RU2344287C2 - Triaxial gyroscopic unit - Google Patents
Triaxial gyroscopic unit Download PDFInfo
- Publication number
- RU2344287C2 RU2344287C2 RU2007100547/03A RU2007100547A RU2344287C2 RU 2344287 C2 RU2344287 C2 RU 2344287C2 RU 2007100547/03 A RU2007100547/03 A RU 2007100547/03A RU 2007100547 A RU2007100547 A RU 2007100547A RU 2344287 C2 RU2344287 C2 RU 2344287C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gyroscopes
- housing
- resonator
- evacuated
- gyroscopic
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области навигационной техники, а именно к гироскопической аппаратуре, используемой преимущественно в составе бортовых инерциальных навигационных систем миниатюрного исполнения.The invention relates to the field of navigation technology, in particular to gyroscopic equipment, used mainly in the composition of onboard inertial navigation systems of miniature design.
Трехосные гироскопические блоки предназначаются для определения проекций входных угловых скоростей на оси чувствительности их гироскопических датчиков. Помимо гироскопических блоков, в упомянутых выше системах обычно используют и другие базовые чувствительные элементы, например акселерометры, предназначенные для измерения ускорений, обслуживающую указанную аппаратуру бортовую электронику и пр.Three-axis gyroscopic blocks are designed to determine the projections of the input angular velocities on the sensitivity axis of their gyroscopic sensors. In addition to gyroscopic units, the above-mentioned systems usually also use other basic sensitive elements, for example, accelerometers designed to measure acceleration, on-board electronics serving the indicated equipment, etc.
Инерциальные навигационные системы в целом позволяют решать комплексную задачу навигации объекта, заключающуюся в определении параметров его движения, а именно координат объекта, величины и направления его скорости.Inertial navigation systems as a whole make it possible to solve the complex task of navigating an object, which consists in determining the parameters of its movement, namely the coordinates of the object, the magnitude and direction of its speed.
Благодаря своим особым потребительским качествам, обусловленным в основном миниатюрностью исполнения (поперечные размеры ограничены цилиндрической поверхностью диаметром не более 40 мм), высоким весовым совершенством, вибропрочностью (амплитудой 40g в частотном диапазоне от 3 до 250 Гц), точностными характеристиками (случайная составляющая дрейфа на уровне 0,1 град./ч), способностью противостоять перегрузкам (до 60g при длительности импульса 8÷12 мс) и функционировать в достаточно широком диапазоне температуры (от - 40 до +80°С), а также малым энергопотреблением (порядка 4 Вт) и временем подготовки к работе (5 с) и пр., заявленный гироскопический блок может без особых затруднений размещаться на различного рода подвижных объектах с ограниченным монтажным объемом и энергопитанием, эксплуатируемых в экстремальных условиях. В частности, гироскопический блок может органически встраиваться в используемые для контроля геометрических параметров нефтегазовых скважин забойные телеметрические системы (ЗТС), располагаемые непосредственно на борту буровой колоны. В этом случае определение параметров скважин осуществляется без нарушения процесса бурения. Реализуемая на практике технология бурения подразумевает чередование непосредственного бурения с относительно небольшими остановками, используемыми обычно для наращивания очередной трубы. Поэтому, с учетом вышеупомянутого быстродействия заявленного трехосного гироскопического блока, задача определения угловой ориентации скважины в данном случае может быть успешно решена именно в моменты технологических остановок, т.е. фактически без каких-либо отклонений от существующей технологии бурения.Due to its special consumer qualities, mainly due to the miniature design (the transverse dimensions are limited by a cylindrical surface with a diameter of not more than 40 mm), high weight perfection, vibration resistance (40 g amplitude in the frequency range from 3 to 250 Hz), accuracy characteristics (random drift component at the level of 0.1 deg./h), the ability to withstand overloads (up to 60g with a pulse duration of 8 ÷ 12 ms) and function in a fairly wide temperature range (from - 40 to + 80 ° С), as well as low energy consumption (about 4 W) and preparation time for work (5 s), etc., the claimed gyroscopic unit can be placed without any difficulty on various kinds of moving objects with limited mounting volume and power supply, operated in extreme conditions. In particular, the gyroscopic unit can be organically integrated into downhole telemetry systems (ZTS) used to control the geometric parameters of oil and gas wells located directly on board the drill string. In this case, the determination of well parameters is carried out without disturbing the drilling process. The drilling technology implemented in practice involves the alternation of direct drilling with relatively few stops, usually used to build another pipe. Therefore, taking into account the aforementioned performance of the claimed triaxial gyroscopic unit, the task of determining the angular orientation of the well in this case can be successfully solved precisely at the moments of technological stops, i.e. virtually no deviation from existing drilling technology.
Помимо измерения угловой ориентации, ЗТС позволяет определить и ряд дополнительных технологических параметров скважины. В принципе, заявленный трехосный гироскопический блок может быть использован для измерения углового положения скважины и традиционным способом, а именно - в составе соответствующего, подвешиваемого на кабеле или тросе, автономного скважинного инклинометра.In addition to measuring the angular orientation, the ZTS allows you to determine a number of additional technological parameters of the well. In principle, the claimed triaxial gyroscopic unit can be used to measure the angular position of the well in the traditional way, namely as part of a corresponding, self-contained borehole inclinometer suspended on a cable or cable.
Однако измерения углового положения скважины таким способом не технологичны, поскольку спуск инклинометра в забой и подъем его оттуда осуществляется в данном случае при остановленной буровой и могут занимать несколько часов. При этом в ряде случаев, даже при относительно небольшой частоте контроля кривизны скважины, связанные с этим непроизводственные затраты могут оказаться неприемлемыми.However, measurements of the angular position of the well in this way are not technologically advanced, since the inclinometer is lowered into the bottom and raised from there in this case when the rig is stopped and can take several hours. Moreover, in some cases, even with a relatively low frequency of monitoring the well curvature, the non-production costs associated with this may be unacceptable.
Настоятельная необходимость создания гироскопической аппаратуры нового поколения, подобного заявленной, очевидна и обусловлена, в основном, двумя соответствующими факторами. К первому можно отнести резкое наращивание в последнее время объемов бурения нефтяных и газовых скважин и возрастание числа горизонтальных, направленных и морских скважин, при прокладке которых необходимы частые замеры их кривизны. Второй связан с тем, что подавляющее количество из эксплуатируемых сегодня отечественных и зарубежных инклинометров построено на традиционной элементной базе и относительно устаревших технических решениях, не отвечающих современному техническому уровню, а следовательно, не обеспечивающих конкурентоспособности на рынке оборудования рассматриваемого класса.The urgent need to create a new generation of gyroscopic equipment, similar to the declared one, is obvious and is due mainly to two relevant factors. The first can be attributed to the recent sharp increase in the volume of drilling of oil and gas wells and an increase in the number of horizontal, directional and offshore wells, during the laying of which frequent measurements of their curvature are necessary. The second is due to the fact that the overwhelming majority of domestic and foreign inclinometers in operation today are built on a traditional element base and relatively outdated technical solutions that do not meet the modern technical level, and therefore do not ensure competitiveness in the market for equipment of the class in question.
Помимо нефтегазовой отрасли указанное изобретение может быть использовано в традиционных отраслях хозяйства (авиации, морсом флоте, ракетной и космической технике), а также при проведении некоторых специальных работ.In addition to the oil and gas industry, this invention can be used in traditional sectors of the economy (aviation, sea fleet, rocket and space technology), as well as during some special operations.
