УСТОЙЧИВЫЙ К МЕХАНИЧЕСКИМ УДАРАМ УЗЕЛ МЭМС-АКСЕЛЕРОМЕТРА И СВЯЗАННЫЕ С НИМ СПОСОБ, УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА
MECHANICAL SHOCK RESISTANT MEMS ACCELEROMETER ARRANGEMENT, ASSOCIATED METHOD, APPARATUS AND SYSTEM

Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] По данной заявке испрашивается приоритет на основании предварительной заявки на патент США № 62/019,887, поданной 2 июля 2014 года, предварительной заявки на патент США № 62/021,618, поданной 7 июля 2014 года, и непредварительной заявки на патент США № 14/789,071, поданной 1 июля 2015 года, каждая из которых включена в настоящий документ в полном объеме путем ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Настоящее изобретение относится в общем к МЭМС-акселерометрам, и более конкретно - к блоку МЭМС-акселерометра, имеющему повышенную устойчивость к механическому удару, а также связанным с ним способу, устройству и системе.
Уровень техники
[0003] Акселерометры получили широкое распространение в современных электронных устройствах. В связи с этим, измерение ускорения вдоль трех ортогональных осей позволяет получить по существу полные характеристики ориентации устройства. Акселерометр, который выполнен с возможностью измерения ускорений вдоль трех ортогональных осей в одном удобном блоке, часто упоминается как трехосный акселерометр.
[0004] Во многих современных электронных системах акселерометры используются для широкого круга задач. В качестве общего примера можно определить рабочее состояние или физическую ориентацию ассоциированного устройства. В качестве еще одного конкретного примера устройства можно использовать акселерометр для обнаружения того, что жесткий диск находится в состоянии свободного падения с тем, чтобы можно было парковать головки считывания/записи дисковода в ожидании механического удара при неизбежном ударе. В качестве еще одного конкретного примера устройства можно привести современные сотовые смартфоны, которые, как правило, включают в себя акселерометр для определения ориентации смартфона для управления ориентацией отображения и для использования в широким диапазоне приложений, которые могут быть установлены на смартфоне. Следует отметить, потребность в акселерометрах, подходящих для электроники потребительского уровня, такой как сотовые смартфоны, привела к разработке трехосных МЭМС-акселерометров, которые имеют, как правило, низкую стоимость.
[0005] В качестве еще одного конкретного примера устройства, акселерометр можно использовать как часть передатчика, содержащегося в подземном инструменте в системе горизонтально-наклонного бурения для контроля ориентации и перемещения подземного инструмента. Такой контроль позволяет облегчить управление, а также контроль положения подземного инструмента. Как будет подробно описано ниже, следует признать, что использование акселерометров потребительского уровня низкой стоимости в устройстве, где акселерометр подвергается воздействию среды с механическими ударами и вибрацией, может привести к выходу из строя этих устройств. Хотя общая частота отказов исторически не является высокой, любой преждевременный отказ передатчика может привести к значительным проблемам, в том числе к простою рабочей бригады и оборудования до получения нового передатчика и к срыву срока выполнения работ, а также к дополнительным расходам, связанным с приобретением нового передатчика. В настоящее время эти акселерометры продолжают использоваться в промышленности из-за отсутствия определенной практической альтернативы.
[0006] В настоящем изобретении предложен новый подход, который предусматривает использование акселерометров потребительского уровня низкой стоимости при сильных механических ударах и воздействии вибрационной среды, тем самым повышая их надежность.
Раскрытие изобретения
[0007] Ниже описаны и иллюстрированы варианты осуществления и их аспекты совместно с системами, инструментами и способами, которые предназначены быть примерными и иллюстративными, а не ограничивающими объем изобретения. В различных вариантах осуществления были уменьшены или устранены одна или более из вышеупомянутых проблем, в то время как другие варианты осуществления направлены на другие области применения.
[0008] В общем, описаны узел акселерометра и способ, предназначенные для определения ускорений подземного инструмента вдоль трех ортогональных осей во время работы под землей, в ходе которой узел акселерометра подвергается воздействию среды с механическими ударами и вибрацией. В одном аспекте изобретения узел акселерометра включает в себя первый трехосный МЭМС-акселерометр и второй трехосный МЭМС-акселерометр, каждый из которых включает в себя набор из трех ортогонально размещенных осей чувствительности акселерометра, в том числе пару осей чувствительности, лежащих в одной плоскости, и нормальную ось чувствительности таким образом, чтобы нормальная ось чувствительности была подвержена более высокому уровню отказов в ответ на механический удар и вибрацию, чем оси чувствительности, лежащие в одной плоскости. Опорная конструкция поддерживает первый и второй трехосные акселерометры таким образом, чтобы нормальная ось чувствительности первого трехосного акселерометра была по меньшей мере в общем ортогональной к нормальной оси чувствительности второго трехосного акселерометра. Процессор определяет ускорение вдоль трех ортогональных осей на основании комбинации выходных сигналов осей чувствительности из одного или обоих из первого и второго трехосных акселерометров.
[0009] В другом аспекте узел акселерометра включает в себя первый трехосный МЭМС-акселерометр (акселерометр, выполненный по технологии микроэлектромеханических систем) и второй трехосный МЭМС-акселерометр, каждый из которых включает в себя более слабую ось чувствительности, которая более восприимчива к механическим ударам и вибрации, чем две другие оси чувствительности. Опорная конструкция поддерживает первый и второй трехосные акселерометры таким образом, чтобы более слабая ось чувствительности первого трехосного акселерометра была по меньшей мере приблизительно нормальной к более слабой оси чувствительности второго трехосного акселерометра. Процессор определяет ускорение вдоль трех ортогональных осей на основании комбинации выходных сигналов осей чувствительности от первого и второго трехосных акселерометров без использования более слабой оси чувствительности каждого из первого и второго трехосных акселерометров.
[0010] В еще одном аспекте узел акселерометра включает в себя первый блок акселерометра и второй блок акселерометра, каждый из которых включает в себя одну или более осей чувствительности таким образом, чтобы первый и второй блоки акселерометров совместно обеспечивали в итоге по меньшей мере четыре оси чувствительности для проведения измерений вдоль трех ортогональных осей. Опорная конструкция поддерживает первый и второй акселерометры таким образом, чтобы по меньшей мере одна ось чувствительности первого блока акселерометра была резервной по отношению по меньшей мере к одной оси чувствительности второго блока акселерометра. Процессор выполнен с возможностью выбора комбинации трех осей чувствительности из общего количества осей чувствительности для определения ускорения вдоль трех ортогональных осей.
