Свердловинний інклінометр

Изобретение касается телеизмерений в скважине. Цель - повышение точности измерений. Инклинометр содержит блок 1 датчиков угловых параметров, коммутатор 2, преобразователь фаза-время 3, блок 4 усреднения, формирователь 5 выходного кода, генератор 6, формирователь 7 квадратурных напряжений, содержащий двоичный счетчик 8 по модулю 360, первый 9 и второй 10 элементы памяти ординат напряжений синуса и косинуса, первый 11 и второй 12 цифроаналоговые преобразователи, усилители 13, 14 мощности, образующие цепи формирования квадратурных напряжений соответственно синусного и косинусного, элемент сброса 15. Блок 4 усреднения осуществляет преобразование временного интервала, определяемого фазовым сдвигом выходного напряжения блока 1 датчиков и опорного, с преобразователя фаза-время 3 1721225 в параллельный двоичный код с усреднением результата измерения за определенное число измерений параметра в пределах одного канала, определяемого сигналом с первого выхода формирователя 5 выходного кода. Блок 4 усреднения связан по второму входу с генератором 6, используемым одновременно для формирования квадратурных напряжений питания блока 1 датчиков параметров и формирования сигнала синхронизации (сброс) формирователя 5 выходного кода. Параллельный двоичный код на выходе блока 4 усреднения преобразуется в последовательный д в о и ч н ы й код с модуляцией нулей и единиц кода по длительности с помощью формирователя 5 выходного кода, соединенного с управляющими входами коммутатора 2 для формирования адреса канала измерения. Применение устр-ва позволяет уменьшить погрешность измерения от влияния внешних условий. 1 з.п.ф-лы, 4 ил. Изобретение относится к телеизмерениям и может быть использовано для постоянного контроля и измерения глубинных параметров скважины в процессе бурения забойными двигагелями, а также при телеконтроле и телеизмерении различных параметров по линии электропередач. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет использования одного генератора как для формирования квадратурных напряжений питания датчика, так и для выполнения преобразования значений измеряемых параметров. На фиг. 1 представлена функциональная схема скважинного инклинометра; на фиг. 2 - функциональная схема преобразователя фаза-время и блока усреднения; на фиг. 3 - функциональная схема формирователя выходного кода и приемной стороны устройства; на фиг. 4 - временные диаграммы работы скважинного инклинометра. Скважинный инклинометр содержит блок 1 датчиков для угловых параметров, коммутатор 2, преобразователь 3 Фаза-время, блок 4 усреднения, формирователь 5 выходного кода, генератор б, формирователь 7 квадратурных напряжений, содержащий двоичный счетчик 8 по модулю 360, первый 9 и второй 10 элементы памяти для ординат напряжений синуса и косинуса соответственно, первый 11 и второй 12 цифроаналоговые преобразователи, усилители мощности 13 и 14, образующие цепи формирования квадратурных напряжений, соответственно синусного и косинусного. Блок 1 датчиков преобразует угловые изменения измеряемых параметров в сдвиг фаз выходных напряжений относительно опорного. Первый и второй входы блока 1 датчиков подключены к первому и второму выходам формирователя 7 к в а д р а т у р н ы х напряжений, а выходы - к информационным входам коммутатора 2. Коммутатор 2 служит для распределения so времени по каналам измерения выходных сигналов блока 1 датчиков. Управляющие входы коммутатора 2 подключены к третьему выходу формирователя 5 выходного кода. Выход коммутатора 2 подключен к первому входу преобразователя 3 фаза-время. Преобразователь 3 фаза-время преобразует сдвиг фаз выходных напряжений блока 1 датчиков относительно опорного в длительность импульса, начало которого формируется опорным синусоидальным напряжением с первого выхода формирователя квадратурных напряжений подключенного к второму входу преобразователя 3, а конец - выходным сигналом датчика, поступающим в данный момент времени через коммутатор 2, связанный с выходом блока датчиков 1, на первый вход преобразователя 