УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АЗИМУТА

Полезная модель относится к области контроля ориентации подвижных объектов и может быть использована при построении инклинометров, компасов и магнитометров различного назначения.
Известен датчик для измерения азимута в скважине, содержащий три феррозонда, расположенные в кольцеобразном корпусе таким образом, что их оси чувствительности образуют между собой углы 120° и лежат в параллельных плоскостях, перпендикулярных оси корпуса, а центры феррозондов находятся на оси корпуса [Авторское свидетельство №605950, Е21В 47/022, БИ №17, 1978].
Недостаток датчика состоит в том, что расположение осей чувствительности феррозондов в параллельных плоскостях позволяет измерять только проекцию вектора геомагнитного поля на плоскость, параллельную плоскостям расположения осей чувствительности феррозондов, а не полный вектор. Кроме этого, недостатком датчика является сложность конструкции, обусловленная применением трех феррозондов, в то время как для измерения азимута в данном случае достаточно использовать только два феррозонда, упростив тем самым конструкцию датчика и схемы преобразования сигналов феррозондов.
Известен датчик магнитного азимута, включающий в себя три закрепленных в цилиндрическом корпусе стержневых феррозонда, оси чувствительности которых образуют с продольной осью корпуса одинаковые углы, значения которых меньше 57,36°, а углы между проекциями осей чувствительности феррозондов на плоскость поперечного сечения корпуса составляют 120° [Патент РФ №2018646, Е21В 47/02, БИ №16, 1994].
По сравнению с предыдущим аналогом этот датчик обеспечивает измерение полного вектора геомагнитного поля, но имеет большие габаритные размеры, т.к. для исключения взаимного влияния феррозонды располагаются на некотором расстоянии друг от друга, что увеличивает длину корпуса датчика. Кроме этого, недостатком датчика является то, что сам по себе он не может измерять магнитный азимут, т.к. для этого нужны данные об его ориентации относительно вертикали местности, которые могут быть получены только от дополнительного датчика.
Известен также магнитометрический датчик, содержащий три закрепленных в цилиндрическом корпусе одинаковых феррозонда, оси чувствительности которых образуют с продольной осью корпуса одинаковые углы, а углы между проекциями осей чувствительности феррозондов на плоскость поперечного сечения корпуса составляют 120°. При этом каждый из феррозондов может быть совмещен с соседними феррозондами путем поворота вокруг продольной оси корпуса на угол ±120° [Патент РФ №2235200, Е21В 47/02, БИ №24, 2004].
По сравнению с известными устройствами, выполненными на основе магнитных первичных преобразователей и измеряющими полный вектор геомагнитного поля, этот датчик имеет наименьшие габаритные размеры, что позволяет создавать на его основе миниатюрные магнитометрические устройства.
Недостаток датчика состоит в том, что он может быть использован для определения магнитного азимута только в комплекте с дополнительными датчиками, определяющими положение подвижного объекта относительно вертикали местности. Сам по себе магнитометрический датчик может измерять только координаты вектора геомагнитного поля в системе координат, связанной с корпусом датчика, и длину вектора геомагнитного поля, т.е. обладает ограниченными функциональными возможностями.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству для измерения азимута является гравиметрический датчик, принятый в качестве прототипа и содержащий три закрепленных в цилиндрическом корпусе одинаковых акселерометра, оси чувствительности которых образуют с продольной осью корпуса одинаковые углы, и каждый из акселерометров может быть совмещен с соседними акселерометрами путем перемещения вдоль оси корпуса и поворота вокруг этой оси на ±120° [Патент на полезную модель №37523, Е21В 47/02, БИ №12, 2004].
В связи с тем, что азимута подвижного объекта, он отсчитывается от магнитного или географического меридианов при повороте его вокруг вертикальной оси, представляющей собой гравитационную вертикаль местности, устройства для измерения азимута всегда включают в себя гравиметрические датчики, отслеживающие положение подвижного объекта относительно вертикали. Поэтому, именно гравиметрический датчик, как базовый датчик любого устройства для измерения азимута, был выбран в качестве прототипа предлагаемого технического решения.
Недостаток данного гравиметрического датчика состоит в том, что, как и известные датчики магнитного поля, он позволяет определять ориентацию подвижного объекта только относительно одного вектора геофизического поля, в данном случае вектора гравитационного поля, в то время как для определения пространственной ориентации объекта требуется измерение двух векторов.
При размещении акселерометров этом датчике использован тот же подход, что и при размещении магнитометрических датчиков в известных устройствах. Однако он существенно отличается от них своей физической сущностью и функциональным назначением, которые состоят в измерении вектора гравитационного, а не геомагнитного поля.
Полезная модель решает задачи расширения функциональных возможностей гравиметрического датчика и повышения при этом точности измерений и технологичности его конструкции.
