УСТАНОВКА ДЛЯ ГРАДУИРОВКИ И КАЛИБРОВКИ ИНКЛИНОМЕТРОВ
UNIT FOR GRADUATION AND CALIBRATION OF INCLINOMETRES

Изобретение относится к метрологическому обеспечению геофизических и промысловых скважин, а именно к выполнению комплекса исследований и стендовых испытаний новых типов инклинометров, в частности к настройке, регулировке, калибровке и балансировке их чувствительных элементов.
Известна установка для настройки и экспериментальных исследований инклинометров, содержащая U-образную подставку в виде плиты и двух вертикальных стоек, нижнюю платформу с узлами крепления к стационарному основанию, верхнюю платформу с консольно установленными на ней полуосями, которые связаны посредством опор вращения с верхними частями вертикальных стоек подставки, узел крепления корпуса инклинометра, три диска червячных передач, первый из которых жестко связан с плитой и расположен горизонтально и соосно второму диску, жестко связанному с узлом крепления корпуса инклинометра, а третий диск установлен в вертикальной плоскости, жестко связан с верхней платформой и установлен на одной из полуосей соосно с ней, три лимба грубого отсчета углов, параллельных дискам червячных передач, два из которых предназначены для отсчета зенитного и визирного углов и жестко связаны соответственно со вторым и третьим дисками, а третий лимб отсчета азимута с помощью двух узлов резьбового крепления связан с плитой, три подпружиненных червяка и три лимба точного отсчета углов, связанных с червяками (авт.св. СССР №791957, E21B 47/02, 1978 г.).
Эта установка не обеспечивает требуемую точность измерений и сложна в эксплуатации.
Известна установка для настройки и экспериментальных исследований инклинометров, содержащая U-образную подставку в виде плиты и двух вертикальных стоек, первую платформу с узлами крепления к стационарному основанию, вторую платформу, установленную между плитой и первой платформой соосно с ними и имеющую упор ортогональной фиксации, причем на первой платформе выполнены четыре паза, равнорасположенные по ее образующей поверхности, третью платформу с консольными полуосями, которые через опоры вращения связаны с верхними частями вертикальных стоек, узел крепления корпуса инклинометра, выполненный в виде двух штурвалов, цилиндра и сменной цанги, причем штурвалы соединены с цилиндром по резьбе, а сменная цанга размещена в цилиндре соосно с ним, три диска червячных передач, первый из которых жестко связан с плитой и расположен горизонтально, второй диск жестко связан с цилиндром узла крепления корпуса инклинометра, третий диск жестко связан с третьей платформой и размещен на одной из ее полуосей соосно с ней, установленные параллельно с диском три лимба грубого отсчета углов, причем лимбы зенитного и визирного углов жестко связаны с третьим и вторым дисками соответственно, а лимб азимута посредством двух узлов резьбового крепления связан с плитой, три подпружиненных червяка, связанных червячными зацеплениями с дисками, и три лимба точного отсчета углов, установленные на червяках (авт.св. СССР №1441061, E21B 47/02, 1988 г.).
Установка имеет ограниченные эксплуатационные возможности, так как не обеспечивает требуемую точность измерения и не удовлетворяет эргономическим требованиям. Это обусловлено тем, что лимбы грубого и точного отсчета пространственно отделены друг от друга, причем лимбы точного отсчета расположены на маховиках червяков, а лимб грубого отсчета - на оси червячного колеса. Поскольку полностью устранить люфты в червячных зацеплениях не представляется возможным, то сделать погрешность задания углов менее ±10' не удается. Кроме того, лимб отсчета зенитного угла размещен во внутреннем пространстве стоек, что ограничивает доступ к нему и существенно затрудняет снятие показаний. Все это вместе взятое значительно затрудняет эксплуатацию установки и не позволяет использовать ее, например, для отладки точных электронных инклинометров нового поколения.