3. Блок 4 усреднения, соединенный первым входом с выходом преобразователя 3, осуществляет преобразование временного интервала с преобразователя 3 фаза-время в параллельный двоичный код с усреднением результата измерения текущих значений одного параметра в цикле, определяемом стробирующим сигналом, поступающим на четвертый вход блока 4 усреднения с первого выхода формирователя 5 выходного кода. Блок 4 усреднения также связан по второму и третьему входам с выходомгенератора 6 и третьим выходом формирователя 7 квадратурных напряжений соответственно, Параллельный к о д с выхода блока 4 усреднения поступает на соединенный с ним вход формирователя 5 выходного кода. Формирователь 5 выходного кода связан по второму входу с четвертым синхрониз и р у ю щ и м выходом формирователя 7 5 10 15 20 25 30 35 40 1721225 квадратурных напряжений, по первому входу с выходом блока 4 усреднения, а вторым выходом через линию связи с дневной поверхностью. Формирователь 5 выходного кода преобразует параллельный код с выхода блока 4 усреднения в последовательный двоичный код с модуляцией нулей и единиц кода по длительности, формирует по третьему выходу, соединенному с управляющими входами коммутатора 2, адрес канала измерения и осуществляет синхронизацию начала времени измерения параметра с переходом опорного напряжения через ноль. Генератор б подключен к входу формирователя 7 квадратурных напряжений и второму входу блока 4 усреднения и служит для формирования питающих датчика блока 1 напряжений цифровым способом и для преобразования значения измеряемого пэраметра в параллельный двоичный код. Формирователь 7 квадратурных напряжений своим входом подключен к генератору 6, первым и вторым выходами к блоку 1 датчиков, третьим выходом к управляющим входам блока усреднения, четвертым синхронизирующим выходом к второму входу формирователя 5 выходного кода. Формирователь 7 содержит двоичный счетчик 8 по модулю 360, который формирует своими разрядными выходами развертку оси абсцисс (текущий угол) во времени, Элемент 15 сброса представляет собой дешифратор кода 360, связан по входам с разрядными выходами счетчика 8, а по выходу - с входом установки счетчика 8 и определяет модуль счета 360. В элементах 9 и 10 памяти, подключенных так же к разрядным выходам счетчика 8, записаны ординаты напряжений синуса и косинуса. Выход элемента 9 памяти соединен с входом цифроаналогового преобразователя 11, выход которого подключен к усилителю 13, где формируется кривая синусоидального напряжения при постоянном изменении выходного кода счетчика 8. В цепи, образованной последовательно соединенными элементом 10 памяти, цифроаналоговым преобразователем 12 и усилителем 14, формируется кривая косинусоидального напряжения при постоянном изменении выходного кода счетчика 8. Выходы усилителей 13 и 14, обеспечивающих усиление сформированных напряжений, являются первым и вторым выходами формирователя 7 квадратурных напряжений и подключены к входам блока 1 датчиков. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Блок 4 усреднения включает счетчик-накопитель 16 по модулю 360, двоичный счетчик 17 числа п переходов содержимого счетчика 16 через модуль счета 360 за цикл измерения m текущих значений одного параметра, дешифратор 18 I и IV квадрантов, с помощью которого производится определение квадранта, где находится текущее значение измеряемого параметра, триггер 19, управляющий работой коммутатора 20, счетчик 21 числа значений текущего параметра, расположенных в I квадранте. Блок 4 содержит также сумматор 22 чисел п и к , сумматор-перемножитель 23 с выходным регистром памяти, играющим роль оперативного запоминающего устройства, а также ключ 24. Выход ключа 24 подключен на счетный вход счетчика 16, разрядно выходы которого соединены с одним из входов сумматора-перемножителя 23, другие входы которого соединены с выходом сумматора 22 и кодом числа 360/т соответственно. Вход п сумматора 22 соединен с разрядными выходами двоичного счетчика 17, а вход К-с выходами коммутатора 20, информационные входы которого