FR2531481A1 - Transducteur et procede pour detecter la position angulaire du corps d'un instrument de mesure et de controle de sondage par rapport a une position de reference - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN TRANSDUCTEUR DESTINE A DETECTER LA POSITION ANGULAIRE OU LE RYTHME DE VARIATION DU DEPLACEMENT DU CORPS D'UN INSTRUMENT DE MESURE ET DE CONTROLE PAR RAPPORT A UNE POSITION DE REFERENCE DANS UN SONDAGE. LE TRANSDUCTEUR COMPREND UN ROTOR 60 SUSPENDU MAGNETIQUEMENT DANS UN STATOR 40 QUI, LUI-MEME, EST FIXE AU CORPS DE L'INSTRUMENT. IL EST ETABLI POUR LE TRANSDUCTEUR UN CADRE DE REFERENCE AUQUEL LES MESURES EFFECTUEES SONT COMPAREES. DES MOYENS OPTIQUES DETECTENT LE MOUVEMENT DU ROTOR AFIN DE DONNER UNE INDICATION DE LA POSITION ANGULAIRE OU DU RYTHME DE VARIATION DE LA POSITION DU CORPS DE L'INSTRUMENT DANS LE SONDAGE. DOMAINE D'APPLICATION: MESURE ET CONTROLE DE SONDAGES, NOTAMMENT POUR PUITS DE PETROLE ET DE GAZ.

Description

L'invention concerne d'une manière générale les

instruments ou appareils de mesure et de contrôle de sonda-

ges, et plus particulièrement un transducteur destiné à détecter le déplacement angulaire d'un corps d'instrument de mesure et de contrôle de sondage. Un instrument de mesure et de contrôle de sondage est utilisé pour déterminer la trajectoire d'un sondage au moyen d'inclinomètres ou d'accéléromètres disposés de

manière à détecter l'inclinaison et l'azimut du sondage.

Cette information est utilisée avec la distance parcourue par l'instrument de mesure et de contrôle dans le sondage pour dériver des coordonnées représentant la position de l'instrument par rapport à une position de référence, généralement le point de pénétration du sondage dans-le sol

Pour déterminer l'azimut, il est nécessaire d'éta-

blir et de maintenir un cadre de référence qui est en re-

lation fixe avec une direction de référence Ceci est

généralement réalisé au moyen de magnétomètres ou de gyro-

scopes montés à l'intérieur de l'appareil de mesure et de

contrôle.

Cependant, les magnétomètres et les gyroscopes

possèdent chacun des limitations fonctionnelles qui rédui-

sent la précision et/ou la fiabilité de l'appareil de me-

sure et de contrôle de sondages Les magnétomètres sont affectés par les anomalies magnétiques présentées par la

cro te terrestre et leur réalisation demande des métaux.

spéciaux à faible perméabilité Par ailleurs, les gyrosco-

pes sont des instruments particulièrement délicats qui ne conviennent pas à une utilisation dans des lieux hostiles

tels que les puits de pétrole o il est possible de ren-

contrer des températures élevées et des manipulations rudes. Pour éliminer les inconvénients indiqués ci-dessus,

il est prévu un transducteur destiné à détecter l'orienta-

tion angulaire du corps d'un instrument de mesure et de contrôle de sondages, ce transducteur n'utilisant pas un gyroscope ou un magnétomètre pour établir et maintenir un

cadre fixe de référence.

Le transducteur selon l'invention comprend un rotor cylindrique suspendu magnétiquement à l'intérieur d'un stator Ce dernier est lui-même fixé au corps de l'instrument de contrôle et de mesure de sondages Le rotor est maintenu par le champ magnétique de manière à tourner

sur un axe unique par rapport au stator, à peu près unique-

ment en réponse à son inertie Des moyens de détection de la rotation du zotor par rapport au stator comprennent plusieurs repères apposés sur une face du rotor et un dispositif de détection optique disposé sur le stator pour

détecter les repères.

Le rotor est initialement entouré du stator de manière qu'il soit au repos par rapport à ce dernier et que le stator soit aligné vers une position initiale Puis le rotor est mis en rotation à une vitesse initiale constante pour établir un cadre de référence par rapport à

la position initiale du stator et au corps de l'instrument.

Le dispositif de détection optique détecte le passage des repères du rotor par rapport au stator et produit un

signal de sortie ayant une première fréquence proportion-

nelle à la vitesse initiale Lorsque le corps et donc le

stator tournent à partir de la position initiale, le dis-

positif de détection optique produit un signal de sortie ayant une seconde fréquence différente de la première

fréquence Les première et seconde fréquences sont compa-

rées pour donner une indication de la pulsation et de la

position angulairesdu corps par rapport à la position ini-

tiale. En variante, le rotor peut être laissé en position

fixe par rapport à une direction de référence, et une in-

dication directe de la pulsation et de la position angulai-

respeut être obtenue à partir du dispositif de détection optique. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une élévation schématique partielle, avec coupe partielle, d'un instrument de mesure de contrôle de sondage avec lequel le transducteur selon l'invention peut être utilisé;

la figure 2 est une coupe longitudinale du trans-

ducteur selon l'invention; la figure 3 est une vue en plan du rotor représen- té sur la figure 2; la figure 4 est un schéma d'un circuit de commande de la position axiale du rotor montré sur la figure 2; la figure 5 est un schéma d'un circuit de détection du signal de sortie du dispositif de détection optique montré sur la figure 2; et la figure 6 est un diagramme des temps'montrant les

signaux produits par le circuit de la figure 4.

La figure 1 représente un instrument ou appareil de mesure et de contrôle de sondage destiné à déterminer la

trajectoire'd'un sondage 20, par exemple un puits de pétro-

le ou de gaz Le sondage 20 descend d'un point 20 a situé

à la surface du sol et il est revêtu d'un cuvelage 21.

