CC BY
44
______________ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА__________________
2012 Геология Вып. 4 (17)
УДК 550.832
Автоматизированная измерительная система контроля пространственных угловых отклонений
Г.А. Цветков
Пермский государственный национальный исследовательский университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15. E-mail: [email protected]
(Статья поступила в редакцию 8 ноября 2012 г.)
Разработана автоматизированная измерительная система с использованием приборов и средств инерциальной навигации, позволяющая повысить точность измерения углового рассогласования установочных площадок под приборы научной аппаратуры. Расширение функциональных возможностей достигается за счет дополнительного измерения угла азимутального рассогласования.
Ключевые слова: измерительные навигационные головки, акселерометр, датчик момента, угловой датчик, блок обработки информации, блок управления, ориентация, угловые отклонения от горизонта и по азимуту.
Введение
Забой бурящейся скважины является интенсивным источником сейсмоаку-сти-ческих волн, его местоположение может определиться с помощью направлений прихода сигналов в нескольких разне-сен-ных точках пространства с известными координатами. Направление прихода сигнала в некоторую точку пространства с известными координатами можно определить с помощью сейсмоприемников, позволяющих измерять компоненты вектора колебательного ускорения сейсмоакусти-ческого поля. На основе обработки сигналов в режиме реального времени на дисплее компьютера должно идентифицироваться текущее положение забоя относительно устья бурящейся скважины. Известное автоматическое устройство для измерения искривления ствола скважины по а.с.SU № 1057680 содержит четыре блока модулей сейсмоприемников, жестко закрепленных на силуминовой плите относительно друг друга. Сейсмоприемники установлены попарно и наклонно в диаметрально противоположных направлени-
© Цветков Г.А., 2012
ях в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Силуминовая плита с закрепленными на ней сейсмоприемниками с помощью штырей закрепляется на выровненной площадке на поверхности Земли в строго горизонтальном положении на определенном расстоянии от устья скважины.
Конструктивно сейсмоприемники размещены на установочных площадках си-луминовой плиты в три-четыре ряда с сохранением взаимного сдвига на один градус. При больших углах азимутального рассогласования между базовыми осями координат установочных площадок под сейсмоприемники и при колебаниях основания плиты возникает динамическая погрешность измерения, снижающая
точность определения координат забоя с учетом привязки точек установки модулей к координатам устья скважины. Отсюда возникает проблема повышения точности измерения углового рассогласования и расширения функциональных возмож-но-стей дополнительным измерением угла азимутального рассогласования устано-
Г.А. Цветков
вочных площадок под установку сейсмоприемников и другой научной аппаратуры. Известна система для измерения наклона [1], состоящая из двух идентичных измерительных каналов. Измерительный канал имеет измерительный преобразователь и систему преобразования выходных сигналов. Измерительные преобразователи устанавливаются на контролируемом объекте, продольные оси преобразователей располагаются взаимно перпендикулярно. Измерение взаимной ориентации установочных площадок относительно плоскости горизонта производится следующим образом: на первой площадке устанавливаются измерительные преобразователи, измеряются углы отклонения от горизонта относительно двух взаимно перпендикулярных осей, затем измерительные преобразователи устанавливаются на вторую площадку и повторяются измерения отклонения площадки от горизонта. По результатам измерений находятся углы
рассогласования контролируемых площадок относительно горизонта.
Недостатком устройства является то, что при больших углах азимутального рассогласования между базовыми осями координат контролируемых площадок и при колебаниях основания возникает динамическая погрешность, снижающая точность измерений.
Целью работы является повышение точности измерения углового рассогласования и расширение функциональных возможностей дополнительным измерением угла азимутального рассогласования. Сущность технического решения поясняется чертежами, где на рисунке показан состав системы для измерения пространственных угловых отклонений.
В качестве измерительных преобра-зо-вателей могут быть использованы прецизионные акселерометры, например, струнный акселерометр или акселерометр по авторскому свидетельству [3, 4].
/. і
в\.2 Б ло к обр л б от к к II11 ф ор МП ЦII к ичмер ит^л я на к лона
16
Б ло к обр аб от к и нн ф ор >1;» ціні да тчика угла вых. [ох.2
Б ло к уттр а впенн я датчиком м«>мент а
дян ные
ким а нды
|Г их.2 Б ло к обр а б от к п инфор мации иімер ИТ еля на к лона
ВЫХ.
16_
Блок обр або тк и инф ор мацнн да т ч и к а угла вх.2
Б лок упр авлення датчик ом момента
вхГЇ
19
ВХ.
ВЫХ.