подключены к выходу счетчика 21 числа значений I квадранта, з управляющий вход - к выходу триггера 19, счетный вход счетчика 21 соединен с выходом I квадранта дешифратора 18, выход IV квадранта которого подключен к счетному входу триггера 19. Выход дешифратора 360 счетчика-накопителя 16 соединен с счетным входом двоичного счетчика 17. Первый вход ключа 24 является первым входом блока 4 усреднения, второй вход вторым входом блока, третий вход ключа, соединенный с установочными входами двоичного счетчика-накопителя 16, двоичного счетчика 17, счетчика 21 числа значений I квадранта, триггера 19 и сумматора-перемножителя 23, образует четвертый вход блока 4 усреднения. Третий вход блока 4 образован входной шиной дешифратора 18, а выход- разрядными выходами регистра сумматора-перемножителя 23. Выполнение математических операций усреднения текущих значений осуществляется с учетом перехода измеряемого параметра через значение полной фазы (360) путем реализации следующего преобразования: A; mod 360 360-Ь A= m где А-усредненное значение измеряемого параметра; 1721225 8 Ai - текущее значение измеряемого пазаполнения, а выход подключен к входному раметра; усилителю 37. Информационные входы комт - число текущих значений одного измутатора 28 разрядов образуют первый меряемого параметра в цикле измерения; вход формирователя 5 выходного кода, вход b - коэффициент, учитывающий пере- 5 формирователя 38 стробирующего сигнала ход измеряемых параметров через значеявляется вторым входом блока 5, а выход ние полной фазы; формирователя 38 является первым выхоb=n+k при колебании в районе точки, дом, выход выходного усилителя 37 образусоответствующей значению полной фазы, в ет второй выход формирователя 5, а 1 и IV квадрантах, 10 разрядные выходы счетчика 29 адреса-треb=n при отсутствии перехода измеряетий. мых параметров через значение полной фаСкважинный инклинометр на приемной зы; стороне 39 содержит фильтр 40 для выделеп - число п е р е х о д о в з н а ч е н и я ния полезного сигнала на линии связи, входm 15 ной усилитель 4 1 , н е о б х о д и м ы й для 2 Ai mod 360 через значение полной фазы обеспечения нормального функционироваі = 1 ния устройства, преобразователь 42 после(360°) довательного кода, поступающего по линии к - число текущих значений измеряемосвязи, в параллельной двоично-десятичный го параметра, расположенных в I квадранте. 20 код, коммутатор 43 каналов и блок 44 индиПреобразователь 3 фаза-время содеркации для отображения значения измеренжит компараторы 25 и 26 опорного и входных параметров на световых табло. ного сигналов соответственно и триггер 27, На фиг. 4 представлены временные дипричем входы компараторов 25 и26 являютаграммы 45 и 46 выходных напряжений форся первым и вторым входами преобразова25 мирователя 7 квадратурных напряжений, теля, а выход образован прямым выходом временная диаграмма 47 синхронизируютриггера 27. щих сигналов с элемента сброса 15 формиФормирователь 5 выходного кода рователя 7 квадратурных напряжений, (фиг.З) содержит коммутатор 28 разрядов, временные диаграммы 48, 49 и 50 выходных счетчик 29 адреса, счетчик 30 разрядов ко30 напряжений блока 1 датчиков, временная да, схему И31, формирователь 32 кадрового диаграмма 51 выходного напряжения комимпульса, формирователь 33 длительности мутатора 2, временная диаграмма 52 имимпульсов, распределитель 34 импульсов, пульсов на выходе формирователя 3 генератор 35 длительностей, генератор 36 фаза-время, временная диаграмма 53 имзаполнения, выходной усилитель 37 и фор35 пульсов, поступающих с первого выхода мирователь 38 стробирующего сигнала. формирователя 5, для разрешения начала Генератор 35 длительностей соединен с измерения параметра, синхронизированнораспределителем 34 импульсов, первые выго с переходом опорного напряжения через ходы которого подключены к формироватеноль. лю 33 д л и т е л ь н о с т и импульсов 40 Скважинный инклинометр работает непосредственно, а второй выход - через следующим образом. формирователь 32 кадрового импульса, втоНа датчики блока 1 подаются питающие рой вход