L'appareil de détection comprend une sonde 22 de détection qui est descendue dans le sondage au moyen d'un câble 25

de levage Ce câble comprend également des conducteurs des-

tinés à alimenter en énergie électrique les composants de la sonde et à transmettre des signaux de la sonde à des

circuits situés au-dessus du sol, à la tête de puits.

Deux accéléromètres (non représentés) sont disposés

à l'intérieur de la sonde 22 de détection et leurs axes.

sensibles X, Y sont de préférence disposés perpendiculai-

rement entre eux de façon à définir un plan de mesure per-

pendiculaire à l'axe longitudinal des tronçons comportant la sonde Un troisième peut également être utilisé,-son axe sensible Z étant parallèle à l'axe longitudinal de la sonde 22 O La sonde 22 est montée sur le câble 25 de levage de manière à pouvoir tourner librement à l'intérieur du cuvelage 21 Pour permettre une mesure précise de la trajectoire locale du sondage quelle que soit la position en rotation de la sonde 22 à l'intérieur du cuvelage 21,

un transducteur 24 selon l'invention est monté à l'inté-

rieur de la sonde 22 Le transducteur 24 produit les si-

gnaux utilisés pour donner une indication de la position angulaire de la sonde 22 par rapport à une direction de référence Les signaux du transducteur 24 et les signaux des accéléromètres sont transmis à une unité 26 de mémori-

sation de données et un processeur 27 de données qui cal-

culent une représentation de la trajectoire du sondage.

Une autre entrée aboutissant au processeur 27 de données provient d'un transducteur 28 associé au câble 25 de levage et produisant un signal L indiquant la distance parcourue

par la sonde 22 de détection à l'intérieur du sondage 20.

Un ensemble 30 à clavier et visuel interagit avec

le processeur 27 de données pour produire une représenta-

tion de la trajectoire du sondage, cette trajectoire étant exprimée par des dimensions de coordonnées dans un système à trois axes Le clavier permet à un opérateur d'effectuer les opérations dlentrée et de commande La représentation

de la trajectoire du sondage peut être imprimée ou enre-

gistrée pour une utilisation ultérieure

La puissance fournie aux composants montés à l'in-

térieur de la sonde 22 de détection provient d'une source 32 d'alimentation en énergie disposée au-dessus du niveau du sole La mesure et le contrôle d'un sondage sont effectués par déplacement de la sonde dans le sondage, d'une extrémité à l'autre, dans un sens ou dans l'autre, en même temps que des données sont collectées et traitées La mesure et le contrôle peuvent être effectués alors que la sonde est descendue dans le sondage ou pendant qu'elle est remontée

du fond Pour une plus grande précision, les données peu-

vent être collectées alors que la sonde se déplace dans chaque sens et les résultats obtenus font l'objet d'une moyenne.

Les mesures d'azimut de la sonde par les accéléro-

mètres sont référencés au monde extérieur par l'établis-

sement d'un cadre de référence pour le transducteur 24

selon l'invention, comme décrit plus en d"tail ci-après.

La figure 2 représente plus en détail le trans-

ducteur 24 selon l'invention Le transducteur comprend un

stator 40 qui est fixé à un corps 42 de la sonde 22 de ma-

nière que tout mouvement relatif entre le stator et le

corps soit impossible.

Le stator 40 comprend deux aimants, permanents 44 et 45 "de forme annulaire qui, dans la forme préférée de réalisation, sont réalisables en alliage de samarium et de

cobalt Un circuit de retour du flux magnétique, adja-

cent à l'aimant permanent 44, comprend trois pièces polaires ferromagnétiques 46 a, 46 b, 46 c, qui dirigent le flux magnétique produit par l'aimant 44 vers un entrefer 47

situé à proximité immédiate des extrémités des pièces po-

laires 46 a, 46 c Deux gorges circonférentielles 46 d, 46 e sont usinées ou autrement formées dans une face extrême de

la pièce polaire 46 a et deux gorges circonférentielles si-

milaires 46 f, 46 g sont formées dans une face extrême de la pièce polaire 46 c Les gorges 46 d -: 46 g concentrent le flux magnétique produit par 1 ' aimant 44 et transmis par les pièces polaires 46 a-46 c dans des régions particulières

de l'entrefer 47, pour des raisons indiquées ci-après.

Un jeu de pièces polaires 48 a, 48 b, 48 c, analogues

aux pièces polaires 46 a, 46 ct est disposé à proximité im-

médiate de l'aimant permanent 45 Les pièces polaires 48 a,

48 c présentent des gorges 48 d, 48 e et 48 f, 48 g, respective-

ment, dans leurs faces extrêmes Les gorges 48 d-48 g as-

sument la même fonction que les gorges 46 d-46 g.

Une bobine 52 disposée dans un évidement cylindri-

que 51 de la structure magnétique 50 formée par les pièces polaires 46 a, 46 c peut être utilisée pour modifier la force du champ magnétique produit par l'aimant 44 L'aimant

44, la bobine 52 et les pièces polaires 46 a à 46 c consti-

tuent ensemble une première structure magnétique cylindri-

que 50 La structure magnétique 50 comprend également une fente cylindrique 53 qui sépare la pièce polaire 46 a de la

pièce polaire 46 c.

De la même manière, l'aimant 45 et les pièces po-

laires 48 a-48 c constituent ensemble une seconde structure

magnétique cylindrique 55 présentant un évidement cylin-

drique 56 dans lequel est disposé une bobine 57 analogue

à la bobine 52 Une fente cylindrique 58 analogue à la fen-

te 53 sépare les pièces polaires 48 a,46 c.

