eng
Выпуск #4/2024
Ю. Березина
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ И СИСТЕМЫ НА ИХ ОСНОВЕ. ЧАСТЬ 2
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ И СИСТЕМЫ НА ИХ ОСНОВЕ. ЧАСТЬ 2
Просмотры: 600
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.235.4.120.123
Волоконно-оптические гироскопы используются в различных отраслях для решения широкого спектра задач. Во второй части статьи продолжен обзор областей применения этих устройств и рассмотрены ключевые тенденции в разработке волоконно-оптических гироскопов и систем на их основе.
Волоконно-оптические гироскопы используются в различных отраслях для решения широкого спектра задач. Во второй части статьи продолжен обзор областей применения этих устройств и рассмотрены ключевые тенденции в разработке волоконно-оптических гироскопов и систем на их основе.
Теги: fiber-optic gyroscopes inclinometer equipment inertial navigation systems microtunneling волоконно-оптические гироскопы инерциальные навигационные системы инклинометрическое оборудование микротоннелирование
Волоконно-оптические гироскопы и системы на их основе. Часть 2
Ю. Березина
Волоконно-оптические гироскопы используются в различных отраслях для решения широкого спектра задач. В первой части статьи, которая была опубликована в журнале «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» №3 за 2024 год, мы рассмотрели применение волоконно-оптических гироскопов в системах контроля состояния железнодорожных путей,
в системах стабилизации на подвижных объектах и в сейсморазведке.
Во второй части продолжим обзор областей применения этих устройств и рассмотрим ключевые тенденции в разработке волоконно-оптических гироскопов и систем на их основе.
Нефтегазовая промышленность
В нефтегазовой промышленности волоконно-оптические гироскопы, а также модули и системы на их основе нашли широкое применение в системах бурения скважин и в системах контроля их состояния. В частности, для определения профиля и траектории скважины после завершения бурения используется инклинометр (от англ. inclination meter – измеритель наклона) на основе волоконно-оптического гироскопа.
Траектория и конструкция скважины характеризуются тремя ключевыми параметрами (рис. 1): глубина скважины (L), угол наклона скважины (θ), азимутальный угол (ψ) [1].
Глубина скважины L обычно замеряется тросом с метками и считается от устья скважины до точки измерения. Углом наклона скважины называется угол между касательной к скважине в точке расположения инклинометра и отвесом. Азимутальный угол – угол между проекцией данной касательной и направлением на север.
Процесс измерения углов отклонения скважины и ее искривления называется инклинометрией. Ранее в этой сфере применялись преимущественно магнитные инклинометры, в состав которых входили акселерометры и магнитометры. Но, поскольку магнитометры подвержены действию электромагнитных помех, создаваемых железосодержащими минералами, для данного типа инклинометров требуются системы компенсации, которые, однако, не позволяют полностью решить проблему электромагнитных наводок, при этом удорожая оборудование и существенно увеличивая его размеры.
Инерциальные навигационные системы на основе ВОГ сопоставимы или превосходят магнитные инклинометры по точности, но при этом значительно менее восприимчивы к электромагнитным помехам. При этом подобные системы обладают большой устойчивостью к ударам, вибрации и перепадам температуры (в 2000 году была создана компьютерная модель для изучения влияния условий окружающей среды на инклинометр в скважине [1]). В 2005 году Адриан Ледроз (Adrian G. Ledroz), проходивший обучение в университете Калгари, выпустил статью о возможности использования измерительного модуля на основе ВОГ в качестве измерительного прибора для инклинометрии скважины [2]. В ходе исследований Ледроз и его коллеги на практике доказали, что предложенный ими для использования модуль на основе ВОГ соответствует требованиям по устойчивости к ударам и вибрации.
