Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы и постановка задачи исследования 11
1.1 Актуальность темы исследования 11
1.2 Анализ состояния вопроса по теме исследования 16
1.2.1 Анализ вариантов построения магнитометров 16
1.2.2 Анализ вариантов построения телеметрических каналов связи 18
1.3 Постановка задач исследования 21
ГЛАВА 2. Статическая математическая модель инклинометра с тремя одноосными акселерометрами и феррозондами 22
2.1 Математическое моделирование инклинометров 22
2.2 Выбор и обоснование алгоритмов расчета углов ориентации 33
2.2.1 Алгоритм расчета зенитного угла 33
2.2.2 Алгоритм расчета визирного угла 45
2.2.3 Алгоритм расчета азимута 61
2.2.4 Алгоритм расчета угла установки отклонителя на вертикали 90
2.3 Методика калибровки инклинометров 100
Основные результаты и выводы по второй главе 107
ГЛАВА 3. Узлы и элементы инклинометрических систем 108
3.1 Акселерометры 108
3.2 Магнитометры на основе принципа измерения площади под кривой выходного сигнала феррозонда 111
3.2.1 Магнитометр на основе дифференциального феррозонда 113
3.2.2 Магнитометр на основе полумостового феррозонда 124
3.3 Телеметрический канал связи 134
З.ЗЛ Односторонний телеметрический канал связи 134
3.3.2 Двухсторонний телеметрический канал связи 142
3.3.3 Исследование пропускной способности канала 145
Основные результаты и выводы по третьей главе 149
ГЛАВА 4. Автономный многоточечный инклинометр 151
4.1 Выбор элементов питания 151
4.2 Устройство и работа электронных узлов инклинометра 157
4.3 Конструкция автономного инклинометра 162
4.4 Сервисное программное обеспечение 165
Основные результаты и выводы по четвертой главе 167
Основные результаты и выводы диссертационной работы 168
Список использованных источников
- Анализ состояния вопроса по теме исследования
- Выбор и обоснование алгоритмов расчета углов ориентации
- Магнитометры на основе принципа измерения площади под кривой выходного сигнала феррозонда
- Устройство и работа электронных узлов инклинометра
Введение к работе
Актуальность темы исследования 11
Анализ состояния вопроса по теме исследования 16
Анализ вариантов построения магнитометров 16
Анализ вариантов построения телеметрических каналов связи 18
1.3 Постановка задач исследования 21
Анализ состояния вопроса по теме исследования
Рассмотрим особенности построения магнитометров. Анализ составлен на основе информации патентного поиска.
Работа подавляющего большинства магнитометров основана на принципе выделения второй гармоники из выходного сигнала феррозонда. Различие « состоит лишь в способах и средствах достижения поставленной цели. Теория феррозондовых преобразователей, основанных на принципе второй гармоники, изложена в [19]. Более поздних изданий, где были бы предложены иные принципы построения феррозондовых преобразователей для измерения магнитного поля, обнаружить не удалось.
Известны авторские свидетельства [14, 11, 69, 70], основным элементом которых является избирательный усилитель переменного тока, настроенный на вторую гармонику. Для полного подавления первой и высших гармоник необходимо в схеме усилителя применять высоко добротные фильтры высоких порядков. Как известно, такие фильтры обладают сложной настройкой, низкой температурной и временной стабильностью, что ухудшает метрологические свойства магнитометра.
В авторском свидетельстве [10] предлагается цифровой феррозондовый магнитометр, который не содержит избирательных усилителей на основе фильтров высоких порядков, а, следовательно, свободен от выше описанных недостатков. Вместо них в схему введены два интегрирующих дискретизатора с запоминанием и импульсной обратной связью. Вследствие чего, увеличились затраты на схемы управления и синхронизации, что в свою очередь увеличило массогабаритные показатели магнитометра и уменьшило его надежность.
Известен феррозондовый магнитометр [12], основанный на принципе сравнения собственного поля компенсирующих катушек, создаваемого пилообразным током от блока формирования пилообразного напряжения, с внешним, наложенным на эти же катушки измеряемым магнитным полем. Интервал времени от начала подачи пилообразного импульса напряжения на катушки, до получения с них сигнала перемагничивания в момент «равенства» полей измеряется счетчиком интервалов времени и пропорционален напряженности измеряемого магнитного поля. Амплитуда пилообразного напряжения задается дискретным способом. Недостатком такого магнитометра является зависимость его качественных характеристик, а именно точности, чувствительности и разрешающей способности от стабильности, длительности и амплитуды пилообразного импульса.
