Инклинометр

Инклинометр относится к области измерительной техники и может быть использован при проведении геофизических исследований в процессе бурения при проводке горизонтальных и наклонно-направленных нефтяных и газовых скважин.
В настоящее время в инклинометрах используются последовательное считывание и обработка сигналов с первичных магнитометрических и акселерометрических датчиков. Так как последовательное считывание компонент, поступающих с первичных датчиков, занимает некоторый временной период, то в момент считывания каждой из компонент на результаты измерения оказывают влияние вибрации и температуры, значения которых могут отличаться в каждый момент считывания. Таким образом, применение последовательного считывания вносит погрешности в результаты измерений инклинометра.
Из уровня техники, патент ПМ № 89691 с приоритетом от 31.08.2009 г., известен инклинометр, содержащий корпус, в котором на немагнитной платформе установлен трехкомпонентный магнитометрический датчик и трехкомпонентный акселерометр, причем одна из осей датчика и одна из осей акселерометра коллинеарны продольной оси корпуса, а немагнитная платформа имеет демпфирующий амортизатор относительно корпуса.
Недостатком данного инклинометра является то, что считывание сигналов, поступающих с трёхкомпонентного акселерометра и трехкомпонентного магнитометрического датчика, происходит в многоканальном АЦП в последовательном режиме, что снижает скорость обработки сигналов и, в конечном итоге, влияет на точность измерений.
Самым близким по своей технической сущности является инклинометр, описанный в патенте ПМ №61789 с приоритетом от 09.11.2006 г. и содержащий трехкомпонентный акселерометр, трехкомпонентный магнитометр, цифровое процессорное устройство, датчик температуры, при этом в качестве акселерометра использованы два трехкомпонентных акселерометра: первый - высокостабильный с диапазоном, достаточным для измерения ускорения в 1g, и второй - с большим диапазоном, перекрывающим действующие на прибор виброускорения.
Недостатком данного технического решения является ограниченность скорости обработки замеряемых параметров из-за последовательного способа их обработки.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение точности измерений инклинометра при воздействии на него вибрации и температуры во время бурения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что инклинометр, содержащий корпус, трехкомпонентный магнитометр, два трехкомпонентных акселерометра, микроконтроллер, датчик температуры, отличающийся тем, что первый трехкомпонентный акселерометр (2) имеет диапазон измерения ускорения 18g, второй трехкомпонентный акселерометр (3) имеет диапазон измерения ускорения 1,7g, трехкомпонентный гироскоп (12), буферные усилители (5, 7, 9), аналого-цифровые преобразователи (АЦП) (6, 8, 10), параллельный интерфейс (11), встроенный АЦП (14), последовательные периферийные интерфейсы (13, 20), энергонезависимую память EEPROM (16, 17), CAN-шину (18), интерфейс RS-232 (19), прецизионный источник напряжения (21), прецизионный источник опорного напряжения (22) и линейный стабилизатор (23), при этом трехкомпонентный акселерометр (2) своими выходами соединен с входами буферного усилителя (5), выходы которого соединены с входами АЦП (6), трехкомпонентный акселерометр (3) соединен своими выходами с входами буферного усилителя (7), выходы которого соединены с входами АЦП (8), трехкомпонентный магнитометр (4) своими выходами соединен с входами буферного усилителя (9), выходы которого соединены с входами АЦП (10), трехкомпонентный гироскоп (12) своими выходами соединен с каждым входом буферных усилителей (5, 7, 9), а своим входом-выходом соединен через последовательный периферийный интерфейс (13) с микроконтроллером (1), выходы АЦП (6, 8, 10) соединены с входами параллельного интерфейса (11), выход которого соединен с микроконтроллером (1), датчик температуры (15) своим выходом соединен через встроенный АЦП (14) с микроконтроллером (1), выход прецизионного источника опорного напряжения (22) соединен с каждым входом АЦП (6, 8, 10), микроконтроллер (1) своими входами-выходами соединен с энергонезависимой памятью EEPROM (16, 17), CAN-шиной (18), последовательным периферийным интерфейсом (20), который своим входом-выходом соединен с интерфейсом RS-232 (19), выход прецизионного источника напряжения (21) соединен со всеми элементами для обеспечения питания, выходы линейного стабилизатора (23) соединены с входами микроконтроллера (1). Преимуществом предлагаемой полезной модели является одномоментное считывание сигналов с первичных магнитометрических и акселерометрических датчиков, при этом оказывается одинаковое вибрационное и температурное влияние на каждую из компонент первичных датчиков, что исключает дополнительную погрешность, вносимую в результаты измерений инклинометра при последовательном считывании данных.
Суть технического решения поясняется функциональной схемой, где на фигуре 1 изображены микроконтроллер 1, трехкомпонентный акселерометр 2 с диапазоном измерения ускорения 18g, трехкомпонентный акселерометр 3 с диапазоном измерения 1,7g, трехкомпонентный магнитометр 4, буферные усилители 5, 7, 9, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 6, 8, 10, трехкомпонентный гироскоп 12, параллельный интерфейс 11, последовательные периферийные интерфейсы 13 и 20, встроенный АЦП 14, датчик температуры 15, энергонезависимую память EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) 16 и 17, CAN-шину 18, интерфейс RS-232 19, прецизионный источник напряжения 21, прецизионный источник опорного напряжения 22, линейный стабилизатор 23.
