Датчик угловых перемещений

 

Изобретение относится к промысловой геофизике и м.б. использовано для инклинометрии скважины. Цель изобретения - повышение чувствительности. Для этого датчик имеет дополнительную статорную однофазную рамочную обмотку 6 и расположенные на роторе 7 два ряда дополнительных чередующихся ферромагнитных и немагнитных металлических секторов. Они установлены между рядами основных секторов и соответственно соединены с ними. Длины ферромагнитных и немагнитных дополнительных секторов равны полюсному делению обмотки 6, лобовые части которой расположены в зоне дополнительных рядов ротора 7, которые сдвинуты относительно друг друга на половину полюсного деления обмотки 6. Полюсное деление последней в кратное число раз меньше основной статорной однофазной рамочной обмотки 5. Индикация результатов измерения в процессе бурения азимута, зенитного угла и положения отклонителя осуществляется на соответствующих измерителях с основной и дополнительной шкалой. Применение в датчике дополнительных ферромагнитных и немагнитных секторов, ротора 7 и обмотки 6 с указанной геометрией, взаимным расположением и .связями между собой и основными секторами позволяет умножить в целое число раз фазу выходного сигнала и осуществить отсчет по основной и дополнительной щкалам. 5 ил. i (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ . РЕСПУБЛИН

m4 Е21 В 4702

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИ4ЕТЕПЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4115515/22-03 (22) 09.09. 86 (46) 15.05.88. Бюл. № 18 (71) Специальное проектно-конструкторское и технологическое бюро по погружному электрооборудованию для бурения скважин и добычи нефти Всесоюзного научно-производственного об.ьединения «Потенциал» (72) Н, Н. Гринченко, В. П. Аржеухин, В. Н. Гринченко и К. В. Шепиль (53) 622.241 7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 362906, кл. Е 21 В 47/02, 1973. (54) ДАТЧИК УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИИ (57) Изобретение относится к промысловой геофизике и м.б. использовано для инклинометрии скважины. Цель изобретения — повышение чувствительности. Для этого датчик имеет дополнительную статорную однофазную рамочную обмотку 6 и расположенные на роторе 7 два ряда дополнительных чередующихся ферромагнитных и немагнитных металлических секторов. Они

„„SU„„1395816 А 1 установлены между рядами основных секторов и соответственно соединены с ними.

Длины ферромагнитных и нем агнитных дополнительных секторов равны полюсному делению обмотки 6, лобовые части которой расположены в зоне дополнительных рядов ротора 7, которые сдвинуты относительно друг друга на половину полюсного деления обмотки 6. Полюсное деление последней в кратное число раз меньше основной статорной однофазной рамочной обмотки 5.

Индикация результатов измерения в процессе бурения азимута, зенитного угла и положения отклонителя осуществляется на соответствующих измерителях с основной и дополнительной шкалой. Применение в датчике дополнительных ферромагнитных и немагнитных секторов, ротора 7 и обмотки 6 с указанной геометрией, взаимным расположением и.связями между собой и основными секторами позволяет умножить в целое число раз фазу выходного сигнала и осуществить отсчет по основной и дополнительной шкалам. 5 ил.

1395816

Изобретение относится к промысловой геофизике и может быть использовано для инклинометрии скважины (измерения азимута, зенитного угла) и измерения угла установки отклонителя при ориентировании на забое отклоняющей компоновки в процессе направленного бурения скважины.

Цель изобретения — повышение чувствительности датчика угловых перемещений.

На фиг. 1 изображена структурная схема датчиков угловых перемещений в составе инклинометра; на фиг. 2 — схема обмоток датчика угловых перемещений; на фиг. 3 — развертка ротора датчика; на фиг. 4 — кривая измерения взаимоиндукции между каждой из фаз двухфазной и однофазной обмоток в функции угла поворота ротора датчика угловых перемещений; на фиг. 5 — временная диаграмма его работы.

Над электробуром 1 в скважинной части инклинометра устанавливаются датчики 2 — 2 угловых перемещений, каждый из которых содержит диэлектрический статор с двухфазными кольцевыми обмотками 3 и 4 и однофазной основной рамочной обмоткой 5, а также однофазной дополнительной рамочной обмоткой 6. На бесконтактном роторе 7 каждого датчика размещены два

/ ряда чередующихся основных секторов 8 — 8

/ и дополнительных секторов 9 — 9, а также

/ основных секторов 10 — 10 и дополнительных металлических секторов 11 — 11, тангенциально смещенных один относительно другого на 90 эл. град. Причем между двумя рядами основных секторов 8 — 8 и

10 — !О расположены и соответственно соединены с ними два дополнительных ряда чередующихся ферром агнитных секторов

/ /

9 — 9 и немагнитных секторов 11 — 11, äëèна которых равна полюсному делению дополнительной статорной одноф азной рамочной обмотки 6. Лобовые части обмотки 6 расположены в зоне дополнительных рядов секторов 9 — 9 и 11 — 11 ротора, которые сдвинуты один относительно другого на половину полюсного деления дополнительной однофаз ной рамочной обмотки 6, пол юсное деление которой в кратное число раз меньше основной однофазной рамочной обмотки 5.