Стоит отметить, что инклинометрическое оборудование на основе ВОГ подходит не только для измерения параметров уже пробуренной скважины, но и для измерений в процессе бурения (measuring while drilling, MWD), что актуально для получения информации о направлении и состоянии скважины в реальном времени и, при необходимости, ее корректировки [1, 3]. Применение данного метода особенно актуально при наклонно-направленном бурении (ННБ), когда бурение скважины производится с отклонением от вертикали в заранее заданном направлении, и важно, чтобы бурение осуществлялось в соответствии с ранее просчитанной траекторией. Также важно заметить, что в подобных применениях обязательно используются модули, измеряющие угловую скорость
и ускорение по трем осям (рис. 2).
Однако, в некоторых случаях достаточно будет модуля с триадой акселерометров и одним ВОГ. На рис. 3 показана структурная схема инерциального измерительного модуля на основе ВОГ, где измерение наклона проводятся только по одной оси Y (вдоль оси направления движения бурового долота). Подобные модули применяются для повышения точности бурения практически горизонтальных или практически вертикальных скважин. В обоих случаях акселерометры нужны для компенсации накапливающейся ошибки гироскопов.
Основными игроками на рынке инклинометрического оборудования на основе ВОГ являются производители из США и Китая.
Из модулей и навигационных систем, которые предлагает китайская компания BLITZ Sensor, для использования в бурильных системах подойдут следующие серии:
Бестраншейное строительство
Бестраншейное строительство – это вид подземных строительных работ, который не требует обустройства траншей для прокладки коммуникационных и инфраструктурных систем. Данный вид строительства осуществляется с помощью ряда методов [4], таких как туннельный метод, микротоннелирование, горизонтально-направленное бурение, уплотнение труб, установка обсадных труб и др.
Микротоннелирование – это метод прокладки труб, заключающийся в продавливании грунта с помощью проходческих щитов и закреплении грунта с использованием бетонных или металлических колец. Грунт, скапливающийся в самой трубе во время процесса, разрабатывают и удаляют. В общем виде схема микротоннелирования показана на рис. 4.
Система, применяемая для микротоннелирования, должна обладать высокой точностью, поскольку максимально допустимым отклонением трубы от заданной траектории считается 50 мм. В настоящее время широко применяют лазерные и тахеометрические измерительные приборы, но у них есть свои недостатки. Лазерные датчики не подходят для прокладки труб по изогнутым линиям, и с увеличением расстояния световое пятно от лазера будет все менее сфокусировано, что приведет к ошибке в измерениях, поэтому такой способ используют, преимущественно, при прокладывании прямых участков труб на короткие расстояния. Тахеометрические приборы отличаются большими габаритами, поэтому чаще всего их применяют для прокладки труб с диаметром от 1,6 м, а трубы и футляры для некоторых видов коммуникации бывают меньшего размера.
ИНС на основе волоконно-оптических гироскопов с поддержкой RTK-режима (real time kinematic) могут обеспечить определение положения режущего колеса и проходческого щита в реальном времени благодаря своей автономности и встроенному навигационному алгоритму. Кроме того, ИНС не требует дополнительного оборудования, такого как тахеометры, или их ручной переустановки, как лазерные датчики. На рис. 5 и 6 показано расположение модуля в системе микротоннелирования. Инерциальный модуль совместно с управляющей электроникой позволяет скорректировать направление оси продавливания трубы (рис. 7).
В настоящее время особую популярность на рынке приобрели датчики немецкого и японского производства.
Для применения в системах микротоннелирования подойдут инерциальные навигационные системы с поддержкой RTK-режима от BLITZ Sensor, способные определять положение объекта в реальном времени с высокой точностью:
BS-FN200 (ИНС на основе ВОГ средней точности);
BS-FN300 (серия ИНС на основе ВОГ различной точности и в различных корпусах);
BS-FN301 (ИНС на основе ВОГ повышенной точности);
BS-FN500 (ИНС на основе ВОГ, поддерживающая работу с различными интерфейсами).
Тенденции в разработке волоконно-оптических гироскопов и систем
на их основе
Главной тенденцией при разработке новых моделей ВОГ и систем на их основе в настоящее время является их миниатюризация. Волоконно-оптические гироскопы все еще являются достаточно крупными и громоздкими, особенно по сравнению с МЭМС-гироскопами.
