ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ
НОВЫЕ ПАТЕНТЫ, ЗАЯВКИ НА ПАТЕНТ
БИБЛИОТЕКА ПАТЕНТОВ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра

Классы МПК:G01C19/44 для индикации вертикали 
E21B47/02 определение наклона или направления
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-12-25
публикация патента:

Изобретение относится к точному приборостроению и может быть использовано, например, для построения скважинных приборов (СП) непрерывных малогабаритных гироскопических инклинометров (ГИ) с автономной начальной выставкой (АНВ) в азимуте для определения координат оси симметрии скважин. Гироинерциальный модуль ГИ содержит одноосный гиростабилизатор (ГС), на платформе (9) которого размещены два измерителя ускорений (13, 14) и трехстепенной гироскоп (12), установленный в поворотной раме (ПР) (5), ось подвеса которой перпендикулярна оси стабилизации (ОС). В режиме измерения ПР (5) повернута в положение, при котором вектор кинетического момента гироскопа (12) перпендикулярен оси подвеса платформы (9), а гироскоп (12) используется в качестве чувствительного элемента ГС. В режиме АНВ ОС устанавливают в вертикальное положение по сигналам измерителей ускорений (13, 14), а ПР (5) разворачивают на 90°, превращая гироскоп (12) в двухкомпонентный измеритель угловой скорости. Платформу (9) вращают с постоянной скоростью, измеряют и записывают угол ее поворота и угловые скорости. По полученным данным вычисляется начальный азимут осей платформы (9). Использование ПР (5) позволяет реализовать в одном приборе алгоритмы измерения, основанные на использовании ГС, и алгоритмы АНВ, основанные на измерении горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли относительно двух осей, что способствует повышению точности определения начального азимута, а следовательно, и точности работы прибора. 4 ил., 3 табл.

Рисунки к патенту РФ 2528105

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

Изобретение относится к точному приборостроению и может быть использовано, например, для построения скважинных приборов (СП) непрерывных малогабаритных гироскопических инклинометров для обследования нефтяных, газовых и геофизических скважин, путем непрерывного движения СП в скважине при автономной начальной выставке в азимуте.

Известен гироскопический инклинометр (АС 1788224 СССР, МКИ E21B 47/02. Инклинометр. / Рогатых Н.П., Куклина Л.А. // БИ 1993, № 2).

Для построения гироинерциального блока используются два идентичных (селективно подобранных по дрейфам) гирополукомпаса (ГПК), оси наружных рамок которых совпадают с продольной осью СП. Каждый ГПК состоит из наружных рамок, в которых установлены гироузлы (внутренние рамки с гиромоторами), по осям подвеса установлены датчики углов, которые измеряют углы поворота корпуса СП относительно стабилизированных в пространстве векторов кинетических моментов.

Горизонтальные коррекции ГПК состоят из жидкостных МЧЭ (обычно датчики жидкостные маятниковые типа ДЖМ-9Б) и коррекционных моторов. Так как в ГПК векторы кинетических моментов должны быть повернуты относительно базовых рисок корпуса на равные углы, то приборы должны иметь систему механического арретирования или электрического арретирования, которая, как указывают авторы Рогатых Н.П. и Куклина Л.А., на схеме условно не показана. Но введение систем механического арретирования значительно усложнит конструктивно и, вероятно, увеличит диаметр СП, а для системы электрического арретирования необходимо по осям подвеса гироузлов дополнительно устанавливать коррекционные моторы, что также увеличивает диаметр СП.

К известным техническим решениям можно отнести измерительный блок инклинометра (АС 1827541 СССР, МКИ G01C 19/00. Измерительный блок инклинометра./ Галкин В.И. и др. // БИ 1993, 26).

Измерительный блок инклинометра состоит из магнитного гироскопа типа ГМП-М со сферическим ротором из магнитомягкого материала с цилиндрической полостью по оси его вращения, что необходимо для работы двухкоординатных датчиков углов и датчиков моментов.

Гироскоп ГМП-М с пассивным магнитным подвесом ротора может работать в качестве двухкомпонентного измерителя угловой скорости и трехкомпонентного измерителя ускорений. Для этого сигналы датчиков углов, измеряющие углы отклонения ротора относительно корпуса в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, через усилители с последовательно включенными масштабными резисторами, с которых снимаются сигналы, пропорциональные угловым скоростям, подключают к соответствующим входам двухкоординатного датчика моментов.

Недостатки: магнитный гироскоп имеет сложную конструкцию, а сам инклинометр по идеологии построения является точечным.

Известен также инклинометр гироскопического типа (Патент РФ 2004786, МКИ E21B 47/02. Инклинометр. / Белянин Л.Н. и др. // БИ № 45, от 15.12.1993).

В этой схеме гироинерциального модуля (ГИМ) рационально объединены два подхода: часть схемы является фрагментом бескарданной системы ориентации (БСО), содержащей двухкомпонентные акселерометр и датчик угловых скоростей (ДУС), жестко закрепленные на корпусе, с осями чувствительности, перпендикулярными продольной оси СП, а вторая часть схемы - классическим трехстепенным гироскопом (ТСГ) с маятниковой горизонтальной коррекцией. При этом из метода на основе БСО заимствуется принцип начальной выставки, но уже для вектора кинетического момента ТСГ, сигнал курсового датчика угла которого используется для формирования азимута скважины, причем в зависимости от режима функционирования - выставка или работа - в ТСГ включается или выключается горизонтальная коррекция.

Недостатки: наличие ТСГ в кардановом подвесе, у которого при искривлении скважины рамки имеют тенденцию к совмещению, а также значительные габариты по диаметру СП. Кроме того, при движении в скважине имеется вращение СП вокруг продольной оси, что отрицательно сказывается на измерениях акселерометра и ДУС.

Известен также гироскопический инклинометр (Патент РФ № 2030574, МКИ E21B 47/02. Способ определения азимута скважины в последовательных точках и гироскопический инклинометр. / Григорьев Н.И. и др. // Бюл. № 7, 10.03.95), гироинерциальный модуль (ГИМ) которого построен на базе двух акселерометров (измерителей ускорений) и двух двухкоординатных датчиков угловых скоростей (измерителей угловых скоростей) на основе трехстепенных гироскопов, например, динамически настраиваемых гироскопов, которые жестко закреплены на корпусе скважинного прибора. При этом датчики угловых скоростей в процессе формирования измерительной информации устанавливают последовательно в два положения, отличающиеся друг от друга разворотом на 180° относительно оси, перпендикулярной к осям измерения угловых скоростей, совпадающей с продольной осью СП.

