Преобразователь азимута

 

Изобретение относится к промысловой геофизике и предназначено для определения магнитного азимута. Цель - повышение точности за счет исключения влияния на результат измерения азимута разности фаз между сигналами феррозондов и опорным сигналом. Преобразователь азимута содержит синусно-косинусный датчик 1 в виде двух ортогональных феррозондов 1-1 и 1-2, с входами возбуждения которых через делитель 3 частоты связан первый вход генератора 2. Сигнальные выходы феррозондов подключены к первому и второму входам коммутатора 4, третий вход которого соединен с общим проводом, а выход - с первым входом фазовращателя (Ф) 5. Кроме того, преобразователь содержит избирательный усилитель 6, блок (Б) 7 интервалов времени, Б 8 управления и фазовый манипулятор (М) 9. Первый выход Б 8 подключен к управляющим входам коммутатора 4 и Б 7. С вторым выходом генератора 2 соединен вход М 9, управляющий вход которого подключен к второму выходу Б 8. На второй вход Ф 5 подается опорный сигнал, фаза которого изменяется М 9. Усилителем 6 выделяется информационная гармоника, фаза которой определяется отношением входных сигналов Ф 5 и преобразуется в пропорциональную длительность импульса в Б 7. По величине измеренной длительности определяют азимут. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) <И) А1 (1)5 E 21 В 47/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСВ Т ВУ зф

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬГТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4603455/24-03 (22) 09.11.88 (46) 23.12.90.Бюл. ¹ 47 (71) Всесоюзный научно-исследовательс. кий институт нефтепромысловой геофизики (72) Н.П.Рогатых и Л.А.Куклина (53) 622.242 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1008432, кл. Е 21 В 47/022, 1981.

Авторское свидетельство СССР № 1452953, кл. Е 21 В 47/02, 1987. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АЗИМУТА (57) Изобретение относится к промысловбй геофизике и предназначено для определения магнитного азимута, Цель — повышение точности за счет исключения влияния на результат измерения азимута разности.фаз между сигналами феррозондов и опорным сигналом. Преобразователь азимута содержит синусно-косинусный датчик 1 в виде двух ортогональных ферроэондов 1-1 и 1--2, с входами возбуждения которых

2 через делитель 3 частоты связан первый вход генератора 2. Сигнальные выходы ферроэондов подключены к первому и второму входам коммутатора 4, третий вход которого соединен с общим проводом, а выход — с первым входом фаэовращателя (Ф) 5. Кроме того, преобразователь содержит избирательный усилитель 6, блок (Б ; 7 интервалов времени, Б 8 управления и фазовый манипулятор (М ь 9. Первый выход Б 8 подключен к управляющим входам коммутатора 4 и Б 8. С вторым выходом генератора 2 соединен вход M 9, управляющий вход которого подключен к второму выходу Б 8. На второй вход Ф 5 пода- д ется опорньят сигнал, фаза носорога изменяется И 9. Усилителем 6 выделяется информационная гармоника, фаза которой определяется отноиениеи входных сигналов Ф 5 и преобразуется в пропорциональную длительность импульса в

Б 7. По величине измеренной длительности определяют азимут. 4 ил. ОЪ

9йййр ь

161534 7

U = U sin(53t +g), Uc„sin(Qt+g) р

По- Ц0,„81па

Изобретение Фтнжится к промысловой геофизике и может использоваться

Э инклинометрах для определения маrннтного азимута.

Цель изобретения — повышение точности эа счет исключения влияния фа результат измерения азимута раз ости фаз между сигналами феррозондов ь опорным сигналом.

О

На фиг.1 представлена структурная хема преобразователя азимута; на

1 иг. 2 — пример выполнения электрической схемы фазового манипулятора; на иг.3 — - схема блока управления; на иг.4 - схема блока интервалов времеI

Рассмотрим работу КС-фазовращателя 5 (фиг.1), один вход которого с по. мояью коммутатора 4 последовательно подключается к сигнальным обмоткам синусно-косинусного датчика и к общему проводу схемы, а на второй вход подается опорный сигнал . Представим сигналы синусно-косинусного датчика и опорный сигнал в виде и.