В авторском свидетельстве [13], благодаря конструкции феррозонда, значительно упрощается измерительная электронная часть. Феррозонд выполнен на кольцевом сердечнике и снабжен обмоткой подмагничивания, соединяемой с источником постоянного тока. Обмотка подмагничивания должна быть равномерно распределена по сердечнику. Сигнальная обмотка расположена на участке сердечника по оси чувствительности феррозонда, а обмотка возбуждения охватывает тело сердечника в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности. Благодаря этому амплитуда и фаза (полярность) ЭДС, наводимой в сигнальной обмотке, определяется величиной и направлением измеряемого поля. Выходной сигнал такого типа легко преобразуется в постоянное напряжение, однако сложность и трудоемкость изготовления такого феррозонда ограничивает его применение.
Известен цифровой феррозондовый магнитометр [9], в котором сигнал, снимаемый с измерительной обмотки феррозонда, суммируется с сигналом, формируемым с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) той же частоты. Его амплитуда зависит от величин кода на входе ЦАП. В зависимости от величин и знака разности формируется компенсирующий ток обратной связи. В данном случае к цифро-аналоговому преобразователю предъявляются жесткие требования по точности и стабильности, поскольку в основном от него зависят метрологические характеристики магнитометра. Разрядность ЦАП і» также определяет величину зоны нечувствительности.
Ведутся разработки в области создания безобмоточных феррозондов [33]. Новая конструкция магнитометра создана на основе изобретенного российскими учеными уникального металлического сплава. Отличительной особенностью предлагаемой конструкции является использование для измерения магнитного поля материал, обладающий свойством изменять своё сопротивление переменному току высокой частоты под воздействием п постоянного или переменного магнитного поля. Благодаря использованию новой конструкции датчиков, стало возможным создать магнитометр чрезвычайно простой конструкции, имеющий повышенную устойчивость к механическим воздействиям и надёжность при эксплуатации в экстремальных условиях. На данный момент существуют лишь опытные образцы таких датчиков.
В статье [62] описывается магнитометр с импульсным режимом работы феррозонда. Единственным сдерживающим фактором, препятствующим применению феррозондов с импульсным возбуждением, является невозможность измерения малых (5-50 А/и) магнитных полей из-за наличия начального разбаланса. Вследствие неидентичности элементов феррозонда, геометрических размеров сердечников и их взаимного положения друг относительно друга при отсутствии внешнего измеряемого поля в выходной обмотке феррозонда наводится э.д.с.., называемая разбалансом и определяющая порог его чувствительности. Таким образом, измерение магнитных полей, которые наводят в выходной обмотке феррозонда э.д.с. меньше уровня разбаланса, не представляется возможным.
Выбор и обоснование алгоритмов расчета углов ориентации
На зенитных углах равных 0 или 180 выходной сигнал феррозонда а3 становится равным постоянному уровню, определяемым углом магнитного наклонения, и не несет информации об азимуте. При движении по азимуту максимум оценки AN", достигается на углах 90 и 270, минимум 0, 180 и 360. Положение максимумов AN, не зависит от величины угла магнитного наклонения, зависит лишь их амплитуда.
Рассмотрим эволюцию оценок AN", и AN . Из графиков на рисунках 2.42, 2.43, 2.44, 2.45, 2.46 и 2.47, 2.48, 2.49, 2.50, 2.51 можно видеть, что амплитуда оценок AN", и AN не зависит от величины зенитного угла, зависит лишь характер их распределения на плоскости в координатах азимут - визир. В таблице 2.1 приведено распределение максимумов и минимумов оценок AN"L и ANj по азимутальному и визирному углам в области зенитных 0=90.
Как видно из таблицы 2.1 максимумы и минимумы по визирному углу датчиков а[ иа2 расположены со сдвигом 90. По азимутальному углу их распределение одинаково. Вследствие этого, при использовании только датчиков а, и а2 при вычислении азимута, максимум абсолютной ошибки придется на область азимутальных углов 90 и 270 во всем диапазоне визирных углов. Минимум на область азимутальных углов 0, 180, 360. Сравним графики на рисунках 2.52, 2.49, 2.44. Максимумы AN", приходятся на минимумы AN",, AN и наоборот. Следовательно, алгоритм, использующий информацию с датчиков aj, a2, a3, позволит вычислить азимут с минимальной абсолютной ошибкой в области зенитных углов 90.