Известно достаточно большое количество аналогов изобретения как отечественной, так и зарубежной разработки [см., например, «Инженерный справочник по космической технике» под редакцией проф…, докт. техн. наук А.В.Солодова. М., «Воениздат», 1969, ББК 6Т6 (083), УДК 629.19 (083), стр.350-361; D.Lynch, A.Matthews, G.N.Varty, Материалы симпозиума по гироскопической технологии в Штутгарте (Германия), 1977, стр.9.0.-9.21); «Спутник буровика». Иогансен К.В. М., «Недра», 1981, УДК 622.24 (031), стр.152, табл.136, рис.26; «Физический энциклопедический словарь», глав. ред. А.М.Прохоров, ред. колл. Д.М.Алексеев и др. М.: «Советская энциклопедия», 1984, ББК 53 (03), Ф50, стр.125-127, 276, 277; Ковшов Г.Н., Алимбеков Р.И., Жибер А.И. Инклинометры. - Уфа: Гилем, 1998. - 380 с.; «Практикум по инженерной геодезии», под ред. проф., докт. тех. наук В.Е.Новака. Изд. третье, перераб. и доп. М., «Недра», 1987, УДК 528.48, стр.169-176; Пат. US 5.712.427, G01P 009/04, 22.01.98 г.; Ковшов Г.Н., Бодунов С.Б. «Гироинклинометр для измерения при бурении». Совместная научная сессия Секции навигационных систем и их чувствительных элементов и С.-Петербургской секции прецизионной гироскопии по теме: «Скважинная навигация, инклинометрия и навигация»: Тезисы докл. - Гироскопия и навигация. 1999. - №3. - стр.25; Бодунов Б.П., Бодунов С.Б., Лопатин В.М., Чупров В.П. «Разработка и испытание волнового твердотельного гироскопа для использования в инклинометрической системе» - VII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам: Тез: докл. - Гироскопия и навигация. 2001, №2, стр.121].A fairly large number of analogues of the invention are known, both domestic and foreign, [see, for example, "Engineering Reference for Space Technology" edited by prof., Doct. tech. Sciences A.V. Solodova. Moscow, Military Publishing House, 1969, BBK 6T6 (083), UDC 629.19 (083), pp. 350-361; D. Lynch, A. Matthews, G.N. Varty, Proceedings of the symposium on gyroscopic technology in Stuttgart (Germany), 1977, p. 9.0.-9.21); "Driller's satellite." Johansen K.V. M., "Nedra", 1981, UDC 622.24 (031), p. 152, PL. 136, Fig. 26; “Physical Encyclopedic Dictionary”, chapters. ed. A.M. Prokhorov, ed. call D.M. Alekseev et al. M .: “Soviet Encyclopedia”, 1984, LBC 53 (03), F50, pp. 125-127, 276, 277; Kovshov G.N., Alimbekov R.I., Giber A.I. Inclinometers. - Ufa: Gilem, 1998 .-- 380 p .; "Workshop on Engineering Geodesy", ed. Prof. Dr. those. Sciences of V.E. Novak. Ed. third, reslave. and add. M., "Nedra", 1987, UDC 528.48, pp. 169-176; Pat. US 5.712.427, G01P 009/04, 01/22/98; Kovshov G.N., Bodunov S.B. "Gyroinclinometer for measuring while drilling." Joint scientific session of the Section of navigation systems and their sensitive elements and the St. Petersburg section of precision gyroscopy on the topic: “Borehole navigation, inclinometry and navigation”: Abstracts dokl. - Gyroscopy and navigation. 1999. - No. 3. - p. 25; Bodunov B.P., Bodunov S.B., Lopatin V.M., Chuprov V.P. “Development and testing of a wave solid-state gyroscope for use in an inclinometric system” - VII St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems: Abstract: dokl. - Gyroscopy and navigation. 2001, No. 2, p. 121].
В большинстве известных инклинометров до настоящего времени используются азимутальные датчики на основе однокатушечных феррозондовых преобразователей, измеряющих проекции вектора магнитного поля Земли (см. упомянутый выше «Физический энциклопедический словарь», стр.808). Существенным недостатком этих датчиков является их чувствительность к ферромагнитным аномалиям, обусловленным, в частности, использованием обсадочных труб из магнитомягких материалов.Most known inclinometers up to now use azimuth sensors based on single-coil flux-gate transducers that measure the projections of the Earth's magnetic field vector (see the “Physical Encyclopedic Dictionary” mentioned above, p. 808). A significant drawback of these sensors is their sensitivity to ferromagnetic anomalies, due, in particular, to the use of casing pipes from soft magnetic materials.
Измерительные датчики других инклинометров относятся к гироскопической аппаратуре так называемого классического типа. Чувствительным элементом таких гироскопов является вращающийся ротор, ось которого может изменять свое направление в пространстве. Указанные гироскопы длительное время применялись в большинстве навигационных систем и в некоторых областях используются в настоящее время. Классические гироскопы отличаются сложностью конструкции, использованием в своем составе ротора, подшипников и других вращающихся частей. По этой причине такие приборы имеют также низкую вибрационную и ударную прочность, ограниченный ресурс работы, высокую потребляемую мощность. Для сохранения же точностных характеристик этих гироскопов в широком диапазоне температур требуется введение системы термостатирования, что существенно усложняет систему в целом.Measuring sensors of other inclinometers belong to the gyroscopic equipment of the so-called classical type. A sensitive element of such gyroscopes is a rotating rotor, the axis of which can change its direction in space. These gyroscopes have been used for a long time in most navigation systems and are currently used in some areas. Classical gyroscopes are distinguished by the complexity of the design, the use of a rotor, bearings and other rotating parts. For this reason, such devices also have low vibrational and impact strength, limited service life, and high power consumption. To maintain the accuracy characteristics of these gyroscopes in a wide temperature range, the introduction of a temperature control system is required, which significantly complicates the system as a whole.
Несмотря на продолжительное господство классических гироскопов и значительные усилия, направленные на улучшение их характеристик, постепенно предпочтение в навигационной технике стало отдаваться гироскопам нового поколения, работа которых основывается на иных физических принципах, например квантовым и вибрационным (см. «Физический энциклопедический словарь», стр.127, 276, 277).Despite the continued dominance of classical gyroscopes and considerable efforts aimed at improving their characteristics, a new generation of gyroscopes was gradually preferred in navigation technology, the work of which is based on other physical principles, such as quantum and vibrational (see "Physical Encyclopedic Dictionary", p. 127, 276, 277).
К первым из них относятся волоконно-оптические, лазерные и ядерные гироскопы. В основу принципа действия их положено использование особых свойств атомных ядер и электронных частиц, поведение которых описывается законами квантовой механики. Квантовые гироскопы безинерционны, обладают соответствующей стабильностью свойств и могут работать в широком диапазоне температур. Однако они тоже сложны в исполнении, обладают большими габаритными размерами. В связи с рассмотренными особенностями исполнения, а также неспособностью выдержать в течение длительного периода времени эксплутацию в упомянутых выше экстремальных условиях и по ряду других причин практическое использование классических приборов в составе инклинометрического оборудования пока проблематично. Именно поэтому сегодня в практике большинства из отечественных и зарубежных фирм почти нет гироскопических инклинометров указанного типа, непосредственно встраиваемых в конструкцию буровых колонн и обеспечивающих оперативное получение необходимой информации об угловом положении скважин без нарушения существующей технологии бурения.The first of these includes fiber optic, laser and nuclear gyroscopes. The principle of their action is based on the use of the special properties of atomic nuclei and electronic particles, the behavior of which is described by the laws of quantum mechanics. Quantum gyroscopes are inertia-free, have corresponding stability of properties, and can operate in a wide temperature range. However, they are also difficult to perform, have large overall dimensions. In connection with the considered performance features, as well as the inability to withstand operation under the extreme conditions mentioned above for a long period of time and for a number of other reasons, the practical use of classical devices as part of inclinometric equipment is still problematic. That is why today in the practice of most of the domestic and foreign companies there are almost no gyroscopic inclinometers of the indicated type that are directly embedded in the design of drill strings and provide prompt receipt of the necessary information about the angular position of the wells without violating the existing drilling technology.
Вибрационные гироскопы содержат в качестве чувствительного элемента не вращающийся ротор, а вибрирующее тело. Среди них особое место занимают твердотельные волновые гироскопы с полусферическим резонатором.Vibration gyroscopes contain, as a sensing element, not a rotating rotor, but a vibrating body. Among them, a special place is occupied by solid-state wave gyroscopes with a hemispherical resonator.
В основу принципа действия их положен эффект чувствительности вибрирующей твердотельной, в данном случае полусферической оболочки, к вращению основания. Конструктивно они предельно просты в исполнении, поскольку состоят всего из трех или двух функциональных частей, изготовленных из кварцевого стекла, жестко связанных между собой и основанием. По этой причине такие гироскопы и называют твердотельными.The principle of their action is based on the effect of the sensitivity of a vibrating solid-state, in this case hemispherical shell, to the rotation of the base. Structurally, they are extremely simple in execution, since they consist of only three or two functional parts made of quartz glass, rigidly connected between themselves and the base. For this reason, such gyroscopes are called solid state.
