CN104502713A - 一种应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器，通过传感器探头对钻井液泥浆进行感应得到相应的电导率信号；传感器变送器模块对电导率信号进行处理得到相应的低电压信号；无线传输模块将低电压信号进行处理后向外部的接收终端发送；其中，通过电池向与之连接的所述无线传输模块供电，所述无线传输模块通过设置的供电控制单元进一步向与之连接的所述传感器变送器模块供电。本发明能够实时采集钻井液的电导率值信息，并将这些信息进行处理后发送到接收终端，实现对目标信息的监测，为井场钻录井工作提供重要依据。

Description

一种应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器

技术领域

本发明涉及石油钻录井勘探领域，具体涉及一种应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器。

背景技术

目前，石油钻录井现场大多采用有线方式进行传感器数据的采集和传输，但实际井场环境恶劣，铺设有线电缆受到井场设备的制约，安装拆卸工作量大，整个布线过程非常复杂，不利于现场灵活施工的需要，同时使得石油钻录井现场的传感器数据的采集和传输的成本非常高。因此，根据以上所述的现状，非常有必要提出一种应用在无线传输系统的低功耗传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器，能够实时采集钻井液的电导率值信息，并将这些信息进行处理后发送到接收终端，实现对目标信息的监测，为井场钻录井工作提供重要依据。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器，其包含：

传感器探头，对钻井液泥浆进行感应得到相应的电导率信号；

传感器变送器模块，接收所述传感器探头发送的电导率信号进行处理得到相应的低电压信号；

无线传输模块，接收所述传感器变送器模块发送的低电压信号进行处理后向外部的接收终端发送；

其中，通过电池向与之连接的所述无线传输模块供电，所述无线传输模块通过设置的供电控制单元进一步向与之连接的所述传感器变送器模块供电。

优选地，所述低电压信号是传感器输出的模拟电压信号。

优选地，所述传感器变送器模块包含第一单片机，和与该第一单片机连接的电源变换单元；所述电源变换单元还经由振荡分频电路连接所述传感器探头的驱动电路；

所述电源变换单元接收所述无线传输模块中供电控制单元提供的8.4V工作电源，该电源变换单元通过设置的双路精密单电源微功耗运放器输出+3V、+6V的直流稳压供电电源。

优选地，所述传感器变送器模块还包含与所述第一单片机连接的第一温度采集单元；

所述第一温度采集单元包含一体化设置在传感器探头内部作为温度传感器的热敏电阻，对钻井液的温度进行监测；

所述第一单片机接收该第一温度采集单元测得的温度信号进行模数/数模转换，并对被测温度下钻井液的电导率进行温度校正，补偿到钻井液25℃时的电导率值。

优选地，所述传感器变送器模块还包含分别与所述第一单片机、传感器探头连接的滤波放大单元；

所述滤波放大单元通过设置依次连接的预放模块、解调器和运算放大器，对传感器探头次级线圈感应到的信号进行整形、放大处理；

所述第一单片机接收该滤波放大单元输出的信号进行模数/数模转换输出对应的低电压信号。

优选地，所述传感器变送器模块还包含显示单元，其基于所述第一单片机内部的I2C总线进行电导率传感器与显示单元的通讯，通过所述显示单元来显示电导率值。

优选地，所述无线传输模块包含第二单片机，和与之连接的电源单元；

所述电源单元包含与电池连接的DC/DC电源变换电路，和与该DC/DC电源变换电路连接的低压差线性温度电源变换电路，对电池电压进行处理后向无线传输模块供电；

所述电池包含太阳能电池，和串联的若干节可充电锂电池。

优选地，所述供电控制单元分别与第二单片机和传感器变送器模块连接，根据从第二单片机处接收的指令，控制向所述传感器变送器模块提供的工作电源的通断，以使该传感器变送器模块处于工作模式或者休眠模式；

