Блок ортогональных магнитных антенн для приемника локационной системы ГНБ
UNIT OF ORTHOGONAL MAGNETIC ANTENNAS FOR THE RECEIVER OF AN HDD LOCATION SYSTEM

Изобретение относится к средствам обнаружения под землей токопроводящих объектов с использованием магнитных полей, создаваемых или изменяемых объектом и может использоваться, в частности, для контроля глубины и положения электронного зонда в головке бурового инструмента при горизонтально направленном бурении (ГНБ) в процессе бурения под землей.
Проблема заключается в следующем.
Сигнал электронного зонда в виде переменного магнитного поля определенной частоты, несущий информацию о положении и глубине залегания буровой головки, принимается и обрабатывается приемным устройством (приемником) на поверхности земли. При этом точность определения координат электронного зонда, размещаемого в головке бурового инструмента, по дистанции (глубине) и по положению может отличаться при разном пространственном положении приемника. Необходимо решить проблему совмещения магнитных фокусов трех ортогонально расположенных магнитных антенн приемника, чтобы избежать ошибок измерения проекций магнитного вектора в точке измерения. Здесь под магнитным фокусом антенны (МФА) понимается точка пересечения всех плоскостей симметрии магнитной чувствительности антенны (или формы создаваемого ей магнитного поля, если использовать ее в качестве источника) (см. фиг. 1).
В приемниках локационных систем ГНБ в основном используются антенны на ферритовых стержнях. Особенностью этих конструкций является то, что единичные антенны на ферритовых стержнях располагаются на некотором расстоянии друг от друга, то есть их магнитные фокусы не совпадают по пространственному положению, что и приводит к ошибкам измерений. Например, магнитные антенны осей X и Y (горизонтальная плоскость) в приемнике GL-300 компании Golden Land, Китай, (фигура 3) разнесены по вертикали (ось Z) на 10 см, поэтому при повороте приемника, стоя над зондом, на 90 градусов появляется ошибка измерения глубины 10 см.
ANT
Проще говоря, если между центрами (магнитными фокусами) магнитных антенн есть некоторая дистанция Lant, то при измерении расстояния от электронного зонда до приемника при повороте последнего возможно появление ошибки до величины L (см. фиг. 2, 3).
Совмещение магнитных фокусов трех ортогональных магнитных антенн в приемных устройствах локаторов ГНБ для устранения ошибок измерений первыми применили специалисты компании DCI (США), но они использовали рамочные магнитные антенны без феррита (см. фиг. 4).
Конструкция представляет собой три прямоугольных магнитных рамки, ортогонально вставленных друг в друга, с единым магнитным фокусом.
В этом случае реализуется абсолютное совмещение магнитных фокусов для всех трех рамочных антенн. В более широком плане подобная же рамочная конструкция используется в измерительных антеннах типа АМТ-1 [изготовитель ОАО «Нижегородское НПО им. Фрунзе», св. от 23.01.2020 г].(см. фиг. 3). Однако такие антенны имеют значительные габариты, что не очень удобно в эксплуатации.
Вместе с тем, использование ферритовых сердечников существенно повышает эффективность магнитных антенн, позволяя уменьшать их размеры по сравнению с магнитными антеннами без сердечника и сделать антенный блок более компактным. С другой стороны, ферритовый сердечник для магнитных рамок (фиг. 4) должен иметь или форму сферы, или форму куба, чтобы сохранить единый магнитный фокус и симметрию по всем трем осям.
Известен реализованный принцип совмещения МФА по двум осям путем последовательного соединения пар антенн для каждой оси. Пример такой антенны (навигационная активная антенна ИФРНС [изготовитель АО «НТЦ «Интернавигация», г. Москва, журнал «Новости навигации», 1-ая половина 2021 г.]) показан на фиг. 5.
Для уменьшения размеров половинки ферритовых стержней с обмотками для каждой из осей вместо последовательного положения размещают параллельно с последовательной запиткой обмоток (см. фиг. 6а).
В этом случае навигационная антенна ИФРНС имела бы вид как на фиг. 6b, причем подобный принцип конструкции заложен в основу навигационных антенн по патентам RU 2380801 (опубл. 2010 г.); US6014111 (опубл. 2000 г.); US3495264 (опубл. 1970 г.); US3721989 (опубл. 1971 г.).
Исходя из указанных соображений, наиболее близким к предлагаемому техническому решению совмещения магнитных фокусов является конструкция навигационной антенны согласно патента US3721989, выбранная в качестве прототипа.