Указанные гироинерциальные модули обуславливают инклинометру следующие недостатки: инклинометр работает только в точечном режиме, что увеличивает время обследования скважин и приводит к снижению производительности инклинометрических работ, кроме того, такая схема гироинерциального модуля не позволяет создавать малогабаритные инклинометры.

Известен гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, описанный в патенте РФ 2100594 «Способ определения азимута и зенитного угла скважины и гироскопический инклинометр». / Е.А.Порубилкин, B.C.Фрейман, С.В.Кривошеев и др. // БИ № 36, 1997, принятый за прототип, в котором гироинерциальный модуль построен на базе одноосного индикаторного гиростабилизатора.

Гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра содержит одноосный индикаторный гиростабилизатор, на платформе которого жестко установлены измерители ускорений с взаимно перпендикулярными осями чувствительности и ориентированными перпендикулярно оси стабилизации гиростабилизатора и трехстепенной гироскоп, второй датчик угла которого через усилитель стабилизации соединен с двигателем отработки, кинематически связанным с осью стабилизации, на которой закреплен выходной датчик угла, выполненный, например, в виде синусно-косинусного трансформатора, и блок цифровой обработки, к соответствующим входам которого подключены выходы выходного датчика угла гиростабилизатора, выходы измерителей ускорений и выход измерителя угловой скорости, причем первый выход блока цифровой обработки соединен с управляющим входом задатчика эталонного тока, сигнальный выход которого подключен к первому датчику момента гироскопа, расположенному на оси, перпендикулярной оси стабилизации, а второй и третий выходы блока цифровой обработки через каротажный кабель соединены с наземным вычислителем.

Для определения начальной ориентации осей чувствительности измерителей ускорений платформу, на которой они установлены, в соответствии со способом, приведенном в данном патенте, вращают в азимуте вокруг оси стабилизации (на один-два оборота). При этом по сигналам канала измерения угловой скорости трехстепенного гироскопа формируют массив измерений горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли и, используя процедуру численной оптимизации функции невязки, представляющей сумму квадратов разности эталонной угловой скорости

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 ,

где гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 в - средняя угловая скорость вращения платформы;

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 зг - горизонтальная составляющая угловой скорости вращения Земли;

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 - систематическая составляющая дрейфа гироскопа;

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 x1 - фазовый сдвиг, который является азимутальным углом осей чувствительности измерителей ускорений в момент начала выставки;

j - номер измерения;

и измеренной угловой скорости гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 j на всем наборе измерений, минимизируют ее по фазовому сдвигу, а азимутальный угол осей чувствительности измерителей ускорений в момент окончания выставки определяют по формуле

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 в-гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 1+гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 x1,

где гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 1, гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 в - углы поворота осей чувствительности измерителей ускорений относительно корпуса скважинного прибора вокруг оси стабилизации в моменты начала и окончания выставки соответственно.

Недостатком гироинерциального модуля прототипа является потенциально более низкая точность определения начального азимутального угла гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 хв, который является ключевым элементом при решении задачи навигации движения СП в скважине.

Применение двухкомпонентного измерителя угловой скорости в режиме начальной выставки позволяет получить избыточную информацию, что, как известно, способствует при определенной структуре алгоритмов повышению точности определения того параметра, который функционально связан с измеряемой величиной. В данном случае параметром является начальный азимутальный угол гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 хв, а измеряемой величиной - горизонтальная составляющая угловой скорости вращения Земли в проекции на измерительные оси двухкомпонентного измерителя угловой скорости.

Технический результат заявляемого изобретения состоит в повышении точности определения начального азимутального угла осей чувствительности измерителей ускорений гироинерциального модуля, построенного по схеме одноосного индикаторного гиростабилизатора, а следовательно, и в целом - повышению точности работы инклинометра.

Технический результат достигается тем, что в гироинерциальном модуле гироскопического инклинометра, содержащем одноосный гироскопический стабилизатор,

на платформе которого жестко установлены два измерителя ускорений с двумя взаимно перпендикулярными осями чувствительности, которые перпендикулярны оси стабилизации гиростабилизатора, трехстепенной гироскоп, по осям подвеса которого установлены датчики углов и датчики моментов, двигатель отработки, соединенный с выходом усилителя стабилизации и кинематически связанный с осью стабилизации, на которой закреплен выходной датчик угла, выполненный в виде синусно-косинусного трансформатора, и блок цифровой обработки, к первому и второму входам которого подключены выходы выходного датчика угла гиростабилизатора, к третьему и четвертому - выходы измерителей ускорений, к шестому - выход датчика температуры, а к пятому - второй сигнальный выход первого усилителя канала измерения угловой скорости, на сигнальный вход которого подключен выход датчика угла относительно оси подвеса внутренней рамы, а первый сигнальный выход первого усилителя канала измерения угловой скорости подключен к датчику момента относительно оси подвеса наружной рамы, при этом первый выход блока цифровой обработки соединен с управляющим входом задатчика эталонного тока, второй и третий выходы блока цифровой обработки через каротажный кабель подключены к наземному вычислителю, новым является то, что

что трехстепенной гироскоп установлен в поворотной раме, ось подвеса которой перпендикулярна оси стабилизации гироскопического стабилизатора, совпадает с осью чувствительности одного из измерителей ускорений и с которой кинематически связаны датчик угла позиционирования поворотной рамы и двигатель разворота, к входу которого через усилитель двигателя разворота подключен выход третьего управляемого коммутатора, первый и второй управляющие входы которого соединены с первым и вторым выходами логического устройства, первый сигнальный вход третьего управляемого коммутатора подключен ко второму выходу задатчика эталонного тока, первый выход которого подключен ко второму сигнальному входу третьего управляемого коммутатора и к сигнальному входу второго управляемого коммутатора, выход которого соединен с вторым входом усилителя стабилизации, первый вход которого соединен с первым сигнальным выходом первого управляемого коммутатора, управляющий вход которого соединен с третьим выходом логического устройства, четвертый выход которого соединен с управляющими входами первого и второго усилителей каналов измерения угловой скорости и управляющим входом второго управляемого коммутатора, сигнальный вход первого управляемого коммутатора соединен с датчиком угла относительно оси подвеса наружной рамы, второй сигнальный выход первого управляемого коммутатора соединен с сигнальным входом второго усилителя канала измерения угловой скорости, первый сигнальный выход которого соединен с датчиком момента относительно оси подвеса внутренней рамы, а к первому и второму входам логического устройства подключены четвертый и пятый выходы блока цифровой обработки, к седьмому входу которого подключен второй сигнальный выход второго усилителя канала измерения угловой скорости, а к третьему и четвертому входам логического устройства подключены третий и четвертый выходы преобразователя сигналов, первый и второй выходы которого соединены с третьим и четвертым сигнальными входами третьего управляемого коммутатора, а первый и второй входы преобразователя сигналов соединены с выходами датчика угла позиционирования поворотной рамы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, приведенными на фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, где