[0011] В еще одном варианте осуществления узел акселерометра включает в себя первый трехосный МЭМС-акселерометр и второй трехосный МЭМС-акселерометр. Опорная конструкция поддерживает первый и второй трехосные акселерометры таким образом, чтобы первый трехосный акселерометр опирался на первую плоскость, которая образует угол по меньшей мере приблизительно 45 градусов по отношению ко второй плоскости, на которую опирается второй трехосный акселерометр. Процессор определяет ускорение вдоль трех ортогональных осей на основании комбинации выходных сигналов осей чувствительности от первого и второго трехосных акселерометров.
Краткое описание чертежей
[0012] Примерные варианты осуществления проиллюстрированы со ссылкой на чертежи. Предполагается, что варианты осуществления и чертежи, раскрытые в данном документе, являются иллюстративными, а не ограничивающими.
[0013] Фиг.1 - схематичный вид в вертикальной проекции передатчика согласно настоящему изобретению, в котором используются двойные трехосные МЭМС-акселерометры.
[0014] Фиг.2 - схематичный перспективный вид узла акселерометра передатчика в варианте осуществления, показанном на фиг.1.
[0015] Фиг.3 - схема, иллюстрирующая вариант осуществления передатчика (фиг.1).
[0016] Фиг.4 - блок-схема, которая иллюстрирует работу передатчика в варианте осуществления, показанном на фиг.1.
[0017] Фиг.5 и 6 - схематичные виды в перспективе узла акселерометра в варианте осуществления, показанном на фиг.1.
[0018] Фиг.7 - блок-схема, иллюстрирующая вариант осуществления способа функционирования передатчика в соответствии с настоящей заявкой на основании таблицы приоритетов комбинаций осей чувствительности, полученных из двух или более акселерометров.
[0019] Фиг.8 - схематичная иллюстрация в перспективном виде другого варианта осуществления для поддержки двухкомпонентных акселерометров в соответствии с настоящим изобретением, где акселерометры опираются на плоскости, которые не нормальны по отношению друг к другу.
Осуществление изобретения
[0020] Нижеследующее описание представлено для того, чтобы специалисты в данной области техники могли осуществить и использовать настоящее изобретение, и выполнено в контексте заявки на патент и требований к ней. Различные модификации описанных вариантов осуществления будут очевидны специалистам в данной области техники, и общие принципы, изложенные в данном документе, можно применить в других вариантах осуществления. Таким образом, настоящее изобретение не предназначено для ограничения показанного варианта осуществления, но должно соответствовать самому широкому объему в соответствии с принципами и признаками, описанными здесь, включая модификации и эквиваленты, как это определено в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Следует отметить, что чертежи не обязательно выполнены в масштабе и являются схематичными по своему характеру, чтобы они, как предполагается, лучше иллюстрировали интересующие признаки. Эта терминология используется для того, чтобы облегчить понимание описания для читателя, и не предназначена для ограничения. Кроме того, в целях иллюстративной ясности чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
[0021] Обратимся теперь к чертежам, на которых одинаковые компоненты обозначены одинаковыми ссылочными позициями на всех различных чертежах, основное внимание направлено непосредственно на фиг.1, которая схематично иллюстрирует вариант осуществления передатчика, показанного в общем ссылочной позицией 10, для использования в системе горизонтально-наклонного бурения. Передатчик 10 поддерживается подземным инструментом 14, таким, например, как буровой инструмент для выполнения буровых работ, или устройством контроля натяжения, используемым с инструментом для расширения скважин снизу вверх для выполнения операции подъема бурового инструмента. Как станет очевидно, настоящее изобретение рассматривается по отношению к любому применению, в котором некоторые компоненты подвергаются воздействию среды с механическими ударами и вибрацией.
[0022] Передатчик 10 включает в себя процессор 20, обменивающийся данными с секцией 22 передатчика, которая соединена с антенной 24 для излучения сигнала 28, такого, например, как сигнала определения местоположения, который может быть дипольным сигналом. Передатчик может включать в себя продольную ось 30, которая может по меньшей мере в общем совпадать с продольной осью подземного инструмента 14 тогда, когда передатчик установлен в нем. Следует отметить, что в целях иллюстративной ясности на фиг.1 не показаны монтажные соединения между компонентами, но понято, что они присутствуют. В другом варианте осуществления секция 10 передатчика может содержать приемопередатчик также для приема входящего электромагнитного сигнала. В еще одном варианте осуществления наземную связь можно реализовать с использованием бурильной колонны (не показана), которая прикреплена к подземному инструменту 14 в качестве электрического проводника, как описано, например, в опубликованной заявке на патент США №2013/0176139, которая включена в настоящий документ в полном объеме путем ссылки. Следует иметь в виду, что сведения, изложенные здесь, остаются применимыми независимо от конкретного реализуемого пути или путей обмена данными. Любую подходящую комбинацию датчиков можно выполнить в виде части передатчика, такого, например, как датчик 32 давления, датчик 36 температуры и узел 40 акселерометра. Данные, собранные процессором 20 от этих различных датчиков, можно передать, например, с помощью модулирующих сигналов 28.
