гироскопический датчик инклинометра

Формула изобретения

1. Гироскопический датчик инклинометра, содержащий трехстепенный гироскоп в карданном подвесе с двумя парами соединенных проводниками питания контактных токоподводов внутренней и внешней осей, датчик угла внешней оси с первичной обмоткой, расположенной на внешней рамке, маятниковый чувствительный элемент, расположенный на внутренней рамке и подключенный крайними контактами к контактным токоподводам внутренней оси, а средним контактом через токопроводящие опоры внутренней и внешней осей карданова подвеса к первому контакту входа усилителя, нагрузкой которого является обмотка управления датчика момента внешней оси, расположенная на корпусе, трансформатор, концы вторичной обмотки которого соединены с контактными токоподводами внешней оси, отличающийся тем, что в него введены датчик угла внутренней оси, фиксатор с приводом, выключатель, элемент управления выключателем, коммутатор, формирователь, сумматор, преобразователь, задатчик режимов работы, блок внешней информации и блок управления, причем первый, третий, второй и четвертый входы блока управления соединены соответственно с выходами преобразователя, пятый вход - с выходом блока внешней информации, шестой вход - с выходом задатчика режимов работы, а первый и второй выходы блока управления связаны с внешним потребителем информации,

третий его выход соединен с управляющим входом формирователя, четвертый выход - с входом элемента управления выключателем, входы формирователя соединены с концами вторичной обмотки трансформатора, а выход - с первым входом коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом задатчика, второй вход коммутатора соединен со средней точкой вторичной обмотки трансформатора, а выход - с вторым контактом входа усилителя, выход сигнального элемента датчика угла внутренней оси соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с проводниками питания, с которыми также соединен посредством выключателя привод фиксатора, а выход сумматора соединен с первичной обмоткой датчика угла внешней оси, при этом первичный элемент датчика угла внутренней оси установлен на внутренней рамке, сигнальный элемент этого датчика, выключатель и привод фиксатора установлены на внешней рамке, а элемент управления выключателем и коммутатор закреплены на корпусе, при этом сигнальные обмотки датчика угла внешней оси соединены с входами преобразователя.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что привод фиксатора выполнен в виде электромагнита.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что элемент управления выключателем выполнен в виде электрического источника световой энергии, а выключатель - в виде светочувствительного реле.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к чувствительным элементам, используемым в скважинных приборах инклиномеров для определения азимута плоскости наклонения буровых скважин, более конкретно - к трехстепенным гироскопам в кардановом подвесе.

В настоящее время трехстепенные гироскопы широко применяются в инклинометрах для определения азимута плоскости наклонения. Основная схема таких приборов - азимутальный гироскоп направления, внешняя ось которого направлена по продольной оси скважинного прибора. В идеальном случае ось вращающегося ротора сохраняет свое положение неизменным в инерциальном пространстве, удерживая тем самым внутри скважинного приора предварительно определенное в опорной системе координат направление, относительно которого производится расчет азимута плоскости наклонения. Выходная информация снимается с датчика угла, установленного по внешней оси. Известно, что точность азимутального гироскопа направленная во многом зависит от величины отклонения главной оси от плоскости горизонта. С целью повышения точности в таких приборах используют систему нивелирования (удержания главной оси в плоскости горизонта). Процесс нивелирования заключается в том, что маятниковый датчик измеряет отклонение главной оси от плоскости горизонта, и при этом относительно внешней оси гироскопа развивается момент соответствующего знака, заставляющий гироскоп прецессировать вокруг внутренней оси в сторону уменьшения отклонения главной оси от плоскости горизонта. Нивелирование может производится как при помощи регулируемых маятниками струи воздуха, выходящих из гирокамеры [1], так и при помощи электрического датчика момента, установленного по внешней оси гироскопа и управляемого от маятникового жидкостного переключателя (маятникового чувствительного элемента), установленного на внутренней рамке [2,3] . Упомянутый чувствительный элемент представляет собой герметичную полость, частично заполненную электролитом, имеющую группу контактов, которые в большей или меньшей мере могут перекрываться электролитом в зависимости от угла наклона корпуса маятникового чувствительного элемента. Изменение при этом электрического сопротивления плечей, последнего вызывает соответствующее изменение тока, протекающего по обмоткам датчика момента, связанного с маятниковым чувствительным элементом. Однако большинство схем с использованием маятниковых жидкостных переключателей требует дополнительных токоподводов по осям карданова подвеса, что не всегда возможно осуществить в условиях жестких габаритных ограничений (особенно по направлению внутренней оси гироскопа) внутреннего объема корпуса скважинного прибора инклинометра.

