CN105863620A - 矿用智能型电磁波随钻测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿用智能型电磁波随钻测量系统，包括通过电磁波传输的孔口装置和孔中传输装置；所述孔口装置的电源分别连接孔口收发模块、噪声分析模块、孔口CPU模块、工控机及显示模块；所述孔口天线两端分别连接孔口收发模块，所述孔口收发模块、噪声分析模块、工控机及显示模块均与孔口CPU模块连接；所述孔中传输装置包括电磁波无线传输模块；所述电磁波无线传输模块包括电池、智能电源管理模块、孔中天线、孔中收发模块、孔中CPU模块；所述智能电源管理模块与电池、孔中收发模块、孔中CPU模块连接，所述孔中收发模块分别与孔中CPU模块和孔中天线连接。本发明能够在孔口设定调频、调相、扩频等调制方式，并将命令下发给孔中装置。
Description
技术领域
本发明属于煤矿井下随钻测量技术领域，具体涉及一种矿用智能型电磁波随钻测量系统。
背景技术
为保证煤矿安全高效开采，通常在煤矿井下需要施工大量的瓦斯抽采钻孔和探放水孔，为了提高钻孔质量减低钻探成本，随钻测量系统开始应用于煤矿井下的各种定向钻机，用来实时测量钻孔轨迹，以指导钻孔的设计与施工。目前煤矿井下随钻测量仍采用有线方式将测量的姿态数据传输到孔口，采用特制的通缆钻杆来构成传输通道，而通缆钻杆的加工工艺复杂、成本昂贵，且其传输质量受接头处密封状况的影响较大。
现有的无线随钻测量技术常用泥浆脉冲构成传输通道，而泥浆脉冲随钻测量技术不适合于空气、泡沫和非平衡钻进，传输速率低且只能单向通讯。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种矿用智能型电磁波随钻测量系统。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种矿用智能型电磁波随钻测量系统，该系统包括通过电磁波传输的孔口装置和孔中传输装置；
所述孔口装置包括电源、孔口天线、孔口收发模块、噪声分析模块、孔口CPU模块、工控机及显示模块；
所述电源分别连接孔口收发模块、噪声分析模块、孔口CPU模块、工控机及显示模块；所述孔口天线两端分别连接孔口收发模块，所述孔口收发模块、噪声分析模块、工控机及显示模块均与孔口CPU模块连接；
所述孔中传输装置包括电磁波无线传输模块；
所述电磁波无线传输模块包括电池、智能电源管理模块、孔中天线、孔中收发模块、孔中CPU模块；
所述智能电源管理模块与电池、孔中收发模块、孔中CPU模块连接，所述孔中收发模块分别与孔中CPU模块和孔中天线连接。
上述方案中，所述电磁波无线传输模块的孔中CPU模块和智能电源管理模块均与配套的孔中仪器连接。
上述方案中，所述孔中天线为偶极子天线，发射极距不小于40cm。
上述方案中，所述孔中传输装置还包括测斜模块，所述测斜模块包括电源、三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器、第一信号调理电路、第二信号调理电路、多路A/D转换器、微处理器和测斜通讯模块；
所述电源与电磁波无线传输模块的智能电源管理模块连接，经过升压、降压和LDO稳压后供给三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器、第一信号调理电路、第二信号调理电路、多路A/D转换器、微处理器和测斜通讯模块；所述三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器分别通过第一信号调理电路、第二信号调理电路与多路A/D转换器连接，所述多路A/D转换器与微处理器连接；所述测斜通讯模块与电磁波无线传输模块的传输通讯模块连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1）孔中智能电源管理，能根据孔中装置旋转、滑动、振动、压力等状态及参数判断钻机是否钻进，从而实现孔中装置和配套测量仪器的电源管理，达到延长系统续航时间的目的；
2）孔口噪声实时分析，对孔口噪声频谱、幅度等实时测量，将命令下发给孔中装置，改变其发射频率，从而躲开孔口干扰频段；