Un rotor cylindrique 60, ayant un axe longitudinal parallèle à l'axe du corps 42, est disposé entre les struc-

tures magnétiques 50 et 55 Le rotor 60 comporte des pre-

mier et second éléments extrêmes 61, 62 fixés aux extrémi-

tés d'un corps cylindrique 63 Le premier élément extrême

61 présente une ouverture centrale 61 a et des gorges cir-

conférentielles 61 d-61 g sont ménagées dans une face de cet élément extrême 61 de façon à être directement opposées aux gorges 46 d-46 g, respectivement Une rainure cylindrique 61 b est ménagée de façon à être directement opposée à la

fente cylindrique 63 de la structure magnétique 50.

De façon similaire, plusieurs gorges circonférentiel-

les 62 d-62 g sont ménagées dans une face de l'élément extrême 62 de façon à être directement opposées aux gorges 48 d-48 g de la structure magnétique 55 Une rainure cylindrique 62 b

est directement opposée à la fente cylindrique 59.

La structure magnétique 50 et l'élément extrême 61

constituent ensemble un circuit magnétique, le flux magné-

tique présent dans l'entrefer 47 étant concentré par les gorges 46 d-46 g et 61 d-61 g pour produire des forces radiales de centrage du rotor 60 De même, la structure magnétique

55 et le second élément extrême 62 forment un circuit ma-

giiétique, le centrage radial du rotor 60 étant assuré par

les gorges 48 d-48 g et 62 d-62 g.

Dans la forme préférée de réalisation, les pièces polaires 46 a-46 c, 48 a-48 c et les premier et second éléments

extrêmes 61, 62 sont réalisés en fer.

Le corps 63 du rotor 60 comprend un tronçon de dia-

mètre agrandi ou volant 65 qui confère un degré élevé d'inertie de rotation au rotor 60 Le corps 63 est réalisé en une matière non nagnétique et il peut être de masse élevée

afin de produire l'effet inertiel souhaité.

Un anneau gradué 67 qui, dans la forme préférée de réalisation, est réalisé en un mélange de verre et de résine époxy, est disposé sur une face supérieure 66 du volant

d'inertie 55 Comme représenté en particulier sur la figu-

re 3, une série de repères ou de raies 68 (qui ne sont pas

tous représentés), formant une série de parties qui, alter-

nativement, réfléchissent ou ne réfléchissent pas la lu-

mière, sont situés sur une face 69 de l'anneau gradué 67,

à proximité immédiate de son bord extérieur O Dans la for-

me préférée de réalisation, l'anneau gradué 67 présente 4096 traces de cuivre réfléchissantes, ayant chacune une

largeur d'environ 0,025 millimètre et espacées régulière-

ment sur la périphérie de l'anneau Les traces ou repères peuvent être appliqués par dépôt électrolytique afin

d'avoir un coefficient de réflexion élevé, et ils peu-

vent être formés par un procédé de gravure ou par tout autre procédé convenable mis en oeuvre directement sur la

face 69.

La suspension magnétique est stable en ce qui con-

cerne les mouvements orientés dans la direction radiale par rapport à l'axe longitudinal du rotor et les mouvements

de rotation autour des axes transversaux à l'axe longitu-

dinal La suspension magnétique est neutre en ce qui con-

cerne la rotation autour de l'axe cylindrique, c'est-à-

dire que le rotor 60 peut tourner librement autour de son propre axe Cependant, la suspension magnétique présente

un degré de liberté instable en ce qui concerne les mou-

vements le long de l'axe cylindrique -Ce degré de liberté est stabilisé par une servocommande active 70 de position qui comprend un détecteur 71 de position comprenant une bobine sensible 72 disposée dans un élément central 73 de la structure magnétique 50, et un disque 74 d'aluminium

disposé dans un-évidement élargi 75 de l'ouverture centra-

le 61 a du premier élément extrême 61.

Si l'on se réfère de nouveau à la figure 4, on voit que la bobine sensible 72 est montée dans une branche de

réaction d'un circuit 76 à oscillateur-/détecteur La bo-

bine sensible 72 est connectée au circuit oscillateurl détecteur 76 par des conducteurs 79 qui passent dans un manchon fileté 80 monté dans l'évidement central 73 Le

facteur Q ou efficacité du circuit oscillateur 76 est dé-

terminé par la proximité des disques d'aluminium 74 de la bobine sensible 72 Le circuit oscillateur/détecteur 76 produit un signal de sortie qui est appliqué à l'entrée de non-inversion d'un amplificateur opérationnel 77, le signal de sortie étant une mesure de la distance comprise

entre le disque d'aluminium 74 et la bobine sensible 72.

L'amplificateur opérationnel 77 comprend uncicuit 78 de déphasage en avant pour effectuer un amortissement électrique le long de l'axe d'asservissement Le signal provenant de l'amplificateur 77 est appliqué aux bobines 52, 57 pour régler les champs magnétiques produits par les structures magnétiques , 55 afin de réguler la suspension du rotor entre ces structures Le rotor est donc maintenu de façon à ne pouvoir se déplacer qu'autour de son axe, les autres types de mouvement

étant amortis par les courants de Foucault associés aux modifi-

cations des champs magnétiques.

Le rotor 60 est suspendu entre les structures ma-

gnétiques 50, 55 par les forces d'attraction dues à

l'interaction des champs magnétiques établis par les ai-

mants 44, 45 du stator et par les bobines magnétiques 52, 57 Cette configuration a pour résultat un support pratiquement sans frottements du rotor 60 pourvu que les champs magnétiques établis par les structures magnétiques

, 55 possèdent une bonne symétrie magnétique, comme in-

diqué plus en détail ci-après.

Comme représenté en particulier sur la figure 3,

une série de repères ou de raies formant une série de par-

ties alternativement réfléchissantes et non réfléchissantes est disposée sur une face 51 du rotor 60, à proximité de son bord extérieur Dans laforme préférée de réalisation, le rotor présente 4096 traces réfléchissantes en cuivre ayant

chacune une largeur d'environ 0,025 mm, espacées réguliè-

rement sur la périphérie de ce rotor Les traces ou repères peuvent être appliqués par dépôt électrolytique pour présenter un coefficient de réflexion élevé, et ils peuvent être formés par un procédé de gravure ou par tout autre procédé convenable mis en

oeuvre directement sur la face 51.

