CN106930750A - 潜油电泵井下数据采集装置 - Google Patents

Abstract

为了解决现有的数据采集装置传输时受干扰的问题，本发明提供一种潜油电泵井下数据采集装置。包括井上数据接收系统和井下数据发送系统；井上数据接收系统通过井上三相电抗器和三相动力电缆与井下数据发送系统连接，通过井上电力载波模块与井下数据发送系统交换数据；井下数据发送系统通过井下电力载波模块与传感器接口模块交换数据，并通过潜油电泵电机绕组与井上数据接收系统交换数据。本发明的电力载波模块以潜油电泵的供电线为载体，通过电力线载波通讯，结合扩频技术，在同一变压器下对传感器信号实现变频，将信号频谱搬移到多个频段，再将信号通过耦合电容耦合到电力线上的方法实现数据传输。

Description

潜油电泵井下数据采集装置

技术领域

本发明涉及一种数据采集装置，特别涉及一种潜油电泵井下数据采集装置，属于石油采油技术领域。

背景技术

随着石油采油技术的发展，深井作业越来越多，井下距离井上有几千米，距离的增长导致井下环境温度和压力的增长，井下传统的通信应用成本越来越高，参数的传输不稳定和较大的干扰噪声，导致国内使用情况普遍不好。

电力载波传输方式是以电力线作为信道进行通信的一种特殊的有线传输方式。因其不需要重新敷设线路，不但可以节约物资成本，还可以降低人工成本而受到越来越多的关注。

电力线通信传输要克服电力线上的固有50Hz的谐波干扰，使接收端选出传输信号。分析高频信号在低压电力线上传输时，由于不同的原因会出现多种衰减。

电力线路上的干扰源包括脉冲噪声和等幅振荡波干扰。脉冲噪声具有瞬间、高能和覆盖频率范围广的特点，因而对于载波信号传输的影响相当大，不仅会造成信号误码率高，使得接受装置无法正确接受；另外，它还有可能使接收设备内部产生自干扰，严重影响整个系统的工作。

同时井下的电力载波模块还要克服200℃的高温工作。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的数据采集装置传输时受干扰的问题，本发明提供一种潜油电泵井下数据采集装置。

本发明的潜油电泵井下数据采集装置，所述装置包括井上数据接收系统和井下数据发送系统；

井上数据接收系统包括井上三相电抗器、井上电力载波模块、井上电源模块、井上接口转换模块和上位机；

井上电源模块通过井上三相电抗器与三相动力电缆连接，为井下数据发送系统提供工作电压；

井上电源模块同时为井上电力载波模块、井上接口转换模块和上位机提供工作电源；

井上电力载波模块通过井上三相电抗器和三相动力电缆与井下数据发送系统连接，井上电力载波模块接收井下数据发送系统的数据或向井下数据发送系统发送数据；

井上电力载波模块将接收的数据通过井上接口转换模块发送给上位机；

井下数据发送系统包括井下电力载波模块、井下电源模块、井下接口转换模块和传感器接口模块；

井下电源模块通过潜油电泵电机绕组获得工作电压，并将该工作电压转换为直流电，为井下电力载波模块、井下接口转换模块和传感器接口模块提供工作电源；

井下电力载波模块通过井下接口转换模块与传感器接口模块交换数据；

井下电力载波模块通过潜油电泵电机绕组与井上数据接收系统连接，井下电力载波模块接收井上数据接收系统的数据，或向井上数据接收系统发送数据。

优选的是，所述井下电力载波模块电力线接口、抗噪声电容、第一电感、耦合线圈、第一电容、第二电感、第二电容、组合场效应管、整流电路、逆变电路、滤波器、处理器、串口接口和电源接口；

接收数据时：

电力线接口接收到数据依次经抗噪声电容和第一电感输入至耦合线圈，耦合线圈的输出信号经组合场效应管放大、整流电路整流、滤波电路滤波后输出给处理器，处理器进行解码，获得数据；处理器根据获得的数据，通过串口接口输出数据；

