NO891106L - Akselerometer. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår akselerometre, og beskjeftiger seg særlig, men ikke utelukkende, med akselerometre for anvendelse i borehullsinstrumentering for kartlegging av et borehull.

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.

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.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en ny form for akselerometer som er i stand til forbedret ytelse under sådanne forhold.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

Claims (10)

1. Akselerometer omfattende et hus (10), en prøvemasse (15) som er opphengt inne i huset (10) slik at den er forskyvbar fra en nullstilling langs en forskyvningsakse på grunn av en anvendt kraft, og en f øleanordning (31, 32, 33) for deteksjon av forskyvning av prøvemassen (15) langs forskyvningsaksen og for å levere et elektrisk signal som indikerer den anvendte kraft, KARAKTERISERT VED at prøve-massen (15) er understøttet av en lageranordning (22, 23) som er adskilt fra prøvemassen (15) og som har en bevegelig lagerdel (26) som er bevegelig sammen med prøvemassen (15) og i forhold til en fast lagerdel (28), idet et magnetiserbart fluidum (30) er innskutt mellom lagerdelene og én av lagerdelene (26, 28) omfatter en magnetanordning (29) for magnetisering av det magnetiserbare fluidum (30).

2. Akselerometer ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at prøvemassen (15) er en bevegelig spole (18) med en senterakse som er innrettet langs forskyvningsaksen.

3. Akselerometer ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at spolen (18) omgir en fast magnet (16) inne i huset (10).

4. Akselerometer ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at det er sørget for en anordning (46, 47) for tilførsel av en strøm til spolen (18) som vekselvirker med magnetens (16) magnetfelt for å bringe en tilbakeførende kraft til å virke på spolen (18) for å føre den tilbake til dens nullstilling.

5. Akselerometer ifølge ett av de foregående krav, KARAKETRISERT VED at føleanordningen omfatter en elektrodemontasje omfattende en bevegelig elektrode (18) på prøvemas-sen (15) og en fast elektrode (31, 32) som er anbrakt nær opptil den bevegelige elektrode (18), slik at den grad i hvilken elektrodene (18, 31, 32) overlapper hverandre, varierer i avhengighet av forskyvning av prøvemassen (15) fra nullstillingen.

6. Akselerometer ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at føleanordningen videre omfatter en oscillatoranordning (40) for tilførsel av et vekslende inngangs signal til elektrodemontasjen, og en fasefølsom detektoranordning (45) for deteksjon av variasjon av fasen av ut gangs signalet fra elektrodemontasjen forårsaket av forskyvning av prøvemassen ( 15) .

7. Akselerometer ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at prøvemassen (15) er montert på den ene ende av en arm (20) som ved den andre ende er svingbart understøttet ved hjelp av lageranordningen (22, 23), for å muliggjøre bevegelse av prøvemassen (15) langs en bueformet bane.

8. Akselerometer ifølge ett av de foregående krav, KARAKTEISERT VED at lageranordningen omfatter en roterbar lagermontasje (22, 23) som omfatter en dreibar lagerdel (26) med et sylindrisk parti som er opptatt i en sylindrisk utsparing (27) i den faste lagerdel (28), idet det magnetiserbare fluidum (30) er anbrakt i utsparingen (27) i mellomrommet mellom de to lagerdeler (26, 28).

9. Akselerometer ifølge krav 8, KARAKTERISERT VED at lageranordningen omfatter to sådanne roterbare lagermon-tas jer (22, 23) som er anbrakt én ved hver ende av en lageraksel (21) til hvilken prøvemassen (15) er koplet.

10. Akselerometer omfattende et hus (10), en bevegelig spole (18) som er opphengt inne i huset (10) 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 (18) langs forskyvningsaksen og for å levere et elektrisk signal som indikerer den anvendte kraft, KARAKTERISERT VED at føleanordningen omfatter en variabel kapasitansanordning med en fast elektrode (31, 32) og en bevegelig elektrode, idet den bevegelige elektrode utgjøres av spolen (18).