Кольцевые обмотки 3 и 4 датчиков 2 — 2 соединены с выходами соответствующих модуляторов 12 и 13, основные входы которых подключены: у модулятора 12 — к первому, у модулятора 13 — ко второму выходам генератора 14 квадратурного напряжения синусоидальной формы. Модулирующие входы модуляторов 12 и 13 подключены к выходу генератора 15 частоты заполнения.

Фаза выходного сигнала основной обмотки 5 статора датчика 2 соответствеут углу

55 поворота его ротора 7, а фаза выходного сигнала дополнительной обмотки 6 статора этого датчика в заданное целое число раз больше фазы сигнала основной обмотки 5, поскольку в это же число раз больше число полюсов дополнительной статорной рамочной обмотки 6 относительно основной рамочной обмотки 5. Два ряда дополнительных чередующихся ферромагнитных 9, 9 и немагнитных 11, 11 металлических секторов, которые соединены с соответствующими металлическими основными секторами 8 — 8 и 10 — 10, образуют единые с ними магнитопроводящие поверхности на роторе датчика. Дополнительные сектора

9 — 9 и 11 — 11 достаточно удалены от лобовых частей основной обмотки 5 статора и не оказывают на нее заметного влияния.

В зоне влияния дополнительных секторов

9 — 9 и 11 — 11 на статоре между кольцевыми обмотками 3 и 4 и лобовыми частями основной рамочной обмотки 5 расположена дополнительная однофазная рамочная обмотка 6, полюсное деление которой в кратное число раз меньше основной статорной однофазной рамочной обмотки 5.

Лобовые части дополнительной обмотки

6 достаточно удалены от рядов чередующихся ферромагнитных 8, 8 и немагнитных

10. 10 металлических основных секторов и расположены в зоне влияния только чередующихся ферромагнитных 9, 9, которые усиливают связь с кольцевыми обмотками

3,4, и немагнитных 11, 11, которые ослабляют эту связь, металлических дополнительных секторов, которые сдвинуты один относительно другого на половину деления дополнительной однофазной обмотки 6 и которые имеют длину, соответствующую полюсному делению этой дополнительной обмотки 6.

Для удобства изготовления статора датчика его пазы, в которых размещается основная 5 и дополнительная 6 обмотки, могут быть совмещены. При этом необходимо учитывать постоянное смещение между началом отсчета основной и дополнительной шкал устройства. Кроме того, для повышения технологичности конструкции число пар рамок однофазной измерительной обмотки статора, а также число чередующихся ферромагнитных и немагнитных металлических секторов в каждом ряду ротора может быть уменьшено и определяется из условия получения на выходе измерительной обмотки сигнала, величина которого достаточна для нормального функционирования датчика при любом положении его ротора в пределах заданного угла.

Чередование ферромагнитных (усиливающих связь с двухфазными кольцевыми обмотками 3 и 4) и немагнитных (ослабляющих эту связь) металлических секторов

1395816 в каждом основном и дополнительном ряду на поверхности ротора 7 обеспечивает при повороте ротора 7 изменение индуктивных связей между измерительными рамочными основной 5 и дополнительной 6 обмотками и двухфазными кольцевыми обмотками

3 и 4 по закону, близкому к синусоидальному.

Основная 5 и дополнительная 6 обмот/ ка статора каждого датчика 2 — 2 подключены к соответствующим входам шагового коммутатора 16, которыми являются вхо/ ды ключей 17 — 17, собранных по схеме синхронного детектора. Управляющие вхо/ ды ключей 17 — 17 подключены к выходу генератора 15 и к соответствующим выходам распределителя 18, формирующего на выходах последовательно во времени импульсы напряжения и содержащего дешифратор и счетчик (не показаны), вход которого связан с первым выходом генератора

14. Выходы ключей 17 — 17 соединены между собой и являются выходами шагового коммутатора 16, который через передающий преобразователь 19 и присоединительный фильтр 20 подключен к токоподводу электробура 1.

