CN103808367A

CN103808367A - 一种地下测量供电和通信装置

Info

Publication number: CN103808367A
Application number: CN201410070718.8A
Authority: CN
Inventors: 付国红; 朱德兵; 程辉
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: CN103808367B

Abstract

本发明公开了一种地下测量供电和通信装置。本发明的技术要点是：它包括安装于地面之上的地面供电系统和信号接收系统，安装于地面之下的地下测控系统，以及连接地面供电系统和信号接收系统与地下测控系统之间的单根绝缘导线；地下测控系统安装在一个绝缘防水封闭的外壳内，地下测控系统的接地端从外壳引出后接地，从外壳引出地下测控系统的另一接线端与所述单根绝缘导线地下端的线芯连接；地面供电系统包括一直流电源，该直流电源的正极接地，负极通过所述信号接收系统连接到单根绝缘导线地面端的线芯上。本发明原理简单、成本低廉、实施容易、可靠性较高，适用于地下、水下、井下、井中小功率测控系统的长期供电和波特率不太高的数据通信。

Description

一种地下测量供电和通信装置

技术领域

本发明属于地下测量系统技术领域，具体涉及一种地下测量供电和通信装置。

背景技术

目前，地下测量系统通常采用电池供电，或经2根或多根电缆组成供电回路供电，另外还需要通信电缆或光缆进行通信。具体来说，需要地下测控系统长时间工作的时候，传统方法主要存在以下几方面的问题：

（1）采用电池供电时工作时间受电池容量限制，更换电池也不方便，难以保证长时间或长期的地下或水下测量系统的工作需要；

（2）采用输电线连接地面直流电源对地下测量系统供电时，需要采用2根或多根供电电缆对地下测量装置供电；

（3）测量所得数据从地下上传到地面常常还需要另外增加通信电缆用于信号传送，所需使用的电缆成倍增加；

（4）特别是在一些量大面广的地下测量装置或在对较深地下或水下的测量装置供电和通信时，多条电缆的应用会使系统成本快速上升、可靠性降低、实用性变差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种原理简单、成本低廉、实施容易、可靠性较高的地下测量供电和通信装置。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该地下测量供电和通信装置，它包括安装于地面之上的地面供电系统和信号接收系统，安装于地面之下的地下测控系统，以及连接地面供电系统和信号接收系统与地下测控系统之间的单根绝缘导线；所述地下测控系统安装在一个绝缘防水封闭的外壳内，地下测控系统的接地端从外壳引出后接地，从外壳引出地下测控系统的另一接线端与所述单根绝缘导线地下端的线芯连接；所述地面供电系统包括一直流电源，该直流电源的正极接地，负极通过所述信号接收系统连接到单根绝缘导线地面端的线芯上；所述地面直流电源正极输出的电流，经大地传导，连接到地下测控系统的接地端，经过地下测控系统的电路，连接到连接地下与地面的单根绝缘导线、信号接收系统，回到地面直流电源的负极，组成地面直流电源对地下测量系统供电和地下测量数据上传的闭合回路。

具体地说，所述信号接收系统包括一个电流取样电阻Rs，电流取样电阻Rs串联在直流电源的负极与单根绝缘导线地面接线端的供电回路上；同时，电流取样电阻Rs与放大整形电路相连，放大整形电路与单片机相连，单片机分别与液晶显示器、存储器、通信电路相连接。

具体地说，所述地下测控系统包括一个调节电阻Rp、一个电容C与隔离稳压电源输入端的并联电路，该并联电路的下端与地下测控系统的接地端连接，该并联电路的上端再与一个二极管D的阳极连接，该二极管的阴极连接到单根绝缘导线的线芯上；所述二极管D的两端与信号驱动电路连接，信号驱动电路与单片机连接，单片机分别与各个传感器连接；所述隔离稳压电源的上端输出端分别与信号驱动电路和单片机连接，用于提供信号驱动电路和单片机的工作电源。

更进一步，所述信号驱动电路包括信号输入端的两个电阻与二极管的并联电路，两个电阻与二极管并联电路的输出端分别连接到两个互补场效应管的栅极，再在一个二极管的阴极相对于阳极加载由场效应放大后的正极性的信号电流输出。

