NO891106L

NO891106L - ACCELEROMETER.

Info

Publication number: NO891106L
Application number: NO89891106A
Authority: NO
Inventors: Kenneth Stephen Evans
Original assignee: Baroid Tehnology Inc
Priority date: 1988-03-15
Filing date: 1989-03-14
Publication date: 1989-09-18
Also published as: NO891106D0; GB2222680B; FR2628844A1; DE3906678A1; GB2222680A; GB8806114D0; NL8900631A

Description

Oppfinnelsen angår akselerometre, og beskjeftiger seg særlig, men ikke utelukkende, med akselerometre for anvendelse i borehullsinstrumentering for kartlegging av et borehull. The invention relates to accelerometers, and deals particularly, but not exclusively, with accelerometers for use in borehole instrumentation for mapping a borehole.

GB-patentskrift nr. 1 492 142 viser et akselerometer omfattende et hus som avgrenser et kammer, et magnetiserbart fluidum inne i kammeret, en permanentmagnet som er magnetisk opphengt inne i kammeret ved hjelp av det magnetiserbare fluidum, med sine poler orientert langs en forskyvningsakse og forskyvbar fra en nullstilling langs forskyvningsaksen på grunn av en anvendt kraft, og en føleanordning for deteksjon av forskyvning av permanentmagneten langs forskyvningsaksen og for å levere et elektrisk signal som indikerer den anvendte kraft. GB Patent No. 1 492 142 discloses an accelerometer comprising a housing defining a chamber, a magnetizable fluid within the chamber, a permanent magnet magnetically suspended within the chamber by means of the magnetizable fluid, with its poles oriented along an axis of displacement and displaceable from a zero position along the displacement axis due to an applied force, and a sensing device for detecting displacement of the permanent magnet along the displacement axis and for providing an electrical signal indicative of the applied force.

Et sådant akselerometer må kalibreres før bruk. Det har imidlertid vist seg at den nødvendige kalibrering av akselerometeret kan ha en tendens til avdrift under for-holdene med høy temperatur og vibrasjon som påtreffes i et borehull, og dette kan føre til unøyaktighet ved måling. Det antas at sådan avdrift forårsakes av endringer i den effektive masse av akselerometerets prøvemasse (proof mass) som følge av endring i fordelingen av de magnetiske partikler i fluidumet og i den magnetiske vekselvirkning mellom disse partikler og magneten. Such an accelerometer must be calibrated before use. However, it has been found that the required calibration of the accelerometer can tend to drift under the conditions of high temperature and vibration encountered in a borehole, and this can lead to measurement inaccuracy. It is assumed that such drift is caused by changes in the effective mass of the accelerometer's proof mass as a result of changes in the distribution of the magnetic particles in the fluid and in the magnetic interaction between these particles and the magnet.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en ny form for akselerometer som er i stand til forbedret ytelse under sådanne forhold. It is an object of the invention to provide a new form of accelerometer capable of improved performance under such conditions.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt et akselerometer omfattende et hus, en prøvemasse som er opphengt inne i huset slik at den er forskyvbar fra en nullstilling langs en forskyvningsakse på grunn av en anvendt kraft, og en føleanordning for deteksjon av forskyvning av prøvemassen langs forskyvningsaksen og for å levere et elektrisk signal som indikerer den anvendte kraft, hvor prøvemassen er under-støttet av en lageranordning som er adskilt fra prøvemassen og har en bevegelig lagerdel som er bevegelig sammen med prøvemassen og i forhold til en fast lagerdel, idet et magnetiserbart fluidum er innskutt mellom lagerdelene og én av lagerdelene omfatter en magnetanordning for magnetisering av det magnetiserbare fluidum. According to the invention, there is provided an accelerometer comprising a housing, a test mass which is suspended inside the housing so that it is displaceable from a zero position along a displacement axis due to an applied force, and a sensing device for detecting displacement of the test mass along the displacement axis and for to deliver an electrical signal indicating the applied force, where the sample mass is supported by a bearing device which is separate from the sample mass and has a movable bearing part which is movable together with the sample mass and in relation to a fixed bearing part, a magnetisable fluid being injected between the bearing parts and one of the bearing parts comprises a magnet device for magnetizing the magnetisable fluid.