Преобразователь азимута содержит инусно-косинусный датчик 1 в виде вух ортогональных феррозондов 1-1 20

1"2, генератор 2, первый выход коорого через делитель 3 частоты свяан с входами возбуждения феррозондовр сигнальные выходы которых под-, ключены к первому и второму входам 25 коммутатора 4, третий вход которого с оединен с общим проводом схемы. Вы од коммутатора 4 подключен к первоМу входу RC-фазовращателя 5, выход

Которого через избирательный усили- 30 тель 6 связан с блоком 7 интервалов

Времени. С вторым выходом генератора соединен вход блока 8 управления, ервый выход которого соединен с упавляющим входом блока 7 интервалов ремени и с управляющим входом коммутатора 4. С вторьет выходам генератора

2i соединен вход фазового манипулятора

9р управляющий вход которого подклю«ен к второму выходу блока 8 управЛения, а выход соединен с вторым входом фазовращателя 5 и входом блоsià 7 интервалов времени.

Фазовый манипулятор 9 (фиг,2) сост оит из формирователя, выполненного на логических элементах 10-12 типа

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, одновибратора на триггере 13, делителя частоты на триггере 14 и логического ключа на четырех элементах И-НЕ 15-18.

Блок 8 УпРавлениЯ (фиг. 3) содеРжит два счетчика 19 и 20 два дешиф) ратора 21 и 22, два RS-триггера 23 и 24 и логические элементы,25 и 2б.

Влок 7 интервалов времени (фиг.4) состоит из компаратора 27, логическоr о ключа, выполненного на элементах

И-НЕ 28-31, и RS-триггера 32. где U,,Б, Б — амплитуды сигнаал р лов;

Q — - частота сигналов; (. — фазовый сдвиг, вносимый цепями возбуждения синуснокосинусного датчика, Фазы сигHGSIÎB Бб H U< равны между собой с достаточно высокой степенью точности, что практически просто достигается разгрузкой сигнальных обмоток датчика. Фаза опорного сигнала принята равной нулю, так как относи— тельно опорного сигнала формируется временной интервал на выходе преобразователя.

Фаза сигнала на выходе RC-фазовращателя при последовательной работе ключей коммутатора принимает значения сбответственно

Uc K+U (K cost- sing)

15 U К2-U (соs(f+ К sing)

UornK+Ucrn(K созЧ- sin )

Vc U „„К -U (соя + К sin(f) (2) ф,= arctg I/K где К =ЯКС;

R и С вЂ” параметры элементов

КС-фазовращателя.

Проанализируем работу известного устройства, полагая, что в его схеме действуют сигналы вида (1), и принимая во внимание равенства U+> =

= U sing, Б „„= cosg, где U — максимальный размах сигналов синуснокосинусного датчика, а . — угол поворота чувствительного элемента дат1615347 чика. В нем искомый угол определяется по формуле

U mК-U coИsinV

Umcosg cns g (4) tИ 85=+0) Ы = arctg — -- — — —— (3) tg (; Ю ) Если эту форнулу расписать с учетом (2), то получи-1 результат

U„,sining cos V

VO " U К-U sin(sing

0 25 з1п2ц зЬ2ф(-соз4 + sitA } "8 ц /ц g cosg — 0,25 sin2+ sin2$(cosg+ sing) (5) или при малых g (в пределах 0-10 ) Ц } = 0,5 = — — К sin2$(-cosg+

U0

У ц (6) + sing) cos Cf ЬЯ, U = U sin(Яг. +К).

О оя 0 (7)

Using (К созе- sing)

Я = arctg —— цо,„К(К cospo- sing<) —. Urnsing(cosg+ К sing) I U mК(созРо+ К sin9a)+Umсîsg(K соИ sin4} — Brctg

Uqm K(K cosp — sing) — icos/(cosg+ К з п< ) ,Ю ясли теперь измерить значения Фазы Цс-(р), (p -p) и решить совместно" выходного сигнала КС-фазовращателя уравнения для йервой и второй пары по отношению к нулевой фазе сигнала разностей, то в результате можно оп« генератора, т.е. опорного сигнала ределить относительные значения сигI ъ определить разности ((Ц- ®., (q -®,) s налов синусно-косинусного датчика

Ups lng К sin Иф+ ЙК(Ц -(pо) К(К Чо)соз о

{9)