фиг.1 - структурно-кинематическая схема гироинерциального модуля гироскопического инклинометра;

фиг.2 иллюстрирует взаимное положение систем координат (СК) при повороте поворотной рамы на угол гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 ;

фиг.3 иллюстрирует взаимное положение СК при вращении осей, связанных с гироскопом и платформой, в процессе начальной азимутальной выставки;

фиг.4 поясняет работу датчика угла позиционирования рамы.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - гироинерциальный модуль (ГИМ) на базе одноосного гиростабилизатора (ГС), входящий в состав скважинного прибора (СП);

2 - каротажный кабель (КК);

3 - наземный вычислитель;

4 - первый управляемый коммутатор (имеет один управляющий вход, один сигнальный вход и два сигнальных выхода);

5 - поворотная рама;

6 - блок цифровой обработки (БЦО);

7 - задатчик эталонного тока (имеет управляющий вход и два выхода);

8 - датчик температуры;

9 - платформа ГС;

10 - выходной датчик угла, выполненный в виде синусно-косинусного трансформатора (СКТ);

11 - двигатель отработки (ДО);

12 - трехстепенной гироскоп (или двухканальный гироскоп);

13, 14 - измерители ускорений;

15 - первый усилитель канала измерения угловой скорости (имеет один управляющий вход, один сигнальный вход и два сигнальных выхода);

16 - усилитель стабилизации (УС);

17 - второй усилитель канала измерения угловой скорости (имеет один управляющий вход, один сигнальный вход и два сигнальных выхода);

18 - ротор трехстепенного гироскопа;

19 - внутренняя рамка (BP) трехстепенного гироскопа;

20 - наружная рамка (HP) трехстепенного гироскопа;

21 - датчик угла относительно оси подвеса BP (ДУ1);

22 - датчик момента относительно оси подвеса BP (ДМ1);

23 - датчик угла относительно оси подвеса HP (ДУ2);

24 - датчик момента относительно оси подвеса HP (ДМ2);

25 - логическое устройство (ЛУ) (имеет четыре входа и четыре выхода);

26 - двигатель разворота (ДР);

27 -датчик угла позиционирования рамы (ДУПР);

28 - усилитель двигателя разворота (УДР);

29 - преобразователь сигналов (имеет два сигнальных входа и четыре сигнальных выхода);

30 - второй управляемый коммутатор (имеет управляющий вход, сигнальный вход и сигнальный выход);

31 - третий управляемый коммутатор (имеет два управляющих входа, четыре сигнальных входа и один сигнальный выход);

XCYCZC - СК, связанная с корпусом СП, причем YC - продольная ось СП;

XnYnZn - СК, связанная с платформой 9, причем Yп - ось подвеса платформы, совпадает с осью YС СП;

XгYг Zг - СК, связанная с гироскопом 12 (оси Xг , Yг являются измерительными осями гироскопа в режиме двухканального ДУС, когда он повернут на угол гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°);

ХА, ZA - оси чувствительности измерителей ускорений 13 и 14, причем оси чувствительности совпадают с осями Хп, Zn платформы 9;

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 - угол поворота платформы 9 относительно корпуса;

UДО - входное напряжение ДО 11;

U ДР - входное напряжение ДР 26;

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 - выходные напряжения ЛУ 25;

UB - команда перехода к режиму выставки, подаваемая с БЦО 6 на ЛУ 25;

UИ - команда перехода к режиму измерения, подаваемая с БЦО 6 на ЛУ 25;

U гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0,Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90 - логические выходные сигналы, поступающие на ЛУ 25 от преобразователя сигналов 29 и соответствующие наличию или отсутствию выходных напряжений ДУПР 27 в заданных диапазонах;

Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 1, Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 2 - выходные напряжения преобразователя сигналов 29, пропорциональные углу отклонения рамы от положений гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0° и гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°, измеряемые ДУПР 27;

U1 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 U7 - входные напряжения БЦО 6;

U0, -U0 - выходные напряжения задатчика эталонного тока 7.

На фиг.2 и фиг.3 приняты следующие обозначения:

XgYgZg - земная географическая СК, причем ось Xg ориентирована на север (N), ось Yg ориентирована по местной вертикали, Zg дополняет систему координат до правой (направлена на восток);

XпjYпjZ пj, гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 - СК, связанная с платформой 9, j=1 соответствует положению платформы в начале выставки;

XпвY пвZпв - СК, связанная с платформой 9 в момент перехода к режиму измерения;

XгZ гZг - СК, связанная с гироскопом 12; (оси X г, Yг являются измерительными осями гироскопа в режиме двухканального ДУС, когда он повернут на угол гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°);

XгjYгj Zгj, гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 - СК, связанная с поворотной рамой 5 и гироскопом 12, причем в режиме выставки (гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°) ось Yгj совпадает с осью Zпj .; ось Xгj совпадает с осью Xпj; ось Z гj (вектор кинетического момента Н) направлена противоположно осям Yп и Yg;

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 j, гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , - угол поворота платформы 9, j=1 соответствует положению платформы в начале выставки;

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 B - угол поворота платформы 9 в момент перехода к режиму измерения;

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 - угол поворота поворотной рамы 5;

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 xj, гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 - азимут оси Xпj платформы 9 и соответственно оси чувствительности ХА акселерометра 13, j=1 соответствует положению платформы в начале выставки;

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 хв - азимут оси Хп платформы 9 в момент перехода к режиму измерения;

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 j - угол поворота платформы 9 относительно начального положения в режиме выставки.

На фиг.4 приняты следующие обозначения:

Yг1 - ось подвеса HP 20 гироскопа 12 при угле поворота поворотной рамы 5, равном гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 1; при таком положении ДУПР 27 измеряет угол гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0 отклонения поворотной рамы 5 от положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°;

Yг2 - ось подвеса HP 20 гироскопа 12 при угле поворота поворотной рамы 5, равном гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 2; при таком положении ДУПР 27 измеряет угол гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90 отклонения поворотной рамы 5 от положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°;

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 - зоны измерения углов отклонения поворотной рамы 5 от положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0° и гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°.

Гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра содержит платформу 9, на которой размещена полезная нагрузка в виде двух измерителей ускорений 13 и 14, оси чувствительности ХА, ZA которых взаимно перпендикулярны и перпендикулярны оси Yп подвеса платформы 9. Также на платформе 9 установлен гироскопический датчик 12, в качестве которого может использоваться трехстепенной гироскоп или двухканальный гироскоп (например, гироскоп с внутренним упругим подвесом или на сферической опоре). При этом углы поворота вектора гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 относительно корпуса составляют 1-2. Сущность изобретения поясняется на примере трехстепенного гироскопа 12, корпус которого устанавливается в поворотной раме 5, которая в свою очередь имеет возможность поворачиваться относительно оси Хп платформы 9 на угол гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 . Для поворота рамы используется двигатель разворота 26. На фиг.2 поворотная рама 5 (вернее СК, связанная с гироскопом) изображена в трех положениях: на фиг.2а (гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°) - в режиме измерения (оно же является исходным), фиг.2б - в промежуточном положении; на фиг.2в (гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°) - в режиме выставки.

При нулевом положении рамы 5 (гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°) ось Yг подвеса наружной рамки 20 гироскопа 12 совпадает с осью Yп подвеса платформы 9, ось Z г, по которой направлен вектор кинетического момента гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , перпендикулярна оси Yп платформы 9. Ось Х г подвеса внутренней рамы 19 гироскопа 12 совпадает с осью Хп и является осью поворота рамы 5.

На платформе 9 установлены упоры, ограничивающие угол поворота поворотной рамы 5 в пределах (0°-гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 ; 90°+гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 ), где гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =2гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 5° (см. фиг.4). Угол поворота гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 поворотной рамы 9 измеряется датчиком угла поворотной рамы 27, который измеряет отклонение гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0 рамы от положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0° или отклонение гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90 рамы от положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°. Соответственно с выходов датчика угла 27 снимаются напряжения, пропорциональные вышеуказанным отклонениям. В качестве датчика угла может использоваться, например, синусно-косинусный трансформатор, с синусной обмотки которого снимается сигнал, соответствующий отклонению гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0, а с косинусной - отклонению гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90. Другим вариантом реализации данного датчика угла является применение, например, индуктивного датчика угла, имеющего две зоны пропорциональности в положениях гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0° и гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°, величина которых относительно заданных положений равна гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =±(2гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 5)°. Если поворотная рама 5 находится вне зон пропорциональности, то выходные сигналы с датчиков углов будут отсутствовать.

Выход датчика угла 21, установленного по оси подвеса BP 19, через первый усилитель контура измерения угловой скорости 15 подключен к датчику момента 24 по оси подвеса HP, образуя контур измерения угловой скорости в проекции на ось подвеса BP. В режиме «измерение» этот контур является контуром электрического арретирования.

Выход датчика угла 23, установленного по оси подвеса HP 20, через первый управляемый коммутатор 4 и второй усилитель контура измерения угловой скорости 17 подключен к датчику момента 22 по оси подвеса BP 19, образуя контур измерения угловой скорости в проекции на ось подвеса HP в режиме «выставка». В режиме «измерение» выход датчика угла 23 через первый управляемый коммутатор 4 (второй вход - первый выход) и усилитель стабилизации 16 подключается на вход двигателя отработки 11, образуя контур индикаторной стабилизации.

Центральным звеном в управлении работой ГИМ является логическое устройство (ЛУ) 25, которое имеет четыре входа (логических) и четыре выхода (логических). На первый и второй входы ЛУ 25 поступают два управляющих сигнала UB и UИ . Эти сигналы формируются в БЦО 6 по команде наземного вычислителя 3, которая передается в цифровой форме последовательным кодом по каротажному кабелю 2. При этом сигналы UB и U И определяют режим работы в соответствии с таблицей № 1.

Таблица 1
UBUИ Режим работы
0 0Приведение и удержание поворотной рамы 5 в положении гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°
1 0Команда перехода к режиму «выставка», по которой поворотная рама 5 поворачивается и удерживается в положении гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°
1 1Непосредственно выставка, при которой платформа 9 вращается с постоянной скоростью, поворотная рама 5 при этом находится в положении гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°
0 1Команда перехода к режиму «измерение»
Примечание. Здесь и далее под записью, например, UB=1, следует понимать, что напряжение UB имеет высокий уровень, что соответствует логической единице, а под записью UB=0 следует понимать, что напряжение UB имеет низкий уровень, что соответствует логическому нулю.

На третий и четвертый входы ЛУ 25 поступают два управляющих сигнала U гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0 и Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90, которые формируются в преобразователе сигналов 29, входы которого подключены к выходам датчика угла позиционирования рамы 27. Причем преобразователь сигналов работает таким образом, что указанные напряжения имеют высокий уровень (соответствуют логической единице) при наличии выходного напряжения на соответствующих каналах ДУПР 27. При отсутствии выходного напряжения сигналы Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0 и Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90 имеют низкий уровень, что соответствует логическому нулю.

Выходные сигналы логического устройства определяются в соответствии с таблицей № 2.

В таблице приведены не напряжения U B, UИ, Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0, Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90, гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , а соответствующие им логические переменные X1 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 X4, Y1гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 Y4.

Таблица 2
№ этапаНазвание Вход Выход
UB UИUгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105
X1 X2 X3X4 Y1Y2 Y3Y4
1.Разворот в положение гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°0 001 001 0
2.Разворот в положение гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°0 000 001 0
3.Стабилизация нулевого положения0 010 011 0
4.Разворот в положение гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°1 010 101 0
5.Разворот в положение гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°1 000 101 0
6.Стабилизация положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°1 001 111 0
7.Вращение 11 01 111 1
8.Повторение этапа 10 001 001 0
9.Повторение этапа 20 000 001 0
10. Повторение этапа 30 010 011 0
11. Измерение0 110 010 0

Выходные сигналы ЛУ, приведенные в таблице № 2, могут быть получены с помощью следующих логических функций:

Y1=X1; гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 ; гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 Y4=X1гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 X2, в соответствии с которыми оно может быть реализовано.

Пояснение функции выходных сигналов ЛУ 25, приведенных в таблице:

1) гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 и гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 поступают на первый и второй управляющие входы третьего управляемого коммутатора 31;

2) гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 поступает на управляющий вход первого управляемого коммутатора 4;

3) гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 поступает на управляющие входы первого и второго усилителей каналов измерения угловой скорости 15 и 17, изменяя их коэффициенты усиления, при этом изменяются диапазоны измеряемых угловых скоростей.

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 в режиме арретирования, разворота дополнительной платформы и движения в скважине, когда корпус гироскопа может поворачиваться с большой угловой скоростью (диапазон - градусы в секунду).