Известна установка (прототип) для настройки и экспериментальных исследований инклинометров, содержащая U-образную подставку в виде плиты и двух вертикальных стоек, первую платформу с узлами крепления к стационарному основанию, вторую платформу, установленную между плитой и первой платформой соосно с ними и имеющую упор ортогональной фиксации, причем на первой платформе выполнены четыре паза, равнорасположенные по ее образующей поверхности, третью платформу с консольными полуосями, которые через опоры вращения связаны с верхними частями вертикальных стоек, узел крепления корпуса инклинометра, выполненный в виде двух штурвалов, цилиндра и сменной цанги, причем штурвалы соединены с цилиндром по резьбе, а сменная цанга размещена в цилиндре соосно с ним, три диска червячных передач, первый из которых жестко связан с плитой и расположен горизонтально, второй диск жестко связан с цилиндром узла крепления корпуса инклинометра, третий диск жестко связан с третьей платформой и размещен на одной из ее полуосей соосно с ней, установленные параллельно с дисками три лимба грубого отсчета углов, причем лимб визирного угла жестко связан со вторым диском, а лимб азимута посредством двух узлов резьбового крепления связан с плитой, три подпружиненных червяка, связанных червячными зацеплениями с дисками, и три лимба точного отсчета углов, при этом третий диск с лимбом зенитного угла, шкала которого расположена с внешней стороны вертикальной стойки, жестко связан с одной из полуосей третьей платформы, лимбы точного отсчета углов сопряжены непосредственно с лимбами грубого отсчета, лимб точного измерения азимутального угла жестко закреплен на второй платформе, лимб точного измерения зенитного угла - на соответствующей вертикальной стойке, лимб точного визирного угла - на третьей платформе, а на второй полуоси суппозитно узлу крепления корпуса инклинометра установлен приборный столик (Пат. RU №2178522, E21B 47/02, опубл. 20.10.2002 г.).
В прототипе лимбы грубого и точного отсчетов находятся на одной оси червячного колеса и непосредственно сопрягаются друг с другом, что позволило исключить влияние люфтов червячных зацеплений на показания углов. Благодаря этому погрешность измерения становится меньше.
Установка-прототип имеет ограниченные эксплуатационные возможности, так как не обеспечивает требуемую точность азимутального и визирного углов за счет наличия люфтов в консольных полуосях, в первом диске червячной передачи, коробке и цилиндре. Кроме того, в известной установке отсутствуют противовесы с регулируемыми грузами на консольных полуосях, что снижает равновесие инклинометра при измерении, а при установке тяжелых приборов на червячной передаче возможен срыв зубчатого колеса, что снижает эксплуатационную надежность.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является повышение надежности конструкции и снижение абсолютной погрешности измерения, что значительно расширяет эксплуатационные возможности при настройке инклинометров нового поколения.
Задача решается тем, что в установке для градуировки и калибровки инклинометров, содержащей подставку в виде плиты и двух вертикальных стоек, основание-платформу с узлами крепления к стационарному основанию, вторую платформу с консольными полуосями, которые через опоры вращения связаны с верхними частями вертикальных стоек, узел крепления корпуса инклинометра в виде цилиндра со штурвалами и цанговыми зажимами, причем штурвалы соединены с цилиндром по резьбе, три диска червячных передач, первый из которых расположен горизонтально, второй диск жестко связан с цилиндром узла крепления корпуса инклинометра, третий диск закреплен в вертикальной плоскости, и установленные параллельно дискам три лимба грубого отсчета углов, и непосредственно сопрягаемые с ними три нониуса для точного отсчета углов, три подпружиненных червяка, связанных червячными зацеплениями с дисками, при этом третий диск с лимбом зенитного угла, шкала которого расположена с внешней стороны вертикальной стойки, жестко связан с одной из полуосей третьей платформы, нониус точного измерения азимутального угла жестко закреплен на второй платформе, нониус точного измерения зенитного угла - на соответствующей вертикальной стойке, нониус точного визирного угла - на третьей платформе; подставка в виде плиты выполнена в форме зубчатого колеса, одновременно являющегося первым диском червячной передачи, расположенным горизонтально на основании-платформе на втулочных подшипниках скольжения с фиксацией при помощи подпружиненного диска с регулировочными винтами, вертикальные стойки жестко крепятся к первому диску червячной передачи в форме зубчатого колеса, консольные полуоси с опорами вращения, выполненными в виде подшипников скольжения, снабжены противовесами с регулируемыми грузами, имеющими цанговые зажимы на концах, при этом одна из консольных полуосей снабжена фиксатором поворота в виде цангового зажима с эксцентриком с возможностью фиксации в разных положениях, узел крепления корпуса инклинометра выполнен в виде удлиненного цилиндра с цанговыми зажимами на концах, установленного на опорах в виде подшипников скольжения в коробке, расположенной между вертикальными стойками, при этом червячные передачи снабжены механизмами ввода и вывода из зацепления в виде поворотных эксцентриков с фиксацией в двух разных положениях, причем по обе стороны хода эксцентрика установлены резиновые вставки для подпружинивания хода червячной передачи.