которого подключен к выходу схенапряжения 45 и 46 с формирователя 7 квадмы И31, счетному входу счетчика 29 адреса ратурных напряжений. Принцип действия и входу формирователя 38 стробирующего 45 скважинного инклинометра заключается в сигнала. Старший разрядный выход счетчиизмерении фазовых сдвигов выходных нака 29 адреса подключен к своему установочпряжений блока 1 датчиков угловых параному входу, а остальные разрядные выходы метров относительно опорного напряжения к адресным входам коммутатора 28 разряи преобразования измерений величины в дов кода, другие входы которого подключе50 последовательную двоичную кодоимпульсны к выходам счетчика 30 разрядов кода, ную структуру для передачи в линию связи. своим установочным входом связанным с Импульсы с генератора 6 поступают на выходом формирователя 32 кадрового имсчетчик 8 формирователя 7 квадратурных пульса, а счетным входом с входом форминапряжений. При изменении состояния вырователя 32 к а д р о в о г о импульса, 55 ходных разрядов счетчика 8, которые слуподключенным к выходу распределителя 34 жат адресными сигналами элементов импульсов. Выход коммутатора 28 соединен памяти 9 и 10, на их выходных разрядах с третьим входом формирователя 33 длиизменяются ординаты напряжений синуса и тельности импульсов, четвертый вход котокосинуса, записанные в элементы памяти 9 рого с о е д и н е н с г е н е р а т о р о м 36 и 10 соответственно. 1721225 10 сы в моменты перехода через число 360 насчитываемой в счетчике 16 суммы, которые поступают на счетный вход двоичного счетчика 17 числа переходов п. Двоичный код числа п поступает на вход сумматора 22, на вторые входы которого с коммутатора 20 кодов поступает двоичный код числа к, соответствующий числу текущих значений одного измеряемого параметра из множества т , соответствующих I квадранту. Число к формируется в счетчике 21 путем подсчета числа импульсов, поступающих на счетный вход счетчика 21 с дешифратора 18 I и IV квадрантов, если измеряемый параметр расположен в I квадранте. При наличии текущих значений измеряемого параметра за весь цикл измерения как в I, так и а IV квадрантах триггер 19 при появлении первого текущего значения измеряемого угла, расположенного в IV квадранте, подключает на весь цикл измерения выход счетчика 21 через коммутатор 20 на вход сумматора 22, При любом другом расположении текущих значений одного измеряемого параметра по квадрантам коммутатор 20 закрыт, что соответствует нулевому значению его выходного кода. Таким образом, на выходе сумматора 22 образуется сумма (к+п) только в случае колебания измеряемого параметра в течение времени измерения вокруг точки перехода полной фазы (360°). Во всех других случаях на выходе коммутатора 20 присутствуют нули и на выход сумматора 22 перехо* дит только число п. Выходной код сумматора 22 поступает на перемножающий вход сумматора-перемножителя 23. На второй перемножающий вход сумматораСформированные по длительности имперемножителя 23 подается код числа пульсы с выхода триггера 27 разрешают 40 360/т. На суммирующие входы сумматорапрохождение импульсов от генератора 6 чеперемножителя 23 поступают старшие разрез ключ 24 на счетный вход счетчика накоряды счетчика 16 накопителя, m пителя 16 блока 4 усреднения при наличии представляющие код числа 2 Ai mod360/m. на входе ключа 24 сигнала 53 разрешения {==} измерения (стробирующего сигнала), посту- 45 пающего с формирователя 38, входящего в В результате проведения арифметичеформирователь 5 выходного кода. Начало ских операций в соответствии с формулой (1) сигнала 53 разрешения измерения синхров выходном регистре сумматора-перемнонизировано с моментом перехода опорного жителя 23 по окончании импульса 53 разренапряжения через ноль, что уменьшает по- CQ шения измерения присутствует код числа, грешность измерения. соответствующего усредненному параметПодсчет количества импульсов генерару за m измерений текущего значения однотора б счетчиком 16 проводится за m периго параметра в цикле с учетом точки одов опорного напряжения, причем число перехода через 