ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АЗИМУТА ДЛЯ ИНКЛИНОМЕТРА

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АЗИМУТА ДЛЯ ИНКЛИНОМЕТРА
Изобретение относится к области исследования геофизических скважин и может быть использовано в инклинометрах или комплексных приборах для измерения магнитного азимута скважин.
Известно устройство для измерения азимзпга, содержащее генератор, подключенный через усилитель к обмотке возбуждения двухкомпонентного феррозондового датчика геомагнитного поля, два идентичных канала преобразования, содержащие последовательно соединенные предварительные усилители, полосовые фильтры и синхронные детекторы и подключенные входами к сигнальным обмоткам датчиков, а выходами к аналого-цифровому преобразователю, а также процессорный блок с подключенными к нему дисплеем и плоттером 1.
Недостатком устройства является сложность конструкции, обусловленная применением двух параллельно работающих каналов преобразования, а также низкая точность вследствие пренебрежения смещениями нулевых уровней каналов преобразования при обработке информации. Кроме того, в каналах преобразования устройства не предусмотрена компенсация нелинейности характеристик феррозондов. Поэтому высокая точность измерения азимута здесь может быть достигнута только путем усложнения алгоритмов обработки информации за счет использования ряда хранящихся в памяти процессора постоянных коэффициентов. Но для реализации таких алгоритмов необходимы трудоемкие предварительные калибровки устройства и дополнительные аппаратные затраты.
Известен также автокомпенсационный феррозондовый магнитометр, содержащий феррозонд, обмотка возбуждения которого через усилитель подключена ко входу фазочувствительного детектора, генератор, подключающий к обмотке возбуждения феррозонда и ко входу управления фазочувствительного детектора, а также резистор, соединяющий выход детектора с компенсационной обмоткой феррозондов, и аналого-цифровой преобразователь, подключенный входами к выводам резистора 2.
Недостатком магнитометра является применение в феррозонде специальной компенсационной обмотки, значительно усложняющей конструкцию устройства, и подключение выходов аналого-цифрового преобразователя к выводам резистора обратной связи, что существенно усложняет коммутацию цепей при использования одного аналого-цифрового преобразователя для обслуживания группы аналоговых магнитометров.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является автокомпенсационный феррозондовый преобразователь азимута, который принят за прототип и содержит генератор, подключенный к обмоткам возбуждения феррозондов, аналоговые ключи, выходы которых объединены и подключены через последовательно соединенные полосовой фильтр, синхронный детектор и усилитель постоянного тока по входу аналого-цифрового преобразователя, а также резистор, соединяющий выход усилителя постоянного тока со входом полосового фильтра.
,..Е 21 в 47/02, 47/022
при этом вход одного из аналоговых ключей соединен с общим проводом схемы преобразователя азимута, а входы остальных ключей - с выводами сигнальных обмоток феррозондов, и вход управления синхронного детектора соединен с выходом генератора 3.
По сравнению с первым аналогом 1 данный преобразователь имеет более простую конструкцию, т.к. содержит лишь один канал преобразования, и обладает более высокой точностью, т.к. в нем нелинейность характеристик феррозондов устраняется путем введения отрицательной обратной связи по величине измеряемой составляющей геомагнитного поля посредством резистора, соединяющего через аналоговые ключи выход усилителя постоянного тока с сигнальными обмотками феррозондов.
По сравнению с аналогом 2 данный преобразователь значительно проще, т.к. в нем сигнальные обмотки феррозондов используются одновременно и как компенсирующие обмотки, а это, в свою очередь, обеспечивает более простую схему мультиплексирования сигналов феррозондов на вход общего канала преобразования. Для организации подобного мультиплексирования сигналов в магнитометре 2 потребовалось бы в два раза больще аналоговых ключей.
Недостаток выбранного в качестве прототипа феррозондового преобразователя азимута состоит в том, что в его схеме ничем не компенсируется разброс коэффициентов преобразования феррозондов, который практически может достигать 10%. Влияние этого фактора на результат измерений может быть исключено лишь при обработке измерительной информации. Однако для этого требуются более сложные алгоритмы, предварительная калибровка преобразователя, а также ввод и хранение в памяти компьютера соответствующих коэффициентов, в результате чего эффективность использования преобразователя азимута значительно снижается.