La rotation du rotor 60 par rapport au stator 40 *est détectée par un appareil 83 de détection -optique

comprenant une diode électroluminescente 84 et deux photo-

détecteurs 86, 88 qui se présentent sous la forme de détec-

teurs à diodes, montés sur le stator 40 La diode électro-

luminescente éclaire une partie de la face 69 du rotor à proximité des raies 68 Les détecteurs à diodes 86, 88 détectent la présence ou l'absence de lumière réfléchie

provenant d'une partie particulière de la face 69 et pro-

duisent des signaux de sortie correspondants Les signaux provenant des détecteurs 86, 88 sont transmis à un circuit logique 90 (non représenté sur la figure 2), également monté sur le stator 40, qui produit des signaux de sortie

indiquant le déplacement angulaire ou son rythme de varia-

tion. La diode électroluminescente 84 doit éclairer au moins la largeur conibinée d'une partie réfléchissant la lumière et d'une partie non réfléchissante Les champs de visée des détecteurs à diodes 86, 88 peuvent être d'une dimension égale à une _ 0,5 fois la largeur d'une raie réfléchissant la lumière, un champ de visée égal à 1,5

fois la largeur d'une raie 68 étant la dimension préférée.

En d'autres termes, les détecteurs à diodes 86, 88 doi-

vent être capables de capter la présence d'une raie 68 réfléchissant la lumière dans un champ égal à 1,5 fois la largeur d'une raie 68 De plus, les champs de visée des diodes détectrices sont séparés d'une largeur égale à

0,5 fois celle d'une raie 68.

Le gain deszphotodétecteurs 86, 88 n'est pas criti-

que, c'est-à-dire qu'il peut être établi de façon que la présence d'une raie réfléchissante 68 soit détectée à un instant o la raie occupe toute position dans le champ de

visée Par exemple, la présence de la raie peut être dé-

tectée dès que le bord avant de la raie pénètre dans le champ de visée d'une diode détectrice, ou bien elle peut

être détectée uniquement lorsque la raie se trouve pra-

tiquement sur toute la largeur dans le champ de visée.

Les bobines 52, 57 non seulement sont utilisées pour pour commander la position axiale du rotor 60, mais elles peuvent également être excitées pour mettre hors d'action la suspension magnétique afin de "bloquer " le rotor, c'est-à-dire de l'amener en contact avec le stator Les bobines 52, 57 sont utilisées pour établir une

condition connue pour le rotor 60 avant la prise de me-

sures à l'aide de l'appareil de mesure de contrôle et de sondage.

Par exemple, avant que la sonde montrée sur la fi-

gure 1 soit descendue dans le sondage, le rotor 60 peut être bloqué dans le stator 40 et la sonde 22 de détection alignée dans une direction initiale ou de référence afin d'être au repos par rapport à elle Les bobines 52, 57

sont ensuite désexcitées afin que le rotor 60 soit sus-

pendu pratiquement sans frottement à l'intérieur du stator

A ce moment, le rotor 60 peut être tourné à une fai-

ble vitesse constante par rapport au stator 40 afin de minimiser les effets des variations des champs magnétiques établis par la suspension magnétique, ou bien il peut être laissé en position fixe par rapport à la sonde 22 et au

stator 40, auquel cas la vitesse constante est égale à 0.

Pour chaque cas, un cadre de référence est établi, cadre

auquel les mesures effectuées par la suite sont comparées.

Il convient de noter que l'expression "cadre de référence" est destinéeà englober à la fois un cadre de référence

tournant et un cadre de référence fixe.

La sonde 22 de détection est ensuite descendue dans le sondage 20, opération pendant laquelle la sonde 22 peut tourner à partir de la direction de référence à l'intérieur du cuvelage 21 du sondage 20 Ceci provoque une rotation

du stator 40 par rapport au rotor 60, à une vitesse dif-

férente de la vitesse constante La vitesse à laquelle

cette rotation a lieu est captée par l'appareil de détec-

tion optique comprenant les raies 68, la diode électro-

luminescente 84 et les détecteurs à diodes 86, 88.

Si l'on se réfère également à la figure 5, lors-

qu'un mouvement relatif apparaît entre le stator 40 et le rotor 60, les raies passent au-dessous de la diode électroluminescente 84 et des détecteurs 86, 88, ce qui

a pour effet de rendre ces derniers alternativement con-

1 1 ducteurs et bloqués Les détecteurs 86, 88 sont connectés

aux entrées d'inversion de deux comparateurs 96, 98 res-

pectivement, qui reçoivent tous deux, à leurs entrées directes ou de noninversion, une tension de référence Vth Les comparateurs commutent entre des états logiques haut et bas et ils produisent des signaux de sortie D 1,D 2

en réponse à la commutation des détecteurs 86, 88.

Le seuil Vth doit être supérieur au plus haut si-

gnal de sortie prévu provenant des diodes détectrices 86,

88 par suite de la détection d'une partie non réfléchis-

sante du rotor 60, afin d'éviter la production de signaux erronés De plus, le seuil peut être choisi afin qu'il soit possible de tolérer de larges variations de tension

et de température.

Les signaux de sortie des comparateurs 96, 98 sont combinés dans une porte OU exclusif 100 pour donner des signaux d'horloge appliques à deux bascules 102, 104 du type D et à un compteur 106 Les signaux de sortie Dl, D 2 des comparateurs 96, 98 sont appliques aux entrées des bascules 102, 104, respectivement, et sont transférés aux sorties Q de ces bascules par le flanc avant d'un signal

d'horloge de sens positif provenant de la porte OU exclu-

sif 100.

