Способ измерения сигналов феррозондовых датчиков

 

Изобретение относится к промысловой геофизике и предназначено для использования в феррозондовых преобразователях азимута инклинометров. Цель - повышение чувствительности и обеспечение стабильности измерений. Способ осуществлется следующим образом. Выделяют и усиливают избирательным усилителем с коэффициентом K<SB POS="POST">1</SB> усиления сигнал (С) с модулем K<SB POS="POST">1</SB>U<SB POS="POST">M</SB> и фазой φ второй информационной гармоники (Г) феррозонда. Осуществляют синхронное детектирование и аналого-цифровое преобразование Г при двух опорных С, фазы φ<SB POS="POST">01</SB> и φ<SB POS="POST">02</SB> которых и фазу φ детектируемого С выделенной Г выбирают из условия φ<SB POS="POST">01</SB>≥φ≥φ<SB POS="POST">02</SB>. При этом разность фаз выбирают из условия φ<SB POS="POST">11</SB>-φ<SB POS="POST">02</SB>≤90°. Конечный результат получают в виде суммарного вектора N<SB POS="POST">N</SB>, что обеспечивает повышение чувствительности и стабильности измерений. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)э Е 21 В 47/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4612138/24-03 (22) 09.11.88 (46) 30.11.90. Бюл, % 44 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт нефтепромысловой геофизики (72) Н,П.Рогатых и Л.А,Куклина (53) 622.241.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1059157, кл. Е 21 В 47/02, 1982, Авторское свидетельство СССР й. 1025877, кл. Е 21 В 47/02, 1982, (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СИГНАЛОВ

ФЕРРОЗОНДОВЫХ ДАТЧИКОВ (57) Изобретение относится к промысловой геофизике и предназначено для использования в ферроэондовых преобразователях азимута инклинометров. Цель — повышение

Изобретение относится к промысловой геофизике и может быть использовано в феррозондовых преобразователях азимута для инклинометров, магнитометрах и других измерительных преобразователях с последовательной обработкой сигналов датчиков.

Цель изобретения — повышение чувст- вительности и обеспечение стабильности измерений, На фиг. 1 представлена структурная схема канала аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 — векторная диаграмма, поясняющая сущность способа; на фиг. 3— пример реализации фазового детектора с переключением фазы опорного сигнала.

Канал аналого-цифрового преобразования способа измерения сигналов состоит иэ последовательно соединенных иэбиратель., . Ж,„, 1609988 Al чувствительности и обеспечение стабильности измерений. Способ осуществляется следующим образом, Выделяют и усиливают избирательным усилителем с коэффициентом К1 усиления сигнал (С) с модулем К10 и фазой р второй информационной гармоники (Г) феррозонда. Осуществляют синхронное детектирование и аналого-цифровое преобразование Г при двух опорных С, фазы рц и очаг которых и фазу удетектируемого

С выделенной Г выбирают из условия рр1 p = рц . При этом разность фаз выбирают иэ условия > — pu S 90 . Конечный результат получают в виде суммарного вектора Nn, что обеспечивает повышение чувствительности и стабильности измерений, 3 ил. ного усилителя (у), фазового детектора (д) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (фиг. 1), На вход канала подается полигармонический сигнал с феррозонда (не показан), в составе которого вторая гармоника имеет вид Umsin (2а1+,В ), где Um — амплитуда гармоники, пропорциональная проекции геомагнитного поля на ось чувствительности феррозонда; ap — частота возбуждения феррозонда; P> — фазовый сдвиг, вносимый электрическими цепями феррозондового датчика, На выходе канала формируется цифровой код N, пропорциональный Um.