Известна схема гироскопического датчика курса [4], выбранная в качестве прототипа изобретения, характерная тем, что в ней для питания гиромотора и реализации маятниковой системы нивелирования главной оси гироскопа используются только по одной паре контактных токоподводов по внутренней и внешней осям трехстепенного гироскопа и токопроводящие опоры карданова подвеса. Управление датчиком момента, установленном по внешней оси, производится сигналом, снимаемым с диагонали измерительного моста, образованного плечами маятникового чувствительного элемента и полуобмотками разделительного трансформатора. При отклонении главной оси гироскопа относительно плоскости горизонта происходит перераспределение электролита относительно контактов маятникового чувствительного элемента, установленного на внутренней рамке, меняются сопротивления его плечей, нарушается равновесие измерительного моста; с диагонали последнего снимается сигнал, поступающий на вход усилителя, выход которого соединен с обмоткой управления датчика момента. Датчик момента создает момент, который заставляет гироскоп прецессировать таким образом, что главная ось его приходит в плоскость горизонта по кратчайшему пути. Создание момента прекращается при уравновешивании измерительного моста, т.е. при приходе главной оси в плоскость горизонта. Выходная информация для определения азимута плоскости наклонения снимается с датчика угла, установленного по внешней оси. Обмотка возбуждения этого датчика связана с внешней рамкой и подключена к фазам питания, его сигнальные обмотки расположены на корпусе прибора. Недостатком такого гироскопического датчика является ограниченный диапазон зенитных углов, при которых он может работать с требуемой точностью; в нашем случае это углы отклонения внешней оси гироскопа от направления вертикали места. Дело в том, что при больших зенитных углах (обычно > 60^o) существенно уменьшается эффективность работы гироскопа, так как главная ось, оставаясь в плоскости горизонта, может быть отклонена от плоскости внешней рамки на угол, практически равный зенитному. При этом эффективное значение кинетического момента гироскопа будет пропорционально косинусу этого угла. При дальнейшем увеличении зенитного угла может произойти сложение рамок и гироскоп прекратит осуществлять функции измерителя углов отклонения. В настоящее время желательно иметь гироскоп, который мог бы выдавать информацию для определения азимута плоскости наклонения скважин, имеющих и горизонтальные участки траектории их осей, т.е. при , близких к 90^o.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением - расширение возможностей трехстепенного гироскопа выдавать информацию для определения азимута плоскости наклонения скважины при ее больших зенитных углах.

Решение поставленной задачи достигается тем, что гироскопический датчик - прототип дополнен датчиком угла внутренней оси, первичный элемент которого установлен на внутренней рамке, а на внешней рамке смонтирован сигнальный элемент. Выход упомянутого сигнального элемента и напряжение смещения поступают на входы суммирующе-усилительного элемента, а выход последнего соединен с первичной обмоткой индукционного датчика угла внешней оси. Сигнальные обмотки указанного датчика связаны с преобразователем, а последний - с блоком управления, который обрабатывает поступающие на его вход сигналы и выдает информацию внешнему потребителю. Кроме того на внешней либо на внутренней рамке гироскопа установлен привод фиксатора внутренней рамки относительно внешней. Привод фиксатора подключается к цепи питания посредством выключателя, который смонтирован на той же рамке, что и привод фиксатора. Управляющий элемент выключателя на корпусе прибора. Для отключения системы нивелирования и управления датчиком момента внешней оси введены коммутатор и формирователь. Управление коммутатором, формирователем и управляющим элементом осуществляется блоком управления, со входами которого также связаны задатчик режимов работы и блок внешней информации.

По своей сути решением упомянутой выше задачи достигается тем, что при переходе величины зенитного угла через определенное значение, происходит "переключение" (изменение) выходных осей гироскопического датчика. Так, если при малых зенитных углах выходной осью является внешняя ось гороскопа, то при больших - внутренняя ось, предварительно приведенная в вертикальную плоскость. Для того, чтобы гироскопический датчик - прототип мог иметь казанное свойство, он дополняется датчиком угла по внутренней оси, устройством съема информации с этого датчика, фиксатором внутренней рамки относительно внешней для осуществления поворота последней при помощи датчика момента внешней оси, устройством управления приводом фиксатора, устройством управления датчиком момента, а также блоком управления гироскопом. Перечисленные дополнения выведены с целью сохранения минимальных габаритов гироскопического датчика в плоскости, перпендикулярной внешней оси, а также для сохранения минимальных моментов трения по осям карданова подвеса, обеспечивающих необходимую точность прибора. Так, в частности, невозможность установки вследствие габаритных ограничений датчика момента по внутренней оси для обеспечения процессионного движения внешней рамки, вызвала применение фиксатора внутренней рамки относительно внешней и использования для указанного вращения датчика момента по внешней оси. Нежелательность применения дополнительных токоподводов по внешней оси, моменты трения которых вызвали бы добавочный дрейф гироскопа по внутренней оси, привела к варианту использования индукционного датчика угла внешней оси для передачи информации со статорной части датчика угла внутренней оси на корпус приора. В этом случае датчик угла внешней оси (преимущественно синусно-косинусный вращающийся трансформатор) используется как трансформаторный токоподвод.