3）可变的信号调制方式，可以在孔口设定调频、调相、扩频等调制方式，并将命令下发给孔中装置；
4）发射功率、频率智能调节，孔口装置能根据钻进距离改变发射功率和频率，并将命令下发给孔中装置，钻进距离近，设置为小功率高频率，降低功耗，提高数据传输速率；钻进距离远，设置为大功率低频率，提高传输距离。
5）系统传输速率不小于50bps，石油行业已有的电磁波无线传输系统传输速率小于20bps。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种矿用智能型电磁波随钻测量系统的系统框图；
图2为本发明实施例2提供的一种矿用智能型电磁波随钻测量系统的系统框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
本发明实施例提供一种矿用智能型电磁波随钻测量系统，如图1所示，该系统包括通过电磁波传输的孔口装置1和孔中传输装置2；
所述孔口装置1包括电源11、孔口天线12、孔口收发模块13、噪声分析模块14、孔口CPU模块15、工控机及显示模块16；
所述电源11包括便携式的本安电源和固定式的隔爆兼本安电源，将可充电电池组或煤矿井下工业用电经过隔离升压或降压，LDO稳压和两级限压限流后分别供给孔口收发模块13、噪声分析模块14、孔口CPU模块15、工控机及显示模块16；所述孔口天线12两端分别连接孔口收发模块13，所述孔口收发模块13、噪声分析模块14、工控机及显示模块16均与孔口CPU模块15连接；
所述孔口收发模块13将孔中传输装置2传来的电磁波信号通过孔口天线12转换为电信号，经放大、滤波后进行数模转化，数模转换后的数字信号送入孔口CPU模块15进行处理。
所述孔口收发模块13将孔口指令数据进行编码后，经调制送入电压放大电路和功率驱动电路，通过孔口天线12辐射到钻杆和地层中。
所述噪声分析模块14在发送孔口指令前接收孔口噪声，并对噪声频谱、幅度进行测量，将测量结果送入孔口CPU模块15进行分析。
所述孔口CPU模块15由FPGA模块、DSP模块、32位ARM模块及485通讯模块组成；主要完成以下三项任务：一是将孔口收发模块13送入的接收数字信号进行解调和译码等工作得到孔中测量的参数、数据，这些数据通过485接口传给工控机及显示模块16进行处理、存储和显示；二是以当前钻进距离确定孔口收发模块13的发射中心频率和发射功率，原则为钻进距离近，设置为小功率高频率，降低功耗，提高数据传输速率；钻进距离远，设置为大功率低频率，提高传输距离。三是对噪声分析模块14送入的测量值进行分析，根据孔口噪声的大小、频率范围等特点，综合钻进距离情况确定孔中无线传输装置2的调制方式、中心频率、发射功率等参数，提高发射效率、降低功耗、躲开孔口干扰频段。并将这些参数传给主控ARM，由ARM将这些参数与读数指令打包成下发指令，传给孔口收发模块13。
所述工控机及显示模块16是系统的人机交互平台，用于工程参数设置，孔中测量数据的处理、显示、存储及孔口命令的下达。
所述孔中传输装置2包括电磁波无线传输模块21；
所述电磁波无线传输模块21包括电池211、智能电源管理模块212、孔中天线213、孔中收发模块214、孔中CPU模块215；
所述智能电源管理模块212与电池211、孔中收发模块214、孔中CPU模块215连接，所述孔中收发模块214分别与孔中CPU模块215和孔中天线213连接。
所述电磁波无线传输模块21的孔中CPU模块215和智能电源管理模块212均与配套的孔中仪器连接。
所述智能电源管理模块212与电池211、孔中收发模块214和孔中CPU模块215连接，搭载了加速度传感器、振动传感器和压力传感器，能根据孔中装置旋转、滑动、振动、压力等状态及参数判断钻机是否钻进，从而实现孔中传输装置2和配套测量仪器的电源管理。
所述孔中天线23为偶极子天线，采用特殊的结构设计与材料选择实现了天线两端的隔离与绝缘，发射极距不小于40cm。
所述孔中收发模块214将孔口装置1发来的电磁波信号通过孔中天线213转换为电信号，经放大、模拟滤波、再放大后送入孔中CPU模块215进行处理。