Технический результат от применения заявляемого устройства для измерения азимута по сравнению с аналогичными устройствами, содержащими трехкомпонентные гравиметрические и магнитометрические датчики, состоит в относительном уменьшении размеров устройства за счет применения датчиков с наименьшими габаритными размерами и увеличении точности измерений за счет относительного разворота датчиков вокруг оси корпуса, позволяющего уменьшить влияние гравиметрических датчиков на работу магнитометрических датчиков.
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
Решение указанных задач достигается тем, что в устройство для измерения азимута, содержащее три одинаковых акселерометра, у которых оси чувствительности образуют с продольной осью цилиндрического корпуса одинаковые углы, значения которых находятся в пределах [Δ, 90° - δ] и [90° + δ, 180° - Δ], где Δ, δ - углы, обуславливающие допустимую погрешность измерения вектора гравитационного поля, а углы между проекциями осей чувствительности на плоскость поперечного сечения корпуса составляют 120°, введены три одинаковых магнитометрических датчика (феррозонда), у которых оси чувствительности образуют с осью корпуса также одинаковые углы, значения которых лежат в пределах [Δ, 90°-δ] и [90°+δ, 180°-Δ], где Δ, δ - углы, определяющие допустимую погрешность измерения вектора геомагнитного поля, углы между проекциями осей чувствительности на плоскость поперечного сечения корпуса составляют 120° и каждый из магнитометрических датчиков может быть совмещен с соседними магнитометрическими датчиками путем поворота вокруг оси корпуса на ±120°, при этом каждый из акселерометров также может быть совмещен с соседними акселерометрами путем поворота вокруг оси корпуса на ±120°, а акселерометры и магнитометрические датчики могут иметь различные углы разворотов относительно оси корпуса.
Предлагаемое устройство совмещает в себе трехкомпонентные гравиметрические и магнитометрические датчики. В качестве гравиметрических датчиков в нем используются акселерометры, а в качестве магнитометрических датчиков могут быть использованы феррозонды или магниторезистивные датчики. Благодаря своему расположению в корпусе как гравиметрические, так и магнитометрические датчики обладают минимально возможными габаритными размерами, в связи с чем данное устройство имеет наименьшие размеры среди аналогичных устройств с таким же набором датчиков.
За счет объединения в себе функций входящих в него датчиков устройство приобретает отсутствующие у ближайших аналогов необходимые функции и обеспечивает полный контроль ориентации подвижных объектов относительно поверхности Земли.
Существенное отличие предлагаемого устройства состоит в относительном развороте групп гравиметрических и магнитометрических датчиков вокруг продольной оси корпуса. Благодаря этому без увеличения длины корпуса обеспечивается снижение магнитного влияния конструкций гравиметрических датчиков на работу магнитометрических датчиков и соответственно увеличивается точность измерений вектора геомагнитного поля. В известных устройствах такая задача решается только путем разнесения гравиметрических и магнитометрических датчиков вдоль оси корпуса на необходимое расстояние и приводит к увеличению габаритных размеров устройств. Кроме этого, относительный разворот датчиков в некоторых случаях способствует оптимизации конструкции устройства.
В предлагаемом устройстве пары датчиков, включающих в себя один акселерометр и один магнитометрический датчик, могут быть расположены на отдельных плоскостях, параллельных оси корпуса. При этом возрастает технологичность устройства за счет одинаковой обработки при изготовлении трех одинаковых поверхностей, повернутых друг относительно друга на 120°, а относительный разворот гравиметрических и магнитометрических датчиков вокруг оси корпуса достигается простым смещением каждой пары датчиков в указанных плоскостях в направлениях, перпендикулярных оси корпуса. Последний прием является новым и неочевидным решением задачи повышения точности за счет относительного разворота датчиков.
Кроме того, датчики в предлагаемом устройстве могут быть расположены таким образом, что геометрические центры их корпусов будут находиться в одной плоскости и каждый из акселерометров будет расположен между соседними магнитометрическими датчиками. В этом случае предлагаемое устройство в сравнении со всеми известными аналогичными устройствами будет иметь наименьший габаритный размер вдоль оси корпуса.
На фиг. 1-3 представлены конструкции устройства для измерения азимута с различными вариантами расположения датчиков, а на фиг. 4 - график зависимости коэффициента, характеризующего погрешность измерения векторов геофизических полей, от углов наклона осей чувствительности датчиков к оси корпуса.
Устройство для измерения азимута содержит трехкомпонентный гравиметрический датчик, включающий в себя три акселерометра 1, 2, 3, и трехкомпонентный магнитометрический датчик, состоящий из трех однокомпонентных магнитометрических датчиков 4, 5, 6, в качестве которых используются феррозонды или магниторезистивные датчики. Все датчики размещаются в цилиндрическом корпусе 7 (фиг. 1).
В данном устройстве уменьшение влияния акселерометров на работу магнитометрических датчиков достигается не только удалением последних от акселерометров на расстояние L, но и относительным их разворотом вокруг оси корпуса, т.к. относительный разворот датчиков при неизменном значении L позволяет дополнительно увеличить расстояния между акселерометрами и соответствующими магнитометрическими датчиками тем самым дополнительно снизить влияние акселерометров и увеличить точность измерений.