Предлагаемое изобретение решает задачу исключения влияния на результат измерения разброса коэффициентов преобразования феррозондов схемотехническим путем.
Технический результат, полученный при использовании изобретения, состоит в упрощении схемы, снижении трудоемкости настройки преобразователя азимута и повышении точности измерения азимута.
Решение указанной задачи достигается тем, что в преобразователь азимута для инклинометра, содержащий по меньшей мере два феррозонда, генератор, подключенный первым и вторым выходами к обмоткам возбуждения феррозондов, аналоговые ключи, вход одного из которых соединен с общим проводом схемы преобразователя, а выходы объединены и подключены ко входу последовательно соединенных полосового фильтра, синхронного детектора, усилителя постоянного тока и аналого-цифрового преобразователя, а также резистор, включенный между выходом усилителя постоянного тока и входом полосового фильтра, введены резисторы, включенные между выходами сигнальных обмоток феррозондов и входами аналоговых ключей, и блок управления, подключенный входом к третьему выходу генератора, а выходами - ко входам управления аналоговых ключей, синхронного детектора и аналого-цифрового преобразователя, при этом усилитель постоянного тока обладает частотной характеристикой фильтра низких частот, а параметры схемы определяются соотношением
-/Xj +Л 2 +Л/1
где R - сопротивление резистора, включенного между выходом усилителя постоянного тока и входом полосового фильтра, CpCj - коэффициенты обратного преобразования феррозондов, характеризующие значения магнитных полей, создаваемых в сердечниках феррозондов постоянными токами, протекающими по их сигнальным обмоткам, -Rp-Rj - сопротивления резисторов, включенных между выходами сигнальных обмоток соответствующих феррозондов и входами аналоговых ключей.
Влияние разброса коэффициентов преобразования феррозондов на результат измерений наиболее просто устраняется в многоканальных преобразователях и магнитометрах, где каждый феррозонд имеет свой канал преобразования с обратной связью по величине измеряемой компоненты геомагнитного поля. В этих устройствах выравнивание максимальных значений сигналов на выходах каналов преобразования осуществляется подбором в каждом канале параметров цепей обратной связи или, в простейшем случае, величин резисторов обратной связи.
Для решения этой задачи в одноканальных преобразователях, где для нескольких феррозондов используется общий канал преобразования, требуется применение либо нескольких цепей обратной связи, число которых равно числу феррозондов, либо одной цепи обратной связи с параметрами, изменяемыми в соответствующее число раз. В том и другом случае необходимо одновременно переключать как сигнальные цепи феррозондов, так и цепи обратной связи.
Примером цепи обратной связи с изменяемыми параметрами является управляемый аналоговыми ключами резистивный токовый аттеньюатор в известном магнитометре 4. Если в этом магнитометре понадобилось бы оставить лишь один канал преобразования, то для подключения ко входу канала потребовалась бы еще одна группа аналоговых ключей, что усложнило бы устройство с точки зрения построения одноканальных преобразователей. В той же степени усложнится преобразователь, принятый за прототип, если в нем вместо резистора обратной связи использовать управляемый ключами токовый аттеньюатор.
В предлагаемом преобразователе азимута используется только одна группа аналоговых ключей, с помощью которой ко входу общего канала преобразования подключаются не только феррозонды, но и соответствующие им регулируемые части цепи обратной связи. Такой подход практически не усложняет схемы устройства, принятого за прототип, и в то же время дает простое решение поставленной задачи.
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого преобразователя азимута доя инклинометра.
последовательно соединенных нолосового фильтра 7, синхронного детектора 8, усилителя постоянного тока 9 и аналого-цифрового преобразователя 10, блок управления 11, вход которого соединен с выходом 3 генератора 1, а выходы подключены к управляющим входам аналоговых ключей 4, 5, 6, синхронного детектора 8 и аналого-цифрового преобразователя
10,резистор 12, соединяющий выход усилителя постоянного тока 9 со входом полосового фильтра 7, а также резисторы 13, 14 включенные между выходами сигнальных обмоток феррозондов 2, 3 и входами соответствующих аналоговых ключей 4, 5, при этом вход ключа 6 соединен с общим проводом схемы преобразователя.
