Исследование влияния возмущений на динамическую точность регистрации информации автоматическими каротажными станциями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Кайсин, Алексей Егорович

• Кайсин, Алексей Егорович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кайсин, Алексей Егорович

Предметом исследования являются влияние нестабильности скорости развертки на динамическую точность записи - воспроизведения (3-В), изучение колебаний угла между координатами 3-В и суммарной погрешности от воздействия нескольких дестабилизирующих параметров, анализ спектрального состава сигнала, полученного при считывании электростатической головкой эквипотенциальной прямой полосы при наличии поперечных и перпендикулярных колебаний ленты, определение закона распредпения перпендикулярных колебаний ленточного носителя, оценка влияния перпендикулярных колебаний носителя на размеры зарядного пятна при электростатической записи, модель канала магнитной 3-В сигналов, изучение влияния контактных, слойных и щелевых потерь на точность работы УАПЗЗ.

Актуальность темы. АКС, предназначенные для разведки нефтяных месторождений, производят геофизические исследования скважин (ГИС). Основной частью каротажной станции является ^интегрированная информационно-измерительная система (ИИС)* ко"тортН*ДРодествляет преобразование низкочастотных аналоговых сигналов в цифротЛЖ^Ш^Запись его на машинные носители информации, цифровую фкльтрЩИМ^спознавание и редактирование полученных данных, считывание и вывод цифровых сигналов для регистрации их на графопостроителях в виде каротажных диаграмм, а также с помощью различных программных комплексов верификацию и интерпретацию каротажных данных.

Решение проблемы автоматизации ГИС требует создания и совершенствования парка приборов, включающих аппаратуру цифровой записи парамет-: каротажа (АЦЗПК). Для достижения этого необходимы разработка и внешние научно-обоснованных технических решений, направленных на повыше-!-.ч точности получаемой в процессе ГИС информации, ее информативности и , ' оверности, надежное документирование и наглядное представление выяв->ых геологических структур. Поэтому, по-прежнему, стоит задача обеспе-ИИС для ГИС конкурентоспособными техническими средствами для запи-этажных данных и регистрации геофизических кривых. Сочность регистрации информации зависит, в основном, от линейности „ртки регистрируемого сигнала и точности транспортирования ленточного носителя. Соответствие отклонений выходного и входного сигналов достигается при использовании элементов цифровой вычислительной техники. Точность механической развертки носителя определяется нестабильностью скорости вращения ведущих узлов МТЛ, поперечными колебаниями, перекосом ленты и т.п., чаще всего имеющими случайный характер. При считывании информации и ее представлении в числовую последовательность вследствие пространственных относительных колебаний носителя и считывающей головки также имеют место искажения подобного рода.

Анализ погрешностей, возникающих при регистрации и считывании, определяется случайным характером факторов, влияющих на точность всего процесса обработки информации и является сложной математической задачей, решение которой возможно с помощью современного математического аппарата.

Достижение надежности качественной регистрации невозможно без технического диагностирования состояния поверхности трения и скольжения тон-вала, валов, колес зубчатых передач, рабочей поверхности головки магнитной записи. При работе этих деталей возникают наклепы, микротрещины и другие дефекты, а также вибрации.

Разработка же средств технического диагностирования деталей и узлов связана с решением таких задач, как выбор наиболее информативных датчиков и поиск обладающих наибольшей помехоустойчивостью и легко реализуемых алгоритмов обработки сигналов. Первая задача решается путем анализа известных физических эффектов, с помощью которых можно осуществить прогнозирование.

Вторая задача заключается в разработке алгоритмов обработки сигналов и реализации их в конкретных устройствах. Имеющиеся алгоритмы обработки магнитного шума не обладают достаточной избирательностью. Например, наиболее часто используется лишь средняя за период мощность сигнала с датчика.

Требуется разработка алгоритмов, в которых в качестве информативных параметров сигнала вместо ранее измеряемых амплитудных используются временные характеристики сигналов: длительность фронтов нарастания и спада функции выходного сигнала, что значительно повышает помехоустойчивость алгоритмов преобразования сигнала с сохранением его информативности.

Это позволяет диагностировать детали, изготовленные из холоднокатаных материалов в целях выявления внутренней напряженности металла, наличия дислокаций, уровня остаточных напряжений, которые приводят к преждевременному старению материала деталей и деформированию.

Цель работы - разработка и научное обоснование оценок динамической точности процессов записи - воспроизведения информации регистрирующими устройствами, математическое моделирование амплитудно-частотных характеристик тракта записи воспроизведения при модулировании щелевых, контактных и слойных потерь, а также создание оригинальных устройств отображения геолого-геофизической информации и приборов для их технического диагностирования, внедрение которых внесет значительный вклад в повышение точностных характеристик функционирования автоматических каротажных станций.

Для этого необходимо произвести следующие исследования:

- изучение влияния нестабильности скорости и колебаний угла между координатами развертки на динамическую точность записи - воспроизведения; определение суммарной статистической погрешности при записи -воспроизведении;

- анализ спектрального состава сигнала, полученного при считывании электростатическим регистратором контрольной сигналограммы при наличии поперечных и перпендикулярных колебаний ленточного носителя; оценка влияния перпендикулярных колебаний при записи и воспроизведении электро-статографами на исходную информацию;

- определение закона распределения поперечных колебаний диэлектрического носителя и оценка влияния перпендикулярных колебаний носителя на размеры зарядного пятна при электростатической записи;

- математическое моделирование последовательности зон записи и зон без записи на магнитной ленте; изучение влияния колебаний скорости носителя на длительность участков без записи;

- получение математического выражения для остаточного магнитного потока на ленте; получение математических зависимостей для наводимых ЭДС при флуктуациях щелевых, слойных и контактных потерь, вызванных динамическими возмущениями в тракте МТЛ;

- внедрение аппаратуры цифровой записи параметров каротажа и графической информации; применение оригинальных устройств технического диагностирования узлов регистраторов; разработка и создание средств неразру-щающего контроля деталей МТЛ.

Методы исследования. Разработка МТЛ осуществлялась на основе теории машин и механизмов, теории колебаний и динамики, прочности машин, приборов и аппаратуры. Для оценки динамической точности функционирования прецизионных МТЛ применялись методы теории вероятностей, математической статистики и теории случайных функций.

