25090 (Разработка инклинометра с непрерывным измерением азимута), страница 3

Основную погрешность инклинометра при измерении азимута определяют, выполняя не менее двух измерений при положении скважинного прибора, соответствующем максимальному значению систематической составляющей погрешности азимута со знаком «плюс» и не менее двух - со знаком «минус».

Скважинному прибору, помещенному в поверочную установку (приспособление) задается наименьшее значение зенитного угла, для которого в технической документации на конкретный тип инклинометра нормируется погрешность измерения азимута.

Азимут измеряют при значениях азимута 5, 30, 60, 90, ..., 330, 355° и задании их со стороны меньших и больших значений. Аналогично находят азимуты при других зенитных углах (включая максимальное его значение, соответствующее середине диапазона измерения).

Основную погрешность измерения визирного угла определяют при минимальном зенитном угле, для которого в технической документации на конкретный тип инклинометра нормируется погрешность измерения визирного угла.

Прибору задают значения визирных углов, равные 0, 30,..., 60° и т. д., причем в каждой задаваемой точке выполняют не менее четырех измерений при задании визирного угла со стороны больших и меньших значений.

Систематическую составляющую основной погрешности инклинометра для каждого -го значения установленного угла (зенитного, азимута или визирного) ( ) определяют по формуле

(4)

где m - число измерений заданного угла (m 4); показания инклинометра при j - ом измерении k - гo значения установленного угла (зенитного, азимута или визирного), где j = 1, 2, 3, ..., m; - действительное значение задаваемого k-го угла (зенитного, азимута или визирного).

Среднее квадратическое отклонение случайной составляющей основной погрешности инклинометра для каждого k - го значения установленного угла равно

(5)

Граница случайной составляющей основной погрешности инклинометра для доверительной вероятности Р = 0,95 при измерении k - то значения установленного угла равна

= . (6)

Нижнюю и верхнюю границы интервала , , в котором с вероятностью Р = 0,95 находится погрешность инклинометра при измерении k -го значения установленного угла, определяют по формуле

(7)

Основную абсолютную погрешность инклинометра при измерении k - то значения установленного угла необходимо оценивать по формуле

(8)

При необходимости повышения инструментальной точности инклинометра путем исключения систематической составляющей погрешности следует строить графики поправок к показаниям инклинометра.

Инклинометр считают годным к эксплуатации, если выполняются следующие условия:

(9)

где - оценка систематической составляющей основной погрешности инклинометра в заданной точке диапазона измерения установленного угла; ; - коэффициенты, равные отношению контрольного допуска (соответственно ]; , ) к пределу допускаемой погрешности (соответственно , , ). Значения и изменяются в пределах от 0,8 до 1,0 в зависимости от отношения пределов допускаемой погрешности образцовых и поверяемых СИ.

Курсовой уход гироскопа во времени для гироскопических инклинометров тоже определяют, задавая скважинному прибору наименьшее значение зенитного угла, при котором нормируется значение курсового ухода гироскопа во времени.

Прибору задают произвольный азимут и с интервалом 15 с производят четыре измерения азимута.

Среднее значение измеренного азимута определяют по формуле

(10)

где - значения азимута, измеренные инклинометром через 15 с.

Измерения повторяются через каждые 5 мин в течение 30 мин.

Для каждого k - то момента времени определяется значение курсового ухода гироскопа по формуле

(11)

Среднее значение курсового ухода гироскопа за 5 мин равно

(12)

Инклинометр считается годным к эксплуатации, если выполняются следующие условия

, (13)

где , - допустимый курсовой уход гироскопа за 5 и 30 мин соответственно, нормированный в технической документации на поверяемый прибор.

При обработке результатов измерений в скважине азимутальных, зенитных и визирных углов могут быть учтены систематические погрешности инклинометра по этим каналам, определенные при поверке.

С этой целью для конкретных типов инклинометров строят график поправок (рис. 9).

Рис.9 График поправок к показаниям инклинометра по зенитному углу (слева) и по азимуту (справа).

Границы погрешности инклинометра , при измерениях с использованием графика поправок к показаниям измеряемых значений углов определяются формулой

(14)

где - основная допускаемая погрешность поверочной установки или образцового средства при использовании поверочного приспособления; -граница случайной составляющей основной погрешности инклинометра при измерении k - го значения j - го угла.