Подшипники первого диска червячной передачи выполнены радиально-осевыми, консольные полуоси снабжены радиально-осевыми и радиальными подшипниками, упомянутые цилиндр и коробка снабжены радиально-осевыми и осевыми подшипниками.
Кроме того, установка выполнена с одной плавающей опорой - полуосью, имеющей свободу перемещения вдоль своей оси относительно одной из вертикальных стоек, и может быть снабжена электрическими датчиками углового положения.
В установке фиксация узла крепления корпуса инклинометра в коробке выполнена с помощью откидного фиксирующего упора, противовесы к свободным концам консольных полуосей крепятся при помощи хомутов, а третий лимб грубого отсчета углов крепится на консольной полуоси с помощью хомута.
Все детали установки выполнены из немагнитных материалов.
В отличие от известных средств заявляемая конструкция выполнена со следующими особенностями.
Опорные поверхности выполнены в виде радиально-упорных подшипников скольжения с минимальными зазорами, позволяющих осуществлять поворот исследуемого инклинометра в трех взаимно перпендикулярных плоскостях - наклон по зенитному углу, поворот по азимуту и визирному углу вокруг своей оси.
Поворот в различных плоскостях осуществляется с помощью червячных передач с подпружиненным червяком для устранения зазоров в зубчатой паре, обусловленных точностью изготовления и износом в процессе работы. При этом червячные передачи снабжены механизмами входа и выхода из зацепления в виде поворотных эксцентриков с фиксацией в двух крайних положениях. Подпружинивание червяка зубчатой передачи осуществляется с помощью резиновых элементов, установленных по обе стороны хода эксцентрика. Таким образом, поворот исследуемого инклинометра может осуществляться в двух режимах: «быстрый» - с выведенной из зацепления червячной парой каждой из имеющейся зубчатой передачи и так называемый «режим подводки» - при помощи зубчатой передачи.
Предусмотрены регулируемые уравновешивающие грузы, позволяющие устранить опрокидывающий момент при закреплении в установку инклинометра в различных точках по его длине.
Узел крепления корпуса инклинометра выполнен в виде удлиненного цилиндра с цанговыми зажимами на концах и посажен в подшипники скольжения в коробке, расположенной между вертикальными стойками на консольных полуосях.
Консольные полуоси с опорами для поворота по зенитному углу выполнены в виде подшипников скольжения, радиально-упорного с одной стороны и радиального - с другой. При этом одна из консольных полуосей снабжена фиксатором поворота в виде цангового зажима с эксцентриком, позволяющим фиксировать положение коробки относительно стоек по зенитному углу в различных положениях.
Установка может быть снабжена электрическими датчиками углового положения и выполнена с одной полуосью, имеющей ход вдоль своей оси относительно одной из вертикальных стоек.
Указанные отличительные особенности конструкции установки значительно повышают точность измерения и настройки инклинометров, при этом абсолютная погрешность измерений составляет 10 угловых минут.
Существо устройства пояснено чертежами: на фиг.1 представлен общий вид установки; на фиг.2 - вид сверху; на фиг.3 - вид А, на фиг.4 - установка, содержащая датчики углового положения.
Установка содержит плиту 1, выполненную в виде зубчатого колеса на которое установлены две вертикальные стойки 2 и 3 с накладками 4, основание 5, коробку 6 с консольно-закрепленными в ней полуосями 7 и 8, узел 9 крепления корпуса инклинометра с двумя штурвалами 30, противовесы 10 с регулировкой груза 11 по высоте, лимбы 14, 15, 16 со шкалами грубого отсчета углов поворота по азимуту, зениту и визиру соответственно, нониусы 22, 23, 24 со шкалами точного отсчета углов. Нониусы имеют возможность начальной регулировки относительно шкалы лимбов. Лимбы также имеют возможность начальной регулировки в процессе настройки установки поворотом вокруг своей оси и могут быть зафиксированы. Лимбы 14 и 16 - при помощи прижимов 17 и 18, а лимб 15 - при помощи хомута на цанговом зажиме.