Создание электростатических регистраторов и применение электростатической головки как датчика измерения погрешностей движения ленточного носителя базировались на записи и считывании контрольных сигналограмм методами скрытой потенциальной рельефографии и теории электростатики и электродинамики.

При проектировании ЦМР и оценке потерь 3-В сигналов использовались теоретические основы радиоэлектроники, теория точной магнитной записи и теоретические основы вычислительной техники.

Контроль поверхности и внутреннего напряженно-деформированного состояния деталей МТЛ осуществлялся методами технической диагностики и не-разрушающего контроля.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена результатами технической диагностики АЦЗПК и регистраторов каротажных диаграмм и опытом практической эксплуатации ИИС дляГИС.

Математические модели и алгоритмы, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях функционального анализа, теории вероятностей и случайных функций, а также теории статистической радиотехники, параметрической модуляции сигналов и применении специальных функций.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием аттестованных средств измерений динамической точности 3-В информации, большим объемом экспериментального материала, статистическими мето-" дами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов.

На защиту выносятся результаты исследования ЦМР и РКД, обеспе-ваюших высокую точность записи каротажных сигналов на магнитную ленту, повышение информативности и достоверности отображаемой информации, а также надежное документирование и наглядное представление результатов ГИС, в том числе:

- структурные электрические схемы оригинальных устройств цифровой магнитной записи и регистраторов графической и буквенно-цифровой информации , а также средств вывода информации из микропроцессорных вычислительных средств (МПВС);

- теоретические исследования влияния нестабильности скорости развертки, колебаний угла между координатами 3-В и плоскопараллельных перемещений ленточного носителя на динамическую точность 3-В, анализ спектрального состава тестового сигнала в виде эквипотенциальной прямой полосы, полученного при считывании его электростатической головкой при наличии поперечных и перпендикулярных колебаний ленты, получение оценки влияния перпендикулярных колебаний при 3 и В электростатографами на исходную информацию;

- изучение влияния контактных, слойных и щелевых потерь на точность магнитной 3-В каротажных сигналов на примере работы УАПЗЗ; выбор формы модулированного гармонического сигнала, имитирующего последовательность зон записи, разделенных участками без записи, с целью изучения динамической точности работы УАПЗЗ; определение зависимости влияния колебаний скорости транспортируемого носителя на длительность участков без зашей в режиме поиска зон записи;

- разработка устройства для распознавания образов дефектов по спектральным характеристикам МТЛ и способа преобразования сигналов датчиков, установленных на узлах МТЛ для контроля их технического состояния и диагностики ресурса в условиях воздействия динамических нагрузок; создание устройства для магниггошумовой структуроскопии ферромагнитных изделий после их термической или холоднокатанной обработки, а также способа и устройств определения времени нарастания и спада фронтов импульсных сигналов для выявления внутренней напряженности металла, наличия дислокаций, уровня остаточных напряжений в деталях МТЛ.

Научная новизна полученных результатов определяется впервые проведенными комплексными исследованиями, направленными на получение научно-обоснованных технических решений, способствующих созданию ЦМР и

РКД ИИС для ГИС, позволяющих повысить точность и надежность цифровой записи геофизических сигналов и графического построения их диаграмм, в том числе расширить функциональные возможности при визуализации и документировании полезной, служебной и сопроводительной каротажной информации, в ходе которых:

- разработаны оригинальные технические средства для многоканальной цифровой магнитной записи параметров каротажа, регистрации аналоговой, цифровой, и алфавитно-цифровой геофизической информации на основе электрохимического и электростатического принципов записи, а также устройство вывода цифровой информации из МПВС;

- получены аналитические выражения для: одномерной плотности вероятности случайной функции искажения частоты считывания гармонического сигнала при нестабильных скоростях развертки ленточного носителя при регистрации и считывании; зависимости плотности распределения амплитуды зарегистрированного и считанного сигналов при обработке информации на устройствах с неперпендикулярнымй координатами развертки, когда функция распределения угла между координатами равновероятна в соответствующих интервалах; зависимости плотности вероятности амплитуды зарегистрированного и считанного сигнала при различных дисперсиях нормально распределенной функции изменения угла между координатами развертки; зависимости амплитуды гармоник и коэффициента искажения от угла между координатами развертки; функции искажения амплитуды считанного сигнала и величины зарядного пятна при перпендикулярных колебаниях носителя;

- разработаны способ и УАПЗЗ на магнитном носителе, позволяющие автоматизировать процесс управления приводом МТЛ; предложена форма модулированного гармонического сигнала, имитирующего последовательность зон записи, разделенных участками без записи, получены теоретические выражения для оценки влияния контактных, слойных и щелевых потерь на точность работы УАПЗЗ соответственно в режимах записи и воспроизведения; установлена наибольшая степень влияния контактных потерь и щелевых потерь при Непараллельных рабочих зазорах магнитных головок и непараллельности рабочих поверхностей головки и носителя, определена зависимость влияния колебаний скорости транспортируемого носителя на длительность участков без записи в режиме поиска зон записи;

- предложены оригинальные устройства для технического диагностирования деталей и узлов МТЛ по спектральным характеристикам, получаемым по трем координатам и способ преобразования виброакустичских сигналов МТЛ для контроля его технического состояния и определения ресурса в условиях воздействия динамических нагрузок, имеющих характер случайных стационарных процессов; созданы, защищенные изобретениями, устройство для магни-тошумовой структуроскопии ферромагнитных изделий, способ и устройства определения времени нарастания и спада фронтов импульсных сигналов, которые применены как средства неразрушающего контроля для выявления внут

V « м. ренней напряженности металла, наличия дислокаций, уровня остаточных напряжений в деталях МТЛ.

Практическая ценность. Созданные ЦМР и РКД, вошедшие в состав ИИС для гас, позволили решить проблему автоматизации ГИС за счет обеспечения цифровой записи параметров каротажа, позволяющей вести их обработку с помощью МПВС, и обеспечить информативность, надежность и наглядность документирования каротажных диаграмм.