При приближении зенитного угла к областям 0 и 180 максимум оценки код на градус по азимутальному углу для датчика а3 уменьшается, что в свою очередь приводит к увеличению максимальной абсолютной ошибки вычисления азимута. Распределение максимумов и минимумов оценок ANP AN также меняется, приобретая более равномерный характер, рисунки 2.50, 2.51, 2.47, 2.48 и 2.45, 2.46, 2.43, 2.42. В конечном итоге с некоторого зенитного угла достигается ситуация, когда на минимум AN", приходится максимум AN и наоборот. Совместно анализируя графики на рисунках 2.52 и 2.50, 2.51, 2.47, 2.48, 2.45, 2.46, 2.43, 2.42, можно прийти к выводу, что при движении к зенитным углам 0 и 180 существует точка, при которой необходимо отказаться от использования в расчетах датчика а3 и оставить лишь а,, а2.
Данная точка на шкале зенитных углов может быть найдена из условия равенства максимума AN минимуму AN или AN .
Существование достаточно высокой чувствительности к азимутальному углу датчиков а,, а2 на зенитных углах 0 и 180 не предполагает возможность вычисления с их помощью значения азимута, поскольку он не существует на указанных зенитных углах [46]. Воспользуемся графиками распределения оценок AN ,, ДИ при 0=90 и азимуте равном 0, 180, 360 рисунки 2.49, 2.44. При визирных углах р равных 0, 180, 360 можно видеть максимум оценки AN (минимум Да2).
При визирных углах ц равных 90 ,270 можно видеть максимум оценки AN", (минимум Да(). Таким образом, максимумы и минимумы величин AN , AN по шкале визирных углов располагаются со сдвигом 90. При иных значениях зенитных углов этот характер сохраняется. Анализ выражений (2.64), (2.65) позволяет сделать вывод, что при изменении визирных углов в диапазоне 0-7-360 абсолютная погрешность выражения (2.61) будет определяться тем датчиком, абсолютная погрешность которого в данный момент минимальна.
При движении по оси азимутальных углов, рисунки 2.49, 2.44, на значениях 90 и 270 наблюдается совместный минимум оценок AN , AN",, что свидетельствует об увеличении максимальной абсолютной погрешности вычисления азимута по функции (2.61) при указанных значениях. По мере приближения величины зенитного угла к значениям 0 и 180 характер распределения оценок AN , AN меняется, но это не влияет на распределение абсолютной ошибки вычисления азимута по функции (2.61). Анализ выражений (2.64), (2.65) показывает, что абсолютная погрешность выражения (2.61) поочередно определяется датчиками а, и а2, а очередность, как показывает анализ выражения (2.63), определяется значением визирного угла. Рассмотрим графики на рисунках 2.50, 2.51, 2.47, 2.48 и 2.45, 2.46, 2.43, 2.42.
При визирных углах равных 90 и 270 минимум ANt приходится на азимутальные углы равные 90 и 270. При визирных углах равных 0, 180, 360 минимум AN приходится на те же азимутальные углы. На рисунке 2.53 приведен характер распределения абсолютной ошибки вычисления азимута по функции (2.61) при 9=90. На рисунках 2.54, 2.55 приведена максимальная абсолютная погрешность при 6 равном 90 и 5 соответственно. Алгоритм их получения следующий. Задается значение азимута, производится изменение визирного угла в диапазоне 0ч-360( , находятся максимальные величины ошибок обоих знаков и откладываются на графике. Затем переходят к следующему значению азимута. Диапазон изменения азимута 0 -:-360, шаг 1, Диапазон изменения визирного угла 0 +360, шаг 5.
Магнитометры на основе принципа измерения площади под кривой выходного сигнала феррозонда
Датчики магнитного поля, или магнитометрические преобразователи, классифицируются по принципу использования в них того или физического явления: магнитомеханические, индукционные, гальваномагнитные, кинетические, квантовые, магнитооптические. В последнее время в инклинометрах все большее распространение получают индукционные преобразователи взамен магнитомеханических. Поскольку в индукционных преобразователях отсутствуют подвижные части, они могут работать в условиях сильных вибраций и, как следствие, обладают меньшими габаритами и длительным сроком службы.
Феррозонд представляет собой ферромагнитный сердечник с распределенными вдоль него обмотками. Его работа основана на измерении магнитного состояния материала при одновременном намагничивании в переменном и постоянном магнитных полях.
Простейший одно компонентный феррозонд с продольным возбуждением представляет собой ферромагнитный сердечник, на котором имеются две обмотки, рисунок 3.1 а.
Наиболее распространенный метод измерения внешнего поля основан на измерении амплитуды второй гармоники в выходном сигнале е2 феррозонда [77, 19, 43]. Все магнитометры, основанные на данном принципе, содержат в себе избирательный усилитель, задачей которого является выделение и усиление второй гармоники сигнала, и подавление остальных. Для высокого качества селекции необходимо наличие фильтров высоких порядков. Подобные фильтры обладают сложной настройкой. Вследствие наличия множества регулировочных элементов низка временная и температурная стабильность параметров избирательного усилителя, что приводит к ухудшению метрологических характеристик преобразователя в целом. Например, в [43] приведена схема магнитометра, где избирательный усилитель построен на основе фильтра 6-го порядка (3 LC - контура).
