SU1747872A1 - Датчик угла наклона объекта - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике, может быть использовано в промысловой геофизике дл  контрол  ориентации отклонителей в буровых скважинах и имеет целью повышение точности датчика угла наклона объекта за счет компенсации трени  в опорах. Датчик содержит ось 1 вращени  и закрепленную на ней рамку 6, охваченную катушкой 9 индуктивности и несущую эксцентричный груз 5. Поворот рамки 6 измер етс  с помощью вращающегос  трансформатора 4. На упругой консоли 8 установлен дополнительный груз 7, выполненный в виде посто нного магнита и размещенный внутри рамки 6. При подключении катушки 9 индуктивности к источнику переменного напр жени  в ней наводитс магнитноеполе , взаимодействующее с посто нным магнитом и привод щее к относительному перемещению грузов 5 и 7. Это вызывает колебание оси вращени  1 относительно положени  статического равновеси  и компенсирует вли ние сухого трени  на точность измерени . 2 ил. (Л С

Description

Изобретение относитс  к промысловой геофизике и может быть использовано в системах автоматического контрол  ориентации отклонителей в буровых скважинах.

Известен датчик углов наклона объектов , содержащий синусно-косинусный трансформаторный преобразователь, статор которого скреплен с объектом, и ма тник , укрепленный внутри ротора этого преобразовател .

Датчик обеспечивает высокую точность ориентировани  в услови х статики.

Однако, он имеет р д существенных недостатков . Во-первых, ма тник этого датчика имеет большой вес, что снижает надежность устройства в услови х ударных нагрузок. Во-вторых, большой вес ма тника вызывает соответственно и большую силу

трени  в опорах вращени , тем самым снижаетс  точность установки ма тника, а также точность статических измерений углового параметра.

Известен преобразователь инклино- метрический, содержащий корпус, в котором жестко закреплены три взаимноортогональных феррозонда, ма тниковый датчик зенитного угла и гравитационный датчик визирного угла Причем, датчик зенитного угла имеет радиальные отверсти , в которых размещены металлические шарики с возможностью свободного перемещени  по ответной внутренней поверхности корпуса. Такое техническое решение увеличивает инерционную массу ма тника, но поскольку все три шарика св заны одним шарикодержателем. два крайVI VI

оэ

VI

N5

их шарика под действием силы т жести рижимаютс  к шарикодержателю и сколь т по нему. Возникающие при этом силы прени  существенно снижают точность данного устройства.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению  вл етс  уст- роЯство дл  определени  зенитного и визирного угла в скважине, содержащее две вза имноперпендикул рные оси вращени , лежащие в плоскости поперечного сечени  и совмещенные с ос ми синусно-косинус- ных трансформаторов, а также два эксцентричных груза, закрепленных на ос х вращени  посредством легких цилиндрических рамок-поплавков.

Недостатком данного устройства  вл етс  низка  точность в св зи с наличием сухого трени  в опорах вращени . Вли ние трени  выражаетс  в том, что оси вращени  и св занные с ними роторы трансформаторов под действием эксцентричных грузов устанавливаютс  с некоторыми погрешност ми ± Д1/ 1,2, величины которых завис т от углов между ос ми вращени  и вектором свободного падени  .2- При уменьшении углов ft 1.2 . до 5-3° погрешности возрастают до 5-10°, что обуславливает низкую точность измерени  параметров. При этом знак погрешности установки осей вращени  носит веро тностный характер, что не позвол ет скомпенсировать погрешности каким-либо способом в данном устройстве.

Цель изобретени  - повышение точности измерени  угла наклона обьектов за счет компенсации трени  в опорах.

Указанна  цель достигаетс  тем, что известный датчик угла наклона, содержащий корпус, закрепленные в корпусе опоры вращени  и установленный в них вал, жестко закрепленный на оси вала эксцентричный груз, выполненный в виде рамки, и преобразователь угла поворота вала, выполненный в виде вращающегос  трансформатора, снабжено дополнительным эксцентричным грузом, который закреплен на оси вала с помощью упругой пластинчатой консоли, установленной на рамке, и охватывающей рамку катушкой индуктивности, магнитна  ось которой совпадает с общей линией центров масс основного и дополнительного эксцентричных грузов, дополнительный груз выполнен в виде двухполюсного посто нного магнита и установлен внутри рамки, магнитные оси посто нного магнита, катушки индуктивности и ось вала ортогональны, а пластинчата  консоль установлена с возможностью изгиба в плоскости, перпендикул рной оси вала.

В предлагаемом датчике используютс  два груза, св занные упругой консолью, ри

этом сила взаимодействи  магнитного пол  посто нного магнита (дополнительного груза ) и переменного магнитного пол  катушки индуктивности, приводит к относительному колебанию грузов, что исключает вли ние

0 сухого трени  на точность установки рамки путем замены сухого трени  меньшим по величине динамическим трением.

На фиг. 1 представлен предлагаемый датчик, разрез; на фиг. 2 - то же, вид сбоку.

5 Датчик угла наклона объектов содержит ось вращени  1, установленную в опорах вращени  2 в корпусе 3, синусно-косинус- ный трансформаторный преобразователь 4, основной груз 5, эксцентричный относи0 тельно оси вращени  1 и жестко закрепленный на ней посредством легкой рамки 6 произвольной формы, дополнительный груз (посто нный магнит) 7, соединенный с осью вращени  1 посредством плоской упругой

5 консоли 8 и катушку индуктивности 9, установленную на рамке 6. Кроме этого датчик содержит крышку 10 (фиг. 2), с помощью которой опоры вращени  (радиальные подшипники ) 2 и ротор трансформаторного пре0 образовател  4 устанавливаютс  на оси 1, коллектор 11 и щеточный узел 12. С помощью контактов щеточно-коллекторного узла осуществл етс  токоподвод к роторной обмотке преобразовател  4 и к катушке ин5 дуктивности 9.