Техническая новизна разработанных способа и устройств защищены авторскими свидетельствами СССР на 4 изобретения.

Результаты диссертации были использованы при создании, отработке и промышленной эксплуатации ИИС для ГИС, входящей в состав АКС. Работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводимых в ИжГТУ и Удмуртском производственном геологическом объединении (УПГО): № ГР 01335004401 «Опытно-методические работы по обеспечению эффективности применения цифровой записи параметров каротажа на серийных каротажных станциях АКСЛ-7»; №ГР 32-86-19/ 43 « Совершенствование методов и средств записи, документирования, передачи и обра-бопси каротажных данных с помощью ЭВМ»; № ГР 01870085493 «Анализ и выбор структуры математического обеспечения и элементной базы системы сбора и обработки гидрофизической информации»

Реализация работы в производственных условиях. Полученные в работе результаты использованы при проведении ГИС в ОАО «Удмуртгеология». При непосредственном участии автора разработаны и внедрены ЦМР для цифровой записи параметров каротажа и устройство вывода их из МПВС, РКД, осуществляющие документирование каротажных кривых.

Результаты работы могут быть использованы в практике работы предприятий, занимающихся ГИС и оценкой запасов нефти, а также геофизическими исследованиями территорий.

Общий экономический эффект от внедрения диссертационной работы и вклада ее автора в создание автоматизированной ИИС АКС, рассчитанных в ценах 1984 года, составляет 130 тыс. рублей.

Апробации работы. Отдельные закошенные этапы работы докладывались и обсуждались на П Республиканской научной конференции молодых ученых, посвященной 60-летию автономии УАССР «Молодые ученые Удмуртии -народному хозяйству» (Ижевск, 1981), Ш Республиканской научной конференции молодых ученых «Молодые ученые Удмуртии -народному хозяйству», (Устинов, 1984); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы радиоэлектроники и автоматики» (Свердловск, 1984), Республиканской научно-практической конференции "Молодежь Удмуртии - ускорению научно-технического прогресса" (Устинов, 1985); Зональной конференции «Методы прогнозирования надежности проектируемых РЭА и ЭВА» Всесоюзной научно-технической конференции "Конструктивно-технологическое обеспечение качества микро- и радиоэлектронной аппаратуры при проектировании и в производстве" (Ижевск, 1988); 32 Научно-технической конференции Иж

ГТУ (Ижевск, 2000).

За разработку, создание и внедрение комплекса аппаратуры для автоматизации сбора и обработки информации автор удостоен звания «Лауреат премии НТО Удмуртии» (1988), звания «Лауреат премии комсомола Удмуртии» (1987).

Публикации. Результаты работы отражены в 21 научных публикациях: 8 статей в центральной печати, 7 тезисов научно-технических конференций, 3 авторских свидетельства СССР, 3 научно-технических отчета по хоздоговорным НИР.

Структура и объем работы. Диссертациядержит введение, 5 глав и заключение, изложенные на 199 машинописного текста. В работу включены 51 рис., 1 табл.,исок литературы из 153 наименований и приложения (Акты об использовании результатов работы).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния возмущений на динамическую точность регистрации информации автоматическими каротажными станциями»

В первой главе приведены общие сведения о регистраторах информации, проведен анализ возмущений ленточного носителя в МТЛ, сделан обзор регистрирующих устройств и даны оценка состояния средств измерения и контроля параметров движения ленточных носителей и анализ методов контроля и диагностирования МТЛ. В заключении первой главы сделана остановка задач исследований.

Вторая глава посвящена описанию оригинальных технических решений, направленных на создание ЦМР и РКД. В ней проанализированы функционирование способа и устройства для регистрации аналоговой информации, устройства для регистрации информации с помощью электростатической головки, устройства для цифровой магнитной записи, а также рассмотрены технические средства для регистрации графической информации и ее вывода.

Применен способ регистрации аналоговой информации, основанный на том, что при записи аналоговой информации формируют кусочно-линейный сигнал, который сравнивают с входным сигналом и в моменты совпадений записывают точки. При этом аналоговые сигналы с амплитудами, изменяющимися в широких пределах, записывать с высокой точностью.

Предложено устройство для регистрации информации с помощью электронно-лучевого блока электростатической записи, которое обеспечивает большую точность регистрации, чем известные, поскольку оно содержит встроенную систему компенсации поперечной деформации ленточного носителя с помощью двух линейных пьезокерамических преобразователей движения. Эти вибродвигатели установлены таким образом, что они приводят носитель в движение во взаимно-противоположных направлениях, чем создают дополнительное, растягивающее напряжение носителя в его поперечном сечении, деформируя последний.

Блок-схема регистратора каротажных диаграмм 2 V 5 и

13

17

16

10

19

21

18

20

ЧП

24

25

14

11

13

22

23

1 - блок считывания; 2 - блок обработки информации; 3 - блок записи; 4 -элемент задержки; 5 - первый дешифратор; 6 - второй дешифратор; 7 - третий дешифратор ; 8 - первый триггер; 9 - второй триггер; 10 - третий; 11 - четвертый; 12 - пятый триггер; 13 - элемент ИЛИ; 14- первый И; 15 - второй И; 16 -третий Й; 17 - четвертый элемент И; 18 - первый регистр; 19-второй регистр; 20-селекгор кода; 21 - блок ключей; 22-первый счетчик; 23 - второй счетчик; 24 - генератор импульсов; 25 - знакогенератор; 26 - лентопротяжный механизм; 27-носитель.

Рис. 1.

Создано устройство дня регистрации графической и цифровой информации, основанное на электрохимическом принципе записи (рис. 1). Оно позволяет надежно и точно зарегистрировать в цифровых каротажных станциях кодовую информацию о глубине записанных каротажных сигналов. Это происходит из-за использования для передачи цифровой информации лишь двух старших разрядов передаваемой информации. Вероятность ошибки и возможность передачи неверной информации в этом случае существенно снижается и практически отсутствует. Кроме того, для точной привязки каротажных диаграмм к глубине производится запись просечки, которая может передаваться в специальные моменты времени, необходимые для ГИС.