N = К1КгКзсоз (ф4 + Д вЂ” рз1 ) 0, (1) где K> — коэффициент усиления избирательного усилителя; Кз — коэффициент преобразования АЦП; Кгсоз Р> +Д вЂ” рц)коэффициент передачи фазового детектора;

jb — фазовый сдвиг сигнала, вносимый иэбираN1 =- К»К2Кз».1„сов(г г p0»)

Мг = K»K2K3Umcos (Р Раг ) . (3) Nn = Ъ Nr + N )2 +2N1Nzcos (Рэ» — Р02) Яд == — . =,<»К2Кз ", ег» (p-щ »+ i os ((r, — p() )+ 2I Qs (ф p»»,» c

«1увствительность канала преобразования согласно известному определению равHB

Ы ==- - = К»К2Кзсоз (р — г,,г»01). (2)

Um

Способ поясняетсл векторной диаграммой (фиг. 2). На ней представлены вектор выходного сигнала избирательного усилителя „ мс,:-:улем K»Um и фазой гр»л векторы

Г», 1 1!! Н !»» И 02 С Г»1а3 а,»И r "г»1»1 /Т г указывающие направления действия спорных сигналов фазавсгодетектора. Значения фаз сигналов показаны относительно вектора 01, фаза которогс принл-а равной нул»о.

В качест".,е сигнала, соответствующего этому вектору, может быть принят произвольный сигнал, синхронный с информационной гармоникой ферразанда и опорными сигналами, например, сигнал, вырабатываемый удвоителем частоты генератора. Фазовый детектоо при работе.

ВЫДЕЛЯЕТ СОСтаВУ»лгаШУЮ ДЕТЕКТИ13 OMOI а сигнала, синфазную с опорным сигналам, Эта операция на векторной диаграмме эквивалентна проецированию вектора ьыхадного сигнала избирательного усилителя на оси, заданные векторами "01" и "02 . Полученные проекции равны

К»1„1г,.сов (га — p» }, К»».1,са" (г,а — ц ) и показаны в виде модулей векторов, совпадающих по направлению с векторами опорных сиг»,алов, Они представля ст собой значения выходных сигналов фазового детектора с единичным коэффициенлгом передачи. Поскольку фазовый дете <тор имеет максимальный коэффициент переда.и Кг и ега выходные сигналы преобразуются в цифровой код с каэффициен.ам Кз,:o указанные паоекции необходимо увеличить в

К2Кз раз, получив тем самьь.; векторы N», Игизмерений или. кодов, катооые cl »имаютсл с выхода АЦ"1:

Дг»л оценки эффективности способа введем коэффициент увеличения чувствительности:

A =Sn

S гг

Анализ величины коэффициента А с учетом фарг., л (2) и (5) показывает, чта успаИз векторной диаграммы преобразова5 ний (3) при различных фазах опорного сигнала видно, что величины N» и Nz являются саста влл ющим и конечного результирующего измерения. которое определяется по правилу сложения векторов:

Способ обработки сигналов феррозондавых датчиков реализуется следующим сбразом.

Бь»деля»от и усилива»<»т избирательным усилителем сигнал в арой информационной гармоники феррозанда, в результате чего формируется синусоидальный сигнал с амплитудой K»Um, где Um — амплитуда второй гармоники, пропорциональная проекции нектара геомагнитнага палл на ось чувствительности ферразонда.

Осуществляют синхронное детектирование второй информационной гармоники сигнала ферразонда с выхода избирательнога усилителя фазовым детектором при двух опорных сигналах, фазы ра» и гррг которых и фазу гр детектируемого сигнала выделенной гармоники выбирают из условия ф»з» p —" pgz, при этОм p33HocTb фаз Опор ных сигналов выбирают из условия

А» — р„-2 = 90 . Последовательна ва времени получа»от два сигнала постоянного тока;

K1К2Uгпсаs (P — !/ 01 ), K1KzUmcos (г0 p»2 ) .

Осуществляю аналого-цифровое пре40 образование выходных сигналов фазового детектора, в результате которого получают два измерения B условных цифравь»х юдах:

К11 =- K",КгКЗ»» Саа(гра.-ф), » »2 = K»К2К30гпсав(II002 p)

-l5 Определяют конечный результат измерения по правилу сложения вектоаав

Nn =- 4 Nf + N;- + 2N»N2cos (г ໠— rppz ) . увствительность измерения при использовании способа составляет

5G вие А > "; для у01 > p > 2 вь»полняется при гр » вЂ” z > 120 независима от величины I

<»»азьг г0 детектируемога сигнала. При постоянной разности фаз (;""„» — г»зг ) коэффицис нт А изменяется от величины

1609988

A1 = 2+ 2cos (po1 — Щ ) при ф — — - —

2 до величины (7) А2 = 1 + 3cos (po1 ро при р =рц .