Med dette arrangement er prøvemassen understøttet slik at den er i stand til praktisk talt friksjonsløs bevegelse under en anvendt kraft i kraft av lageranordningen. Lageranordningen er slik at de magnetiserbare partikler i fluidumet magnetiseres av magnetanordningen, og den resulterende magnetiske vekselvirkning av partiklene med hverandre og med magnetanordningen frembringer et "magnetisk trykk" som virker i retning av å holde de tilgrensende overflater av lagerdelene adskilt fra hverandre. Det magnetiserbare fluidum og magnetanordningen kan betraktes som om de tilveiebringer permanentmagnetiske levitasjons- eller løftekrefter som virker mellom lagerdelene. Videre er ingen spesielle foranstaltninger nødvendige for å forsegle det magnetiserbare fluidum i rommet mellom lagerdelene, da det magnetiserbare fluidum holdes på plass i dette rom ved hjelp av magnetisk t Utrekning. With this arrangement, the test mass is supported so that it is capable of practically frictionless movement under an applied force by virtue of the bearing device. The bearing device is such that the magnetizable particles in the fluid are magnetized by the magnetic device, and the resulting magnetic interaction of the particles with each other and with the magnetic device produces a "magnetic pressure" which acts in the direction of keeping the adjacent surfaces of the bearing parts separated from each other. The magnetizable fluid and the magnet device can be considered as providing permanent magnetic levitation or lifting forces acting between the bearing parts. Furthermore, no special measures are necessary to seal the magnetisable fluid in the space between the bearing parts, as the magnetisable fluid is held in place in this space by means of magnetic tension.

Et sådant akselerometer er mindre utsatt for kalibre-ringsavdrift enn akselerometeret ifølge GB-patentskrift nr. 1 492 142, da prøvemassen er understøttet av en lageranordning som er adskilt fra prøvemassen, i stedet for av et magnetiserbart fluidum som omgir prøvemassen og er i stand til å påvirke prøvemassens effektive masse ved hjelp av magnetisk vekselvirkning med denne. Lageranordningen er ytterst robust og i det vesentlige slitasjefri, og den er dessuten økonomisk å fremstille. I denne henseende holder lageranordningen fint mål med andre former for lageranord-ninger, såsom kvartshengsler eller kvartsledd som er kostbare å fremstille og lett blir skadet. Such an accelerometer is less prone to calibration drift than the accelerometer according to GB Patent No. 1 492 142, as the sample mass is supported by a bearing device which is separate from the sample mass, instead of by a magnetisable fluid which surrounds the sample mass and is capable of to influence the effective mass of the sample mass by means of magnetic interaction with it. The bearing arrangement is extremely robust and essentially wear-free, and it is also economical to manufacture. In this respect, the bearing device measures up nicely with other forms of bearing devices, such as quartz hinges or quartz joints, which are expensive to manufacture and are easily damaged.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er prøve-massen en bevegelig spole med en senterakse som er innrettet langs forskyvningsaksen. Videre omgir spolen fortrinnsvis en fast magnet inne i huset. Det kan være sørget for en anordning for tilførsel av en strøm til spolen som samvirker med magnetens magnetfelt for å få en tilbakeførende kraft til å virke på spolen for å føre den tilbake til sin nullstilling. In a preferred embodiment of the invention, the sample mass is a movable coil with a central axis which is aligned along the displacement axis. Furthermore, the coil preferably surrounds a fixed magnet inside the housing. A device may be provided for supplying a current to the coil which interacts with the magnetic field of the magnet to cause a restoring force to act on the coil to bring it back to its zero position.

Føleanordningen kan omfatte en elektrodemontasje omfattende en bevegelig elektrode på prøvemassen og en fast elektrode som er anbrakt nær opptil den bevegelige elektrode slik at den grad i hvilken elektrodene overlapper hverandre, varierer i avhengighet av forskyvning av prøvemassen fra nullstillingen. Føleanordningen kan tilveiebringe et signal for å styre den strøm som skal tilføres til spolen. The sensor device can comprise an electrode assembly comprising a movable electrode on the sample mass and a fixed electrode which is placed close to the movable electrode so that the degree to which the electrodes overlap each other varies depending on displacement of the sample mass from the zero position. The sensing device can provide a signal to control the current to be supplied to the coil.

