NO832792L - Transduser for avfoeling av vinkelstilling eller -forskyvning av et instrumenthus for borehulloppmaaling - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt instrumenter eller apparater for undersøkelse av borehull, og mer spesielt en transduser for avføling av den vinkelmessige forskyvning av et instrumenthus for borehullsoppmåling.

Et instrument for undersøkelse eller oppmåling av et borehull blir brukt til å bestemme et borehulls bane ved hjelp av inklinometere eller aksellerometere som er posisjonert for å av-føle borehullets inklinasjon og azimut. Denne informasjon blir brukt i forbindelse med den avstand undersøkelses-instrumentet har gjennomløpt inne i borehullet, til å utlede ko-ordinater som representerer undersøkelses-instrumentets posisjon i forhold til en referanseposisjon, vanligvis det punkt ved hvilket borehullet går ned i jorden.

For å bestemme azimut er det nødvendig å etablere og opprettholde en referanserolle som har et fast forhold til en referanseretning. Dette blir vanligvis gjennomført ved hjelp av magnetometere eller gyroskoper som er montert inne i undersøk-elsesapparatet.

Både magnetometeret og gyroskoper har imidlertid operasjons-messige begrensninger som reduserer nøyaktigheten og/eller på-liteligheten av undersøkelsesapparatet. Magnetometeret blir u-gunstig påvirket av magnetiske anomalier i jordskorpen og må

være konstruert av metaller med spesielt lav permeabilitet. Gyroskoper derimot er spesielt ømfindtlige instrumenter og er uegnet for bruk i ugunstige omgivelser slik som en oljebrønn hvor vann kan vente høye temperaturer og uforsiktig behandling.

For å overvinne de ulemper som er nevnt ovenfor, er det tilveiebragt en transduser for avføling av den vinkelmessige orientering av et instrumenthus for borehullsmåling som ikke er avhengig av et gyroskop eller et magnetometer for å etablere og opprettholde en fiksert referanseramme.

Transduseren ifølge den foreliggende oppfinnelse består av en sylindrisk rotor som er magnetisk opphengt inne i en stator. Statoren er festet til huset for undersøkelses-apparatet. Rotoren blir av det magnetiske feltet tvunget til å rotere om en enkelt akse i forhold til datoren og hovedsakelig bare som reaksjon på sin treghet. En anordning for å avføle rotorens rotasjon i forhold til statoren omfatter en rekke markeringer på en flate av rotoren og et optisk avfølingsapparat anordnet på sta-

toren for avføling av markeringene.

Rotoren er innledningsvis låst til statoren slik at den er

i ro i forhold til denne og statoren blir innrettet mot en begynnelsesposisjon. Rotoren blir så satt i spinn med en konstant begynnelses-hastighet for å etablere en referanseramme med hensyn til begynnelsesposisjonen av datoren og instrumenthuset.

Det optiske avfølingsapparatet avføler passeringen av markeringene på rotoren i forhold til statoren og frembringer et utgangssignal som har en første frekvens proporsjonal med begynnelses-hastigheten. Når huset, og dermed statoren, roterer fra be-gynnelsesposis jonen, frembringer det optiske avfølingsapparatet et utgangssignal som har en annen frekvens som er forskjellig fra den første frekvens. De første og andre frekvenser blir sammenlignet for å frembringe en indikasjon på vinkelhastigheten og vinkelposisjonen av huset i forhold til begynnelsesposisjonen.

Alternativt kan rotoren holdes stasjonær i forhold til en referanseretning, og en direkte indikasjon av vinkelhastighet og

-posisjon kan tilveiebringes fra det optiske avfølingsapparat. Det vises til de vedføyde tegninger der: Figur 1 er et diagram av et oppmålingsinstrument for et borehull med hvilket transduseren ifølge den foreliggende oppfinnelse kan brukes. Figur 2 er et tverrsnitt gjennom en transduser ifølge den foreliggende oppfinnelse. Figur 3 er et oppriss av den rotoren som er vist på figur 2. Figur 4 er et kretsskjema for styring av den aksielle posisjon av rotoren som er vist på figur 2. Figur 5 er et kretsskjema for detektering av utgangen fra det optiske avfølingsapparat som er vist på figur 2. Figur 6 er et tidsskjema over signaler som frembringes av kretsen på figur 4.

På figur 1 er det vist et instrument eller apparat for å bestemme banen for et borehull 20, slik som en olje- eller gass-brønn. Borehullet 20 strekker seg nedover fra et punkt 20a ved overflaten og er foret med et foringsrør 21. Avfølingsapparatet omfatter en avfølingssonde 22 som blir senket ned i borehullet ved hjelp av en heisekabel 25. Heisekabelen omfatter også ledere for tilførsel av elektrisk kraft til komponentene i sonden og for overføring av signaler fra sonden til kretser på overflaten.

