NO891105L - Akselerometer. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår akselerometre, og særlig, men ikke utelukkende, akselerometre for anvendelse i borehulls-instrumentering for kartlegging av et borehull.

GB-patentskrift nr. 1 492 142 viser et akselerometer omfattende et hus som avgrenser et kammer, et magnetiserbart fluidum i kammeret, en permanentmagnet som er magnetisk opphengt inne i kammeret ved hjelp av det magnetiserbare fluidum med sine poler orientert langs en forskyvningsakse og for<skyvbar fra en nullstilling langs f orskyvningsaksen på grunn av en anvendt kraft, og en føleanordning for deteksjon av forskyvning av permanentmagneten langs forskyvningsaksen og for tilførsel av et elektrisk signal som indikerer den anvendte kraft.

Et sådant akselerometer må kalibreres før bruk. Det har imidlertid vist seg at den nødvendige kalibrering av akselerometeret kan ha en tendens til avdrift under til-standene med høy temperatur og vibrasjon som påtreffes i et borehull, og dette kan føre til unøyaktighet ved måling. Det antas at sådan avdrift forårsakes av endringer i den effektive masse av akselerometerets prøvemasse (proof mass) som følge av endringer i fordelingen av de magnetiske partikler i fluidumet, og i den magnetiske vekselvirkning mellom disse partikler og magneten.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en ny form for akselerometer som er i stand til forbedret ytelse under sådanne forhold.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt et akselerometer omfattende et hus som avgrenser et kammer, et magnetiserbart fluidum i kammeret, en prøvemasse som er opphengt inne i kammeret slik at den er forskyvbar fra en nullstilling langs en forskyvningsakse på grunn av en anvendt kraft, og en føleanordning for deteksjon av forskyvning av prevemassen langs forskyvningsaksen og for å tilføre et elektrisk signal som indikerer den anvendte kraft, og hvor prøvemassen er i hovedsaken ikke-magnetisk og en magnetanordning er anbrakt utenfor kammeret for magnetisering av det magnetiserbare fluidum for å bringe prøvemassen til å være opphengt inne i kammeret ved hjelp av fluidumet.

Med dette arrangement magnetiseres de magnetiserbare partikler i fluidumet ved hjelp av magnetanordningen, og den resulterende magnetvekselvirkning av partiklene med hverandre og med magnetanordningen frembringer et "magnetisk trykk" som forsøker å sentrere prøvemassen inne i kammeret. Da denne "magnetiske trykk"-virkning forårsakes av vekselvirkning mellom det magnetiserbare fluidum og magnetanordningen utenfor kammeret, er det ikke noe behov for at selve prøvemassen skal være magnetisk, slik som i det tidligere arrangement. Av dette følger derfor at det ikke er noen magnetisk vekselvirkning mellom fluidumets magnetiserte partikler og prøvemassen, og prøvemassens effektive masse vil således være i hovedsaken uendret ved endringer i fordelingen av partiklene. Den nødvendige kalibrering av akselerometeret vil med andre ord være mindre tilbøyelig til avdrift.under drift enn det tidligere akselerometer.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er prøve-massen en elektrisk ledende, hul sylinder som er åpen ved begge ender. Sylinderen er fortrinnsvis tynnvegget og har sirkulært tverrsnitt.

Føleanordningen kan omfatte en elektrodemontasje som er festet til kammerets vegg og omfatter minst to, og fortrinnsvis tre, elektroder som er innbyrdes adskilt i forskyvningsakseretningen og anbrakt slik at den utstrekning i hvilken elektrodene overlappes av prøvemassen, varierer i avhengighet av prøvemassens forskyvning fra nullstillingen.

Akselerometeret omfatter videre med fordel en til-bakeførende spoleanordning for anvendelse av et magnetfelt for å bringe prøvemassen til å føres tilbake til sin nullstilling som reaksjon på et deteksjonssignal fra føleanord-ningen .

Magnetanordningen kan omfatte permanentmagneter som er anbrakt symmetrisk i forhold til forskyvningsaksen.