Prøvemassen kan være montert på den ene ende av en arm som ved den andre ende er svingbart understøttet ved hjelp av lageranordningen, for å muliggjøre bevegelse av prøvemassen langs en bueformet bane. I praksis vil for-skyvningen av prøvemassen ved bruk være meget liten. The sample mass can be mounted on one end of an arm which is pivotally supported at the other end by means of the bearing device, to enable movement of the sample mass along an arc-shaped path. In practice, the displacement of the test mass during use will be very small.

Lageranordningen kan omfatte en roterende lagermontasje omfattende en roterbar lagerdel med et sylindrisk parti som er opptatt i en sylindrisk utsparing i en fast lagerdel, idet det magnetiserbare fluidum er anbrakt i utsparingen i mellomrommet mellom de to lagerdeler. Mest foretrukket omfatter lageranordningen to sådanne roterende lagermontasjer som er anbrakt én ved hver ende av en lageraksel til hvilken prøvemassen er koplet. The bearing device may comprise a rotating bearing assembly comprising a rotatable bearing part with a cylindrical part which is occupied in a cylindrical recess in a fixed bearing part, the magnetizable fluid being placed in the recess in the space between the two bearing parts. Most preferably, the bearing device comprises two such rotating bearing assemblies which are placed one at each end of a bearing shaft to which the sample mass is connected.

Ifølge en annen side ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt et akselerometer omfattende et hus, en bevegelig spole som er opphengt i huset slik at den kan forskyves fra en nullstilling langs en forskyvningsakse på grunn av en anvendt kraft, og en føleanordning for deteksjon av forskyvning av spolen langs forskyvningsaksen og for å levere et elektrisk signal som indikerer den anvendte kraft, hvor føleanordningen omfatter en variabel kapasitansanordning med en fast elektrode og en bevegelig elektrode, idet den bevegelige elektrode utgjøres av spolen. According to another aspect of the invention, there is provided an accelerometer comprising a housing, a movable coil suspended in the housing so that it can be displaced from a zero position along a displacement axis due to an applied force, and a sensing device for detecting displacement of the coil along the displacement axis and to deliver an electrical signal indicating the applied force, the sensing device comprising a variable capacitance device with a fixed electrode and a movable electrode, the movable electrode being the coil.

For at oppfinnelsen skal bli mer fullstendig for-stått, skal et foretrukket akselerometer ifølge oppfinnelsen nå beskrives som eksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et riss av akselerometeret sett ovenfra, fig. 2 viser et aksialsnitt etter linjen II-II på fig. 1, og fig. 3 viser et blokkskjema av akselerometerets styrekretsanordning. In order for the invention to be more fully understood, a preferred accelerometer according to the invention will now be described as an example with reference to the drawings, where fig. 1 shows a view of the accelerometer seen from above, fig. 2 shows an axial section along the line II-II in fig. 1, and fig. 3 shows a block diagram of the accelerometer's control circuit arrangement.

Idet det henvises til fig. 1 og 2, omfatter det viste akselerometer et sylindrisk hus 10 som er dannet av ferromagnetisk maeriale og består av en skål- eller begerfor-met del 11 og en toppdel 12 som i hovedsaken er i form av en ring med en i denne anordnet sliss 13. En permanentmagnet 16 er anbrakt inne i huset 10 med den ene av sine poler magnetisk koplet til et sylindrisk polstykke 19 som er anbrakt inne i ringen som er dannet av toppdelen 12, og med sin andre pol magnetisk koplet til bunnen av den begerfor-mede del 11. Polstykket 19, magneten 16 og huset 10 danner således en magnetisk krets som frembringer et radialt magnetfelt i det ringformede mellomrom 14 som omgir polstykket 19. Referring to fig. 1 and 2, the accelerometer shown comprises a cylindrical housing 10 which is formed of ferromagnetic material and consists of a bowl or cup-shaped part 11 and a top part 12 which is essentially in the form of a ring with a slit 13 arranged in it A permanent magnet 16 is placed inside the housing 10 with one of its poles magnetically coupled to a cylindrical pole piece 19 which is placed inside the ring formed by the top part 12, and with its other pole magnetically coupled to the bottom of the cup-shaped part 11. The pole piece 19, the magnet 16 and the housing 10 thus form a magnetic circuit which produces a radial magnetic field in the annular space 14 which surrounds the pole piece 19.