Разработано устройство для цифровой магнитной записи аналоговой информации, поступающей с каротажной станции. Для точной привязки аналоговой информации к глубине скважины, с которой она поступает, на вторых выходах каротажной станции постоянно формируется цифровой код глубины получения информации, который при его изменении сопровождается синхронизирующим импульсом с третьего выхода каротажной станции. Данное устройство обеспечивает уменьшение погрешности магнитной записи, поскольку устраняет короткие импульсы помех, которые могут возникать за счет времени задержки триггера, формирующего кадровые импульсы.

Создано устройство для вывода информации, предназначенное для цифровой записи параметров каротажа. Оно имеет более высокую плотность записи, по сравнению с существующими, и позволяет корректировать амплитудную характеристику тракта записи. Введением калиброванных сигналов достигается повышение точности регистрации информации и обеспечивается более точная привязка полезной информации к служебным синхроимпульсам. Разработанное устройство автоматизирует процесс записи параметров каротажа.

В третьей главе проведено математическое моделирование влияния помех на динамическую точность процессов 3-В информации. В частности, изучено влияние нестабильности скорости развертки на динамическую точность 3-В и колебаний угла между координатами 3-В, определена суммарная погрешность при 3-В, дан анализ спектрального состава тестового сигнала, полученного при его считывании при наличии поперечных и перпендикулярных колебаний, получены оценки влияния колебаний при 3 и на исходную информацию и на размеры зарядного пятна при электростатической записи.

Получено выражение плотности вероятности функции искажения частоты: менение частоты считанного сигнала относительно регистрируемого в каждый момент времени; А, и Ст]2- соответственно коэффициент и дисперсия нестабильгде уа ределяетизностискорости развертки ленточного носителя; - закон изменения скорости развертки; кг и <7г- коэффициент и дисперсия нестабильности шага дискретизации; закон изменения шага дискретизации; /, = Ш- определенный момент времени, 1=0, 1,2,., п.

Установлено, что для закона нормального распределения функции колебаний угла между координатами регистрации плотность вероятности ампли

Зависимость плотности вероятности амплитуды считанного согнала (Г(р) при разливших дисперсиях нормально распределенной функции туды считанного сигнала имеет вид, колебания угла между координатами развертки при считывании игр; представленный на рис.2, и определяется формулой:

2 Г р

Ъаг г . ¡(рг- $ где

Уг(<).

1,001

1,01 у(1)- зависимость изменения угла между координатами регистрации, имеющая нормальный закон распределения с нулевым математическим ожиданием тг и дисперсией

Определены законы распределения частоты и амплитуды гармонического сигнала, регистрация и считывание которого производилась на устройствах с непостоянным утлом между координатами регистрации, функция распределения которого равномерна в интервале ±л!к. Форма сигнала, полученного на входе считывающего устройства, приведена к начальному виду и может быть описана выражением: гл ККит -*у)яп® о' + Ро], где т]{1) и - функции искажения амплитуды, соответственно, при регистрации и считывании; к\ и кг коэффициента линейной трасформации, соответственно, при регистрации и считывании; и уЮ функции изменения угла между координатами развертки, соответственно, при регистрации и считывании.

Закон распределения частоты определяется выражением:

Рис.2. r(ü>)=хехр k,Um ^(crj + kla] fc)02 cos2 й»0/+sin2 ay) to-a;J2 .

IkfUlfá + kla2r\col eos2 o>0t +sin2 coat) а плотность вероятности амплитуды считанного сигнала для нормально распределенной величины колебаний угла между координатами развертки имеет вид: i í i лет J лаг гМЖ ехр ад JV ley2 а,

2«2 ехр

Mexp[-¿ ири£<1 j > 1 где

2<х

1.2 + 1.3 1.4

Проведен анализ спектрального состава тестового сигнала, полученного при считывании эквипотенциальной прямой полосы при наличии поперечных и перпендикулярных колебаний ленты. Законы перпендикулярных и поперечных колебаний, соответственно, имеют вид: хх(()= А± собО^ и *„(*)=А Считанный сигнал представляет собой последовательность импульсов, модулированных по амплитуде и длительности, и описывается формулой: 4-4,3cosQj т ^ r in,А.,) . fn,tu рл V

2 ч^тНт^^^ х ¿ 7 f+pi+pClJ л—i

2 ^ fnCl,

I--üí- + £—к nQ J +

2 2 " 1

Л , (п&„АлЛ V Г' у / ГК

Ч 2 j I 2 2

ZL+ ип„ -Пд.4: к 2 у ; Г -пЛ*. +0+££+рЯ/ иС^-С^Д \ 2 ] I 2 2 . х 2 У, ^ ^ а > + ^, ра,Л| /.

В данном выражении: Т„ и соответственно, период следования импульсов и величина, характеризующая положение начального импульса, при отсутствии поперечных колебаний; т- глубина амплитудной модуляции, т = А11 ия, {/„-амплитуда импульса в отсутствии перпендикулярных колебаний; (и- длительность импульса; Лп1 ~ АпХ - А„2; Лп4 = А„2 + Ап1 , где Ап1 и Ап2- максимальные отклонения, соответственно, переднего и заднего фронтов импульса от первоначального положения, вызванные наличием поперечных колебаний ленты.

Оценено влияние перпендикулярных колебаний ленточного носителя при 3 и В на исходную информацию. Функция искажения амплитуды считанного сигнала, если записываемый сигнал имел постоянный уровень £/„, имеет вид: £ - (1+т1соир1У1+т2 соз (рг), т1 и тг-глубина модуляции сигнала, соответственно, при 3 и В. Введем обозначения: (1 +■//),0059),)= + т2оо5<р2)= у. Перпендикулярные колебания носителя являются случайными и подчиняются стохастическим законам распределения. При условии, что углы <рх и срг в интервале {~п/2,л12) распределены равномерно, дифференциальная функция распрепределения имеет вид: /(<?,)=/(<р2)=11я. Определены дифференциальные функции распределения переменных х и у\

Поскольку случайные величины х и у независимы, то дифференциальная функция двух аргументов определяется по формуле: [{х,у) = g(Jc)g(y)= Функция

1+ 2м + (от,2 + ~]У найдена по формуле: ди, dS для чего у выражен через х у = g/х = <Ц/х = у(£>и)> где и—х.