Oppfinnelsen tilveiebringer også et akselerometer omfattende et hus, en prøvemasse som er opphengt inne i huset slik at den kan forskyves fra en nullstilling langs en f orskyvningsakse på grunn av en anvendt kraft, og en føleanordning for deteksjon av forskyvning av prøvemassen langs forskyvningsaksen, og for å tilføre et elektrisk signal som indikerer den anvendte kraft, hvor føleanordningen omfatter en variabel kapasitansanordning med en kapasitans som varierer som reaksjon på forskyvning av prøvemassen, en oscillatoranordning for mating av den variable kapasitansanordning, og en fasefølsom detektoranordning for deteksjon av variasjon i fasen av utgangssignalet fra den variable kapasitansanordning forårsaket av forskyvningen av prøvemas-sen .

For at oppfinnelsen skal bli mer fullstendig for-stått, skal et foretrukket akselerometer i overensstemmelse, med oppfinnelsen nå beskrives som eksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et aksialt snitt gjennom akselerometeret etter linjen I-l på fig. 2, fig. 2 viser et tverrsnitt av akselerometeret etter linjen II-II på fig. 1, og fig. 3 viser et blokkskjema av akselerometerets styre-kret sanordning.

Idet det henvises til fig. 1 og 2, omfatter det viste akselerometer et ikke-metallisk, sylindrisk hus 10 som avgrenser et sylindrisk kammer 11 og er utformet med fire adskilte, ringformede flenser 12, 13, 14 og 15. En prøvemasse (proof mass) 16 i form av et hult, sylindrisk, elektrisk ledende rør som er fremstilt for eksempel av kobber, er ved hjelp av et magnetiserbart fluidum 17 opphengt inne i kammeret 11. Det magnetiserbare .fluidum 17 er et ferrofluidum omfattende en kolloidal suspensjon av meget små ferromagnetiske partikler i en væske, såsom en syntetisk hydrokarbonbærer.

Slik det fremgår klart av fig. 2, er to permanentmagneter 18 og 19 anbrakt mellom de ringformede flenser 13 og 14 på huset 10 på motsatte sider av kammeret 11 og symmetrisk i forhold til kammerets 11 senterakse. Magnetene 18 og 19 er anbrakt med sine nordpoler vendende radialt innover og sine sydpoler vendende radialt utover. Videre magnetiserer magnetene 18 og 19 de ferromagnetiske partikler i fluidumet 17 på en slik måte at partiklene bringes til å vekselvirke magnetisk med hverandre og med magnetene 18 og 19, slik at prøvemassen 16 sentreres i kammeret 11 ute av kontakt med kammerets vegger. Prøvemassen 16 er således opphengt inne i kammeret 11 på en slik måte at prøvemassen tillates å forskyves fra sin nullstilling (vist på fig. 1) langs kammerets 11 sentrale akse på grunn av en anvendt kraft.

Sådan bevegelse detekteres av et følearrangement omfattende tre elektroder 20, 21 og 22 som er innbyrdes aksialt adskilt på kammerets 11 sylindriske vegg. Slik det fremgår for elektroden 21 på fig. 2, danner ikke hver elektrode 20, 21 eller 22 helt en komplett sylinder, men er avbrutt av en aksial sliss 23. Dette ex gjort for å sikre at induserte strømmer ikke bringes til å flyte kontinuerlig rundt elektrodene. Elektrodene 20, 22 og 22 er elektrosta-tisk koplet til prøveanordningen 16, slik at kapasitansen over tilstøtende elektroder varierer i avhengighet av den grad i hvilken prøvemassen 16 overlapper endeelektrodene 20 og 22. Dersom for eksempel prøvemassen 16 beveger seg mot venstre, som vist på fig. 1, vil således den grad i hvilken den overlapper elektroden 20 øke, og kapasitansen over elektrodene 20 og 21 vil følgelig øke, mens derimot den grad i hvilken prøvemassen 16 overlapper elektroden 22, vil avta, og følgelig kapasitansen over elektrodene 21 og 22 vil avta.

