文摘

非开挖技术是一个类型的建筑,需要铺设在地下管道非开挖钻机水平钻孔。施工中预防钻井事故,钻井轨迹需要实时控制工具面角的值。然而,现有的工具面角传感器不能精确控制非开挖钻进课程由于如低分辨率的限制,大型温度漂移和高要求准确的安装。在这方面,本文提出了一个新工具面角传感器基于电阻变化值。测试主要包括四个方面,即准确性、重复性、决议和温度漂移。数据的测试表明,测量误差±6度,重复性为2.54%,最小分辨率为6度,和温度漂移在温度变化没有影响,从0到80度,这证明了传感器适用于实际非开挖工作条件。

1。介绍

非开挖技术是涉及钻井技术水平孔在地球表面,然后在水平孔(铺设管道1]。非开挖技术中使用的设备主要包括非开挖钻机,钻头,钻杆的数量。钻机的钻杆夹(简称平台)在地球表面和大量的钻杆可以连接在一起。

如图1(一)OA是高边,OB是钻头的正常方向的嘴唇,和 高端工具面角(称为工具面角)。在非开挖施工过程中,当钻机供应正向力和旋转力,处于平衡状态的部队和向前移动(如图1(一));因此,钻孔轨迹不是工具面角的影响。相反,当钻机供应只有前进力量,力量的一些不平衡状态,因为咬的嘴唇的特殊结构,导致钻井轨迹的倾向(如图1 (b));因此,钻孔轨迹是影响工具面角(2,3]。因此,必须测量和调整工具面角实时控制钻井轨迹。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
控制钻孔轨迹的草图工具面角。(一)草图的非开挖钻进施工钻孔轨迹时。(b)草图的非开挖钻进施工钻孔轨迹时倾向。

一般来说,工具面角传感器可分为导电、电容、光电、罪类型(捷联式惯性导航系统)根据工作原理(4- - - - - -7]。然而,这些传感器不能精确控制非开挖钻进过程由于数量的限制,如低分辨率,精度不足,大的温度漂移,超大的规模,和高精确的安装要求。这些传感器的细节在以下部分中给出。

1.1。导电工具面角传感器
1.1.1。基本原理

图2是导电的草图工具面角传感器(4]。VCC代表电源的正极,负极接地代表的权力。传感器由两个同轴的循环结构,每个循环结构粘贴导电金属条。一个金属条的电阻层。内循环结构的金属条是连续和连接到接地而外循环结构的金属条是不连续的,连接到电源电压。在传感器内部,有一个数量的导电液体,总是在室的下部和液体连接的金属条VCC和接地。当工具面角(即变化。,when the sensor rotates), the connecting position of the metal strips changes accordingly, namely, the connecting length of the metal strips between the VCC and GND changes. In other words, the total electrical resistance of the circuit becomes different. Therefore, the tool face angle can be measured founded on the change of the electrical resistance.


图2
导电的草图工具面角传感器。
1.1.2。不足

液体的电导率大大受到温度的影响,这将导致大量的传感器和温度漂移,因此,结果在一个大的测量误差。此外,液体的溅和附着力很容易导致误解的传感器。简而言之,这个传感器有一个很大的测量误差和过于敏感的温度。

1.2。电容式工具面角传感器
1.2.1。基本原理

电容式工具面角传感器的示意图如图3(5]。VCC是正电源接地是负电源。如图3(一个),传感器是一个密封的圆柱形腔的结构与电极贴两边。室的一侧是粘贴的电极都连接到VCC(一般来说,这个数字是16),而另一边是完全覆盖着一个电极连接到接地。有一个量的液体总是在室的下部。因此,数量的电容器正极和负极电极之间形成的。每个电容器的位置编号。当工具面角变化时,电容器的值将相应地改变。因此,工具面角可以根据编号电容的变化来衡量。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
电容的草图工具面角传感器。(一)传感器的总体结构。(b)的圆周分布电极。
1.2.2。不足