Et par aksellerometere (ikke vist) er anbragt i avfølings-sonden 22 og har fortrinnsvis sine følsomme akser X, Y i rette vinkler til hverandre for å definere et måleplan med rette vinkler til sondeseksjonens langsgående akse. Et tredje aksellerometer kan også brukes som har sin følsomme akse sett parallell med sondens 22 langsgående akse.

Sonden 22 er montert på heisekabelen 25 på en slik måte at den fritt kan rotere inne i foringsrøret 21. For å tillate nøy-aktig måling av borehullets lokale bane uansett den dreinings-messige posisjon av sonden 22 inne i foringsrøret 21, er en transduser 24 ifølge den foreliggende oppfinnelse montert inne i sonden 22. Transduseren 24 frembringer utgangs-signaler som brukes til å generere en/ indikasjon på sondens 22 vinkelmessige posisjon i forhold til en referanseretning. Signalene fra transduseren 24 og aksellerometer-signalene blir koblet til en data-lagringsenhet 26 og en dataprosessor 27 som utleder en representasjon av borehullsbanen. En ytterligere inngang til dataprosessoren 27 er fra en transduser 28 som er tilordnet heisekabelen 25 for å tilveiebringe et signal L som indikerer avstanden til avfølingssonden 22 inne i borehullet 20.

Et tastatur og en anvisningsanordning 30 vekselvirker med dataprosessoren 27 for å generere en representasjon av borehullsbanen som ko-ordinatdimensjoner i et treakse-system. Tastaturet muliggjør innmatning og kontroll av en operatør. Representa-sjonen av borehullsbanen kan trykkes eller registreres for frem-tidig bruk.

Kraft for de komponenter som befinner seg inne i avfølings-sonden 22, blir tilveiebragt ved hjelp av en kraftkilde 32 som er anordnet på overflaten.

Borehullsundersøkelsen blir utført ved å få sonden til å bevege seg gjennom borehullet fra den ene ende til den andre i enten den ene eller annen retning, mens data blir innsamlet og behandlet. Oppmålingen eller undersøkelsen kan utføres mens sonden blir senket ned i borehullet eller etterhvert som den blir hevet fra bunnen. For øket nøyaktighet kan data innsamles mens sonden beveger seg i begge retninger og man kan ta gjennom-snittet av undersøkelses-resultatene.

Målinger av borehullets azimut ved hjelp av aksellerometere blir referert til utenverdenen ved å etablere en refe ranseramme for transduseren 24 ifølge den foreliggende oppfinnelse, som beskrevet nærmere nedenfor.

Det vises nå til figur 2 hvor transduseren 24 i henhold til den foreliggende oppfinnelse er vist mer detaljert. Transduseren omfatter en stator 40 som er festet til et hus 42 for sonden 2 2 slik at relativ bevegelse mellom de to blir forhindret.

Statoren 40 omfatter to ringformede permanentmagneter 4 4 og 4 5 som i den foretrukne utførelsesform er laget av samarium kobolt. I nærheten av permanentmagneten 4 4 er anbragt en retur-bane for magnetfluks som omfatter 3 ferromagnetiske polstykker 46a, 46b, 46c som dirigerer den magnetfluks som frembringes av magneten 44 til et luftgap 47 anordnet ved endene av polstykkene 46a, 46c. Et par omkretsmessige riller eller spor 46d,46e er maskinert eller dannet på annen måte i en endeflate av polstykket 46a og et par maken omkretsmessige riller 46f, 46g er dannet i en endeflate av polstykket 46c. Rillene 46d-46g konsentrerer den magnetfluks som frembringes av magneten 4 4 og som overføres ved hjelp av polstykkene 46a - 46c i spesielle områder av luftgapet 47 av grunner som vil bli diskutert nedenfor.

Et sett med polstykker 48a, 48b, 48c maken til polstykkene 4 6a - 46c er anordnet ved permanentmagneten 45. Polstykkene 48a, 48c inneholder riller 48d, 48e og 48f, 48g, i deres ende-flater. Rillene 48d - 48g tjener samme formål som rillene 46d - 46 g.

Inne i et sylindrisk hulrom 51 i magnetkonstruksjonen 50

som dannes av polstykkene 46a, 46c er det anordnet en spole 52 som kan brukes til å modifisere styrken av det magnetfelt som frembringes av magneten 44. Magneten 44, spolen 52 og polstykkene 46a - 46c danner tilsammen en første sylindrisk magnet-konstruks jon 50. Magnetkonstruksjonen 50 omfatter også en sylindrisk spalte 53 som adskiller polstykket 46a fra polstykket 4 6c.

Likeledes danner magneten 4 5 og polstykkene 4 8a - 4 8c tilsammen en annen sylindrisk magnetkonstruksjon 55 som har et sylindrisk hulrom 56 i hvilket det er anordnet en spole 57 maken til spolen 52. En sylindrisk spalte 58 maken til spalten 53 adskiller polstykkene 48a, 48c.