Les signaux provenant des sorties Q des bascules 102, 104 sont combinés dans une porte ET 108 et transmis

à des circuits logiques 110 destinés à effectuer la fonc-

tion logique suivante

A B + A B

o A et B sont les entrées du circuit 110 L'entrée A du circuit logique 110 est appliquée à la sortie de la porte ET 108, tandis que l'entrée B est appliquée à la sortie D 1 du comparateur 96 Par conséquent, la sortie du circuit logique 110 est égale à: LAST (D 1 D 2) Dl + LAST (Dl D 2) À D 1 l o LAST (D 1) et LAST (D 2) sont les sorties des bascules

102, 104, respectivement.

La sortie du circuit logique 110 est reliée à une commande de comptage/décomptage (CPT/DCPT) du compteur 106 pour incrémenter ou décrémenter le nombre représenté par

le signal numérique de sortie de ce compteur.

Le circuit montré sur la figure 5 sera décrit con-

jointement avec le diagramme des temps des signaux Dl et

D 2 et du signal d'horloge résultant, indiqués sur la fi-

gure 6 Lorsque l'un des détecteurs à diodes 86, 88-

détecte la lumière réfléchie par le rotor 60, il conduit.

La tension appliquée à l'entrée d'inversion du comparateur correspondant 96 et 98 chute donc, faisant passer à un état haut la sortie du comparateur Par exemple,-comme indiqué dans la partie gauche du diagramme des temps de la figure 6, lorsque le rotor tel que représenté sur la figure 3 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre

(CW) par rapport au stator, le détecteur 86 détecte la pré-

sence d'une partie réfléchissant la lumière, tandis que

le détecteur 88 détecte une des parties non-réfléchissan-

tes Le temps pendant lequel la sortie du comparateur 96 prend un état haut est'indiqué en A. Au temps A, il est produit une impulsion d'horloge qui fait prendre aux sorties Q des bascules 102, 104 les états des sorties Dl, D 2 des comparateurs 96, 98 existant avant le temps A, c'est- à-dire que les sorties des deux bascules sont basses A ce moment, l'état de la sortie Dl est haut Par conséquent, la sortie du circuit logique

-110 est haute, comme cela est mis en évidence par l'équa-

*tion logique suivante

CPT/DCPT = ( 0-0) * + ( O 00) *

= O + 1 = 1

et le signal de commande CPT/DCPT agit sur le compteur 106 pour qu'il incrémente les impulsions provenant de la porte

OU exclusif 100.

A l'instant B, le détecteur 88 détecte une partie réfléchissant la lumière et la sortie du comparateur 98 prend donc un état haut Etant donné que le détecteur à diodes 86 détecte encore une partie réfléchissante de la lumière, la sortie de la porte OU exclusif 100 est à un

état bas.

Au temps C, le détecteur 86 détecte une partie non réflé-

chissante et la sortie du comparateur 96 chute donc à un

état bas La sortie de la porte OU exclusif 100 passe im-

médiatement à un état haut et transmet une impulsion d'horloge au compteur 106 A cet instant, le signal de com- mande CPT/DCPT continue d'être dans un état haut, comme indiqué par le calcul suivant: CPT/DCPT (i 1) O + Tfl TT

= 1 + O = 1

et le compteur continue donc d'incrémenter les impulsions d'horloge. Au temps D, la sortie du comparateur 98 chute à un

état bas par suite de la détection d'une partie non réflé-

chissante par le détecteur 88 et les sorties des deux com-

parateurs 96, 98 sont donc dans un état bas Le détecteur 86 détecte ensuite la présence d'une partie réfléchissant

la lumière au temps E, instant auquel le cycle décrit pré-

cédemment se répète.

Lorsque le rotor 60 tel que représenté sur la fi-

gure 3 tourne par rapport au stator 40 dans le sens inver-

se de celui des aiguilles d'une montre (CCW), une partie réfléchissant la lumière est d'abord détectéepar la diode détectrice 88, Par conséquent, le signal de commande CPT/

DCPT prend un état bas, comme indiqué par l'équation sui-

vante

CPT/DCPT = ( 0-0) ( 00 + ( 0) O

O + O = O

Par conséquent, le nombre représenté par le signal de sor-

tie du compteur est décrémenté d'une unité à chaque impulsion

d'horloge produite par la porte OU exclusif 100 Il con-

vient de noter que le signal de commande CPT/DCPT reste dans un état bas jusqu'à ce que le rotor tourne dans le

sens des aiguilles d'une montre - Dans la forme préférée de réalisation, la dimension du compteur 106 et le

nombre de raies portées par la face du rotor 60 sont choisis afin qu'une rotation du rotor par rapport au stator 40 remplisse le compteur et provoque son

retour à zéro.

La sortie du compteur 106 peut être établie à zéro avant que des mesures soient prises, et lorsque le rotor doit rester au repos par rapport à la position initiale afin que la sortie du compteur 106, pendant les mesures, représente le nombre de raies réfléchissant la lumière (ou de parties non réfléchissantes) que les détecteurs 86,

88 parcourent En disposant les raies à des distances an-

gulaires égales les unes des autres, on peut obtenir ai-

sément une mesure du déplacement angulaire du corps de la sonde 22 de détection par rapport à la position angulaire initiale Par exemple, le processeur 27 de données peut être programmé pour multiplier le signal de sortie du compteur 106 par la distance angulaire comprise entre des

raies adjacentes afin de donner une indication du déplace-

ment angulaire.

En outre, la fréquence d'apparition du signal cor-

respondant au bit le moins significatif du signal de sor-

tie du compteur 106 peut être utilisée comme une indication du rythme de variation du déplacement angulaire du corps 42 et du stator 40 par rapport au rotor 60 Si le rotor est initialement au repos par rapport au cuvelage 21 du sondage, ce signal de sortie présente une fréquence qui

est alors proportionnelle à la pulsation ou vitesse angu-

laire du corps de la sonde 22 de détection par rapport au

cuvelage 21.

