SU1609987A1 - Преобразователь азимута - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к промысловой геофизике и предназначено дл  определени  магнитного азимута. Цель - повышение точности за счет исключени  вли ни  на результат измерени  азимута разности фаз между сигналами феррозондов (Ф) и сигналом генератора (Г). Преобразователь азимута содержит синусно-косинусный датчик 1 в виде двух ортогональных Ф(1-1) и (1-2), с входами возбуждени  которых через делитель 3 частоты св зан первый вход Г 2. Сигнальные выходы Ф подключены к первому и второму входам коммутатора (К) 4, третий вход которого соединен с общим проводом. Выход К 4 подключен к первому входу фазовращател  5, выход которого через избирательный усилитель 6 св зан с блоком 7 интервалов времени. С вторым выходом Г 2 соединен вход блока 8 управлени , первый и второй выходы которого соединены с управл ющими входами соответственно блока 7 и К 4. С вторым выходом Г 2 соединен вход амплитудного манипул тора 9. Управл ющий вход манипул тора 9 подключен к второму выходу блока 8, а выход - к второму входу фазовращател  5. Сигнальные выходы Ф и общий провод схемы К 4 последовательно подключают к первому входу фазовращател  5 при двух значени х амплитуды опорного сигнала с манипул тора 9. В блоке 7 разность фаз сигнала усилител  6 и управл ющего сигнала, синфазного с сигналом Г 2, преобразуетс  в пропорциональную длительность импульсов, которую измер ют и определ ют азимут по соответствующему алгоритму. 4 ил.

Description

1

Изобретение относитс  к промысловой геофизике и может быть использовано в инклинометрах дл  определени  магнитного азимута.

Цель изобретени  - повышение точности за счет исключени  вли ни  на результат измерени  азимута разности фаз между сигналами феррозондов и сигналом генератора .

На фиг. 1 представлена структурна  схема преобразовател  азимута; на фиг.2 - блок управлени ; на фиг.З - блок интервалов времени; на фиг.4 - амплитудный манипул тор .

Преобразователь азимута содержит си- нусно-косинусный датчик 1 в виде двух ортогональных феррозондов (1 - 1) и (1 - 2), генератор 2, первый выход которого через делитель 3 частоты св зан с входами возбуждени  феррозондов. Сигнальные выходы последних подключены к первому и второму входам коммутатора 4, т ретий вход которого соединен с общим проводом схемы . Выход коммутатора 4 подключен к первому входу RC-фазовращател  5,. выход которого через избирательный усилитель 6 св зан с блоком 7 интервалов времени. Преобразователь азимута содержит также блок 8 уп равлени , вхбд которого соединен с вторым входом генератора 2, а первый и второй выходы соединены с управл ющими входами соответственно блока 7 инте рвалов времени и коммутатора 4, Кроме того, в состав преобразовател  азимута входит амплитудный манипул тр 9, вход которого соединен с вторым выходом генератора 2, управл ющий вход подключен к второму выходу блока 8 управлени , а выход - к второму входу фазовращател  5.

Блок 8 управлени  (фиг.2) состоит из двух счетчиков 10 и 11, двух дешифраторов 12 и 13, двух RC-триггеров 14 и 15 и логических элементов 16 и 17.

Блок 7 интервалов времени (фиг.З) содержит два элемента - компаратор 18 и RC-триггера 19,

.Амплитудный манипул тор 9 (фиг.4) представл ет собой усилитель с измен емым коэффициентом передачи. Он содержит операционный усилитель 20, резисторы 21 - 24, два аналоговых ключа 25 и 26 и логический элемент И-НЕ 27,

Рассмотрим работу RC-фазовращател  5 (фиг.1), один вход которого с помощью коммутатора 4 последовательно подключаетс  к сигнальным обмоткам синусно-косинусного датчика и к общему проводу схемы.а на втором вход подаетс  опорный сигнал.

10

0

Представим сигналы синусно-косинусного датчика и опорный сигнал в виде

Us UsmSin( +ip, Uc UcmSln(ftJt+ (p), Uo Uom sin ft) t,/ 4

где Usm, Ucm, Uom амплитуды сигналов;

(D - частота сигналов;

(f - фазовый сдвиг, вносимый цеп ми возбуждени  синусно-косинусного датчика.

Фазы сигналов Us и Uc равны между собой с достаточно высокой степенью точности , что практически просто достигаетс  разгрузкой сигнальных обмоток датчика. Фаза опорного сигнала прин та равной нулю , так как относительно опорного сигнала формируетс  временной интервал на выходе преобразовател .