Mellom magnetkonstruksjonene 50 og 55 er det anordnet en sylindrisk rotor 60 med en langsgående akse parallell til husets 42 akse. Rotoren 60 omfatter første og andre endeorganer 61, 62 som er festet til endene av et sylindrisk legeme 63. Det før-ste endeorgan 61 omfatter en sentral åpning 61a og omkretsmessige riller 61d - 61g i en flate av endeorganet 61 som er anordnet direkte overfor rillene 46d - 46g, respektive. En sylindrisk spalte 61b er anordnet direkte overfor den sylindriske spalte 53 i magnetkonstruksjonen 50.

Likeledes er en rekke omkretsmessige riller 62d - 62g anordnet i en flate av endeorganet 62 direkte overfor rillene 48d - 48g i magnetkonstruksjonen 55. En sylindrisk spalte 62b er anordnet direkte overfor den sylindriske spalte 59.

Magnetkonstruksjonen 50 og endeorganet 61 danner sammen en magnetkrets med magnetfluks i luftgapet 47 som blir konsentrert av rillene 46d - 46g og 61d - 61g for å frembringe radielle sentrerings-kretser for rotoren 60. Likeledes danner magnet-konstruks jonen 55 og det annet endeorgan 62 en magnetkrets der radiell sentrering av rotoren 60 blir utført ved hjelp av rillene 48d - 48g og 62d - 62g.

I den foretrukne utførelsesform er polstykkene 46a - 46c, 48a - 48c og det første og annet endeorgan 61, 62 laget av jern.

Legemet 63 til rotoren 60 omfatter et parti med forstørret diameter eller et svinghjul 65 som tilveiebringer en høy grad av rotasjonstreghet for rotoren 60. Legemet 63 er laget av et ikke-magnetisk materiale og kan ha stor masse for å oppnå den ønskede treghetsvirkning.

På en øvre flate 66 av svinghjulet 55 er det anordnet en gradinndelt ring 67, som i den foretrukne utførelsesform er laget av epoksyharpiks-glass. Som vist spesielt på figur 3 er en rekke markeringer eller striper 68 (ikke alle er vist) som danner en rekke alternerende lysreflekterende og ikke-reflekterende partier, anbragt på en flate 69 av den gradinndelte ringen 67 i nærheten av dens ytre omkrets. I den foretrukne utførelsesform omfatter den gradinndelte ringen 67 4096 reflekterende kobberspor, som hver har en bredde på omkring 1/1000" og som er anbragt med lik avstand omkring periferien. Sporene kan være pletert for å frembringe en høy refleksjonsgrad, og de kan være dannet ved hjelp av en etseprosess eller en annen egnet prosess direkte på flaten 69.

Den magnetiske opphengning er stabil for bevegelser i radi-alretningen i forhold til rotorens langsgående akse og for rota sjon omkring de akser som går på tvers av den langsgående akse. Den magnetiske opphengning er nøytral for rotasjon omkring den sylindriske akse, dvs. at rotoren 60 fritt kan rotere om sin egen akse. Imidlertid har den magnetiske opphengning en usta-bil frihetsgrad for bevegelse langs den sylindriske akse. Denne frihetsgrad blir stabilisert ved hjelp av en aktiv servoposi-sjonsstyring 70 som omfatter en posisjonsdetektor 71 bestående av en avfølingsspole 72 anordnet i en sentral fordypning 73 i magnetkonstruksjonen 50 og en aluminiumskive 74 anordnet i en utvidet åpning 75 i den sentrale åpning 61a i det første endeorgan 61.

Det vises også til figur 4 hvor avfølingsspolen 72 er koblet i en tilbakekoblingsbane i en oscillator/detektor-krets 76. Avfølingsspolen 72 er koblet til oscillator/detektor-kretsen 76 ved hjelp av ledere 79 som passerer gjennom en gjenget tapp 80 som er anordnet inne i den sentrale åpning 73. Q-faktoren eller virkningsgraden av oscillator-kretsen 76 blir bestemt av aluminiumski<p>ens 74 nærhet til avfølingsspolen 72. Oscillator/ detéktor-kretsen 76 frembringer et utgangssignal som kobles til den ikke-inverterende inngang på en operasjons-forsterker 77, idet utgangssignalet er et mål på avstanden mellom aluminium-skiven 74 og avfølingsspolen 72.

Operasjonsforsterkeren 77 omfatter en faseforskyvningskrets 78 for å tilveiebringe elektrisk dempning langs den servoregu-lerte akse. Signalet fra operasjonsforsterkeren 77 kobles til spolene 52,57 for å regulere de magnetfelter som frembringes av magnetkonstruksjonene 50,55 for å styre opphengningen av rotoren mellom disse. Rotoren er derfor tvunget til å bevege seg bare omkring sin egen akse, idet andre typer bevegelse blir dempet ved hjelp av virvelstrømmer tilordnet modifikasjoner av magnetfeltene.