Оп sing Я(Ч 3 9g) t@(4 VII) (8) U соз 4 К sinpo+ Я(Чс Чо) tg(4e (о) соз о

l цОЮ ЯхпЧ tg(CFñ-yо) - ta (Ч -Ч.) (10) которые однозначно определяют иско- мую величину угла поворота датчика (1

bing + tg(gs Ч )-tg(gs-Чо) cos РдЗ jtg(g< Юо)-ted@ Po)j

P>nfl+ В Щс -Qä)- КМ5-Чо ) соз До) (6®- Ф - Из-Чо) 3

Закон изменения погрешности достаточно сложен и зависит от отношения амплитуд сигналов датчиков и опорного сигнала, от расстройки фазовращателя (Кф1), а также от величины самого измеряемого угла, причем перечисленные параметры существенно зависят от температуры, поэтому указанную погрешность скомпенсировать весьма сложно отличающийся от истинного значения ) вследствие существования фазового сдвига Ч> . Следовательно, известное устройство имеет погрешность, обусловленную фазовым сдвигом между сигна10 лами датчика и опорным сигналом.

Погрешность имеет вид

В предлагаемом преобразователе производится измерение фазы опорного ъ0 сигнала, поступающего на КС-фазовращатель. При этом фаза опорного сигнала, подаваемого на блок 7 интервалов времени, остается неизменной и равной нулю. Опорный сигнал синфазен с сиг

2 налом генератора. Допустим, что фаза опорного сигнала на входе RC-фазовращателя равна

3(Тогда, при подаче на КС-фазовращатель сигналов датчика U u U фаза его выходного сигнала примет зна- . чения

1 61534 7

U((= U„ sin(Qt +(P), U = П singlet.

О 0<> (12) Фаза выходного сигнала избирательного усилителя б принимает значение

+ (> (13) н„>> К + (><<„„(К co s Q— ф =ц, +ф = arctg

П К2 — U (сов(1> +

K sin(f) где ц„- собственный сдвиг Фазы изби 1>ательного усилителя 6. Во втором U = U sin(Qt +г3 )

0 о<>< Го

1тодцикле с помощью фазового манипулятора 9 изменяется фаза опорного сиг- "5 а фаза выходного сигнала избирательНала на величину P„, он принимает вид ного усилителя б становится равной и U<>,K(cos9<>+ К sing<>)+U«<><(К с» Ч sink)

0 (,гл (15)

U К(К cospo- sinpo)-U«(cosg + К simp)

Ъ

Третий и четвертьп подциклы протека- дается сигнал со второго феррозон>><>т аналогично и соответствуют пер- да 1-2. В третьем и четвертом nogВому и второму подциклам, однако в циклах работы преобразователя фаза течение их Hà RC-фазовращатель 5 по сигнала на выходе КС-фазовращателя 5

55 принимает значения соответственно (14) U<><»К + Б<, (К cosg sing) =-(0 ->- (- .= arctg

2 (U К вЂ” 11, (созе) + К sin(/) (161

П<>лученный результат не зависич ни >т ра< стройки RC-фаз<>вращателя, ни от <джазового сдвига Ц между сигнала1 ми и, следовательно, инвариантен к их температурным изменениям. Тем са5 мым достигается цель изобретения — повышение точности измерения.

В отличие от известных устройств в

1 предлагаемом преобразователе азимута производится измерение и преобразование сигналов синусно-косинусного !, датчика при изменении фазы опорного

1 ,,сигнала, что дает возможность полу-!

: чить большую точность измерения путем 15 ! исключения из результата влияющих, факторов. Это стало возможным за счет введения в схему преобразователя фа эового манипулятора, который по сигна,лам блока управления скачкообразно 2р

1 изменяет фазу опорного сигнала, поступающего на КС-фазовращатель.

Преобразователь азимута работает следующим образом.

Генератор 2 (Фиг.1) вырабатывает непрерывный периодический сигнал пряlмоугольной или синусоидальной формы. .Частота основной гармоники генератора

2 с помощью делителя 3 частоты делится на два. В делителе 3 частоты ЗО, сигнал также усиливается до получения мощности, необходимой для возбуж- дения ферроэондов 1-1 и 1-2. Феррозонды вырабатывают полигармонические сигналы, в составе которых вторая 35 гармоника имеет информационный характер и выделяется избирательным усилителем 6. Последнии кроме того, выделяет основную гармонику опорного сигнала, подаваемого на вход

RC-фаэовращателя с выхода фазового манипулятора 9, в результате чего на выходе избирательного усилителя 6 возникает синусоидальный сигнал, фаза которого по отношению к фазе онов орного сигнала, поступающего на вход блока 7 интервалов времени, содержит измерительную информацию. В блоке 7 интервалов времени разность фаз между выходным сигналом избирательного усилителя 6 и опорным сигналом преобразуется во временные интервалы, поступающие на выход преобразователя.