Структурно-функциональная схема измерительной системы
Система для измерения пространственных угловых отклонений, приведенная на рисунке, состоит из двух идентичных измерительных головок 2, 3 (ИГ-1 и ИГ-2); каждая из которых содержит основание 4, корпус 5, с корпусом через подшипники 6 кинематически связана рамка 7, ось которой направлена вдоль оси OZl, в рамке 7 закреплен измерительный преобразо-ва-тель 1, ось чувствительности которого расположена в горизонтальной плоскости, на цапфе рамки 7 закреплен ротор датчика момента (ДМ) 11, статор датчика момента 12 закреплен на корпусе 5 ИГ-2, вторая цапфа рамки 7 через муфту 13 кинематически связана с осью датчика угла (ДУ) 14 и двух идентичных измерительных каналов, каждый из которых содержит блок обработки информации измерителя наклона 15, блок обработки информации ДУ 16 и блок управления ДМ 17. Оба канала через шину данных 18 связаны с входом персонального компьютера 19, а через шину команд 20 с выходом компьютера 19. Выход измерительного преобразователя 1 электрически связан с первым входом блока обработки информации датчика наклона 15, выход блока обработки информации измерителя наклона электрически связан через шину данных с входом компьютера 19, второй вход блока обработки информации измерителя наклона 15 электрически связан через шину команд с выходом компьютера 19, выход ДУ электрически связан с первым входом блока обработки информации датчика угла 16.
Выход блока обработки информации ДУ 14 через шину данных 18 электрически связан с входом компьютера 19, второй вход блока обработки информации ДУ 14 через шину команд 20 электрически связан с выходом компьютера 19, вход блока управления ДМ 17 через шину команд 20 электрически связан с выходом компьютера 19, а выход блока управления ДМ электрически связан с ротором датчика момента 11.
Процедура функционирования измерительной системы
Система работает следующим образом: измерительные головки ИГ -1 и ИГ-2 устанавливаются на контролируемые площадки объекта, причем реперные точки, нанесенные на основания I, совмещаются для
ИГ-1 с осью X1 первой площадки, а для
ИГ-2 с осью X2 второй площадки. Из требований чертежа определяется номинальный угол азимутального рассогласования А1, значение которого заносится в память компьютера 13. С выхода компьютера 19 через шину команд 20 на вход блока управления ДМ 17 ИГ-1 поступает команда "Старт", при этом с выхода блока управления ДМ на обмотку ротора датчика момента 11 подается управляющее напряжение, рамка 7 начинает вращаться вокруг оси OZl, одновременно с командой "Старт", поданной на вход блока управления ДМ 17, на второй вход блока обработки информации ДУ 16 ИГ -1 поступает команда "Старт", при этом блок обработки информации ДУ 16 начинает отсчет угла поворота рамки 7, с выхода блока обработки информации ДУ 16 через шину данных 18 информация о величине угла поворота поступает на вход компьютера 19, в компьютере величина измеренного угла поворота сравнивается с величиной номинального угла азимутального рассогласования о А, когда значение измеренного угла поворота станет равным 0 А, с выхода компьютера через шину команд 20 на вход блока управления ДМ 17 измерительной головки ИГ-1 и второй вход блока обработки информации ДУ 14 подается команда "Стоп", при этом движение рамки 7 прекращается, а с выхода блока обработки информации ДУ 14 через шину данных 18 на вход компьютера 19 поступает информация об измерительном угле разворота рамки 7 0 А. С выхода компьютера 19 через шину команд 20 на вторые входы блоков обработки информации измерителя наклона 15 подается одновременно команда "Старт", при этом с выхода блоков обработки информации измерителя накло-
на 15 измерительных головок ИГ -1 и ИГ-2 через шину данных 18 поступает на вход компьютера 19 информация об углах от-
фО
клонения контролируемых площадок ( 1 )
* Ф о
и 92. С выхода компьютера через шину команд 20 подается команда "Стоп" на вторые входы блоков обработки информации измерителя наклона 15. Измерение углов отклонения прекращается. Значения (
ФО * ф0
Ф1 ) и 92 записываются в память компьютера 19. В память компьютера заносится информация об угле поворота рамки 7: для ИГ-1 ¥тс*1 =а А +900, для ИГ-2 ¥тс*2= 90°. С выхода компьютера 19 через шину команд 20 одновременно подается команда "Старт" на вход блока управления ДМ 17 и второй вход блока обработки информации ДУ 16, с выхода блока управления ДМ 16 управляющее напряжение подается на ротор 11 датчика момента 17, с выхода блока обработки информации ДУ 16 через шину данных 18 информация об угле разворота рамки 7 поступает на вход компьютера 19, в компьютере 19 происходит сравнение измеренного угла поворота
' л *
рамки 7 ¥ с Чтс*1=а А + 90°, когда ¥ = ¥то*2, с выхода компьютера 19 через шину команд 20 подается команда "Стоп" на вход блока управления ДМ 17 и на второй вход блока обработки информации ДУ 16, вращение рамки 7 прекращается, с выхода блока обработки информации ДУ 16 через шину данных 18 информация об угле поворота рамки 7 поступает на вход компьютера 19. Разворот рамки 7 ИГ-2 на угол ¥2 =- 90° производится аналогично. С выхода персонального компьютера 19 через шину команд 18 на второй вход блока обработки информации измерителя наклона канала измерения ИГ-1 и на второй вход блока обработки информации измерителя наклона канала измерения ИГ-2 подается одновременно команда "Старт", производится измерение углов отклонения от горизонта
ФО * ф0
( фі ) и *2, информация о которых с выходов блоков обработки информации датчиков наклона 15 через шину данных 18 подается на вход компьютера 19, с выхода
компьютера 19 через шину команд 18 на входы блоков обработки информации измерителя наклона 15 измерительных каналов ИГ-1 и ИГ-2 подается команда "Стоп", в память компьютера 19 записываются ве-
А 0 * 9 0
личины ( 91 ) и 9 2. В компьютер 19 вводятся величины ^ 1тш = аА, ^ 2тт .