Rotoren 60 er opphengt mellom magnetkonstruksjonene 50,55 ved hjelp av de tiltrekkende krefter som forårsakes ved veksel-virkning av magnetfeltene som settes opp av statormagnetene 44, 45 og magnetspolene 52,57. Denne konfigurasjonen resulterer i et hovedsakelig friksjonsløst lager for rotoren 60 forutsatt at de magnetfelter som settes opp av magnetkonstruksjonene 50,55 har god magnetisk symmetri, som nevnt mer spesielt nedenfor. Som det fremgår spesielt av figur 3, er en rekke markering er eller striper som danner en rekke alternerende lysreflekterende og ikke-reflekterende partier, anordnet på en flate 51 av rotoren 60 i nærheten av dens-ytre periferi. I den fore-trukne utførelsesform omfatter rotoren 4096 reflekterende kobberspor som hver har en bredde på omkring 1/1000" og som er likt fordelt omkring rotorens omkrets. Sporene kan være pletert for å tilveiebringe en høy refleksjonsgrad, og de kan være dannet ved hjelp av en etseprosess eller en annen egnet prosess direkte på flaten 51.

Rotasjonsmessig forskyvning av rotoren 60 i forhold til statoren 40 blir avfølt ved hjelp av et optisk avfølingsapparat 83 omfattende en lysemmiterende diode 84 og et par fotodetek-torer 86,88 i form av diode-detektorer, som er montert på statoren 40. Den lysemmiterende diode belyser et parti av flaten 69 på rotoren i nærheten av stripene 68. Diode-detektorene 86, 88 avføler nærværet eller fraværet av reflektert lys fra et spesielt parti av flaten 69 og tilveiebringer utgangssignaler i samsvar med dette. Signalene fra detektorene 86,88 blir koblet til en logisk krets 90 (ikke vist på figur 2) som også er anordnet på statoren 40, og som frembringer utgangssignaler som indikerer vinkelmessig forskyvning eller forandringshastighet.

Den lysemmiterende diode 84 bør belyse minst den kombi-nerte bredde av et lysreflekterende parti og et ikke-reflekterende parti. Synsfeltene til diode-detektorene 86,88 kan være av en størrelse lik 1 — % gang bredden av en lysreflekterende stripe, idet et synsfelt lik 1% ganger bredden av en stripe 68 er en foretrukket dimensjon. Diodedetektorene 86,88 bør med andre ord være istand til å avføle forekomsten av en lysreflekterende stripe 68 i et felt som er lh ganger så stort som bredden av en stripe 68. Dessuten er synsfeltene til diodedetektorene adskilt med halvparten av bredden av en stripe 68.

Forsterkningsfaktoren til fotodetektorene 86,88 er ikke kritisk, dvs. at forsterkningsfaktoren kan innstilles slik at forekomsten av en lysreflekterende stripe 68 blir avfølt ved et tidspunkt når stripen opptar enhver posisjon innenfor synsfeltet.

F.eks. kan stripens nærvær avføles så snart den førende kant av stripen kommer inn i synsfeltet for en diodedetektor, eller den kan avføles bare når hovedsakelig hele bredden av en stripe er i synsfeltet.

Spolene 52,57 blir ikke bare brukt til å styre den aksielle posisjon av rotoren 60, men de kan også energiseres for å deaktivere den magnetiske opphengning for å "låse" rotoren, dvs. bringe den i kontakt med statoren 40. Spolene 52,57 blir be-nyttet til å etablere en kjent tilstand for rotoren 60 før det tas målinger med undersøkelses-apparatet i borehullet.

F.eks. før sonden som er vist på figur 1, blir senket ned

i borehullet, kan rotoren 60 låses til statoren 40 og avfølings-sonden 22 innrettes mot en referanseretning eller begynnelses-retning slik at den er i ro i forhold til denne. Spolene 52,57 blir så de-energisert slik at rotoren 60 er opphengt på en hovedsakelig friksjonsløs måte inne i statoren 40. På dette tidspunkt kan rotoren 60 dreies med en langsom, konstant hastighet i forhold til statoren 40 for å minske virkningene av varia-sjoner i de magnetfelter som settes opp av den magnetiske opphengning, eller den kan holdes stasjonær i forhold til sonden 22 og statoren 40, slik at den konstante hastighet er lik 0. I begge tilfeller blir det tilveiebragt en referanseramme som sen-ere målinger kan sammenlignes med. Det skal bemerkes at ut-trykket "referanseramme" har til hensikt å innbefatte både en roterende og en stasjonær referanseramme.

Avfølingssonden 22 blir så senket ned i borehullet 20, og

avfølingssonden 22 kan under dette rotere fra referanseretningen inne i foringsrøret 21 i borehullet 20. Dette får igjen statoren 40 til å rotere i forhold til rotoren 60 med en hastighet som er forskjellig fra den konstante hastighet. Den hastighet slik rotasjonen opptrer med, blir avfølt av det optiske avfølings-apparat som består av stripene 68, den lysemmiterende diode 84 og diodedetektorene 86,88.