Вход передаюгцего преобразователя 19 образован входом фильтра 21 низкой частоты, выход которого подключен через усилитель-ограничитель 22 к дифференцирующей цепи 23, а ее выход — к шине сброса триггера 24.через схему И 25. Вход запуска триггера 24 подключен к распределителю 18.

К другому входу логического элемента И 25 подключен один из дополнительных выходов распределителя 18.

Выход триггера 24 соединен с управляющим входом первого ключа 26, к его входу подключен генератор 27 несущей частоты измерительных посылок, а выход ключа 26 подключен к усилителю 28 мощности. Генератор 29 несущей частоты посылок синхронизации соединен с входом усилителя 28 мощности через второй ключ 30, управляющий вход которого соединен с распределителем

18. Выходом передающего преобразователя

19 служит выход усилителя 28 мощности, который подключен к входу присоединительного фильтра 20. К токоподводу электробура 1 через присоединительный фильтр

20 подключен блок питания скважинной части инклинометра (не показан).

Наземная часть инклинометра содержит приемный преобразователь 31, преобразующий ШИМ-сигнал в аналоговую величину и распределяющий его поканально, выходы которого подключены к соответствующим

/ измерителям 32 — 32 контролируемых параметров (стрелочным измерительным приборам), а вход — через фильтр 33 подсоединен к токоподводу электробура !. Измерители имеют общую точку, соединенную с одним из выходов преобразователя 31. Дру5

/ гие выводы измерителей 32 — 32 подключены к соответствующим поканальным интеграторам преобразователя 31 . Каждому контролируемому параметру соответствует два измерителя 32 — 32 : один измеритель с грубой шкалой, а другой — с точной (нониусной) шкалой.

Чувствительные элементы (магнитная стрелка для датчика азимута и отвесы для датчика зенитного угла и положения отклонителя) связаны с роторами 7 — 7 инклинометрических датчиков, выполненных на основе синус-.косинусных поворотных трансформаторов, включенных в режиме двухфазнь:.; фазовращателей.

Генератор 14 квадратурного напряжения синусоидальной формы на своих выходах формирует два одинаковых по ам плит);с напряжения частоты 45 Гц, сдвинутых один относительно другого по фазе на 90 эл. град.

Устройство работает следующим образом.

На каждую из кольцевых обмоток 3 и 1, которые в датчиках 2 — 2 образуют дву. фазную обмотку. подается модулированное модуляторами 12, 13 соответственно синусоидальной и косинусоидальной формы напряжение частоты (f 14 кГц) за пол нени я генератора 15. Через лобовые участки обмотки 5 и прилегающие к ним участки кольцевых обмоток 3 и 4 осуществляется индуктивная связь между указанными двухфазной и однофазной обмотками. Однофазная обмотка 5, а также однофазная обмотка 6, лобовые части которой более удалены от кольцевых обмоток 3 и 4, содержат четное число одинаковых рамок, включенных попарно встречно. поэтому связь между любой из кольцевых н рамочных обмоток 5 и 6 при извлечении ротора отсутствует. При введении ротора 7 в статор сектора 8 и !О.

9 и 11 оказывают противоположное вл!»ние на величину индуктивной связи между лобовыми участками однофазных рамочных обмоток 5 и 6 с кольцевыми обмотками 3 или 4.

Токопроводящие основные и дополннтельР ные немагнитные секторы 10,10,! 1, 11 за счет вихревого эффекта нменьшают потокосцепление лежа щи з непосредственной близости к ним участков обмоток 5 и 6 с кольцевыми обмотками 3 или 4.

Лобовые части обмоток 5 н 6 имеют под собой «свой» р»д чередующихся секторов ротора 7, которые, римыкая к кольцевой обмотке 3 или 4, увеличивают или уменьшают индуктивные связи между ними. Результирующая связь между обмоткой 5 и, например, обмоткой 3 максимальна при расположении секторов 8, 10 «своего» р»да точно под рамками обмотки 5 без взаимного перекрытия последних. Результирующая связь между обмоткой 6 и, нанри-

1395816 мер, обмоткой 3 максимальна при расположении секторов 9, 11 «своего» ряда точно под рамками обмотки 6 без взаимного перекрытия последних. Если сектора перекрывают по половине разноименных рамок обмотки статора, то связь между однофазной н соответствующей двухфазной обмотками равна нулю.

Число периодов изменения напряжений на выходе обмотки 5 или 6 при полном обороте ротора ? равно числу пар полюсов соОтветствующей обмотки. Поскольку полюс4ое деление дополнительной обмотки 6 в кратное число раз меньше основной статор(ой однофазной обмотки 5, то при полном

Обороте ротора 7 на выходе обмотки 6 чисho периодов изменения напряжения в такое ке кратное число раз больше числа периодов напряжения основной обмотки 5.