所述孔中收发模块214将配套的孔中测量仪器测量的数据调制成为电磁波信号，经电压、功率放大后由孔中天线213辐射到钻杆和地层中，调制方式有FSK、PSK、脉冲调制和扩频调制等四种。
所述孔中CPU模块215由FPGA模块、32位ARM模块及隔离485通讯模块组成；主要完成以下两项任务：一是将孔中收发模块214送入的信号进行模数转换及数字滤波，滤波后的信号送入ARM处理器进行解调、译码等处理。二是ARM处理器根据接收到的井口指令去读取孔中测量仪器测量的数据，选取调制方式及中心频率后交由孔中收发模块214处理，隔离485通讯模块负责与配套的孔中测量仪器之间的通讯。
本发明配套孔中任一种或多种测量仪器使用，如压力检测传感器、温度传感器、测斜探管、自然伽马测井探管、电阻率测井探管及声波测井探管等，将这些仪器的测量值通过电磁波的方式无线传输至孔口显示处理。
实施例2：
本发明实施例还提供一种矿用智能型电磁波随钻测量系统，如图2所示，该系统包括通过电磁波传输的孔口装置1和孔中传输装置2；
所述孔口装置1包括电源11、孔口天线12、孔口收发模块13、噪声分析模块14、孔口CPU模块15、工控机及显示模块16；
所述电源11包括便携式的本安电源和固定式的隔爆兼本安电源，将可充电电池组或煤矿井下工业用电经过隔离升压或降压，LDO稳压和两级限压限流后分别供给孔口收发模块13、噪声分析模块14、孔口CPU模块15、工控机及显示模块16；所述孔口天线12两端分别连接孔口收发模块13，所述孔口收发模块13、噪声分析模块14、工控机及显示模块16均与孔口CPU模块15连接；
所述孔口收发模块13实现两个任务，一是将孔中装置2传来的电磁波信号通过孔口天线12转换为电信号，经放大、滤波后进行数模转化，数模转换后的数字信号送入孔口CPU模块15进行处理；二是将孔口指令数据进行编码后，经调制送入电压放大电路和功率驱动电路，通过孔口天线12辐射到钻杆和地层中。
所述噪声分析模块14在发送孔口指令前接收孔口噪声，并对噪声频谱、幅度进行测量，将测量结果送入孔口CPU模块15进行分析。
所述孔口CPU模块15由FPGA模块、DSP模块、32位ARM模块及485通讯模块组成。主要完成以下三项任务：一是将孔口收发模块13送入的接收数字信号进行解调和译码等工作得到孔中测量的钻孔姿态数据及温度、电量等仪器参数，这些数据通过485接口传给工控机及显示模块16进行处理、存储和显示；二是以当前钻进距离确定孔口收发模块13的发射中心频率和发射功率，原则为钻进距离近，设置为小功率高频率，降低功耗，提高数据传输速率；钻进距离远，设置为大功率低频率，提高传输距离。三是对噪声分析模块14送入的测量值进行分析，根据孔口噪声的大小、频率范围等特点，综合钻进距离情况确定孔中装置2的调制方式、中心频率、发射功率等参数，提高发射效率、降低功耗、躲开孔口干扰频段。并将这些参数传给主控ARM，由ARM将这些参数与读数指令打包成下发指令，传给孔口收发模块13。
所述工控机及显示模块16是系统的人机交互平台，用于工程参数设置，孔中测量数据的处理、显示、存储及孔口命令的下达。
所述孔中传输装置2包括电磁波无线传输模块21和测斜模块22；
所述电磁波无线传输模块21包括电池211、智能电源管理模块212、孔中天线213、孔中收发模块214、孔中CPU模块215、传输通讯模块216；
所述智能电源管理模块212与电池211、孔中收发模块214、孔中CPU模块215、传输通讯模块216连接，所述孔中收发模块214分别与孔中CPU模块215和孔中天线213连接，所述孔中CPU模块215与传输通讯模块216连接；所述智能电源管理模块212搭载了加速度传感器、振动传感器和压力传感器，能根据孔中装置旋转、滑动、振动、压力等状态及参数判断钻机是否钻进，从而实现孔中装置2的电源管理。
所述孔中天线213为偶极子天线，采用特殊的结构设计与材料选择实现了天线两端的隔离与绝缘，发射极距不小于40cm。
所述孔中收发模块214实现两个任务，一是将孔口装置1发来的电磁波信号通过孔中天线213转换为电信号，经放大、模拟滤波、再放大后送入孔中CPU模块215进行处理；二是将测斜模块22测量的钻孔姿态数据及仪器参数调制成为电磁波信号，经电压、功率放大后由孔中天线213辐射到钻杆和地层中。调制方式有FSK、PSK、脉冲调制和扩频调制等四种。