360°. импульсов, поступающих на вход счетчика сп Проведение операций усреднения не 16 за один период, соответствует мгновенувеличивает время, необходимое для изменому значению измеряемого параметра. В рения одного параметра, так как частота счетчике 16 происходит накопление числа напряжения питания датчиков значительно импульсов по модулю 360. На выходе девыше частоты передачи информации в лишифратора счетчика 16 появляются импульнию связи, что позволяет за время передачи При достижении счетчиком 8 состояния 360 срабатывает элемент 15 сброса и своим сигналом 47 устанавливает счетчик 8 в нулевое состояние, формируя один период питающего напряжения датчиков. Сигнал с 5 выхода элемента 15 сброса совпадает по времени с моментом перехода питающей синусоиды через ноль. Через усилители 13 и 14 сформированные квадратурные напряжения синусоидальной и косинусоидальной 10 формы равной амплитуды поступают на блок 1 датчиков для питания отдельных датчиков угловых параметров (для питания статори ых обмоток синус-косинусных вращающихся трансформаторов СКВТ). 15 Выходные сигналы (48, 49, 50) блока 1 датчиков поступают на коммутатор 2, управляемый адресными сигналами с формирователя 5 выходного кода. Коммутатор 2 последовательно во времени на длитель- 20 ность канала (измерение одного параметра) подключает соответствующие выходы блока 1 датчиков к компаратору 25 преобразователя 3 фаза-время, формируя на его выходе сигнал 51. На компаратор 26 преобразова- 25 теля 3 подается опорное напряжение, в данном случае синусоидальное. Компараторы 25 и 26 формируют в моменты перехода входных кривых через ноль короткие импульсы, поступающие на установочные вхо- 30 ды триггера 27. Таким образом, длительность выходного импульса 52 триггера 27 пропорциональна сдвигу фаз выходного напряжения датчика измеряемого в данный момент параметра и опорного на- 35 пряжения, причем начало этого импульса совпадает с моментом перехода опорного напряжения через ноль. 11 1721225 канала измерения одного параметра обработать m его текущих значений. По окончании измерения одного параметра на выходе блока 4 усреднения формируется параллельный двоичный код, пропорциональный измеряемому параметру, который поступает на информационные входы коммутатора 28 разрядов формирователя 5 выходного кода. На адресные входы коммутатора 28 поступает адрес передаваемого в данный момент канала с счетчика 29 адреса. При изменении выходного кода счетчика 30 разрядов кода, поступающего на управляющие входы коммутатора 28, код адреса и код измеряемого параметра последовательно во времени поразрядно подключаются к выходу коммутатора 28, тем самым преобразуя входной параллельный код в последовательный. С выхода коммутатора 28 последовательная кодовая посылка поступает на формирователь 33 длительности импульсов, где по сигналам с распределителя 34 импульсов и формирователя 32 кадрового импульса модулируется по длительности нулей и единиц в соответствии со структурой выходного кода, т.е. происходит преобразование нулей и единиц последовательного кода в импульсы разной длительности, заполненные высокой частотой от генератора 36 заполнения. С формирователя 33 длительности импульсов сигнал через выходной усилитель 37 поступает в линию связи. Формирование последовательного кода измеряемого параметра и кода адреса происходит следующим образом. Импульсы с генератора 35 длительностей поступают на распределитель 34 импульсов. На выходе распределителя 34 появляются импульсы через различное число периодов генератора 35 длительности в зависимости от выбранного соотношения длительностей нулей и единиц выходного кода и длительности паузы между импульсами. Импульсы, соответствующие длительности разряда, поступают на счетный вход счетчика 30 разрядов и на формирователь 32 кадрового импульса, на выходе счетчика 30 при этом происходит формирование кода порядкового номера разряда, который поступает на управляющие входы коммутатора 28 разрядов, определяя последовательность опроса входов коммутатора 28. По завершению опроса информационных входов коммутатора 