Инструмент для измерения координат работающей пневмоударной машины для бурения скважин (станка пневмоударного бурения)

Полезная модель относится к приборостроению - к технике создания акустических навигационных систем, используется для определения трех координат работающей в грунте пневмоударной машины. Измеритель включает излучатель импульсного акустического сигнала - работающую пневмоударную машину, не менее четырех акустоэлектрических преобразователей (АП), N блоков обработки импульсного акустического сигнала, блок вычисления трехмерных координат работающей пневмоударной машины и блок отображения информации. Количество N блоков обработки импульсного акустического сигнала равно количеству АП. Выход каждого АП соединен с входом одного из N блоков обработки импульсного акустического сигнала, выход которого соединен с соответствующим входом блока вычисления трехмерных координат работающей пневмоударной машины, соединенного выходом со входом блока отображения информации. Технический результат - повышение точности измерения скорости распространения упругих волн в грунтовом массиве и, как следствие этого, повышение точности при вычислении трех координат пневмоударной машины и информативности устройства.

1 н.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Техническое решение относится к приборостроению, а именно к технике создания акустических навигационных систем, и может быть использовано, например, для определения трех координат работающей в грунте пневмоударной машины.

Известна гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система дальнего действия по патенту РФ на изобретение 2353949, кл. 001815/08, опубл. в бюл. 12 от 27.04.2009 г., включающая донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа F_m (m=1-М), вторую донную навигационную базу из М гидроакустических маяков-пингеров с различными частотами излучения F_m (m=1-М), механически связанных с соответствующими М маяками-ответчиками, содержащих М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов, М передатчиков с различными рабочими частотами F_m, входы которых соединены с выходами генераторов синхроимпульсов, М расположенных вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны

на рабочих частотах F _m гидроакустических излучателей, входы которых соединены с выходами передатчиков с соответствующими рабочими частотами, размещенные на объекте навигации генератор синхроимпульсов, акустический передатчик с частотой опроса f₀, вход которого соединен с первым выходом генератора синхроимпульсов, М- канальный приемник для приема ответных сигналов с частотами f_m, М измерителей времени распространения акустических сигналов до маяка- ответчика, работающего на частоте этого канала, и обратно, первые входы которых соединены с выходами М-канального приемника, а вторые входы соединены со вторым выходом генератора синхроимпульсов, МхN блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N возможных лучевых траекторий, входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей времени распространения, М блоков выбора максимального значения дистанции, входы которых соединены с выходами N блоков преобразования временных интервалов в дистанции данного канала, вычислитель координат объекта навигации, первый вход которого соединен с выходами М блоков выбора максимального значения дистанций, второй генератор синхроимпульсов, работающий синхронно с генераторами синхроимпульсов маяков-пингеров, первый вход которого используется для синхронизации М синхронно-работающих генераторов синхроимпульсов гидроакустических маяков-пингеров перед их установкой на дно, приемная акустическая антенна для приема акустических сигналов маяков-пингеров, второй М-канальный приемник для приема акустических сигналов маяков-пингеров, вход которого соединен с выходом приемной акустической антенны, М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, первые входы которых соединены с выходами второго М-канального приемника, а вторые входы соединены с выходом второго генератора синхроимпульсов, дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции, входы которых соединены с выходами

М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, а выходы соединены со вторыми входами вычислителя координат объекта навигации. Приемная акустическая антенна выполнена направленной в вертикальной плоскости, причем максимум ее характеристик направленности соответствует критическому углу скольжения =arccos(с₁₂), М расположенных вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах F _m гидроакустических излучателей выполнены направленными в вертикальной плоскости. Максимум характеристики направленности лежит в диапазоне углов скольжения согласно выявленной закономерности, а дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции вычисляют искомые расстояния через скорость распространения придонной волны по установленной зависимости.

Недостатки данного устройства - низкая надежность системы за счет наличия механических связей между гидроакустическими маяками- ответчиками и гидроакустическими маяками-пингерами. Ограничена область применения системы - только для однородной подводной среды, в которой скорость распространения упругих волн в отличие от грунтового массива всегда практически постоянна.