Схема предлагаемого гироскопического датчика инклинометра приведена на чертеже. Гиромотор 1 подключен к двум фазам цепи питания, которое снимается со вторичной обмотки 16 разделительного трансформатора и подводится при помощи контактных токоподводов внутренней оси 3 и внешней оси 5, соединенных проводниками 4. На корпусе гиромотора 1 (внутренней рамке гироскопа) установлены маятниковый чувствительный элемент 2 и первичный элемент (ротор) 6 датчика угла по внутренней оси. Вторичный (сигнальный элемент) - статор 7 указанного датчика угла смонтирован на внешней рамке гироскопа. На последней также установлен привод фиксатора 9 внутренней рамки. На внешней рамке находятся выключатель 10 привода фиксатора, подключающий к нему напряжение питания, а также суммирующе-усилительный элемент (сумматор) 8, два входа которого соединены соответственно со вторичным элементом 7 датчика угла внутренней оси и с проводниками 4, а выход соединен с расположенной также на внешней рамке обмоткой возбуждения 11 датчика угла внешней оси. По внешней оси установлен датчик момента, обмотка управления 13 которого подключена к выходу усилителя 14. Выход усилителя 14 с помощью коммутатора 15 подключается либо к средней точке вторичной обмотки 16 разделительного трансформатора, обеспечивая тем самым работу системы нивелирования, либо к выходу формирователя 17 сигналов управления датчиком момента. Коммутатор 15 и формирователь 17 составляют устройство управления датчиком момента. На корпусе приора установлен управляющий элемент 19 выключателя 10, которые в совокупности образуют устройство управления приводом фиксатора 9. Блок управления 21 производит обработку информации, выдачу ее потребителю, а также на ее основе по командам задатчика режимов работы 18 осуществляет необходимую последовательность операций при изменении режимов работы гироскопа. Выходная информация с гироскопа в обоих режимах снимается с сигнальных обмоток 12 датчика угла внешней оси, поступает на преобразователь (в частности блок демодуляторов) 20 и с выхода последнего на входы блока управления 21. Со входом блока управления 21 связан блок внешней информации 22 (в частности датчик апсидального угла инклинометра).

Гироскопический датчик работает следующим образом.

В режиме малых зенитных углов с задатчика 18 режимов работы гироскопа сигналы на шестой вход блока управления 21 и коммутатор 15 не подаются, при этом средняя точка вторичной обмотки 16 трансформатора присоединена ко второму контакту усилителя 14, обеспечивая тем самым работу системы нивелирования. На третьем и четвертом выходах блока направления 21 при этом сигналы отсутствуют, выключатель 10 разомкнут и фиксатор с приводом 9 отключен. Такая схема соответствует схеме датчика - прототипа. Напряжение U₁, поступающее на первичную обмотку 11 датчика угла по внешней оси, равно

U₁= K₁(K₂+K₃U_o), (1)

где K₂ - напряжение, поступающее с входа датчика угла внутренней оси на первый вход сумматора;

K₃U₀ - напряжение смещения, поступающее на второй вход сумматора и необходимое для работы датчика угла внешней оси при отсутствии выходного напряжения датчика угла внутренней оси;

K₁ - безразмерный коэффициент передачи сумматора по каждому входу;

K₂ - коэффициент передачи датчика угла внутренней оси;:

K₃ - безразмерный коэффициент преобразования напряжения питания на втором входе сумматора;

- угол поворота внутренней рамки относительно внешней;

U₀ - напряжение питания, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора 16.

Напряжения, снимаемые со вторичных обмоток датчика угла внешней оси (синусно-косинусного вращающегося трансформатора) имеют значения



где K₄ - коэффициент трансформации датчика угла внешней оси;

- угол поворота внешней рамки относительно корпуса.