Интеграл (1) является эллиптическим интегралом первого рода и имеет смысл при выполнении условий: 1 - от, ^ и < 1+и ^(1-тг)<и<^(1+т2). В случае, когда ^ > I, нижний предел ан=! - м,, и ав= верхний 1+т,. Обозначив подкоренную функцию интеграла (1) через G(u), введём преобразования u = u{tp), отображающие интервал («„,«„) в соответствующий интервал действительного аргумента <р между 0 и я.!2 так что du/-jG(u) = jjd<p/yjl-k2 sin2 <р (o<¿2 < l). Для этого введем замену переменных: ц(l-wj'-w, sinV, [l-Wi-^l-W;)]^ «-(l-w.) . Vlí(1 + /и,)- H-«, ](l - m,) -¿(l

Таким образом, дифференциальная функция распределения определяется по выражению:

J\-k¡ sin2 <pt

Функция табулирована.

В четвертой главе исследовано влияние детерминированных возмущений в тракте МТЛ на динамическую точность функционирования канала 3-В сигналов магнитных регистраторов. Описаны принципы действия способа и устройства поиска зон записи на носителе информации, представлена модель канала 3 сигналов, изучено влияния контактных, слойных и щелевых потерь на точность работы УАПЗЗ, а также исследовано влияние колебаний скорости носителя на длительность участков ленты без записи.

Предложена форма амплитудно-модулированного гармонического сигнала, имитирующего последовательность зон записи, разделенных участками без записи, с целью изучения динамической точности работы УАПЗЗ. Данная форма сигнала, существенно упрощая теоретические выкладки, позволяет с достаточной точностью установить факторы, влияющие на точность работы УАПЗЗ.

Магнитный поток в головке воспроизведения имеет три составляющие, первая из которых имеет вид:

2mi

Ф,(ж) = Ф, —i—■——• е 1 ---sin-.

1V ' " 2п8!Х, 2я//А, Я,

Две другие отличаются от первой тем, что вместо X¡ во второй составляющей имеет место сумма 1/Á/+1/Áj, а в третьей разность \1Х\-\1Хг- В этих формулах: 8 - полуширина рабочего зазора магнитной головки; а - расстояние между головкой 3-В и лентой; й- толщина рабочего слоя магнитной ленты; Х\-длина несущей волны; кг -длина модулирующей волны; Фг = Jгде 3Г начальная остаточная намагниченность ленты.

По полученным составляющим определены амплитудно-волновая и амплитудно-частотная составляющие характеристики идеализированного тракта 3-В. С этой целью вычислены ЭДС на один виток обмотки индукционной головки, например, для второй составляющей:

0| = = Ф ,> + • к2а ■ к] ■ соз(<у+ Д )• г = 4 со${а + 0>;, где кв - коэффициент щелевых потерь; ка - коэффициент контактных потерь; ка -коэффициент слойных потерь; © - несущая частота; Л - модулирующая частота. Суммарная ЭДС на выходе головки В представлена в следующем виде: = Ж| = £>-соз(й*-«)(2) , тт а =агсщ Съш<р , ¡-1 /40 + Ссоз<р

D =

COS = +A¡+ 2A¡ A¡ cos2Q/)(l + eos2 £>)+- 2A9C ■ eostp

1/2 л +A2)cosnt ;C +2A A cos2Q¡;

J(A¡ + A2 f eos2 C1í+(A2 -A¡f sin2 Qí где Ao и Аг-коэффициенты в выражениях для составляющих ЭДС. (/)¡ = ^ costo/; \E2 (í)| = Al cos(ca - Q)í. Как показывают данные выражения, сигнал на выходе головки В модулирован как по амплитуде, так и по фазе первой и второй гармониками модулирующего сигнала. С выхода головки В сигнал поступает на вход выпрямителя, имеющего квадратичную детекторную функцию: Ud = \/2%D2, где коэффициент пропорциональности. С выхода последнего амплитудно-демодулированный сигнал сравнивается в компараторе с пороговым уровнем U„ напряжения с целью определения нижней и верхней границ зоны без записи [tH, 4]

В качестве примера рассмотрим влияние щелевых потерь на точность работы УАПЗЗ. При неправильной установке головок угол между направлением 3 и В, совпадающим с осью ОХ, и направлением граней сердечника головки отличается от 90° (X0Z'=<p), возникают дополнительные волновые потери, причем их значение зависит от того, наклонены зазоры головок 3 и В на один и тот же угол или на разные углы. Отклонение угла наклона рабочего зазора от номинального называется перекосом. При движении в тракте МТЛ лента подвержена возмущениям, что приводит к появлению динамического перекоса. Предположим, что угол перекоса изменяется по закону: = + ДЧР cosaj.

В случае, когда рабочие зазоры головок 3 и В параллельны между собой и параллельны линии 0Z' (рис.3), направление магнитных штрихов на носителе, определяемое положением записывающей головки (угол перекоса параллельно рабочему зазору. При этом головка имеет эффективный зазор с шириной 2<5Т =2<У/со8гР„. При появлении динамического перекоса ленты ширина эффективного зазора изменяется по закону: 28^ =2<5/со8(% сое «„¿). В этом случае коэффициент щелевых потерь описывается выражением: [а>81\соь(<Рь +ДЧ'со8й>яг)] Перекос рабочего зазора головки 3-В относительно ленты

Головка

Пвнта * J !/° / •Q X

Щ77 |

Рис. 3.

Первая составляющая ЭДС определяется выражением: </) | = = Ф, ¿X sin <v sin(% + М> cos *>/) > V

XCOS

-suri ООО caS coS 1

V cos^, + IWzoscoj) 1 cos(lP0 +■ ДЧ* COS Сйп t) v cos(% + A"Fcosco„0. 08 1 vcosÍT» + Afeóse/) sm<»í+-i-2-™x 8 xsin eos coi

--У---—=г I;

V со&{<ра + АЧ/собо)п()

Определив | Е£1) \ и |Ез(01> подставляем их в формулу (2) и затем, сравнивая продетектированный сигнал с пороговым уровнем, определяем зависимости изменения значений нижней и верхней границ зоны без записи.

