преобразователь азимута для инклинометра

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АЗИМУТА ДЛЯ ИНКЛИНОМЕТРА, содержащий генератор, подключенный первым входом через делитель частоты к цепям возбуждения, датчика азимута, выполненного в виде дифференциальных феррозондов с ортогональными и горизонтальными осями чувствительности, семь ключей, интегратор, усилитель и коммутатор, выходы которого подключены к управляющим входам первого, второго, третьего и четвертого ключей, а вход соединен с внешним генератором тактовых импульсов, выход четвертого ключа подключен параллельно конденсатору интегратора, к входу которого подключен выход пятого ключа, а к входам управления пятого и шестого ключей подключены второй и третий выходы генератора, выходы первого, второго и третьего ключей объединены, а входы подключены соответственно к сигнальным обмоткам феррозондов и через ограничитель тока к общему проводу схемы, отличающийся тем, что, с целью повышения качества выходных сигналов и повышения точности измерений при асинхронном аналого-цифровом преобразовании выходных сигналов, он снабжен вторым интегратором, параллельно конденсатору которого подключен седьмой ключ, объединенные выходы первого, второго и третьего ключей подключены через усилитель к входу пятого ключа, выход первого интегратора через шестой ключ соединен с входом второго интегратора, а управляющие входы четвертого и седьмого ключей объединены.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к промысловой геофизике и может использоваться в инклинометрах для определения магнитного азимута геофизических скважин.

Известен преобразователь наклона скважины и угла установки отклонителя бурового инструмента, содержащий генератор, подключенный к обмоткам возбуждения трех первичных трансформаторных преобразователей, связанных с тремя маятниками, аналоговый коммутатор, подключенный входами к сигнальным обмоткам первичных преобразователей, а выходом - через детектор, фильтр низкой частоты и преобразователь напряжение-временной интервал, подключенный к первому входу элемента И, первый двоичный счетчик, включенный между выходом элемента И и первым входом блока формирования кода, а также генератор прямоугольных импульсов, подключенный выходом к второму входу элемента И и через делитель частоты и второй двоичный счетчик к второму входу блока формирования кода и входу управления коммутатора [1].

Известно также устройство, включающее в себя последовательно соединенные избирательный усилитель, фазовый детектор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и реализующее способ измерения сигналов феррозондовых датчиков [2].

Недостатком известных устройств является низкое качество аналоговых сигналов на входах преобразователя напряжение-временной интервал в [1] и АЦП в [2], которое обусловлено значительным уровнем пульсаций, имеющих место вследствие недостаточно эффективной фильтрации выпрямленных сигналов датчиков (первичных преобразователей). Наличие пульсаций в конечном счете снижает разрешающую способность аналого-цифрового преобразования сигналов, ведет к необходимости уменьшения разрядности АЦП, потере точности преобразования и точности измерения параметров.

Уменьшение уровня пульсаций сигналов в известных устройствах может быть достигнуто только за счет увеличения порядка и добротности фильтров низких частот, а также за счет снижения их частоты среза. Однако все эти меры дают лишь относительный эффект, так как сопровождаются значительным усложнением, снижением экономичности и быстродействия преобразователей, что крайне нежелательно для скважинной аппаратуры.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является преобразователь азимута для телеизмерительной системы, который принят за прототип и содержит генератор, датчик азимута, выполненный в виде двух дифференциальных феррозондов с ортогональными осями чувствительности, коммутатор, четыре ключа, усилитель, интегратор, а также делитель частоты, преобразователь амплитуда-временной интервал, три дополнительных ключа и ограничитель тока (резистор). При этом делитель частоты включен между генератором и датчиком азимута, два ключа подключены одними выходами к сигнальным обмоткам датчика, третий ключ одним выводом через ограничитель тока соединен с общим проводом схемы, четвертый и пятый ключи также одними выводами соединены с входами интегратора, другие выводы указанных ключей объединены, шестой ключ подключен параллельно конденсатору интегратора, седьмой ключ включен между усилителем и преобразователем амплитуда-временной интервал, входы управления четвертого и пятого ключей подключены к генератору, а остальных ключей - к коммутатору, и выход интегратора соединен с входом усилителя [3].