Плита 1 червячной передачи поворота установки по азимуту сопряжена с основанием 5 посредством радиально-осевой опоры скольжения 49, 50 и при помощи подпружиненного диска 42. Зубчатое колесо 13 жестко связано с узлом 9 крепления корпуса инлинометра, а зубчатое колесо 12 установлено в вертикальной плоскости и жестко связано с полуосью 7 коробки 6.
Полуоси 7 и 8 жестко закреплены к коробке 6 винтами 29 и при помощи подшипников скольжения (радиальные и радиально-осевые) 45, 46, 47, 48 связаны с верхними частями стоек 2 и 3.
Узел 9 крепления корпуса инклинометра выполнен в виде удлиненного цилиндра с цанговыми зажимами на концах, посаженного на радиально-осевые подшипники скольжения 51, 52, 53, 54, и двух штурвалов 30. Штурвалы 30 служат для закрепления исследуемого инклинометра в цанговых зажимах.
Узел крепления корпуса инклинометра 9 может быть зафиксирован в коробке 6 с помощью откидного фиксирующего упора 41.
Противовесы 10 крепятся к свободным концам полуосей 7, 8 при помощи хомутов 58. Фиксация измененного положения грузов 11 на противовесах 10 осуществляется при помощи цангового зажима 59. К стойке 3 прикреплена боковая цанга 60 для фиксации полуоси 8 при помощи эксцентрика 61. Лимб 15 с цанговым зажимом крепится на полуоси 7 при помощи хомута 62. На полуоси 7 находится разрезная гайка с пружиной 63, находящаяся в зафиксированном состоянии относительно полуоси 7, аналогичная гайка 64 находится на цилиндре 9 и зафиксирована относительно его.
Подпружиненные червяки 19, 20, 21 поворота установки по азимуту, зенитному и визирному углам связаны зубчатыми зацеплениями с дисками 1, 12, 13 соответственно. Червяки установлены в опорах скольжения в поворотные коромысла 33, 36 и 39, которые представляют собой, каждый сам по себе, поворотный механизм для ввода-вывода из зацепления червячной передачи и содержат также пружину 31, шпильку 32 с контргайками, штифты 34, 66 (фиг.2) и 37 (фиг.3), эксцентрики 35 и 40, резиновую пружину 38, откидной фиксирующий упор 41, диск 42, винты 43, пружину 44, корпус 68.
Червяк 19, находясь в зацеплении с зубчатым колесом 1, подпружинен пружиной 31, которая крепится на шпильке 32 и прижата к корпусу 33. Корпус 33 вместе с червяком 19 имеет возможность поворота относительно штифта 34 для ввода и вывода из зацепления зубчатой пары. Червяк 19 вводится в зацепление путем перемещения шпильки 32 внутри втулки 55 и фиксацией его путем поворота шпильки 32 по направляющей.
Червяк 20, находясь в зацеплении с зубчатым колесом 12, подпружинен резиновой пружиной 67, находящейся в стойке 2, к корпусу 36 прикреплена тяга 56, внутри которой находится эксцентрик 35, один конец которой вставлен в стойку 2, где установлен штифт 37 (фиг.3). При помощи эксцентрика 35 червяк 20 входит и выходит из зацепления. Аналогичным способом подпружинен червяк 21. К коромыслу 39 прикреплена тяга 57, в которой находится эксцентрик 40, один конец тяги вставлен в коробку 6, где установлено резиновое уплотнение 38.
Установка устанавливается на стационарное основание (фундамент) на три ножки 25 с контргайками 26, 27, связанными резьбовыми соединениями с отверстиями в лапах основания 5. Сферические торцы ножек механически связаны с профилированными шайбами 28, которые при необходимости могут быть жестко связаны винтами с фундаментом.