Аналогично определено влияние контактных и слойных потерь на ширину зоны без записи.

В пятой главе описаны изобретения, направленные на контроль качества прецизионных МТЛ, преобразования сигналов датчиков, установлеряых на узлах МТЛ, для контроля их технического состояния и определения их ресурса. Предложены технические средства для магнитошумовой струкгуроскопии ферромагниггаых деталей МТЛ и определения времени нарастания и спада фронтов импульсных сигналов.

Предложено устройство для распознавания образов, которое имеет преимущество перед известными, связанными с опросом датчиков по взаимно-перпендикулярным направлениям и различным частотным диапазонам, поскольку, практически, в данном устройстве снимается спектральная характеристика объекта по трем координатам, которая сравнивается со спектральной характеристикой известного образа. Из-за этого существенно повышается надежность распознавания образов, например, неидеально вращающихся деталей, вибрирующих стоек, направляющих и тому подобных узлов и блоков МТЛ, имеющих свой отдельный спектр в разных пространственных направлениях сигналов при эксплуатации или возбуждении. Причем нормально работающий объект тоже принимается за отдельный обра;!. Кроме того, устройство ликвидирует ошибки распознавания, связанные с переходными процессами в исследуемых объектах.

Создан способ преобразования сигналов объектов для контроля их технического состояния. Он предназначен для неразрушающего контроля и технической диагностики ресурса объектов в условиях воздействия динамических нагрузок, имеющих характер случайных стационарных процессов. Экспериментальные испытания способа показали, что он обладает большей точностью, поскольку процесс распознавания технического состояния объектов осуществляется по всему спектру частот напряжений классифицируемого объекта, а не по одной заведомо установленной гармонике. Введенная новая последовательность операций позволила существенно повысить точность контроля технического состояния объектов.

Разработано устройство для магнитошумовой структуроскопии ферромагнитных изделий, осуществляющее неразрушающий контроль материалов и изделий из них и предназначенное для контроля структуры ферромагнитных материалов после их термической или холоднокатанной обработки, а также для определения содержания отдельных элементов в сплавах. Повышение надежности контроля достигается за счет сравнения интегрированного интегратором сигнала преобразователя с заданным диапазоном его изменения. При попадании сигнала в этот диапазон сигнал дифференцируют, а амплитуду исследуемого сигнала масштабируют, сравнивают амплитуды положительного и отрицательного дифференцированных импульсов со значениями масштабированных амплитуд и по результату сравнения судят о структуре материала. Создан способ определения времени нарастания и спада фронтов импульсных сигналов, заключающийся в ограничении исследуемого импульса между уровнями 0,9 и 0,1 от максимальной амплитуды сигнала в целях повышения точности измерения. Ограниченный между уровнем 0,9 и 0,1 от максимальной амплитуды импульс дифференцируют, а амплитуду исследуемого импульса масштабируют, сравнивают амплитуды положительного и отрицательного дифференцированных импульсов со значениями масштабированных амплитуд исследуемого импульса и по результатам сравнения определяют время нарастания и спада фронтов исследуемого импульса.

Блок-схема устройства для определения времени нарастания и спада фронтов импульсных: сигналов 1

Э 1

Э б

Э 7

3 9

-И ю т

Характеристика устройства

4-1

4-2 8

4-М-1

1-9 4-М

5-1

5-2

11-1

5-3

5-4

11-2 г.

Г1| 1Л г су

1Л

N-2

2 гИ

N-1

Рис.5.

Рис.4.

Для реализации вышеуказанного способа разработаны оригинальные устройства для определения времени нарастания и спада импульсных сигналов, предназначенные для использования в измерителях параметров импульсов, одно из которых изображено на рис.4., где 1-аттенюатор, 2- первый пиковый детектор, 3-первый ограничитель, 4-1,4-2,., 4-Ы -масштабные усилители, 5-1, 52, . , 5-2ЛГ - элементы сравнения, 6- второй ограничитель, 7-дифференциатор, 8-второй пиковый детектор , 9-инвергирующий усилитель, 10-третий пиковый детектор, 11-1,11-2,.,., 11-ЛГ -ключи.

На рис. 5 представлена характеристика устройства, показывающая зависимость входного напряжения от выходного.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе проведены разработка и научное обоснование оценок динамической точности процессов 3-В информации, математическое моделирование амплитудно-частотных характеристик тракта 3-В при модулировании щелевых, контактных и слойных потерь, а также создание оригинальных устройств отображения геолого-геофизической информации и приборов для их технического диагностирования, внедрение которых вносит значительный вклад в повышение тактико-технических характеристик АКС.

1. Разработан способ регистрации аналоговой информации, при котором формируют кусочно-линейный сигнал, который сравнивают с входным сигналом и в моменты совпадений записывают точки. При этом аналоговые сигналы с амплитудами, изменяющимися в широких пределах, можно записывать с высокой точностью.

2. Предложено устройство для регистрации информации с помощью блока электростатической записи, содержащее встроенную систему компенсации поперечной деформации ленты с помощью двух линейных пьезокерамических вибродвигателей, которые прилагают к носителю усилия во взаимно-противоположных направлениях, чем создают дополнительное растягивающее напряжение в его поперечном сечении, деформируя последний. Создано устройство для электрохимической записи графической и цифровой информации. Оно позволяет надежно и точно регистрировать в АКС кодовую информацию о глубине записанных каротажных сигналов.

3. Создано устройство для цифровой магнитной записи аналоговой информации, поступающей с АКС. Для точной привязки информации к глубине скважины на выходах АКС постоянно формируется цифровой код глубины, который при его изменении сопровождается синхронизирующим импульсом АКС. Повышение точности достигается за счет устранения коротких импульсов помех, которые могут возникать за счет времени задержки триггера, формирующего кадровые импульсы. Разработано устройство для вывода информации из МПВС, имеющее более высокую плотность записи и позволяющее корректировать амплитудную характеристику тракта записи. Введением калиброванных сигналов достигается повышение точности регистрации информации и обеспечивается более точная привязка полезной информации к служебным синхроимпульсам.