Напряжение гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 в режиме выставки, когда измеряется горизонтальная составляющая угловой скорости вращения Земли (диапазон - десятки градусов в час).

Кроме того, сигнал гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 поступает на управляющий вход второго управляемого коммутатора.

Рассмотрим работу управляемых коммутаторов.

Первый управляемый коммутатор 4

Управляемый коммутатор 4 имеет один сигнальный вход и два сигнальных выхода. На сигнальный вход поступает выход датчика угла 23 по оси подвеса HP 20 гироскопа 12. Первый сигнальный выход подключен к первому входу усилителю стабилизации 16, а второй - к сигнальному входу второго усилителя контура измерения угловой скорости 17.

Управляемый коммутатор 4 управляется по сигналу гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , поступающему на его управляющий вход. Причем, если гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , то выход датчика угла 23 подключен к усилителю канала измерения угловой скорости 17, образуя контур арретирования (измерения угловой скорости). Если гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , то выход датчика угла 23 подключен к УС 16, образуя контур индикаторной стабилизации.

Второй управляемый коммутатор 30

Управляемый коммутатор 30 имеет один сигнальный вход и один сигнальный выход. На сигнальный вход подключен первый выход задатчика эталонного тока 7, который, при поступлении на его управляющий вход соответствующего сигнала от БЦО 6, формирует на первом выходе напряжение U0 .

Выход управляемого коммутатора подключен ко второму входу усилителя стабилизации 16.

По команде гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , поступающей на управляющий вход, второй управляемый коммутатор подключает ко второму входу усилителя стабилизации 16 первый выход задатчика эталонного тока 7. При этом платформа 9 начинает поворачиваться с постоянной скоростью. Если гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , задатчик эталонного тока отключен от усилителя стабилизации 16.

Третий управляемый коммутатор 31

Управляемый коммутатор 31 имеет четыре сигнальных входа, один сигнальный выход. На сигнальные входы подключены выходы задатчика эталонного тока 7 и выходы преобразователя сигналов 29. Задатчик эталонного тока при поступлении соответствующего сигнала от БЦО 6 формирует на своих выходах напряжения U0 и -U 0. На выходах преобразователя сигналов 29 формируются напряжения Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 1, Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 2, пропорциональные соответственно углам гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0 и гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90 отклонения рамы от положений гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0° и гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°, измеряемые ДУПР 27 и прошедшие преобразование в преобразователе сигналов 29.

Выход управляемого коммутатора 31 зависит от сигналов гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 и гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , поступающих на управляющие входы управляемого коммутатора, и определяется таблицей № 3

Таблица 3
гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 Выход
00-U0
01 Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 1=kгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0
1 0U0
11Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 2=kгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90

Напряжение с выхода третьего управляющего коммутатора 31 через усилитель двигателя разворота 28 поступает на двигатель разворота 26 поворотной рамы 5. При этом двигатель 26 начинает поворачивать раму 5 в одно из двух заданных положений гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0° или гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°.

ГИМ может работать в трех режимах:

«подготовка», «выставка» и «измерение».

Управление ГИМ осуществляется оператором с наземного вычислителя 3, который связан с блоком цифровой обработки (БЦО) 6 через каротажный кабель 2.

Режим «Подготовка».

В соответствии с таблицей № 2 режим состоит из этапов 1-6.

В начале работы скважинный прибор (СП) ГИ выставляется с помощью зажимов в вертикальное положение в устье скважины. На ГИМ ГИ подается питание, при этом ротор 18 гироскопа 12 начинает разгоняться, измерители ускорений 13 и 14 начинают работать.

На этапах 1-3 осуществляется приведение и стабилизация поворотной рамы в положении гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°. По команде оператора БЦО 6 формирует напряжения UB=0, UИ=0, поступающие на ЛУ 25. Сигналы UB, UИ сохраняют свое состояние на всем протяжении этапов 1-3.

Независимо от сигналов Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0 и Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90, а следовательно, и от положения поворотной рамы 5, ЛУ 25 формирует сигналы гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 и гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , которые сохраняют это состояние на протяжении этапов 1-3. Сигнал гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 поступает на управляющий вход первого управляемого коммутатора 4, который подключает выход ДУ 23 через второй усилитель канала измерения угловой скорости 17 к ДМ 22, образуя контур измерения угловой скорости (контур арретирования). Таким образом, образуются два контура арретирования. Первый контур состоит из ДУ 21, первого усилителя контура измерения угловой скорости 15, датчика момента 24 (этот контур работает на всем протяжении работы ГИМ ГИ). Второй контур состоит из ДУ 23, первого управляемого коммутатора 4, усилителя 17 и ДМ 22. Благодаря контурам арретирования, вектор кинетического момента приводится к положению, перпендикулярному оси подвеса платформы, и удерживается в нем. Другими словами, рамки гироскопа удерживаются в нулевом положении.

Сигнал гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 поступает на управляющий вход второго управляемого коммутатора 30 и управляющие входы первого и второго усилителей каналов измерения угловых скоростей 15 и 17. Так как гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , то усилители 15 и 17 настроены на большой диапазон измерения угловых скоростей. Второй управляемый коммутатор 30 по сигналу гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 отключает задатчик эталонного тока 7 от усилителя стабилизации 16, а следовательно, и от двигателя отработки 11. В результате чего платформа 9 остается неподвижной.

Выходные сигналы ЛУ 25 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 и гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , поступающие на управляемые входы третьего управляемого коммутатора 31, зависят от сигналов Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0 и Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90, поступающих от преобразователя сигналов 29, и определяют этапы работы ГИМ ГИ.

Этап 1.

Этап 1 начинается в случае, если поворотная рама 5 находится в положении, близком к гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°. При этом сигналы, поступающие на ЛУ 25 с преобразователя сигналов 29, принимают значения Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0=0, Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90=1. Согласно таблице № 2, выходные напряжения ЛУ 25 примут при этом значения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 . Согласно таблице № 3 по сигналам ЛУ 25 третий управляемый коммутатор 31 подключает к усилителю двигателя разворота (УДР) 28 напряжение - U0 , формируемое задатчиком эталонного тока. Выход УДР 28 подключен к двигателю разворота (ДР) 26, на который, соответственно, поступает напряжение

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

где kУДР - коэффициент усиления УДР 28.

Под действием напряжения UДР =-kУДРU0 поворотная рама 5 начинает поворачиваться в сторону нулевого положения. При этом, выходя из зоны измерения отклонения от положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°, сигнал Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90 становится равным Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90=0. Напряжение Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0 по-прежнему Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0=0. При этом осуществляется переход к этапу 2.

