Аппаратура "ВИКИЗ"

 

2.1. Пространственная компоновка элементов зондового устройства

 

В аппаратуре ВИКИЗ используется набор из пяти трехкатушечных зондов. Конструктивно зондовое устройство выполнено на едином стержне и все катушки размещены соосно. Геометрические характеристики зондов представлены в табл. 4.I.

На рис. 4.1 показана схема  размещения катушек на зондовом устройстве. Здесь приняты следующие обозначения: Г_р Г₂, Г₃, Г₄, Г₅ — генераторные катушки; И₁, И₂, И₃, И₄, И₅, И₆ — измерительные катушки.

Таблица 2.1

 

Схема зонда	Длина, м	База, м	Точка записи, м
И6 0.40 И5 1.60 Г5 И5 0.28 И4 1.13 Г4 И4 0.20 ИЗ 0.80 Г3 ИЗ 0.14 И2 0.57 Г2 И2 0.10 И1 0.40 Г1 ПС	2,00 1,41 1,00 0,71 0,50	0,40 0,28 0,20 0,14 0,10	3,28 2,88 2,60 2,40 2,26 3,72

 

 

Все генераторные и измерительные  катушки зондов меньшей длины  размещены между катушками двухметрового  зонда.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 – Пятизондовая система

2.2 Структурная схема аппаратуры

Структурная схема скважинного прибора представлена на рис. 2.2. Блок электроники обеспечивает поочередную работу зондов. Первой включается генераторная катушка Г и измеряется разность фаз между э.д.с., наведенными в измерительных катушках И_р И₂. Второй включается катушка Г₂ и измеряется разность фаз между э.д.с., наведенными в измерительных катушках И₂, И₃. Далее поочередно включаются генераторные катушки остальных зондов.

Электронная схема содержит: усилители мощности – 1 - 5; смесители – 6- 11; аналоговый коммутатор -12; перестраиваемый гетеродин -13; устройство управления скважинным прибором -14;усилители промежуточной частоты -15, 16;опорный кварцевый генератор -17;широкополосный фазометр -18; передатчик телесистемы -19; выходное устройство -20; блок питания -21.

Смесители расположены в  зондовом устройстве рядом с измерительными катушками. Там же установлен аналоговый коммутатор. Остальные элементы схемы расположены в блоке электроники.

Скважинный прибор подключается к наземной панели с помощью трехжильного кабеля. При регистрации на компьютеризированную каротажную станциюфункции наземной панели может выполнять соответствующая программа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 - Структурная схема скважинного прибора

 

Наземная панель - автономная микропроцессорная система, которая выполняет следующие основные функции:

- обеспечивает питание скважинного прибора;

- принимает цифровые сигналы от скважинного прибора;

- учитывает сигналы «нули воздуха» (фазовые сдвиги в непроводящей среде);

- трансформирует принятые сигналы в значения нормированной разности фаз;

- преобразует результаты  обработки в аналоговые сигналы  (если используются аналоговые  регистраторы);

- передает результаты обработки по стандартному последовательному интерфейсу RS-232;

- отображает на светодиодном индикаторе коды текущих режимов и результаты измерений.

Наземная панель состоит из следующих блоков (рис. 2.3):

- микроконтроллера;

- формирователя входного сигнала;

- 5-канального ЦАПа;

- интерфейса RS-232;

- энергонезависимого ОЗУ;

- светодиодного индикатора;

- блока управления;

- фильтра сигнала ПС (ФПС);

- сетевого источника питания;

- источника питания для скважинного прибора. Микроконтроллер обеспечивает общее управление панелью.

Формирователь сигнала отделяет информационный сигнал от напряжения питания зонда (они передаются по одной жиле кабеля), а также преобразует его в последовательность прямоугольных импульсов с уровнями транзисторно-транзисторной логики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.3 – Структурная схема наземной панели

Для аналоговых регистраторов 5-канальный ЦАП формирует напряжения постоянного тока, пропорциональные измеренным значениям разности фаз.

Интерфейс RS-232 предназначен для передачи измеренных значений в цифровом коде.

Энергонезависимое ОЗУ обеспечивает хранение значений «нулей воздуха» скважинного прибора, которые учитываются при каждом измерении.

Индикаторный светодиодный модуль отображает результаты измерений, а также коды текущих режимов  работы.

Фильтр сигнала ПС осуществляет низкочастотную фильтрацию.

Сетевой источник питания  преобразует сетевое напряжение в ряд постоянных напряжений +5 В, +24 В и —12 В, которые используются для питания собственно элементов панели.