Здесь для решения навигационных задач и получения всенаправленной диаграммы в горизонтальной плоскости использованы две пары последовательно соединенных магнитных антенн на ферритовых стержнях, расположенных в виде квадрата в одной плоскости (аналогично фиг. 6b). Такая антенна с совмещением магнитных фокусов антенн в единый магнитный фокус обеспечивает хорошую точность измерений, однако она имеет значительные габариты, что обусловлено размещением обеих пар магнитных антенн в одной плоскости в виде квадрата.
Если не рассматривать использование внутреннего объема такого блока антенн для размещения усилителя, как это сделано в патенте US3721989, габариты конструкции можно значительно уменьшить с сохранением симметрии по двум осям и совмещением магнитных фокусов, разместив ортогональные пары ферритовых стержней с обмотками как это показано на фиг. 6с.
Поставленной задачей является уменьшение габаритов блока из трех групп ортогональных магнитных антенн с ферритовым сердечником при обеспечении совпадающих характеристик и магнитных полюсов групп по трем ортогональным осям симметрии для достижения высокой точности измерений.
Поставленная задача решается тем, что в блок ортогональных магнитных антенн для приемника локационной системы горизонтально направленного бурения, содержащий две пары параллельных и соединенных обмотками между собой ферритовых стержней, причем пары расположены ортогонально друг относительно друга и имеют общий магнитный фокус, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, дополнительно введена третья пара из двух расположенных параллельно и соединенных между собой обмотками ферритовых стержней, при этом все три пары расположены друг относительно друга ортогонально с образованием между ними совмещенного общего магнитного фокуса и сохранением симметрии по всем трем ортогональным осям, расстояние между параллельными ферритовыми стержнями в каждой из пар одинаково и соразмерно с диаметром ферритовых стержней для обеспечения возможно более компактной их сборки на общем основании кубической формы.
Введение в блок дополнительно третьей пары из двух расположенных параллельно и соединенных между собой обмотками ферритовых стержней в совокупности с расположением всех трех пар друг относительно друга ортогонально с образованием между ними совмещенного общего магнитного фокуса и сохранением симметрии по всем трем ортогональным осям и с тем, что расстояние между параллельными ферритовыми стержнями в каждой из пар одинаково и соразмерно с диаметром ферритовых стержней для обеспечения возможно более компактной их сборки на общем основании кубической формы, дает возможность при обеспечении высокой точности измерений существенно уменьшить габариты блока магнитных антенн.
Технический результат - уменьшение габаритов при высокой точности измерений.
Заявляемый блок ортогональных магнитных антенн обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как наличие дополнительной третьей пары из двух расположенных параллельно и соединенных между собой обмотками ферритовых стержней, расположение всех трех пар друг относительно друга ортогонально с образованием между ними совмещенного общего магнитного фокуса и сохранением симметрии по всем трем ортогональным осям, расположение параллельных ферритовых стержней каждой из пар симметрично относительно общего магнитного фокуса и на одинаковом расстоянии друг от друга, соразмерном с диаметром ферритовых стержней для обеспечения возможно более компактной их сборки на общем основании кубической формы, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень». Заявляемый блок ортогональных магнитных антенн может найти широкое применение для контроля глубины и положения электронного зонда, расположенного в головке бурового инструмента, при горизонтально направленном бурении (ГНБ) в процессе бурения под землей и потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1-6 представлены чертежи, иллюстрирующие проблему совмещения магнитных фокусов 3-х, ортогонально расположенных магнитных антенн приемника, чтобы избежать ошибок при измерении, а на фиг. 7-10 представлены чертежи заявляемого блока магнитных антенн.