4.Функция искажения частоты сигнала прямо пропорциональна колебаниям шага дискретизации при считывании и обратно пропорциональна лебаний скорости развертки при регистрации и шага дискретизации при считывании величина искажения частоты не подчиняется нормальному закону распределения.

5. Суммарная погрешность обработки информации на устройствах, в которых имеют место колебания скорости развертки и шага дискретизации, в большой степени зависит от дисперсии скорости развертки при регистрации, поэтому стабилизация скорости механической развертки носителя регистрирующих устройств имеет первостепенное значение.

6. Частотные искажения информации при регистрации ее и считывании на устройствах, в которых имеют место колебания угла между координатами развертки, подчиняются нормальному закону распределения, если принять нормальное распределение колебаний угла. Величина амплитудных искажений информации не распределена нормально, и имеет место нелинейное уменьшение амплитуды сигнала при регистрации и увеличение ее при считывании.

7. Степень влияния колебаний угла между координатами развертки при регистрации и считывании оценивается качественным анализом дисперсии суммарной функции амплитудных искажений. Определено, что влияние колебаний угла между координатами развертки как при регистрации, так и при считывании одинаковое.

8. Статический перекос угла между координатами развертки при регистрации и считывании вызывает расширение спектрального состава последней. При регистрации чисто гармонического сигнала появляются его гармоники более высоких порядков, амплитуды которых зависят от разницы углов между координатами развертки при регистрации и считывании.

9. Погрешности, вызываемые плоскопараллельными перемещениями носителя при регистрации или считывании, определяются простым суммированием амплитуды обрабатываемой информации и случайной функции плоскопараллельных перемещений, т.е. имеют место только амплитудные искажения обрабатываемой информации.

10. Колебания промежутка «экран головки записи-воспроизведения -носитель» влияют на качество регистрации и надежность считывания.

11. Спектр сигнала, считанного с движущегося носителя с нанесенной на него контрольной сигналограммой в виде эквипотенциальной полосы, при наличии перпендикулярных и поперечных колебаний имеет весьма сложный состав. Появляются бесконечные множества боковых составляющих с частотами, являющимися сложной комбинацией частот следования импульсов, формирующихся при сканировании органа считывания поперек носителя, и частот перпендикулярных и поперечных колебаний носителя, с различными коэффициентами.

12. Функции искажения амплитуды считанного сигнала при записываемом сигнале, имеющем постоянный уровень, определяется эллиптическими интегралами первого рода. Это обстоятельство приводит к большим трудностям при синтезе корректирующих фильтров, устраняющих влияние процесса помех.

13. Плотность вероятности перпендикулярных колебаний носителя в случае, когда толщина носителя распределена нормально и ее математическое ожидание равно 0, выражается через функцию Макдональда нулевого порядка, являющуюся разновидностью бесселевых функций.

14. Разработаны технические средства автоматизированного поиска зон записи на магнитном и дисковом носителях, позволяющие автоматизировать процесс управления приводом МТЛ. Предложена форма модулированного гармонического сигнала, имитирующего последовательность зон записи, разделенных участками без записи. Данная форма сигнала, существенно упрощая теоретические выкладки, позволяет с достаточной точностью установить факторы, влияющие на точность работы УАПЗЗ.

15. Изучено влияние контактных, слойных и щелевых потерь на точность работы УАПЗЗ. Установлено, что потери, имеющие место при поиске зон записи, превышают потери режима воспроизведения. Наибольшее значение приобретают контактные потери, щелевые потери при непараллельных рабочих зазорах магнитных головок и непараллельности рабочих поверхностей головки и носителя. Для надежного поиска зон записи встает особая необходимость устранения перпендикулярных колебаний и различных перекосов носителя в зоне головки воспроизведения. Определена зависимость влияния колебаний скорости носителя на длительность участков без записи в режиме поиска. Получено, что в МТЛ изменение длительности зон без записи и не превышает ± 1%.

16. Разработаны алгоритмы обработки сигналов и реализации их в конкретных устройствах, в которых в качестве информативных параметров используются временные характеристики сигналов: длительность фронтов нарастания и спада функции выходного сигнала, соотношение между реперными точками, например, время между, участками, в которых производные сигнала равны нулю. Использование временных характеристик сигналов вместо ранее измеряемых амплитудных значительно повышает помехоустойчивость алгоритмов преобразования сигнала с сохранением его информативности.

17. Предложено устройство для распознавания по спектральным характеристикам МТЛ дефектов, например, не идеально вращающихся деталей, вибрирующих стоек и направляющих и тому подобных узлов и блоков МТЛ, имеющих свой отдельный спектр сигналов. Создан способ, предназначенный для диагностики ресурса МТЛ в условиях воздействия динамических нагрузок, имеющих характер случайных стационарных процессов.

18. Разработано устройство для магнитошумовой структуроскопии ферромагнитных изделий, предназначенное для контроля структуры деталей МТЛ из ферромагнитных материалов. Создан способ и устройства определения времени нарастания и спада фронтов импульсных сигналов, предназначенные для выявления внутренней напряженности металла, наличия дислокаций, уровня остаточных напряжений в деталях МТЛ.

19. Предложенные технические решения использованы при создании ЦМР и РКД автоматизированной ИИС для ГИС, которая внедрена в ОАО «Уд-мурттеология».

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Устройства цифровой магнитной записи и регистрации каротажных диаграмм информационно-измерительных систем для геофизических исследований скважин / Кайсин А.Е., Лялин В.Е., Межов А.П., Гурьянов A.B.; ИжГТУ, 1999,- Деп. в ВИНИТИ, №3435 -В99. - 32 с.

2. Обзор принципов действия, динамической точности и технического диагностирования регистрирующих устройств информационно-измерительных систем для геофизических исследований скважин / Кайсин А.Е., Лялин В.Е., Гаврилов Д.С. .; ИжГТУ, 1999.-Деп. в ВИНИТИ 1999, №3434 -В99. - 43 с.

3. Математическое моделирование влияния помех на динамическую точность процессов записи-воспроизведекия информации регистрирующими устройствами / Кайсин А.Е., Лялин В.Е., Зимин П.В.; ИжГТУ , 1999,- Деп. в ВИНИТИ 1999, №3433 -В99. - 56 с.