Наиболее близким устройством по технической сущности и совокупности существенных признаков является измеритель координат излучателя импульсного акустического сигнала в среде согласно патенту РФ на полезную модель 118765, кл. 001815/06, опубл. в бюл. 21 27.07.2012

г., включающий указанный излучатель импульсного акустического сигнала, в качестве которого используется работающая пневмоударная машина, акустоэлектрические преобразователи, 14- канальный блок обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала, устройство связи, устройство трехмерной обработки данных, при этом общее количество N акустоэлектрических преобразователей не меньше четырех. Выход каждого

акустоэлектрического преобразователя соединен с одним из N входов блока обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала, выход которого взаимной связью соединен со входом устройства связи, соединенного выходом со входом устройства трехмерной обработки данных.

Недостатки указанного устройства заключаются в низкой точности измерения скорости распространения упругих волн в грунтовом массиве и, как следствие этого, недостаточной точности при вычислении координат машины в грунте. При запуске пневмоударной машины в грунтовый массив один из каналов блока обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала, до которого ударная волна дошла первой, посылает другим каналам блока обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала команду на запуск измерения времен задержек ударной волны. Как следствие этого, в устройстве могут возникнуть инструментальные погрешности, связанные с появлением дополнительных временных задержек, равных разности между моментом прихода ударной волны на первый сработавший канал блока обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала и моментом запуска измерения времен запаздывания прихода волны в других каналах блока обработки времен запаздывания импульсного акустического сигнала. Эта погрешность не позволяет с высокой точностью вычислить скорость распространения ударной волны в грунтовом массиве. Из-за недостаточной точности измерения координат пневмоударной машины снижается эффективность использования устройства при формировании подземного перехода.

Техническая задача измерителя координат работающей пневмоударной машины (далее - устройство) заключается в повышении эффективности его использования за счет повышения точности измерения скорости распространения упругих волн в грунтовом массиве и, как следствие этого, повышения точности при вычислении трех координат

пневмоударной машины. Информативность устройства повышается за счет восстановления форм импульсных акустических сигналов с последующим выбором методов их обработки и сравнением их параметров с параметрами опорного импульсного акустического сигнала, измеренного непосредственно на работающей пневмоударной машине.

Поставленная техническая задача решается тем, что в измеритель координат работающей пневмоударной машины, включающий излучатель импульсного акустического сигнала, представляющий собой работающую пневмоударную машину, и акустоэлектрические преобразователи в количестве не менее четырех, согласно техническому решению дополнительно введены N блоков обработки импульсного акустического сигнала, блок вычисления трехмерных координат работающей пневмоударной машины и блок отображения информации. Количество N блоков обработки импульсного акустического сигнала равно количеству акустоэлектрических преобразователей, при этом выход каждого акустоэлектрического преобразователя соединен с входом одного из N блоков обработки импульсного акустического сигнала, выход которого соединен с соответствующим входом блока вычисления трехмерных координат работающей пневмоударной машины, соединенного выходом со входом блока отображения информации. Вход одного из акустоэлектрических преобразователей соединен с излучателем импульсного акустического сигнала, а каждый из N блоков обработки импульсного акустического сигнала содержит усилитель напряжения, входом соединенный со входом блока обработки импульсного акустического сигнала, а выходом - со входом фильтра нижних частот, выходом соединенного со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен со входом цифрового фильтра нижних частот, при этом выход цифрового фильтра нижних частот соединен с выходом блока обработки импульсного акустического сигнала.

Указанная совокупность признаков позволяет повысить эффективность устройства за счет повышения его точности, так как обработка импульсных акустических сигналов осуществляется в одном блоке вычисления трехмерных координат работающей пневмоударной машины, что исключает возникновение инструментальных погрешностей, связанных с дополнительным временем передачи данных между отдельными N блоками обработки импульсного акустического сигнала. Информация с N блоков обработки импульсного акустического сигнала объединяется в одном блоке вычисления трехмерных координат, что позволяет избежать возникновения задержек, появляющихся при отправке команды от одного блока обработки импульсного акустического сигнала к другим.

Информативность устройства повышается за счет восстановления формы импульсного акустического сигнала в блоках обработки импульсного акустического сигнала с последующим выбором метода обработки принятой информации в блоке вычисления трехмерных координат машины.