Датчик работает следующим образом. Катушка индуктивности 9 запитываетс  переменным током и создает переменное магнитное поле, которое взаимодействует с

0 посто нным магнитным полем дополнительного груза 7. Воздействие переменного внешнего пол  возбуждает в плоской консоли изгибные волны, распространение которых вызывает смещение каждого элемента

5 консоли (пластины) перпендикул рно ее плоскости, то есть вибрацию консоли. Помимо этого в результате взаимодействи  магнитных полей катушки индуктивности 9 и груза 7 возникает пара сил, действующа  на

0 дополнительный груз 7 и стрем ща с  повернуть его вдоль силовых линий пол  катушки индуктивности 9. Вследствие физических свойств консоли 8 поворот груза 7 в поле катушки 9 сопровождаетс  про5 гибом консоли 8 и соответственно отклонением дополнительного груза 7 от положени  равновеси .

При протекании по катушке 9 переменного тока оба эксцентричных груза колеблютс  (вибрируют) относительно друг друга.

При этом среднее положение линии центров масс грузов соответствует направлению гравитационной вертикали, следовательно, среднее значение угла отклонени  ма тника 6, состо щего из рамки 6 и основного груза 5, равно нулю, поскольку среднее зна- чение возбуждающей силы равно нулю, Сила сухого трени  действует в направлении, обратном движению ма тника. Вследствие колебаний груза 5 ее среднее значение рав- но нулю и ее вли ние на точность среднего углового поворота оси вращени  датчика, исключаетс .

При малых вынужденных колебани х оси вращени  1 и установленного на ней ротора синусно-косинусного трансформаторного преобразовател  4 сигналы, снимаемые с обмоток трансформатора, имеют вид:

Us Um sin ( V sln и) sfn y t;

Uc Um COS(V + VbSln CDb t) Sin (I) t

(1)

где Um амплитуда сигналов; ft) - частота возбуждени  трансформатора; 1р- измер емый угол поворота оси вращени  1, соот- ветствующий положению равновеси  ма тника и направлению вектора ускорени  свободного падени . Выделение из сигналов составл ющих с частотой возбуждени  трансформатора ш с помощью избиратель- ных усилителей или фазовых детекторов дает два сигнала с амплитудами (при ipm 2,0°)

иа - KUm sinv (1-0,25 v& ); uc ки cos

VO-0,25 V& )(2)

где К- коэффициент преобразовани , соответствующий используемому частотно-избирательному элементу.

Измерение отношени  величины (2) по- звол ет однозначно определить искомый угол .

. Таким образом, дл  обработки сигналов предлагаемого датчика может быть использован практический любой из известных преобразователей.

Особенность конструкции данного датчика состоит в том, что ось вращени  1, рамка 6 и основной эксцентричный груз 5 представл ет собой единую жесткую конст- рукцию. Дополнительный груз 7 соедин етс  с этой конструкцией посредством упругой плоской консоли 8, котора  может быть закреплена в верхней части рамки 6, либо непосредственно на оси вращени  1, дл  чего может быть использована, например , втулка, охватывающа  на оси вращени  1 рамку 6. Кроме того, консоль 8 может быть впрессована (вклеена) в разрез на рамке 6 или в совмещенные разрезы рамки б и оси 1, выполн   при этом роль шпонки.

В предлагаемом датчике отношение массы основного груза 5 к массе дополнительного груза 7 целесообразно выбирать в пределах 5-10, а основную частоту возбуждающей силы ft) (частота тока в катушке индуктивности 9) из услови  uJb 0,5 (), где on собственна  частота колебаний груза 7; УМ - собственна  частота ма тника (включа  рамку с установленными на ней элементами - грузом 5 и катушкой индуктивности 9). 0,5-2,0 при а)ь 2 л(20-100)Гц.

Лабораторные исследовани  показали, что при бОм 21 Гц, аъ ИОГц.сиь 50 Гц погрешность возврата ма тника датчика в положение равновеси  составл ет 0,008°. В тоже врем  при отключении катушки индуктивности она равна 0,07°. Следовательно, предлагаемый датчик обеспечивает точность установки оси вращени  примерно в 10 раз большую, чем известный, работа которого эквивалентна работе предлагаемого датчика с разомкнутой катушкой индуктивности .

Предлагаемое техническое решение позвол ет существенно увеличить точность установки ма тников в инклинометрических устройствах и при этом исключает механический гистерезис, обусловленный сухим трением и характерный дл  м тников. Это повышает достоверность измерительной информации, что отражаетс  низкой величиной дисперсии измерений, а, следова- тельно, дает реальную возможность дальнейшего увеличени  точности измерени  путем компенсации систематических погрешностей.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Датчик угла наклона объекта; содержащий корпус, закрепленные в корпусе опоры вращени  и установленный в них взл, жестко закрепленный на оси вала эксцентричный груз, выполненный в виде рамки, и преобразователь угла поворот вала, выполненный в виде вращающегос  трансформатора , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности за счет компенсации трени  в опорах, он снабжен дополнительным эксцентричным грузом, который закреплен на оси вала с помощью упругой пластинчатой консоли, и охватывающей рамку катушкой индуктивности, магнитна  ось которой совпадает с общей линией центров основного и дополнительного эксцент- ричных грузов, дополнительный груз выполнен в виде двухполюсного посто нного магнита и установлен внутри рамки, магА

   /

   Фиг. 2

   фиг.1

   Ю