所述供电控制单元包含MOSFET管和三极管，所述MOSFET管的漏极连接传感器变送器模块，栅极通过第一电阻R1连接三极管的集电极；

所述三极管根据第二单片机输出的控制信号为高电平而导通，以使所述MOSFET管的源极和漏极导通，进而向传感器变送器模块输送工作电压，使其处于工作模式；

所述第二单片机输出控制信号为低电平时，该三极管不导通，该MOSFET管不向传感器变送器模块提供工作电源，使其处于休眠模式。

优选地，所述无线传输模块还包含分别与所述第二单片机连接的A/D采样单元、无线通信单元；

所述A/D采样单元对传感器变送器模块输出的低电压信号采集处理后传输给第二单片机进行解析处理，所述无线通信单元从第二单片机处接收解析后的低电压信号并发送给外部的接收终端。

优选地，所述无线传输模块还包含分别与所述第二单片机连接的时间采集单元、第二温度采集单元；

所述时间采集单元采用I2C总线与第二单片机进行数据的双向通讯，实时检测当前时间；

所述第二温度采集单元采用SPI总线与第二单片机进行数据的双向通讯，实时采集无线传输模块的温度信息；

所述无线通信单元27从第二单片机处，接收所述时间采集单元采集的时间信息，所述第二温度采集单元采集的温度信息，和所述A/D采样单元采集电池的电量信息，发送给外部的接收终端。

综上所述，本发明提供的应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器中，由探头感应到的泥浆电导率信号传送给传感器变送器模块，通过传感器变送器模块的处理后输出相应的低功耗电压信号并将此信号传送给无线传输模块，通过无线传输模块处理发送给接收终端。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明设计的低功耗电导率传感器输出电压为1-2.5V，耗电电流小于等于3mA，可以很大程度地提高仪表的可靠性，保证钻录井质量。

本发明能实时采集钻井液的电导率值，并将电导率传感器的输出电压信号进行处理、发送到接收终端，达到对钻井液电导率的实时监测，为井场钻录井工作提供重要依据。

本发明无需通过井场布线，减少了为进行传感器信息采集、传输而进行的大量准备工作，提高了石油钻录现场的工作效率，降低了工作成本。

附图说明

图1为本发明一种应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器的结构框图。

图2为本发明一种应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器的传感器变送器模块的原理框图。

图3为本发明一种应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器的无线传输模块的原理框图。

图4为本发明一种应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器的无线传输模块中的供电控制单元21的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器，包含：传感器探头16（图2）；传感器变送器模块10；无线传输模块20。通过可充电锂电池和太阳能电池30给所述无线传输模块20供电，该无线传输模块20内的供电控制单元21经过单片机的控制再向所述传感器变送器模块10供电。所述传感器探头16针对不同电导率的泥浆感应到对应的信号，所感应到的电导率信号通过传感器变送器模块10处理后，输出相应的低功耗电压信号给无线传输模块20，再通过无线传输模块20处理后提供传感器输出信号给外部的接收终端。

如图2所示，所述的传感器变送器模块10，包含：第一单片机11，及分别与之连接的电源变换单元12、滤波放大单元13、第一温度采集单元14和显示单元15。

其中，所述的第一单片机11采用ADUC816单片机。

所述电源变换单元12连接第一单片机11，另外还经由振荡分频电路连接所述传感器探头16的驱动电路。该电源变换单元12接收无线传输模块20中供电控制单元21提供的8.4V电源，供电导率传感器正常工作；该电源变换单元12通过双路精密单电源微功耗运放器（例如TLC27L2集成芯片）转换和线性变换，输出+3V、+6V的直流稳压，为系统提供稳定的供电电源。

所述第一温度采集单元14包含热敏电阻，该热敏电阻被一体化设置在传感器探头16内部作为温度传感器，用于监测钻井液的温度，其输出端连接到第一单片机11进行ADC和DAC（模数/数模）转换，由第一单片机11对被测温度下钻井液的电导率进行温度校正，补偿到该钻井液25℃时的电导率值。

所述滤波放大单元13与传感器探头16连接，通过设置依次连接的预放模块、解调器和运算放大器，对探头16次级线圈感应到的对应幅值的同频率信号进行整形、放大处理后，送至第一单片机11进行ADC和DAC转换，由第一单片机11输出对应的模拟电压信号，并取对应实时温度的电压信号。

所述显示单元15，基于第一单片机11（ADUC816）内部两线制I2C总线，来进行电导率传感器与显示单元15的通讯。本例中最后通过LCD来显示电导率值，同时转换为模拟电压信号输出。