Si, avant de prendre des mesures, on fait tourner le rotor 60 à une vitesse constante par rapport au stator (qui est initialement au repos par rapport à la position de référence ou position initiale), le signal de sortie du compteur 106 s'incrémente ou se décrémente à une première fréquence ou à un premier rythme prédéterminé, pourvu que le corps 42 de la sonde 22 de détection ne tourne pas à partir de sa position initiale Cependant, si le corps 42 et le stator 40 tournent à partir de la position initiale, le signal de sortie du compteur 106 s'incrémente ou se décrémente à une seconde fréquence ou cadence différente

de la première La différence entre les première et secon-

de fréquences est alors proportionnelle au rythme de varia-

tion du déplacement angulaire du corps de la sonde 22 de détection. Dans ce cas, une indication du déplacement angulaire

et de la vitesse de déplacement peut être obtenue de plu-

sieurs manières à l'aide du circuit de la figure 4 Par exemple, l'information de vitesse peut être obtenue par utilisation d'un oscillateur de référence qui produit un

signal ayant une fréquence égale à la fréquence prédéter-

minée Les signaux de sortie de l'oscillateur de réf rence et le bit le moins significatif du signal de sortie du

compteur 106 peuvent être transmis à des compteurs de fré-

quence qui produisent des signaux numériques combinés dans un soustracteur pour donner l'information de vitesse -Le soustracteur peut également être connecté à un intégrateur

qui produit un signal représentant l'amplitude du déplace-

ment angulaire se produisant lorsque la sonde 22 est descen-

due dans le sondage.

Un autre procédé pour obtenir une information de

déplacement angulaire consiste à utiliser la fréquence pré-

déterminée établie par rotation du rotor 60 à la vitesse constante par rapport au stator 40 afin de donner une base

de temps, et à utiliser la base de temps pour mesurer di-

rectement les excursions angulaires Par exemple, si le rotor est mis en rotation à une vitesse constante de 10

tours par minute par rapport au stator 40, le rotor effec-

tue un tour complet toutes les 6 secondes Par conséquent,

un signal particulier de sortie du compteur 106, par exem-

ple le signal correspondant au nombre 1000, doit égale-

ment être rencontré toutes les six secondes pourvu que la

vitesse initiale de rotation du rotor par rapport au sta-

tor soit maintenue On peut alors utiliser cette base de

temps de 6 secondes pour mesurer l'excursion ou le dépla-

cement angulaire en comptant un intervalle de 6 secondes à partir de la production du signal de sortie particulier,

<c'est-à-dire le nombre 1000) et en notent le signal de -

sortie du compteur 106 à la fin de l'intervalle de 6 secon-

des La quantité de laquelle ce nombre varie par rapport à 1000, multipliée par la distance angulaire comprise entre les raies, donne une mesure du déplacement angulaire

de la sonde 22 par rapport à sa position initiale.

Pour obtenir ainsi une information de vitesse an-

gulaire, on peut utiliser une seconde horloge destinée à mesurer le temps demandé au rotor 60 pour effectuer un tour complet La durée ou l'intervalle de temps demandé

à cet effet peut être converti en une information de fré-

quence qui est comparée à la fréquence de référence (dans ce cas, la fréquence du signal de sortie du compteur 106

correspondant à 10 tours par minute) pour donner une me-

sure de la pulsation moyenne du corps 42 dans le sondage

pendant l'intervalle.

Pour obtenir un dispositif donnant satisfaction et

utilisant les principes décrits ci-dessus, il est néces-

saire de considérer avec soin les critères de conception

suivants:-

( 1) la possibilité d'accélération linéaire; ( 2) la symétrie de la suspension magnétique; ( 3) la résistance opposée par l'air à des rotations relatives rapides du-rotor; et

( 4) la fréquence maximale des données logiques.

Dans le cas du premier critère, si la force de sus-

pension produite par la répulsion des aimants du stator et du rotor est désignée Fm, l'accélération maximale le long de l'axe du rotor à laquelle le transducteurpeut être

soumis est alors égale à F M/m, o m est la masse du rotor.

Par conséquent, pour élever au maximum la possibilité d'ac-

célération du transducteur, il est souhaitable de concevoir

les circuits magnétiques du stator de façon qu'ils produi-

sent des champs magnétiques puissants Cependant, comme in-

diqué précédemment, le rotor doit être conçu pour être re-

lativement lourd afin d'avoir une inertie de rotation suf-

fisante pour atténuer tous effets provoqués par des champs magnétiques non symétriques Un équilibre doit être établi entre la possibilité d'accélération linéaire du dispositif et la possibilité du rotor à se déplacer strictement sous

l'effet de sa propre inertie Cet équilibre peut être ré-

e solu en faveur d'une possibilité accrue de l'accélération

linéaire si les seconds critères de conception concer-

nant la symétrie des champs magnétiques produitspar les structuresmagnétiques 50 et 55 sont satisfaits Dans tous les cas, F /m doit être supérieur à lg pour que l'on ob- m

tienne un dispositif utilisable.

Le deuxième critère de conception concerne la symé-

trie des champs magnétiques autour du rotor 60 Si les champs magnétiques ont pour composante un gradient non symétrique,

il existe alors une position angulaire par rapport au sta-

tor dans laquelle le rotor 60 tend à venir au repos On peut résoudre ce problème en donnant au rotor une masse suffisante et/ou en le faisant tourner avant la prise de mesuresafin que les perturbations dues au gradient de

champ non symétrique soient vaincues et éliminées par neu-

tralisation mutuelle par l'inertie de rotation du rotor.