Отличительной особенностью твердотельных волновых гироскопов является полное отсутствие в их конструкции движущихся (вращающихся) частей. Колебания полусферического резонатора (оболочки) происходит только в пределах упругих деформаций (амплитудой колебаний 1 микрон, например, на звуковой частоте 8000 Гц). Вследствие простоты конструкции и использования минимального количества деталей такие приборы обладают повышенной надежностью в условиях ударов и вибраций, имеют небольшие габариты, массу и низкое энергопотребление. В них нет также узлов и деталей, которые бы являлись источниками теплового излучения. В зависимости от способа реализации электронных систем твердотельного волнового гироскопа он может функционировать как в режиме непосредственного измерения скорости, так и в режиме ее интегрирования.A distinctive feature of solid-state wave gyroscopes is the complete absence of moving (rotating) parts in their design. Oscillations of a hemispherical resonator (shell) occur only within elastic deformations (vibration amplitude of 1 micron, for example, at an audio frequency of 8000 Hz). Due to the simplicity of design and the use of a minimum number of parts, such devices have increased reliability in conditions of shock and vibration, have small dimensions, weight and low power consumption. They also lack nodes and parts that would be sources of thermal radiation. Depending on the method of implementation of electronic systems of a solid-state wave gyroscope, it can function both in the mode of direct measurement of speed and in the mode of its integration.
Из числа известных аналогов заявленного технического решения ближайшим (прототипом) может служить использованный в составе соответствующего забойного инклинометра трехосный гироскопический блок бортовой инерциальной навигационной системы, конструктивное исполнение и описание которого приведены в пат. US 6.453.239 B1, Е21В 47/22, 17.09.2002 г. Известный трехосный гироскопический блок бортовой инерциальной навигационной системы содержит вакуумируемый посредством обезгаживания на протяжении всего срока эксплуатации механический корпус цилиндрической конфигурации с соответствующими установочно-присоединительными элементами и три герметично встроенные в него с последовательным расположением один за другим ортогонально ориентированные относительно друг друга одноосных твердотельных волновых гироскопа. При этом каждый из твердотельных волновых гироскопов выполнен из двух изготовленных из кварцевого стекла и скрепленных между собой основных функциональных деталей и снабжен соответствующими гермовыводами и токопроводами для присоединения к обслуживающему гироскопы блоку электроники вышеупомянутой системы.Of the known analogues of the claimed technical solution, the closest (prototype) can be the triaxial gyroscopic unit of the inertial navigation system used in the corresponding downhole inclinometer, the design and description of which are given in US Pat. US 6.453.239 B1,
Одной из этих деталей является снабженный центральным держателем стержневого типа полусферический резонатор, а другой - располагаемая с зазором внутри него электромеханическая плата, примыкающая к внутренней поверхности полусферы, фрагмент которой сформирован в виде шарового сегмента с центральной выборкой и соответствующими металлизированными электродами круглой, трапециевидной или иной формы, использованными для возбуждения резонатора и регистрации его колебаний.One of these parts is a hemispherical resonator equipped with a central rod-type holder, and the other is an electromechanical circuit board with a gap inside it, adjacent to the inner surface of the hemisphere, a fragment of which is formed as a spherical segment with a central sample and corresponding metallized electrodes of a round, trapezoidal or other shape used to excite the resonator and register its oscillations.
В скрепленном виде указанные детали каждого из твердотельных волновых гироскопов размещают с обеспечением герметизации в снабженных автономными газопоглотителями вакуумируемых металлических корпусных секциях. И далее, в процессе монтажа собранных таким образом твердотельных волновых гироскопов на общей корпусной детали (секции), вышеупомянутый корпус становится многосекционным.In bonded form, these parts of each of the solid-state wave gyroscopes are placed to provide sealing in vacuum-powered metal case sections equipped with autonomous getters. And further, in the process of mounting the solid-state wave gyroscopes assembled in this way on a common body part (section), the aforementioned body becomes multi-section.
Из вышерассмотренных именно трехосные гироскопические блоки на основе твердотельных волновых гироскопов (ТВГ) с чувствительным элементом в виде полусферического резонатора наиболее всего подходят для решения навигационных задач, связанных с ориентацией буровых скважин, поскольку благодаря относительно небольшим габаритам и малому энергопотреблению они могут встраиваться в конструкцию многих типоразмеров существующих инклинометров.Of the above, it is precisely the triaxial gyroscopic units based on solid-state wave gyroscopes (TWG) with a sensitive element in the form of a hemispherical resonator that are most suitable for solving navigation problems associated with the orientation of boreholes, since due to their relatively small dimensions and low power consumption, they can be integrated into the design of many standard sizes existing inclinometers.
Недостатки известного гироскопического блока обусловлены, в основном, вышерассмотренными особенностями конструктивного исполнения корпуса, а также размещением на нем большого количества газопоглотителей и рядом других причин. Так, вследствие многосекционности исполнения металлоконструкция известного блока нерациональна. Указанная особенность значительно усложняет сборку изделия и приводит в увеличению его габаритов и массы. Такой же негативный вклад привносит и наличие большого количества газопоглотителей. Очевидно также, что наличие в известном блоке большого количества составных частей и используемых для сопряжения соединений, помимо вышеотмеченного, делают его конструкцию менее жесткой и недостаточно надежной. Кроме того, наличие избыточного количества деталей в конструкции ТВГ приводит к низкой стабильности взаимного расположения осей чувствительности гироскопов, установленных в составе единого корпуса, при изменении температуры.The disadvantages of the known gyroscopic unit are mainly due to the above-mentioned features of the design of the housing, as well as the placement of a large number of getters on it and a number of other reasons. So, due to the multi-sectional design, the metal structure of the known block is irrational. This feature significantly complicates the assembly of the product and leads to an increase in its dimensions and mass. The presence of a large number of getters also makes a negative contribution. It is also obvious that the presence in the known block of a large number of components and compounds used for pairing, in addition to the above, make its design less rigid and not sufficiently reliable. In addition, the presence of an excessive number of parts in the design of the TWG leads to low stability of the relative position of the sensitivity axes of the gyroscopes installed in a single housing when the temperature changes.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышерассмотренных недостатков известных аналогов и прототипа заявляемого трехосного гироскопического блока, а именно - улучшение его технико-эксплуатационных качеств, позволяющих достигнуть современного технического уровня и конкурентоспособности такого рода оборудования, а также соответствующего снижения стоимости и сокращения сроков его создания. В соответствии с изобретением она достигается конкретной совокупностью существенных признаков заявленного гироскопического блока, приведенной ниже по тексту.The objective of the present invention is to eliminate the above disadvantages of the known analogues and the prototype of the inventive triaxial gyro unit, namely, improving its technical and operational qualities, allowing to achieve the modern technical level and competitiveness of this kind of equipment, as well as the corresponding reduction in cost and shortening the time of its creation. In accordance with the invention, it is achieved by a specific set of essential features of the claimed gyroscopic unit, which is given below.