При этом показаны на:
- фиг. 1 - вид магнитного фокуса антенны (МФА);
- фиг. 2а- возможное расположение 3-х магнитных антенн вдоль осей координат X, Y; Z т с одной точкой соединения их в начале осей координат (в нулевой точке);
- фиг. 2b - возможное расположение магнитных антенн вдоль осей с двумя точками их соединения с расстоянием Lант. между центрами (магнитными фокусами);
- фиг. 3 - магнитные антенны осей X, Y (горизонтальная плоскость с разнесением по вертикали (ось Z) в приемнике GL-300 компании Golden Land (Китай);
- фиг. 4 - совмещение магнитных фокусов трех ортогональных магнитных антенн в рамочных магнитных антеннах без феррита американской компании DCI;
Фиг. 5 - вид навигационной активной антенны ИФРНС с совмещением магнитных антенных фокусов по двум осям путем последовательного соединения пар антенн для каждой оси;
- фиг. 6а - половинки ферритовых стержней с параллельным размещением ферритовых стержней с обмотками с последовательной запиткой для каждой оси;
- фиг. 6b - навигационная антенна с параллельным размещением ферритовых стержней (в форме квадрата) с последовательной запиткой обмоток;
- фиг. 6c - размещение ортогональных пар ферритовых стержней с сохранением симметрии по двум осям и совмещением магнитных фокусов - в п. US 3721989;
- фиг. 7 - возможный вариант совмещения магнитных фокусов блока антенн при сохранении симметрии по всем осям;
- фиг. 8а - вид блока ортогональных магнитных антенн по одной из осей симметрии (проекция на одну из трех ортогональных плоскостей);
- фиг. 8b - общий вид блока ортогональных магнитных антенн в изометрии;
- фиг. 8с - общий вид блока ортогональных магнитных антенн с указанием расположения каждой из пар ферритовых стержней с обмотками относительно трех ортогональных осей координат;
- фиг. 9 - один вариант возможного конструктивного исполнения блока антенн на общем основании кубической формы с единым магнитным фокусом;
- фиг. 10 - другой вариант возможного конструктивного исполнения блока антенн на общем основании кубической формы с единым магнитным фокусом.
Заявляемый блок магнитных антенн выполнен следующим образом.
Блок ортогональных магнитных антенн на фиг. 7 показан для более наглядного представления возможности симметричной ортогональности ферритовых стрежней и получения единого магнитного фокуса, однако он является весьма габаритным, т.к. каждая пара ферритовых стержней размещена на одной оси, и далее не рассматривается, поскольку не позволяет достичь заданного результата.
Блок ортогональных магнитных антенн (фиг. 8а, 8b, 8с) содержит три пары (1-3) параллельных ферритовых стержней 1' и 1'', 2' и 2'', 3' и 3'' с попарно и последовательно соединенными обмотками 4' и 4'', 5' и 5'', 6' и 6''. При этом все три пары (1-3) расположены друг относительно друга ортогонально с образованием между ними совмещенного общего магнитного фокуса и сохранением симметрии по всем трем ортогональным осям. Расстояние между параллельными ферритовыми стержнями 1' и 1'', 2' и 2'', 3' и 3'' в каждой из пар 1-3 одинаково и соразмерно с диаметром ферритовых стержней для обеспечения возможно более компактной их сборки на общем основании 7 кубической формы, (фиг. 9, 10).
Блок ортогональных магнитных антенн работает следующим образом.
Сигнал электронного зонда в виде переменного магнитного поля определенной частоты, несущий информацию о положении и глубине залегания буровой головки, принимается и обрабатывается приемным устройством (приемником) на поверхности земли (на чертежах не показано). При этом точность определения координат электронного зонда, размещаемого в головке бурового инструмента, по дистанции (глубине) и по положению может отличаться при разном пространственном положении приемника в зависимости от конструктивного исполнения приемных магнитных антенн. Чтобы избежать ошибок измерения проекций магнитного вектора в точке измерения, необходимо совместить магнитные фокусы трех ортогонально расположенных магнитных антенн приемника. Здесь под магнитным фокусом каждой антенны понимается точка пересечения всех плоскостей симметрии магнитной чувствительности антенны (или формы создаваемого ей магнитного поля, если использовать ее в качестве источника).
Как уже говорилось выше, если между центрами (магнитными фокусами) магнитных антенн есть некоторая дистанция Lant, то при измерении расстояния от электронного зонда до приемника при повороте последнего возможно появление ошибки до величины Lant. Размещение в заявляемом техническом решении всех трех пар (1-3) магнитных антенн блока ортогонально с совмещением их магнитных фокусов в одной точке обеспечивает высокую точность измерения. При этом расположение их при расстоянии между параллельными ферритовыми стержнями 1' и 1'', 2' и 2'', 3' и 3'' в каждой из пар (1-3) одинаковым и соразмерным с диаметром ферритовых стержней дает возможность обеспечить их компактную сборку на общем основании 7 кубической формы, уменьшая габарита блока магнитных антенн.
В сравнении с прототипом заявляемый блок ортогональных магнитных антенн для приемника локационной системы ГНБ имеет меньшие габариты при обеспечении высокой точности измерений.