Фаза сигнала на выходе RC-фазовращател  при последовательной работе ключей коммутатора принимает значени 

25

д Uom к + Usm ( 51П(;о) Uom Usm ( CG5 (р + К

РС arctg К 4- Ucm ( К cos - sin ф }

Uom K- - Ucm ( COS + К sin tp)

PO arctg 1 / К

.(2)

35

0

5

где К wRC,

R и С- параметры элементов RC-фазовращател .

На основании этого проанализируем работу устройства-прототипа. Допустим, что в его схеме действуют сигналы вида (1) и примем во внимание равенства Usm Um

Ucm UmCOS1/) ,

где Urn - максимальный размах сигналов синусно-косинусного датчика, а тр угол поворота чувствительного элемента датчика . Тогда искомый угол определитс  по формуле

tg (

V n arctg

tg ((

(3)

или с учетом ( 2 )

V%-arctg P-Jfei l - 2f

Uom К - Urn sin ф

- X

0 „ Uom Urn COS sin (f) Um COS ip cOS

(4)

Его значение отличаетс  от истинного значени  вследствие наличи  сдвига фаз р . Следовательно, устройство-прототип имеет погрешность, обусловленную фазовым сдвигом между сигналами датчика и опорным сигналом. Эта погрешность имеет вид

А , 0,25 sin 2 т/ sin 2 «7 (-cost/ + sin t/ )/г-ч

arctg ---- - - (5)

М2П1К cosy - 0,25 sin 2 sin 2 (cos ip + sin V)

Urn

ИЛИ при малых углах (в пределах О - )

AV 0,5 K8ln2V(-cosV + slnV)cos4oA«.(6)

Um

Закон изменени  погрешности достаточно сложен и зависит от отношени  амплитуд сигналов датчиков и опорного сигнала, от расстройки RC-фазовращател  (К 1), а также от величины самого измер емого угла, причем указанные параметры существенно завис т от температуры. Указанную погрешность скомпенсировать весьма сложно, что составл ет существенный недостаток прототипа.

Таким образом, низка  точность прото- типа обусловлена существованием сдвига фаз между сигналами датчика и опорным сигналом генератора, от которого возбуждаетс  датчик.

В данном устройстве исключение указанного недостатка осуществл етс  изменением амплитуды опорного сигнала, синфазного с сигналом генератора и подаваемого на соответствующий вход фазовращател  (фиг.1). При этом каждый сигнал датчика обрабатываетс  дл  двух значений опорного сигнала, которые отличаютс  по амплитуде.

Urn sin t/;sln (р д(р5

а уравнени  (8)

UmSinV COS p tg ()Uom1-tg(|y7c2- A))Uom2

tg (99ci - o ) - tg ((pc2 - PO )

Формулы (9) и (10) включают величины sin и К как общие сомножители. Поэтому при вычислении через отношение sin t/J/ /cosV вли ние у) и К на результат измерени  исключаетс . Дл  этого необходимо точно знать и отношение амплитуд опорных сигналов Uom2/Uomi К1, которое представ-

ф arctq tg ( У ) 9 ( - (ро )К1 tg(i-V5o)-tg()K

не завис щий от f и К, т.е. от сдвига фаз между сигналами синусно-косинусного датчика и сигналом генератора и от расстройки RC-фазовращател . Это повышает точность измерений.

В отличие от известных устройств в дан-, ном преобразователе азимута при обработке сигналов синусно-косинусного датчика производитс  изменение амплитуды опорого сигнала, вследствие чего Формируетс 

0

5

„

5

Подают на перввый вход фазовращател  5 сигнал Us, а на второй вход - опорный сигнал с амплитудой Uomi, а потом с амплитудой Uom2, которые имеют различные значени . Определ ют соответствующие значени  фаз (pc,p 02. Далее подают сигнал Uc и преобразуют его дл  тех же значений амплитуд опорного сигнала, что дает соответствующие значени  фаз i и .Фазы определ ют согласно формулам (2). Из полученных значений фаз выходного сигнала вычитают значение 0, которое измер етс  при подключении первого входа фазовращател  к общему проводу схемы. В результате получают

|- o arctg ..Uomi К-Urn /)

yv.-y, оггтр , . C°S (р

Uom2 K-UmSin Sin

- УЪ arctg °f ° Р

Uomi К - Urn COS Sin (р

рс2 - (Ро arctg Urn cos cos

Uom2 K-UmCOS Siny

имеют

После преобразований уравнени  (7)

Uomi - tg ( - РО} Uom2

I uiiii a V r J - om ( Q ) PO} - tg ((ps2 - po )

(10)

л ет собой коэффициент манипул ции. Этот коэффициент может быть заранее задан параметрами схемы или определен путем тестовых измерений.