En ringformet prøvemasse (proof mass) 15 som er opphengt i det ringformede mellomrom 14, omfatter en spole-form 17 og en spole 18 som er viklet på spoleformen 17. Prøvemassen 15 er montert på en arm 20 som strekker seg gjennom slissen 13 i toppdelen 12. Armen 20 er selv svingbart montert på en lageraksel 21 som ved sin ende er under-støttet av respektive, roterende lagermontasjer 22 og 23 som er understøttet på huset 10 ved hjelp av lagerunderstøt-telser 24 og 25. An annular proof mass 15 which is suspended in the annular space 14 comprises a coil form 17 and a coil 18 which is wound on the coil form 17. The proof mass 15 is mounted on an arm 20 which extends through the slot 13 in the top part 12. The arm 20 is itself pivotally mounted on a bearing shaft 21 which is supported at its end by respective rotating bearing assemblies 22 and 23 which are supported on the housing 10 by means of bearing supports 24 and 25.

Hver av lagermontasjene 22 og 23 omfatter en sylindrisk, dreibar lagerdel 26 som er opptatt i en sylindrisk utsparing 27 i en fast lagerdel 28 (vist i snitt på fig. Each of the bearing assemblies 22 and 23 comprises a cylindrical, rotatable bearing part 26 which is occupied in a cylindrical recess 27 in a fixed bearing part 28 (shown in section in fig.

1 for å vise montasjens indre oppbygning). Den faste lagerdel 28 omfatter en magnet 29, og et magnetiserbart fluidum 30 er anbrakt i mellomrommet mellom den dreibare lagerdel 26 og den faste lagerdel 28. Det magnetiserbare fluidum 30 er et ferrofluidum omfattende en kolloidal suspensjon av meget fine ferromagnetiske partikler i en væske, såsom en syntetisk hydrokarbonbærer. Magnetisk vekselvirkning mellom magneten 29 og de ferromagnetiske partikler i det magnetiserbare fluidum 30 forårsaker at den dreibare lagerdel 26 er understøttet ved hjelp av det magnetiserbare fluidum 30 ute av kontakt med utsparingens 27 vegger. Ytterligere magnetiserbart fluidum kan være anbrakt i det ringformede mellomrom 14, både mellom polstykket 19 og spoleformen 17 og mellom spolen 18 og den omgivende toppdel 12, med henblikk på å sentrere spolen 18 i mellomrommet 14. 1 to show the assembly's internal structure). The fixed bearing part 28 comprises a magnet 29, and a magnetizable fluid 30 is placed in the space between the rotatable bearing part 26 and the fixed bearing part 28. The magnetizable fluid 30 is a ferrofluid comprising a colloidal suspension of very fine ferromagnetic particles in a liquid, such as a synthetic hydrocarbon carrier. Magnetic interaction between the magnet 29 and the ferromagnetic particles in the magnetizable fluid 30 causes the rotatable bearing part 26 to be supported by means of the magnetizable fluid 30 out of contact with the recess 27 walls. Additional magnetizable fluid can be placed in the annular space 14, both between the pole piece 19 and the coil form 17 and between the coil 18 and the surrounding top part 12, with a view to centering the coil 18 in the space 14.