К совокупности существенных признаков, характеризующих заявленный трехосный гироскопический блок бортовой инерциальной навигационной системы, относятся:The essential features characterizing the claimed triaxial gyroscopic unit of the onboard inertial navigation system include:
1) выполнение гироскопического блока трехосным;1) the implementation of the gyroscopic unit triaxial;
2) принадлежность гироскопического блока к бортовой инерциальной навигационной системе;2) the gyroscopic unit belongs to the onboard inertial navigation system;
3) наличие вакуумируемого, с обеспечением обезгаживания посредством поглощения, металлического корпуса цилиндрической конфигурации с соответствующими установочно-присоединительными элементами;3) the presence of evacuated, with the provision of degassing by absorption, of a metal body of a cylindrical configuration with appropriate mounting and connecting elements;
4) наличие трех герметично встроенных в корпус одноосных твердотельных волновых гироскопов;4) the presence of three hermetically integrated uniaxial solid-state wave gyroscopes in the housing;
5) последовательное расположение гироскопов один за другим;5) the sequential arrangement of gyroscopes one after another;
6) непараллельная и, в частности, ортогональная ориентация гироскопов по отношению друг к другу;6) non-parallel and, in particular, orthogonal orientation of the gyroscopes with respect to each other;
7) выполнение гироскопов из двух изготовленных из кварцевого стекла и скрепленных между собой деталей, одной из которых является снабженный центральным держателем стержневого типа полусферический резонатор, а другой - располагаемая с зазором внутри последнего электромеханическая плата;7) the implementation of gyroscopes from two made of quartz glass and fastened to each other parts, one of which is a hemispherical resonator equipped with a central rod-type holder, and the other is an electromechanical board located with a gap inside the latter;
8) выполнение примыкающего к внутренней поверхности полусферы фрагмента платы в виде шарового сегмента с центральной выборкой и восемью электродами трапециевидной формы, используемыми для возбуждения резонатора и регистрации его колебаний;8) the implementation of a board fragment adjacent to the inner surface of the hemisphere in the form of a spherical segment with a central sample and eight trapezoidal electrodes used to excite the resonator and register its oscillations;
9) снабжение каждого из твердотельных волновых гироскопов соответствующими гермовыводами и токоподводами для подсоединения к обслуживающему гироскопы блоку электроники вышеупомянутой системы;9) supplying each of the solid-state wave gyroscopes with the corresponding pressure outputs and current leads for connecting to the electronics unit of the aforementioned system to the gyroscopes;
10) металлизация наружной и торцевой поверхностей полусфер резонаторов каждого из гироскопов для формирования рабочей емкости между резонатором и электромеханической платой;10) metallization of the outer and end surfaces of the hemispheres of the resonators of each of the gyroscopes to form a working capacitance between the resonator and the electromechanical circuit board;
11) формирование электродов круглой, трапециевидной или иной формы на наружной шарообразной поверхности электромеханических плат;11) the formation of round, trapezoidal or other electrodes on the outer spherical surface of electromechanical boards;
12) выполнение вакуумируемого корпуса гироскопического блока в виде односекционной монолитной детали стержневого типа;12) the implementation of the evacuated housing of the gyroscopic unit in the form of a single-section monolithic rod-type parts;
13) формирование в теле корпуса гироскопического блока четырех последовательно расположенных одно за другим посадочных гнезд, три из которых непараллельно и, в частности, ортогонально ориентированы по отношению друг к другу и предназначены для размещения в них твердотельных волновых гироскопов, а четвертое - под единый для всех вакуумируемых полостей газопоглотитель с поглощающей способностью, рассчитанной на весь срок эксплуатации блока;13) the formation in the body of the body of the gyroscopic unit of four successive landing nests, three of which are parallel and, in particular, orthogonally oriented with respect to each other and are designed to accommodate solid-state wave gyroscopes in them, and the fourth - under a common for all evacuated cavities getter with absorbing capacity, designed for the entire life of the unit;
14) сообщение полостей всех посадочных гнезд между собой общим вакуумным каналом;14) communication of the cavities of all landing nests with each other by a common vacuum channel;
15) ограничение вакуумируемого объема корпуса с одной из торцевых сторон последнего телом продольно-ориентированного гироскопа, а с другой - используемым для откачки и обезгаживания ниппелем;15) restriction of the evacuated volume of the housing from one of the end sides of the latter by the body of a longitudinally oriented gyroscope, and on the other hand, used for pumping and degassing with a nipple;
16) жесткое соединение резонаторов и электромеханических плат каждого из гироскопов напрямую посредством клеевого соединения или методом пайки, без использования каких-либо промежуточных деталей;16) a rigid connection of the resonators and electromechanical boards of each of the gyroscopes directly by means of an adhesive connection or by soldering, without using any intermediate parts;
17) подвеска резонаторов и электромеханических плат каждого из гироскопов в сочлененном виде через прикрепленные к ним металлические стыковочные крышки, снабженные развитыми кольцевидными присоединительными буртиками, на опорно-установочных поверхностях посадочных гнезд корпуса с ориентацией полусферами резонаторов в сторону донной части гнезд и жестким закреплением и герметизацией по месту монтажа посредством сварки;17) suspension of the resonators and electromechanical boards of each of the gyroscopes in articulated form through metal docking caps attached to them, equipped with developed annular connecting flanges, on the supporting and mounting surfaces of the landing seats of the casing with the hemispheres of the resonators oriented toward the bottom of the nests and rigidly securing and sealing along place of installation by welding;
18) заглубление поперечно ориентированных гироскопов в посадочные гнезда заподлицо с внешними обводами цилиндрической поверхности корпуса;18) the penetration of transversely oriented gyroscopes into the landing nests flush with the outer contours of the cylindrical surface of the housing;
19) экранировка продольно ориентированного гироскопа снаружи присоединяемым к торцевой части корпуса защитным металлическим хвостовиком;19) shielding a longitudinally oriented gyroscope from the outside by a protective metal shank connected to the end part of the housing;
20) размещение используемых для соединения электродов плат гироскопов с блоком обслуживающей их электроники;20) placement of the gyroscope boards used to connect the electrodes to the electronics unit serving them;
21) формирование в корпусе для прокладки токоподводов монтажных пазов;21) the formation in the housing for laying current leads of mounting grooves;
22) выполнение прокладки токоподводов по кратчайшим трассам с дискретным закреплением их в монтажных пазах при помощи соответствующей мастики или герметика;22) the laying of current leads along the shortest routes with discrete fastening them in the mounting grooves using the appropriate mastic or sealant;
23) установка газопоглотителя в посадочное гнездо корпуса с таким же заглублением, как и поперечно ориентированных гироскопов с жестким закреплением и герметизацией посредством сварки;23) installation of a getter in the landing socket of the housing with the same depth as transversely oriented gyroscopes with rigid fastening and sealing by welding;
24) выполнение установочно-присоединительных элементов, обеспечивающих механическое сопряжение корпуса гироскопического блока с другими частями, например блоком акселерометров, инерциальной навигационной системы и бортом объекта и, в частности, скважинного инклинометра, на котором она размещается на одном из концов корпуса в виде сформированного в теле его защитного хвостовика резьбового присоединителя, а с противоположной стороны - в виде прикрепленной к корпусу посредством болтового соединения съемной переходной втулки, снабженной соответствующими соосно расположенными посадочными поверхностями, стыковочными отверстиями, элементами позиционирования сопрягаемых частей относительно друг друга и встроенным в нее осевым электрическим присоединителем;24) the implementation of installation and connecting elements, providing mechanical coupling of the gyroscopic unit body with other parts, for example, the unit of accelerometers, inertial navigation system and the side of the object, and in particular, the downhole inclinometer on which it is placed at one end of the body in the form of a body its protective shank of the threaded connector, and on the opposite side - in the form of a removable adapter sleeve attached to the housing by means of a bolt connection, equipped corresponding coaxially arranged seat surface, the mating holes, the positioning elements mating portions relative to each other and embedded in it an axial electric attacher;
25) выполнение невакуумируемой части металлического корпуса с дополнительно сформированными в ее теле тремя последовательно расположенными одна за другой резервными полостями непараллельно и, в частности, ортогонально ориентированными по отношению друг к другу и предназначенными для размещения в них акселерометров навигационной системы либо без них.25) the implementation of the non-evacuated part of the metal case with three additional cavities additionally formed in its body sequentially arranged one after another, non-parallel and, in particular, orthogonally oriented with respect to each other and designed to accommodate or without the accelerometers of the navigation system.
Совпадающими в прототипе и заявляемом изобретении являются первые одиннадцать существенных признаков, приведенных в данном перечне, а остальные - отличительными. При этом все указанные признаки относятся к существенным, поскольку каждый из них существенным образом (в той или иной мере) влияет на достигаемый при осуществлении заявляемого изобретения результат, т.е. находится с ним в причинно-следственной связи.Matching in the prototype and the claimed invention are the first eleven essential features listed in this list, and the rest are distinctive. Moreover, all of these signs are significant, since each of them significantly (to one degree or another) affects the result achieved during the implementation of the claimed invention, i.e. is in causal connection with him.