28 разрядов через схему И31 на счетный вход счетчика 29 адреса поступает импульс, который меняет состояние счетчика 29 на единицу, тем самым подготавливая опрос результата измерения следующего параметра в канале. Одновре 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 12 менно импульс с И31 поступает на формирователь 32 кадрового импульса, который по сигналу с распределителя 34 импульсов формирует кадровый импульс. Поступая на формирователь 38 стробирующего сигнала, импульс с И31 разрешает прохождение на вход формирователя 38 импульса сброса с элемента сброса 15 формирователя 7 квадратурных напряжений. Таким образом осуществляется синхронизация разрешения измерения вырабатываемого формирователем 38 стробирующего сигнала с началом опорного напряжения. Выходной сигнал формирователя 38 разрешает прохождение выходных импульсов преобразователя 3 фаза-время на вход блока 4 усреднения для обработки результатов измерения следующего параметра. Таким образом производится преобразование информации, поступающей от блока датчиков, и передача ее по линии связи. На приемной стороне передаваемый сигнал выделяется из линии связи фильтром 40, нормируется усилителем 41, преобразуется в параллельный двоичный код преобразователем 42 и выводится в удобный для отображения информации форме на световые табло блока 44 индикации. Использование одного генератора для формирования квадратурных напряжений питания датчиков и заполнения импульса, пропорционального сдвигу фаз выходного напряжения датчика и опорного, позволяет резко уменьшить погрешность измерения от влияния внешних условий, так как с изменением частоты генератора меняется и частота питающего датчика напряжения, а отношение длительности импульса, пропорционального сдвигу фаз выходного напряжения датчика и периода питающего напряжения, остается постоянным. Формула изобретения 1. Скважинный инклинометр, содержащий блок датчиков, коммутатор, преобразователь фаза-время, формирователь выходного кода, генератор и формирователь квадратурных напряжений, причем выход г е н е р а т о р а п о д к л ю ч е н к входу формирователя квадратурных напряжений, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами блока датчиков, а выход коммутатора подключен к первому входу преобразователя фаза-время, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, он снабжен блоком усреднения, первый, второй, третий и четвертый входы которого соответственно соединены с выходом преобразователя фаза-время, выходом генератора, третьими выходами формирователя квадра 1721225 14 первого и второго цифроаналоговых преобтурных напряжений и первым выходом форразователей, первого и второго усилителей мирователя выходного кода, первый вход мощности и элемента сброса, причем вход которого подключен к выходу блока усредустановки двоичного счетчика соединен с нения, второй вход соединен с четвертым входом формирователя квадратурных навыходом формирователя квадратурных напряжений, вход установки двоичного счетпряжений, второй и третьи выходы соответчика подключен к четвертому выходу ственно подключены к выходу формирователя квадратурных напряжений инклинометра и управляющим входам коми выходу элемента сброса, выход соединен мутатора, входы которого соединены с выходами блока датчиков, при этом второй 10 с третьими выходами формирователя квадратурных напряжений, входом элемента вход преобразователя фаза-время подклюсброса и входами первого и второго элеменчен к первому выходу формирователя квадтов памяти, выходы которых соответственно ратурных напряжений. подключены через первый и второй цифро2. Инклинометр по п. 1,отличающийся тем, что формирователь квадратурных на- 15 аналоговые преобразователи, первый и второй усилители к первому и второму выходам пряжений выполнен в виде двоичного счетформирователя квадратурных напряжений. чика, первого и второго элементов памяти, Фиг.З 1721225 Usin Г\ Г\ /Л. /\ \7 ,/\ 50 Редактор М. Янкович Составитель К. Шепиль Техред М.Моргентал Корректор И. Муска Заказ 935 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101