ГРАВИМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

ГРАВИМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
Полезная модель относится к области геофизических скважин и может быть использована при построении датчиков зенитного и визирного углов инклинометров.
Известно устройство для определения зенитного и визирного угла в скважине, содержащее заполненный вязкой жидкостью цилиндрический корпус, два поплавка-маятника с эксцентричными грузами, оси вращения которых перпендикулярны и лежат в плоскостях поперечных сечений корпуса, а также электрические преобразователи углов поворотов маятников Авторское свидетельство №933968, Е 21 В 47/022, опубл. в Б.И. .№21, 1982.
Недостатком устройства является низкая точность измерения параметров, обусловленная возрастающим при увеличении зенитного угла сухим трением в опорах вращения поплавков-маятников и нелинейностью характеристик электрических преобразователей углов.
Известно также устройство для определения кривизны скважины, содержащее два поплавка с эксцентричными грузами, первый из которых установлен в опорах вращения в цилиндрическом корпусе, а второй - в опорах с малыми моментами трения на первом поплавке, датчики углов поворотов рамок и бесконтактные трансформаторные передачи, установленные на оси вращения первого поплавка, при этом оси вращения поплавков расположены перпендикулярно, а ось вращения первого поплавка совпадает с продольной осью цилиндрического корпуса Авторское свидетельство № 402640, Е 21 В 47/022, опубл. в Б.И. №42, 1973.
По сравнению с предыдущим аналогом устройство имеет более высокую точность измерения параметров благодаря достижению наименьшего трения в опорах вращения второго поплавка за счёт поддержания его оси вращения в горизонтальном положении с помощью первого поплавка, а такE 21 В 47/02
ff
11
же благодаря применению для измерения каждого из параметров индивидуальных датчиков, что позволяет снизить методические погрешности.
Недостатком устройства является относительно низкая точность из-за наличия сухого трения в опорах вращения поплавков и нелинейности характеристик датчиков углов и трансформаторных передач, а также сложность настройки, обусловленная необходимостью уравновешивания в жидкости поплавков по плавучести и дифференту.
Наиболее близким по технической суш;ности к заявляемому датчику является одноимённый датчик, который принят за прототип, используется для измерения зенитного и визирного углов в скважинах и содержит три акселерометра с ортогональными осями чувствительности, закреплённые в цилиндрическом корпусе таким образом, что ось чувствительности одного из акселерометров расположена параллельно продольной оси корпуса Ковшов Г.Н., Алимбеков Р.И., Жибер А.В. Инклинометры (Основы теории и проектирования). - Уфа: Гилем, 1998, с.51, рис.3.3.
Но сравнению с рассмотренными устройствами данный датчик обеспечивает значительно более высокую точность измерения параметров, т.к. при его использовании погрешность измерения обуславливается лишь неучтёнными отклонениями координат направляющих векторов осей чувствительности и коэффициентов преобразования акселерометров от номинальных значений.
Однако его недостаток состоит в том, что вследствие несимметричного по отношению к продольной оси корпуса расположения осей чувствительности акселерометров места для установки акселерометров имеют различнз о конфигзфацию, в связи с чем конструкция датчика является сложной и нетехнологичной.
Нредлагаемая модель решает задачу повышения технологичности конструкции гравиметрического датчика, т.е. сокращения числа технологических операций при её изготовлении.
При использовании модели снижается трудоёмкость изготовления и себестоимость датчика, появляется возможность уменьшения размеров датчика и снижения расхода материалов, упрощается сборка и настройка датчика.
Решение указанной задачи достигается тем, что в гравиметрическом датчике, содержаш;ем три закреплённых в цилиндрическом корпусе акселерометра, в отличие от прототипа оси чувствительности акселерометров образуют с продольной осью корпуса одинаковые углы, а углы между проекциями осей чувствительности акселерометров на плоскость поперечного сечения корпуса составляют 120°, при этом проекции центров масс инерционных грузов акселерометров на плоскость поперечного сечения цилиндрического корпуса либо лежат на оси корпуса, либо образуют правильный треугольник, центр которого находится на оси корпуса.