Инклинометр работает следующим образом. Через заданные промежутки времени измеряются проекции двух независимых векторов: вектора ускорения свободного падения и вектора напряженности магнитного поля Земли на измерительные оси трехкомпонентных акселерометров 2 и 3, гироскопа 12 и трехкомпонентного магнитометра 4. С трехкомпонентных акселерометров 2, 3 и трехкомпонентного магнитометра 4 и гироскопа 12 аналоговые сигналы через буферные усилители 5, 7, 9 поступают на аналого-цифровые преобразователи АЦП 6, 8, 10, а с них через параллельный интерфейс 11 - в микроконтроллер 1. В микроконтроллере 1 формируется массив накопленных измерений, в результаты измерений первичных датчиков вводится поправка, учитывающая возможную неколлинеарность осей, а также температурная поправка на основании данных датчика температуры 15. Затем сигнал может быть передан через CAN-шину 18 в устройство передачи сигнала (на схеме не показано) в частотно-манипулированном виде. Для статических замеров используется трехкомпонентный акселерометр 2 с диапазоном измерений ускорения 1,7g, а для измерений в динамическом режиме, с вибрациями, превышающими диапазон 1,7g применен трехкомпонентный акселерометр 3 с диапазоном измерения 18g. Аналоговые сигналы с выходов трехкомпонентного акселерометра 2 AX1, AY1, AZ1, трехкомпонентного акселерометра 3 AX2, AY2, AZ2, трехкомпонентного магнитометра 4 MX, MY, MZ и гироскопа 12 GX, GY, GZ, поступают на входы буферных усилителей 5, 7, 9. Основными требованиями при выборе буферных усилителей 5, 7, 9 для требуемой точности измерения являются: достаточная полоса пропускания, высокая скорость нарастания выходного напряжения, размах выходного напряжения, малый уровень шума, малые искажения и незначительное напряжение смещения. Буферные усилители 5, 7, 9 обладают уровнем шума значительно ниже, чем требуемый для достижения необходимой точности. С выходов буферных усилителей 5, 7, 9 сигналы поступают на входы АЦП 6, 8, 10. Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) 6, 8, 10 осуществляют одновременную выборку измеряемых сигналов. После аналого-цифрового преобразования полученных сигналов оцифрованные данные с выходов АЦП 6, 8, 10 поступают на вход параллельного интерфейса 11. Параллельный интерфейс 11 своим выходом соединен с входом микроконтроллера 1. Микроконтроллер 1 осуществляет обработку полученных данных, производит расчет системы координат и вводит корректирующие поправки. С выхода датчика температуры 15 аналоговый сигнал Т поступает на вход внутреннего АЦП 14 микроконтроллера 1. Мониторинг температуры внутри инклинометра, осуществляемый микроконтроллером 1, позволяет вводить температурную поправку в результаты измерений акселерометров 2, 3 и магнитометра 4, а также гироскопа 12. Гироскоп 12 имеет встроенный АЦП (на схеме не показан), с выходов которого сигналы GX, GY, GZ в оцифрованном виде поступают на вход-выход последовательного периферийного интерфейса 13, а с входа-выхода последовательного интерфейса 13 – на вход-выход микроконтроллера 1. Оцифрованные данные гироскопа 12 используются микроконтроллером 1 для коррекции показаний (калибровки) инклинометра.  EEPROM 16 соединен своим входом-выходом с микроконтроллером 1 и хранит данные температурной и линейной коррекции. EEPROM 17 соединен своим входом-выходом с микроконтроллером 1 и хранит данные конфигурации инклинометра. Инклинометр имеет связь с устройством передачи сигнала (на схеме не показано) по CAN шине 18, соединенной своим входом-выходом с микроконтроллером 1 и по интерфейсу RS 232 19. Последовательный периферийный интерфейс 20 соединен своими входами-выходами с микроконтроллером 1 и с интерфейсом RS-232 19. Для улучшения характеристик буферных усилителей 5, 7, 9 и АЦП 6, 8, 10 применен прецизионный источник опорного напряжения 22. Прецизионный источник опорного напряжения 22 вырабатывает опорное напряжение +2,5 V и подключен своим выходом одновременно к входам нескольких прецизионных АЦП, что снижает разброс параметров отдельных АЦП. Для повышения стабильности работы инклинометра служит прецизионный источник напряжения 21, на вход которого поступает напряжение +6V. Прецизионный источник напряжения 21 обеспечивает питающим напряжением +5V все элементы схемы. Прецизионный источник напряжения 21 является критическим компонентом, оказывающим значительное влияние на параметры схемы сбора данных, и сильно влияет на разрешение и точность. Особенно важен температурный дрейф и начальная точность опорного напряжения. Поэтому в предлагаемой полезной модели использован прецизионный источник опорного напряжения 21 с малым температурным дрейфом (1 ppm/°C), что позволяет обеспечить высокую точность измерений. На вход линейного стабилизатора 23 поступает питающее напряжение +6 V. С выходов линейного стабилизатора 23 на входы микроконтроллера 1 подаются питающие напряжения: +5 V, +3,3 V, +1,8 V.