传感器电容器的介质是液体,液体的介电常数是极大地受到温度的影响,这将导致大量的传感器和温度漂移,因此,结果在一个大的测量误差。同时,液体的附着力会导致电容器之间的干扰,这将导致误解的传感器和导致大的测量误差。此外,电容器在同一传感器很容易互相干扰,当有大量的电容器。在大多数情况下,电容器的数目很小(一般来说,它是16,所以最小分辨率 度)。的分辨率传感器直接取决于数量的电容器,传感器的分辨率通常是低。

1.3。光电工具面角传感器
1.3.1。基本原理

图4是一个综合的光电的草图工具面角传感器(6]。传感器的结构是一个密封的圆柱形室一侧装有发光管(通常安装12个发光二极管)和接收管。光发光管发出的信号可以由接收管接收。有一个自由球卷之间的腔发光管和接收管,所以总是室的底部。每个接收管的位置编号。当工具面角变化时,发出的光信号的最低发光管被球,以便接收管的价值相应变化。因此,工具面角可以测量基于输出的信号的接收管编号。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
光电的草图工具面角传感器。(一)传感器的结构。(b)的圆周分布发光管。
1.3.2。不足

传感器的分辨率取决于发光管和接收管的数量。然而,随着非开挖施工有限制大小,发光管的数量通常是小(在大多数情况下,它是12,或者在一些情况下,24岁,最小分辨率 度)。因此,分辨率低,测量不准确,因为决议。

1.4。工具面角的测量基础上的罪恶
1.4.1。基本原理

捷联式惯性导航系统(SINS)由一个三轴加速度计和三轴陀螺仪(或三轴电磁计)。通过使用三轴加速度计和三轴陀螺仪的输出数据,任何空间对象的态度(包括工具面角、速度、加速度、角速度)可以确定通过复杂的数学建模和计算7]。

1.4.2。不足

严格地说,罪是传感器的测量系统组成的多元化安排在空间。现在,罪的三轴电磁计取代了三轴陀螺仪,因为它非常容易受到电磁干扰。虽然罪是准确和精确,但它不适合非开挖建设有以下原因:(1)光纤陀螺仪通常用作三轴陀螺仪和它的测量精度是积极与它的大小有关。为了确保准确的测量,三轴陀螺仪的大小一般大,这也是矛盾的小空间大小非开挖钻头附近(2)计算工具面角,三轴加速度计和三轴陀螺仪必须空间安排在一个特定的模式。因此,传感器必须安装准确,确切地说,这是很难实现在非开挖施工(3)三轴陀螺仪(光纤陀螺仪)是一个精确的光学传感器,振动电阻有很高的要求。然而,非开挖施工过程中工作条件极其复杂和苛刻的要求振动电阻不能得到保证(4)三轴陀螺仪温度漂移是大型和仍然是一个尚未解决的问题,尽管大量的研究人员进行的研究算法对温度漂移(8- - - - - -10](5)由于法拉第磁光效应,光的偏振面在三轴陀螺仪旋转(11]。因此,陀螺仪仍然可以受到电磁干扰的影响。在大多数非开挖工程,然而,有超高压电缆可以产生很大的电磁干扰

1.5。分析现有的传感器

总之,现有的传感器不能精确控制非开挖钻进课程由于如低分辨率的限制,精度不足,大的温度漂移,超大的规模,和高精确的安装要求。具体而言,对于导电工具面角传感器,测量误差是由于大型温度漂移和液体的溅和附着力。电容式工具面角传感器,测量误差也大,因为大温度漂移和液体的溅和附着力。此外,传感器的分辨率太低(只有22.5°)。光电工具面角传感器的分辨率太低了(只有15°)。严格地说,罪不是一个传感器。它不适合非开挖施工,因为如超大的大小的限制,高要求准确的安装和工作条件,和温度漂移。在这方面,一个新工具面角传感器设计的基础上,在本文中实际的工作条件。传感器可以测量工具面角通过电阻的变化值。相比现有的传感器(不含SINS-based传感器),这个传感器更适合非开挖工程,因为它有一个更高的分辨率和足够的精度以及有效解决温度漂移的问题。