Этап 2

На этом этапе поворотная рама 5 занимает среднее положение, при котором отсутствуют сигналы обоих каналов датчика угла позиционирования рамы, при этом выходные напряжения преобразователя сигналов 29 принимают значения U гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0=0, Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90=0. Согласно таблице № 2 выходные напряжения ЛУ 25 примут значения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , как и на этапе 1. При этом поворотная рама 5 продолжает поворачиваться в сторону нулевого положения под действием напряжения

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

поступающего на ДР 26.

Когда поворотная рама подойдет к зоне измерения в области нулевого положения, появляется сигнал ДУПР 27 в канале измерения отклонения от положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°. При этом преобразователь сигналов 29 формирует сигнал Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0=1. Напряжение Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90 по-прежнему Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90=0. При этом осуществляется переход к этапу 3.

Этап 3.

На этом этапе поворотная рама 5 занимает положение, близкое к положению гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°. При этом выходные напряжения преобразователя сигналов 29 принимают значения Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0=1, Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90=0. Согласно таблице № 2 выходные напряжения ЛУ 25 примут значения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 . Согласно таблице № 3 по сигналам ЛУ 25 третий управляемый коммутатор 31 подключает к УДР 28 напряжение Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 ], поступающее с преобразователя сигналов 29 и пропорциональное углу отклонения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0 поворотной рамы 5 от положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°, измеренное ДУПР 27

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

Выход УДР 28 подключен к ДР 26, на который, соответственно, поступает напряжение

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

под действием которого ДР 26 доводит поворотную раму 5 в нулевое положение и удерживает (стабилизирует) раму в этом положении с заданной точностью.

После того как рама 5 приведена в нулевое положение с заданной точностью, оператору предлагается, пользуясь сигналами акселерометров выставить СП ГИ по вертикали с требуемой точностью.

Этап 4.

По окончании выставки СП по вертикали с требуемой точностью оператору предлагается перейти к развороту гироскопа на 90°. По команде оператора БЦО 6 формирует напряжения UВ=1, UИ=0, поступающие на ЛУ 25. Сигналы UB, UИ сохраняют свое состояние на всем протяжении этапов 4-6.

Независимо от сигналов Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0 и Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90, а, следовательно, и от положения поворотной рамы 5, ЛУ 25 формирует сигналы гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 и гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , как и на этапах 1-3. При этом, как было описано ранее, по сигналу гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 первый управляемый коммутатор 4 сохраняет подключение выхода ДУ 23 через второй усилитель канала измерения угловой скорости 17 к ДМ 22, образуя контур измерения угловой скорости (контур арретирования). Контуры арретирования необходимы для удержания вектора кинетического момента гироскопа 12 в положении, перпендикулярном плоскости рамы 5. По сигналу гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 усилители 15 и 17 по-прежнему настроены на большой диапазон измерения угловых скоростей, а напряжение, подаваемое на двигатель отработки 11, равно нулю. Платформа 9 остается неподвижной.

Выходные сигналы ЛУ 25 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 и гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , поступающие на управляющие входы третьего управляемого коммутатора 31, зависят от сигналов Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0 и Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90, поступающих от преобразователя сигналов 29. В начале этапа 4 поворотная рама 5 находится в положении, близком к гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°. Поэтому сигналы, поступающие на ЛУ 25 с преобразователя сигналов 29, принимают значения Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0=1, Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90=0. Согласно таблице № 2, выходные напряжения ЛУ 25 примут при этом значения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 . Согласно таблице № 3 по сигналам ЛУ 25 третий управляемый коммутатор 31 подключает к УДР 28 напряжение U0. Выход УДР 28 подключен к ДР 26, на который, соответственно, поступает напряжение

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

Под действием напряжения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 поворотная рама 5 начинает поворачиваться в сторону положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°. При этом, выходя из зоны измерения отклонения от положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°, сигнал Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0 становится равным Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0=0. Напряжение Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90 по-прежнему Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90=0. При этом осуществляется переход к этапу 5.

Этап 5

На этом этапе поворотная рама 5 занимает среднее положение, при котором отсутствуют сигналы обоих каналов датчика угла позиционирования рамы 27. При этом выходные напряжения преобразователя сигналов 29 принимают значения Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0=0, Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90=0. Так как UB=1, UИ=0, то согласно таблице № 3 выходные напряжения ЛУ 25 примут значения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , как и на этапе 4. При этом поворотная рама 5 продолжает поворачиваться в сторону положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90° под действием напряжения

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

поступающего на ДР 26.

Когда поворотная рама подошла к зоне измерения в области положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°, появляется сигнал в ДУПР 27 в канале измерения отклонения от положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°. При этом преобразователь сигналов 29 формирует сигнал Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90=1. Напряжение Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0 по-прежнему Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0=0. При этом осуществляется переход к этапу 6.

Этап 6.

На этом этапе поворотная рама 5 занимает положение, близкое к положению гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°. При этом выходные напряжения преобразователя сигналов 29 принимают значения Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0=0, Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90=1. Согласно таблице № 2 выходные напряжения ЛУ 25 примут значения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 . Согласно таблице № 3 по сигналам ЛУ 25 третий управляемый коммутатор 31 подключает к УДР 28 напряжение Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 2, поступающее с преобразователя сигналов 29 и пропорциональное углу гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90 отклонения поворотной рамы 5 от положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°, измеренное ДУПР 27

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

Выход УДР 28 подключен к ДР 26, на который, соответственно, поступает напряжение

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

под действием которого ДР 26 доводит поворотную раму 5 в положение гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90° и удерживает (стабилизирует) раму в этом положении с заданной точностью.

Режим «Выставка».

В соответствии с таблицей работы ЛУ25 режим состоит из этапа 7.

Этап 7.

По достижении гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90° с заданной точностью оператору предлагается перейти к режиму «Выставка». По команде оператора БЦО 6 формирует напряжения UВ=1, UИ=1, поступающие на ЛУ 25. Так как поворотная рама 5 при этом удерживается в положении гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90°, то сигналы, формируемые преобразователем сигналов 29, сохраняют состояние Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0=0, Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90=1. Согласно таблице № 2 выходные напряжения ЛУ 25 сохранят значения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 . При этом на ДР 26, согласно таблице № 3, по-прежнему поступает напряжение от УДР 28

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

под действием которого ДР 26 удерживает (стабилизирует) раму в положении гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =90° с заданной точностью.

Выходные напряжения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 и гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 ЛУ 25 принимают значения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 .

Сигнал гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 поступает на управляющий вход первого управляемого коммутатор 4, который по-прежнему образует контур измерения угловой скорости, состоящий из ДУ 23, первого управляемого коммутатора 4, усилителя 17 и ДМ 22.

