Скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр сильных движений

Опубликовано 22.07.2012 14:27

Скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр сильных движений, разработанный в рамках договора с ОАО «Газпром»

Введение

В рамках ОКР «Разработка скважинного трехкомпонентного цифрового акселерометра сильных движений» была разработана конструкторская и эксплуатационная документация скважинного трехкомпонентного цифрового акселерометра сильных движений (АТЦС), программно-математическое обеспечение и изготовлены три опытных образца.

Разработанный скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр сильных движений и программно-математическое обеспечение, входящее в его состав, представляют собой программно-аппаратный комплекс технических средств.

АТЦС не имеет аналогов в мире по совокупности потребительских и функциональных характеристик.

АТЦС предназначен для создания (оснащения) систем мониторинга сильных движений на потенциально опасных объектах, которые позволят уменьшить последствия от сильного землетрясения и сократить ущерб от разрушения охраняемых объектов при таком землетрясении.

АТЦС может использоваться самостоятельно для регистрации ускорений и выдачи сигналов тревоги в случае обнаружения землетрясения с заданным порогом в диспетчерскую потенциально опасных объектов, или в соответствующие службы МЧС.

 

Список сокращений

Сокращение

Наименование

АТЦ

Акселерометр трехкомпонентный цифровой

АТЦС 

Скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр

АЦП

Аналого-цифровой преобразователь

БСД

Блок сбора данных

ДНД

Датчик несанкционированного доступа

ПИ

Преобразователь измерительный однокомпонентный

ВСУ

Вышестоящее устройство

ДПП

Датчик положения платформы

ИВП

Источник вторичного питания

ИОЦ 

Информационно-обрабатывающий центр

МОУ

Модуль обработки и управления

МП

Модуль процессорный

МПЗ

Модуль питания и защиты

МПИ

Модуль преобразователей измерительных

МСВ

Модуль синхронизации времени

МФЧХ

Модуль формирования частотных характеристик

ПМО

Программно-математическое обеспечение

СМСД

Система мониторинга сильных движений

ССМ

Система сейсмического мониторинга

ТГЗ

Терминал грозозащиты

ШСД 

Шкаф сбора данных

ЭК

Электронный компас

ST

Self Test – электронное самотестирование

 

Сравнение технических характеристик

Сравнение технических характеристик скважинного трехкомпонентного цифрового акселерометра сильных движений с зарубежными аналогами (данные из документа «Руководство по аппаратному обеспечению для Улучшенной национальной сейсмической системы», подготовленного Геологической службой США от 13 июня 2007 года – “Instrumentation guidelines of Advanced National Seismic System (ANSS)” prepared by U.S. Geological Survey) приведено в таблице 1. Зеленым выделены параметры, превосходящие аналог.

 

Таблица 1

Наименование параметра

Характеристики трехкомпонентного цифрового акселерометра сильных движений Исполнителя

Характеристики трехкомпонентного акселерометра для  ANSS

Количество ортогональных осей чувствительности, каждая из которых соответствует своему каналу преобразования по одному из направлений X, Y или Z

3

3

Диапазон амплитуд измеряемого ускорения каждого канала преобразования, не менее

±40 м/с2 (±4g)

 

±35 м/с2 (±3,5 g)

Динамический диапазон в полосе частот 0,1 – 35 Гц, не менее

100 Дб

87,3 Дб

Диапазон рабочих частот каждого канала преобразования (по уровню – 3 дБ),

0,1…50 Гц

0,1…50 Гц

Предел основной допускаемой погрешности каждого канала преобразования акселерометра в диапазоне частот до 10 Гц, не более

±1%

±1%

Относительный коэффициент поперечного преобразования акселерометра, не более

- 40 Дб

- 40Дб

Коэффициент нелинейности амплитудной характеристики на частоте 1 Гц, не более

- 70 Дб

-70Дб

Гистерезис, не более

- 70 Дб

-70Дб

Предел дополнительной погрешности каждого канала преобразования акселерометра от влияния температуры в диапазоне рабочих температур, не более