Det vises også til figur 5 hvor stripene etterhvert som relativ bevegelse inntreffer mellom statoren 40 og rotoren 60, passerer under den lysemmiterende diode 84 og detektorene 86,88 og får detektorene til alternerende å lede og sperre. Detektorene 86,88 er koblet til de inverterende innganger på to kompara-torer henholdsvis 96 og 98 som begge mottar en referansespenning V ^ ved deres ikke-inverterende innganger. Komparatorene kobles om mellom høye og lave logiske tilstander og genererer utgangs-signaler D1,D2 som reaksjon på omkoblingen av detektorene 86,88.

Terskelen V^bør være høyere enn den høyest forventede utgang fra diode-detektorene 86,88 som er et resultat fra av-følingen av et ikke-reflekterende parti av rotoren 60, for å forhindre feilaktig signalering. Dessuten kan terskelen velges slik at en vid spennings- og temperaturvariasjon kan tolereres.

Utgangene fra komparatorene 86,88 blir kombinert i en eksklusiv ELLER-port 100 for å tilveiebringe taktsignaler til et par bistabile D-vipper 102,104 og til en teller 106. Utgangene Dl, D2 fra komparatorene 96,98 blir koblet til inngangene på D-vippene henholdsvis 102,104 og blir overført til Q-utgangene på disse ved hjelp av forflanken av et positivtgående taktsignal fra eksklusiv ELLER-porten 100.

Signalene fra Q-utgangene fra vippene 102,104 blir kombinert i en OG-port 108 og kobles til logiske kretser 110 for ut-førelse av følgende logiske funksjon: hvor A og B er inngangene til kretsen 110. A-inngangen til den logiske krets 110 er koblet til utgangen på OG-porten 108 mens B-inngangen er koblet til utgangen Dl fra komparatoren 96. Utgangen fra den logiske kretsen 110 er derfor lik:

hvor LAST (Dl) og LAST (D2) er utgangene fra D-vippene henholdsvis 102,104.

Utgangen fra den logiske kretsen 110 er koblet til en opp/ ned-styring for telleren for å inkrementere eller dekrementere det tall som representeres av det digitale utgangssignal fra denne.

Den krets som er vist på figur 5, vil bli beskrevet i forbindelse med tidsskjemaene hvor signalene Dl og D2 og det resul-terende taktsignal som er vist på figur 6. Når en av diode-detektorene 86,88 avføler lys som er reflektert fra rotoren 60, leder diodedetektoren. Spenningen som er koblet til den inverterende inngang på den tilsvarende komparator 96 eller 98, faller derfor og får utgangen fra komparatoren til å innta en høy tilstand.

F.eks., som vist i tidsskjemaet på venstre del av figur 6, når rotoren som vist på figur 3 beveger seg i retning med ut-viseren i forhold til statoren, vil detektoren 86 avføle fore komsten av et lysreflekterende parti mens detektoren 88 detek-terer en av de ikke-reflekterende partier. Det tidspunkt ved hvilket utgangen fra komparatoren 96 inntar en høy tilstand, er betegnet med tiden A.

Ved tiden A blir det frembragt en taktpuls som får Q-utgangene fra vippene 102,104 til å innta de tilstander av utgangene Dl, D2 fra komparatorene 96,98 som eksisterte før tiden A, dvs. at utgangene fra begge vippene er lave. På dette tidspunkt er strømtilstanden til Dl høy.

Følgelig er utgangen fra den logiske kretsen 110 høy, noe som fremgår av følgende logiske ligning:

og derfor får OPP/NED-styresignalet telleren 106 til å inkrementere pulsene fra eksklusiv ELLER-porten 100.

Ved tiden B avføler detektoren 88 et lysreflekterende parti og derfor inntar utgangen fra komparatoren 98 en høy tilstand. Siden diode-detektoren 86 fremdeles avføler et lysreflekterende parti, faller utgangen fra eksklusiv ELLER-porten 100 til en lav tilstand.

Ved tiden C avføler detektoren 86 et ikke-reflekterende parti, og derfor faller utgangen fra komparatoren 96 til en lav tilstand. Utgangen fra eksklusiv ELLER-porten 100 inntar øye-blikkelig en høy tilstand og tilveiebringer en taktpuls til telleren 106. Ved dette punkt fortsetter OPP/NED-styresignalet å være i en høy tilstand som vist ved følgende beregning:

og derfor fortsetter telleren å inkrementere taktpulsene.

Ved tiden D faller utgangen fra komparator 98 til en lav tilstand p.g.a. avfølingen av et ikke-reflekterende parti av

detektoren 88, og dermed er utgangene fra begge komparatorene 96,98 i en lav tilstand. Detektoren 86 avføler deretter forekomsten av et lysreflekterende parti ved tiden E, og på dette punkt vil den foran beskrevne syklus gjenta seg.

Når rotoren 60 roterer i forhold til statoren 40 i retning mot urviseren sett på figur 3, vil et lysreflekterende parti først avføles av diode-detektoren 88, derfor vil OPP/NED-styresignalet innta en lav tilstand som vist ved følgende ligning:

Det tall som representeres av tellerutgangs-signalet vil følge-lig bli dekrementert med en for hver taktpuls som frembringes av eksklusiv ELLER-porten 100. Det skal bemerkes at OPP/NED-styresignalet vil forbli i en lav tilstand inntil rotasjon av rotoren med urviseren inntreffer.