1
1
1
2
2
2
2
1
[0023] Обращаясь к фиг.2 совместно с фиг.1, в одном варианте осуществления узел 40 акселерометра содержит узел МЭМС-акселерометра, который поддерживается внутри трансмиттера 10. Узел МЭМС-акселерометра включает в себя первый трехосный МЭМС-акселерометр 44a и второй трехосный МЭМС-акселерометр 44b. Следует отметить, что эти акселерометры могут обозначаться в общем ссылочной позицией 44. На фиг.2 показан увеличенный схематичный вид в перспективе блока 40 МЭМС-акселерометра. Первый трехосный МЭМС-акселерометр 44a включает в себя ортогональные оси x, y и zчувствительности, в то время как второй трехосный МЭМС-акселерометр 44b включает в себя ортогональные оси x, y и z чувствительности. Следует отметить, что оси x и zмогут по меньшей мере приблизительно совпадать или быть параллельными продольной оси 30, хотя это не требуется. Трехосные акселерометры могут поддерживаться и могут быть электрически соединены любым подходящим способом. В данном примере первая печатная плата 50 поддерживает и электрически соединяет трехосный МЭМС-акселерометр 44a, в то время как вторая печатная плата 52 поддерживает и электрически соединяет второй трехосный МЭМС-акселерометр 44b. В общем, можно использовать одно и тоже обозначение для обоих трехосных МЭМС-акселерометров, хотя это не требуется. Трехосные МЭМС-акселерометры могут быть недорогими МЭМС-акселерометрами потребительского уровня, такими, например, как МЭМС-акселерометры, используемые в сотовых телефонах. Одним неограничивающим примером такого трехосного акселерометра потребительского уровня является акселерометр MMA 8451 Q, производимый компанией Фрискейл Семикондактор (Freescale Semiconductor). В настоящем варианте осуществления акселерометры 44 выполнены с интерфейсом I2C для того, чтобы процессор 20 имел доступ к показаниям вдоль каждой оси путем считывания из специфических ячеек памяти, расположенной в каждом трехосном акселерометре, хотя можно использовать любую подходящую форму интерфейса, в том числе аналоговую.
[0024] Трехосные МЭМС-акселерометры стали наиболее широко доступным и во многих случаях наименее дорогостоящими акселерометрами, имеющимися на рынке. Эти акселерометры стали широко распространенными в приложениях, начиная от сотовых телефонов и заканчивая игрушками. Однако при подземном бурении акселерометры могут подвергаться механическим ударам более высокого и/или более продолжительного уровня, который в некоторых случаях может превышать пороговые значения, для которых эти компоненты обычно разработаны. В частности, пришли к выводу, что ось z, которая может упоминаться как нормальная ось или более слабая ось трехосных МЭМС-акселерометров, как правило, выходит из строя чаще, чем другие оси, которые могут упоминаться как оси, лежащие в одной плоскости, при воздействии экстремальных ударных нагрузок, что приводит к ограничению общих эксплуатационных характеристик компонента. Производители систем определения местоположения используют эти компоненты, несмотря на это ограничение при отсутствии более подходящей альтернативы. Указания, которые четко выявлены в данном документе, компенсируют это ограничение, обеспечивая при этом возможности для достижения значительно более высокого уровня надежности при использовании этих акселерометров в приложениях подземного бурения или других условиях экстремальных механических ударных нагрузок.
1
2
1
1
2
2
1
2
2
1
2,
1
1
2
2
1
[0025] Как лучше всего видно на перспективном виде, показанном на фиг.2, МЭМС-акселерометр 44a установлен ортогонально МЭМС-акселерометру 44b, поэтому ось z акселерометра 44a по меньшей мере приблизительно ортогональна оси z акселерометра 44b, и плоскость x, y по меньшей мере приблизительно ортогональна плоскости x, y. Следует отметить, что оси чувствительности x и y данного акселерометра могут упоминаться как оси, лежащие в одной плоскости, так как эти оси определяют плоскость, которая по меньшей мере в общем параллельна поверхности, на которую опирается блок трехосного акселерометра, в то время как ось z может упоминаться как нормальная ось. В варианте осуществления показания акселерометра для трех ортогонально расположенных осей можно получить на основании результатов измерений вдоль оси x акселерометра 44a, а также вдоль осей x и y акселерометра 44b, поэтому показания акселерометра x используются вместо показаний zполученных из акселерометра 44b. В другом варианте осуществления показания акселерометра можно получить на основании измерений вдоль осей x и y акселерометра 44a и вдоль оси x акселерометра 44b таким образом, чтобы показания x акселерометра использовались вместо показаний z от акселерометра 44a. В любом из этих вариантов осуществления не требуются показания датчика от осей z двухкомпонентных акселерометров. Другими словами, два блока трехосных МЭМС-акселерометров можно установить нормально и ортогонально друг другу, тем самым обеспечивая замену акселерометра, лежащего в нормальной плоскости в одном блоке, на акселерометр, лежащий в одной плоскости в другом блоке. Это решение обеспечивает более простое резервирование за счет использования многочисленных акселерометров стандартным способом (т.е. за счет использования всех трех осей), так как устройство будет по-прежнему подвержено возможному отказу оси z. Напротив, предлагаемая заявителем конфигурация специально разработана для устранения выявленного самого слабого звена в этих компонентах, а именно оси z.
[0026] Обращаясь к фиг.3, показана схема варианта осуществления передатчика 10. Повторное описание подобных компонентов не будет приведено для краткости изложения. В настоящем варианте осуществления интерфейс 100 I2C обеспечивает соединение трехосных МЭМС-акселерометров 44a и 44b с CPU 20. Датчик 32 давления и датчик 36 температуры могут обмениваться данными с процессором 20, используя аналого-цифровой преобразователь 104, если эти датчики представляют собой аналоговые датчики.
1
2
2
[0027] На фиг.4 показана блок-схема, которая иллюстрирует один вариант осуществления способа, показанного в общем ссылочной позицией 200, функционирования передатчика 10 в соответствии с настоящим изобретением. Способ начинается на этапе 204 и продолжается на этапе 208, на котором производится считывание оси x акселерометра 44a. На этапе 210 ось x акселерометра 44b считывается после считывания оси y акселерометра 44b на этапе 212. Различные оси акселерометра можно считывать по отдельности в любом подходящем порядке или комбинации на основании параметра или параметров, которые определяются. Такие параметры включают в себя, посредством неограничивающего примера, тангаж и крен подземного инструмента 14. На этапе 216 показания акселерометра используются для выполнения определения, такого, например, как параметры ориентации по тангажу и/или крену.
[0028] На чертежах 5 и 6 показаны схематичные виды в перспективе варианта осуществления узла 40 акселерометра, показанного здесь для дальнейших иллюстративных целей.