±2% при температуре

от -30 до +45 °С

±1% при температуре

от 0 до +40 °С

±2% при температуре

от -20 до +40 °С

±1% при температуре

от 0 до +40 °С

Время восстановления работоспособности датчика после перегрузки по ускорению (сейсмическому сигналу), не более

10 с

10 с

Погрешность синхронизации времени GPS , не хуже

1 мс

1 мс

Напряжение питания

24 В (+15% / –10%)

24 В (+15% / –10%)

Частота дискретизации АЦП, максимальная, не менее

200 Гц

200 Гц

Число эффективных разрядов АЦП при частоте дискретизации 200 Гц для каждого канала в полосе частот 0,1 - 35 Гц

18

16

Контроль работоспособности

Механическая калибровка

Электронная калибровка

Погрешность определения наклона датчика к горизонтальной плоскости, град., не более

± 0,5

нет

Погрешность определения ориентации  датчика по сторонам света, град, не более

± 1

нет

Количество серийных портов  RS 485 со скоростью передачи данных 115 200 бит/с

2

2

Объем энергонезависимой памяти до, ГБ

32

8

Возможность работы в режимах накопления или передачи информации

есть

есть

Длина кабеля между АТЦ и ШСД не более

1200 м

100 м

Жизненный цикл

12 лет

10 лет

Условия эксплуатации:

-температура

от - 30 до +45°С

от - 30 до + 45°С

Степень защиты в соответствии со шкалой IEC 60529

IP68

IP67

Возможность работы в затопленных скважинах глубиной до100 м

есть

нет

Возможность установки в скважину и на постамент

есть

нет

Наличие грозозащиты между устройствами, составляющими скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр

есть

нет

 

Сравнение технических характеристик Блока сбора данных, входящего в состав скважинного цифрового трехкомпонентного акселерометра и Блока сбора данных ANSS приведено в таблице 2

Таблица 2

Наименование параметра

Характеристики Блока сбора данных Исполнителя

Характеристики блока сбора данных ANSS

Жизненный цикл

12 лет

10 лет

Количество независимых последовательных портов

RS-232

RS-485

10/100BaseT (TCP/IP)

 

 

1

2

1

 

 

2

нет данных

нет данных

Скорость передачи данных по последовательным портам, не более

по каналу RS-232

по каналам RS-485

10/100BaseT (TCP/IP)

 

 

115200 бит/с

115200 бит/с

100 Mбит/с

Нет данных

Объем ОЗУ, не менее

2 Мбайт

2 Мбайт

Объем энергонезависимого ОЗУ, не менее

8 Мбайт(*можно нарастить до 2 Гбайт)

8 Мбайт

Наличие синхронизации времени

Встроенный GPS

Встроенный GPS

Точность привязки к системе единого времени при использовании для синхронизации приемника GPS, не хуже

1 мс

2 мс

Диапазон рабочих температур

от - 40°C  до +60°C.

от - 40°C  до +60°C.

Степень защиты в соответствии со шкалой IEC 60529

IP67

IP67

Измерение ориентации по вертикали и азимута

есть

нет

Пересчет измеряемых ускорений в мировую систему координат север (Y), восток (X), вертикаль (Z)

есть

нет

 

Структурная схема АТЦС

 

Функции, выполняемые АТЦС

Выделены функции, которых нет у аналога.

 

  • Непрерывное измерение ускорений, наведенных на грунт в месте его размещения.
  • Привязка измеренных ускорений к системе единого времени и системе географических координат.
  • Измерение ориентации по вертикали и по азимуту.
  • Пересчет измеренных ускорений в мировую географическую систему координат – север (Y), восток (Х), вертикаль (Z).
  • Распознавание землетрясений с соответствующими параметрами по заданному алгоритму обнаружения на фоне техногенных и природных сейсмических событий, воздействующих на промышленный объект.
  • Расчет параметров землетрясения:
    • Пиковое ускорение
    • Длительность события по 99,9% зарегистрированной энергии
    • Длительность превышений определенного порога.
    • Полная зарегистрированная энергия
    • Максимальная скорость
    • Основная частота
    • Ширина пика основной частоты
    • Пиковые значения спектральных откликов
  • Формирование релейного сигнала тревоги «Уровень высокий».
  • Формирование релейного сигнала тревоги «Уровень опасно высокий».
  • Запись и хранение данных о сейсмических событиях (в данные включаются также метаданные, описывающие происхождение каждого пакета).
  • Диагностика узлов АТЦС и каналов связи.
  • Механическая калибровка измерительных акселерометрических каналов по командам дистанционного управления.
  • Формирование релейного сигнала о неисправности или отказе АТЦС.
  • Передача зарегистрированных данных и диагностической информации по протоколам TCP\IP в сетевой процессор для последующей обработки.