Возможность сравнивать параметры импульсных акустических сигналов, принятых на поверхности Земли, с импульсным акустическим сигналом, принятым непосредственно с работающей пневмоударной машины, повысит точность измерения координат и информативность устройства за счет получения дополнительных данных, основанных, например, на спектральном анализе принятых импульсных акустических сигналов, о наличии в грунтовом массиве различного типа неоднородностей.

Выполнение блоков обработки импульсного акустического сигнала по указанной схеме обеспечивает достаточный уровень сигнала на входах блока вычисления трехмерных координат работающей пневмоударной машины, что повысит дальность действия устройства. Введение фильтра нижних частот и цифрового фильтра нижних частот повысит

помехоустойчивость устройства и точность измерения координат работающей пневмоударной машины.

Сущность технического решения поясняется примером конструктивного исполнения устройства и чертежами фиг. 1, 2, где на фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 - геометрическая модель взаимодействия излучателя импульсного акустического сигнала и пяти акустоэлектрических преобразователей.

Структурная схема устройства состоит (см. фиг. 1) из излучателя 1 импульсного акустического сигнала (далее излучатель 1), N акустоэлектрических преобразователей 2₁...2 _N, N блоков 3₁3_N обработки импульсного акустического сигнала, каждый из которых содержит соответственно один из усилителей 4₁....4_N напряжения, один из фильтров 5 ₁....5_N нижних частот, один из аналого-цифровых преобразователей 6₁....6_N и один из цифровых фильтров 7₁.7_N нижних частот, блока 8 вычисления трехмерных координат работающей пневмоударной машины, блока 9 отображения информации.

Выход каждого акустоэлектрического преобразователя 2₁...2_N соединен с входом одного из N блоков 3₁3_N обработки импульсного акустического сигнала, выход которого соединен с соответствующим входом блока 8 вычисления трехмерных координат работающей пневмоударной машины, соединенного выходом со входом блока 9 отображения информации. Вход одного из N блоков 3₁3_N обработки импульсного акустического сигнала соединен со входом одного из усилителей 4₁....4 _N напряжения, выход которого соединен со входом одного из фильтров 5₁....5_N нижних частот, выходом соединенного со входом одного из аналого-цифровых преобразователей 6₁....6_N, выход которого соединен со входом одного из цифровых фильтров 7₁.7_N НИЖНИХ частот, при ЭТОМ ВЫХОД ОДНОГО ИЗ цифровых фильтров 7₁.7_N нижних частот соединен с выходом одного из блоков 3₁3_N обработки импульсного акустического сигнала.

Количество N акустоэлектрических преобразователей 2₁...2_N равно количеству блоков 3₁3_N обработки импульсного акустического сигнала и должно быть не менее четырех, так как один акустоэлектрический преобразователь 2₁ на который сигнал с излучателя 1 приходит первым, используется как опорный, то есть определяющий время начала отсчета, а остальные акустоэлектрические преобразователи 2₂...2_N используются для измерения N-1 времен запаздывания импульсного акустического сигнала относительно времени начала отсчета и для последующего вычисления усредненных значений трех координат блоком 8 вычисления трехмерных координат работающей пневмоударной машины. В качестве излучателя 1 (см. фиг. 1) используется работающая пневмоударная машина, с которой соединен вход акустоэлектрического преобразователя 2₁ .

Использование более четырех акустоэлектрических преобразователей 2₁...2_N повысит точность измерителя координат работающей пневмоударной машины за счет получения дополнительных данных и вычисления усредненных значений скорости V распространения упругих волн в грунте и трех координат машины.

Работа устройства для пяти акустоэлектрических преобразователей 2₁...2₅ осуществляется следующим образом. Акустоэлектрические преобразователи 2 ₂...2₅ устанавливают на поверхности грунта в вершинах воображаемого прямоугольника ABCD (см. фиг. 2) следующим образом - акустоэлектрический преобразователь 2₂ в точке А, акустоэлектрический преобразователь 2₃ в точке В, акустоэлектрический преобразователь 2₄ в точке С, а акустоэлектрический преобразователь 2₅ в точке D. Акустоэлектрический преобразователь 2₁ устанавливают на самом излучателе l в точке О. Перед началом работы производят калибровку устройства - измеряют скорость V распространения упругих волн в грунте. Зная исходные координаты машины, по временам t_A, t_B, t_C , t_D задержки прихода импульса в точки А, В, С, D для каждого из блоков З₂...З₅ обработки импульсного акустического сигнала в блоке 8 вычисления

трехмерных координат машины вычисляют четыре скорости V_A , V_B, V_C, V_D распространения упругих волн в грунтовом массиве, что позволяет учесть возможную неоднородность его свойств.