发送数据时:

传感器接口输出的数据通过串口接口输入至处理器，处理器对要发送的数据进行编码形成固定字节大小的数据，并将该数据包复制成多个样本，把复制的样本分布在低、中、高三个频段不同的频谱上，将数据包依次经滤波电路滤波、逆变电路逆变为交流信号，再经组合场效应管放大，输入至耦合线圈，经耦合线圈耦合至电力线接口；

在发送数据和接收数据时，耦合线圈通过第一电容、第二电感和第二电容为组合场效应管提供触发信号；

在发送数据和接收数据时，耦合线圈通过第一电容、第二电感和第二电容为组合场效应管提供电压；

电源接口用于连接井下电源模块，为发送数据和接收数据的过程中提供工作电源。

优选的是，所述井下数据发送系统还包括井下电路保护装置；所述井下电路保护装置同时设置在潜油电泵电机绕组和井下电源模块之间及潜油电泵电机绕组和井下电力载波模块之间。

优选的是，所述井下电力载波模块和传感器接口模块均设置在高温两层真空腔的内层腔内。

优选的是，所述井下电路保护装置包括整流二极管D1、接地电容C1、单相电抗器L、接地电容C2和顺变保护二极管D2；

整流二极管D1的阴极与接地电容C1的一端和单相电抗器L的一端同时连接，单相电抗器L的另一端与接地电容C2的一端和顺变保护二极管D2的阴极同时连接；接地电容C1的另一端、接地电容C2的另一端和顺变保护二极管D2的另一端同时接地。

优选的是，所述传感器接口模块包括8通道18位并行的AD转换模块和控制单元；

8通道18位并行的AD转换模块对传感器采集的数据进行采集，控制单元对采集的数据进行修正处理，输出给井下接口转换模块。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明的有益效果在于，本发明以潜油电泵的供电线为载体，通过电力线载波通讯，结合扩频技术及软件技术，在同一变压器下对传感器信号实现变频，将信号频谱搬移到多个频段，再将信号通过耦合电容耦合到电力线上的方法实现数据传输，从而有效解决通信不可靠的问题。本发明利用多通道载波技术，实现发送和接收，解决了大部分载波在某个固定频率上出现的干扰，减少干扰对信号的衰减，延长传输距离。本发明在井下使用，现场环境差，干扰源多，多通道载波技术恰恰可以解决这一问题。本发明应用实施低压窄带的BPSK技术进行载波通信。在窄带域(频率高达500kHz)运行可确保数据完整性。

本发明还采了用的井下电路保护装置，可以提高潜油电泵数据传输系统的稳定性，保护系统不被安全范围之外的电压损坏。

本发明的井下数据发送系统可以耐高温等级在200℃以上，使数据传输系统能够在高温的油气环境下工作，温度可靠性的提高可以进一步增加了数据传输距离，实现了油井中的长距离数据传输。

附图说明

图1为本发明的潜油电泵井下数据采集装置的原理结构示意图。

图2为本发明的井下电力载波模块的原理结构示意图。

图3为本发明的井下电路保护装置的原理结构示意图。

图4为本发明的传感器接口模块的原理结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的潜油电泵井下数据采集装置，包括井上数据接收系统和井下数据发送系统；