 

Внешний вид измерительного оборудования АТЦС

 

 

Компоненты АТЦС

Акселерометр трехкомпонентный цифровой АТЦ

Функции, выполняемые акселерометром трехкомпонентным цифровым АТЦ (датчиком, устанавливаемым в скважину)

  • Измерение наведенных ускорений по трем ортогональным компонентам X, Y и Z и их преобразование в цифровой код;
  • Измерение ориентации компонентов акселерометра в пространстве;
  • Привязка измеренных данных к системе единого времени;
  • Промежуточное хранение зарегистрированной информации;
  • Передача зарегистрированной информации по запросу в БСД по каналу RS-485;
  • Автоматическое самотестирование и передачу результатов тестирования по запросу в БСД;
  • Механическое тестирование  измерительных акселерометрических каналов по команде от БСД;
  • Измерение частоты опроса АЦП по команде от БСД.

 

Технические характеристики АТЦ 

Наименование параметра

 

Величина

Количество ортогональных осей чувствительности, каждая из которых соответствует своему каналу преобразования по одному из направлений X, Y или Z

 

3

Диапазон амплитуд измеряемого ускорения каждого канала преобразования, не менее

±40 м/с2 (±4g)

Динамический диапазон в полосе частот 0,1 – 35 Гц, не хуже

100 дБ

Диапазон рабочих частот каждого канала преобразования (по уровню – 3 дБ), Гц

0,1…50

Предел основной допускаемой погрешности каждого канала преобразования акселерометра на частотах до 10 Гц  при измерении амплитуды ускорения 10 м/с2  ± 10%, не более

 

±1%

Точность измерения ориентации АТЦ по азимуту, не хуже

1°

Точность ориентации АТЦ по плоскости горизонта (отклонение осей X и Y от горизонтали), не хуже

0,5°

Относительный коэффициент поперечного преобразования акселерометра, не хуже

– 40 дБ

Коэффициент нелинейности амплитудной характеристики на частоте 1 Гц, не хуже

– 70 дБ

Гистерезис

–70 дБ

Предел дополнительной погрешности каждого канала преобразования акселерометра от влияния температуры в диапазоне от минус 30 до 45°С, не более

>±2% от -30 до +40 °С

>±1% от -0 до +40 °С

Восстановление работоспособности датчика после перегрузки по ускорению (сейсмическому сигналу)

 

≤10 с

Частота дискретизации АЦП, максимальная, не менее

200 Гц

Число эффективных разрядов АЦП при частоте дискретизации 200 Гц для каждого канала в полосе частот 0,1 - 35 Гц

18

 

Точность привязки к системе единого времени

≤1 мс

Контроль работоспособности

Механическая калибровка

Напряжение питания

24 В (+15% / –10%)

Мощность потребления в рабочем режиме при выключенной системе контроля измерения ориентации (Электронный компас)

3 Вт

Габаритные размеры, не более мм

диаметр

высота (с соединителями)

 

135

450

Масса, кг, не более:

10

Условия эксплуатации:

-температура

-относительная влажность

 

-атмосферное давление, кПа

-вибропрочность при воздействии синусоидальной вибрации с параметрами:

-частота, Гц;

-амплитуда смещения, мм

 

  

от минус 30 до + 45°С 

100% при температуре 40°С и более низких температурах c конденсацией влаги.