如图3所示，所述的无线传输模块20，包含：第二单片机22，分别与之连接的电源单元23、供电控制单元21、时间采集单元24、A/D采样单元25、第二温度采集单元26、无线通信单元27。

所述第二单片机22采用PIC XLP系列的单片机。

所述电源单元23与电池连接，所述电池包含太阳能电池和串联的3节3.6V可充电锂电池。电池的型号为18650A。晴天时太阳能电池供给无线传输模块20电源使整个系统正常工作，并且可以由太阳能电池给可充电锂电池充电；阴天时太阳能电池不能正常工作则由可充电锂电池给无线传输模块20供电使整个系统正常工作。

该电源单元23包含与电池连接的DC/DC电源变换电路，和与该DC/DC电源变换电路连接的低压差线性温度电源变换电路，对电池电压处理后给无线传输模块20提供稳定的供电电源。电池电压通过该电源单元23、第二单片机22及供电控制单元21进一步为所述传感器变送器模块10提供工作电源。

所述供电控制单元21根据第二单片机22指令，控制向传感器变送器模块10供给工作电压的通断，以使电导率传感器处于工作模式或者休眠模式（下文会详细描述）。

所述时间采集单元24采用内置集成电路总线I2C总线与第二单片机22进行数据的双向通讯；该时间采集单元24实时采集当前时间，将无线传输模块20的时间坐标传至接收终端，为后续的数据追溯提供依据。此单元使用的芯片为PCF8583T。

所述第二温度采集单元26采用串行外设接口总线SPI总线与第二单片机22进行数据的双向通讯；该第二温度采集单元26实时采集无线传输模块20的温度信息，为用户提供准确的工况信息。此单元使用的芯片为ADT7301。

所述A/D采样单元25采集电池的电量信息传输到第二单片机22进行分析处理；该A/D采样单元25还通过对传感器变送器模块10采集并处理电导率传感器输出的模拟电压信号传输至第二单片机22进行解析处理。此单元使用的AD公司16bit低功耗芯片。

所述无线通信单元27将第二单片机22转换后的传感器输出信号、可充电锂电池电量信息、无线传输模块20的温度信息发送给接收终端。此单元使用的型号为SK-JRC。

本发明所述应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器，为实现低功耗设计要求，该电导率传感器具有二种模式状态，分别为：工作模式和休眠模式。其中，休眠模式的功耗最小，工作模式的功耗较大。两种模式的切换操作，通过供电控制单元21实现。

如图4所示的供电控制单元21中，MOSFET管（金属氧化物半导体场效应管）的栅极和源极之间连接有第二电阻R2，该MOSFET管的漏极连接传感器变送器模块10，栅极通过第一电阻R1连接三极管的集电极，该三极管的发射极接地。当第二单片机22输出控制信号为高电平时，供电控制单元21中的三极管导通进而使MOSFET管的源极和漏极导通，向传感器变送器模块10输送8.4V电源，使其处于工作模式；当第二单片机22输出控制信号为低电平时，该三极管不导通，而使MOSFET管源极和漏极的压差不满足阈值要求，因此不会向传感器变送器模块10提供工作电压，使传感器处于休眠模式。

综上所述，本发明公开了一种应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器，能够实时采集泥浆中的电导率信号，并将这些信息进行处理后，直接通过显示屏来读取电导率值，并将此电导率值通过无线传输模块发送给接收终端，实现对目标信息的实时监测，为井场钻录井工作提供重要依据。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种应用在无线传输系统的低功耗电导率传感器，其特征在于，包含：

传感器探头（16），对钻井液泥浆进行感应得到相应的电导率信号；

传感器变送器模块（10），接收所述传感器探头（16）发送的电导率信号进行处理得到相应的低电压信号；

无线传输模块（20），接收所述传感器变送器模块（10）发送的低电压信号进行处理后向外部的接收终端发送；

其中，通过电池向与之连接的所述无线传输模块（20）供电，所述无线传输模块（20）通过设置的供电控制单元（21）进一步向与之连接的所述传感器变送器模块（10）供电。

2.如权利要求1所述的低功耗电导率传感器，其特征在于，

所述低电压信号是传感器输出的模拟电压信号。

3.如权利要求1或2所述的低功耗电导率传感器，其特征在于，

所述传感器变送器模块（10）包含第一单片机（11），和与该第一单片机（11）连接的电源变换单元（12）；所述电源变换单元（12）还经由振荡分频电路连接所述传感器探头（16）的驱动电路；