井上数据接收系统包括井上三相电抗器、井上电力载波模块、井上电源模块、井上接口转换模块、上位机；

井上电源模块通过井上三相电抗器与三相动力电缆连接，为井下数据发送系统提供工作电压；

井上电源模块同时为井上电力载波模块、井上接口转换模块和上位机提供工作电源；

井上电力载波模块通过井上三相电抗器和三相动力电缆与井下数据发送系统连接，井上电力载波模块接收井下数据发送系统的数据或向井下数据发送系统发送数据；

井上电力载波模块将接收的数据通过井上接口转换模块发送给上位机；

井下数据发送系统包括井下电力载波模块、井下电源模块、井下接口转换模块和传感器接口模块；

井下电源模块通过潜油电泵电机绕组获得工作电压，并将该工作电压转换为直流电，为井下电力载波模块、井下接口转换模块和传感器接口模块提供工作电源；

井下电力载波模块通过井下接口转换模块与传感器接口模块交换数据；

井下电力载波模块通过潜油电泵电机绕组与井上数据接收系统连接，井下电力载波模块接收井上数据接收系统的数据，或向井上数据接收系统发送数据。

井下数据发送系统还包括井下电路保护装置；所述井下电路保护装置同时设置在潜油电泵电机绕组和井下电源模块之间及潜油电泵电机绕组和井下电力载波模块之间。

本实施方式利用井上三项电抗器模拟出人工星点，与潜油电泵电机绕组形成的星点组成星点通道，这样就可以通过井上电源模向井下数据发送系统提供直流电。井上电源模块通过AC/DC将输入的220V交流电转变成24V的直流电，同时又通过DC/DC将24V的直流电转变成5V直流电为井上电力载波模块和上位机供电。井下电路保护装置把通过电泵星点得到120V电压传送给井下电源模块，井下电源模块通过DC/DC转变成24V的直流电，再通过电源调整电路转换成5V电压为井下电力载波模块、井下接口转换和传感器接口模块供电。

本实施方式的井上电力载波模块或井下电力载波模块在发送数据时，将数据复制成字节大小相同的多个包，分布在三个不同的频谱上，载波时通过频率自动扫描技术，以解决在不固定频率上出现的干扰源问题。如在某频率上出现干扰源，主频会自动加10kHz直到没有干扰源为止，以避开干扰。最终总存在某些没有受到干扰的数据包被传输成功。同时为提高传输速度，载波采用高速单载波短数据包策略，以缩短数据包大小，保证低压电力载波通信总体的信息传输速率的前提下进行传输。

本实施方式中组合场效应管在数据发送时，对信号进行功率放大，信号耦合到电力线上，确保信号的远距离传输。在数据接收时，组合场效应管将经抗噪声电容和第一电感滤波后的信号进行增益放大，使信号不失真，将信号放大75倍以上，以达到本级增益30dB以上的要求。第一电容阻断低频高压，阻止电力线接口饱和；第二电容是场效应管的耦合电容。第二电感作用是在离线时使第一电容和第二电容为组合场效应管放电，防止在设备插头的两端出现高压。

优选实施例中，所述井下电力载波模块电力线接口、抗噪声电容、第一电感、耦合线圈、第一电容、第二电感、第二电容、组合场效应管、整流电路、逆变电路、滤波器、处理器、串口接口和电源接口；

接收数据时：

电力线接口接收到数据依次经抗噪声电容和第一电感输入至耦合线圈，耦合线圈的输出信号经组合场效应管放大、整流电路整流、滤波电路滤波后输出给处理器，处理器进行解码，获得数据；处理器根据获得的数据，通过串口接口输出数据；

发送数据时:

传感器接口输出的数据通过串口接口输入至处理器，处理器对要发送的数据进行编码形成固定字节大小的数据，并将该数据包复制成多个样本，把复制的样本分布在低、中、高三个频段不同的频谱上，将数据包依次经滤波电路滤波、逆变电路逆变为交流信号，再经组合场效应管放大，输入至耦合线圈，经耦合线圈耦合至电力线接口；