Исследования ведутся сразу в двух направлениях.
Во-первых, уменьшение размеров самого гироскопа путем модернизации и модификации технологии его изготовления. Например, ведутся работы по изменению структуры оптического волокна и изменения способа его намотки.
Вторым направлением является уменьшение размеров модулей и изделий, в состав которых входят ВОГ. Это достигается разными путями. Например, многоосевые гироскопы и модули могут использовать общий источник света для всех осей, что позволяет уменьшить размеры модуля. Что касается таких устройств, как инклинометры, к которым особенно часто предъявляются требования по габаритным размерам, то, в зависимости от области применения и требований к точности, можно использовать системы с меньшим числом датчиков, если требования по точности выше требований к размерам.
Миниатюризация является важным направлением для всех применений, рассмотренных в данном материале. В киноиндустрии уменьшение размеров и массы оборудования привело к уменьшению операторских кранов и подвесов для аппаратуры. Это, в свою очередь, привело к уменьшению жесткости конструкций и к необходимости более точной стабилизации без существенного увеличения веса, чтобы сохранить высокую управляемость кранов. В системах стабилизации оптических систем на подвижных объектах (в частности, квадрокоптерах) необходимо осуществлять стабилизацию с высокой точностью, но без увеличения массы и размеров объекта. В нефтегазовой и горнодобывающей промышленности часто бывает необходимость провести инклинометрию относительно небольшой по диаметру скважины, что приводит к невозможности использования крупных громоздких систем.
Также ведутся исследования, направленные на устранение накапливающейся ошибки ВОГ и систем на их основе. Данная ошибка возникает из-за интегральных вычислений угловой скорости и координат, и для ее компенсации могут применяться как другие инерциальные датчики (акселерометры, магнитометры), так и системы спутниковой навигации. Однако, в некоторых применениях постоянная коррекция ошибки с использованием спутниковой связи невозможна (например под землей во время бурения или прокладки труб), что неминуемо приводит к накоплению ошибки. И в данный момент в подобных системах для компенсации ошибки, как уже было сказано, используют другие виды датчиков, но это приводит к удорожанию системы и увеличению ее размеров.
Кроме того, для некоторых из рассмотренных в статье применений актуально повышение устойчивости гироскопов к воздействиям внешней среды (высокое давление, удары, перепады температур, работа при экстремально низких или высоких температурах, высокая влажность и т.д.), что приводит к необходимости разработки новых способов изготовления гироскопов или к повышению характеристик устойчивости уже имеющихся моделей. В частности, при бурении измерительные модули помещают в дополнительную изоляцию и проводят измерения не все время, а интервально, поскольку диапазон рабочих температур, как правило, меньше того диапазона, который способен выдержать прибор в нерабочем состоянии.
* * *
В статье представлен обзор устройств и отраслей, где применяются волоконно-оптические гироскопы и системы на их основе. Компания «ИНЕЛСО» поставляет широкий ассортимент инерциальных датчиков, в частности от китайского бренда BLITZ Sensor, чьи инерциальные решения подходят для использования в большинстве систем, упомянутых в данной публикации.
К основным преимуществам продукции китайских производителей относятся: короткие сроки поставки, большие производственные мощности, ориентированность на массовое производство, возможность доработки изделий по ТЗ заказчика.
ЛИТЕРАТУРА
Xu H., Wang L., Zu Yu. and others.
Application and Development of Fiber Optic Gyroscope Inertial Navigation System in Underground Space // https://www.mdpi.com/1424-8220/23/12/5627
Ledroz A.G., Pecht E., Cramer D. and others.
FOG-based navigation in downhole environment during horizontal drilling utilizing a complete inertial measurement unit: directional measurement-while-drilling surveying // https://ieeexplore.ieee.org/document/1514655
Компания Scientific Drilling // https://scientificdrilling.com/technology-services/measurement-while-drilling/gyromwd/Бестраншейная технология. Бестраншейное
строительство // https://www.zaosi.com/blog/An introduction to pipe jacking and microtunnelling // https://www.pipejacking.org/assets/pj/static/PJA_intro.pdf
Zu Yu., Wang L., Hu Yu., Yang G.