Преобразователь азимута работает следующим образом.
Генератор 1 запитывает обмотки возбуждения феррозондов переменным током, не содержащим четных гармоник, и по выходу 3 вырабатывает последовательность тактовых импульсов, обеспечивающих функционирование блока управления 11, Процесс работы преобразователя состоит из одинаковых циклов, каждый из которых делится на три подцикла.
В течение первого подцикла ключ 4, управляемый сигналом блока
11,находится в замкнутом состоянии и сигнальная обмотка феррозонда 2 через резистор 13 подключается ко входу полосового фильтра 7. Посредством полосового фильтра 7, настроенного на удвоенную частоту основной гармоники тока возбуждения феррозондов, выделяется соответствующая составляющая полигармонического сигнала феррозонда 2. Амплитуда этой составляющей адекватна величине проекции вектора геомагнитного поля на ось чувствительности феррозонда. Далее с помощью синхронного детектора 8, опорный сигнал на который поступает с блока управления 11 и имеет частоту настройки полосового фильтра 7, и усилителя постоянного тока 9 производится преобразование синусоидального сигнала, действующего на выходе фильтра 7, в напряжение постоянного тока, которое подается на вход аналого-цифрового преобразователя /АЦП/ 10. Наряду с этим постоянное напряжение, действующее на выходе усилителя постоянного тока и адекватное по величине измеряемой феррозондом 2 компоненте магнитного поля, приводит к возникновению постоянного тока, который, протекая через резисторы 12, 13 и сигнальную обмотку феррозонда 2, создает в объеме сердечника феррозонда магнитное поле, компенсирующее измеряемую составляющую геомагнитного поля. В результате уменьщается величина измеряемого феррозондом суммарного магнитного поля, но и вместе с этим снижается и погрешность измерения, обусловленная нелинейностью характеристики феррозонда 3.
Через некоторое время от начала подцикла, в течение которого заверщаются переходные процессы в схеме преобразователя, на вход управления АЦП 10 с блока управления 11 подается импульс, инициирующий формирование на выходах АЦП цифрового кода МЬ,Н,К
,
где NQ - код смещения на выходах АЦП 10 при нулевом значении сигнала
на входе полосового фильтра 1, К - коэффициент преобразования АЦП, А - коэффициент преобразования аналоговой части преобразователя, включающей последовательно соединенные полосовой фильтр 7, синхронный детектор 8 и усилитель постоянного тока 9, и, - коэффициент преобразования феррозонда 2, С, - коэффициент обратного преобразования феррозонда 2, характеризующий величину магнитного поля, создаваемого в сердечнике феррозонда постоянным током, протекающим по сигнальной обмотке феррозонда, 7/, - измеряемая величина проекции геомагнитного поля на ось чувствительности феррозонда 2, R,R - сопротивления резисторов 12 и 13 соответственно.
Одновременно с процессом формирования кода в АЦП на выходах D блока управления 11 устанавливается код, характеризующий собой признак подцикла работы преобразователя и готовность данных на выходе АЦП. Выходы ЛАЦП 10 и Z) блока управления 11 образуют информационную шину преобразователя азимута для сопряжения его с интерфейсами телеметрических и вычислительных устройств (фиг. 1).
В течение второго подцикла в замкнутом состоянии находится ключ 5 и ко входу полосового фильтра 7 через резистор 14 подключена сигнальная обмотка феррозонда 3. В конце второго подцикла на выходах АЦП 10 формируется код R4b,H,K
(5)№+лУ
где 2 - коэффициент преобразования феррозонда 3, Q - коэффициент обратного преобразования феррозонда 3, R - сопротивление резистора 14, Яг - величина проекции геомагнитного поля на ось чувствительности феррозонда.
В третьем подцикле работы преобразователя вход полосового фильтра 7 посредством аналогового ключа 6 соединяется с общим проводом схемы и на выходе АЦП формируется код
N,(4).