本发明的工作原理及过程是：本发明的地面装置（地面供电系统和信号接收系统）和地下装置（地下测控系统）之间利用共地导电通路和1根绝缘导线（单根绝缘导线）组成连接地面装置与地下装置的供电和通信回路；电流从地面直流电源正极出发经大地传导，由地下装置接地端引入到地下装置内部并与地下装置的调节电阻Rp、电容C、隔离稳压电源输入端三者并联的电路串联，再经二极管D、连接地下与地面的单根绝缘导线、电流取样电阻Rs后连接到地面电源负极，形成地下测控系统的供电及用于信号上传的通信回路，电流流经地下测控装置的Rp、C、隔离稳压电源输入端三者并联的电路引起的电压降，经隔离稳压电源稳压后对地下测量装置供电。调节电阻Rp用于调节调节电阻Rp、电容C与隔离稳压电源输入端三者并联电路的交流特性和直流特性，减小电容C和隔离稳压电源的输入端对通信信号相位的影响，对单根绝缘导线地下供电与通信回路中的最小直流电流起调节作用。当Rp与隔离稳压电源等效输入电阻并联的电阻大于地面与地下之间的单导线供电回路其他各个部分串联电阻时，直流电源电压大部分降落在Rp与隔离稳压电源等效输入电阻并联的电路上，这样对地下装置供电的效率较高，地下装置的隔离稳压电源可以稳压输出供地下测量装置工作的电源。地下测量装置获得的温度、压力等数据，经单片机编码输出单极性数字信号，再经信号驱动电路驱动后，在二极管D的阴极对阳极加载正极性数字信号电流，形成叠加在的地下测量装置供电回路上的信号电流，地面装置电路中串联在地面至地下供电回路上的电流取样电阻Rs，对回路电流采样，经放大整形和单片机信号处理后得到地下测量装置上传的测量数据信息，供存储、显示或者经（有线或无线）网络传送出去。本发明广泛适用于地下、水下、井下、井中小功率测控系统的长期供电和波特率不太高的数据通信。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明仅采用1根绝缘导线，并利用大地的传导形成闭合回路，对地下测量装置供电，同时可将地下测量装置获取的数据传送到地面上来；

（2）本发明避免了地下测量装置采用电池供电时供电时间短、更换不方便等的诸多局限，提供了一种可行的长时间供电方法，地面电路的维护简便；

（3）本发明共用1根供电导线，由地下测量装置向地面传送数据，避免了常规有线通信需要2根或多根电缆传输数据的不足，原理简单，成本低廉。

附图说明

图1是本发明实施例的整体原理结构框图。

图2为本发明实施例的信号驱动电路原理图。

图3为本发明实施例的地下测量装置上传数据时的输出波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，本实施例包括安装于地面之上的地面供电系统和信号接收系统，安装于地面之下的地下测控系统，以及连接地面供电系统和信号接收系统与地下测控系统之间的单根绝缘导线1。从图1中可见，地面供电系统包括直流电源3，直流电源3的正极接地，负极通过信号接收系统连接到单根绝缘导线1上端的线芯2上；信号接收系统包括电流取样电阻Rs，电流取样电阻Rs的上端连接在直流电源3的负极上，下端连接到单根绝缘导线1上端的线芯2上；同时，电流取样电阻Rs与放大整形电路相连，放大整形电路与单片机相连，单片机分别与液晶显示器、存储器、通信电路相连接。从图1中还可见，地下测控系统包括调节电阻Rp、电容C与隔离稳压电源输入端的并联电路，该并联电路的下端与地下测控系统的接地端连接，该并联电路的上端再与二极管D的阳极连接，二极管D的阴极连接到单根绝缘导线1下端的线芯2上；二极管D的两端与信号驱动电路连接，信号驱动电路与单片机连接，单片机分别与传感器1至传感器n连接；隔离稳压电源的上端输出端分别与信号驱动电路和单片机连接；地下测控系统安装在一个绝缘防水封闭的外壳内，地下测控系统的接地端从外壳引出后接地，各传感器与单片机和信号电驱动电路组成地下测量装置。地面直流电源3正极输出的电流，经大地传导，连接到地下测控系统的接地端，经过地下测控系统的电路，连接到地面地下的单根绝缘导线1、信号接收系统，回到地面直流电源3的负极，组成地面直流电源3对地下测量系统供电和地下测量数据上传的闭合回路。