Блок управления 21 осуществляет определение искомой информации по выражениям, полученным из приведенных выше (1-3)

= arc tg (U_s/U_c);



где A=(K₁K₂R₄)^-1; B=K₃U₀/K₂.

Расчет азимута плоскости наклонения скважины производится внешним потребителем информации по величине угла (4), снимаемой с блока управления 21.

При достижении зенитным углом некоторого значения, превышение которого вызывает необходимость изменения режима работы гироскопа, задатчик режимов работы 18 выдает команды на четвертый вход блока управления 21 и на управляющий вход коммутатора 15, который отключает второй контакт входа усилителя 14 от средней точки обмотки 16 трансформатора и подключает его к выходу формирователя 7. Система нивелирования гироскопа при этом отключается. Внешний потребитель информации гироскопа запоминает величину азимута плоскости наклонения скважины, рассчитанную по значению угла . Блок управления 21 определяет знак угла и, управляя со своего третьего вывода формирователем 17, подключая выход последнего к одному из его входов, подает на усилитель 14 такого знака (фазы), что развиваемый датчиком момента 13 момент заставляет главную ось гироскопа прецессировать в направлении уменьшения угла . Как только угол станет равным нулю ( =0), с четвертого выхода блока управления 21 поступает сигнал на элемент управления выключателем 19, который посредством выключателя 10 включает фиксатор с приводом 9. При этом прецессия по внутренней оси прекращается, а зажатый гироскоп под действием того же момента, развиваемого датчиком момента 13, начинает вращаться вокруг внешней оси. Как только угол поворота гироскопа вокруг внешней оси станет равным по величине и противоположным по знаку апсидальному углу , поступающему с блока внешней информации 22, т.е. = - (случай, когда плоскость внешней рамки гироскопа находится в вертикальной плоскости), блок управления 21 со своего четвертого выхода выдает команду на элемент управления выключателем 19 с целью отключения привода с фиксатором 9 и одновременно снимает со своего третьего выхода сигнал управления формирователем 17, разрывая связь между одним из входов и выходом последнего, при этом на вход усилителя 14 сигнал не поступает, т.к. сигнал с задатчика режимов работы 18 продолжает удерживать соединенными первый и выход коммутатора 15, и датчик момента 13 прекращает создавать момент. В итоге получили такое пространственное положение гироскопа, при котором плоскость внешней рамки совпадает с вертикальной плоскостью, а главная ось гироскопа перпендикулярна ей. Данное положение гироскопа является исходным для цикла измерений азимута плоскости наклонения скважины, причем информация для расчета последнего (величина угла ) будет сниматься с датчика угла, установленного по внутренней оси. При уменьшении зенитного угла переход к первоначальной схеме осуществляется по команде задатчика режимов работы 18, который управляя коммутатором 15 восстанавливает работу системы нивелирования.

Вариант технической реализации схемы может быть осуществлен с использованием следующих элементов:

- индукционного датчика угла внутренней оси с обмоткой возбуждения 6, установленной на корпусе гидромотора (внутренней рамке), и с сигнальной обмоткой 7, смонтированной на внешней рамке;

- усилителя переменного тока 8;

- установленного на внешней или внутренней рамке электромагнита 9, якорь которого при подаче на его обмотку переменного тока осуществляет механическое сцепление внутренней и внешней рамок;

- электричество cветоизлучающего элемента 19 (электролампочки, светодиода), смонтированного на корпусе;

- светочувствительного реле 10, смонтированного на той рамке, на которой закреплена катушка электромагнита 9.

В качестве коммутатора 15 и формирователя 17 могут быть использованы поляризованные реле, причем последнее должно быть с устойчивым нейтральным положением. Блок управления 21 может построен на основе микропроцессора.

Применение предлагаемого изобретения позволит осуществлять замеры пространственного положения оси буровых скважин, имеющих участки с большими зенитными углами.

Список литературы

1. Гироскопический инклинометр ИГ-70. Описание и инструкция по эксплуатации. - ЧССР: Микротехна, национальное предприятие Морджаны, 1958, 47 с.

2. Теория и конструкция гироскопических приборов и систем. Под ред. Г.Д. Блюмина. - М.: Высшая школа, 1971, с. 338, 128 - 138.

3. Салов Е. А. , Мантров В.В. и др. Гироскопический иклинометр. Труды Башк. гос.н.-и. и проектн. ин-та нефт. пром-сти. - 1989, N 19, с. 109-122.

4. Патент РФ N 2003045, G 01 C 19/48, 1993.