Таким образом, отношение величин (9) и (10) дает результат

tg ((pc )-ig( ) , . tg(y5si-9%)-tg(2-fb)

дополнительна  информаци , позвол юща  увеличить точность измерений путем исключени  из результата вли ющих факторов . Это стало возможным благодар  введению в схеме преобразовател  амплитудного 5 манипул тора, с помощью которого осуществл етс  изменение амплитуды опорного напр жени  на входе RC-фазовращател .

Преобразователь азимута работает следующим образом.

Генератор 2 (фиг.1) вырабатывает непрерывный периодический сигнал пр моугольной или синусоидальной формы. Частота основной гармоники сигнала генератора 2 с помощью делител  3 частоты делитс  на два и усиливаетс  до получени  мощности, необходимой дл  возбуждени  феррозондов (1 - 1) и (1 - 2). Феррозондь (1 - 1) и (1 - 2) выдают полигармонические С11гналы, в составе которых амплитуда второй гармоники несет информацию, Благодар  применению делител  3 частоты частота основной гармоники генератора 2 совпадает с частотой информационных гармоник феррозондов. Коммутатор 4 осуществл ет попеременное подключение сигнальных обмоток феррозондов и общего провода схемы к первому входу фазовращател  5. Hs второй вход фазовращател  5.поступает опорный сигнал с выхода амплитудного манипул тора 9, который скачкообразно плен ет амплитуду опорного сигнала по сигналам блока 8 управлени . С погмощью избирательного усилител  б производитс  выделение основной гармоники из сумрларного сигнала фазовращател  5, чем достигаетс  необходим-ое качество информационного сигнала. В блоке интервалов времени изменени  фазы сигнала на выходе избирательного усилител  6 преобразуютс  в длительность ьчмпульсов, Блок 8 управлени , тактируемый сигналом генератора 2, предназначен дл  формировани  сигналов управлени  дл  коммутатора 4, блока 7 интервалов времени, а также осуществл ет выдержку времени, необходимую дл  завершени  переходных процессов в схемах фэзовращателй 5 и ,1збирательного усилител  6.

Процесс работы преобразовател  состоит из од|/ наковых циклов, из коФЗ ar-ctg ll-iiJ : l: ll Pi liil ,

Uomi К -.- U12 ( + К Sirs (р )

Uom2 К -i- и 12 ( - Sin ) n

Uom3 К - и 12 ( COS + К Sin 99 )

Ф4 arctq

i Vf JO у ) (Ч СЭ I I 1 1 J

8 ПЯТО. подцикле пер1зый вход RC-фа- 3овращател  5 посредством коммутатора 4 Q соедин етс  с общим проводом схемы преобразовател , а на второй вход фазовраща- тел  5 подаетс  опорный сигнал с амплитудой Uomi. Фаза сигнала на зыходе избирательного усил лтел  б пр1/ нимает значениеI Ф5 агсгд 1/К-н 6. (Ш В блоке 7 интервалов времени относительные фазовые сдвиги вь ходногс сиг -;зла 0

0

5

0

торых имеет п ть равных по времени подциклов.

В первом и втором подциклах коммутатор 4 по сигналу блока 8 управлени  соедин ет сигнальную обмотку первого феррозонда с первым входом RC-фазовра- щател  5. Причем амплитуда опорного сигнала , подаваемого на второй вход фазовращател  5 с выхода амплитудного манипул тора 9, в первом подцикле равна Uomi, а во втором - Uom2. Сигналы феррозондов и опорные сигналы после приведени  к выходу избирательного усилител  б принимают соответственно вид и 11 U,,sin (0)1+ р Ui2 Ui2 sin((yt+ )Г

Uoi Uomi .- sin 0) t; Uo2 Uom2 Sfn Ш t, ,,

где 0) - частота генератора 2;

p - фазовый сдвиг в цеп х феррозон- дозого датчика 1,

На выходе избирательного усилител  б в первом и втором подциклах работы преобразовател  получают следующие значени  фазы сигнала Ф1 -arctg (

UomlK -Uii(cos 4-Ksinv)

02 arctg-.ni24i j(fc°sy smy.) . Uom2 К 4Uii(cos +Ksin) где /Зб фазовый сдвиг, вносимый тельным усилителем 6.

