CN102364047A

CN102364047A - 竖井几何参数测量方法

Info

Publication number: CN102364047A
Application number: CN2011100228936A
Authority: CN
Inventors: 彭映成; 李艳洁; 赵建伟; 鲁辉; 钱海
Original assignee: 63653 Troops of PLA
Current assignee: 63653 Troops of PLA
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2012-02-29

Abstract

本发明提供的竖井几何参数测量方法，采用参考绳法，即井口处的支架上布设有井下仪和参考绳；其井下仪与仪器车的内置电缆绞车与井上仪的计算机接口连接，记录数据；其系有重锤的参考绳与仪器车的内置参考绳绞车连接，调节其升降；其布控的电路协同实施；将井下仪置于井中，距测井仪50cm处，下放参考绳使其垂直，当障碍物尺寸大于声波波长的1/2时，声波就会发生反射，得参考绳方位的测量结果，进而确定其实测的相对方位；辅助声速的测量，即利用参考绳与井下仪之间距离固定一声速，即可换算成实测方位的距离；上述测量的电路引入对数放大电路以消除信号起始时间判断的偏差，采用工频滤波器消除工频干扰带来的信号起伏，使井径测量精度达到1mm，并使浊水中的有效测量距离达到3.0m。该方法适宜深度为0-1000米、直径为1m-3m的含水竖井。

Description

竖井几何参数测量方法

技术领域

本发明涉及工程技术领域的超声测距技术，尤其适宜环境恶劣的井斜限值、井径检测，提供的方法既科学合理，又快捷实用。

背景技术

目前较先进的井下定向测量技术有磁通门、陀螺仪，都存在局限性；如磁通门的铁磁环境要求，即测量环境不能有铁磁物质存在；陀螺仪测量的前须校准；高精度测距要求超声系统的频率较高等；加之浊水环境下高频超声波衰减迅速的起伏较大，通用超声测距电路难以满足较大距离的测量要求。本发明方法有效的解决了高水压、浊水环境中测量的问题，所采用的超声测距技术在汽车防撞等系统中得到较广泛应用，但直接应用于某竖井现场环境的检测还不多见。该方法也可以辅助进行声速实时测量，提高测距的精度等。

发明内容

本发明的目的在于：提供的用于高压、浊水、竖井防倾斜的测量方法，易操作、易发现，易校正。

本发明的目的是这样实现的：竖井几何参数测量方法，井上仪由主机、采集板、测控电路及绞车外围控制电路组成；井下仪由超声换能器收发电路、步进电机控制电路组成；采用参考绳法：井口处的支架9上布设有井下仪1和参考绳2；其井下仪1与仪器车6的内置电缆绞车8与井上仪4的计算机5接口连接，记录其测量数据；其系有重锤3的参考绳2与仪器车6的内置参考绳绞车7连接，调节其升降；其布控的电路协同测量的实施；

测量一组：将井下仪1置于井中，距测井仪50cm处，下放参考绳2使其垂直，当障碍物尺寸大于声波波长的1/2时，声波就会发生反射，得参考绳方位的测量结果，进而确定其实测的相对方位；

测量二组：辅助声速的测量，即利用参考绳2与井下仪1之间距离固定一声速，即可换算成实测方位的距离；

上述测量的电路引入对数放大电路以消除信号起始时间判断的偏差，采用工频滤波器消除工频干扰带来的信号起伏，使井径测量精度达到1mm，并使浊水中的有效测量距离达到3.0m。

所述的测量方法，其特征在于：参考绳2方位用超声法测得的距离为一固定值，此方位能在测量结果中获得。

所述的测量方法，其特征在于：参考绳2与井下仪1之间距离固定的声速，依据v=2s/t公式获得，将其换算成方位的距离。

所述的测量方法，选用的参考绳为电话的双绞线。

所述的测量方法，适宜深度为0-1000米、直径为1m-3m的含水竖井。

本发明方法的构思原理：参考绳法，在距测井仪处下放系吊重锤的参考绳，根据声波传播理论，即障碍物尺寸大于声波波长的1/2时，声波就会发生反射，在其检索到参考绳方位的测量结果，进而确定测点的方位。本方法选用的超声换能器中心频率为800kHz。该方法也可以辅助进行声速实时测量，提高测距精度，即利用参考绳与井下仪之间距离固定这一性质实时进行声速的测量。根据v=2s/t公式，在距离已知并测量出声波走时的情况下，算出当前声速，并根据这一声速，换算其方位的距离。