1
2
2
1
2
2
[0029] Следует иметь в виду, что в дополнение к обеспечению надежного узла акселерометра, использующего недорогие трехосные МЭМС-акселерометры, вышеизложенные варианты осуществления обеспечивают еще больше преимуществ. Например, можно обеспечить дублирование по отношению к показаниям акселерометра. Обращаясь к фиг.2, в варианте осуществления, в котором используются оси x, x и y, ось yакселерометра 44a не используется, и вместо нее можно использовать ось y акселерометра 44b в случае, например, если происходит отказ оси y.
[0030] Указания, которые были четко выявлены выше, можно легко применить к другим вариантам осуществления, которые рассматриваются как находящиеся в пределах объема настоящей заявки до тех пор, пока данный вариант осуществления избегает использования на практике более слабой оси. Например, в одном варианте осуществления узел двухкомпонентного акселерометра может содержать пару двухосных акселерометров, поэтому нормаль z или более слабая ось не присутствует в каждом акселерометре, и двухкомпонентные акселерометры поддерживаются по меньшей мере приблизительно нормальными или ортогональными друг к другу с тем, чтобы ось, лежащая в плоскости одного из двухосных акселерометров, служила в качестве оси z или нормальной осью трехосного акселерометра. В другом варианте осуществления трехосный акселерометр может образовывать пару с двухосным акселерометром таким образом, чтобы ось в плоскости двухосного акселерометра поддерживалась для работы вместо более слабой оси z или нормальной оси трехосного акселерометра. В еще одном варианте осуществления трехосный акселерометр может образовывать пару с одноосным акселерометром таким образом, чтобы одноосный акселерометр поддерживался для работы вместо более слабой оси z или нормальной оси трехосного акселерометра. И в еще одном варианте осуществления трехосный акселерометр, имеющий пару акселерометров в одной плоскости, может образовывать пару с одноосным акселерометром таким образом, чтобы одноосный акселерометр размещался по меньшей мере приблизительно нормально или ортогонально акселерометрам, лежащим в одной плоскости, двухосного акселерометра.
[0031] Хотя вышеизложенные указания предусматривают в общем гораздо более стойкий блок акселерометра, дополнительную прочность можно получить за счет использования двух трехосных блоков, как будет описано ниже.
[0032] Следует иметь в виду, что два трехосных блока могут обеспечить восемь комбинаций акселерометров, которые могут служить в качестве одного трехосного акселерометра с двумя акселерометрами, доступными для каждой оси декартовой системы координат. В таблице 1 перечислены комбинации с учетом осей акселерометра, показанных на фиг.2. Следует отметить, что ряд основных осей координат Χ, Υ, Ζ показан на фиг. 2 таким образом, что последний столбец таблицы 1 показывает знак, связанный с соответствующей основной осью координат для каждой оси чувствительности данной комбинации.
Таблица 1. Имеющиеся комбинации осей для двойных трехосных акселерометров
№ комбинации
Комбинации осей
Основные оси координат
Угол тангажа
Угол крена
1*
x<sub>2</sub>, y<sub>2</sub>, x<sub>1</sub>
X, Y, Z
sin<sup>-1×</sup><sub>2</sub>
tan<sup>-1</sup>(<i>x</i><sub><i>1</i></sub><i>/y</i><sub><i>2</i></sub>)
2
x<sub>2</sub>, y<sub>1</sub>, z<sub>2</sub>
X, -Y, Z
sin<sup>-1×</sup><sub>2</sub>
tan<sup>-1</sup>(<i>z</i><sub><i>2</i></sub><i>/y</i><sub><i>1</i></sub>)
3
z<sub>1</sub>, y<sub>2</sub>, z<sub>2</sub>
X, Y, Z
sin<sup>-1</sup><i> z</i><sub><i>1</i></sub>
tan<sup>-1</sup>(<i>z</i><sub><i>2</i></sub><i>/y</i><sub><i>2</i></sub>)
4*
x<sub>2</sub>, y<sub>1</sub>, x<sub>1</sub>
X, -Y, Z
sin<sup>-1×</sup><sub>2</sub>
tan<sup>-1</sup>(<i>x</i><sub><i>1</i></sub><i>/y</i><sub><i>1</i></sub>)
5
z<sub>1</sub>, y<sub>2</sub>, z<sub>2</sub>
X, Y, Z
sin<sup>-1</sup><i> z</i><sub><i>1</i></sub>
tan<sup>-1</sup>(<i>x</i><sub><i>1</i></sub><i>/y</i><sub><i>2</i></sub>)
6
z<sub>1</sub>, y<sub>1</sub>, z<sub>2</sub>
X, -Y, Z
sin<sup>-1</sup><i> z</i><sub><i>1</i></sub>
tan<sup>-1</sup>(<i>z</i><sub><i>2</i></sub><i>/y</i><sub><i>1</i></sub>)
7
z<sub>1</sub>, y<sub>1</sub>, z<sub>1</sub>
X, -Y, Z
sin<sup>-1</sup><i>z</i><sub><i>1</i></sub>
tan<sup>-1</sup>(<i>x</i><sub><i>1</i></sub><i>/y</i><sub><i>1</i></sub>)
8
x<sub>2</sub>, y<sub>2</sub>, x<sub>2</sub>
X, Y, Z
sin<sup>-1×</sup><sub>2</sub>
tan<sup>-1</sup>(<i>z</i><sub><i>2</i></sub><i>/y</i><sub><i>2</i></sub>)
* - повышенная надежность
[0033] Как обозначено звездочками в таблице 1, имеются две комбинации 1 и 4, которые обеспечивают чрезвычайно стойкий к механическим воздействиям узел за счет полного устранения использования нормального акселерометра в обоих блоках акселерометров.
[0034] Для комбинаций 1, 2, 4 и 8 угол тангажа, который обозначен как , определяется с помощью уравнения:
(l)
[0035] Хотя угол крена, обозначенный как β, для комбинаций 1 и 5, приведен посредством примера в виде:
(2)
[0036] И угол крена для комбинаций 2 и 6 приведен посредством примера в виде:
(3)
[0037] Заявители принимают во внимание, что правильные функциональные возможности каждой комбинации, приведенной в таблице 1, можно проверить путем суммирования квадратов трех ускорений для каждой комбинации. Сумма должна быть равна ускорению силы тяжести g в квадрате. Представим три показания акселерометра для каждой комбинации обобщенно с использованием переменных a, b и c:
g =
+b
+c
22
2
2
(4)
2
2
[0038] В реальной практике предельное значение диапазона можно определить по сумме квадратов в уравнении (4) с учетом точности акселерометров и других ошибок измерений таким образом, что акселерометры, связанные с конкретной суммой уравнения (4), можно считать правильно работающими до тех пор, пока сумма находится в пределах  и . Подходящие значения для  и , посредством неограничивающего примера, равны по меньшей мере приблизительно 0,958g и 1,05g, соответственно, или отклонению +/-5 процентов от 1g.