Измерители наклона приводятся в первоначальное положение по схеме работы, приведенной выше. Объект с установочными площадками наклоняется вокруг го-
93
ризонтальной оси на угол наклона 3= 5°.
9 к * 9 к
Углы отклонения площадок (91) , 92,
Рл к - к
1 , 2 определяются по схеме работы,
изложенной выше. По программе расчета, заложенной в компьютере 19 с учетом величин
р|° г, $1, л 2о, ) о (*, (*, $к, - к, Р) к г, а х *
, определяются углы рассогласования контролируемых площадок относительно
горизонтальной плоскости и угол
азимутального рассогласования А =
ох * п /1Т г' 93
ил ил. С учетом малости 3 получим
'Ък )* Н (90)*
81П
(А 6 а А) Т
2
(и к )* Н (и 10)*
81П
2
sm
(ф )* Н (Ф0)*
*ёА2 Т
2
(и 2к)* Н (и20)'
(1)
. (2)
sm
2
Таким образом, разработанная измерительная система позволяет при наклоне изделия (плиты с установочными площадками) относительно горизонта определить угол азимутального рассогласования между базовыми осями двух контролируемых площадок. Углы отклонения от горизонта определятся из соотношений
W0 W0
( 10 ) * Т "і , (и 10 ) * Т ^ , (3)
я Я
—0 ( 20 Т У-2
я ’ я '
Следовательно, предлагаемое техниче
ское решение позволяет снизить дина-ми-ческую погрешность определения углов отклонения от горизонта на два порядка и при наклоне изделия на малые углы определить угол азимутального рассогласования следующим образом.
С учетом формул (1) и (2) находим
)* н (12)*
2______. (5)
Îk п |*0
2 П ф?
sin-2 2
'A Т arctg--------- 2 t 0 П arctg
. і 2 Пй 20 . (І 2 )* П (І 2 )*
sin—-------- sin-
22 Затем определяем угол азимутального рассогласования по формуле
а А* ** а А 6^А . (6)
Углы а А ’ а $*и а & позволяют определить ориентации базовой систе-
X 07 7
мы координат второй площадки 2 2 2 в
системе координат первой площадки X 07 7
1 її. Следовательно, предлагаемое техническое решение позволяет снизить динамическую погрешность измерения пространственных углов отклонения и при наклоне изделия на малый угол определить дополнительно угол азимутального
Библиографический список
1. Система для измерения наклона. Пат. 4378693 США. Заявл. 11.02.81 г. №233645. Опубл. 05.04.83. МКИ G 01 В 5/28.
2. Высокоточные угловые измерения / под
рассогласования.
Заключение
На основании приведенных результатов можно сделать следующие выводы:
— выявлены закономерности, позволяющие обоснованно подходить к проектированию измерительных систем контроля пространственных угловых отклонений установочных площадок под приборы управления, сейсмоприемники и другую научную аппаратуру;
— предложенный метод контроля параметров углового рассогласования установочных площадок может быть распространен в машиностроении, станкостроении, геологии и геофизики, при построении нефтегазовых скважин;
— измерительная система позволяет снизить динамическую погрешность измерения пространственных углов отклонения и определить угловое рассогласование установочных площадок в азимутальном направлении.
ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: Машиностроение, 1987.
3. А. с. № 517787. СССР. МКИ С01 G 9/02.
4. Трехугловой наклономер. А. с. №297159
СССР от 01.09.90 / Цветков Г.А., Каган
М.Г.
Automated Measurement System for Control of the Spatial Angular Deviations
G.A. Tsvetkov
Perm State National Researching University, 614990, Perm, Bukirev st., 15 E-mail: [email protected]
The principles and methods of computer-aided measuring system using instruments of inertial navigation, which allow more accurate measurement of the angular deviation of installation sites for scientific instruments are worked out.
Key words: accelerometer, algorithms of the measuring system, angle sensor, processing unit, the angular deviation.
Рецензент - доктор технических наук Ю.П. Петров