Сигнал гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 поступает на управляющий вход второго управляемого коммутатора 30 и управляющие входы первого и второго усилителей каналов измерения угловых скоростей 15 и 17. Так как гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , то усилители 15 и 17 будут настроены на диапазон измерения, соответствующий угловой скорости вращения Земли. Со вторых выходов первого и второго усилителей канала измерения угловых скоростей 15 и 17 на БЦО 6 поступают сигналы, пропорциональные проекции угловых скоростей на измерительные оси гироскопа 12 (см. фиг.3).

Второй управляемый коммутатор 30 по сигналу гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 подключает напряжение U0, формируемое задатчиком эталонного тока 7, ко второму входу усилителя стабилизации 16, с выхода которого на ДО 11 поступает напряжение

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

где kу2 - коэффициент усиления УС 16 по второму входу. При этом ДО 11 начинает вращать платформу 9 с постоянной угловой скоростью (1-2%).

Во время вращения платформы 9 в дискретных точках измеряются и записываются проекции горизонтальной угловой скорости вращения Земли на оси Xгj и Yгj, а также показания СКТ 10.

По совершении N оборотов сигналы UВ и UИ принимают значения UB=0 и UИ =0. При этом состояние входных сигналов ЛУ 25 совпадает с состоянием входных сигналов на этапе 1, т.е. UВ=0, UИ =0, Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0=0, Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90=1 Таким образом, этапы 8, 9, 10 будут совпадать с этапами 1, 2, 3 соответственно.

Вращение платформы прекращается, а поворотная рама 5 возвращается в нулевое положение, которое необходимо на этапе измерения.

По сохраненным в наземном вычислителе массивам угловых скоростей и сигналов СКТ 10 вычисляется азимут осей платформы 9 (осей чувствительности измерителей ускорений) на момент начала выставки по формуле

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

где гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 х1 - азимут оси Хп1 платформы на момент начала выставки; гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 - измеренные гироскопом 12 проекции горизонтальной составляющей гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 зг угловой скорости вращения Земли; гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 j - приращение угла поворота платформы 9, отсчитываемого от ее положения в момент начала выставки.

Формула (11) получена на основании применения метода наименьших квадратов к массивам измеренных угловых скоростей и углов поворота платформы. При этом формируется функция невязки как сумма квадратов разности между измеренными гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 и эталонными угловыми скоростями гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 ,

где гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 ; гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 ;

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 дх, гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 дy - систематические составляющие дрейфа, которая в развернутом виде принимает вид

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 и минимизируется по трем параметрам гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 х1, гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 дх, гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 ду.

Условия минимизации - три уравнения, представляющие равенство нулю частных производных по искомым параметрам гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 х1, гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 дх, гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 ду

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 ;

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 ,

решением которых (при условии, что платформа совершает целое число оборотов) являются формула (11) и систематические составляющие дрейфа

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

Режим «Измерение»

Этапы 8-10.

Последовательность действий в этих этапах работы соответствует ранее рассмотренным этапам 1-3.

Этап 11.

По завершении начальной выставки и приведении поворотной рамы 5 в положение гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°, оператору предлагается перейти к режиму измерения. При поступлении от оператора соответствующей команды с БЦО 6 на ЛУ 25 поступают напряжения UB=0, UИ=1. Сигналы, поступающие с преобразователя сигналов 29, имеют значения Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0=1, Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 90=0. Согласно таблице № 2 выходные напряжения ЛУ 25 примут значения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 .

Согласно таблице № 3 по сигналам гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 , гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 третий управляемый коммутатор 31 подключает к УДР 28 напряжение Uгироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 1, поступающее с преобразователя сигналов 29 и пропорциональное углу отклонения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 0 поворотной рамы 5 от положения гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0°, измеренное ДУПР 27

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

Выход УДР 28 подключен к ДР 26, на который, соответственно, поступает напряжение

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

под действием которого ДР удерживает (стабилизирует) раму в положении гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 =0° с заданной точностью на всем протяжении режима измерения.

Сигнал гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 поступает на первый управляемый коммутатор 4, который подключает выход датчика угла 23 к первому входу УС 16, образуя контур индикаторной стабилизации.

По сигналу гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 усилитель 15 настраивается на большой диапазон измерения угловых скоростей. При этом контур, состоящий из ДУ 21, усилителя 15 и ДМ 24, выполняет функцию арретира. Второй управляемый коммутатор 30 по сигналу гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 отключает задатчик эталонного тока 7 от усилителя стабилизации 16, а следовательно, и от двигателя отработки 11. В результате чего платформа 9 управляется только по сигналам датчика углов 23 контура индикаторной стабилизации.

Для начала работы алгоритма измерения параметров скважины необходимо знать азимут гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 хв осей чувствительности акселерометров на момент начала измерения (см. фиг.3). Азимут гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 хв может быть определен как сумма вычисленного в результате выставки азимута ах] и угла, на которой повернулась платформа 9 от момента начала выставки до момента начала режима измерения (гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 B-гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 1)

гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105

где гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, патент № 2528105 B - угол поворота платформы 9 в момент начала измерения (на момент окончания выставки - см. фиг.3).

Полученный угол (16) используется для формирования начальной матрицы ориентации в соответствии со способом, приведенным в прототипе.

К вопросу о реализации гироинерциального модуля.

По идее построения ГИМ является измерительной системой с переменной структурой, у которой гироскоп в зависимости от режима работы меняет свою ориентацию на 90°. Если вектор кинетического момента гироскопа параллелен оси подвеса платформы, то он превращается в двухканальный измеритель угловой скорости. Если вектор кинетического момента гироскопа перпендикулярен оси подвеса платформы, то он превращается в датчик углов для индикаторной стабилизации платформы.

Как и в прототипе, выходными сигналами ГИМ являются: сигналы двух измерителей ускорений, сохраненный начальный азимут платформы, вычисленные систематические составляющие дрейфа гироскопа и выходные сигналы СКТ.

Предлагаемый ГИМ проектировался с таким расчетом, чтобы математическое обеспечение алгоритмов ориентации и навигации гироинклинометра в режиме «Измерение», когда скважинный прибор опускается (поднимается) в скважину на каротажном кабеле, оставалось без изменения, т.е. соответствовало бы алгоритмам прототипа.

Таким образом, предлагаемый ГИМ позволяет строить непрерывный ГИ с автономной азимутальной выставкой повышенной точности, алгоритм функционирования которого при спуске (подъеме) соответствует алгоритмам ГИ с одноосным индикаторным гиростабилизатором, как указано в патенте № 2100594 прототипа, СП которого имеет диаметр 73 мм.