4. Исследование влияния детерминированных возмущений в тракте механизмов транспортирования ленты на динамическую точность функционирования канала записи-воспроизведения сигналов магнитных регистраторов / Кайсин А.Е., Лялин В.Е., Щеглов А.П.; ИжГТУ,1999 .- Деп. в ВИНИТИ 1999, №3430 -В99. - 56с.

5. Разработка и применение средств технического диагностирования и методов неразрушающего контроля при создании регистраторов информации / Кайсин А.Е., Лялин В.Е., Гурьянов A.B., Журавлев A.B.; ИжГТУ, 1999,- Деп. в ВИНИТИ 1999, №3427 -В99. - 38с.

6. Микропроцессорная маломощная ИИС для сбора и обработки гидрофизической информации / Кайсин А.Е., Поздеев B.C., Серебряков В.В., Кузнецов П.Г.; ИжГТУ, 1987,- Деп. в ВИНИТИ 1987, №6535 -В87. - 12 с.

7. Устройство измерения параметров импульсов на базе микро-ЭВМ/ Кайсин А.Е., Поздеев B.C., Кузнецов П.Г.; ИжГТУ, 1986,- Деп. в ВИНИТИ 1986, №6873 -В86. - 12 с.

8. Кайсин А.Е., Загребин А.П. Блочно-агрегатный принцип проектирования АСК // Тез. докл. III Республиканской научной конференции молодых ученых «Молодые ученые Удмуртии - народному хозяйству», том «Автоматизация и механизация трудоемких процессов» (Устинов, 1984). - Устинов: УДТ НТО, 1984.-С. 117-118.

9. Кайсин А.Е. Устройство ввода аналоговых сигналов на ЦВМ «Наири -3-1» // Тез. докл. II Республиканской научной конференции молодых ученых «Молодые ученые Удмуртии - народному хозяйству», том «Техника» (Ижевск, 1981). -Ижевск:, «Удмуртия». 1981. - С. 114 - 115.

10. Кайсин А.Е. Проектирование оконечных устройств в информационно-измерительных системах. // Тез. докл. Республиканской научно-практической конференции "Молодежь Удмуртии - ускорению научно-технического прогресса" (Устинов, 1985. Ч. III. - Устинов: УДТ НТО, 1985. - С. 324-325.

11. Кайсин А.Е., Анисимов C.B. Устройство контроля крутизны фронта импульсов // Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы радиоэлектроники и автоматики» (Свердловск, 1984). -Свердговск: СДТ НТО, 1984. - С. 20

12. Кайсин А.Е., Кузнецов П.Г., Ивонин М.Ю. Аппаратурное и математическое обеспечение индивидуального прогнозирования надежности некоторого класса РЭА // Гез. докл. Зональной конференции «Методы прогнозирования надежности проектируемых РЭА и ЭВА» (Пенза, 1987). -Пенза: ПДТ НТО, 1987.-С. 12-13.

13. A.c. 1585738, СССР, МКИ G 01 N 27/83. Устройство для магнитошу-мовой структуроскопии ферромагнитных изделий, / B.C. Поздеев, А.Е. Кайсин. -№4297885; Заявлено 21.08.87; Опубл. Бюл. 1990, №30.

14. A.c. 1242852, СССР, МКИ G 01 R 29/02. Способ определения времени нарастания и спада фронтов импульсных сигналов и устройство для его осуществления. / B.C. Поздеев, А.Е. Кайсин, А.П. Загребин, П.Г. Кузнецов (СССР). -№3790633; Заявлено 18.09.84; Опубл. Бюл. 1986, №25.

15. A.c. 1525622, СССР, МКИ G 01 R 29/02. Устройство для определения времени нарастания и спада импульсных сигналов. / B.C. Поздеев, А.Е. Кайсин, М.В. Мурзак (СССР). -№4392506; Заявлено 14.03.88; Опубл. Бюл.-1989, №44.

16. Кайсин А.Е., Загребин А.П., Поздеев B.C. Устройство допускового контроля длительности фронтов импульсов // «Электронная промышленность», 1985, вып. 5,-С. 56-57.

17. Опытно-методические работы по обеспечению эффективности применения цифровой записи параметров каротажа на серийных каротажных станциях АКСЛ-7: Отчет о НИР / Ижевский механический ин-т; Рук. В.Е.Лялин, Исп. В.Е.Лялин, Р.М.Гараев, А.В.Тарасов, А.Е. Кайсин и др. - № ГР 01335004401; Инв. № 02860033931. - Ижевск, 1983. - 208 с.

18. Совершенствование методов и средств записи, документирования, передачи и обработки каротажных данных с помощью ЭВМ: Отчет о НИР / Удмуртское производственное геологическое объединение, Ижевский механический ин-т; Рук. В.Е.Лялин; Исп. В.ЕЛялин, Р.М.Гараев, А.Е.Кайсин и др. -№ ГР 32-86-19/ 43; Инв. № 2030. - Ижевск, 1988.-108 с.

19. Анализ и выбор структуры математического обеспечения и элементной базы системы сбора и обработки гидрофизической информации: . Отчет о НИР / Ижевский механический ин-т; Рук П.Г. Кузнецов; Исп. П.Г. Кузнецов, B.C. Поздеев, А.Е. Кайсин и др. - № ГР 01870085493. - Ижевск, 1988. - 65 с.

20. Кайсин А.Е., Лялин В.Е. Немирович Т.Г. Математическое моделирование динамической точности устройств записи-воспроизведения информации //Гез. докл. 32 Научно-технической конференции ИжГТУ. - Ижевск: ИжГТУ, 2000. - 1с.

21. Кайсин А.Е., Лялин В.Е, Бархатов С.П. Техническое диагностировние и неразрушаюший контроль при создании регистраторов информации. //Тез. докл. 32 Научно-технической конференции ИжГТУ,- Ижевск: ИжГТУ, 2000.-1с.

Подписано к печати Ы-06. 2000 г. Формат 60x84/1б. Бумага писчая.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № Si Отпечатано в типография ИжГТУ, 426069, г. Ижевск, ул.Студенческая, 7.