Для предотвращения наложения спектров усиленных сигналов, подаваемых на вход аналого-цифровых преобразователей 6₁...6₅, они должны быть пропущены через фильтры 5₁...5₅ нижних частот для подавления спектральных компонент импульсного акустического сигнала, частота которых превышает половину частоты дискретизации. После фильтрации производится оцифровка сигналов при помощи аналого- цифровых преобразователей 6₁.. .6₅.

Далее посредством цифровых фильтров 7₁ ...7₅ нижних частот из оцифрованных сигналов выделяют частоты, лежащие в полосе полезного сигнала, создаваемого движением пневмоударной машины в грунтовом массиве.

соответствующие входы блока 8 вычисления трехмерных координат машины, которые далее отображаются для оператора системы при помощи блока 9 отображения информации.

Блок 8 вычисления трехмерных координат машины работает по принципу определения времен задержки t_A, t_B, t _C, t_D поступления

относительно сигнала которого вычисляют задержки t_A, t_B, t_C, t_D прихода сигнала до других акустоэлектрических преобразователей 2 ₂...2₅. В данном случае опорным сигналом является сигнал от излучателя 1, то есть от пневмоударной машины, он первым приходит на акустоэлектрический преобразователь 2₁ который размещен на самом излучателе 1.

Далее с использованием математического аппарата вычисляют три координаты излучателя 1. Процесс вычисления координат происходит в блоке 8 вычисления трехмерных координат машины следующим образом.

За исходные данные для вычисления координат излучателя 1 используют расстояния между акустоэлектрическими преобразователями 2₂...2₅:

преобразователями 2₄ и 2₅: АВ=СD;

преобразователями 2₃ и 2₄: АD=ВС;

h - глубина запуска равна расстоянию АК;

l - длина машины;

Начало координат принято в точке А.

t_o - время прихода опорного сигнала на акустоэлектрический

преобразователь 2₁ (для вычислений принимают равным 0);

t_A, t_B, t_C , t_D - времена задержек распространения импульсного

акустического сигнала в точках А, В, С, D соответственно относительно опорного сигнала.

При заглублении пневмоударной машины в грунтовый массив на всю длину l координаты точки О, где формируется импульсный акустический сигнал, относительно начала координат на фиг. 2 будут равны:

z=h,y=l . Зная эти координаты, находят значения скоростей V_A, V_B, V_C, V_D распространения импульсного акустического сигнала до каждого акустоэлектрического преобразователя 2₂2₅ из системы уравнений:

, откуда вычисляют:

Далее при движении излучателя 1 - работающей пневмоударной машины, когда ее местоположение неизвестно, по известным скоростям V_A, V_B, V_C , V_D распространения упругих волн в грунте и временам t_A, t_B, t_C, t_D задержки их распространения в нем, после ударного воздействия излучателя 1 на грунтовый массив, происходит перемещение точки O, где формируется импульсный акустический сигнал, в точку O' удара. Далее вычисляют расстояния от точки O' удара до акустоэлектрических преобразователей 2₂2₅:

и после этого определяют координаты излучателя 1 из

системы уравнении:

Из каждых трех уравнений последовательно вычисляют три координаты машины:

Например, из уравнений (1), (2) и (3):

Аналогичным образом проводят вычисления и для систем уравнений (1, 2, 4), (2, 3, 4), (1, 3, 4). В итоге получают 4 набора координат (x₁, у₁, z ₁)(x₄, y₄, z₄), по которым определяют средние арифметические значения трех координат машины:

Таким образом, в блоке 9 отображения информации должны визуально отображаться данные о трехмерных координатах машины в реальном времени.

Вычисление времен t _A, t_B, t_C, t_D задержек распространения импульсного акустического сигнала до акустоэлектрических преобразователей 2₂2_N может производиться несколькими методами:

1. Вычисление времен t_A, t _B, t_C, t_D задержек распространения импульсного акустического сигнала по началу прихода импульса.