Синусоидальный характер изменения заимоиндукции обмоток 5 или 6 (фиг. 4) двухфазной обмоткой 3 и 4 при вращении

) отора 7 обеспечивается, как и в известных датчиках, синусоидальным законом распределения площади витков рамок, т.е. секфионированием последних либо соответствующим выбором тангенциальных разме1 ов секторов ротора 7.

Благодаря этому имеется возможность использования датчика 2 в виде синус-косиНусного поворотного трансформатора и фазовра щателя.

360 эл. град. соответствуют периоду частоты генератора 14 квадратурного на !ряжения, поступающего через модулято1)ы 12 и 13 на соответствующие кольцевые обмотки 3 и 4 статора датчиков 2 — 2, а также периоду огибающей напряжения часaîTû заполнения генератора 15 на выходе основной обмотки 5 датчика 2.

Информация, содержащаяся в фазе огибающей выходного напряжения частоты заполнения генератора 15, с выходов основНой 5 и дополнительной 6 измерительных рамочных обмоток статора датчиков 2 — 2 поступает на соответствующие входы синхронных детекторов (ключей 17 — 17 шагового коммутатора 16), синхронное управление которых осуществляется одновременно от генератора 15 и с соответствующего выхода распределителя 18, обеспечивая с помощью фильтра 21 низких частот выделение поочередно во времени огибающей выходного напряжения с выходных обмоток

5 и 6 каждого датчика 2 — 2 .

Поочередный с распределением во времени опрос выходных обмоток всех датчи1 ков 2 — 2 осуществляется с помощью распределителя 18, на основных выходах которого формируются управляющие импульсы с периодом, равным двум периодам частоты генератора 14, а длительностью — полтора периода. На один из входов управляе5

10 t5

55 мых ключей 17 подается напряжение с опор. ной фазой с выхода генератора 14 для формирования и передачи по линии связи в наземную часть инклинометра посылок калибровки: 0 и 100 /ц сигнала. Шаговый коммутатор 16 осуществляет с помощью распределителя 18 поочередное подключение присутствующего на входах коммутатора

16 (на входах ключей 17 — 17 ) напряжения

l с выходных обмоток 5 и 6 датчиков 2 — 2 или опорного напряжения с генератора 14 к фильтру 21, который выделяет огибающую выходного сигнала с общего выхода ключей

17 — 17 .

-Усилитель-ограничитель 22 формирует с каждой полуволны входного напряжения прямоугольные импульсы, фронт которых после дифференцирования цепью 23 поступает на один из входов логической схемы

И 25, на которой собрана схема сброса измерительного триггера 24. На второй вход схемы сброса триггера 24 поступает импульс с дополнительного выхода распределителя

18, который разрешает сброс триггера 24 продифференцированным фронтальным импульсом с усилителя-ограничителя 22.

Сброс триггера 24 разрешается только во время прихода с дополнительного выхода распределителя 18 импульсов, период следования которых в два раза больше периода частоты генератора 14 квадратурного опорного напряжения, длительность этих импульсов соответствует периоду частоты генератора 14, а начало их задержано на половину периода частоты генератора

14 относительно момента запуска триггера

24, который осуществляется одновременно

/ с приходом на ключи 17 — 17 импульсов с основных выходов распределителя 18.

Момент запуска триггера 24 определяет момент открывания ключа 26 и начала формирования измерительной посылки с генератора 27 несущей частоты через усилитель

28 мощности и присоединительный фильтр

20 в линию связи — токоподвод электробура 1. Момент сброса триггера 24 от первого импульса с выхода дифференцирующей цепи 23, который совпадает по времени с импульсом разрешения сброса с дополнительного выхода распределителя 18, определяет момент закрывания ключа 26 и окончание формирования измерительной посылки. Таким образом, длительность измерительной посылки определяется временным интервалом между поступлением на триггер

24 запускающего импульса и импульса сброса. Сдвиг во времени на половину периода частоты генератора 14 импульса сброса триггера 24 относительно момента его запуска обеспечивается импульсом с дополнительного выхода распределителя 18, чем и осуществляется формирование в начале измерительной посылки неизменного интер1395816

Формула изобретения вала «подставки». Для формирования посылки синфазирования импульсом с одного из основных выходов распределителя

18 открывается ключ 30, который пропускает в течение времени, равного полтора периода частоты генератора 14, несущую частоту с генератора 29 через усилитель 28 и присоединительный фильтр 20 в линию связи — токоподвод электробура 1. Ключ 26 при этом закрыт. Несущие частоты генераторов 27 и 29 (28 кГц и 32 кГц) выбраны из условия обеспечения минимального затухания и максимальной помехоустойчивости прохождения сигнала по линии связи.