I den foretrukne utførelsesform er størrelsen av telleren 106 og antallet striper anbragt på rotorflaten 60 valgt slik at en rotasjon av rotoren i forhold til statoren 40, fyller telleren og får telleren til å rulle over tilbake til 0.

Utgangen fra telleren 106 kan innstilles til 0 før måling-ene tas og når rotoren 60 skal være i ro i forhold til begynn-elsesposis jonen slik at utgangen fra telleren 106 under målinger representerer det antall lysreflekterende striper (eller alternativt ikke lys-reflekterende partier) som har passert forbi detektorene 86,88. Ved å anordne stripene ved like vinkelmessige inkrementer fra hverandre, kan man lett oppnå et mål på den vinkelmessige forskyvning av huset til avfølings-sonden 22 i forhold til den vinkelmessige begynnelsesposisjon. F.eks. kan dataprosessoren 27 være programmert til å multiplisere utgangen fra telléren 106 med vinkelavstanden mellom tilstøtende striper for å oppnå en indikasjon på vinkelforskyvning.

Videre kan frekvensen av det signal som opptrer ved den minst signifikante bit i utgangen fra teller 106, brukes som en indikasjon på hastighetsforandringen av den vinkelmessige forskyvning av huset 42 og statoren 40 i forhold til rotoren 60. Hvis rotoren 60 til å begynne med var i ro i forhold til forings-røret 21 i borehullet, så tilveiebringer denne utgangen en sig-nalfrekvens som er proporsjonal med vinkelhastigheten til huset for avfølingssonden 22 i forhold til foringsrøret 21.

Hvis rotoren 60 før det tas målinger, ble dreiet med en konstant hastighet i forhold til statoren (som opprinnelig var i ro i forhold til referanse- eller begynnelsesposisjonen), så vil utgangen fra telleren 106 inkrementere eller dekrementere ved en første forutbestemt frekvens eller hastighet, forutsatt at huset 42 til avfølings-sonden 22 ikke roterer fra sin be-gynnelsesposis jon . Hvis imidlertid huset 42 og statoren 40 roterer fra den opprinnelige posisjon, så vil utgangen fra telleren 106 inkrementere eller dekrementere ved en annen frekvens eller hastighet som er forskjellig fra den første. Differansen mellom den første og den annen hastighet er da proporsjonal med foran-dringshastigheten for vinkelforskyvning av huset til avfølings-sonden 22.

En indikasjon på vinkelforskyvning eller forskyvningshastig-het i dette tilfelle, kan oppnås fra kretsen på figur 4 på en av flere måter. F.eks. kan hastighetsinformasjon oppnås ved å benytte en referanse-oscillator som frembringer et signal med en frekvens som er lik den forutbestemte"frekvens. Utgangene fra referanseoscillatoren og den minst signifikante bit-utgang fra telleren 106 kan kobles til frekvenstellere som frembringer digitale utgangs-signaler som blir kombinert i en subtraheringskrets for å tilveiebringe hastighets-informasjonen. Subtraherings-kretsen kan også kobles til en integrator som frembringer et signal som representerer mengden av vinkelforskyvning som opptrer etterhvert som sonden 2 2 senkes ned i borehullet.

En alternativ fremgangsmåte for å frembringe informasjon

om vinkelforskyvning er å benytte den forutbestemte frekvens som er etablert ved å dreie rotoren 60 ved den konstante hastighet i forhold til statoren 40 for å oppnå en tidsbasis, og bruke tids-basisen til direkte å måle vinkelutsving. Hvis f.eks. rotoren blir spunnet ved en konstant hastighet på 10 omdreininger pr. minutt i forhold til statoren 40, så vil rotoren fullføre en full omdreining hvert sjette sekund. Et spesielt utgangssignal fra telleren 106, f.eks. det signal som svarer til tallet 1000, skulle derfor være ventet hvert sjette sekund så lenge rotorens begynnelseshastighet i forhold til statoren opprettholdes. Denne tidsbasis på seks sekunder kan så brukes til å måle vinkelutsving eller vinkelforskyvning ved å måle et seks sekunders inter-vall fra genereringen av den spesielle utgang (f.eks. 1000), og ved å notere utgangen fra telleren 106 ved slutten av intervallet på seks sekunder. Den størrelse dette tallet varierer fra 1000 multiplisert med vinkelavstanden mellom stripene, resulterer i et mål på sondens 22 vinkelforskyvning i forhold til

dens begynnelsesposisjon.