Характер указанного влияния, применительно к каждому из отличительных признаков, детально рассмотрен ниже по тексту при пояснении сущности заявленного изобретения.The nature of this effect, with respect to each of the distinguishing features, is discussed in detail below in the text when explaining the essence of the claimed invention.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где изображены:The essence of the invention is illustrated in the drawing, which shows:
на фиг.1 - общий вид, в разрезе, заявленного трехосного гироскопического блока (установочно-присоединительный элемент поз.5 не показан);figure 1 is a General view, in section, of the claimed triaxial gyroscopic unit (mounting and connecting element pos.5 not shown);
на фиг.2 - поперечный разрез А-А (см. фиг.1) гироскопического блока по месту расположения одного из поперечно ориентированных твердотельных волновых гироскопов;figure 2 is a transverse section aa (see figure 1) of the gyroscopic unit at the location of one of the transversely oriented solid-state wave gyroscopes;
на фиг.3 - выносной элемент Б (см. фиг.1), поясняющий особенности монтажа ТВГ;figure 3 - remote element B (see figure 1), explaining the features of the installation of TVG;
на фиг.4 - выносной элемент В, поясняющий особенности присоединения защитного хвостовика к торцу корпуса гироскопического блока со стороны продольно ориентированного ТВГ;figure 4 - remote element B, explaining the features of attaching the protective shank to the end of the body of the gyroscopic unit from the side of the longitudinally oriented TWG;
на фиг.5 - общий вид полусферического резонатора и электромеханической платы ТВГ в расстыкованном положении (аксонометрическая проекция);figure 5 is a General view of the hemispherical resonator and the electromechanical board of the TVG in the undocked position (axonometric projection);
на фиг.6 - выносной элемент Г (см. фиг.1), поясняющий особенности жесткого сочленения полусферического резонатора и электромеханической платы ТВГ посредством клеевого соединения или методом пайки;in Fig.6 is an external element G (see Fig.1), explaining the features of the hard joint of the hemispherical resonator and the electromechanical board of the TVG by means of an adhesive joint or by soldering;
на фиг.7 - схема расположения электродов и осей ТВГ (1-8 - номера электродов; X, - X, Y, -Y - оси);in Fig.7 - arrangement of the electrodes and axes of the TWG (1-8 - number of electrodes; X, - X, Y, -Y - axis);
на фиг.8 - схема действия сил Кориолиса на вибрирующий полусферический резонатор ТВГ (А, А', В, В' - точки на кромке резонатора; Fc - Кориолисова сила; 
на фиг.9 - характер изменения ориентации волновой картины колебаний при повороте резонатора ТВГ: (а) - первоначальная волновая картина, (б) волновая картина после поворота корпуса,
на фиг.10 - общий вид заявляемого трехосного гироскопа с присоединенным к его корпусу установочно-присоединительным элементом, выполненным в виде съемной переходной втулки;figure 10 is a General view of the inventive triaxial gyro with attached to its body mounting and connecting element, made in the form of a removable adapter sleeve;
на фиг.11 - общий вид заявляемого трехосного гироскопического блока, пристыкованного к шасси инклинометра с расположенным в нем блоком акселерометров инерциальной навигационной системы;figure 11 is a General view of the inventive triaxial gyroscopic unit docked to the chassis of the inclinometer with the accelerometer unit of the inertial navigation system located in it;
на фиг.12 - поперечный разрез Д-Д (см. фиг.11) заявляемого трехосного гироскопического блока по месту расположения съемной переходной втулки;in Fig.12 is a transverse section DD (see Fig.11) of the inventive triaxial gyro unit at the location of the removable adapter sleeve;
на фиг.13 - вариант использования инклинометрического оборудования (инерциальной навигационной системы) в составе буровой колонны;Fig.13 is an embodiment of the use of inclinometric equipment (inertial navigation system) as part of a drill string;
на фиг.14 - общий вид автономного скважинного инклинометра, опущенного в забой.on Fig is a General view of an autonomous downhole inclinometer, lowered into the face.
Конструктивно заявленный трехосный гироскопический блок 1 бортовой инерциальной навигационной системы 2 содержит (см. фиг.1-7, 10-12) вакуумируемый, с обеспечением обезгаживания посредством поглощения, металлический корпус 3 цилиндрической конфигурации с соответсвующими установочно-присоединительными элементами 4, 5 и три герметично встроенных в него с последовательным расположением один за другим непараллельной и, в частности, ортогональной ориентацией по отношению друг к другу ТВГ 6, каждый из которых выполнен из двух изготовленных из кварцевого стекла и скрепленных между собой деталей 32, 33, одной из которых является снабженный центральным держателем 7 стержневого типа полусферический резонатор 8, а другой - располагаемая с зазором внутри последнего электромеханическая плата 9, примыкающий к внутренней поверхности 10 полусферы 11, фрагмент которой сформирован в виде шарового сегмента 12 с центральной выборкой 13 и соответствующими электродами 14 круглой, трапециевидной или иной формы, используемыми для возбуждения резонатора и регистрации его колебаний, и снабжен соответствующими гермовыводами 15 и токоподводами 16 для присоединения к обслуживающему гироскопы блоку электроники 17.Structurally, the claimed triaxial
Вакуумируемый корпус 3 гироскопического блока 1 выполнен в виде односекционной монолитной детали стержневого типа. В теле корпуса 3 сформированы четыре последовательно расположенных одно за другим и сообщенных между собой общим вакуумным каналом 18 посадочных гнезда 19-22.The
Три из указанных гнезд 19-21 непараллельно и, в частности, ортогонально ориентированы по отношению друг к другу и предназначены для размещения в них ТВГ 6. Четвертое гнездо 22 предназначено под единый для всех вакуумируемых полостей 23-26 корпуса 3 газопоглотитель 27 с поглощающей способностью, рассчитанной на весь срок эксплуатации гироскопического блока. При этом одной из торцовых сторон вакуумируемый объем 28 корпуса 3 ограничен телом продольного гироскопа 6, а другой - используемым для откачки воздуха и обезгаживания его ниппелем 29.Three of the indicated sockets 19-21 are non-parallel and, in particular, orthogonally oriented with respect to each other and are designed to accommodate the
Благодаря заложенным в основу металлоконструкции корпуса заявляемого гироскопического блока техническим решениям она отличается от вышеупомянутых известных аналогов и прототипа глубокой упорядоченностью и рациональностью как в своем построении, так и концептуальном плане. Выполнение корпуса односекционным позволяет объединить возлагаемые на него функции крепления размещаемых в нем элементов блока и вакуумирования монтажных полостей. Простота конструктивного исполнения корпуса придает ему высокую технологичность и обеспечивает необходимое удобство монтажа и обслуживания встраиваемых элементов.Due to the technical solutions laid down in the basis of the metal structure of the housing of the claimed gyroscopic unit, it differs from the above-mentioned well-known analogues and prototype in its deep orderliness and rationality both in its construction and in conceptual terms. The single-section housing allows you to combine the functions assigned to it of attaching the block elements placed in it and evacuating the mounting cavities. The simplicity of the design of the housing gives it high adaptability and provides the necessary ease of installation and maintenance of built-in elements.
В силовом плане конструкция корпуса заявляемого блока обладает необходимой прочностью и жесткостью при минимально возможных габаритах. Общая длина его с учетом размеров установочно-присоединительных элементов гораздо меньше, чем у известных аналогов и прототипа, а диаметр не превышает 40 мм. Указанная минимизация размеров обеспечивает корпусу достаточно высокое весовое совершенство.In power terms, the design of the housing of the claimed unit has the necessary strength and rigidity with the smallest possible dimensions. Its total length, taking into account the dimensions of the mounting and connecting elements, is much smaller than that of the known analogues and prototype, and the diameter does not exceed 40 mm. The specified minimization of dimensions provides the body with a sufficiently high weight perfection.
Наружная и торцевая поверхности 30, 31 полусфер 11 резонаторов 8 каждого из гироскопов 6 металлизированы для обеспечения рабочих емкостей между резонаторами и соответствующими электромеханическими платами и для управления резонаторами.The outer and end surfaces 30, 31 of the
Резонаторы 8 и электромеханические платы 9 каждого из гироскопов 6 жестко сочленены друг с другом напрямую посредством соответствующего клеевого соединения или методом пайки 34, без использования каких-либо промежуточных деталей. Указанная особенность исполнения обеспечивает максимально возможную степень минимизации соответствующих размеров собранных таким образом узлов. При этом жесткое соединение в данном случае значительно повышает предел необратимых деформаций конструкции при воздействии на нее в процессе эксплуатации соответствующих рабочих нагрузок.