本发明在常用的超声接收电路基础上，增加了对数放大电路，有效抑制了各种原因造成的随机起伏对接收信号的影响，使系统在浊水中有效测量距离达到3.0m，满足了水质浑浊、井斜超过0.5m等极端条件下的测量要求；设计的阻抗匹配电路，抑制了井上仪与井下仪通信中的回波干扰，消除了由此引起的步进电机控制逻辑错误和误发测距指令等系统故障，保证了系统运行可靠。

本发明的技术效果简捷有效，既无需另外采用声速测量设备，又比采用经验公式等方法要精确，采用参考绳定向法简单地实现了深水下的定向问题；采用工频滤波器消除工频干扰带来的信号起伏，使井径测量精度达到1mm，满足了极端条件下的测量要求，彰显技术进步。

附图说明

下面结合附图和实施例对发明作进一步说明。

图1是竖井几何参数测量系统构成示意图；

如图所示：1-井下仪、2-参考绳、3-重锤、4-井上仪、5-计算机、6-仪器车、7参考绳绞车、8-电缆绞车、9-井口支架；井上仪包括测控电路、计算机和接口电路；井上仪用于控制绞车运行、采集深度信号、采集井径信号，经过计算机的处理，形成反映竖井成井信息的各种几何参数及相应图形；井下仪包括转接头（仪器接头）、井下仪壳体、电子线路段、步进电机、换能器组件与透声窗。

图2是竖井几何参数测量系统结构示意图；

如图所示：井上仪由主机、采集板、测控电路及绞车外围控制电路组成；井下仪由超声换能器收发电路、步进电机控制电路组成，测量方位采用参考绳作为方位参考。井上仪由主机通过数字I/O控制继电器开关来控制绞车的上下行和停止，由测试电路以计数方式采集井深信号，控制井下仪测量，通过计数方式采集获取井径数值，并将井深与井径数值通过数字I/O接口构成的总线送回控制主机；其中反映了井下仪与参考绳的相对位置关系以及井下仪与井上仪之间的信号传输方式。

图3是本发明超声发射与接收电路的原理图；

如图所示：井下仪电路部分主要包括：超声发射电路、前置放大电路、信号处理电路、步进电机控制电路、信号驱动电路以及组合电源电路。超声发射电路的功能是在井上启动测量指令到达时产生中心频率为800kHz、峰值约550V的发射信号，驱动超声换能器发射超声信号；前置放大电路作为超声信号接收电路对由超声接收换能器接收到的信号进行初级放大，它由低噪声偏置予放电路、谐振放大电路及射极跟随器组成；其中调谐放大电路对信号进行选频放大，射极跟随器对输出进行阻抗变换以提高对后续电路的驱动能力。

图4是采用对数放大器抑制超声波起伏的效果图；

如图所示：波形1为原始信号，波形2为直接经中间放大器放大的信号，波形3为原始信号经对数放大器后的输出波形，波形4为经过对数放大器后再经中间放大器放大的信号。若电压比较器阈值电压为2V，则波形4的整形脉冲起始点为x0，波形1的整形脉冲起始点为x1，经对数放大后信号的时间精度明显提高。

图5是成井结果示意图；

如图所示：细直线为井下仪运行的轨迹，折线为不同水平截面圆心的轨迹，虚线为井口与井底圆心的连线，各个椭圆表示各横断面所测量井径绘制的近似圆，底部的图形为成井的通视图。

具体实施方式

本发明对照实施例作进一步说明。

实施方案：采用参考绳法，井口处的支架9上布设有井下仪1和参考绳2；其井下仪1与仪器车6的内置电缆绞车8与井上仪4的计算机5接口连接，记录其测量数据；其系有重锤3的参考绳2与仪器车6的内置参考绳绞车7连接，控制其升降；测量分步实施;