Источник питания скважинного  прибора преобразует выходное напряжение сетевого источника (+24 В) в напряжение постоянного тока (+140 В).

 

2.3 Схема функционирования скважинного прибора и наземной панели

 

Скважинный прибор работает следующим образом (см. рис. 2.2). Сигнал, стабилизированный по частоте, с опорного генератора17 поступает в устройство управления скважинным прибором14,в котором вырабатываются сигналы, управляющие генераторными частотами. По команде из того же устройства14 через усилитель мощности1на катушку первого зонда подается рабочая частота. По команде из устройства14 настраивается частота гетеродина 20, смещенная относительно генераторной частоты на величину промежуточной частоты Δf. Переменный ток в генераторной катушке возбуждает в окружающей среде электромагнитное поле. Это поле наводит в измерительных катушках И₁ - И₆ э.д.с., зависящие от электрофизических свойств горных пород. Эти э.д.с. передаются на входы смесителей6 - 11, а на их вторые входы поступает сигнал гетеродинной частоты. На выходе смесителей появляются сигналы промежуточной частоты с теми же фазами, что и у высокочастотных сигналов.

Процесс измерения происходит в два этапа. На первом этапе по команде из устройства14аналоговый коммутатор12 подключает сигнал от смесителя6к усилителю промежуточной частоты15, а сигнал от смесителя7- к усилителю промежуточной частоты16. Усиленные и сформированные сигналы подаются на входы фазометра18. После окончания переходных процессов в генераторных, гетеродинных цепях и усилителях15, 16 по команде из устройства14 фазометр18 начинает первое измерение, в конце которого данные сохраняются. Затем начинается второй этап работы. По команде из устройства14аналоговый коммутатор12 подключает сигнал от смесителя6 к усилителю промежуточной частоты16, а сигнал от смесителя7- к усилителю промежуточной частоты15. Усиленные и сформированные сигналы подаются на входы фазометра18. После окончания переходных процессов по команде из устройства14 фазометр18начинает второе измерение. Измеренные данные суммируются с результатом первого измерения, при этом полезное значение разности фаз удваивается, а паразитное, возникающее из-за влияния на каналы усиления дестабилизирующих факторов, вычитается. Таким образом, перекрестная коммутация позволяет увеличить точность измерения. В фазометре происходит измерение разности фаз Δφ между входными сигналами и их периода Т, усредненного по двум измерениям. Величины Δφ и Т с помощью передатчика ТЛС19 по линии связи передаются на регистрацию через выходное устройство20. Это устройство выделяет передаваемую информацию на фоне тока, поступающего по кабелю к блоку питания21. Блок 21преобразует постоянный ток в напряжения питания узлов прибора. После этого из устройства14 поступает новая команда, обеспечивающая прекращение работы первой генераторной катушки Г₁ и включение в работу второй генераторной катушки Г₂, работающей на другой частоте. Одновременно на выходе гетеродина13появляется сигнал новой гетеродинной частоты, которая отличается от новой генераторной частоты на ту же самую величину Δf Аналоговый коммутатор12выбирает новую пару измерительных катушек И₂, И₃, и процесс измерения повторяется. Далее по очереди работают все остальные генераторные катушки Г₃, Г₄, Г₅, каждая на своей частоте. Соответствующие подключения осуществляются в гетеродине 13 и в аналоговом коммутаторе12. После окончания всего цикла вновь работает первая генераторная катушка Г₁, и весь цикл повторяется.

 

2.4 Метрологическое обеспечение

Основным методом контроля метрологических характеристик  является измерение в однородной среде с известным УЭС. Однородная среда может быть заменена водоемом с минерализованной водой. Для достижения допустимых погрешностей, обусловленных конечными размерами водоема, его глубина и поперечные размеры должны превышать 6 м. При этом необходимо обеспечить одинаковые значения УЭС во всем объеме раствора с погрешностью не более 1 %. Из-за нелинейности зависимости разности фаз Δω от величины УЭС необходимо проводить измерения по крайней мере в пяти точках рабочего диапазона измерений. Это можно реализовать путем изменения минерализации воды.