В третьем и четвертом подциклах к tiep- вому входу фазовращател  5 подключаетс  сигнальна  обмотка второго феррозонда (1 - 2). Причем на второй вход фазовращател  5 в третьем подцикле подаетс  опорный сигнал с амплитудой Uomi, а в четвертом - Uom2, также, как и при обработ- кэ сигнала первого феррозонда (1 - 1) в первом и втором подциклах. В результате фаза выходного сигнала избирательного усилител  6 Е1 третьем м четвертом подцик- |лах принимает значени , соответственно

( COS + К Sin 99 )

i Vf JO у ) (Ч СЭ I I 1 1 J

избирательного усилител  б (Ф1 - Ф5) преобразуютс  8 длительность пр моугольных s/if inyfibCOB по алгорит /у

2л,

Oi ,

(16)

где i - номер подцикла (изменени ).

Импульсы поступают на выход блока 7 интервалов времени (выход преобразовател ) с выдержкой времени по отношению к jviuMeHTaM переключени  подць1клов, что необходимо дл  завершени  переходных про цессов в схемах фазовращател  5 и избирательного усилител  6. После измерени  длительностей импульсов и обработки

МД tg(01 -Ф5)-тд(Ф2-Ф5)К1 tg(03-05)-tg(04-05)l

Ui2 tg ( ФЗ - 05 ) - tg ( Ф4 - Ф5 ) К1 tg ( Ф1 - Ф5 ) -tg ( Ф2-Ф5

представл ющее собой тангенс искомого угла. Но так как оси чувствительности фер-. розондов ортогональны и с помощью, например подвижных рамок, с грузами устанавливаютс  в горизонтальную плоскость , то амплитуды вторых информационных гармоник измен ютс  по законам

Uii Um sin а, Ui2 UmCosa , (1Ю, где ее - магнитный азимут.

Отношение (17) определ ет азимут

a arctg .(19)

Конечный результат измерени  не зависит от расстройки фазовращател  и от относительного фазового сдвига сигналов феррозондов. Кроме того, результат не зависит от собственного фазового сдвига Зе избирательного усилител , благодар  вычислению разностей Ф1 - Ф5, Ф2 - Ф5, ФЗ - Ф5, Ф4 - Ф5.

Функциональные блоки преобразовател  азимута работают следующим образом.

На вход 1 блока 8 управлени  (фиг.2) подаютс  пр моугольные импульсы с генератора 2, которые с помощью счетчика 11 и дешифратора 13 распредел ютс  во времени так, что каждый дес тый импульс запускает блок 7 интервалов времени, чем достигаетс  выдержка времени, необходима  дл  завершени  переходных процессов . После каждого импульса, управл ющего блоком 7 временных интервалов , следует импульс, переключающий циклы работы преобразовател  посредством счетчика 10 и дешифратора 12. С помощью триггеров 14 и 15 формируютс  сигналы дл  управлени  коммутатором 4 (фиг. 1), который состоит из трех аналоговых ключей, открываемых уровнем 1. С выхода логического элемента 17 снимаетс  сигнал ,У1  управлени  амплитудным манипул тором 9.

На вход компаратора 18 (фиг.З) подаетс  синусоидальный сигнал с выхода избира- тельного усилител  6. Компаратор 18 преобразует его по переходам через нуль в пр моугольный сигнал, который посто нно устанавливает триггер 19 в О, Каждый импульс , поступающий на вход S триггера с блока 8 управлени , устанавливает триггер 19 в состо ние V, благодар  чему на выхо10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

де триггера формируетс  импульс. Поск ку между импульсами, поступающими входы триггера 19, имеетс  фазовый сд равный в каждом подцикле соответст щему значению Ф|, то длительность имп са на выходе триггера 19 та пропорциональна значению Ф| (выраже ( 16). Когда на входы злемента 27 (фиг ключа 25 подаетс  управл ющий сигнал ключ 25 находитс  в открытом состо ни ключ 26 - в закрытом. Коэффициент пер чи усилител  20 равен R24/R22. Когда равл ющий сигнал равен О, открыт к 26 и коэффициент передачи усилител  вен R24/R23. Следовательно, коэффици манипул ции К1, вход щий в выраже ( 17), равен.

(20) Он показывает отношение двух ам туд опорных напр жений. Дл  стабил ции величины коэффициента необход выбрать резисторы 23 и 22 с одинаков температурными коэффициентами. Вел на коэффициента задаетс  заранее или редел етс  из (17) экспериментальн путем. Коэффициент может быть выб произвольно, но не равным единице (K так как в этом случае возникает неопре ленность. Например, его значение мо быть равным 0,25, 0,5, 2, 4 и т.д.