Prøvemassen 15 er derved i stand til å beveges i hovedsaken aksialt i det ringformede mellomrom 14 ved hjelp av en anvendt kraft (dvs. den kraft som skal måles), og den resulterende bevegelse forårsaker svak svinging av armen 20 og således svak rotasjon av de dreibare lagerdeler 26 i de roterende lagermontasjer 22 og 23. Sådan bevegelse detekteres ved hjelp av et følearrangement som omfatter to elektroder 31 og 32 som er montert på en elektrodeunder-støttelse 33 som, slik det fremgår av fig. 1, i hovedsaken har form av en C sett ovenfra, slik at elektrodene 31 og 32 ikke danner lukkede sløyfer. The sample mass 15 is thereby able to move essentially axially in the annular space 14 by means of an applied force (ie the force to be measured), and the resulting movement causes slight oscillation of the arm 20 and thus slight rotation of the rotatable bearing parts 26 in the rotating bearing assemblies 22 and 23. Such movement is detected by means of a sensing arrangement comprising two electrodes 31 and 32 which are mounted on an electrode support 33 which, as can be seen from fig. 1, essentially has the shape of a C seen from above, so that the electrodes 31 and 32 do not form closed loops.

Elektrodene 31 og 32 vekselvirker elektrostatisk med spolen 18 som virker som en bevegelig elektrode, og kan betraktes som om de sammen med spolen 18 danner to kondensatorer hvis kapasitans varierer i avhengighet av den grad i hvilken hver elektrode overlappes av spolen 18. I denne henseende fremgår det av fig. 2 at spolen 18, i den viste nullstilling, er symmetrisk anbrakt i forhold til elektrodene 31 og 32 og overlapper noe mer enn halvparten av den aksiale utstrekning av hver elektrode. Det er åpen-bart at dersom spolen 18 beveger seg aksialt i den ene eller den andre retning i forhold til sin nullstilling, vil graden av overlapping av én av elektrodene øke, og følgelig vil den kapasitans som er knyttet til denne elektrode, øke, mens graden av overlapping av den andre elektrode vil avta, og følgelig den kapasitans som er knyttet til denne elektrode, vil avta. The electrodes 31 and 32 interact electrostatically with the coil 18 which acts as a movable electrode, and can be considered as if together with the coil 18 they form two capacitors whose capacitance varies depending on the degree to which each electrode is overlapped by the coil 18. In this respect it appears that of fig. 2 that the coil 18, in the zero position shown, is symmetrically placed in relation to the electrodes 31 and 32 and overlaps somewhat more than half of the axial extent of each electrode. It is obvious that if the coil 18 moves axially in one direction or the other in relation to its zero position, the degree of overlap of one of the electrodes will increase, and consequently the capacitance associated with this electrode will increase, while the degree of overlap of the second electrode will decrease, and consequently the capacitance associated with this electrode will decrease.

Idet det henvises til fig. 3, omfatter akselerometerets styrekretsanordning en oscillator 40 som er koplet til elektrodene 31 og 32 ved hjelp av respektive motstander 41 og 42 med like verdier. I det viste koplingsskj erna er elektrodene 31 og 32 betraktet som om de sammen med spolen Referring to fig. 3, the accelerometer's control circuit device comprises an oscillator 40 which is connected to the electrodes 31 and 32 by means of respective resistors 41 and 42 with equal values. In the connection circuit shown, the electrodes 31 and 32 are considered as if they together with the coil

18 danner to variable kondensatorer 43 og 44 som er koplet i serie og jordet i sitt fellespunkt. Når kondensatorenes 43 og 44 kapasitanser er ulike, som følge av forskyvning av spolen 18 fra nullstlllingen, vil utgangssignalene fra kodensatorene 43 og 44 være ute av fase, og dette vil bli detektert av en fasefølsom detektor 45 som tilveiebringer enten et positivt eller et negativt, pulset utgangssignal avhengig av den retning i hvilken spolen 18 forskyves. Utgangssignalet fra den f asef ølsomrne detektor 45 integreres av en integrator 46 som tilfører et utgangssignal til spolen 18 som er positivt eller negativt hellende avhengig av om det pulsede inngangssignal til integratoren 46 er positivt eller negativt. Spolen 18 er koplet til jord ved hjelp av en motstand 47, og den strøm som tilføres til spolen 18, vekselvirker med magnetfeltet i mellomrommet 14 for å bringe en tilbakeførende kraft til å virke på spolen 18 for å føre den tilbake til sin nullstilling. Utgangssignalet V = IR er proporsjonalt med den foreliggende, til-bakeførende kraft og følgelig med den anvendte kraft som virker på akselerometeret. 18 form two variable capacitors 43 and 44 which are connected in series and grounded at their common point. When the capacitances of the capacitors 43 and 44 are different, as a result of displacement of the coil 18 from the zero setting, the output signals from the capacitors 43 and 44 will be out of phase, and this will be detected by a phase-sensitive detector 45 which provides either a positive or a negative, pulsed output signal depending on the direction in which the coil 18 is displaced. The output signal from the phase detector 45 is integrated by an integrator 46 which supplies an output signal to the coil 18 which is positively or negatively sloping depending on whether the pulsed input signal to the integrator 46 is positive or negative. The coil 18 is connected to earth by means of a resistor 47, and the current supplied to the coil 18, interacts with the magnetic field in the gap 14 to cause a restoring force to act on the coil 18 to return it to its zero position. The output signal V = IR is proportional to the available feedback force and consequently to the applied force acting on the accelerometer.