Другим способом метрологического контроля является использование физической модели, имитирующей сигналы, как  в однородной среде. К такой модели предъявляют два основных требования: параметры должны поддаваться измерению  с необходимой точностью; математическая модель, описывающая физическую, должна обеспечивать требуемую точность расчета. Для этих целей было выбрано проволочное кольцо, соосное с катушками зонда. Оно представляет собой замкнутый одновитковый контур, состоящий из последовательно включенных индуктивности L, сопротивленияRи емкости конденсатора С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.4 - Схема расположения кольца

 

Здесь L₁и L₂- расстояния от измерительных катушек И₁ и И₂ до генераторной катушки Г,b- радиус кольца, Z- расстояние от плоскости кольца до измерительной катушки И₁, ток в генераторной катушке изменяется по закону J=J₀ - e^iωt.Рабочая частота зондаf= ω/2πКомплексное сопротивление цепи кольца на рабочей частотеR + iX.Активное сопротивлениеRскладывается из потерь в высокоомном проводе и в конденсаторе, включенном в разрыв цепи. Реактивное сопротивление X =1/ωC -ωL.

Методика метрологической  аттестации основана на зависимости  величины Δφ от электрических параметровRи X тонкого кольца, его радиусаbи положенияzотносительно катушек. При измененииzот 0 доL₁величина Δφ имеет два максимума и один минимум. При выполнении условияb<L₁L₂/(L₁+L₂) величина Δφ в точке минимума отрицательна и, следовательно, существуют две точки с нулевой разностью фаз. Выбрав одну из этих точек (ближнюю к катушке И₁) как начало отсчета и передвигая кольцо в сторону катушки И₁, можно получить последовательность возрастающих от нулевого до максимального значений Δφ.

Величина реактивного  сопротивленияX,зависящая от радиуса кольцаb,выбрана так, чтобы значения Δφ были максимальными. Для получения значения Δφ, равного верхнему пределу диапазона измерения, подбирают значение активного сопротивления R.Учитывая, что величинаRопределяется в основном потерями в кольце, выбирают диаметр провода так, чтобы его сопротивление на рабочей частоте было немного меньше значенияR.После этого рассчитывают индуктивность кольца на рабочей частоте. По значениям индуктивности кольца и реактивного сопротивления X рассчитывают необходимую емкость конденсатора.

На этой основе разработан имитатор УЭС горных пород ИМ. Устройство имитатора показано на рис. 2.5. Собственно имитатор образован кольцом 7, выполненным из манганинового провода и закрепленным на электроизоляционном диске4. Кольцо имеет два разрыва. В одном вставлен конденсатор8, в другом – коаксиальный измерительный разъем 6. В рабочем состоянии этот разъем закорочен дисковым замыкателем с пренебрежимо малой остаточной индуктивностью (менее 10^-10 Гн). При помощи болтов 5 диск с кольцом может быть соединен с фланцем 3, который укреплен на втулке 2 подвижным резьбовым соединением. Втулка2крепится на корпусе прибора1болтами 5. Для точной установки имитатора вдоль оси зонда вращают диск4. При этом вращении фланец3и диск4с закрепленным на нем кольцом7 будут перемещаться по резьбе вдоль закрепленной на корпусе втулки 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.5 – Устройство имитатора

Для уменьшения искажений  электромагнитного поля все детали имитатора, за исключением провода  кольца и измерительного разъема, выполнены  из электроизоляционных материалов.

Для расчета э.д.с. в измерительных катушках зонда в присутствии имитатора необходимо достаточно точно знать его параметры и местоположение. Конструкция имитатора обеспечивает его относительное перемещение с погрешностью не более 0,05 мм. Начальное положение z₀, в котором А у = 0, также определяется с погрешностью не более 0,05 мм. Погрешность определения радиуса кольца обусловлена технологией изготовления имитатора и не превышает 0,1 мм.

Значения сопротивленийRи X определяют на эталонной установке MCR-1372 (СНИИМ, Новосибирск) по следующей методике. Имитатор присоединяют к установке через его разъем, с которого предварительно снимают замыкатель. Кроме того, между разъемом имитатора и присоединительным устройством установки включают достаточно длинную прецизионную коаксиальную линию, чтобы исключить взаимодействие электромагнитного поля, генерируемого кольцом имитатора, с металлическими частями установки. Рабочее место при поверке имитаторов организуется так, чтобы в окружающем пространстве электропроводящие предметы были удалены на достаточное расстояние. Их возможное влияние оценивается экспериментально перед началом поверки. Пределы допускаемых погрешностей определения сопротивленийRиXсоставляют 0,7 - 0,8 % в зависимости от рабочей частоты и электрических параметров имитаторов.

 

2.5 Основы метрологической  поверки

Основной принцип метрологической  поверки состоит в сопоставлении  независимых результатов математического  моделирования и физических измерений  в полностью заданной физической модели