Коэффициент А1 всегда больше единицы, а A2 — только при po1 — po2 (90О. Поэтому последнее неравенство при

po1 > р >ро2 является наиболее точным критерием эффективности данного способа.

Для более достоверной оценки способа целесообразно сравнить чувствительность

Ял с максимально возможной чувствитЕЛЬНОСтЬЮ Sm = К1КгКЗ, КОтаруЮ даЕт способ-прототип. Для этого следует ввести коэффициент

Бп (8)

Sm

Он увеличивается от величины

2) B1= 1+3cos (po1 — po2) (9) и ри p = po1 ил и p = po2 до величины

Вг = 2coc (-г - ) (10) при p = —

Обе величины больше единицы при условии, что po1 — po2 < 90О.

Следовательно, повышение чувгтвительности достигается всегда при условии

po1 > p > po2 и p» — юг < 90 .

Предельное максимальное значение коэффициентов А и В равно двум при

po1 — po2 - 0, т.е. данный способ преобразования сигналов феррозондовых датчиков позволяет увеличить чувствительность измерения максимум в два раза. Практически целесообразно выбирать разность фаз опорных сигналов в пределах 30 — 90, что в среднем дает увеличение чувствительности в 1,5-1,8 раза.

Под воздействием температуры окру, жающей среды происходит изменение параметров функциональных звеньев канала преобразования, Это приводит к изменению коэффициентов передачи звеньев, т.е, к изменению чувствительности результата.

Наиболее существенное влияние на чувствительность оказывает температурный дрейф фазы р детектируемого сигнала, который в основном обусловлен дрейфом фазового сдвига@, вносимого избирательным усилителем. Влияние дрейфа фазы рдетекх sin(2р — po1 — po2)) . (12)

Если чувствительность результата равна нулю, то температурный дрейф фазы р не влияет на результат измерения. Для способа-прототипа G = 0 при p = pO1, а для данного способа Gï = 0 при p— аЪ1+ ШЗ2

С целью повышения стабильности результата измерения при использовании данного способа целесообразно выбирать соотношение фаз детектируемого сигнала и опорных сигналов близким к соотношению

1+ г 31 Ъг (13)

В плане стабилизации чувствительности результирующего измерения наи30 больший практический интерес имеет случай po1 — рзг =90О, так как при выполнении этого равенства чувствительность S результата вообще не зависит от фазы р детектируемого сигнала, которая может изменяться в широких пределах, не оказывая никакого влияния на результат. При этом достигается незначительный выигрыш в чувствительности по сравнению с прототипом, так как

40 А (14) а разность p — po1 практически не превышает 45, но и не бывает в точности равной нул ю. Однако достигается и редел ьно макси45 мальная стабильность результата измерения сигналов феррозондов, так как, N> = K1K2K3Um и чувствительность G = дйп тождественно равна нулю.

Способ может быть реализован, например, на основе фазового детектора (Д) с изменяемой фазой опорного сигнала на 45 (фиг. 3). Фазовый детектор включает в себя

55 усилитель с изменяемым знаком коэффициента усиления, содержащий операционный усилитель 1 с внешними резисторами 2 — б и аналоговый ключ 7, фильтр низких частот, выполненный на операционном усилителе 8 тируемого сигнала на результат измерения можно оценить величиной чувствительности G результата к изменению р. Для способа-прототипа она составляет дЫ

6 = — = — K1K2K3UmSin (P — PO1 ), (11) др а для данного способа— г г г

-@- — г — (" (-()+ дМп — Kl K2 Кз Um

+ Sin 2(p — po2 ) — 2cos (po1 — po2 ) X

1609988 с внешними элементами 8-13, четыре В триггера 14 — 17, выполняющие роль делите:лей частоты, и группу логических элементов .18 — 22.