Ceci permet d'effectuer des mesures précises malgré le

manque d'uniformité du champ magnétique de suspension.

Par ailleurs, si 1 'uniformité du champ magnétique au-

tour de l'axe du rotor est bonne, le rotor 60 peut alors tourner librement, pratiquement sous le seul effet de sa propre inertie Par conséquent, il n'est pas nécessaire de faire tourner le rotor à une vitesse constante avant la prise de mesures,et la masse du rotor peut être réduite, ce qui améliore la possibilité d'accélération linéaire du transducteur.

Le troisième critère de conception concerne la ré-

sistance opposée par l'air à la rotation du rotor par rap-

port au stator Les surfaces du rotor 60 doivent être ré-

alisées de façon à être très lisses pour réduire les ef-

fets de traînée dans l'air Il est alors évident que les raies situées sur la face 69 de l'anneau gradué 67 doivent

avoir une épaisseur négligeable pour minimiser la traînée.

L'objectif, en ce qui concerne ce critère de conception,

est de donner au rotor une configuration empêchant le dé-

placement d'air d'atteindre une valeur plus que négligea-

ble lorsque le rotor tourne par rapport au stator.

Lorsque le stator est soumis-à des vibrations, le rotor 60 peut osciller dans l'entrefer compris entre les structures magnétiques 50, 55, ce qui a pour résultat une

turbulence et un accroissement de la traînée A une vites-

se donnée du rotor, la traînée entraîne une dérive angu-

laire qui croit d'une façon similaire à ce qui ce produit dans des gyroscopes classiques Cependant, étant donné que

le transducteur selon l'invention est utilisé pour détec-

ter de faibles vitesses relatives de déplacement angulaire,

l'erreur introduite par la traînée doit être né-

gligeable En fait, l'air compris entre le rotor et le stator devrait amortir les mouvements vibratoires du rotor dans le stator et aider au centrage du rotor entre les

structures magnétiques 50, 55.

Le quatrième critère de conception concernant la fréquence des données logiques concerne principalement le choix des composants électriques appropriés pour convenir aux vitesses de rotation relatives élevées entre le rotor 40 et le stator 40 Lorsque le rotor tourne par rapport au stator, des commutations de données logiques se produisent Si on utilise pour l'appareil montré sur la fig:ure 4 un circuit métal-oxyde semi-conducteur à symétrie complémentaire (CMOS) de faible puissance, des fréquences de commutation

légèrement inférieures à 1 mégahertz peuvent être tolérées.

De plus, les bascules 102, 104 montrées sur la figure 4 sont déclenchées par le flanc avant du signal d'horloge provenant de la porte OU exclusif 100 pour accroître la vitesse de travail des circuits logiques Si,' comme c'est le cas dans la forme préférée de réalisation, l'anneau gradué porte 4096 raies disposées sur sa face, une limite maximale de 15 000 tors par minute peut être -détectée Le dispositif selon l'invention est donc capable de mesurer des déplacements en rotation se produisant à une vitesse

dépassant celles qu'il est prévu de rencontrer dans un ap-

pareil de mesure et de contrôle de sondages.

Il va de soi que de nombreuses modifications peu-

vent être apportées au transducteur décrit et représenté

sans sortir du cadre de l'invention.

Es

Claims (21)

REVENDICATIONS

1 Transducteur destiné à détecter la position an-

gulaire du corps ( 42) d'un instrument de mesure et de con-

trôle de sondage ( 20) par rapport à une position de réfé-

rence, caractérisé en ce qu'il comporte un rotor ( 60), un stator ( 40) fixé au corps,des moyens ( 50, 55) destinés à suspendre magnétiquement le rotor et le stator afin que le rotor ne puisse tourner que sur un axe par rapport au stator, et des moyens destinés à détecter le mouvement du

rotor autour de l'axe de rotation afin de produire une in-

dication de la position angulaire du corps.

2 Transducteur selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que les moyens de détection comprennent plu-

sieurs repères ( 68) disposés sur une face ( 51) du rotor.

3 Transducteur selon la revendication 2, caracté-

lisé en ce que les moyens de détection comprennent en

outre des moyens destinés à détecter optiquement les repè-

res portés par le rotor.

4 Transducteur selon la revendication 3, caracté-

risé en ce que les moyens de détection optique comprennent une diode électroluminescente ( 84) destinée à éclairer une partie des repères et un photo-détecteur ( 86) destiné a

détecter un repère éclairé.

Transducteur selon la revendication 4, caracté- risé en ce que les moyens optiques de détection comprennent

en outre un second photo-détecteur ( 88) monté sur le sta-

tor, avec la diode électroluminescente et le premier photo-détec-

teur, et ayant un champ de visée décalé de celui du pre-

mier photo-détecteur, d'une distance égale à la moitié de

la largeur d'un repère.

6 Transducteur selon la revendication 5, caracté-

risé en ce qu'il comporte en outre des moyens destinés à détecter les signaux de sortie des photo-détecteur pour

produire un signal de sortie représentant la position angu-

laire du corps par rapport à la position de référence.

7 Transducteur selon la revendication 6, caracté-

risé en ce que chaque-photo-détecteur produit une impulsion

lorsqu'un repère est dans son champ de visée, et dans le-

quel les moyens de détection des signaux comprennent un élément ( 100)

destiné à transmettre les impulsions provenant des photo-

détecteurs pour produire des impulsions d'horloge et un élément ( 106) destiné à compter les impulsions d'horloge pour produire le signal de sortie.

8 Transducteur selon la revendication 7, caracté-

risé en ce que les moyens destinés à détecter les signaux de sortie des photo-détecteurs comprennent en outre un élément ( 110) destiné à développer un signal de commande représentant le sens de rotation du rotor par rapport au stator, et dans lequel 1 'élément de comptage d' impulsions

d'horloge comprend une entrée de commande connectée à l'é-

lément développant le signal de commande afin que l'élément de comptage d'impulsions d'horloge incrémente et décrémente

le signal de sortie en réponse au signal de commande.