①针对深度900米、直径2.5m的含水竖井而设计，井下水压大，水质浑浊，水温变化大；

②设计采用分离结构，分为井上仪4和井下仪1，井上仪4与井下仪1通过铠装4芯双绞电缆连接，其中两根电缆为井下仪1输送220V交流电，另外两根电缆作为井上仪4与井下仪1之间通信的信号线；

③井上仪4的功能是控制井下仪1绞车8的运行和井下仪1的测量，并通过井下仪1绞车8的光电编码器测量井下仪1所处位置的深度；井下仪1主要由超声测距模块构成，其中,超声换能器由步进电机带动进行水平扫描测距，形成竖井各水平截面的几何图形；井上仪4根据各水平截面的图形及其深度，并通过参考绳2的定向数据，计算得到各部位的井斜和方位，以及其它成井参数。

④测量流程是: 井上仪4通过绞车控制仪控制绞车8下放（或上行），并由测量电路对绞车上的光电码盘脉冲信号进行计数以测得井深位置并反馈给主机5，在绞车8到预定深度停稳后，向井下仪1发出测试命令（发送一脉冲信号），同时通过光电编码器采集井下仪1所在位置的井深信号；井下仪1接到测试命令（脉冲信号）后，启动发射电路，发射超声波，进行水平方向的超声测距，同时向井上仪4发送一脉冲信号，由测试电路启动计数，以计算井径；待超声换能器接收到超声回波，再向井上测试电路发送停止计数脉冲信号，停止计数，同时控制步进电机前进一步，准备进行下一步测量；井上测试电路将井径计数值传至控制主机5，将计数值换算成实际值（绞车行进距离＝井深脉冲数×每个脉冲代表的绞车行进距离；井径＝脉冲数×脉冲周期×超声声速÷2）。

⑤根据每个水平断面的测量数据及其对应的深度数据可以绘制出图3所示的几何图形。根据图3绘制的结果计算出井斜、相应位置的偏心距、通视圆等参数。

模拟井标定结果见表1。

Figure 2011100228936100002DEST_PATH_IMAGE002

测量不确定度计算结果见表2。

本方法所述图3中，各水平面的近似圆为所测量井径绘制的图形，垂线为井下仪运行的轨迹，折线为计算出的不同水平截面圆心的轨迹，虚线为井口与井底圆心的连线。通过图3计算成井参数的公式为：

Claims

1.竖井几何参数测量方法，其特征在于：井上仪由主机、采集板、测控电路及绞车外围控制电路组成；井下仪由超声换能器收发电路、步进电机控制电路组成；采用参考绳法：井口处的支架（9）上布设有井下仪（1）和参考绳(2)；其井下仪（1）与仪器车（6）的内置电缆绞车（8）与井上仪（4）的计算机（5）接口连接，记录其测量数据；其系有重锤(3)的参考绳(2)与仪器车（6）的内置参考绳绞车（7）连接，调节其升降；其布控的电路协同测量的实施；

测量一组：将井下仪（1）置于井中，距测井仪50cm处，下放参考绳(2)使其垂直，当障碍物尺寸大于声波波长的1/2时，声波就会发生反射，得参考绳方位的测量结果，进而确定其实测的相对方位；

测量二组：辅助声速的测量，即利用参考绳(2)与井下仪（1）之间距离固定一声速，即可换算成实测方位的距离；

2.依据所述权利1的测量方法，其特征在于：参考绳(2)方位用超声法测得的距离为一固定值，此方位能在测量结果中获得。

3. 依据所述权利1的测量方法，其特征在于：参考绳(2)与井下仪（1）之间距离固定的声速，依据v=2s/t公式获得，将其换算成方位的距离。

4. 依据所述权利1的测量方法，其特征在于：选用的参考绳为电话的双绞线。

5. 依据所述权利1的测量方法，其特征在于：该法适宜深度为0-1000米、直径为1m-3m的含水竖井。