66-106,7

  

10-55

0,15

Степень защиты в соответствии со шкалой IEC 60529

IP68

 

Внешний вид АТЦ

  

 АТЦ

 Блок акселерометров с устройством механической калибровки

 

Схема установки АТЦ в скважину

Блок сбора данных БСД

Функции, выполняемые Блоком сбора данных БСД

  • Сбор зарегистрированных данных с АТЦ;
  • Мониторинг работоспособности узлов БСД и каналов связи;
  • Синхронизация времени АТЦ с единым временем с помощью GPS приемника;
  • Анализ полученных данных для распознавания землетрясений с соответствующими параметрами по заданному алгоритму обнаружения на фоне техногенных и природных сейсмических событий, воздействующих на промышленный объект;
  • Расчет параметров землетрясения;
  • Формирование релейного сигнала тревоги «Уровень высокий»;
  • Формирование релейного сигнала тревоги «Уровень опасно высокий»;
  • Запись и хранение данных о сейсмических событиях в энергонезависимой памяти;
  • Формирование релейного сигнала о неисправности или отказе АТЦС;
  • Передача зарегистрированных и рассчитанных данных и диагностической информации по TCP\IP для последующей обработки.

Технические характеристики БСД

Наименование параметра

Величина

Напряжения питания

+24 ± 6В

Количество независимых последовательных портов

RS-232

RS-485

Ethernet 10/100 Base-T  по протоколам (TCP/IP)

 

1

2

1

Скорость передачи данных по последовательным портам, не более

по каналу RS-232(или USB)

по каналам RS-485

 

 

115200 Бит/с

115200 Бит/с

Объем ОЗУ, не менее

2 Мбайт

Объем энергонезависимого ОЗУ, не менее

8 Мбайт

Наличие синхронизации времени

Встроенный GPS

Точность привязки к системе единого времени при использовании для синхронизации приемника GPS, не хуже

 

1 мс

Температурная и суточная стабильность частоты внутреннего опорного генератора, не хуже

соответственно 1×10-7/°С и 1×10-7/сутки.

Мощность потребления

2,3 Вт

Габаритные размеры, мм*

длина

ширина (с соединителями)

высота

 

230

150

90

Масса, кг, не более

1,5

Степень защиты в соответствии со шкалой IEC 60529

IP65

Внешний вид БСД

 

Шкаф сбора данных ШСД

 

Шкаф сбора данных предназначен для размещения наземной аппаратуры АТЦС (БСД, батареи, устройств коммутации и т.д.).

ШСД должен размещаться в помещениях с нерегулируемыми климатическими условиями (контейнер).

 

Терминал грозозащиты ТГЗ

 

Терминал грозозащиты предназначен для обеспечения грозозащиты АТЦ.

Терминал размещается в оголовке измерительной скважины.

Корпус обеспечивает защиту в соответствии со спецификацией IEC 60529, не ниже IP66.

 

Функциональные преимущества АТЦС перед зарубежными аналогами

  • Измерение ориентации по вертикали и по азимуту.
  • Пересчет измеренных ускорений в мировую географическую систему координат – север (Y), восток (Х), вертикаль (Z).
  • Распознавание землетрясений с соответствующими параметрами по заданному алгоритму обнаружения на фоне техногенных и природных сейсмических событий, воздействующих на промышленный объект.
  • Расчет параметров землетрясения в реальном времени:
    • Пиковое ускорение
    • Длительность события по 99,9% зарегистрированной энергии
    • Длительность превышений определенного порога.
    • Полная зарегистрированная энергия
    • Максимальная скорость
    • Основная частота
    • Ширина пика основной частоты
    • Пиковые значения спектральных откликов
  • Механическая калибровка измерительных акселерометрических каналов по командам дистанционного управления.

 

Иллюстрация функций и возможностей АТЦС

 

Приведенный скриншот иллюстрирует все функциональные возможности АТЦС.

В процессе функционирования АТЦС производит полную самодиагностику работы всех узлов и элементов, а также в реальном времени происходит перерасчет измеряемых ускорений (три координаты) в мировую систему координат North – South – West – East - Z.

 


* Размеры могут уточняться в процессе разработки КД.