На фиг. 1-3 показаны варианты построения конструкций гравиметрического датчика.
Гравиметрический датчик содержит акселерометры 1, 2, 3, установленные в цилиндрическом корпусе 4 таким образом, что их оси чувствительности, заданные соответствуюш;ими направляющими векторами Cj, С2, Сз,
образуют с продольной осью одинаковые углы у. Центры масс инерционных грузов акселерометров АЬ А2 и АЗ в проекции на плоскость поперечного сечения корпуса датчика дают точку, лежащую на оси корпуса (ФигЛ), или образуют правильный треугольник, центр которого находится на оси корпуса (Фиг.2), причём в последнем случае центры масс инерционных грузов акселерометров могут находиться в одной плоскости (Фиг.З).
В процессе работы датчика производится измерение сигналов акселерометров Ui, U2, Пз, пропорциональных проекциям вектора гравитационного
поля G на соответствующие оси чувствительности,  G, U2  KC2- G,  G,(1)
где к - одинаковый для всех акселерометров коэффициент преобразования. Из уравнений (1) определяются координаты вектора
в ортогональной системе координат OXYZ (Фиг. 1-3), по которым далее вычисляются визирный угол
9  arctg--,(3)
и зенитный угол 0  arctg L L2.(4)
Заметим, что формула (3) соответствует  совпадения плоскости действия отклонителя с плоскостью XOY.
Поскольку в указанной системе координат направляющие векторы осей чувствительности акселерометров равны
Ci(sinY,0, cosy),
62 ( cos 1 , sinl20 sinY, cosy)(5)
Сз  (cos240 smy, sin240°siny, cosy),
TO практические формулы для вычисления визирного и зенитного углов имеют вид
л/3(и2-из) Ф  arctg - ,(6)
2Ui-U2-U3 V(2Ui-U2-U3)+3(U20  arctg
Погрешность измерения вектора гравитационного поля G, обусловленная различными помехами при измерении сигналов акселерометров, зависит от величины угла у и возрастает при его приближении к значениям 0, 90°
G(GbG2,G3),(2)
Cji
-v/Gf+G Ui -Uo+U. U3y
или 180 , при которых направляющие векторы осей чувствительности акселерометров становятся коллинеарными или компланарными, а датчик - неработоспособным. Поэтому предлагаемом значения угла у целесообразно выбирать из диапазонов Аь 90°-А2 и 90°+А2, , в которых допуски AI и А2 ограничивают их приближения к 0, 90° и 180°.
Величины допусков AI и А2 определяются расчётным путём. В частности, если в качестве погрешности измерения сигналов акселерометров принять погрешность квантования сигналов при их аналого-цифровом преобразовании и задать допустимую погрешность определения направления вектора G в виде угла х|/, то их можно вычислить по формулам
AI  arcctg(2-tgO,5x|/),(4)
А2  90° - arctg(2 -tgO,5v),(5)
где N - разрядность аналого-цифрового преобразователя, применяемого для обработки сигналов акселерометров. Например, если |/  1,0° и N  10, то AI  9°, А2  4,5° и значения угла у могут быть выбраны из диапазонов 9°, 85,5° и 94,5°, 171°.
Когда у  ± arccos-рг, т.е значения угла у равны 54,73° или 125,27°,
оси чувствительности акселерометров расположены ортогонально и гравиметрический датчик имеет максимальную точность. Поэтому при выборе угла у следует стремиться именно к этим значениям.
Варианты построения датчика, представленные на фиг. 2,3 позволяют изготовить соосные с корпусом 4 технологические отверстия для прокладки электрических проводов, что способствует наиболее оптимальной компоновке приборов, в которых используется гравиметрический датчик. При этом в случае размещения центров масс инерционных грузов акселерометров в одной плоскости поперечного сечения корпуса 4 (Фиг.З) удаётся существенно сократить габаритные размеры датчика.
предлагаемый гравиметрический датчик может быть реализован на основе любых акселерометров, выпускаемых в России или за рубежом.