Процесс работы преобразователя состоит из одинаковых циклов, каждый из которых делится на шесть подциклов. Смена подциклов осуществляется с помощью блока 8 управления. В первом подцикле коммутатор 4 по сигналу с блока 8 управления соединяет сигнальную обмотку феррозонда с RC-фазовращателем 5, на второй вход которого поступает опорный сигнал с нулевой фазой (Д = 0). Информационная гармоника феррЬзонда и опорный сигнал, приведенные к выходу избирательного усилителя 6, имеют вид соответственно

161534 7

U К(созДо+ K зп Ро) + Untn((К сов sing) (g (17)

16 g U К(К соз — з1п() — UQ (cos ((+ К sin f) (18) 1 .

p = are t g —,- - + (Il где К = QRC. рб pî (19) Uam (s in + tg(p1 Рд) tg(% - Р ) cos Рб) Ltd(Д)у-p ) - (4-ф Д

12 (+ 8(фЗ ДУ) 8(- Р ) соЯРД1 СЯ(Я1 -ф ) — С8(ф -ф )

U = U sing, U = U cos0! (22) йтл Г (2 щ

45 (23);

В пятом подцикле коммутатор 4 соединяет RC-фазавращатель 5 с общим проводом, при этом фаза опорного сигнала имеет нулевое значение (3 = О). Фаза сигнала на выходе избирательного усилителя 6 становится равной

В шестом подцикле по сигналу блока 8 управления блок 7 интервалов времени переключается с выхода избирательного усилителя 6 на выходе фазового манипулятора, который снова изменяет фазу опорного сигнала на величину (3 . В этом случае блок 7 интервалов времени воспринимает сигналы с относительным фазовым сдвигом, равным представляющее собой тангенс некоторого угла. Но, поскольку оси чувствительности феррозондов ортогональны и с помощью, например, подвижных рамок с грузами устанавливаются в горизонтальную плоскость, то амплитуды вторых информационных гармоник изменяются по законам где (К вЂ” магнитный азимут, а отношение (21) однозначно определяет азимут как

Конечный результат не зависит ни от расстройки фаэовращателя 5, ни от относительного фазового сдвига сигналов феррозондов. Наряду с этим исключается влияние фазового сдвига (Д вносимого избирательным усилителем 6, благодаря вычислению разностей ф5 2 ) 3 5 (Ф Ю

Фуйкциональйые блоки преобразова— теля азимута работают следующим образом.

В блоке 7 интервалов времени относительные фазовые сдвиги У вЂ” Р преобра-. б зуются в длительности импульсов, значение которых определяется - по формуле л 2н

l0 (% (P (20)

< 360 . Q где i — номер подцикла.

При этом широтно-модулированные импуль15 сы в каждом подцикле поступают на выход блока 7 интервалов времени с некоторой выдержкой времени, задаваемой в блоке 8 управления и необходимой для завершения переходных процес20 сов в RC-фаэовращателе 5 и избирательном усилителе 6. Госле измерения длительности выходных импульсов и обработки информации в условных кодах согласно алгоритму (11) определяется От25 ношение

На вход "1" фазового манипулятора

9 (фиг.2) поступают прямоугольные импульсы от генератора 2 (скважность равна двум). Формирователь на логических элементах 10-12 вырабатывает узкие тактовые импульсы по передним и задним фронтам входных импульсов, их длительность задается цепочками

Rt. С, it R С .Тактовые импульсы запускают одновибратор на триггере 13, который осуществляет выдержку време/\ ни а = R >C >. которая соответствует д 36(P R C >, фазовому сдвигу Л (2(!

Триггер 14 путем деления частоты устанавливает скважность сдвинутых одновибратором на триггере 13 импуль; сов, равную двум. Таким образом, на входе манипулятора 9 и на выходе триггера 14 имеются две последовательности прямоугольных импульсов, . сдвинутых межцу собой на угол /5,>.

Эти последовательности попеременно подаются на выход "3" манипулятора 9 с помощью логического ключа на элементах 15-18, управляемого по входу

"2" блоком 8 управления.