在发送数据和接收数据时，耦合线圈通过第一电容、第二电感和第二电容为组合场效应管提供触发信号；

在发送数据和接收数据时，耦合线圈通过第一电容、第二电感和第二电容为组合场效应管提供电压；

电源接口用于连接井下电源模块，为发送数据和接收数据的过程中提供工作电源。

本实施方式的井上电力载波模块与井下电力载波模块的结构相同，只是在工作时相同数据传递方向不同。

本实施方式的处理器将数据信息固定为字节大小相同的数据包，并把该数据包复制成多个样本。最后，把这些复制的样本分别分布在低、中、高三个频段不同的频谱上，使全部的频谱上都分布着需要传输的数据。载波通过频率自动扫描技术解决在不固定频率上出现的干扰源问题。如在某频率上出现干扰源，主频会自动加10kHz直到没有干扰源为止，以避开干扰。本载波信噪比达到了-20dB、是普通载波的20倍。最终总存在某些没有受到干扰的数据包被传输成功。同时载波采用高速单载波短数据包策略，缩短数据包大小的同时提高子载波信息的传输速度，保证低压电力载波通信总体的信息传输速率的前提下进行传输。数据包长度控制在小于周期性干扰周期的数据宽度，这样使得数据包容易穿过十指间隙。通过多路的高速数据包的传输方式，大提高了电力载波的传输速度和传输距离。图3为电力载波模块实现电路原理图。

优选实施例中，所述井下电力载波模块和传感器接口模块均设置在高温两层真空腔的内层腔内。

将数据采集模块和电力载波模块封入内层腔内，以给其较温和的工作环境，延长使用寿命。本实施方式的井下数据发送系统的元器件的耐高温等级在200℃以上，使数据传输系统能够在高温的油气环境下工作，温度可靠性的提高可以进一步增加了数据传输距离，实现了油井中的长距离数据传输。

优选实施例中，所述井下电路保护装置包括整流二极管D1、接地电容C1、单相电抗器L、接地电容C2和顺变保护二极管D2；

整流二极管D1的阴极与接地电容C1的一端和单相电抗器L的一端同时连接，单相电抗器L的另一端与接地电容C2的一端和顺变保护二极管D2的阴极同时连接；接地电容C1的另一端、接地电容C2的另一端和顺变保护二极管D2的另一端同时接地。

井下电路保护装置的结构如图3所示，其中整流二极管D1的击穿电压应该大于2500V，保护潜油电泵井下数据传输系统在进行绝缘电压测试时不受损坏。

单相电抗器L的电感量为100H，可以滤除由井上电源模块传输到井下的电压中的共模干扰电压，保护潜油电泵井下数据传输系统不受星点不对称产生的相间不对称电压的影响。

接地电容C1和接地电容C2采用耐高温电容，电容值为60uF/310V，用以滤除潜油电泵井下数据传输系统中交流电压的高次谐波，使井下电源模块得到稳定的直流电压。

顺变保护二极管D2用来从前端得到的高压脉冲不损坏后端电路，提高潜油电泵井下数据传输系统的稳定性和使用寿命。

优选实施例中，如图4所示，所述传感器接口模块包括8通道18位并行的AD转换模块和控制单元；

8通道18位并行的AD转换模块对传感器采集的数据进行采集，控制单元对采集的数据进行修正处理，输出给井下接口转换模块。

本实施方式的传感器接口模块还内置了电源单元实现5V至3.3V的转换，并提供基准给AD转换模块，采取降压、稳压、滤波等技术为电路提供能源；AD转换模块采用8通道18位并行采集A/D转换，由输入箝位、二阶抗混叠模拟滤波器、采样/保持器、可编程数字滤波器、高速并行接口、精密参考源、低压差调整源组成，对模拟信号进行采集。采集的信号由控制单元进行非侵入式编程处理，并进行温度建模修正，处理后的信号由数字输出驱动单元UART方式与井下电力载波模块中的处理器通信，采集方便、快速(最高200ksps)。本实施方式的传感器接口模块采用高温度混合集成技术，将各处理芯片封闭成一个芯片，使其在200℃的高温工作环境中，提高了的可靠性。

传感器接口模块输出的TTL电平是3.3V，而电力载波模块输入的TTL电平是5V，因此需要接口转换模块进行电平转换。这里采用RS485串行输出驱动器进行转换，采用TI公司的SN65HVD11-HT对接收发，该芯片都是全双工485收发器，含有一个驱动器和一个接收器，具有限斜率功能，可以使电磁干扰减至最小，同时可以减少因电缆终端不匹配而产生的影响。虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.一种潜油电泵井下数据采集装置，其特征在于，所述装置包括井上数据接收系统和井下数据发送系统；