[0039] В варианте осуществления можно использовать упорядоченный список комбинаций акселерометров, имеющих наиболее надежные комбинации в верхней части списка в качестве предпочтения, можно использовать для определения того, какую комбинацию акселерометра необходимо использовать. В таблице 2 представлен один вариант осуществления такого упорядоченного списка, в котором приведена комбинация чисел из таблицы 1.
Таблица 2. Таблица приоритетов для двухкомпонентных трехосных акселерометров
Порядок приоритета
№ комбинации
Комбинации осей
1
1*
x<sub>2</sub>, y<sub>2</sub>, x<sub>1</sub>
2
4*
x<sub>2</sub>, y<sub>1</sub>, x<sub>1</sub>
3
2
x<sub>2</sub>, y<sub>1</sub>, z<sub>2</sub>
4
3
z<sub>1</sub>, y<sub>2</sub>, z<sub>2</sub>
5
5
z<sub>1</sub>, y<sub>2</sub>, z<sub>2</sub>
6
6
z<sub>1</sub>, y<sub>1</sub>, z<sub>2</sub>
7
7
z<sub>1</sub>, y<sub>1</sub>, z<sub>1</sub>
8
8
x<sub>2</sub>, y<sub>2</sub>, x<sub>2</sub>
* - повышенная надежность
[0040] Следует иметь в виду, что использование таблицы приоритетов, такой как таблица 2, не требует использования одного или более акселерометров, имеющих более слабую ось. Назначение приоритетов можно выполнить в соответствии с любым видом проблемы, который относится к надежности. Посредством неограничивающего примера, такие проблемы могут возникать из надежности физического монтажа, поддерживающих электрических соединений, воздействия факторов окружающей среды и предыстории. В некоторых вариантах осуществления таблицу приоритетов можно даже использовать в тех случаях, когда все комбинации осей акселерометра будут проявлять по меньшей мере в общем одинаковую надежность для того, чтобы обеспечить общий уровень надежности, который представлялся до сих пор невиданным.
[0041] Обращаясь к фиг.7, показан вариант осуществления способа эксплуатации передатчика 10 на основе таблицы приоритетов, такой как таблица 2, показанной в общем ссылочной позицией 200. Способ 200 начинается на этапе 204, например, при первом включении передатчика и акселерометров и затем продолжается на этапе 208. На этом последнем этапе каждый из счетчика приоритета и счетчик циклов устанавливается на значение 1. Назначение счетчика цикла будет выяснено в дальнейшем в соответствующей части описания. На этапе 210 производится суммирование квадратов акселерометров для комбинации первого или наивысшего порядка акселерометров в таблице 2. На этапе 214 сверяется значение суммы квадратов с  и , и если значение находится в пределах диапазона, операция переходит на этап 218, на котором текущая комбинация акселерометров используется для нормальной работы. Во время нормальной работы выбранную комбинацию акселерометров можно периодически контролировать и/или тестировать на отказ на этапе 220, например, на основании уравнения (4) и/или любых других подходящих факторов. Если отказ не обнаруживается, то на этапе 224 возобновляется нормальная работа. Если отказ акселерометра обнаруживается на этапе 220, операция возвращается на этап 208 с тем, чтобы процедура начиналась снова.
[0042] Возвращаясь к обсуждению этапа 214, если сумма квадратов находится вне диапазона, операция продолжается на этапе 230, на котором значение счетчика порядка приоритета увеличивается на 1. На этапе 234 значение счетчика порядка приоритета сверяется с общим количеством имеющихся комбинаций акселерометров в таблице 2. Если текущее значение счетчика порядка приоритета не превышает общего количества имеющихся комбинаций, операция возвращается на этап 210 и продолжается оттуда. В противном случае операция продолжается на этапе 238, на котором сверяется текущее значение счетчика циклов с предельным значением счетчика циклов. Назначение счетчика циклов состоит в том, чтобы МЭМС-акселерометры имели потенциальную возможность становиться временно зависшими из-за усилий статического напряжения. Соответственно, нет необходимости останавливать процедуру выбора акселерометра на основании достижения последней строки в списке таблицы приоритетов. Вместо этого, по списку таблицы приоритетов можно проходить циклом путем повторения некоторого количества раз прежде, чем блок акселерометра будет признан не подлежащим использованию, или процесс выбора можно продолжать неограниченное количество раз в надежде, что акселерометры станут функционирующими. В рамках архитектуры цикла следует понимать, что каждую имеющуюся комбинацию осей чувствительности можно протестировать или повторно протестировать, включая комбинацию, инициировавшую процедуру тестирования в первом случае, например, на основе обнаружения на этапе 220. Таким образом, ранее отказавшую комбинацию, которая впоследствии становится функциональной, можно снова вернуть в эксплуатацию. Следует отметить, что тестирование на этапе 238 и архитектуры цикла не являются обязательным требованием. В варианте осуществления, в котором не применяется подсчет циклов, на этапе 214 можно уведомить оператора о том, что тестирование акселерометра выполняется всякий раз при переходе на этот этап. Если значение счетчика циклов не превышено на этапе 238, то операция продолжается на этапе 240, на котором увеличивается значение счетчика циклов, и устанавливается значение счетчика порядка приоритета на 1. Затем операция возвращается на этап 210 и продолжается оттуда. С другой стороны, если на этапе 238 определяется, что значение счетчика циклов превышает предельное значение счетчика циклов, которое может быть установлено, например, производителем, то на этапе 244 оператору может быть выдано предупреждение.
[0043] Способ и связанное с ним устройство, которые были описаны выше, можно легко использовать с дополнительными блоками акселерометров, которые имеют любое подходящее количество осей чувствительности и/или одну ось чувствительности для еще большего резервирования. Кроме того, процедуры, показанные на фиг.4 и 7, не ограничиваются блоками трехосных акселерометров, и не требуется монтаж блоков акселерометров, нормально установленных по отношению друг к другу до тех пор, пока из выбранных акселерометров можно получить три направления ускорения в декартовой системе координат, как будет подробно описано ниже.