For å oppnå vinkelhastighets-informasjon på denne måten

kan det brukes en annen tidskrets til å måle den tid som er nødvendig for rotoren 60 til å fullføre en hel omdreining. Lengden av tiden eller intervallet som er nødvendig for at

dette skal inntreffe, kan omdannes til frekvensinformasjon og sammenlignes med referanse-frekvensen (i dette tilfelle frekvensen av utgangen fra telleren 106 som svarer til 10 omdreininger pr. minutt) for å frembringe et mål på den gjennom-snitlige vinkelhastighet av huset 42 i borehullet i løpet av intervallet.

For å tilveiebringe en tilfredsstillende innretning ved å benytte de ovenfor beskrevne prinsipper, er det nødvendig å

ta hensyn til følgende konstruksjons-kriterier;

1) evne til linjaer aksellerasjon; 2) magnetisk opphengningssymmetri; 3) luftbremsing ved høye relative rotor-rotasjoner;

og

4) maksimum logisk datahastighet.

Hvis, i tilfelle med det første kriterium, den opphengnings-kraft som frembringes ved frastøtningen mellom stator- og rotormagnetene, betegnes F , så er den maksimale aksellerasjon langs rotorens akse som transduseren kan utsettes for, lik F /m, hvor m er rotorens masse. For å maksimalisere akselle-

m

rasjonsevnen til transduseren, er det derfor ønskelig å konstru-ere statorens magnetkretser for å frembringe sterke magnetfelter. Som nevnt tidligere bør imidlértid rotoren konstrueres slik at den er forholdsvis tung for å ha tilstrekkelig rotasjonstreghet til å glatte ut eventuelle virkninger som skyldes ikke-symme-triske magnetfelter. Det må finnes en balanse mellom innretningen linjære aksellerasjons-evne og rotorens evne til å bevege seg strengt under sin egen treghet. Denne balansen kan løses i fa-vør av øket linjaer aksellerasjonsevne hvis det annet konstruksjonskriterium som vedrører symmetrien av magnetfeltene som frembringes av magnetkonstruksjonene 50 og 53, blir oppfylt. I alle fall må F /m være større enn 1 g3. for å få en brukbar innretning.

Det annet konstruksjonskriterium vedrører de magnetiske felters symmetri omkring rotoren 60. Hvis de magnetiske felter har en ikke-symmetrisk gradientkomponent, så vil der finnes en vinkelposisjon i forhold til statoren hvor rotoren 60 vil ha tendens til å falle til ro. Dette problemet kan overvinnes ved å forsyne rotoren med tilstrekkélig masse og/eller ved å spinne rotoren før det tas målinger, slik at rotorens rotasjonstreghet overvinner og midler ut de forstyrrelser som skyldes den ikke-symmetriske feltgradient. Dette muliggjør nøyaktige målinger til tross for et ikke-uniform magnetisk opphengningsfelt.

Hvis på den annen side magnetfeltenes uniformitet omkring rotoraksen ef god, så vil rotoren 60 kunne bringes til å spinne eller rotere i det vesentlige bare som reaksjon på si"n egen treghet. Rotoren behøver derfor ikke å bli dreiet med en konstant hastighet før målinger tas, og rotormassen kan reduseres, noe som igjen forbedrer transduserens linjære aksellerasjonsevne.

Det tredje konstruksjonskriterium vedrører luftbremsningen på rotoren når den roterer i forhold til statoren. Rotorens 60 overflater bør gjøres ganske glatte for å redusere virkningene av luftbremsingen. Det er da klart at de stripene som er anordnet på flaten 69 på den gradinndelte ringen 67, bør ha en neglisjerbar tykkelse for å minske friksjonen. Formålet med dette konstruksjons-kriterium er å utstyre rotoren med en form som forhindrer mer enn en neglisjérbar luftforskyvning når rotoren roterer i forhold til statoren.

Når statoren vibreres, kan rotoren 60 slingre i gapet mellom magnetkonstruksjonene 50,55, noe som så resulterer i turbu-lens og øket friksjon. Ved en gitt rotorhastighet vil luft-friksjonen resultere i en vinkelmessig drivoppbygning maken til det som opptrer i konvensjonelle gyroer. Siden imidlertid transduseren ifølge den foréliggende oppfinnelse blir brukt til å detektere små relative vinkelforskyvnings-hastigheter skulle den feil som innføres av friksjonen være neglisjérbar. I virkeligheten vil luften mellom rotoren og statoren dempe sling-ringsbevegelser av rotoren i statoren og bidra til å sentrere rotoren mellom magnetkonstruksjonene 50,55.

Det fjerde konstruksjons-kriterium som vedrører logisk datahastighet, dreier seg primært om å velge passende elektriske komponenter til å romme høye relative rotasjoner mellom rotoren 60 og statoren 40. Når rotoren roterer i forhold til statoren, j.nntreffer det logiske portomkoblinger. Hvis en laveffekt CMOS-krets blir brukt i det apparatet som er vist på figur 4, kan det besørge koblingshastigheter litt under 1 megahertz. Dessuten blir vippene 102,104 som er vist på figur 4, trigget av forflanken av taktsignalet fra eksklusiv ELLER-porten 100 for å øke hastigheten til logikk-kretsen. Hvis den graderte ring som i den foretrukne utførelsesform, omfatter 4096 striper anordnet på dennes flate, så kan det detekteres en maksimal grense på 15.000 omdreininger pr. minutt. Innretningen ifølge den foreliggende oppfinnelse er derfor istand til å måle rotasjonsfor-skyvninger som opptrer ved en hastighet som overstiger de hastigheter man kan vente å finne i apparater for undersøkelse av borehull.