1
2
Оси чувствительности акселерометров образуют с продольной осью корпуса одинаковые углы γ, а оси чувствительности магнитометрических датчиков - также одинаковые углы γ. При этом каждый датчик может быть совмещен с соответствующими однотипными соседними датчиками путем поворота вокруг оси корпуса 7 на ±120°.
1
2
i
i
i
i
i
i
Значения углов γ и γ выбираются в пределах [Δ, 90°-δ] и [90°+δ, 180°-Δ], где для акселерометров соответственно i=1, для магнитометрических датчиков i=2, a Δ, δ - углы, обуславливающие допустимые погрешности измерения векторов соответствующих физических полей.
Ориентация осей чувствительности однотипных датчиков в устройстве описывается общим оператором
i
где β - угол относительного поворота датчиков вокруг оси корпуса в системе координат, связанной с корпусом устройства (фиг. 1). В связи с этим ориентация осей чувствительности акселерометров  (i=1), и осей чувствительности магнитометрических датчиков  (i=2) представляется операторами
При этом векторы сигналов акселерометров и магнитометрических датчиков определяются уравнениями
G
M
1
6
u=Ng, u=Mh, (3) где  - векторы сигналов датчиков, u … u - значения сигналов датчиков без учета разброса значений их коэффициентов преобразования,  - единичные векторы гравитационного поля и геомагнитного поля в указанной системе координат, связанной с корпусом устройства.
-1
-1
В процессе работы устройства измеряются текущие значения сигналов датчиков, которые посредством преобразования с помощью операторов N, М, имеющих матрицы, обратные матрицам (2), позволяют определить единичные векторы измеряемых физических полей
Координаты этих векторов используются в дальнейшем для вычисления азимута подвижного объекта.
Если направление движения объекта, на котором установлено устройство для измерения азимута, совпадает с осью Z принятой системы координат (фиг. 1), то магнитный азимут объекта вычисляется по формуле
С целью повышения технологичности и упрощения конструкции устройства каждая пара датчиков, включающая один акселерометр и один магнитометрический датчик, может быть размещена на отдельной плоскости, например, на отдельной печатной плате. При этом устройство будет включать в себя три одинаковых платы, каждая из которых может быть совмещена с соседними платами путем поворотов вокруг оси корпуса 7 на ±120°, а относительный разворот датчиков вокруг оси корпуса будет обеспечиваться их смещениями на платах в направлениях L1 и L2, перпендикулярных оси корпуса (фиг. 2).
Акселерометры и магнитометрические датчики могут быть расположены в одной плоскости поперечного сечения корпуса 7 устройства (фиг. 3). В этом случае влияние акселерометров на работу магнитометрических датчиков устраняется как относительным разворотом их вокруг оси корпуса, так и увеличением диаметра корпуса. Очевидно, что угол поворота, обеспечивающий наибольшее удаление каждого из магнитометрических датчиков от ближайших акселерометров, составляет примерно 60°.
i
i
i
Если значения углов наклона осей чувствительности датчиков γ приближаются к 0°, 90° и 180°, то погрешности измерения направлений векторов геофизических полей значительно возрастают. Соответственно возрастает и погрешность измерения азимута. Максимальные значения углов между истинными и измеренными значениями векторов геофизических полей Δϕ в зависимости от максимальных погрешностей установки углов наклона осей чувствительности датчиков Δγ могут быть оценены с помощью формулы
где
i
i
i
i
i
График зависимости коэффициента К от величины углов наклона осей чувствительности датчиков по отношению к продольной оси корпуса устройства представлен на Фиг. 4. Он позволяет быстро найти значения коэффициента для заданных значений углов Δ и δ и определить, обеспечат ли выбранные значения углов γ при заданной погрешности их установки Δγ необходимую погрешность измерения векторов Δϕ.
2
2
2
2
Например, если углы наклона осей чувствительности магнитометрического датчика к оси корпуса составляют γ=30° и выставляются с точностью Δγ=±1,0°, то К(γ)=2,72 и погрешность измерения направления вектора магнитного поля составляет Δϕ=±2,7°.
i
i
i
i
i
i
i
С другой стороны, если оси чувствительности датчиков устанавливаются с погрешностью Δγ=±0,2° и точность измерения направлений векторов ограничивается величиной Δϕ=±1,0°, то К=5 и γ должны иметь значения, соответствующие К≤5 и условиям Δ≥16° и δ≥22° (Фиг. 4). Следовательно, углы наклона этих осей могут находиться в пределах γ=[16°;68°] или γ=[112°; 164°].
Минимальное значение коэффициента К, равное примерно 1,95, достигается при ортогональном расположении осей чувствительности датчиков, когда углы наклона их осей к оси корпуса составляют 54,73° или 125,27°.
Предлагаемый датчик азимута реализован на основе МЭМС акселерометров и магниторезистивных датчиков в СКБ Катав-Ивановского приборостроительного завода с целью использования его в системах подводной навигации.