1
1
1
1
[0044] Обратимся теперь к фиг.8, на которой представлена схематичная иллюстрация в перспективном виде другого варианта осуществления поддержки двухкомпонентных акселерометров в соответствии с настоящим изобретением. Следует отметить, что оси акселерометра показаны независимо от физического блока, и оси показаны с использованием ссылочных позиций, которые взяты из фиг.1 и 2. Первая печатная плата 50 и вторая печатная плата 52 показаны в виде плоскостей в целях упрощения схематичного вида, в то время как акселерометры 44a и 44b рассматриваются как расположенные в начале координат их соответствующих осей координат. В данном варианте осуществления вторая печатная плата 52 поддерживается под острым углом β относительно первой печатной платы 52. Угол β может иметь любое подходящее значение. В одном варианте осуществления угол β может быть равен по меньшей мере приблизительно 45°. Ось x может по меньшей мере приблизительно совпадать или быть параллельной продольной оси передатчика, как показано на фиг.1, хотя это и не требуется. Оси x и y акселерометра 44a, лежащие в одной плоскости (фиг.1), остаются по меньшей мере приблизительно параллельными первой печатной плате 50, но повернутыми под определенным углом. Ось zпо меньшей мере приблизительно ортогональна плоскости печатной платы 50. В настоящем варианте осуществления угол α по меньшей мере приблизительно равен 45°. В других вариантах осуществления для α можно использовать любой подходящий угол. Например, угол α может находиться в диапазоне от 20° до 160°, который будет учитывать соответствующую проекцию на интересующие оси.
2
[0045] Обращаясь вновь к фиг.8, следует понимать, что углы α и β можно определить во время изготовления и/или определить на основании процедуры калибровки, которая выполняется в случае, например, когда передатчик и узел акселерометра поддерживаются при известной физической ориентации. Процедура калибровки позволяет сориентировать передатчик в шести кардинальных ориентациях на основании трех ортогональных осей, которые могут быть привязаны к блоку передатчика. Эти кардинальные ориентации могут соответствовать положениям по углам крена 0°, 90°, 180° и 270° при угле тангажа 0° и углам тангажа +/-90°. Таким образом можно определить углы α и β, а также любое угловое изменение оси x относительно продольной оси передатчика. Ориентацию каждой оси можно охарактеризовать хорошо известным способом, например, на основании углов Эйлера, которые используют продольную ось передатчика и ориентацию при нулевом крене в качестве привязок. На основе описанных значений для углов α и β, каждая ось акселерометра 44a скошена или проявляет угловое смещение по отношению к каждой оси акселерометра 44b. Как будет видно, узел акселерометра, изображенная на фиг.8, и ее вариации обеспечивают значительное количество комбинаций осей и гибкость для целей измерения ориентаций по тангажу и крену.
2
2
2
[0046] В таблице 3 представлены комбинации осей, которые можно использовать для ориентации по крену и тангажу в соответствии с вариантом осуществления, показанном на фиг.8. Следует отметить, что для каждой комбинации две оси используются для обнаружения ориентации по крену, и другая ось используется для обнаружения ориентации по тангажу. Для конкретной комбинации оси, используемые для обнаружения ориентации по крену, обозначены "R", и ось, которая используется для обнаружения ориентации по тангажу, обозначена "P". Как перечислено в последнем столбце таблицы, измерение угла тангажа может быть чувствительным к углу β или углам α и β, когда ось, которая используется для измерения угла тангажа, скошена по отношению к оси x, которая предполагается для целей настоящего примера параллельной продольной оси передатчика. Так как предполагается, что ось x параллельна продольной оси, такая чувствительность не проявляется (в таблице обозначена "N/A") по отношению к измерению угла тангажа с использованием x.
Таблица 3. Комбинации осей акселерометра для углов тангажа и крена
Комбинация углов крена
x<sub>1</sub>
y<sub>1</sub>
z<sub>1</sub>
x<sub>2</sub>
y<sub>2</sub>
z<sub>2</sub>
Коэффициент пропорциональности чувствительности по тангажу
1a
P
R
R
N/A
1b
P
R
R
sinβ
1c
P
R
R
cosβ, sinα
1d
P
R
R
cosβ, cosα
2a
R
P
R
N/A
2b
R
P
R
cosβ, cosα
2c
R
P
R
sinβ
3a
R
P
R
N/A
3b
R
P
R
sinβ
4a
R
P
R
N/A
4b
R
P
R
cosβ, cosα
4c
R
P
R
sinβ
5a
R
P
R
N/A
5b
R
P
R
sinβ
5c
P
R
R
cosβ, sinα
1
2
1
2
[0047] Соответственно, имеется пятнадцать различных комбинаций. Следует иметь в виду, что эти комбинации могут быть расположены по приоритетам. Например, комбинациям, которые базируются на z или на z, можно присвоить относительно низкий приоритет, по сравнению с комбинациями, которые базируются на этих осях. Комбинациям, которые базируются на z и z можно присвоить еще более низкий приоритет. Заявители утверждают, что широкий диапазон комбинаций осей, приведенный в таблице 1, позволяет обеспечить значительную стойкость по отношению к отказу одной или более осей акселерометров с точки зрения измерения углов тангажа и крена. Следует отметить, что 14 из этих 15 комбинаций, приведенных в таблице 3, используют выходные сигналы от обоих трехосных акселерометров.
2
2
2
[0048] Вновь обращаясь к фиг.8, можно использовать дополнительные комбинации, которые используют все три оси каждого акселерометра. В этих вариантах осуществления измерения ортогональных осей x, y и z акселерометра, проведенные акселерометром 44a или 44b, можно разложить на координатные оси передатчика, например, на продольную ось передатчика и ось, которая соответствует ориентации при нулевом крене. В примере, показанном на фиг.8, продольная ось передатчика дополнительно обозначена Gx и соответствует оси x при условии, что x проходит по меньшей мере приблизительно параллельно ей. Координатная ось Gy ориентации по крену соответствует оси y при условии, что передатчик сориентирован в исходном положении крена нуль градусов, и координатной оси Gz, которая ортогональна одновременно Gx и Gy. При наличии этих значений и в одном варианте осуществления ориентацию по крену можно определить на основании:
(5)
[0049] Следует иметь в виду, что функция atan2 является функцией арктангенса с двумя параметрами, которые снова используются в соответствующем квадранте для определяемого угла крена.