Claims (15)

1. Transduser for avføling av vinkelstilling av et instrumenthus for borehullsoppmåling i forhold til en referanseposisjon, karakterisert ved en rotor/ en stator som er festet til huset, en anordning for magnetisk opphengning av rotoren i statoren hvorved rotoren blir tvunget til å rotere omkring en enkelt akse i forhold til statoren, og en anordning for avføling av rotorens bevegelse omkring rotasjons-aksen for å frembringe en indikasjon på husets vinkelstilling.

2. Transduser ifølge krav 1, karakterisert ved' at avfølingsanordningen omfatter en rekke markeringer anordnet på en flate av rotoren.

3. Transduser ifølge krav 2, karakterisert ved at avfølingsanordningen videre omfatter en anordning for optisk avføling av markeringene på rotoren.

4. Transduser ifølge krav 3, karakterisert ved at den optiske avfølingsanordning omfatter en lysemmiterende diode for å belyse et parti av markeringene og en fotodetektor for å avføle en belyst markering.

5. Transduser ifølge krav 4, karakterisert ved at den optiske avfølingsanordning videre omfatter en annen fotodetektor montert på statoren med den lysemmiterende diode og den første fotodetektor, og som har et synsfelt som er forskjøvet fra den første detektorens synsfelt med halvparten av en marke-rings bredde.

6. Transduser ifølge krav 5, karakterisert ved en anordning for å detektere utgangen fra fotodetektorene for å frembringe et utgangssignal som representerer vinkelposisjonen av huset i forhold til referanseposisjonen.

7. Transduser ifølge krav 6, karakterisert ved at hver fotodetektor genererer en puls når en markering er i dens synsfelt, og ved at detektoranordningen omfatter en an ordning for å portstyre pulsene fra fotodetektorene for å frembringe taktpulser, og en anordning for å telle taktpulsene for å frembringe utgangssignalet.

8. Transduser ifølge krv 7, karakterisert ved at detektoranordningen videre omfatter en anordning for frem-bringelse av et styresignal som representerer rotasjonsretning-en for rotoren i forhold til statoren, og ved at anordningen for telling av taktpulser omfatter en styreinngang som er koblet til anordningen som frembringer styresignalet slik at telle-anordningen inkrementerer og dekrementerer utgangssignalet som reaksjon på styresignalet.

9. Transduser ifølge krav 1, karakterisert ved at den magnetiske opphengningsanordning omfatter første og andre adskilte magnetkonstruksjoner der rotoren er opphengt mellom magnetkonstruksjonene.

10. Transduser ifølge krav 9, karakterisert ved at den magnetiske opphengningsanordning videre omfatter en anordning for å avbryte magnetfeltene som frembringes av magnet-konstruks jonene slik at rotoren beveges som reaksjon på bevegelse av statoren omkring rotoraksen.

11. Transduser for avføling av vinkelforskyvning av et instrumenthus for borehulloppmåling, karakterisert ved en stator som er festet til huset, en sylindrisk rotor, en anordning for magnetisk opphengning av rotoren i statoren på en hovedsakelig friksjonsløs måte slik at rotoren er tvunget til å bevege seg omkring husets akse hovedsakelig bare som reaksjon på rotorens treghet, og ved en anordning for å avføle bevegelse av rotoren i forhold til statoren for å frembringe en indikasjon på husets vinkelforskyvning.

12. Transduser ifølge krav 11, karakterisert ved at avfølingsanordningen omfatter en rekke markeringer anordnet på en av rotorflåtene.

13. Transduser ifølge krav 12, karakterisert ved at avfølingsanordningen videre omfatter en anordning for optisk avføling av markeringene på rotoren.

14. Transduser ifølge krav 13, karakterisert ved at den optiske avfølingsanordning omfatter en lysemmiterende diode for belysning av et parti av markeringene og en fotodetektor for avføling av en belyst markering.

15. Transduser for avføling av vinkelforskyvning av et instrumenthus for borehulloppmåling, karakterisert ved en stator som er festet til huset, en sylindrisk rotor som har en rekke markeringer anordnet på en av sine flater, en anordning for magnetisk opphengning av rotoren i statoren på en hovedsakelig friksjonsløs måte slik at rotoren er tvunget til å bevege seg omkring husets akse hovedsakelig bare som reaksjon på rotorens treghet, og en anordning for å avføle bevegelse av rotoren i forhold til statoren for å frembringe en indikasjon på vinkelforskyvningen av huset, omfattende en anordning for optisk avføling av rotorens markeringer.