井上数据接收系统包括井上三相电抗器、井上电力载波模块、井上电源模块、井上接口转换模块和上位机；

井上电源模块通过井上三相电抗器与三相动力电缆连接，为井下数据发送系统提供工作电压；

井上电源模块同时为井上电力载波模块、井上接口转换模块和上位机提供工作电源；

井上电力载波模块通过井上三相电抗器和三相动力电缆与井下数据发送系统连接，井上电力载波模块接收井下数据发送系统的数据或向井下数据发送系统发送数据；

井上电力载波模块将接收的数据通过井上接口转换模块发送给上位机；

井下数据发送系统包括井下电力载波模块、井下电源模块、井下接口转换模块和传感器接口模块；

井下电源模块通过潜油电泵电机绕组获得工作电压，并将该工作电压转换为直流电，为井下电力载波模块、井下接口转换模块和传感器接口模块提供工作电源；

井下电力载波模块通过井下接口转换模块与传感器接口模块交换数据；

井下电力载波模块通过潜油电泵电机绕组与井上数据接收系统连接，井下电力载波模块接收井上数据接收系统的数据，或向井上数据接收系统发送数据。

2.根据权利要求1所述的潜油电泵井下数据采集装置，其特征在于，

所述井下电力载波模块包括电力线接口、抗噪声电容、第一电感、耦合线圈、第一电容、第二电感、第二电容、组合场效应管、整流电路、逆变电路、滤波器、处理器、串口接口和电源接口；

接收数据时：

电力线接口接收到数据依次经抗噪声电容和第一电感输入至耦合线圈，耦合线圈的输出信号经组合场效应管放大、整流电路整流、滤波电路滤波后输出给处理器，处理器进行解码，获得数据；处理器根据获得的数据，通过串口接口输出数据；

发送数据时:

传感器接口输出的数据通过串口接口输入至处理器，处理器对要发送的数据进行编码形成固定字节大小的数据，并将该数据包复制成多个样本，把复制的样本分布在低、中、高三个频段不同的频谱上，将数据包依次经滤波电路滤波、逆变电路逆变为交流信号，再经组合场效应管放大，输入至耦合线圈，经耦合线圈耦合至电力线接口；

在发送数据和接收数据时，耦合线圈通过第一电容、第二电感和第二电容为组合场效应管提供触发信号；

电源接口用于连接井下电源模块，为发送数据和接收数据的过程中提供工作电源。

3.根据权利要求1或2所述的潜油电泵井下数据采集装置，其特征在于，所述井下数据发送系统还包括井下电路保护装置；所述井下电路保护装置同时设置在潜油电泵电机绕组和井下电源模块之间及潜油电泵电机绕组和井下电力载波模块之间。

4.根据权利要求3所述的潜油电泵井下数据采集装置，其特征在于，所述井下电力载波模块和传感器接口模块均设置在高温两层真空腔的内层腔内。

5.根据权利要求4所述的潜油电泵井下数据采集装置，其特征在于，所述井下电路保护装置包括整流二极管D1、接地电容C1、单相电抗器L、接地电容C2和顺变保护二极管D2；

整流二极管D1的阴极与接地电容C1的一端和单相电抗器L的一端同时连接，单相电抗器L的另一端与接地电容C2的一端和顺变保护二极管D2的阴极同时连接；接地电容C1的另一端、接地电容C2的另一端和顺变保护二极管D2的另一端同时接地。

6.根据权利要求5所述的潜油电泵井下数据采集装置，其特征在于，所述传感器接口模块包括8通道18位并行的AD转换模块和控制单元；

8通道18位并行的AD转换模块对传感器采集的数据进行采集，控制单元对采集的数据进行修正处理，输出给井下接口转换模块。