Claims

1. Accelerometer comprising a housing (10), a test mass (15) which is suspended inside the housing (10) so that it is displaceable from a zero position along a displacement axis due to an applied force, and a sensing device (31, 32 , 33) for detecting displacement of the sample mass (15) along the displacement axis and for delivering an electrical signal indicating the applied force, CHARACTERIZED IN THAT the sample mass (15) is supported by a bearing device (22, 23) which is separated from the sample mass (15) and which has a movable bearing part (26) which is movable together with the sample mass (15) and in relation to a fixed bearing part (28), a magnetizable fluid (30) being inserted between the bearing parts and one of the bearing parts (26 , 28) comprises a magnet device (29) for magnetizing the magnetizable fluid (30).

2. Accelerometer according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT the sample mass (15) is a movable coil (18) with a central axis which is aligned along the displacement axis.

3. Accelerometer according to claim 2, CHARACTERIZED IN THAT the coil (18) surrounds a fixed magnet (16) inside the housing (10).

4. Accelerometer according to claim 3, CHARACTERIZED IN THAT a device (46, 47) is provided for supplying a current to the coil (18) which interacts with the magnetic field of the magnet (16) to bring a restoring force to act on the coil (18) to return it to its zero position.

5. Accelerometer according to one of the preceding claims, CHARACTERIZED IN THAT the sensing device comprises an electrode assembly comprising a movable electrode (18) on the sample mass (15) and a fixed electrode (31, 32) which is placed close to the movable electrode (18 ), so that the degree to which the electrodes (18, 31, 32) overlap each other varies depending on displacement of the sample mass (15) from the zero position.

6. Accelerometer according to claim 5, CHARACTERIZED IN THAT the sensing device further comprises an oscillator device (40) for supplying an alternating input signal to the electrode assembly, and a phase-sensitive detector device (45) for detecting variation of the phase of the output signal from the electrode assembly caused by displacement of the sample mass ( 15) .

7. Accelerometer according to one of the preceding claims, CHARACTERIZED IN THAT the test mass (15) is mounted on one end of an arm (20) which is pivotably supported at the other end by means of the bearing device (22, 23), to enable movement of the sample mass (15) along an arcuate path.

8. Accelerometer according to one of the preceding claims, CHARACTERIZED IN THAT the bearing device comprises a rotatable bearing assembly (22, 23) which comprises a rotatable bearing part (26) with a cylindrical part which is occupied in a cylindrical recess (27) in the fixed bearing part ( 28), the magnetizable fluid (30) being placed in the recess (27) in the space between the two bearing parts (26, 28).

9. Accelerometer according to claim 8, CHARACTERIZED IN THAT the bearing device comprises two such rotatable bearing assemblies (22, 23) which are placed one at each end of a bearing shaft (21) to which the test mass (15) is connected.

10. Accelerometer comprising a housing (10), a movable coil (18) suspended within the housing (10) so that it can be displaced from a zero position along a displacement axis due to an applied force, and a sensing device for detecting displacement of the coil (18) along the displacement axis and to deliver an electrical signal indicating the applied force, CHARACTERIZED IN THAT the sensing device comprises a variable capacitance device with a fixed electrode (31, 32) and a movable electrode, the movable electrode being constituted by the coil ( 18).