[0050] В другом варианте осуществления ориентацию по крену можно определить на основании
(6)
[0051] Соответственно, на основании уравнений (5) и (6) обеспечивается даже еще большая гибкость по отношению к возможностям определения ориентации по крену.
[0052] Приведенное выше описание изобретения было представлено в целях иллюстрации и описания. Оно не предназначено быть исчерпывающим или ограничивать настоящее изобретение раскрытой точной формой или формами, и в свете вышеизложенных указаний возможны другие модификации и вариации. Соответственно, специалистам в данной области техники будут понятны определенные модификации, перестановки, добавления и подкомбинации описанных выше вариантов осуществления.
[0053] Все элементы, части и этапы, описанные в данном документы, предпочтительно включены в объем настоящего изобретения. Следует понимать, что любой из этих элементов, деталей и этапов может быть заменен другими элементами, деталями и этапами или вообще удален, как будет очевидно специалистам в данной области.
[0054] В широком смысле, данное описание раскрывает по меньшей мере следующее:
Описаны узел акселерометра и способ, предназначенные для определения ускорения подземного инструмента. Первый и второй трехосные акселерометры поддерживаются таким образом, чтобы нормальная ось чувствительности первого трехосного акселерометра была по меньшей мере в общем ортогональной к нормальной оси чувствительности второго трехосного акселерометра для определения ускорения вдоль трех ортогональных осей на основании комбинации выходных сигналов осей чувствительности из одного или обоих из трехосных акселерометров. Более слабую ось чувствительности одного трехосного акселерометра можно поддерживать по меньшей мере приблизительно нормальной к более слабой оси чувствительности другого трехосного акселерометра таким образом, чтобы более слабые оси не использовались. Трехосные акселерометры могут поддерживаться таким образом, чтобы одна ось одного акселерометра могла быть резервной по отношению к другой оси другого акселерометра. Один трехосный акселерометр можно установить на наклонной плоскости по отношению к другому трехосному акселерометру
[0055] Данное описание также представляет по меньшей мере следующие концепции.
Концепция 1. Узел акселерометра для определения ускорения подземного инструмента вдоль трех ортогональных осей во время работы под землей, в ходе которой узел акселерометра подвергается воздействию среды с механическими ударами и вибрацией, причем упомянутый узел акселерометра содержит:
первый трехосный МЭМС-акселерометр и второй трехосный МЭМС-акселерометр, каждый из которых включает в себя набор из трех ортогонально размещенных осей чувствительности акселерометра, в том числе пару осей чувствительности, лежащих в одной плоскости, и нормальную ось чувствительности таким образом, чтобы нормальная ось чувствительности была подвержена более высокому уровню отказов в ответ на механические удары и вибрацию, чем оси чувствительности, лежащие в одной плоскости;
опорную конструкцию для поддержки первого и второго трехосных акселерометров таким образом, чтобы нормальная ось чувствительности первого трехосного акселерометра была по меньшей мере в общем ортогональной к нормальной оси чувствительности второго трехосного акселерометра; и
процессор для определения ускорения вдоль упомянутых трех ортогональных осей на основании комбинации выходных сигналов осей чувствительности из одного или обоих из первого и второго трехосных акселерометров.
Концепция 2. Узел акселерометра согласно концепции 1, в котором процессор определяет ускорение вдоль упомянутых трех ортогональных осей без использования нормальной оси чувствительности каждого из первого и второго трехосных акселерометров.
Концепция 3. Узел акселерометра согласно концепциям 1 или 2, поддерживаемый внутри передатчика, который несет в себе подземный инструмент.
Концепция 4. Узел акселерометра согласно концепции 3, в котором передатчик включает в себя продольную ось, и в которой одна ось чувствительности первого трехосного акселерометра и другая ось чувствительности второго трехосного акселерометра по меньшей мере в общем параллельны продольной оси.
Концепция 5. Узел акселерометра согласно концепциям 3 или 4, в котором по меньшей мере одна ось чувствительности в плоскости первого и второго трехосных акселерометров выполнена с возможностью определения ориентации передатчика по тангажу.
Концепция 6. Узел акселерометра согласно концепциям 3-5, в котором пара осей чувствительности в плоскости одного из первого и второго трехосных акселерометров поддерживается для обнаружения передатчика ориентации по крену.
Концепция 7. Узел акселерометра согласно концепциям 1-6, в котором упомянутая опорная конструкция включает в себя первую печатную плату, которая поддерживает первый трехосный акселерометр, и вторую печатную плату, которая поддерживает второй трехосный акселерометр.
Концепция 8. Узел акселерометра согласно концепции 7, в котором вторая печатная плата опирается на первую печатную плату, по меньшей мере в общем ортогональную ей.
Концепция 9. Узел акселерометра согласно концепциям 1-8, в котором упомянутый процессор выполнен с возможностью выбора комбинации выходных сигналов осей чувствительности на основании таблицы приоритетов.
Концепция 10. Узел акселерометра согласно концепции 9, в котором первый и второй трехосные акселерометры предусматривают набор комбинаций осей чувствительности, и упомянутая таблица приоритетов организована в соответствии с надежностью по меньшей мере некоторых из комбинаций в наборе комбинаций осей чувствительности.
Концепция 11. Узел акселерометра согласно концепции 10, в котором первой комбинации и второй комбинации присваиваются первый приоритет и второй приоритет в таблице приоритетов, и каждая из первой комбинации и второй комбинации исключает нормальную ось чувствительности первого и второго трехосных акселерометров.
Концепция 12. Узел акселерометра согласно концепциям 9-11, в котором процессор выполнен с возможностью обнаружения отказа одной или более осей чувствительности в комбинации и, в ответ на это, прохождения циклом по таблице приоритетов для нахождения приемлемой комбинации осей чувствительности из набора комбинаций осей чувствительности.