К недостаткам такого класса магнитометров можно добавить их высокую стоимость и значительные массогабариты.
Магнитометры, построенные на основе измерения площади под кривой выходного сигнала феррозонда, свободны от указанных недостатков. ЭДС в измерительной обмотке дифференциального феррозонда описывается выражением [19]: e2(t) = 6-b.s-wH0. p, (3.1) где s - суммарная площадь поперечного сечения сердечника феррозонда; w - число витков измерительной обмотки; Н0 - напряженность постоянного измеряемого поля; H(t) - напряженность переменного поля обмотки возбуждения; Ъ - коэффициент аппроксимации зависимости В(Н) укороченным полиномом третьей степени вида В(Н) = аН-Ь-Н3. Проинтегрируем выражение (3.1) на половине периода действия переменного поля в обмотке возбуждения. Т/2 Se{,,= Je(t)dt=6-b-s-w-H0-(H2(T/2)-H2(0)). (3.2) о
Из выражения (3.2) видно, что площадь под кривой ЭДС в измерительной обмотке прямо пропорциональна напряженности постоянного измеряемого поля Н0, следовательно, возможно построение магнитометра, работающего на основе принципа измерения площади под кривой ЭДС. Из выражения (3.2) следует, что для обратной связи по полю критерием полной компенсации внешнего постоянного магнитного поля будет равенство нулю площади под кривой ЭДС в измерительной обмотке феррозонда. Структурная схема такого магнитометра, работающего совместно с дифференциальным феррозондом, приведена на рисунке 3.2.
Сигнал с измерительной обмотки дифференциального феррозонда через разделительные емкости С1 и С2 поступает на вход дифференциального усилителя, собранного на элементах DAI, Rl, R2, R3, R4. Емкости С1 и С2 отсекают постоянную составляющую тока, образуемую в обмотке сигналом обратной связи. С выхода усилителя DA1 сигнал через разделительный конденсатор СЗ поступает на вход синхронного детектора, реализованного на ключе К1. Применение в схеме двухполупериодного синхронного детектора позволило бы увеличить точность измерения магнитометра, поскольку увеличился бы средний уровень напряжения на входе интегратора, но при этом увеличились бы габариты устройства и погрешности, вызванные напряжениями смещения и температурным дрейфом параметров элементов. Использование синхронного детектора по однополупериодной схеме выпрямления позволяет избежать указанных недостатков. Его управление осуществляется от того же генератора, что и возбуждение феррозондов. Сигнал с выхода усилителя DA1 за время открытого состояния ключа К1 поступает на интегратор, где он преобразуется в сигнал постоянного тока. Напряжение с выхода интегратора поступает на резистор обратной связи R , с помощью которого преобразуется в ток и подается на измерительную обмотку феррозонда, создавая в ней магнитное поле равное измеряемому, но противоположное по знаку. Таким образом, результирующее магнитное поле в феррозонде всегда равно нулю.
Допустим, что ориентация феррозонда была изменена так, что в нем появилось некомпенсированное сигналом обратной связи магнитное поле. Тогда, согласно уравнению (3.1), на измерительной обмотке появится ЭДС, которое, пройдя через дифференциальный усилитель (эпюры рисунок 3.4_а), синхронный детектор (рисунок 3.4 б), поступит на интегратор. Выходной сигнал интегратора начнет изменяться, вызывая соответствующее изменение магнитного поля в измерительной обмотке феррозонда, рисунок 3.4_в, что приведет к уменьшению генерируемой ЭДС. Этот процесс, согласно уравнению (3.2), будет продолжаться, пока площадь под кривой ЭДС не станет равной нулю.
Устройство и работа электронных узлов инклинометра
Одной из особенностей работы автономных инклинометров является осуществление измерений в дискретные моменты времени. В существующих аналогах НИКА-108 разработки НЛП «Самарские горизонты» [15], комплекса АЛМАЗ-2 НЛП геофизической аппаратуры «Луч» [66] шаг дискретизации по времени задается путем программирования прибора оператором перед спуском его в скважину. Соответственно временной шаг не может быть изменен до окончания буровых работ и подъема инклинометра на поверхность. Неуправляемость периода измерения и записи информации, во-первых, требует значительного объема энергонезависимой памяти, поскольку должно быть учтено не только время проходки, а также время простоя из-за различных нештатных ситуаций. Во-вторых, момент измерения показаний датчиков может совпасть с процессом бурения, который сопровождается высоким уровнем вибраций. В результате показания акселерометров и вычисленные на их основе углы ориентации инклинометра могут быть сильно искажены. В-третьих, при искусственном искривлении скважины желательно съем информации с датчиков производить чаще, чем на прямолинейных участках.