Недостаток известного преобразователя состоит в том, что сигнал, снимаемый с выхода интегратора, имеет значительный уровень пульсаций, т.е. низкое качество, вследствие недостаточного подавления переменных составляющих выпрямленных сигналов феррозондов с помощью интегратора. Действие пульсаций при отсутствии синхронизации в работе генератора и преобразователя амплитуда-временной интервал проявляется в виде "дребезга" фронтов и длительности импульсов на выходе последнего, что обуславливает значительную случайную погрешность и низкую точность измерения.

Влияние пульсаций информационных сигналов в известном преобразователе можно частично скомпенсировать путем синхронизации работы генератора с тактовой частотой работы телеизмерительной системы. Поскольку частота генератора (2-3 кГц) значительно выше частоты работы системы (100-400 Гц), то синхронизация может быть осуществлена только с помощью устройств автоподстройки частоты или умножителей частоты. Однако эти устройства сложны в изготовлении и настройке, значительно усложняют преобразователь, снижают эффективность скважинной аппаратуры.

Кроме того, во многих приборах тактовая частота телесистемы не стабилизируется. В то же время частота возбуждения феррозондовых датчиков должна быть стабилизирована. В этом случае синхронизация работы генератора и телеизмерительной системы вообще невозможна.

Целью изобретения является повышение качества выходных сигналов и точности измерений при асинхронном аналого-цифровом преобразовании выходных сигналов.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого преобразователя азимута для инклинометра.

Преобразователь азимута содержит генератор 1, подключенный первым выходом через двигатель 2 частоты к цепям возбуждения датчика, состоящего из двух феррозондов 3, 4 с ортогональными и горизонтальными осями чувствительности, первый 5, второй 6 и третий 7 ключи, выходы которых подключены соответственно к сигнальным обмоткам феррозондов 3, 4 и через ограничитель 8 тока к общему проводу схемы, а выходы объединены и через усилитель 9, четвертый ключ 10, первый интегратор 11 и пятый ключ 12 подключены к входу второго интегратора 13, а также шестой 14 и седьмой 15 ключи, подключенные параллельно конденсаторам интеграторов 11, 13, и коммутатор 16, вход которого подключен к внешнему генератору тактовых импульсов (не показан), а выходы соединены с входами управления первого 5, второго 6 и третьего 7, а также к объединенным входам управления шестого 14 и седьмого 15 ключей. При этом входы управления четвертого 10 и пятого 12 ключей соединены соответственно с вторым и третьим выходами генератора 1.

Преобразователь азимута работает следующим образом.

Сигнал с первого выхода генератора 1 поступает на вход делителя 2 частоты, где формируется синусоидальное напряжение частотой для возбуждения феррозондов 3, 4. По второму, третьему выходам генератор 1 вырабатывает последовательности прямоугольных противофазных импульсов U₁₀, U₁₂ частотой для управления ключами 10, 12.

Коммутатор 16, на вход которого подаются низкочастотные тактовые импульсы Uт от внешнего генератора, формирует сигнал U₅, U₆, U₇, посредством которых последовательно открываются ключи 5, 6, 7, и вход усилителя 9 на интервале времени t₂-t₀ соединяется с сигнальной обмоткой феррозонда 3, на интервале времени t₄-t₂ - с сигнальной обмоткой феррозонда 4, а на интервале t₆-t₄ подключается через ограничитель 8 тока к общему проводу схемы преобразователя. В начале каждого из указанных интервалов времени производится сброс зарядов с конденсаторов интеграторов 11, 13, для чего по сигналу U_16-4, снимаемому с четвертого выхода коммутатора 16, на одинаковые короткие интервалы времени t₁-t₀, t₃-t₂, t₅-t₄ открываются ключи 14, 15. В течение интервалов времени t₂-t₁, t₄-t₃, t₆-t₅ протекают переходные процессы заряда конденсаторов интеграторов 11, 13 и на выходе преобразователя (выходе интегратора 13) соответственно устанавливаются напряжения:

U_вых1=КU₃+U₀;

U_вых2=KU₄+U₀; (1)

U_вых3=U₀,

где U₃, U₄ - средние за полупериод значения сигналов феррозондов 3, 4;

К - коэффициент передачи канала преобразования, включающего усилитель 9 и интеграторы 11, 13; U₀ - смещения нулевых уровней сигналов в канале преобразования, приведенные к выходу преобразователя.