Платформа 65 с поверхностью Д и пазами Е служит для установки оптического квадранта КO1, теодолита и буссоли.
Все детали установки выполнены из немагнитных материалов, поэтому влияние на естественное магнитное поле Земли сведено к минимуму.
Для более точного определения углов установка может оснащаться датчиками угловых перемещений (далее - датчики) (фиг.4).
Датчик визирного угла крепится неподвижно на крестовину 69, которая закреплена на коробке 6 и расположена соосно цилиндру 9, на котором закреплена неподвижно ответная крестовина 70, передающая вращение датчику 71 через муфтовое соединение 75.
Датчик азимутального угла 72 крепится неподвижно при помощи крестовины 73 и крышки 74 соосно основанию 5. Для передачи вращения датчику с помощью муфтового соединения 75 на диске 1 соосно крепится крестовина 76 с регулируемой осью 77.
Датчик зенитного угла 78 крепится неподвижно при помощи крестовины 79 к стойке 2 соосно полуоси 7. Соединение датчика 78 и полуоси 7 осуществляется при помощи муфтового соединения 75.
В качестве датчиков угловых перемещений может использоваться датчик угловых положений ЛИР-ДА 2.
Для исключения заклинивания и плавного хода зенитного угла и компенсации погрешностей, связанных с неточностью изготовления и тепловым расширением деталей, установка может быть выполнена с одной плавающей опорой (фиг.4). При этом полуось 7 и стойка 2 жестко закреплены относительно друг друга от осевых перемещений, а полуось 8 имеет некоторую свободу перемещений в осевом направлении относительно стойки 3 для компенсации вышеперечисленных погрешностей.
Работа на заявляемом устройстве включает два этапа.
Первый - точная пространственная ориентация самой установки, то есть совмещение ее базиса с опорным базисом, образованным вектором ускорения свободного падения и горизонтальной составляющей полного вектора напряженности геомагнитного поля.
Второй - собственно фиксированная ориентация инклинометра на заданные углы.
На первом этапе ножки 25 устанавливают на стационарное основание. На плоскости плиты 1 параллельно линии, проходящей через любые две ножки 25, устанавливают оптический квадрант, например КO1, выставленный в нулевое положение по горизонтали. Поворотом плиты 1 на 180° и вращением ножек 25 выполняют установку основания 5 при помощи показаний квадранта по горизонтали. Затем, повернув плиту 1 на 90°, повторяют процедуру. После того как основание 5 выставлено по горизонтали, положение ножек 25 фиксируют контргайками 27.
Затем в узел крепления корпуса инклинометра 9 устанавливают и закрепляют неподвижно технологическую платформу 65. Оптический квадрант устанавливают на поверхность Д технологической платформы 65 и ориентируют в плоскости наклона. Вращением червяка 20, контролируя показания квадранта, выставляют платформу 65 горизонтально и совмещают нулевые показания лимба 15 и нониуса 23 зенитного угла, после чего закрепляют лимб 15 цанговым зажимом 62. Затем оптический квадрант ориентируют в плоскости вертикальных стоек 2 и 3, то есть в плоскости, перпендикулярной плоскости наклона коробки 6, и проверяют горизонтальное положение поверхности Д платформы 65 поворотом ее по визирному углу.
Следующей операцией является совмещение плоскости наклона с направлением на север магнитного меридиана. После вывода из зацепления червяка 20 вращением корпуса 6 выполняют наклон узла 9 на 90° относительно вертикальной оси, при необходимости вводят червяк 20 в зацепление и доводят до точного значения. После чего на противоположном конце платформы 65 устанавливают буссоль, например ОБК-1 (компас с малой погрешностью), в специальные пазы Е. Плавным вращением плиты 1 в плоскости горизонта с помощью червяка 19 совмещают плоскость наклона с направлением на север магнитного меридиана, что регистрируется нулевым показанием буссоли. Лимб 14 грубого отсчета поворотом на плите 1 нулевым делением совмещают с нулевым делением нониуса 22 азимутального угла, после чего кольцо лимба фиксируется прижимами 17 и 18. После этого узел крепления 9 устанавливают в вертикальное положение и цилиндр с буссолью извлекают. Лимб 16 визирного угла совмещается с нулевой меткой нониуса 24.