Предлагаемый автономный инклинометр свободен от этих недостатков. Его отличительным признаком является наличие «шокового» акселерометра, который расположен вдоль оси инклинометра и измеряет вибрационные перегрузки, возникающие при работе бурового инструмента. Чередуя интервалы бурения и останова, а также их длительность, возможно, управлять работой прибора. Командой начала цикла измерения является останов бурового инструмента, что сопровождается резким снижением уровня осевых перегрузок. На рисунке 4.1 приведена циклограмма работ инклинометра.
Через определенные кванты времени центральный процессор опрашивает показания шокового акселерометра, сравнивает их с пороговым уровнем и производит фиксацию в памяти. Величина порога, периодичность опроса «шокового» акселерометра и записи его показаний в памяти, устанавливается оператором с помощью сервисного программного обеспечения перед спуском инклинометра в скважину. При снижении перегрузок ниже заданного уровня, начинается цикл измерения. Производится поочередное измерение выходных координат феррозондов, акселерометров и фиксация их в энергонезависимой памяти. После окончания цикла измерения центральный процессор снова приступает к опросу показаний «шокового» акселерометра. Новый цикл измерения начнется после очередного запуска и останова бурового инструмента. Поскольку измерение основных параметров производится в дискретные моменты времени, то нет необходимости держать под питанием все узлы инклинометра. В дежурном режиме достаточно оставить лишь «шоковый» акселерометр и центральный процессор, тем самым продляется
Через определенные кванты времени центральный процессор опрашивает показания шокового акселерометра, сравнивает их с пороговым уровнем и производит фиксацию в памяти. Величина порога, периодичность опроса «шокового» акселерометра и записи его показаний в памяти, устанавливается оператором с помощью сервисного программного обеспечения перед спуском инклинометра в скважину. При снижении перегрузок ниже заданного уровня, начинается цикл измерения. Производится поочередное измерение выходных координат феррозондов, акселерометров и фиксация их в энергонезависимой памяти. После окончания цикла измерения центральный процессор снова приступает к опросу показаний «шокового» акселерометра. Новый цикл измерения начнется после очередного запуска и останова бурового инструмента. Поскольку измерение основных параметров производится в дискретные моменты времени, то нет необходимости держать под питанием все узлы инклинометра. В дежурном режиме достаточно оставить лишь «шоковый» акселерометр и центральный процессор, тем самым продляется
Величина перегрузки является постоянно контролируемым параметром, поэтому ее измерение производится с помощью аналого-цифрового преобразователя, встроенного в центральный процессор. В качестве шокового акселерометра выбран акселерометр фирмы Analog Device марки ADXL150. Величина измеряемых им ускорений 50g. Центральный процессор построен на РІС — контроллере фирмы Microchip марки P16F876. Тактовая частота процессора понижена до 4МГц} что позволило дополнительно снизить энергопотребление в дежурном режиме.
Для уменьшения массогабаритных показателей и суммарного потребляемого тока, магнитометр построен на базе одного измерительного преобразователя. За основу взят измерительный преобразователь, работающий совместно с феррозондами дифференциального типа, так как в отличие от преобразователя, работающего с феррозондами полу мостового типа, он не содержит габаритного трансформатора. На рисунке 4.3 приведена структурная схема трех координатного магнитометра.
Функция выбора измеряемой магнитной координаты возложена на центральный процессор. Ее номер задается с помощью адресных линий АО, А1. В зависимости от их состояния дешифратор попарно замыкает ключи К1.1 и К1.4, К1.2 и К 1.5, К 1.3 и К 1.6. Тем самым на вход измерительного преобразователя поочередно подключаются феррозонды X, Y, Z, а его выходной сигнал поступает на коммутатор аналого-цифрового преобразователя, общее число каналов которого сокращено до четырех.
Аналого-цифровой преобразователь инклинометра построен на основе двух шагового интегратора. Этот выбор вызван необходимостью подавления помехи с частотой 50Гц при питании прибора от стационарного источника при настройке и калибровке.
Энергонезависимое запоминающее устройство представляет собой FLASH память фирмы Atmel марки АТ24С512 с объемом 64 килобайта. В ней хранятся калибровочные коэффициент и измеренные данные. Число хранимых точек отсчета 5000.
