ДАТЧИК УГЛА НАКЛОНА
SENSOR OF INCLINATION ANGLE

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения углов наклона объекта в трехмерной системе координат относительно гравитационного и магнитного полей Земли при горизонтально-наклонном бурении скважин или для иного применения с замером углов наклона объекта.
Известны устройства для измерения угла наклона:
1. Патент на изобретение RU №2004786 С1, МПК5, Е21В 47/02. Инклинометр. // Бюл. №45-46, 1993.
2. Заявка на изобретение №94026114/03, МПК6, Е21В 47/02. Гироинклинометр. // Дата публикации заявки: 10.06.1996.
3. Авторское свидетельство СССР №802534, МКИ3, Е21В 47/02. Устройство для измерения угла наклона скважины. // Бюл. №5, 1981.
4. Патент на изобретение RU №2065184 С1, МПК6, GO 1 V3/18. Блок первичных преобразователей скважинного магнитометра-инклинометра. // Опубликовано: 10.08.1996.
5. Гибридные микроэлектромеханические гироскопы и акселерометры / С.Ф. Коновалов и др. // Наука и образование: Электронное научно-техническое издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2011. - Октябрь. -Эл №ФС 77 - 30569/219257. - Режим доступа:
http://technomag.edu.ru/doc/219257.html
6. Ларионов, С.Акселерометры компании ANALOG DEVICES // Электронные компоненты. - 2005. - №11. - С.125-129.
7. Бузыканов С. Датчик наклона на основе твердотельного акселерометра // Современная электроника. - 2004. - Декабрь. - С.42-45.
8. Как использовать акселерометр для определения угла наклона. -Режим доступа: http://www.robochamp.ru/index.php/articles/sensor/l 14-how-to-use-accelerometer-as-mclmometer.
9. Авторское свидетельство СССР №553443, МКИ2, G 01 С 9/00. Устройство для измерения угла наклона. // Бюл. №13, 1977.
10. Авторское свидетельство СССР №876979 МКИ3, Е 21 В 47/02. Устройство для определения положения инструмента в скважине. // Бюл. №40,1981.
11. Авторское свидетельство СССР SU №1155732 А, МКИ4, Е 21 В 47/02. Устройство для контроля параметров траектории скважины. // Бюл. №18, 1985.
12. Авторское свидетельство СССР SU №1199916 А, МКИ4, Е 21 В 47/02. Устройство для контроля параметров траектории скважины. // Бюл. №47,1985.
Указанные устройства могут быть использованы как датчики углов наклона объекта. Многие из них конструктивно и технологически сложны, дороги и чаще всего (устройства 5, 6, 7, 8) предназначены для измерения отклонений по одной из осей, тем самым могут применяться для измерения по трем осям координат при расположении датчиков в каждой плоскости, соответствующей оси, что значительно усложняет устройство и схему преобразования сигналов.
Ближайшим техническим устройством, выбранным в качестве прототипа, является авторское свидетельство СССР на изобретение №555284, МКИ2, G01C 9/12, E21B 47/02. Устройство для контроля параметров траектории скважины. // Бюл. №15, 1977, где чувствительный элемент датчика азимута выполнен в виде сферы со смещенным вниз центром тяжести, снабженный постоянным магнитом, а чувствительный элемент датчика угла зенита и угла установки отклонителя - в виде конуса с центром тяжести, смещенным эксцентрично относительно оси его вращения, и с расположенным в конусе постоянным магнитом с центром тяжести, находящимся ниже оси его качания. Подвес в эквидистантном положении чувствительных элементов обеспечивается подачей воздуха от компрессора к опорам.
Прототип и аналоги обладают одними и теми же недостатками -технически сложны, требуют дополнительных вспомогательных устройств (компрессор, ресивер, приспособления и пр.) для обеспечения подвеса.
Целью изобретения является создание простого, надежного, стабильного в работе, малогабаритного датчика угла наклона объекта в пространстве в трехмерной системе координат относительно гравитационного и магнитного полей Земли с неограниченной шкалой измерения, с повышенной чувствительностью и точностью, исключающего недостатки аналогов и прототипа.
Осуществление поставленной цели достигается применением гидростатического подвеса и нулевой плавучести чувствительного элемента (шара) на основе сил поверхностного натяжения жидкости при наличии возможности контроля положения шара с тремя степенями свободы относительно трех осей положения объекта одновременно.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен датчик угла наклона объекта в пространстве в трехмерной системе координат относительно гравитационного и магнитного полей Земли, содержащий пустотелый корпус из полусфер 1 и 2, которые состоят из немагнитных электропроводных, изолированных друг от друга секторов 3, с помещенным внутри шаром 4 со смещенным центром масс и нулевой плавучестью, состоящим из электропроводной немагнитной полусферы 5 и полусферы-диэлектрика 6 с постоянным магнитом 7 на гидростатическом подвесе жидкости 8, заполняющей эквидистантный зазор «А» по сферической поверхности. Датчик посредством гайки 9 собран по штифтам 10, с прокладкой 11 и содержит компенсационную эластичную мембрану 12, зажатую заглушкой 13.
На фиг.2 указан вариант монтажа датчика на объекте с обеспечением ориентации по осям.
Предлагаемый датчик, исключая недостатки существующих конструкций, при высокой чувствительности, надежности и устойчивости к ударным и вибрационным нагрузкам обеспечивает достаточную точность замера углов наклона объекта в трехмерной системе координат относительно гравитационного и магнитного полей Земли посредством преобразователя сигналов на базе схем по емкостному сопротивлению или изменению частоты, что подтверждено испытаниями опытного образца в лабораторных условиях.
Датчик может быть выполнен с помощью стандартного оборудования и материалов отечественного производства. Таким образом, заявленное устройство соответствует критерию «промышленная применимость».
Принцип действия датчика угла наклона. Отклонение датчика, установленного на объект с требованием обеспечения углов наклона в заданных пределах в трехмерной системе координат, сопровождается вращением шара 4 под действием гравитационной и магнитной силы при эксцентриситете центра масс относительно оси вращения, в результате чего возникают разности емкостных сопротивлений и изменения частоты в каждой из осей перемещения шара 4 в связи с рассогласованием по перекрытию электропроводящей немагнитной полусферы 5 относительно электропроводных немагнитных секторов 3, что регистрируется преобразователем сигналов 14 как углы наклона датчика по каждой из осей при замере по трем осям одновременно.