To tilbakeførende spoler 24 og 25 er viklet på huset 10 mellom henholdsvis de ringformede flenser 12 og 13 og de ringformede flenser 14 og 15. Når hver av disse spoler 24 og 25 tilføres vekselstrøm, induserer de en vekselstrøm som flyter i prøvemassen 16, som kan betraktes som en spole med en eneste vinding, og som et resultat av dette frastøtes prøvemassen 16 av spolen 24 eller 25. På denne måte kan de tilbakeførende spoler 24 og 25 tjene til å føre prøvemas-sen 16 tilbake til sin nullstilling når prøvemassen er for-skjøvet fra nullstillingen.

Akselerometerets styrekretsanordning skal nå beskrives under henvisning til fig. 3. Som vist, kan elektrodene 20, 21 og 22 i forbindelse med prøvemassen 16 betraktes som om de utgjør to variable kondensatorer 26 og 27 som er forbundet med hverandre og er jordet i sitt fellespunkt. En oscillator 30 er koplet for å forsyne kondensatorene 26 og 27 via respektive motstander 31 og 32. En fasefølsom detektor 33 detekterer utgangssignalet fra kondensatorene 26 og 27 og tilveiebringer en pulset utgangslikespenning som er positiv eller negativ avhengig av om utgangssignalet fra kondensatoren 26 ligger foran eller etter utgangssignalet fra kondensatoren 27. Polariteten av utgangssignalet fra den fasefølsomme detektor 33 avhenger således av om prøve-massen 16 forskyves mot venstre eller mot høyre på fig. 1, og følgelig av om kondensatorens 26 kapasitans er større eller mindre enn kondensatorens 27 kapasitans.

En integrator 34 integrerer utgangssignalet fra den fasefølsomme detektor 33 og leverer en utgangsspenning som er hellende i én retning når den pulsede inngangsspenning er positiv, og som er hellende i den motsatte retning når den pulsede inngangsspenning er negativ. En polaritetsbryter 35 tilfører utgangsspenningen fra integratoren 34 til en styreledning 36 til en forsterker 37 med variabel forsterkning når spenningen er positiv, og til en styreledning 38 til en forsterker 39 med variabel forsterkning når spenningen er negativ.

En oscillator 40 leverer respektive inngangssignaler som er 180° ute av fase, til de variable forsterkere 37 og 39 som på sin side avgir sine utgangssignaler til de tilbakeførende spoler 24 og 25 som er koplet til jord ved hjelp av respektive motstander 41 og 42. Størrelsen av vekselstrømmene som tilføres til spolene 24 og 25, vil variere i avhengighet av de forsterkninger som anvendes av forsterkerne 37 og 39, hvilke vil avhenge av de spenninger som tilføres til s tyreledningene 36 og 38. På denne måte kan det arrangeres at når prøvemassen 16 forskyves fra nullstillingen i én retning, utøves en netto tilbakeføringskraft av spolene 24 og 25 for å bringe prøvemassen 16 tilbake til sin nullstilling.

Videre summeres de faseforskjøvne strømmer som passerer gjennom spolene 24 og 25, ved hjelp av en adderer 43, og det summerte utgangssignal tilføres til en fasefølsom detektor 44 som synkroniseres med utgangssignalet fra oscil- latoren 40 ved hjelp av en referanseledning 45. Utgangssignalet fra den fasefølsomme detektor 44 er en likespenning Vq som er proporsjonal med forskjellen mellom strømmene som passerer gjennom spolene 24 og 25, og som følgelig er proporsjonal med den anvendte kraft som skal måles.

Då enhver forskyvning av prøvemassen 16 som følge av en anvendt kraft automatisk kompenseres ved hjelp av anvendelsen av en tilbakeførende kraft på prøvemassen 16, vil bare en meget liten forskyvning av prøvemassen 16 være nødvendig for å oppnå et utgangssignal fra akselerometeret. Dette sikrer i hovedsaken ensartet respons fra akselerometeret over et vidt område av anvendt kraft, og en høy måle-nøyaktighet. Videre-kan'det kompenseres for en eventuell termisk utvidelse av det magnetiserbare fluidum 17 ved å utforme minst én endevegg av kammeret 11 med en fleksibel membran.