11, 161534

На вход "1" блока 8 управления (фиг.3) поступает сигнал от генератс ра 2. Счетчик 19 И дешифратор 21 выполняют функцию задержки Импуль5 сов так, что каждый десятый входной импульс переключает подцикл работы преобразователя., постуцая на. вход с*тчиса 20. Каилый импульс, сиимаемь " с выхода "8" дешифратора 2f зап кает блок 7 интервалов времени (в пс. "2"). .Деажфратор 22 по сигна-. л счетчика 20 управляет коммутаторо 4, включая последовательно во вр мани его ключи,и фазовьи манип1 ля ором 9 с, выхода логического элеме та 26. С выхода "6" дешифратора 22 сн мается импульс, переключающий блох

7 нтервалов времени с выхода изби» ра ельного усилителя б на вход фаэово о манипулятора 9.

На вход "1" блока 7 интервалов вр мени (фиг.4) подается синусоидальны сигнал с выхода избирательного ус ителя 6 который по переходам че ез нуль йреобраэуется .компарато-. ро 27 в последовательность прямоуг,льных импульсов. Вход "2" блока

7 Интервалов времени подключен к выходу "3" фазового манйпуЛятора 9, а входы "3" и "4" - .соответственно к . вьфодам "2" н "3" блока 8 управления.!

2 ное состояние. На вход S этого триг-. гера поступают импульсы с дешифратора

21 блока 8 управления, временной промежуток между котормии равен девяти периодам генератора 2, что обеспечивает завершение переходных процессов в схеме. преобразователя.. Каждый импульс устанавливает триггер 32 в сос.тояние "1", из которого он выводится каждым следующим импульсом последовательностей, подаваемых на вход R, поэтому длительность импульсов на выходе триггера 32 пропорциональна фазовому сдвигу между сигналами генератора 2 и выходными сигналами избирательного усилителя 6 и фазо вого манипулятора 9 соответственно номеру подцикла работы преобразователя.

С целью упрощения вычислений при

° обработке измерительной информации фазу опорного сигнала в фазовом ма30 нипуляторе 9 целесообразно сдвигать на 90 (/5 90 ) . В этом случае алгоритм обработки .принимает вид б и (-ж)3 8(Ф."+g)g (24)

1 датчика и при .температуре 180 С составляет 0 02 .

40Форм ла изобретения

Преобразователь азимута, .содержащий синусно"косннусный датчик в виде двух ортогональных феррозондов, генератор, первый. выход которого

45 через делитель. частоты связан с входами возбуждения феррозондов, сигнальные выходы которых подключены к первому и второму входам коммутатора, .третий вход которого соединен с общим проводом, выход коммутатора подключен к первому входу фаэовращателя, выход которого через избирательный усилитель связан с блоком интервалов

° времени, и блок управления, вход котороГо соединен с вторым выходом генератора, а первый выход соединен с управляющим входом блока интервалов времени, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и б, Г1+м(Ф -9s)lCta(f -У)- t = агс д — — - — — —(1+tg(y,З-yó)Õt.tg(ÔÂ.-99)и Существенно упрощается по сравнению с Олгоритмом (21) °

Предлагаемый преобразователь азиму .а в сравнении с известным имеет бойее высокую точность, так как в неМ исключается влияние на реэультат измерения азимута разности фаз между опорным сигналом и сигналами синусно-косинусного датчика, поступающими на RC-фазовращатель, т.е. исключается погрешность вида (5), обусловленная фа зовым сдвигом ф и соответствуюша я дополнительная температурная по грешностьа Кроме того, принципиально исключается погрешность, вызван" на я расстройкой .и температурным дрейфом параметров КС-фаэовращателя, и погрешность, обусловленная наличием и,. . ейском фазового сдвига, вносимого, избирательным усилителем. Температурная погрешность преобразователя азимута обусловлена практически только дрейфом параметров ферроэондового

По сигналам блока 8 управления, поступающим нч вход "2" блока 7 интер" валов. времени, последовательности импульсов с выхода компаратора 27 и выхода фазового манипулятора 9 попеременно подаются на вход R триггера

32, который устанавливается в исход1615347

14

13 за счет исключения влияния на результат измерения азимута разности фаз между сигналами феррозондов и опорным сигналом, он снабжен фазовым мани-— пулятором, вход которого соединен с вторым выходом генератора, управляющий вход подключен к второму выходу блока управления, а выход соединен с вторь входом фазовращателя и входом блока v..íòåðâàëîB времени, при этом первый выход блока управления подключен к управляющему входу коммутатора.

Составитель А.Цветков

РеДактоР.И.ГоРнаЯ ТехРед П.Олейник

Корректор Т.Малец

Заквз 397/

Тираж 486

Подписное

ВНИЙПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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