Некоторые вопросы технической реализации.

1. В качестве гироскопа ГИМ в данном устройстве планируется применить серийный динамически настраиваемый гироскоп, например, ГВК-16.

2. Поворотной рамой при этом будет оправка с полуосями, к которой жестко крепится гироскоп.

3. Привод рамы: малогабаритный двигатель серии ДПР, который кинематически с помощью, например, безлюфтовых шестеренок будет передавать момент на ось поворотной рамы. Конструктивно ДПР будет размещен таким образом, чтобы размер СП по диаметру не увеличивался.

4. Двигатель отработки: серийный моментный двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов ДС-27 (аналогично прототипу).

5. Датчик угла позиционирования рамы, например, индуктивного типа, имеющий две зоны пропорциональности в области 0° и 90° угла поворота рамы.

6. Измерители ускорений - малогабаритные акселерометры АТ-1104.

7. Выходной датчик угла, выполненный в виде синусно-косинусного трансформатора (аналогично прототипу).

8. Электронные узлы могут быть реализованы на серийных аналоговых и цифровых схемотехнических элементах.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра, содержащий одноосный гиростабилизатор, на платформе которого жестко установлены два измерителя ускорений с двумя взаимно перпендикулярными осями чувствительности, которые перпендикулярны оси стабилизации гиростабилизатора, трехстепенной гироскоп, по осям подвеса которого установлены датчики углов и датчики моментов, двигатель отработки, соединенный с выходом усилителя стабилизации и кинематически связанный с осью стабилизации, на которой закреплен выходной датчик угла в виде синусно-косинусного трансформатора, и блок цифровой обработки, к первому и второму входам которого подключены выходы выходного датчика угла гиростабилизатора, к третьему и четвертому - выходы измерителей ускорений, к шестому - выход датчика температуры, а к пятому - второй сигнальный выход первого усилителя канала измерения угловой скорости, на сигнальный вход которого подключен выход датчика угла относительно оси подвеса внутренней рамы, а первый сигнальный выход первого усилителя канала измерения угловой скорости подключен к датчику момента относительно оси подвеса наружной рамы, при этом первый выход блока цифровой обработки соединен с управляющим входом задатчика эталонного тока, второй и третий выходы блока цифровой обработки через каротажный кабель подключены к наземному вычислителю, отличающийсятем, что трехстепенной гироскоп установлен в поворотной раме, ось подвеса которой перпендикулярна оси стабилизации гироскопического стабилизатора, совпадает с осью чувствительности одного из измерителей ускорений и с которой кинематически связаны датчик угла позиционирования поворотной рамы и двигатель разворота, к входу которого через усилитель двигателя разворота подключен выход третьего управляемого коммутатора, первый и второй управляющие входы которого соединены с первым и вторым выходами логического устройства, первый сигнальный вход третьего управляемого коммутатора подключен ко второму выходу задатчика эталонного тока, первый выход которого подключен ко второму сигнальному входу третьего управляемого коммутатора и к сигнальному входу второго управляемого коммутатора, выход которого соединен с вторым входом усилителя стабилизации, первый вход которого соединен с первым сигнальным выходом первого управляемого коммутатора, управляющий вход которого соединен с третьим выходом логического устройства, четвертый выход которого соединен с управляющими входами первого и второго усилителей каналов измерения угловой скорости и управляющим входом второго управляемого коммутатора, сигнальный вход первого управляемого коммутатора соединен с датчиком угла относительно оси подвеса наружной рамы, второй сигнальный выход первого управляемого коммутатора соединен с сигнальным входом второго усилителя канала измерения угловой скорости, первый сигнальный выход которого соединен с датчиком момента относительно оси подвеса внутренней рамы, а к первому и второму входам логического устройства подключены четвертый и пятый выходы блока цифровой обработки, к седьмому входу которого подключен второй сигнальный выход второго усилителя канала измерения угловой скорости, а к третьему и четвертому входам логического устройства подключены третий и четвертый выходы преобразователя сигналов, первый и второй выходы которого соединены с третьим и четвертым сигнальными входами третьего управляемого коммутатора, а первый и второй входы преобразователя сигналов соединены с выходами датчика угла позиционирования поворотной рамы.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2528105

patent-2528105.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс G01C19/44 для индикации вертикали 

Патенты РФ в классе G01C19/44:
способ определения зенитного угла и азимута скважины и гироскопический инклинометр -  патент 2507392 (20.02.2014)
гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра -  патент 2499224 (20.11.2013)
способ управления индикаторной гироскопической платформой и индикаторная гироскопическая платформа -  патент 2391630 (10.06.2010)
гироскопическая индикаторная платформа -  патент 2366896 (10.09.2009)
гироскопический датчик крена -  патент 2337314 (27.10.2008)
инерциальная платформа -  патент 2329467 (20.07.2008)
способ пуска гироскопа индикаторной гироскопической платформы и гироскопическая индикаторная платформа -  патент 2315264 (20.01.2008)
гироскопический инклинометр и способ определения угловой ориентации скважин -  патент 2282717 (27.08.2006)
способ измерения углов отклонения заданного направления от вертикали и поперечных ускорений посредством гидродинамических гироскопов, способ подвеса чувствительного элемента гидродинамического гироскопа с аксиальным смещением центра масс и способ определения его плавучести -  патент 2269097 (27.01.2006)
гироскопический датчик крена -  патент 2264597 (20.11.2005)

Класс E21B47/02 определение наклона или направления

Патенты РФ в классе E21B47/02:
забойная телеметрическая система -  патент 2509210 (10.03.2014)
способ начальной азимутальной ориентации непрерывного гироскопического инклинометра и устройство для его осуществления -  патент 2504651 (20.01.2014)
устройство для определения параметров заложения нисходящих наклонных шпуров и скважин -  патент 2503809 (10.01.2014)
способ начальной азимутальной выставки скважинного прибора гироскопического инклинометра и азимутальный модуль -  патент 2501946 (20.12.2013)
гироинерциальный модуль гироскопического инклинометра -  патент 2499224 (20.11.2013)
способ контроля искривления ствола скважины -  патент 2476668 (27.02.2013)
электрогенератор станка-качалки скважины -  патент 2472278 (10.01.2013)
способ строительства многозабойной скважины -  патент 2451150 (20.05.2012)
устройство для определения положения инструмента для формирования наклонных и горизонтальных скважин (варианты) -  патент 2410537 (27.01.2011)
устройство для контроля параметров траектории скважины -  патент 2372479 (10.11.2009)




Наверх