Аттестация образцовых поверочных установок сводится к определению и устранению неперпендикулярностей их осей вращения, установке уровней в горизонтальной плоскости, ориентации установки в пространстве, обеспечивающей совмещение вертикальной оси вращения с направлением гравитационного вектора, а продольной оси зажима-с горизонтальной составляющей геомагнитного вектора и оценке погрешностей задания азимута, визирных и зенитных углов.

3. Феррозондовые инклинометры

Феррозонд, феррозондовый магнитометр, прибор для измерения и индикации магнитных полей (в основном постоянных или медленно меняющихся) и их градиентов. Действие феррозонда основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнитных полей разных частот. В простейшем варианте феррозонд состоит из стержневого ферромагнитного сердечника и находящихся на нём двух катушек: катушки возбуждения, питаемой переменным током, и измерительной (сигнальной) катушки. В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магнитного потока, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке эдс, изменяющуюся по гармоническому закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или слабо меняющееся магнитное поле, то кривая перемагничивания изменяет свои размеры и форму и становится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав эдс индукции в сигнальной катушке. В частности, появляются чётные гармонические составляющие эдс, величина которых пропорциональна напряжённости измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания.

Как правило, феррозонд состоит из двух сердечников с обмотками, которые соединены так, что нечётные гармонические составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается измерительная аппаратура и повышается чувствительность феррозонда. Наиболее распространённые феррозондовые установки имеют следующие основные узлы: генератор переменного тока, питающий обмотку возбуждения, фильтр для нечётных гармонических составляющих эдс, подключенный на выходе измерительной катушки, усилитель чётных гармоник и выходной измерительный прибор. Феррозонды обладают очень высокой чувствительностью к магнитному полю (до 10-4–10-5 а/м).

Феррозонд применяют для измерения земного магнитного поля и его вариаций в частности, при поисках полезных ископаемых, создающих локальные аномалии геомагнитного поля; для измерения магнитных полей Луны, планет, межпланетного пространства; для обнаружения ферромагнитных предметов и частиц в неферромагнитной среде; в системах контроля за качеством выпускаемой продукции (магнитная дефектоскопия и др.).

Магнитная дефектоскопия основана на исследовании искажений магнитного поля, возникающих в местах дефектов в изделиях из ферромагнитных материалов. Индикатором может служить магнитный порошок (закись-окись железа) или его суспензия в масле с дисперсностью частиц 5–10 мкм. При намагничивании изделия порошок оседает в местах расположения дефектов (метод магнитного порошка). Поле рассеяния можно фиксировать на магнитной ленте, которую накладывают на исследуемый участок намагниченного изделия (магнитографический метод). Используют также малогабаритные датчики (феррозонды), которые при движении по изделию в месте дефекта указывают на изменения импульса тока, регистрирующиеся на экране осциллоскопа (феррозондовый метод).

Измерителем поля в феррозондовом магнитометре является феррозонд (или магнитомодулярный датчик), представляющий собой катушку с ферромагнитным сердечником. Первичная обмотка сердечника возбуждается от вспомогательного звукового генератора частотой 200 гц. Под его воздействием меняется магнитная проницаемость материала сердечника, а это, вследствие законов индукции, приводит к тому, что во вторичной обмотке катушки возникает электродвижущая сила, пропорциональная вектору напряженности магнитного поля Земли, направленному вдоль оси сердечника.

Для измерения вертикальной составляющей феррозонд ориентируется по вертикали особым маятником, помещенным в кардановом подвесе. Последний снабжен демпфирующим устройством для быстрого затухания колебаний. Феррозонд подключается к измерительному блоку. В нем помещен звуковой генератор, переключатель поддиапазонов, переключатель компенсации магнитного поля, измерительный индикаторный прибор. Среди отечественных магнитометров к этому типу относится магнитометр М-17, предназначенный для измерения с точностью до 15 нТл.

Использование геомагнитных приборов на основе магнитных датчиков (феррозондов), обеспечивающих учет поправки дирекционного угла, позволяет избавиться от части погрешности измерения. Поэтому в ряде систем местоопределения магнитные датчики направления, представляющие, как правило, трехкомпонентные измерители магнитного поля Земли, дополняются другими приборами, позволяющими компенсировать искажения магнитного поля, возникающие из-за различных факторов. В качестве таких приборов наиболее часто используются датчики ускорения - акселерометры. Сочетание магнитных датчиков направления с акселерометром иногда называют бесплатформенным магнитным компасом.