2。设计了传感器的基本原理

2.1。基本原理

图5的草图设计传感器的结构。VCC连接到电源的正极,而接地连接到电源的负极。如图5(一个),一个圆形通道是由内部和外部有一个圆柱形金属扣环接触可以自由辊的上升通道。如图5 (b),有60凹槽通道和电极贴在槽的一侧和电极B在另一边。如图5 (c)下面每个电极,是一个电阻 和一个字符串是由所有的电抗性 连接在系列。字符串的结束的电阻不连接在一起,绳子的一端连接到电源电压。电极连接到接地。鉴于当前流从VCC和字符串,通过电阻的电极,联系人飙升,电极B,然后连接到接地,从而形成电流回路。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图5
传感器的结构。(一)基本组件,(b)连接的电极和(c)详细的电气连接电阻。

外止动环的内表面是弧状(如图5 (c)),这样当工具面角变化时,接触飙升沿着通道将下降到最低点弧形表面下的重力。因此,电路中的电抗性的数量也将改变。也就是说,电路的总电阻的值将会改变。因此,工具面角可以根据测量的总电阻之间的数学关系价值和工具面角。

2.2。关键性能指标

从传感器的工作原理,我们可以看到,测量工具面角的值是正相关的电路总电阻的值,那么该工具面角可以表示如下: 在哪里 工具面角; 之间的电阻总价值VCC和接地; 接触电阻的值的峰值; 的值是一个电阻低于电极; 电阻温度系数 ; 电阻温度系数 ;和 传感器的工作时间。

在表达式(1))的价值 可以实时测量的硬件电路; , , ,和 是常数,需要确定设计的传感器。

在实际的测量电路的价值 通过测量电路的电流,所以表达式(1)也可以被表达如下: 在哪里 电路的电源电压和吗 测量电流的电路。

2.2.1。最小分辨率

的传感器设计,总共有60电抗性统一贴在外面的扣环,所以传感器的最小分辨率可以直接计算 在哪里 的最小分辨率传感器和 是电阻的数量( )VCC和接地。

2.2.2。关键尺寸参数

如图6在理想条件下,如果该工具面角变化的速度最低分辨率,然后继续飙升外止动环接触从点A到点2。在这个过程中,接触飙升减慢点1的作用下重力势能。所以,当接触点飙升的速度1大于零,传感器可以实现所需的功能。


图6
力量作用于接触飙升时,工具面角的变化。

现在,我们分析了部队在接触点飙升1基于能量守恒定律中所示 在哪里 重力势能的峰值接触, 是所做的功摩擦, 的动能联系峰值点1。

表达式如表所示1可以通过解决图的力量吗6。

表1
表达式为解决图的力量6。

是联系飙升的质量; 是引力常数; 是摩擦; 飙升的速度联系吗1; 是重力; 组件的力量吗 ; 是支持力量;和 摩擦系数。

从表达式(4)(vi) 在哪里 飙升的速度联系吗1。

在这个设计中, , ,和 (接触飙升是由铜;外止动环是由聚四氟乙烯和润滑。测量的数据CF-02由陈瑞智能设备有限公司,有限公司)。

2.2.3。关键电路参数

可以从表达式(1),设计电路主要参数 , , ,和 。在这里,我们进一步讨论和分析这些参数。

接触飙升是等同于一个导体,其温度漂移应该尽可能小。所以,我们选择铜接触飙升和电阻的测量值 是关于 。

降低的温度漂移 , 应该是一个精确的电阻温度系数小。在本文中,我们选择 (VTA56 VPG有限公司)。

设计了传感器的工作温度范围是-20°C到80°C。在这个温度范围内,最大的变化 是 和 是 。所以,温度不会影响设计传感器的准确性。

3所示。测试

3.1。测试设备

标准角测量平台和水浴被用来测试传感器的测量误差和温度漂移。水平角测量平台可以实现旋转工具面角0 - 360度范围内的分辨率为1度。水浴可以精确地控制水的温度在0 - 100°C的分辨率1°C。