Кроме рассмотренных выше сигналов коммутатор 16 формирует по пятому выходу сигнал U_16-5, который используется для запуска внешнего АЦП и совпадает с теми промежутками времени, когда сигнал на выходе преобразователя принимает установившиеся значения (2).

В установившемся режиме работы в схеме преобразователя протекают следующие процессы. В течение первого полупериода сигнала генератора Т₁открыт ключ 10 и конденсатор интегратора 11 заряжается полуволной усиленного с помощью усилителя 9 сигнала феррозонда U_вых9. В то же время через внутреннее выходное сопротивление усилителя 9 происходит разряд указанного конденсатора, поскольку он был заряжен от предыдущих полуволн сигнала феррозонда. В результате сигнал на выходе интегратора 11 имеет постоянную составляющую U_с, пропорциональную среднему за время Т₁значению сигнала феррозонда, и наложенную на нее переменную составляющую (пульсацию), среднее значение которой за время Т₁ равно нулю. В течение второго полупериода Т₂ ключ 10 закрыт, на конденсаторе интегратора 11 сохраняется заряд, соответствующий среднему значению сигнала феррозонда, и на выходе интегратора 11 действует постоянный сигнал U_c, не имеющий никаких пульсаций. Конденсатор интегратора 13 через открытый в течение Т₂ ключ 12 заряжается сигналом U_c. Поскольку процесс установившийся, т.е. сигнал феррозонда не меняется, то конденсатор к этому времени уже заряжен до напряжения U_c. Поэтому подключение интегратора 13 к выходу интегратора 11 лишь подтверждает заряд конденсатора в интеграторе 13, вследствие чего сигнал на выходе последнего U_вых= U_с представляет собой практически идеальное постоянное напряжение, у которого принципиально отсутствуют пульсации, обусловленные недостаточно эффективным подавлением переменных составляющих сигналов.

В процессе работы преобразователя производится измерение установившихся значений выходного сигнала (1). Вследствие того, что оси чувствительности феррозондов горизонтальны и ортогональны, средние значения сигналов феррозондов пропорциональны функциям азимута U₃=asin , U₄=acos , и вычисление азимута производится по алгоритму

_n= arctg ,, (2), с помощью которого исключается влияние смещения нулевых уровней сигналов U₀ на результат измерения.

В отношении конструкции преобразователя необходимо отметить, что коммутатор 16 по существу представляет собой распределитель импульсов и реализуется на широко распространенных цифровых микросхемах. Его конструкция в данном случае не является оригинальной. Интеграторы 11, 13 в целях унификации конструкции преобразователя целесообразно выполнять одинаковыми по схеме и параметрам.

Предлагаемый преобразователь азимута для инклинометра по сравнению с прототипом имеет более высокое качество аналоговых сигналов, предназначенных для преобразования в цифровую форму. Это достоинство обеспечивается тем, что в устройстве использован второй интегратор 13, на вход которого в установившемся режиме всегда подается постоянное напряжение. При этом вход второго интегратора никогда не соединяется с источником переменных во времени сигналов. Поэтому на выходе интегратора действует сигнал, который принципиально не имеет пульсаций. Последнее в сравнении с прототипом дает преимущества, которые имеют большую практическую ценность, а именно: существенное увеличение точности преобразования сигналов за счет увеличения разрядности используемого совместно с преобразователем АЦП; высокую точность измерений сигналов при отсутствии жесткой синхронизации в работе питающего феррозонды генератора, с одной стороны, и коммутатора и внешнего АЦП, с другой.

Лабораторные исследования показали, что помехи (пульсации) на выходе преобразователя обусловлены только коммутационными процессами при работе ключей, внешними помехами и шумами операционных усилителей. Уровень помех не превышает уровня 1,0 мВ при максимальном значении выходного сигнала 5,0 В, что позволяет использовать для работы сигналов 12-разрядный АЦП. Для сравнения, у прототипа уровень пульсаций на выходе интегратора составляет 20 мВ, что в лучшем случае дает возможность применить 10-разрядный АЦП.

Таким образом предлагаемое техническое решение обеспечивает увеличение точности преобразования сигналов феррозондов в среднем в 4 раза.

Согласно результатам метрологических испытаний погрешность измерения азимута в случае использования преобразователя составляет 0,6^о. При этом она определяется в основном нелинейностью характеристик феррозондов.