В сочлененном виде обе из вышеперечисленных деталей 8 и 9, через прикрепленные к ним металлические стыковочные крышки 35, снабженные развитыми кольцевидными буртиками 36, подвешивают на опорно-установочных поверхностях 37 посадочных гнезд 19-21 корпуса 3, с ориентацией полусферами 11 резонаторов 8 в сторону донной части 38 гнезд и жестким закреплением и герметизацией по месту монтажа посредством сварки. При этом поперечно ориентированные гироскопы 6 оказываются заглубленными в гнезда 19, 20 заподлицо с внешними обводами 39 цилиндрической поверхности 40 корпуса 3, а продольно ориентированный - экранирован снаружи присоединяемым к торцевой части 41 последнего защитным металлическим хвостовиком 42.In articulated form, both of the
С таким же заглублением, как и поперечно ориентированные гироскопы 6, в посадочное гнездо 22 корпуса 3 установлен и газопоглотитель 27, также закрепляемый по месту монтажа с обеспечением необходимой герметизации посредством сварки. Вышеуказанные особенности конструкции и, в первую очередь, миниатюрность исполнения ТВГ и газопоглотителей обеспечивают безупречность компоновки размещенных в корпусе блока его составных частей, компактность и высокое совершенство изделия. С технологической точки зрения данная компоновка не вызывает каких-либо затруднений. Монтаж сопрягаемых частей предельно прост, поскольку для этого предусмотрены соответствующие достаточно эффективные элементы их базирования и ориентации.With the same depth as transversely oriented
Заглубление и экранировка встраиваемых в корпус частей блока исключает выступание их за внешние обводы последнего и вероятность случайного механического повреждения как на этапе изготовления, так и при установке на борт 43 объекта 44 (например, инклинометра).The deepening and shielding of the unit parts built into the case excludes their protrusion beyond the outer contours of the latter and the probability of accidental mechanical damage both at the manufacturing stage and when the object 44 (for example, an inclinometer) is installed on
Используемые для соединения электродов плат 9 гироскопов 6 с обслуживающим их блоком электроники 17 гермовыводы 15 размещены на их стыковочных крышках 35. Указанная конструктивная особенность обеспечивает свободный доступ к ним и удобство монтажа токопроводов 16.The hermetic leads 15 used to connect the electrodes of the
Для прокладки токопроводов 16 в корпусе 3 гироскопического блока 6 сформированы монтажные пазы 45. При этом прокладка указанных токопроводов 16 выполнена по кратчайшим трассам с обеспечением дискретного закрепления их в монтажных пазах 45 при помощи соответствующей мастики или герметика. Данное техническое решение позволяет упорядочить пространственное расположение токоподводов с исключением петель провисания большой величины.For laying the
Установочно-присоединительные элементы 4, 5 заявленного гироскопического блока 1, обеспечивающие механическое сопряжение его корпуса 3 с другими частями, например блоком 46 акселерометров 47 инерциальной навигационной системы 2 и бортом 43 объекта 44, и в частности шасси, скважинного инклинометра, на котором она размещается, выполнены на одном из концов корпуса в виде сформированного в теле его защитного хвостовика 42 резьбового присоединителя, а с противоположной стороны - в виде прикрепленной к корпусу посредством болтового соединения 48 съемной переходной втулки, снабженной соответствующими соосно расположенными посадочными поверхностями 49, 50, стыковочными отверстиями 51, элементами позиционирования 52 сопрягаемых частей относительно друг друга и встроенным в нее осевым электрическим присоединителем 53.Installation and connecting
Резьбовой присоединитель 4 предназначен для соединения заявляемого гироскопического блока 1 с амортизатором 54 инклинометра 44, а съемная переходная втулка 5 - с шасси 43 последнего и блоком 46 акселерометров 47 инерциальной навигационной системы 2.The threaded connector 4 is designed to connect the inventive
Конструкция указанных установочно-присоединительных элементов предельно проста и позволяет быстро устанавливать заявленный гироскопический блок на рабочее место, с обеспечением необходимой точности позиционирования, и демонтировать его при необходимости, например в случае отказа, на предмет замены новым. В принципе, конструктивное исполнение указанных установочно-присоединительных элементов может быть и иным.The design of these installation and connecting elements is extremely simple and allows you to quickly install the claimed gyroscopic unit at the workplace, ensuring the necessary positioning accuracy, and dismantle it if necessary, for example in case of failure, for replacement with a new one. In principle, the design of these installation and connecting elements may be different.
Входящие в состав заявляемого блока ТВГ Кориолисова типа, поскольку в данном случае входная угловая скорость W взаимодействует с вектором линейной скорости V, вызывая тем самым Кориолисову силу F=2W×V. Для оболочки вектор скорости V - это, собственно, линейная скорость частиц резонатора, совершающих колебательное движение. Кориолисова сила F действует на эти частицы и вынуждает формируемую осциллирующими частицами вибрационную картину прецессировать.Included in the inventive block is a Coriolis type TWG, since in this case the input angular velocity W interacts with the linear velocity vector V, thereby causing the Coriolis force F = 2W × V. For the shell, the velocity vector V is, in fact, the linear velocity of the resonator particles oscillating. The Coriolis force F acts on these particles and forces the vibrational pattern formed by the oscillating particles to precess.
В твердотельном волновом гироскопе инерциальным датчиком служит кольцевой полусферический резонатор, который, будучи введенным в режим вибрации, обеспечивает наличие переменной линейной скорости V с частотой, равной резонансной. Из нескольких возможных мод в качестве рабочей обычно выбирают эллиптическую (n=2) с частотой собственных колебаний оболочки. Когда резонатор вращается вокруг оси симметрии относительно инерциального пространства, то каждый индивидуально резонирующий элемент массы стоячей волны дает дополнительную силу, вызывающую смещение волны относительно резонатора. Регистрация углового смещения дает возможность определить угловое движение резонатора и, тем самым, использовать его как чувствительный элемент. Причина этого углового смещения может быть качественно объяснена детальным рассмотрением эффекта Кориолисовых сил, действующих на стенки резонатора при его вращении. Рассмотрим движение точки А, находящейся на кромке резонатора, как показано на фиг.8. Если резонатор вращается вокруг центральной оси с постоянной угловой скоростью, то в тангенциальном направлении в этой точке будет действовать Кориолисова сила Fc. Подобным образом на противоположной стороне резонатора появится эквивалентная Кориолисова сила в тангенциальном направлении в точке А', но в противоположном направлении. Таким образом, две Кориолисовы силы в сумме создадут пару (момент) вокруг оси резонатора.In a solid-state wave gyroscope, an inertial sensor is an annular hemispherical resonator, which, when entered into vibration mode, provides a variable linear velocity V with a frequency equal to the resonant one. Of the several possible modes, the elliptic (n = 2) with the natural frequency of the shell vibrations is usually chosen as the working one. When the resonator rotates around the axis of symmetry with respect to inertial space, then each individually resonating element of the standing wave mass gives an additional force causing the wave to shift relative to the resonator. Registration of angular displacement makes it possible to determine the angular motion of the resonator and, thereby, use it as a sensitive element. The reason for this angular displacement can be qualitatively explained by a detailed consideration of the effect of the Coriolis forces acting on the cavity walls during its rotation. Consider the movement of point A located on the edge of the resonator, as shown in Fig. 8. If the resonator rotates around the central axis with a constant angular velocity, then the Coriolis force Fc will act in the tangential direction at this point. Similarly, on the opposite side of the resonator, an equivalent Coriolis force will appear in the tangential direction at point A ', but in the opposite direction. Thus, two Coriolis forces in total will create a pair (moment) around the axis of the resonator.
В точках В и В' радиальная составляющая скорости вращения кромки резонатора будет эквивалентна, но противоположна точкам А и А', поэтому Кориолисовы силы, создаваемые в этих точках, будут эквивалентны и противоположны силам в точках А и А' и создадут момент противоположного направления. Сумма этих двух пар сил даст составляющую силы, действующую на кромку резонатора в радиальном направлении в точке 45° в направлении действующей силы, т.е. возникнет компонента вибрации в точке 45° по отношению к первоначальной. Величина этой компоненты пропорциональна воздействующей угловой скорости. Векторная сумма (добавка) этой компоненты с первоначальной вибрационной картиной даст малое угловое смещение стоячей волны и, как следствие, смещение положений узлов на поверхности резонатора.At points B and B ', the radial component of the speed of rotation of the edge of the resonator will be equivalent, but opposite to points A and A', so the Coriolis forces created at these points will be equivalent and opposite to the forces at points A and A 'and create a moment in the opposite direction. The sum of these two pairs of forces will give a force component acting on the resonator edge in the radial direction at a point of 45 ° in the direction of the acting force, i.e. a vibration component will occur at a point of 45 ° relative to the original. The magnitude of this component is proportional to the acting angular velocity. The vector sum (additive) of this component with the initial vibrational pattern will give a small angular displacement of the standing wave and, as a result, a displacement of the positions of the nodes on the resonator surface.
