kg — коэффициенты передачи детекторов;

K12 — коэффициент передачи аттенюатора;

1 — аб,7

Фб, 7 = агстЯ С16, 7 аб,7 где Q5,7 — добротности избирательных усилителей 6,7; аб,7= 2 и/вб,7 6,7 — резонансные частоты избирательных усилителей.

При точной настройке усилителей на частоту 2в, Фб =Фг =О. Однако практически всегда имеет место небольшая расстройка, вследствие которой

Фб A Ф1, Фб W О,Ф2 A 0. Это обстоятельство учитывается формулами (2).

В течение последующих семи подциклов входы избирательных усилителей 6, 7 подключены к сигнальным обмоткам феррозондов 2, 3. В каждом из этих подциклов на выходах АЦП 10 и 11 формируются коды

N1o(IИ-IX) =(КбК80гсоз2 Фб+

0о8) K1o+No1o (3) Фб, Ф7 — фазочастотные характеристики избирательных усилителей, которые в общем случае не равны между собой и составляют

1760324 — sin а (5) агно

Ка0

Aç азНо — cos а

Ки0 (6) Añ

N11(l l I — IX) = (К7К90зсоэ Фт +

+ Uoo)K«+No», где Ог, Оз — амплитуды вторых информационных гармоник в составе сигналов феррозондов, которые вследствие ортогональности и горизонтальности осей чувствительности феррозондов равны

Ог = аг Но sin а. Оз = аз Ho cos а, (4), где аг, аз †. коэффициенты преобразования феррозондов; Но — горизонтальная составляющая геомагнитного поля.

Цифровая информация, снимаемая с выходом АЦП 10 и 11, регистрируется в запоминающих устройствах или вводится в специализированные вычислительные устройство для обработки.

При обработке информации производится нормирование сигналов феррозон. дов, для чего вычисляются отношения которые используются далее для вычисления азимута,по алгоритму а = arctg — = arctg

As аг в!и а (7)

Ас аз соз а

При равенстве аг = аз, которое достигается точной настройкой феррозондов, измеренное значение азимута а равно истинному значению а.

Отметим, что при точечных измерениях информация, полученная в течение III-!Х подциклов. относится к одному значению азимута и может использоваться для вычисления математического ожидания. При измерениях в процессе движения прибора по скважине эта информация используется для построения участка траектории скважины, так как в данном случае измерения в каждом из Ill-IX подциклов относятся к различным пространственным положениям прибора.

Предлагаемый преобразователь азимута инклинометра, по сравнению с прототипом, имеет более высокую точность. Это преимущество достигается тем, что преобразователь содержит аттенюатор и имеет специальный подцикл работы. в течение которого в параллельно работающих каналах преобразования обрабатывается выходной сигнал аттенюатора. В результате формируется дополнительная информация, позволяющая нормировать измеренные сигналы

55 феррозондов, то есть вычислить значения

А, А, инвариантные к величинам коэффициентов передачи каналов преобразования, и, следовательно, получить точный результат измерения азимута, который не зависит от параметров .каналов преобразования.

Последнее свойство обуславливает еще одно важное достоинство предлагаемого преобразователя. Оно состоит в том, что точность измерения азимута остается высокой даже при существенных расстройках избирательных усилителей и разбросе параметров каналов преобразования. Это исключает дополнительные температурные погрешности и снижает требования к настройке и подгонке параметров канала преобразования, то есть обеспечивает высокую технологичность и эффективность преобразователя.

Лабораторные исследования преобразователя азимута инклинометра показали, что погрешность измерения азимута при его исследовании, в основном, зависит от степени идентичности феррозондоа. При подборе коэффициентов преобразования феррозондов с точностью 1,0 она составляет Ьа = 0,25 . 8 диапазоне температур

20-125 С дополнительная температурная погрешность практически отсутствует.

Формула изобретения

Преобразователь азимута инклинометра, содержащий генератор, первый и второй выходы которого подключены к обмоткам возбуждения первого и второго ортогональных дифференциальных феррозондов, канал преобразования каждого из которых выполнен в виде последовательно соединенных избирательного усилителя, фазового детектора, подключенного к третьему выходу генератора, и аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения влияния ошибки, обусловленной разбросом коэффициентов передачи параллельно работающих каналов преобразования, он снабжен аттенюатором и схемой управления, входы которых подключены соответственно к третьему и четвертому выходам генератора, канал преобразования каждого из феррозондов выполнен с коммутатором. выход которого соединен с избирательным усилителем, первый вход подключен к общему проводу, второй вход- к выходу аттенюатора, третий вход — к выходу феррозонда, а четвертый вход — к первому выходу схемы управления, второй выход которой подключен к управляющему входу каждого аналого-цифрового преобразователя..1760324

Составитель Л.Куклина

Редактор Т,Никольская Техред M.Моргентал Корректор И,Муска

Заказ 3177 Тираж Подписное

ВНИИПИ Гасударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производстве н но-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина. 101