9 Transducteur selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que les moyens de suspension magnétique compren-

nent des première et seconde structures magnétiques espa-

cées ( 50, 55) entre lesquelles le rotor est suspendu.

10 Transducteur selon la revendication 9, caracté-

risé en ce que les moyens de suspension magnétique compren-

nent en outre des éléments ( 52, 57) destinés à interrompre

les champs magnétiques produits par les structures magné-

tiques afin que le rotor se déplace en réponse à un mouve-

ment du stator autour de l'axe du rotor.

11 Transducteur pour détecter un déplacement angu-

laire d'un corps ( 42) d'un instrument de mesure et de con-

trôle de sondage ( 20), caractérisé en ce qu'il comporte un stator ( 40) fixé au corps, un rotor cylindrique ( 60), des moyens ( 50, 55) de suspension magnétique du rotor dans le stator, d'une manière sensiblement sans frottements, afin

que le rotor ne puisse se déplacer qu'autour de l'axe du-

corps, pratiquement uniquement sous l'effet de l'inertie dudit rotor, le transducteur comprenant également des moyens destinés à détecter un mouvement du rotor par rapport au

stator afin de développer une indication du déplacement an-

gulaire du corps.

12 Transducteur selon la revendication 11, caracté-

risé en ce que les moyens de détection comprennent plusieurs

repères ( 68) disposés sur une face ( 51) du rotor.

13 Transducteur selon la revendication 12, caracté-

risé en ce que les moyens de détection comprennent en outre des moyens destinés à détecter optiquement les repères por-

tés par le rotor.

14 Transducteur selon la revendication 13, caracté-

risé en ce que les moyens optiques de détection comprennent une diode électroluminescente ( 84) destinée à éclairer une 1 o partie des repères et un photo-détecteur ( 86 ou 88) destiné

à détecter un repère éclairé.

Transducteur pour détecter un déplacement angu-

laire d'un corps ( 42) d'un instrument de mesure et de con-

trôle d'un sondage ( 20), caractérisé en ce qu'il comporte un stator ( 40) fixé au corps, un rotor cylindrique ( 60) dont une face ( 51) porte plusieurs repères ( 68), des moyens ( 50, ) de suspension magnétique du rotor dans le stator, d'une manière sensiblement sans frottements, afin que le rotor

ne puisse se déplacer qu'autour de l'axe du corps, prati-

quement uniquement sous l'effet de l'inertie dudit rotor, et des moyens destinés à détecter un mouvement du rotor par

rapport au stator pour développer une indication du dépla-

cement angulaire du corps, ces derniers moyens comprenant des éléments ( 84, 86, 88) destinés à détecter optiquement

les repères portés par le rotor.

16 Procédé de détection de la rotation d'un corps ( 42) d'un instrument de mesure et de contrôle d'un sondage ( 20), par rapport à une position de référence, en utilisant un rotor ( 60) disposé dans un stator ( 40) fixé au corps, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste (a) à établir un cadre de référence pour le stator;

(b) à supporter magnétiquement le rotor, d'une ma-

nière pratiquement sans frottements, à l'intérieur du sta-

tor afin qu'un mouvement relatif entre le rotor et le sta-

tor puisse se produire autour de l'axe du rotor, pratique-

ment uniquement sous l'effet de l'inertie de ce dernier;

(c) à déplacer l'instrument de mesure et de contrô-

le de sondage le long d'un trajet; et (d) à mesurer le déplacement en rotation du corps par rapport au cadre de référence en détectant la rotation

du rotor par rapport au stator.

17 Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'étape (a) consiste également à aligner le sta-

tor vers une position de référence.

18 Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'étape (a) consiste également à faire tourner

lé rotor à une vitesse constante.

19 Procédé selon la revedencation 18, caractérisé

en ce que l'étape (d) consiste également à détecter le mou-

vement de repères ( 68) disposés sur le rotor, par rapport

au stator.

Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'étape (d) consiste en outre à produire des impulsions à chaque fois qu'un repère passe devant un point,

et à accumuler les impulsions dans un compteur ( 106).

21 Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que l'étape (d) consiste en outre à déterminer le sens du mouvement relatif entre le rotor et le stator, et à commander l'accumulation d'impulsions dans le compteur en

fonction du mouvement-relatif.

22 Procédé selon la revendication 20, caractérisé

en ce que l'étape de commande consiste à décrémenter le si-

gnal de sortie du compteur lorsque le mouvement relatif se produit dans un premier sens, et à incrémenter le signal de sortie du compteur lorsque le mouvement relatif se produit

dans un second sens.

23 Procédé de détection de la rotation d'un corps ( 42) d'instrument de mesure et de contrôle d'un sondage ( 20) utilisant un rotor ( 60) disposé dans un stator ( 40) fixé au corps, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à bloquer le rotor dans le stator, à aligner le rotor et le

stator vers une direction de référence, à supporter magné-

tiquement le rotor d'une manière pratiquement sans frotte-

ments, à déplacer l'instrument de mesure et de contrôle dans le sondage, et à mesurer le déplacement en rotation du

corps de l'instrument et du stator par rapport à la posi-

tion du rotor -

24 Procédé de détection de la rotation d'un corps ( 42) d'instrument de mesure et de contrôle d'un sondage ( 20) utilisant un rotor ( 60) disposé dans un stator ( 40) fixé au corps, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à supporter magnétiquement le rotor d'une manière pratiquement sans frottements dans le stator, à faire tourner le rotor à une vitesse constante par rapport au stator, à déplacer l'instrument de mesure et de contrôle

dans le sondage, et à mesurer la vitesse du mouvement re-

latif entre le rotor et le stator pour obtenir une indica-

tion de la rotation du corps.