所述电源变换单元（12）接收所述无线传输模块（20）中供电控制单元（21）提供的8.4V工作电源，该电源变换单元（12）通过设置的双路精密单电源微功耗运放器输出+3V、+6V的直流稳压供电电源。

4.如权利要求3所述的低功耗电导率传感器，其特征在于，

所述传感器变送器模块（10）还包含与所述第一单片机（11）连接的第一温度采集单元（14）；

所述第一温度采集单元（14）包含一体化设置在传感器探头（16）内部作为温度传感器的热敏电阻，对钻井液的温度进行监测；

所述第一单片机（11）接收该第一温度采集单元（14）测得的温度信号进行模数/数模转换，并对被测温度下钻井液的电导率进行温度校正，补偿到钻井液25℃时的电导率值。

5.如权利要求3所述的低功耗电导率传感器，其特征在于，

所述传感器变送器模块（10）还包含分别与所述第一单片机（11）、传感器探头（16）连接的滤波放大单元（13）；

所述滤波放大单元（13）通过设置依次连接的预放模块、解调器和运算放大器，对传感器探头（16）次级线圈感应到的信号进行整形、放大处理；

所述第一单片机（11）接收该滤波放大单元（13）输出的信号进行模数/数模转换输出对应的低电压信号。

6.如权利要求3所述的低功耗电导率传感器，其特征在于，

所述传感器变送器模块（10）还包含显示单元（15），其基于所述第一单片机（11）内部的I2C总线进行电导率传感器与显示单元（15）的通讯，通过所述显示单元（15）来显示电导率值。

7.如权利要求1或2所述的低功耗电导率传感器，其特征在于，

所述无线传输模块（20）包含第二单片机（22），和与之连接的电源单元（23）；

所述电源单元（23）包含与电池连接的DC/DC电源变换电路，和与该DC/DC电源变换电路连接的低压差线性温度电源变换电路，对电池电压进行处理后向无线传输模块（20）供电；

所述电池包含太阳能电池，和串联的若干节可充电锂电池。

8.如权利要求7所述的低功耗电导率传感器，其特征在于，

所述供电控制单元（21）分别与第二单片机（22）和传感器变送器模块（10）连接，根据从第二单片机（22）处接收的指令，控制向所述传感器变送器模块（10）提供的工作电源的通断，以使该传感器变送器模块（10）处于工作模式或者休眠模式；

所述供电控制单元（21）包含MOSFET管和三极管，所述MOSFET管的漏极连接传感器变送器模块（10），栅极通过第一电阻R1连接三极管的集电极；

所述三极管根据第二单片机（22）输出的控制信号为高电平而导通，以使所述MOSFET管的源极和漏极导通，进而向传感器变送器模块（10）输送工作电压，使其处于工作模式；

所述第二单片机（22）控制信号为低电平时，该三极管不导通，该MOSFET管不向传感器变送器模块（10）提供工作电源，使其处于休眠模式。

9.如权利要求7所述的低功耗电导率传感器，其特征在于，

所述无线传输模块（20）还包含分别与所述第二单片机（22）连接的A/D采样单元（25）、无线通信单元（27）；

所述A/D采样单元（25）对传感器变送器模块（10）输出的低电压信号采集处理后传输给第二单片机（22）进行解析处理，所述无线通信单元（27）从第二单片机（22）处接收解析后的低电压信号并发送给外部的接收终端。

10.如权利要求7所述的低功耗电导率传感器，其特征在于，

所述无线传输模块（20）还包含分别与所述第二单片机（22）连接的时间采集单元（24）、第二温度采集单元（26）；

所述时间采集单元（24）采用I2C总线与第二单片机（22）进行数据的双向通讯，实时检测当前时间；

所述第二温度采集单元（26）采用SPI总线与第二单片机（22）进行数据的双向通讯，实时采集无线传输模块（20）的温度信息；

所述无线通信单元27从第二单片机（22）处，接收所述时间采集单元（24）采集的时间信息，所述第二温度采集单元（26）采集的温度信息，和所述A/D采样单元（25）采集电池的电量信息，发送给外部的接收终端。