Когда резонатор не вращается, радиальная составляющая движения узлов равна нулю, поэтому напряжение в датчиках отсутствует. Когда резонатор вращается, датчик регистрирует радиальную составляющую движения, производимую Кориолисовыми силами, и величина амплитуды колебаний пропорциональна действующей угловой скорости основания.When the resonator does not rotate, the radial component of the motion of the nodes is zero, therefore, the voltage in the sensors is absent. When the resonator rotates, the sensor detects the radial component of the movement produced by the Coriolis forces, and the magnitude of the amplitude of the oscillations is proportional to the effective angular velocity of the base.
В первую половину периода колебаний резонатор деформируется в максимально эллиптическую форму, потом возвращается в сферическую. В течение следующей половины периода колебаний аналогичная деформация возникает под углом 90°. Результат таких колебаний - стоячая волна с четырьмя узлами 55 и четырьмя пучностями 56 (см. фиг.9). Как показано на фиг.9, стоячая волна ориентирована пучностью по направлению метки 57 на основании (корпусе 3). Когда основание поворачивается на 90°, пучности прецессируют на угол, составляющий 0,3 от угла поворота основания и в действительности равный 27°. Таким образом, стоячая волна отстает от резонатора на 70% от угла поворота основания. Эта прецессия и есть основной эффект, который используется в ТВГ.In the first half of the oscillation period, the resonator is deformed into the most elliptical shape, then returns to spherical. During the next half of the oscillation period, a similar deformation occurs at an angle of 90 °. The result of such oscillations is a standing wave with four
Общее управление твердотельными волновыми гироскопами заявленного блока, получение с них необходимой информации и обмен ею с внешним управляющим комплексом забойной телеметрической системы осуществляется бортовым блоком обслуживающей указанные гироскопы электроники (не показан), сформированной на основе микропроцессорной техники с соответствующим программным обеспечением.General control of the solid-state wave gyroscopes of the claimed unit, the receipt of necessary information from them and its exchange with the external control complex of the downhole telemetry system is carried out by the on-board unit serving the indicated gyroscopes of electronics (not shown), formed on the basis of microprocessor technology with the appropriate software.
При этом запуск гироскопов в рабочий режим осуществляется посредством соответствующего возбуждения их резонаторов путем подачи необходимых силовых сигналов (управляющих напряжений) на электроды X, -X и Y, -Y электромеханической платы, оси которых сдвинуты по отношению друг к другу на 45° (см. фиг.7). Съем информации (ориентации и амплитуды колебаний резонатора) осуществляется с тех же электродов, поскольку указанные операции (съема и управления) разнесены во времени.In this case, the gyroscopes are launched into operation by means of the corresponding excitation of their resonators by supplying the necessary power signals (control voltages) to the electrodes X, -X and Y, -Y of the electromechanical circuit board, the axes of which are shifted by 45 ° relative to each other (see Fig.7). Information (orientation and amplitude of oscillation of the resonator) is taken from the same electrodes, since the indicated operations (removal and control) are separated in time.
Определение ориентации скважины 58 основано на измерении проекций векторов угловой скорости вращения Земли и ускорения силы тяжести на оси чувствительности соответствующих датчиков (ТВГ и акселерометров) инклинометра в периоды технологических остановок буровой колонны 59.The determination of the orientation of the well 58 is based on measuring the projections of the angular velocity of rotation of the Earth and the acceleration of gravity on the sensitivity axis of the corresponding sensors (TWG and accelerometers) of the inclinometer during periods of technological stops of the
С помощью заявленного трехосного гироскопического блока измерения параметров скважины могут производиться двумя различными методами:Using the claimed triaxial gyroscopic unit, measurements of the parameters of the well can be carried out in two different ways:
1) методом, при котором гироскопический блок 1 входит в состав бортовой инерциальной навигационной системы 2 инклинометра 44, являющегося одним из функциональных звеньев буровой колонны 59, и позволяет, не нарушая процесса бурения, определять угловую ориентацию скважины 58 (см. фиг.13);1) a method in which the
2) классическим методом, при котором информация с гироскопического блока 1, входящего в состав бортовой инерциальной системы 2 скважинного инклинометра 44, считывается во время спуска последнего на кабеле 60 в забой 61 и подъема оттуда (см. фиг.14).2) the classical method, in which information from the
Указанные методы отличаются друг от друга, прежде всего, по способу обработки информации. В первом случае информация с гироскопов и блока и других инерциальных датчиков, например акселерометров, считывается и обрабатывается непрерывно, что позволяет видеть полную картину траектории скважины в реальном масштабе времени. При использовании второго метода информация, как правило, сохраняется на магнитном носителе, который после измерений извлекается вместе с инклинометром на поверхность. Таким образом, измерения данным методом носят периодический характер.These methods differ from each other, primarily in the way information is processed. In the first case, information from gyroscopes and the unit and other inertial sensors, such as accelerometers, is read and processed continuously, which allows you to see the full picture of the well path in real time. When using the second method, information is usually stored on a magnetic medium, which after measurements is extracted together with the inclinometer to the surface. Thus, measurements by this method are periodic.
Невакуумируемая часть 62 металлического корпуса 3 заявляемого гироскопического блока 1 может быть выполнена как с дополнительно сформированными в ее теле тремя резервными полостями 63 для размещения в них акселерометров 47 инерциальной навигационной системы 2, так и без них.The
Резервные полости 63, так же как и посадочные гнезда 19-21 корпуса 3 под ТВГ 6, последовательно расположены и непараллельно, в частности ортогонально, ориентированы по отношению друг к другу. В первом случае обеспечивается большая компактность и удобство монтажа указанной аппаратуры 6, 47 навигационной системы, а также точность ее взаимного позиционирования. При размещении указанной аппаратуры в едином корпусе эта задача решается гораздо проще.The
Второй случай позволяет использовать в эксплуатации существующие забойные телеметрические системы с заменой в последних устаревшей навигационной аппаратуры на заявляемый трехосный гироскопический блок. Поскольку при этом вышеупомянутые акселерометры имеются в составе указанных забойных телеметрических систем, в конструкции заявляемого гироскопического блока они не устанавливаются.The second case allows the use of existing downhole telemetry systems in operation with the replacement in the latest obsolete navigation equipment of the claimed triaxial gyroscopic unit. Since the aforementioned accelerometers are included in these downhole telemetry systems, they are not installed in the design of the inventive gyroscopic unit.
В заявляемом трехосном гироскопическом блоке использованы широко применяемые в навигационном приборостроении современные высококачественные отечественные материалы и комплектующие элементы, не уступающие по техническим характеристикам зарубежным, рациональные технические решения и прогрессивная технология изготовления.In the claimed triaxial gyroscopic unit, modern high-quality domestic materials and components that are not inferior in terms of technical characteristics to foreign ones, rational technical solutions and advanced manufacturing technology are widely used in navigation instrumentation.
Одним из уникальных свойств заявляемого гироскопического блока является способность использованных в его составе твердотельных волновых гироскопов некоторое время сохранять колебания резонатора без подпитки извне. В течение этого времени (20-30 с) форма волны практически не меняется, и, следовательно, гироскопический прибор сохраняет инерциальную информацию при случайном кратковременном прерывании электропитания.One of the unique properties of the claimed gyroscopic unit is the ability of solid-state wave gyroscopes used in its composition to retain resonator vibrations for some time without recharging from the outside. During this time (20-30 s), the waveform practically does not change, and, therefore, the gyroscopic device stores inertial information in case of an accidental short-term interruption in the power supply.
Конструкция заявляемого трехосного гироскопического блока предельно проста и обладает высокими потребительскими качествами. Миниатюрность исполнения, обтекаемые формы, стройность и изящность линий, визуальная упорядоченность компоновки заявляемого гироскопического блока свидетельствуют о высокой степени совершенства и качества изделия.The design of the inventive triaxial gyroscopic unit is extremely simple and has high consumer qualities. Miniature performance, streamlined forms, harmony and elegance of lines, visual ordering of the layout of the inventive gyroscopic unit indicate a high degree of perfection and quality of the product.