Предлагаемый преобразователь ази та по сравнению с прототипом имеет бо высокую точность измерени  азимута, как в нем исключаетс  вли ние фазов сдвига, вносимого цеп ми датчика, на зультат измерени . Вместе с тем исключ с  вли ние на результат расстройки RCзовращател  и собственного фазов сдвига избирательного усилител , т.е. пр лагаемое устройство не только сохран все достоинства прототипа, но и устран его существенный недостаток.

Устройство может быть использован с другими датчиками, например, с синус косинусными вращающимис  трансфор торами. В этом случае из схемы след исключить делитель частоты. Кроме то при использовании генератора с синус дальным выходным сигналом можно искл чить также избирательный усилитель.

Лабораторные испытани  показали, погрешность, обусловленна  температ

информации в условных кодах согласно алгоритму (11) определ етс  отношение

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

де триггера формируетс  импульс. Поскольку между импульсами, поступающими на входы триггера 19, имеетс  фазовый сдвиг, равный в каждом подцикле соответствующему значению Ф|, то длительность импульса на выходе триггера 19 также пропорциональна значению Ф| (выражение (16). Когда на входы злемента 27 (фиг.4) и ключа 25 подаетс  управл ющий сигнал 1, ключ 25 находитс  в открытом состо нии, а ключ 26 - в закрытом. Коэффициент передачи усилител  20 равен R24/R22. Когда управл ющий сигнал равен О, открыт ключ 26 и коэффициент передачи усилител  равен R24/R23. Следовательно, коэффициент манипул ции К1, вход щий в выражение (17), равен.

(20) Он показывает отношение двух амплитуд опорных напр жений. Дл  стабилизации величины коэффициента необходимо выбрать резисторы 23 и 22 с одинаковыми температурными коэффициентами. Величина коэффициента задаетс  заранее или определ етс  из (17) экспериментальным путем. Коэффициент может быть выбран произвольно, но не равным единице (KV1), так как в этом случае возникает неопределенность . Например, его значение может быть равным 0,25, 0,5, 2, 4 и т.д.

Предлагаемый преобразователь азимута по сравнению с прототипом имеет более высокую точность измерени  азимута, так как в нем исключаетс  вли ние фазового сдвига, вносимого цеп ми датчика, на результат измерени . Вместе с тем исключаетс  вли ние на результат расстройки RCфа- зовращател  и собственного фазового сдвига избирательного усилител , т.е. предлагаемое устройство не только сохран ет все достоинства прототипа, но и устран ет его существенный недостаток.

Устройство может быть использовано и с другими датчиками, например, с синусно- косинусными вращающимис  трансформаторами . В этом случае из схемы следует исключить делитель частоты. Кроме того, при использовании генератора с синусоидальным выходным сигналом можно исключить также избирательный усилитель.

Лабораторные испытани  показали, что погрешность, обусловленна  температур:ными дрейфами параметров элементов схе- 1МЫ преобразовател , не превышает единицы четырнадцатиразр дного кода, Используемого дл  записи и обработки ин- |формации, т,е. практически отсутствует. Ис- рытани  провод тс  в диапазоне (температур 20 - 180,

Claims (1)

1. : Формула изобретени 

   Преобразователь азимута, содержащий (;инусно-косинусный датчик в виде двух ор- огональных феррозондов, генератор, пер- 11ЫЙ выход которого через делитель частоты св зан с входами возбуждени  феррозон- дов,сигнальные выходы которых подключе- vfb к первому и второму входам ||оммутатора, третий вход которого соедк- Н1ен с общим проводом, выход коммутатора

   0

   подключен к первому входу фазовращател , выход которого через избирательный усилитель св зан с блоком интервалов времени, и блок управлени , вход которого соединен с вторым выходом генератора, а первый и второй выходы соединены с управл ющими входами соответственно блока интервалов времени и коммутатора, отличающий- с   тем, что, с целью повышени  точности за счет исключени  вли ни  на результат измерени  азимута разности фаз между сигналами феррозондов и сигналом генератора , он снабжен амплитудным манипул тором, вход которого соединен с Езторым выходом генератора, управл ющий вход подключен к второму выходу блока уп- равлен1  , а выход- к второму входу фазовращател .

   К амплитудкопу манипе//1 тору 9

   к оммутатвру4

   Bmxoff

   Фиг.З

   кфазовра- щителаЗ