В этом случае один из импульсных акустических сигналов используют как опорный (сигнал с излучателя 1) и вычисляют значения времен t_A, t_B, t_C, t_D задержек между моментом времени t_O, когда уровень абсолютного значения опорного сигнала превысил пороговое значение, и моментом времени, когда уровень абсолютного значения сигнала соответствующего акустоэлектрического преобразователя 2₂2_N превысил пороговое значение. Недостатки такого метода заключаются в низкой точности определения времен t _A, t_B, t_C, t_D задержки из-за высокого уровня шума в полосе полезного сигнала и, как следствие этого, требуется достаточная величина порогового значения. Но при этом данный метод работает даже при сильных искажениях сигнала вследствие дисперсии среды и возможных ее неоднородностей.

2. Вычисление времен t _A, t_B, t_C, t_D задержек распространения импульсного акустического сигнала по его амплитуде.

В этом случае один из сигналов также используют как опорный и вычисляют значения времен t_A, t_B , t_C, t_D задержек между моментом времени, когда уровень абсолютного значения опорного сигнала принимает свое амплитудное значение, и моментом времени, когда уровень абсолютного значения сигнала соответствующего акустоэлектрического преобразователя 2₂2_N принимает тоже свое амплитудное значение. На точность данного метода оказывает влияние искажение формы сигнала вследствие дисперсии среды, либо наличия в ней различного типа неоднородностей, что в свою очередь приводит к значительным ошибкам вычисления времен t_A, t_B, t _C, t_D задержек. Точность по сравнению с первым методом вычисления времен t_A, t_B, t _C, t_D задержек распространения импульсного акустического сигнала повышается за счет снижения вероятности работы устройства в полосе шумов.

3. Вычисление времен t_A , t_B, t_C, t_D задержек распространения импульсного акустического сигнала по взаимной корреляционной функции.

При этом методе один из сигналов используют в качестве опорного и вычисляют взаимные корреляционные функции между опорным сигналом и сигналами от других акустоэлектрических преобразователей 2₂2_N. После этого вычисляют время смещения максимумов взаимных корреляционных функций относительно нуля, что будет соответствовать значениям времен t_A, t_B , t_C, t_D задержек соответствующих сигналов от акустоэлектрических преобразователей 2₂2_N относительно опорного сигнала. На точность метода влияют искажения формы сигнала вследствие дисперсии среды, либо наличия в ней возможных неоднородностей, которые могут привести к незначительным ошибкам вычисления указанных времен задержек. Несмотря на это, данный метод обеспечит наибольшую из всех трех методов точность определения времен t_A, t_B , t_C, t_D задержек.

В связи с тем, что обработка сигнала ведется в цифровом виде, возможно использование одновременно нескольких методов вычисления времен t_A, t_B, t_C, t_D задержек распространения импульсного акустического сигнала, что в целом существенно повысит точность измерителя координат работающей пневмоударной машины.

Измеритель координат работающей пневмоударной машины, включающий излучатель импульсного акустического сигнала, представляющий собой эту работающую пневмоударную машину, и акустоэлектрические преобразователи в количестве не менее четырех, отличающийся тем, что в него дополнительно введены N блоков обработки импульсного акустического сигнала, блок вычисления трехмерных координат работающей пневмоударной машины и блок отображения информации, причем количество N блоков обработки импульсного акустического сигнала равно количеству акустоэлектрических преобразователей, при этом выход каждого акустоэлектрического преобразователя соединен с входом одного из N блоков обработки импульсного акустического сигнала, выход которого соединен с соответствующим входом блока вычисления трехмерных координат работающей пневмоударной машины, соединенного выходом со входом блока отображения информации, при этом вход одного из акустоэлектрических преобразователей соединен с излучателем импульсного акустического сигнала, причем каждый из N блоков обработки импульсного акустического сигнала содержит усилитель напряжения, входом соединенный со входом блока обработки импульсного акустического сигнала, а выходом - со входом фильтра нижних частот, выходом соединенного со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен со входом цифрового фильтра нижних частот, при этом выход цифрового фильтра нижних частот соединен с выходом блока обработки импульсного акустического сигнала.