CEEMDAN-LWT De-Noising Method for Pipe-Jacking Inertial Guidance System Based on Fiber Optic Gyroscope // https://www.mdpi.com/1424-8220/24/4/1097
Ю. Березина
Волоконно-оптические гироскопы используются в различных отраслях для решения широкого спектра задач. В первой части статьи, которая была опубликована в журнале «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» №3 за 2024 год, мы рассмотрели применение волоконно-оптических гироскопов в системах контроля состояния железнодорожных путей,
в системах стабилизации на подвижных объектах и в сейсморазведке.
Во второй части продолжим обзор областей применения этих устройств и рассмотрим ключевые тенденции в разработке волоконно-оптических гироскопов и систем на их основе.
Нефтегазовая промышленность
В нефтегазовой промышленности волоконно-оптические гироскопы, а также модули и системы на их основе нашли широкое применение в системах бурения скважин и в системах контроля их состояния. В частности, для определения профиля и траектории скважины после завершения бурения используется инклинометр (от англ. inclination meter – измеритель наклона) на основе волоконно-оптического гироскопа.
Траектория и конструкция скважины характеризуются тремя ключевыми параметрами (рис. 1): глубина скважины (L), угол наклона скважины (θ), азимутальный угол (ψ) [1].
Глубина скважины L обычно замеряется тросом с метками и считается от устья скважины до точки измерения. Углом наклона скважины называется угол между касательной к скважине в точке расположения инклинометра и отвесом. Азимутальный угол – угол между проекцией данной касательной и направлением на север.
Процесс измерения углов отклонения скважины и ее искривления называется инклинометрией. Ранее в этой сфере применялись преимущественно магнитные инклинометры, в состав которых входили акселерометры и магнитометры. Но, поскольку магнитометры подвержены действию электромагнитных помех, создаваемых железосодержащими минералами, для данного типа инклинометров требуются системы компенсации, которые, однако, не позволяют полностью решить проблему электромагнитных наводок, при этом удорожая оборудование и существенно увеличивая его размеры.
Инерциальные навигационные системы на основе ВОГ сопоставимы или превосходят магнитные инклинометры по точности, но при этом значительно менее восприимчивы к электромагнитным помехам. При этом подобные системы обладают большой устойчивостью к ударам, вибрации и перепадам температуры (в 2000 году была создана компьютерная модель для изучения влияния условий окружающей среды на инклинометр в скважине [1]). В 2005 году Адриан Ледроз (Adrian G. Ledroz), проходивший обучение в университете Калгари, выпустил статью о возможности использования измерительного модуля на основе ВОГ в качестве измерительного прибора для инклинометрии скважины [2]. В ходе исследований Ледроз и его коллеги на практике доказали, что предложенный ими для использования модуль на основе ВОГ соответствует требованиям по устойчивости к ударам и вибрации.
Стоит отметить, что инклинометрическое оборудование на основе ВОГ подходит не только для измерения параметров уже пробуренной скважины, но и для измерений в процессе бурения (measuring while drilling, MWD), что актуально для получения информации о направлении и состоянии скважины в реальном времени и, при необходимости, ее корректировки [1, 3]. Применение данного метода особенно актуально при наклонно-направленном бурении (ННБ), когда бурение скважины производится с отклонением от вертикали в заранее заданном направлении, и важно, чтобы бурение осуществлялось в соответствии с ранее просчитанной траекторией. Также важно заметить, что в подобных применениях обязательно используются модули, измеряющие угловую скорость
и ускорение по трем осям (рис. 2).
Однако, в некоторых случаях достаточно будет модуля с триадой акселерометров и одним ВОГ. На рис. 3 показана структурная схема инерциального измерительного модуля на основе ВОГ, где измерение наклона проводятся только по одной оси Y (вдоль оси направления движения бурового долота). Подобные модули применяются для повышения точности бурения практически горизонтальных или практически вертикальных скважин. В обоих случаях акселерометры нужны для компенсации накапливающейся ошибки гироскопов.