本发明为保证对地下测量装置良好的供电效果，有以下几项要求：（1）地面装置、地下装置应良好接地，使得整个地下装置的单导线供电回路总电阻比较小，以获得较大的对地下测量装置供电的电流；（2）Rp与隔离稳压电源输入端并联的等效电阻R _并在整个单导线供电回路总电阻R _回中的占比应较大，以获得较高的供电效率；（3）地下测量装置应采用低功耗的电路设计方案进行设计，减少地下测量装置工作时的电源消耗。

参见图2，为本发明的地下测量装置输出数据信号时的矩形波驱动电路原理图。单片机串口输出数据信号的输出电流小，驱动能力弱，经互补场效应管QA、QB进行电流放大后，在二极管D的阴极相对于阳极加载正极性的信号电流，当输出的信号电平为高电平时，二极管D阴极电平比二极管阳极高3V左右，该电平与地面直流电源同相串联，使单导线供电回路中的电流增加；输出信号电平为低电平时，单导线供电回路中的电流仅由地面直流电源提供，电流较小，这样地下测量装置输出数据信息的矩形电压信号，转变成叠加在单导线直流供电回路中的矩形电流信号。

参见图3，为本发明的地下测量装置上传数据时的输出波形示意图。地下测量装置的上传信号经信号驱动电路驱动后，在二极管阴极得到正极性的信号输出波形，用于上传地下测量装置检测到的数据，波形输出为高电平时，二极管Ｄ反向偏置截止，输出的信号电平在地下测量装置的单导线供电回路中与地面测量装置的直流电源同相串联，回路中电流增大；波形输出为低电平时，地下测量装置的单导线供电回路中的电流较小，电流取样电阻Rs可以检测到包含地下输出数据的电流信号，并转变成电压信号输出，供地面信号接收系统接收。

必须指出，上述实施例只是本发明的一种实现方式，不能据此限定本发明的保护的范围，其他等同电路仍属本发明的保护范围。

Claims

1.一种地下测量供电和通信装置，其特征在于：它包括安装于地面之上的地面供电系统和信号接收系统，安装于地面之下的地下测控系统，以及连接地面供电系统和信号接收系统与地下测控系统之间的单根绝缘导线；所述地下测控系统安装在一个绝缘防水封闭的外壳内，地下测控系统的接地端从外壳引出后接地，从外壳引出地下测控系统的另一接线端与所述单根绝缘导线地下端的线芯连接；所述地面供电系统包括一直流电源，该直流电源的正极接地，负极通过所述信号接收系统连接到单根绝缘导线地面端的线芯上；所述地面直流电源正极输出的电流，经大地传导，连接到地下测控系统的接地端，经过地下测控系统的电路，连接到连接地下与地面的单根绝缘导线、信号接收系统，回到地面直流电源的负极，组成地面直流电源对地下测量系统供电和地下测量数据上传的闭合回路。

2.根据权利要求1所述地下测量供电和通信装置，其特征在于：所述信号接收系统包括一个电流取样电阻Rs，电流取样电阻Rs串联在直流电源的负极与单根绝缘导线地面接线端的供电回路上；同时，电流取样电阻Rs与放大整形电路相连，放大整形电路与单片机相连，单片机分别与液晶显示器、存储器、通信电路相连接。

3.根据权利要求1或2所述地下测量供电和通信装置，其特征在于：所述地下测控系统包括一个调节电阻Rp、一个电容C与隔离稳压电源输入端的并联电路，该并联电路的下端与地下测控系统的接地端连接，该并联电路的上端再与一个二极管D的阳极连接，该二极管的阴极连接到单根绝缘导线的线芯上；所述二极管D的两端与信号驱动电路连接，信号驱动电路与单片机连接，单片机分别与各个传感器连接；所述隔离稳压电源的上端输出端分别与信号驱动电路和单片机连接。

4.根据权利要求3所述地下测量供电和通信装置，其特征在于：所述信号驱动电路包括信号输入端的两个电阻与二极管的并联电路，两个电阻与二极管并联电路的输出端分别连接到两个互补场效应管的栅极，再在一个二极管的阴极相对于阳极加载由场效应放大后的正极性的信号电流输出。