К основным достоинствам заявляемого гироскопического блока, несомненно, следует отнести:The main advantages of the claimed gyroscopic unit, of course, include:
- рациональность его металлоконструкции, силовой схемы и компоновки;- the rationality of its metal structure, power circuit and layout;
- миниатюрность исполнения;- miniature performance;
- высокую технологичность, надежность работы в экстремальных условиях и точностные характеристики;- high adaptability, reliability in extreme conditions and accuracy characteristics;
- малое время подготовки к работе;- short preparation time for work;
- удобство монтажа на объекте и обслуживания;- ease of installation and maintenance;
- чрезвычайно широкую область использования и умеренную стоимость.- extremely wide scope and moderate cost.
Заложенные в него схемно-конструкторские, технологические и другие технические решения в целом позволяют поднять уровень отечественной гироскопической аппаратуры данного назначения по ее функциональным возможностям и технико-эксплуатационным и экономическим показателям до современного и на этой основе значительно повысить конкурентоспособность оборудования рассматриваемого класса.The circuit design, technological and other technical solutions incorporated in it generally allow us to raise the level of domestic gyroscopic equipment of this purpose for its functional capabilities and technical, operational and economic indicators to modern and, on this basis, significantly increase the competitiveness of equipment of this class.
С учетом вышеизложенного заявляемый трехосный гироскопический блок может быть многократно воспроизведен по разработанной на него документации в условиях серийного производства на специализированных предприятиях, располагающих необходимым для этого оборудованием, технологиями, персоналом и соответствующей нормативно-разрешающей базой.In view of the foregoing, the claimed triaxial gyroscopic unit can be repeatedly reproduced according to the documentation developed for it in mass production at specialized enterprises that have the necessary equipment, technologies, personnel and an appropriate regulatory and permissive base for this.
В настоящее время на заявленный трехосный гироскопический блок в ООО «ПрецЭл» (г.Миасс) полностью разработана соответствующая конструкторская документация, по которой изготовлен и испытан в лабораторных условиях действующий макет, имеющий следующие технические характеристики:Currently, the declared triaxial gyroscopic unit at PrezEl LLC (Miass) has fully developed the corresponding design documentation, according to which a working prototype with the following technical characteristics is manufactured and tested in laboratory conditions:
Эффективность заложенных в конструкцию заявляемого трехосного гироскопического блока решений, а также возможность получения при осуществлении изобретения вышеупомянутого технического результата, заключающегося в устранении перечисленных выше недостатков известных аналогов и прототипа, а именно улучшении его технико-эксплутационных качеств, позволяющих достигнуть современного технического уровня, высокой конкурентоспособности навигационного оборудования такого класса и сокращении сроков и стоимости создания, подтверждены соответствующими расчетами и результатами испытаний.The effectiveness of the design solutions of the claimed triaxial gyro unit, as well as the possibility of obtaining the aforementioned technical result when carrying out the invention, which consists in eliminating the above-mentioned disadvantages of known analogues and prototype, namely, improving its technical and operational qualities, allowing to achieve a modern technical level, highly competitive navigation equipment of this class and reducing the time and cost of creation, confirmed by relevant calculations and test results.
Комплексные испытаний заявляемого трехосного гироскопического блока в составе бортовой инерциальной навигационной системы запланированы на следующий год. Решение о серийном производстве заявляемого гироскопического блока будет принято после завершения указанных испытаний.Complex tests of the claimed triaxial gyroscopic unit as part of the onboard inertial navigation system are scheduled for next year. The decision on the mass production of the inventive gyroscopic unit will be made after the completion of these tests.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007100547/03A RU2344287C2 (en) | 2007-01-09 | 2007-01-09 | Triaxial gyroscopic unit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007100547/03A RU2344287C2 (en) | 2007-01-09 | 2007-01-09 | Triaxial gyroscopic unit |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007100547A RU2007100547A (en) | 2008-07-20 |
| RU2344287C2 true RU2344287C2 (en) | 2009-01-20 |
Family
ID=40376222
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007100547/03A RU2344287C2 (en) | 2007-01-09 | 2007-01-09 | Triaxial gyroscopic unit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2344287C2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2476824C2 (en) * | 2010-11-19 | 2013-02-27 | Инналабс Лимитед | Axisymmetric coriolis vibration gyroscope (versions) |
| RU2550160C2 (en) * | 2013-05-21 | 2015-05-10 | Открытое акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" | Apparatus for suspending block of sensitive elements of inertial navigation system based on solid-state fibre gyroscopes |
| RU2594071C1 (en) * | 2015-06-09 | 2016-08-10 | Николай Андреевич Гаврилов | Helix sensor |
| RU2594072C1 (en) * | 2015-06-16 | 2016-08-10 | Николай Андреевич Гаврилов | Sensor on flat coil |
| RU2711387C2 (en) * | 2015-01-15 | 2020-01-17 | Конинклейке Филипс Н.В. | System for determining relative orientation of device to user |
-
2007
- 2007-01-09 RU RU2007100547/03A patent/RU2344287C2/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ИСАЧЕНКО В.Х. Инклинометрия скважин. - М.: Недра, 1987, с.79-83, 185-188. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2476824C2 (en) * | 2010-11-19 | 2013-02-27 | Инналабс Лимитед | Axisymmetric coriolis vibration gyroscope (versions) |
| RU2550160C2 (en) * | 2013-05-21 | 2015-05-10 | Открытое акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" | Apparatus for suspending block of sensitive elements of inertial navigation system based on solid-state fibre gyroscopes |
| RU2711387C2 (en) * | 2015-01-15 | 2020-01-17 | Конинклейке Филипс Н.В. | System for determining relative orientation of device to user |
| RU2594071C1 (en) * | 2015-06-09 | 2016-08-10 | Николай Андреевич Гаврилов | Helix sensor |
| RU2594072C1 (en) * | 2015-06-16 | 2016-08-10 | Николай Андреевич Гаврилов | Sensor on flat coil |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007100547A (en) | 2008-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111655970B (en) | Continuous trajectory computation for directional drilling | |
| RU2362121C2 (en) | Miniature solid-state wave gyro (sswg) | |
| US11193366B2 (en) | High-temperature solid state resonant gyroscope and drilling measurement system composed thereby | |
| US6453239B1 (en) | Method and apparatus for borehole surveying | |
| EP1828540B1 (en) | Gyroscopically-oriented survey tool | |
| CA1286772C (en) | System for surveying fluid transmission pipelines and the like | |
| US4454756A (en) | Inertial borehole survey system | |
| CN102140913B (en) | Small-diameter directional gyro inclinometer for drilling | |
| RU2344287C2 (en) | Triaxial gyroscopic unit | |
| US11220899B2 (en) | Gyro measurement while drilling system and method therefor | |
| CN109779614B (en) | Three-axis optical fiber gyroscope inclinometer | |
| CN111878068A (en) | High-temperature solid-state resonance gyroscope and drilling measurement system composed of same | |
| Ledroz et al. | FOG-based navigation in downhole environment during horizontal drilling utilizing a complete inertial measurement unit: Directional measurement-while-drilling surveying | |
| CN105909238B (en) | Inertia measurement unit and single-axis servo continuous inclinometry method | |
| NO320060B1 (en) | Procedure for borehole grinding using reverse inertial navigation | |
| EP3929399A1 (en) | High temperature resistant solid-state resonator gyroscope and drilling measurement system having same | |
| CN109681189A (en) | A kind of hole diameter sector cementing quality and track integrated measuring instrument | |
| CN205778825U (en) | A kind of Inertial Measurement Unit | |
| GB2587443A (en) | Method and apparatus for initialization of a wellbore survey tool | |
| CN212645728U (en) | Solid-state resonant gyroscope, inertial navigation system and well drilling measurement system | |
| US10982530B2 (en) | Apparatus, system and method of a magnetically shielded wellbore gyroscope | |
| RU2282717C1 (en) | Gyroscopic inclinometer and angular well orientation method | |
| RU91177U1 (en) | THREE-AXIS GYROSCOPIC BLOCK | |
| Chulkov et al. | Designing of Vibrational Source with Flexible Rotating Shaft of Azimuth Correctioning System of an Inclinometer | |
| CN106321073A (en) | Continuous inclination survey pup joint and high-speed telemetry logging instrument provided with pup joint |