3.2。测试程序

传感器是固定角测量平台,然后放入水浴后密封。通过调整工具面角的平台和水浴的温度,测试分为两组。一是在相同的温度,通过调整工具面角(0 - 360°)平台的测试测量误差(称为测试1),另一个是在同一个工具面角,通过调整温度(从室温到80°C)的水浴温度测试草案(称为测试2)。在上面两种类型的测试,每个测试的时间是1小时,《纽约时报》的测试是重复20次。

3.3。测试结果

从传感器输出的数据被命名为“测量值”和数据从平台被命名为“读取标准的价值。“图7(一)说明了传感器的照片。图7 (b)展示了一个“1”测试的测试结果和图包含的最大错误7 (c)展示了一个“1”测试的测试结果中最大的可重复性。在数据7 (b)和7 (c),横坐标是标准工具面角(°),纵坐标是测量工具面角(°)。 最大测量误差和吗 是最大的偏差。图7 (d)说明了测试结果的一个“测试2”含有最高温度草案(工具面角为150°)。横坐标是测试温度(°C),纵坐标是工具面角(°)。

(一)
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(b)
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(c)
(c)
(d)
(d)
图7
(一)传感器的照片。(b)的测试结果包含的最大错误。(c)测试结果包含的最大偏差。(d)测试结果包含最高温度草案。

从图可以得出结论7那(1)从图7 (b),我们可以得到以下结论。(一)传感器的最大误差 ( ),测量值的曲线为“分段的”,和大多数的测量值小于标准的值。原因是传感器的最小分辨率为6°。工具面角改变时(小于6°),传感器的输出保持不变的力传感器槽结构,造成测量值小于标准的价值。(b)一些测量值大于标准的值。原因是传感器的最小分辨率是6°。当工具面角改变大大(大于6°),传感器的输出增加了6°,造成测量值是大于或等于标准的价值。此外,传感器的结构也会导致它。原因是有一个滚动接触传感器的结构。所以,当接触差,测量电路的电阻值略有增加。因为电阻值成正比的工具面角值,测量值略大于标准的价值观。 (c) Point A showed that the position when the tool face angle is 0° is the same as the position when the tool face angle is 360°. This is why the measured value is 0°, but the corresponding standard value is 360°(2)从数据7 (c)和7 (d),我们可以得到以下结论。如图7 (c)传感器的最大偏差是4°( )。用平均偏差(平均偏差3.05)到传感器重复性公式,我们可以得到传感器的重复性是2.54%。如图7 (d)传感器的输出将增加,温度增加,和测量值大于标准的值。原因是传感器的电阻增加的温度增加,导致传感器的输出值成比例的增加。但温度对传感器的测量精度的影响可以忽略。换句话说,几乎没有传感器的温度漂移(3)它可以从表达式(1)和(2),测量工具的脸天使测量电阻成正比。因此,图的纵坐标7 (b)也可以转化为测量电阻时乘以相应的系数,也就是说,曲线的形状如图7 (b)也可以代表的关系(横坐标的标准工具面角,纵坐标是测量电阻)

4所示。结论

(1)旨在更好地适应非开挖施工环境,本文提出一个新工具面角传感器基于电阻的变化值。相关测试表明,传感器的最小分辨率是6°,这是比现有的传感器;传感器的测量误差±6°,主要由传感器的分辨率;和可重复性是2.54%。(2)数据的测试表明,电阻值随着温度的增加,增加,从而导致在传感器输出略有增加。但由于使用、精密电阻漂移,这增加对测量精度的影响不大,几乎可以忽略不计。也就是说,不近的传感器温度漂移。(3)传感器的结构设计和轧制传导方法导致测量曲线类似于“分段的”,而不是一个完整的线,这将导致测量误差。在进一步的研究中,进一步减少测量误差的方法是改变结构设计和传感器的传导方法。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了中国自然科学基金(61733016)、湖北省自然科学基金(2018 cfb349),湖北省技术创新重大项目(2018 aaa035)和基础研究基金为中央大学、中国地质大学(武汉)(CUG170655)。