На втором этапе исследуемый объект - инклинометр устанавливают в узел крепления 9 и вращением штурвалов 30 фиксируют неподвижно. Затем инклинометр уравновешивают с помощью противовесов 10 с грузами 11, передвигая их по направляющим, фиксируют цанговыми зажимами 59. Путем свободного вращения при выведенных червяках 19, 20, 21 из зацепления корпусу инклинометра задается необходимое пространственное положение зенитного угла 0-180°, в диапазонах азимута - 0-360°, визирного угла 0-360°. Для точной доводки червяки 19, 20, 21 вводятся в зацепление. Вращение червяка 19, связанного зубчатым зацеплением с плитой 1, приводит к ее повороту и соответственно инклинометра по азимуту. Вращение червяка 20, связанного зубчатым зацеплением с диском 12, установленным на коробке 6, приводит к повороту на требуемый зенитный угол коробки 6 вращением ее полуосей 7 и 8 относительно стоек 2 и 3 плиты 1. После установки требуемого угла корпус с инклинометром фиксируется при помощи эксцентрика 61, расположенного на цанговом зажиме 60. Визирный угол задают путем вращения червяка 21 и соответственно диска 13, жестко связанного с узлом крепления корпуса инклинометра 9. Откидной фиксирующий упор 41 служит для предотвращения вращения узла 9 с диском 13 относительно коробки 6 при вращении штурвалов 30 и установке инклинометра в узле 9 крепления корпуса. Значение задаваемых угловых параметров пространственной ориентации корпуса инклинометра считывают по показаниям лимбов 14, 15, 16 грубого и нониусов 22, 23, 24 точного отсчетов с ценой деления 3 угловых минуты.
Червяки 19, 20, 21 вводятся в зацепление с зубчатыми дисками 1,12, 13 посредством поворота или движения эксцентриков 32, 35 и 40, путем поворота коромысел 33, 36 и 39 вокруг штифтов 34, 37 и 66 соответственно.
Такое конструктивное исполнение червячных пар позволяет осуществить быстрое вращение дисков 1, 12, 13 при выведенных из зацепления червяках.
Для настройки, градуировки и экспериментальных исследований инклинометров, в частности для обеспечения ортогональности и горизонтальности осей их чувствительности, а также для оценки распределения систематических погрешностей в опорных точках диапазона азимута (0, 90, 180, 270°) необходима быстрая ориентация корпуса инклинометра во всех трех плоскостях. Это обеспечивается при помощи вывода червяков из зацепления.
После завершения работ по настройке и экспериментальному исследованию инклинометр вынимают из узла крепления 9 посредством обратного вращения штурвалов 30.
При работе установки с датчиками угловых положений осуществляется автоматическая индикация угловых параметров пространственной ориентации корпуса инклинометра с выводом данных о зените, азимуте и угла установки отклонителя на экран компьютера. В основе работы датчика ЛИР-ДА 2 лежит принцип фотоэлектронного сканирования штриховых растров. В качестве осветителей используются инфракрасные светодиоды, а приемниками излучения служат кремниевые фотодиоды. После включения питания с выходной шины датчика можно считать код, соответствующий угловому положению вала датчика в пределах 360°.
В случае выполнения установки с одной плавающей опорой, когда одна полуось имеет свободу перемещений вдоль своей оси относительно одной из вертикальных стоек, исключается заклинивание полуосей 7 или 8 со стойками 2 или 3 и обеспечивается плавный ход механизма для измерения зенитного угла.
Основные отличительные особенности заявляемой установки от известных устройств заключаются в конструкции червячных передач. В нашем случае, например, при измерении азимутального угла червячная передача входит в зацепление при помощи эксцентрика, одна часть которого находится на червяке, а другая - на коробке червячной передачи, и при повороте рукоятки червяк входит и выходит из зацепления, что позволяет оперативно устанавливать инклинометр в нужном положении.
В прототипе, например, при установке тяжелого прибора на червячной передаче возможен срыв зубчатого колеса. В заявляемой конструкции на валу установлен тормоз 60 и противовесы 10 на концах вала, которые обеспечивают установку тяжелых приборов и снимают нагрузку с зубчатого колеса.