На вход а1 фазового детектора подается синусоидальнсе напряжение с выхода избирательного усилителя, а с выхода аг, кото:рый подключается ка входу АЦП, снимается пропорциональное постоянное напряже-! ние, На вход аз фазового детектора поступа ет последовательность прямоугольных импульсов от внешнего тактового генератора, синхронизирующего работу всех функциональных узлов преобразователя.

Частота импульсов в данном случае равна

4Е0, где N — частота второй информационной гармоники феррозондсвсгс датчика, В результате деления частоты прямой и инвертированной последовательности импульсов с помощью триггеров соответственно 16, 17 и 14, 15 на выходе триггеров 15 и 17 формируются также последовательности пря, моугольных импульсов, но с частотой o) и относительным фазовым сдвигом

po> — ф г =45 . Прл подаче на вход а4 детектора уровня логической единицы на ключ

7 с выхода логического элемента 22 поступает опорный сигнал с фазой pI;>, а при подаче на вход а4 логического нуля фаза опорного сигнала становится pBBHotn (pQ7, Когда ключ 7 закрыт, усилитель 1 работает в !, неинвертирующем режиме с коэффициен,том усиления

Т) = 1 + R6/R5, (15} а когда открыт — в инвертлрующем режиме с коэффициентом усиления

f2 = Яв/Яг (161

Для правильной работы необходимо выбрать f1 = f2 = f и Вз =- R4 = Вг/2. На выходе усилителя 1 формируется напряжение, соответствующее по форме двухполуперисдному выпрямлению синусоиды. Зто напряжение имеет постоянную ссставля ащую, для которой максимальный коэффициб ) ент передачи усилителя 1 равен f †. Г1ротг чие гармоники сглаживаются флльтром низкой частоты на операционном усилителе 8, у которого коэффициент передачи для постоянной составляющей равен Ь = Ялз/Rg +

+ Rio, Таким образом., общий максимальный коэффициент передачи фазового детектора

10

Формула изобретения

Способ. измерения сигналов феррозондовых датчиков, вкл счающий выделение и усиление сигнала второй информационной гармоники и синхронное детектирование ее с последующим аналога-цифровым преобразованием, отл и ч а ю щи и ся тем, что, с целью повышения чувствительности и обеспечения стабильности измерений, синхронное детектирование осуществляют при двух опорных сигналах, фазы рц и ðï которых и фазу р детектируемсго сигнала выде0 л"-н ной гармоники выбираю; из условия > =p @д, а разность фаз опорных сигналов выбиаают иэ условия "-О". г/-сг 90

2 составляет Кг = — f Ь, Если учесть разЛ ность фаз между детектируемым сигналом со входа а и опорным сигналом на выходе элемента 22, то коэффициент передачи фазового детектора для логической единицы на выходе а4 составляет

2 / — f Ь cos q p — pe< }, а для логического ну7Е

2 ля — — f Ь . cos (p — рог }. Для обеспече27 ния разности фаз po> — >pm = 90 достаточно исключить из схемы триггеры 14 и t6, а частоту импульсов на входе аз детектора уменьшить в два раза.

R данном способе измерения сигналов феррсзондсвых датчиков в отличие от прототипа производится двойное синхронное детектирование сигнала каждого из феррозондов, Благодаря этому результат измерения сигналов приобретает новые свойства— с одной стороны чувствительность результата измерения в среднем возрастает в 1,5—

1,8 раза по сравнению с чувствительностью канала преобразования, с другой стороны появляется новая вазможность увеличения стабильности результата измерения, В частности, если разность фаз опорных сигналов равна 90, то результат измерения принципиально не зависит от фазы детектируемого сигнала и ее температурного дрейфа, а следовательно, не меняется по величине и остается стабильным, При этом схема самого канала аналого-цифрового преобразования сигналов остается без изменений.

1609988

1609988

Составитель А,Цветков

Редактор Н.Горват Техред ММоргентал Корректор Л. Патай

Заказ 3715 Тира>к 486 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комоинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 101