При описании работы предлагаемого преобразователя азимута величина смещения нулевого уровня сигнала на выходе усилителя постоянного тока 9 не учитывается, т.к. она никак не связана с решением поставленной задачи. Считается, что при соединении входа фильтра 7 с общим проводом схемы сигнал на выходе усилителя 9 равен нулю.
В процессе обработки измерительной информации вычисляются разности NI-N и , дающие числа, пропорциональные проекциям геомагнитного поля на оси чувствительности феррозондов с учетом знаков проекций. Учитывая в формулах (2), (3), что  эти величины записываются в виде
N,-N,(R,+R)H,,
N,-N,-(R,+R)H,
Отсюда следует, что при использовании в преобразователе азимута феррозондов с различными параметрами (СрСг), соответствующие значения коэффициентов передачи канала преобразования выравниваются с помощью резисторов 13,14 при выполнении условия (1) RI+R Rj+R
с  Г
L.,L.2
Этим же путем выравниваются коэффициенты передачи канала преобразования и при относительно небольших значениях А.
Число феррозондов в преобразователе определяется конструкцией используемого в инклинометре датчика азимута. Простейший датчик содержит два феррозонда, оси чувствительности которых взаимноперпендикулярны и лежат в горизонтальной плоскости. В случае применения такого датчика в предлагаемом преобразователе (фиг.1) феррозонды измеряют проекции горизонтальной составляющей геомагнитного поля Яна их оси чувствительности, например ,H.Hcosa (6), где а - истинное значение магнитного азимута. При обработке информации значение азимута вычисляется по формуле
, ()
««  N  (Л2+Л)С,соза
Если значения резисторов 13, 14 выбираются из условия (1), то измеренное значение азимута а„ становиться равным истинному «„  а, т.е. погрешность измерения, обусловленная различием параметров используемых феррозондов, отсутствует.
Если преобразователь содержит более, чем два феррозонда, и в качестве исходных параметров при его настройке используются, например, коэффициент обратного преобразования первого феррозонда С, и сопротивление R соответствующего резистора подключенного к сигнальной обмотке феррозонда, то сопротивление R резистора, подключенного к сигнальной обмотке г-го феррозонда, также определяется из условия (1), как
RI+R Rj+R с,  с,Придание усилителю постоянного тока 9 характеристики фильтра низкой частоты подчеркивает необходимость подавления в канале преобразования пульсаций, вызванных работой синхронного детектора 8 или наличием в зоне измерений переменных магнитных полей. Формирование такой частотной характеристики именно у усилителя 5 связано с тем, что данный элемент схемы при этом не меняет своей функции усиления постоянного тока, и в этом случае требование подавления пульсаций сигналов для синхронного детектора 8 является необязательным.
Таким образом, в предлагаемом преобразователе азимута в отличие от прототипа имеется возможпость регулировки значений коэффициентов передачи канала преобразования, компенсирующей разброс параметров применяемых феррозондов, и эта возможность обеспечивается весьма простыми средствами, а именно: резисторами 13, 14, подбором которых выбираются необходимые параметры цепи обратной связи.
Реализация предлагаемого преобразователя азимута осуществляется на основе щироко распространенных электронных элементов и не представляет сложности. При этом сопротивления резисторов 13, 14 выбираются такими, чтобы их значения не превышали 5... 10% от номинального значения сопротивления резистора 12.
Источники информации, принятые во внимание:
1.1. Патент США Хо 5052116, G 01 G 17/28, 1990г.
2.2. Семенов Н.М., Яковлев Н.И. Цифровые феррозондовые магнитометры, Л.: Энергия, 1978.-168с./стр.ЗО, рис.2-1/
3.Рогатых Н.П., Александров С.С. Точность преобразователей азимута для инклинометров. - в кн.: Автоматизация и телемеханизация в нефтяной промышленности. - М.: ВПИИОЭНГ 1990, вып. 11, с. 21 - 27./стр. 23, рис.1/.
4.Авторское свидетельство СССР № 913289, G 01R 33/02, 1982.