所述孔中CPU模块215由FPGA模块、32位ARM模块组成。主要完成以下两项任务：一是将孔中收发模块214送入的信号进行模数转换及数字滤波，滤波后的信号送入ARM处理器进行解调、译码等处理。二是ARM处理器根据接收到的井口指令去读取传输通讯模块216传来的测斜模块22测量的数据，选取调制方式及中心频率后交由孔中收发模块214处理。
所述传输通讯模块216采用隔离485芯片，实现孔中CPU模块215与测斜模块22之间的通讯。
所述测斜模块22包括电源221、三轴磁通门传感器222、三轴加速度传感器223、第一信号调理电路224、第二信号调理电路225、多路A/D转换器226、微处理器227和测斜通讯模块228；
所述电源221与电磁波无线传输模块21的智能电源管理模块212连接，经过升压、降压和LDO稳压后供给三轴磁通门传感器222、三轴加速度传感器223、第一信号调理电路224、第二信号调理电路225、多路A/D转换器226、微处理器227和测斜通讯模块228；所述三轴磁通门传感器222、三轴加速度传感器223分别通过第一信号调理电路224、第二信号调理电路225与多路A/D转换器226连接，所述多路A/D转换器226与微处理器227连接；所述测斜通讯模块228与电磁波无线传输模块21的传输通讯模块216连接。
所述三轴磁通门传感器222、三轴加速度传感器223用来完成钻孔轨迹方位角、倾角和工具面向角的测量，得到原始模拟电压信号，分别经过第一信号调理224、第二信号调理电路225放大、滤波后送入多路A/D转换器226转换为数字电压信号，之后送入微处理器227处理。
所述测斜通讯模块228采用隔离485芯片，实现测斜模块22与电磁波无线传输模块21之间的通讯。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种矿用智能型电磁波随钻测量系统，其特征在于，该系统包括通过电磁波传输的孔口装置和孔中传输装置；
所述孔口装置包括电源、孔口天线、孔口收发模块、噪声分析模块、孔口CPU模块、工控机及显示模块；
所述电源分别连接孔口收发模块、噪声分析模块、孔口CPU模块、工控机及显示模块；所述孔口天线两端分别连接孔口收发模块，所述孔口收发模块、噪声分析模块、工控机及显示模块均与孔口CPU模块连接；
所述孔中传输装置包括电磁波无线传输模块；
所述电磁波无线传输模块包括电池、智能电源管理模块、孔中天线、孔中收发模块、孔中CPU模块；
所述智能电源管理模块与电池、孔中收发模块、孔中CPU模块连接，所述孔中收发模块分别与孔中CPU模块和孔中天线连接。
2.根据权利要求1所述的矿用智能型电磁波随钻测量系统，其特征在于：所述电磁波无线传输模块的孔中CPU模块和智能电源管理模块均与配套的孔中仪器连接。
3.根据权利要求1或2所述的矿用智能型电磁波随钻测量系统，其特征在于：所述孔中天线为偶极子天线，发射极距不小于40cm。
4.根据权利要求1所述的矿用智能型电磁波随钻测量系统，其特征在于：所述孔中传输装置还包括测斜模块，所述测斜模块包括电源、三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器、第一信号调理电路、第二信号调理电路、多路A/D转换器、微处理器和测斜通讯模块；
所述电源与电磁波无线传输模块的智能电源管理模块连接，经过升压、降压和LDO稳压后供给三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器、第一信号调理电路、第二信号调理电路、多路A/D转换器、微处理器和测斜通讯模块；所述三轴磁通门传感器、三轴加速度传感器分别通过第一信号调理电路、第二信号调理电路与多路A/D转换器连接，所述多路A/D转换器与微处理器连接；所述测斜通讯模块与电磁波无线传输模块的传输通讯模块连接。
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