Основными игроками на рынке инклинометрического оборудования на основе ВОГ являются производители из США и Китая.
Из модулей и навигационных систем, которые предлагает китайская компания BLITZ Sensor, для использования в бурильных системах подойдут следующие серии:
- BS-IC01G (серия инерциальных МЭМС-модулей с высокой устойчивостью к ударам и вибрации);
- BS-FM150 (серия инерциальных модулей на основе ВОГ);
- BS-FN200 (серия инерциальных навигационных систем (ИНС) с диапазоном рабочих температур до 70 °С).
Бестраншейное строительство
Бестраншейное строительство – это вид подземных строительных работ, который не требует обустройства траншей для прокладки коммуникационных и инфраструктурных систем. Данный вид строительства осуществляется с помощью ряда методов [4], таких как туннельный метод, микротоннелирование, горизонтально-направленное бурение, уплотнение труб, установка обсадных труб и др.
Микротоннелирование – это метод прокладки труб, заключающийся в продавливании грунта с помощью проходческих щитов и закреплении грунта с использованием бетонных или металлических колец. Грунт, скапливающийся в самой трубе во время процесса, разрабатывают и удаляют. В общем виде схема микротоннелирования показана на рис. 4.
Система, применяемая для микротоннелирования, должна обладать высокой точностью, поскольку максимально допустимым отклонением трубы от заданной траектории считается 50 мм. В настоящее время широко применяют лазерные и тахеометрические измерительные приборы, но у них есть свои недостатки. Лазерные датчики не подходят для прокладки труб по изогнутым линиям, и с увеличением расстояния световое пятно от лазера будет все менее сфокусировано, что приведет к ошибке в измерениях, поэтому такой способ используют, преимущественно, при прокладывании прямых участков труб на короткие расстояния. Тахеометрические приборы отличаются большими габаритами, поэтому чаще всего их применяют для прокладки труб с диаметром от 1,6 м, а трубы и футляры для некоторых видов коммуникации бывают меньшего размера.
ИНС на основе волоконно-оптических гироскопов с поддержкой RTK-режима (real time kinematic) могут обеспечить определение положения режущего колеса и проходческого щита в реальном времени благодаря своей автономности и встроенному навигационному алгоритму. Кроме того, ИНС не требует дополнительного оборудования, такого как тахеометры, или их ручной переустановки, как лазерные датчики. На рис. 5 и 6 показано расположение модуля в системе микротоннелирования. Инерциальный модуль совместно с управляющей электроникой позволяет скорректировать направление оси продавливания трубы (рис. 7).
В настоящее время особую популярность на рынке приобрели датчики немецкого и японского производства.
Для применения в системах микротоннелирования подойдут инерциальные навигационные системы с поддержкой RTK-режима от BLITZ Sensor, способные определять положение объекта в реальном времени с высокой точностью:
BS-FN200 (ИНС на основе ВОГ средней точности);
BS-FN300 (серия ИНС на основе ВОГ различной точности и в различных корпусах);
BS-FN301 (ИНС на основе ВОГ повышенной точности);
BS-FN500 (ИНС на основе ВОГ, поддерживающая работу с различными интерфейсами).
Тенденции в разработке волоконно-оптических гироскопов и систем
на их основе
Главной тенденцией при разработке новых моделей ВОГ и систем на их основе в настоящее время является их миниатюризация. Волоконно-оптические гироскопы все еще являются достаточно крупными и громоздкими, особенно по сравнению с МЭМС-гироскопами.
Исследования ведутся сразу в двух направлениях.
Во-первых, уменьшение размеров самого гироскопа путем модернизации и модификации технологии его изготовления. Например, ведутся работы по изменению структуры оптического волокна и изменения способа его намотки.
