Исследование влияния возмущений на динамическую точность регистрации информации автоматическими каротажными станциями

Объектом исследования являются цифровые магнитные регистраторы (ЦМР) и регистраторы каротажных диаграмм (РКД) автоматических каротажных станций (АКС), устройства автоматизированного поиска зон записи на ленточном носителе информации (УАПЗЗ), механизмы транспортирования ленты (MTJI), устройство для вибродиагностики деталей и способ неразрушающе-го контроля и технической диагностики ресурса узлов МТЛ в условиях воздействия динамических нагрузок, устройство для магнитошумовой структуроско-пии ферромагнитных изделий и технические средства виброакустической диагностики материалов, основанные на измерении временных характеристик снимаемого с датчика сигнала.

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 распредления 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), которая осуществляет преобразование низкочастотных аналоговых сигналов в цифровой код, запись его на машинные носители информации, цифровую фильтрацию, распознавание 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 параметров каротажа (АЦЗПК). Для достижения этого необходимы разработка и внедрение научно-обоснованных технических решений, направленных на повышение точности получаемой в процессе ГИС информации, ее информативности и достоверности, надежное документирование и наглядное представление выявленных геологических структур. Поэтому, по-прежнему, стоит задача обеспечить ИИС для ГИС конкурентоспособными техническими средствами для записи каротажных данных и регистрации геофизических кривых.

Точность регистрации информации зависит, в основном, от линейности развертки 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 MTJI, 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 АКС.

Для этого необходимо произвести следующие исследования:

— изучение влияния нестабильности скорости и колебаний угла между координатами развертки на динамическую точность записи — воспроизведенияопределение суммарной статистической погрешности при записивоспроизведении;

— анализ спектрального состава сигнала, полученного при считывании электростатическим регистратором контрольной сигналограммы при наличии поперечных и перпендикулярных колебаний ленточного носителяоценка 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 лентеизучение влияния колебаний скорости носителя на длительность участков без записи;

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

— внедрение аппаратуры цифровой записи параметров каротажа и графической информацииприменение оригинальных устройств технического диагностирования узлов регистраторовразработка и создание средств неразру-щающего контроля деталей MTJ1.

Методы исследования. Разработка MTJI осуществлялась на основе теории машин и механизмов, теории колебаний и динамики, прочности машин, приборов и аппаратуры. Для оценки динамической точности функционирования прецизионных MTJT 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 MTJI 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 для ГИС.

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 методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов.

На защиту выносятся результаты исследования ЦМР и РКД, обеспечивающих 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 УАПЗЗвыбор формы модулированного гармонического сигнала, имитирующего последовательность зон записи, разделенных участками без записи, с целью изучения динамической точности работы УАПЗЗопределение зависимости влияния колебаний скорости транспортируемого носителя на длительность участков без записи в режиме поиска зон записи;

— разработка устройства для распознавания образов дефектов по спектральным характеристикам MTJI и способа преобразования сигналов датчиков, установленных на узлах MTJI для контроля их технического состояния и диагностики ресурса в условиях воздействия динамических нагрузоксоздание устройства для магнитошумовой 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 MTJ1.

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 считываниизависимости плотности распределения амплитуды зарегистрированного и считанного сигналов при обработке информации на устройствах с неперпендикулярными координатами развертки, когда функция распределения угла между координатами равновероятна в соответствующих интервалахзависимости плотности вероятности амплитуды зарегистрированного и считанного сигнала при различных дисперсиях нормально распределенной функции изменения угла между координатами разверткизависимости амплитуды гармоник и коэффициента искажения от угла между координатами разверткифункции искажения амплитуды считанного сигнала и величины зарядного пятна при перпендикулярных колебаниях носителя;

— разработаны способ и УАПЗЗ на магнитном носителе, позволяющие автоматизировать процесс управления приводом MTJTпредложена 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 воспроизведенияустановлена наибольшая степень влияния контактных потерь и щелевых потерь при непараллельных рабочих зазорах магнитных головок и непараллельности рабочих поверхностей головки и носителяопределена 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 процессовсозданы, 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 внутренней напряженности металла, наличия дислокаций, уровня остаточных напряжений в деталях МТЛ.

Практическая ценность. Созданные ЦМР и РКД, вошедшие в состав ИИС для ГИС, 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 1 335 004 401 «Опытно-методические работы по обеспечению эффективности применения цифровой записи параметров каротажа на серийных каротажных станциях AKCJI-7" — № ГР 32−86−19/ 43 «Совершенствование методов и средств записи, документирования, передачи и обработки каротажных данных с помощью ЭВМ" — № ГР 1 870 085 493 «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.

Апробация работы. Отдельные законченные этапы работы докладывались и обсуждались на II Республиканской научной конференции молодых ученых, посвященной 60-летию автономии УАССР «Молодые ученые Удмуртиинародному хозяйству» (Ижевск, 1981), III Республиканской научной конференции молодых ученых «Молодые ученые Удмуртиинародному 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 микрои 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. Диссертация содержит введение, 5 глав и заключение, изложенные на 199 с. машинописного текста. В работу включены 51 рис., 1 табл., список литературы из 153 наименований и приложения (Акты об использовании результатов работы).

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 его 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.

Введение

м 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 колебаниям развертки при регистрации. При нормальных законах распределения колебаний 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-воспроизведенияноситель» 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 MTJ1. 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. 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.

17. 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 для выявления внутренней напряженности металла, наличия дислокаций, уровня остаточных напряжений в деталях МТЛ.

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