Claims (10)

1. Akselerometer omfattende et hus (10) som avgrenser et kammer (11), et magnetiserbart fluidum (17) i kammeret (11), en prøvemasse (16) som er opphengt inne i kammeret (11) slik at den er forskyvbar fra en nullstilling langs en forskyvningsakse på grunn av en anvendt kraft, og en føleanordning (20, 21, 22) for deteksjon av forskyvning av prøvemassen (16) langs forskyvningsaksen og for å tilføre et elektrisk signal som indikerer den anvendte kraft, KARAKTERISERT VED at prøvemassen (16) er i hovedsaken ikke-magnetisk, og at en magnetanordning (18, 19) er anbrakt utenfor kammeret (11) for magnetisering av det magnetiserbare fluidum (17) for å bringe prøvemassen (16) til å være opphengt inne i kammeret (11) ved hjelp av fluidumet (17).

2. Akselerometer ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at prøvemassen er en elektrisk ledende, hul sylinder (16) som er åpen ved begge ender.

3. Akselerometer ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at sylinderen (16) er tynnvegget og har sirkulært tverrsnitt.

4. Akselerometer ifølge krav 1, 2 eller 3, KARAKTERISERT VED at føleanordningen omfatter en elektrodemontasje som er festet til kammerets (11) vegg og omfatter minst to elektroder (20, 21, 22) som er innbyrdes adskilt i forskyvningsakseretningen og anbrakt slik at den grad i hvilken elektrodene (20, 21, 22) overlappes av prøvemassen (16), varierer i avhengighet av prøvemassens (16) forskyvning fra nullstillingen.

5. Akselerometer ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at hver elektrode (20, 21, 22) i hovedsaken har form av en hul sylinder, men er hindret fra å danne en fullstendig sylinder ved tilveiebringelse av en aksial sliss (23).

6. Akselerometer ifølge krav 4 eller 5, KARAKTERISERT VED at føleanordningen videre omfatter en oscillatoranordning (30) for tilførsel av et vekselstrøms-inngangssignal til elektrodemontasjen, og en fasefølsom detektoranordning (33) for deteksjon av variasjon av fasen av elektrodemonta-sjens utgangssignal forårsaket av forskyvning av prøvemassen (16) .

7. Akselerometer ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at en tilbakeførende spoleanordning (24, 25) er anordnet for å anvende et magnetfelt for å bringe prøvemassen (16) til å føres tilbake til sin nullstilling som reaksjon på et deteksjonssignal fra føleanordningen.

8. Akselerometer ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at den tilbakeførende spoleanordning omfatter to spoler (24, 25) som er koaksiale med forskyvningsaksen og er viklet på huset (10) slik at de er symmetrisk anbrakt på motsatte sider av nullstillingen.

9. Akselerometer ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at magnetanordningen omfatter permanentmagneter (18, 19) som er anbrakt symmetrisk i forhold til forskyvningsaksen.

10. Akselerometer omfattende et hus (10), en prøvemasse (16) som er opphengt inne i huset (10) slik at den kan forskyves fra en nullstilling langs en forskyvningsakse på grunn av en anvendt kraft, og en f øleanordning (20, 21, 22) for deteksjon av forskyvning av prøvemassen (16) langs forskyvningsaksen og for å levere et elektrisk signal som indikerer den anvendte kraft, KARAKTERISERT VED at f øle-anordningen omfatter en variabel kapasitansanordning (26, 27) med en kapasitans som varierer som reaksjon på forskyvning av prøvemassen (16), en oscillatoranordning (30) for mating av den variable kapasitansanordning (26, 27), og en fasefølsom detektoranordning (33) for deteksjon av variasjon i fasen av utgangssignalet fra den variable kapasitansanordning (26, 27) forårsaket av forskyvning av prøvemassen ( 16) .