Вторым направлением является уменьшение размеров модулей и изделий, в состав которых входят ВОГ. Это достигается разными путями. Например, многоосевые гироскопы и модули могут использовать общий источник света для всех осей, что позволяет уменьшить размеры модуля. Что касается таких устройств, как инклинометры, к которым особенно часто предъявляются требования по габаритным размерам, то, в зависимости от области применения и требований к точности, можно использовать системы с меньшим числом датчиков, если требования по точности выше требований к размерам.
Миниатюризация является важным направлением для всех применений, рассмотренных в данном материале. В киноиндустрии уменьшение размеров и массы оборудования привело к уменьшению операторских кранов и подвесов для аппаратуры. Это, в свою очередь, привело к уменьшению жесткости конструкций и к необходимости более точной стабилизации без существенного увеличения веса, чтобы сохранить высокую управляемость кранов. В системах стабилизации оптических систем на подвижных объектах (в частности, квадрокоптерах) необходимо осуществлять стабилизацию с высокой точностью, но без увеличения массы и размеров объекта. В нефтегазовой и горнодобывающей промышленности часто бывает необходимость провести инклинометрию относительно небольшой по диаметру скважины, что приводит к невозможности использования крупных громоздких систем.
Также ведутся исследования, направленные на устранение накапливающейся ошибки ВОГ и систем на их основе. Данная ошибка возникает из-за интегральных вычислений угловой скорости и координат, и для ее компенсации могут применяться как другие инерциальные датчики (акселерометры, магнитометры), так и системы спутниковой навигации. Однако, в некоторых применениях постоянная коррекция ошибки с использованием спутниковой связи невозможна (например под землей во время бурения или прокладки труб), что неминуемо приводит к накоплению ошибки. И в данный момент в подобных системах для компенсации ошибки, как уже было сказано, используют другие виды датчиков, но это приводит к удорожанию системы и увеличению ее размеров.
Кроме того, для некоторых из рассмотренных в статье применений актуально повышение устойчивости гироскопов к воздействиям внешней среды (высокое давление, удары, перепады температур, работа при экстремально низких или высоких температурах, высокая влажность и т.д.), что приводит к необходимости разработки новых способов изготовления гироскопов или к повышению характеристик устойчивости уже имеющихся моделей. В частности, при бурении измерительные модули помещают в дополнительную изоляцию и проводят измерения не все время, а интервально, поскольку диапазон рабочих температур, как правило, меньше того диапазона, который способен выдержать прибор в нерабочем состоянии.
* * *
В статье представлен обзор устройств и отраслей, где применяются волоконно-оптические гироскопы и системы на их основе. Компания «ИНЕЛСО» поставляет широкий ассортимент инерциальных датчиков, в частности от китайского бренда BLITZ Sensor, чьи инерциальные решения подходят для использования в большинстве систем, упомянутых в данной публикации.
К основным преимуществам продукции китайских производителей относятся: короткие сроки поставки, большие производственные мощности, ориентированность на массовое производство, возможность доработки изделий по ТЗ заказчика.
ЛИТЕРАТУРА
Xu H., Wang L., Zu Yu. and others.
Application and Development of Fiber Optic Gyroscope Inertial Navigation System in Underground Space // https://www.mdpi.com/1424-8220/23/12/5627
Ledroz A.G., Pecht E., Cramer D. and others.
FOG-based navigation in downhole environment during horizontal drilling utilizing a complete inertial measurement unit: directional measurement-while-drilling surveying // https://ieeexplore.ieee.org/document/1514655
Компания Scientific Drilling // https://scientificdrilling.com/technology-services/measurement-while-drilling/gyromwd/Бестраншейная технология. Бестраншейное
строительство // https://www.zaosi.com/blog/An introduction to pipe jacking and microtunnelling // https://www.pipejacking.org/assets/pj/static/PJA_intro.pdf
Zu Yu., Wang L., Hu Yu., Yang G.
CEEMDAN-LWT De-Noising Method for Pipe-Jacking Inertial Guidance System Based on Fiber Optic Gyroscope // https://www.mdpi.com/1424-8220/24/4/1097
Отзывы читателей