Напряжение частоты питания электробура 1 поступает через конденсатор присоединительного фильтра 20 в блок питания скважинной части инклинометра.

На дневной поверхности поступающие по токоподводу электробура 1 ШИМ-посылки несущих частот информации и синфазирования отделяются с помощью фильтра

33 от напряжения частоты питания электробура 1 и поступают на вход приемного преобразователя 31 наземной части инклинометра. В приемном преобразователе 13 осуществляется демодуляция и поканальное разделение информационных и синфазирующих посылок. Каждая из информационных ШИМ-посылок преобразуется в амплитудно-модулированный сигнал и поступает на соответствующий канальный интегратор текущего значения контролируемого параметра. Среди этих посылок выделяется посылка, которая соответствует нулевому значению контролируемого параметра и преобразуется в амплитудно-модулированный сигнал, поступающий на канальный интегратор.

Балансное включение измерителей 32-32 между интегратором и соответствующим канальным интегратором обеспечивает вычитание сигнала, соответствующего нулевому значению измеряемых параметров, из преобразованного в амплитудно-модулированный сигнал текущего значения каждого из контролируемых параметров, что позволяет исключить при измерении ошибки, возникающие из-за деформации измерительных ШИМ-посылок при передаче их по линии связи.

Индикация результатов измерения в процессе бурения азимута, зенитного угла и положения отклонителя осуществляется на соответствующих измерителях 32 — 32 с основной и дополнительной шкалой. Например, для отсчета азимута или положения отклонителя используется основная шкала с пределами от 0 до 360, а также дополнительная шкала с пределами от 0 до 60, т.е. с пределами в 6 раз меньшими относительно основной шкалы. Это значит, что датчики азимута и положения отклони5

55 теля имеют дополнительную рамочную обмотку 6, фаза выходного сигнала которой в

6 раз больше фазы выходного сигнала основной рамочной обмотки 5. Если основная относительная погрешность каждого измерительного канала устройства равна, например, +-2,5О/р, то абсолютная погрешность измерения по каналу с основной шкалой с пределами 0 †3 составляет +9, а по каналу с дополнительной шкалой с пределами 0 — 60 составляет +-1,5 . Отсчет результата измерения осугцествляется по основной шкале и уточняется по дополнительной нониусной шкале с погрешностью +-1,5, чем и обеспечивается в рассматриваемом примере повышение в 6 раз точности измерения контролируемого параметра.

Применение в датчике 2 дополнительно

Г / введенных секторов 9 — 9 и 11 — 11 ротора 7 и дополнительной обмотки статора 6 с указанной геометрией, взаимным расположением и связями этих дополнительных элементов между собой и основными секторами 8 — 8 и 10 — 10 и обмотками 3, 4 и 5 позволяет умножить в целое число раз фазу выходного сигнала, повысить чувствительность датчика 2 и осуществлять отсчет результата измерения как по основной, так и по более точной дополнительной нониусной шкале инклинометра, что обеспечивает повышение точности измерения контролируемых угловых величин: зенитного угла, азимута скважины и положения отклонителя в процессе наклонно-направленного бурения.

Датчик угловых перемещений, содержащий диэлектрический статор с двухфазной кольцевой и однофазной рамочной обмотками, бесконтактный ротор, на котором размещены два ряда основных чередующихся ферромагнитных и немагнитных металлических секторов, тангенциально смещенных относительно друг друга на 90, отличаюи ийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен дополнительной статорной однофазной рамочной обмоткой и расположенным и на роторе двумя рядами дополнительных чередующихся ферромагнитных и немагнитных металлических секторов, которые установлены между рядами основных секторов и соответственно соединены с ними, причем длины дополнительных секторов равны полюсному делению дополнительной статорной однофазной рамочной обмотки, лобовые части которой расположены в зоне дополнительных рядов секторов ротора, которые сдвинуты относительно друг друга на половину полюсного деления дополнительной статорной однофазной рамочной обмотки, полюсное деление которой в кратное число раз меньше основной статорной однофазной рамочной обмотки.

1395816 в

У диг.2 риг, 5 (риг.Ч 05 7

Фиа1

Составитель A. Рыбаков

Редактор А. Долинич Техред И. Верес Корректор В. Бутяга

Заказ 1968/34 Тираж 531 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4