Концепция 13. Узел акселерометра согласно концепции 12, в котором упомянутый процессор выполнен с возможностью прохождения циклом по таблице приоритетов множество раз.
Концепция 14. Узел акселерометра согласно концепции 13, в котором упомянутый процессор выполнен с возможностью выдачи предупреждения в ответ на прохождение циклом по таблице приоритетов упомянутое множество раз, без определения используемой комбинации.
Концепция 15. Узел акселерометра согласно концепциям 12-14, в котором приведенная выше комбинация выходных сигналов осей чувствительности определяется в качестве отказавшей комбинации, и отказавшая комбинация повторно тестируется в виде части прохождения циклом по таблице приоритетов для нахождения подлежащей использованию комбинации.
Концепция 16. Узел акселерометра согласно концепции 15, в котором упомянутый процессор выполнен с возможностью помещения отказавшей комбинации обратно в эксплуатацию в ответ на обнаружение того, что отказавшая комбинация стала функциональной.
Концепция 17. Узел акселерометра согласно концепциям 12-16, в котором процессор обнаруживает упомянутый отказ на основании суммы квадратов набора из трех выходных сигналов для комбинации осей чувствительности.
Концепция 18. Способ определения ускорения подземного инструмента вдоль трех ортогональных осей во время работы под землей, в ходе которой узел акселерометра подвергается воздействию среды с механическими ударами и вибрацией, причем упомянутый способ содержит:
поддержку первого трехосного МЭМС-акселерометра и второго трехосного МЭМС-акселерометра, каждый из которых включает в себя набор из трех ортогонально размещенных осей чувствительности акселерометра, в том числе пару осей чувствительности, лежащих в одной плоскости, и нормальную ось чувствительности таким образом, чтобы нормальная ось чувствительности была подвержена более высокому уровню отказов в ответ на механический удар и вибрацию, чем оси чувствительности, лежащие в одной плоскости, для размещения нормальной оси чувствительности первого трехосного акселерометра по меньшей мере в общем ортогонально нормальной оси чувствительности второго трехосного акселерометра; и
определение ускорения вдоль упомянутых трех ортогональных осей на основании
комбинации выходных сигналов осей чувствительности из одного или обоих из первого и второго трехосных акселерометров.
Концепция 19. Узел акселерометра для определения ускорения подземного инструмента вдоль трех ортогональных осей во время работы под землей, в ходе которой узел акселерометра подвергается механическому удару и вибрации, причем упомянутый узел акселерометра содержит:
первый трехосный МЭМС-акселерометр и второй трехосный МЭМС-акселерометр, каждый из которых включает в себя более слабую ось чувствительности, которая более восприимчива к механическому удару и вибрации, чем две другие оси чувствительности;
опорную конструкцию для поддержки первого и второго трехосных акселерометров таким образом, чтобы более слабая ось чувствительности первого трехосного акселерометра была по меньшей мере приблизительно нормальной к более слабой оси чувствительности второго трехосного акселерометра; и
процессор для определения ускорения вдоль упомянутых трех ортогональных осей на основании комбинации выходных сигналов осей чувствительности от первого и второго трехосных акселерометров без использования более слабой оси чувствительности каждого из первого и второго трехосных акселерометров.
Концепция 20. Узел акселерометра для определения ускорения подземного инструмента вдоль трех ортогональных осей во время работы под землей, причем упомянутый узел акселерометра содержит:
первый блок акселерометра и второй блок акселерометра, каждый из которых включает в себя один или более осей чувствительности таким образом, чтобы первый и второй блока акселерометра совместно обеспечивали в итоге по меньшей мере четыре оси чувствительности для проведения измерений вдоль упомянутых трех ортогональных осей;
опорную конструкцию для поддержки первого и второго акселерометров таким образом, чтобы по меньшей мере одна ось чувствительности первого блока акселерометра была резервной по отношению по меньшей мере к одной оси чувствительности второго блока акселерометра; и
процессор, который выполнен с возможностью выбора комбинации трех осей чувствительности из общего количества осей чувствительности для определения ускорения вдоль упомянутых трех ортогональных осей.
Концепция 21. Узел акселерометра согласно концепции 20, в котором по меньшей мере один из первого блока акселерометра и второго блока акселерометра включает в себя одну ось чувствительности, которая является более слабой, чем другая ось чувствительности этого блока акселерометра, в том, что она является более восприимчивой к механическим ударам и вибрации, и процессор выбирает комбинацию без использования более слабой оси чувствительности для определения упомянутого ускорения.
Концепция 22. Узел акселерометра согласно концепциям 20 или 21, в котором упомянутый процессор выполнен с возможностью выбора комбинации выходных сигналов осей чувствительности на основании таблицы приоритетов.
Концепция 23. Узел акселерометра согласно концепции 22, в котором первый и второй акселерометры предусматривают набор комбинаций осей чувствительности на основании общего количества осей чувствительности, и упомянутая таблица приоритетов организована в соответствии с надежностью по меньшей мере некоторых из комбинаций в наборе комбинаций осей чувствительности.
Концепция 24. Узел акселерометра согласно концепциям 20-23, в котором процессор выполнен с возможностью обнаружения отказа одной или более осей чувствительности в комбинации и, в ответ на это, выбора другой комбинации осей чувствительности.
Концепция 25. Узел акселерометра согласно концепции 24, в котором процессор обнаруживает упомянутый отказ на основании суммы квадратов набора из трех выходных сигналов для комбинации осей чувствительности.
Концепция 26. Узел акселерометра для определения ускорения подземного инструмента вдоль трех ортогональных осей во время работы под землей, в ходе которой узел акселерометра подвергается воздействию среды с механическими ударами и вибрацией, причем упомянутый узел акселерометра содержит:
первый трехосный МЭМС-акселерометр и второй трехосный МЭМС-акселерометр;
опорную конструкцию для поддержки первого и второго трехосных акселерометров таким образом, чтобы первый трехосный акселерометр опирался на первую плоскость, которая образует угол по меньшей мере приблизительно 45 градусов по отношению ко второй плоскости, на которую опирается второй трехосный акселерометр; и
процессор для определения ускорения вдоль упомянутых трех ортогональных осей на основании комбинации выходных сигналов осей чувствительности от первого и второго трехосных акселерометров.