CN107861440A - 一种井下测量仪器电池供电装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种井下测量仪器电池供电装置及方法，装置包括外部信号发送模块、接口单元和位于井下测量仪器内部的电池组、电子开关、MCU控制单元，外部信号发送模块经接口单元同时与电子开关和MCU控制单元连接，电池组经电子开关连接到MCU控制单元；接口单元用于为井下测量仪器内部电子元器件提供外部信号发送模块发出的电池导通激励信号、电池关断激励信号和通信信号；电子开关用于实现电池组的供电导通和关断；MCU控制单元用于根据接收的电池导通激励信号、电池关断激励信号控制电子开关动作，实现控制电池组上电和断电。本发明通过仪器壳体与仪器内部通信，实现控制电池组上电和断电，现场操作简便、仪器制造维护成本低，可靠性高、电路耐高温。

Description

一种井下测量仪器电池供电装置及方法

技术领域

本发明属于石油勘探领域中随钻测量设备的电池供电领域，具体涉及一种井下测量仪器电池供电装置及方法。

背景技术

随钻测量系统(MWD)是指在钻进的同时实现各种工程参数和地质类参数采集、传输的一套系统，系统中的井下设备挂接在钻具中钻头上方(近钻头设备)或螺杆上方(普通随钻测量设备)，井下仪器中有专门的电池组可供自身不带电池的仪器供电，此种方式常见于MWD随钻测量系统中，而LWD系统中很多地质类仪器通常采用自带电池的方式。

一般要求仪器内部的电池可供仪器连续工作150～300小时，仪器工作时间必须大于一趟钻的时间(一般不超过150小时)，仪器在井下工作一趟钻后，如果剩下的电池电量还够用下一趟钻，那么就不需要更换电池，在等待进行下一趟钻的这段时间就需要断开电池供电，免得电池电量无端浪费。

常规的做法是在仪器接口上预留控制电池供电的接口，每次断开电池时，需要采用专用工具操作打开接口，断开或装上回路接头。如果这个回路接头与仪器上下主接口安排在一块，那么它增加了仪器主接口的缆芯数，这在随钻类仪器中很不合适，因为随钻类仪器长期工作于很强的振动环境中，为了保证仪器连接的可靠性，应当尽量降低连接器的缆芯数，目前的趋势甚至是采用单芯进行仪器间互联(既过电源又做通信传输，外壳为地线回路)。如果回路接头安装在仪器本体上，那么会明显的增加仪器制造成本(开口、特殊接插件、密封盖帽)，同时可靠性也会降低(安装位置尺寸受限，连接器可靠性不足)，仪器在运行过程中受到泥浆冲刷，开口位置也会容易受到损坏，降低仪器的寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有井下仪器的电池供电存在结构复杂、操作不便的不足，提供一种井下测量仪器电池供电装置及方法，通过仪器壳体与仪器内部通信，实现控制电池组上电和断电，现场施工操作简便、仪器制造维护成本低，可靠性高、电路耐高温。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种井下测量仪器电池供电装置，包括外部信号发送模块、接口单元和位于井下测量仪器内部的电池组、电子开关、MCU控制单元，所述外部信号发送模块经接口单元同时与电子开关和MCU控制单元连接，所述电池组经电子开关连接到MCU控制单元；

所述外部信号发送模块用于发出电池导通激励信号、电池关断激励信号；

所述接口单元用于为井下测量仪器内部MCU控制单元和电子开关提供电池导通激励信号、电池关断激励信号，同时还包括通信接口，用于为井下测量仪器与外部信号发送模块提供通信信号；

所述电子开关用于实现电池组的供电导通和关断；

所述MCU控制单元用于根据接收的电池导通激励信号、电池关断激励信号控制电子开关动作，实现控制电池组上电和断电。

进一步地，所述接口单元包括仪器本体和覆盖安装在仪器本体上的金属环，仪器本体即为井下测量仪器壳体，金属材质，具有导电特性；仪器本体与金属环之间设置绝缘层(进行绝缘隔离处理)，接口单元与井下测量仪器内部电子元器件通过通信线连接，通信线分别连接到仪器本体与金属环(实现电气连接)，仪器本体与金属环分别充当通信信号或电池导通激励信号的正极和负极(也可以反过来分别作为负极和正极)；金属环作为通信接口的一部分，同时作为无线发射天线(具备通信功能，实现井下测量仪器与外部通信)。

进一步地，所述MCU控制单元包括：

单片机系统，内部烧写有控制模块，用于实现井下测量仪器内部的电子开关的控制功能；并设置数字量输出接口和通信模块，数字量输出接口用于输出高电平信号或低电平信号，控制电池组的导通与关断；通信模块用于为单片机系统与外部提供信息交换，电池导通激励信号和电池关断激励信号通过通信接口传输到单片机系统中(通信模块支持RS232、RS485通信协议)；

电源单元，用于将电池组的供电电压转换为3.3V直流电源，为单片机系统提供稳定工作电源。

进一步地，所述通信接口用于将井下测量仪器外部通信信号转换为包含通信协议的信号后与单片机系统的通信模块进行连接，实现外部信息与单片机系统之间的交换，根据不同需求，通信接口配置不同通信芯片来支持RS232通信、RS485通信或CAN通信。

进一步地，所述电子开关包括：

电源整形部分，用于将电池导通激励信号和电池关断激励信号(持续性交流电源信号)转换为持续直流电压信号；

功率开关器件，包括P沟道MOS管和N沟道MOS管，安装于电池供电主回路通道(电源供给到主电源供给网络VPWR的通道)，实现井下测量仪器的电池供电主回路通道的导通与关断。

按上述方案，所有井下测量仪器内部的MCU控制单元和电子开关采用高温元器件，适用井下175℃工作环境。

本发明还提供了一种上述井下测量仪器电池供电装置的供电方法，通过外部信号发送模块发出电池导通激励信号、电池关断激励信号和通信信号经仪器壳体与仪器内部进行通信，通过仪器内部的MCU控制单元配合电子开关实现控制电池组上电和断电，具体包括如下步骤：

外部信号发送模块发出的电池导通激励信号直接通过接口单元传输到井下测量仪器内部的电子开关，使电子开关的功率开关器件导通实现电池组电源的接通，MCU控制单元上电后立即发送电池供电导通指令保证电池导通激励信号撤销后电池组持续供电；

外部信号发送模块发出的电池关断激励信号直接通过接口单元传输到井下测量仪器内部的单片机系统的通信模块，由单片机系统接收电池关断激励信号后发出电池供电关断指令，断开电子开关，切断电池组电源供电，实现井下测量仪器的断电处理。

按上述方案，所述电池导通激励信号和电池关断激励信号均为持续性交流电源信号，电子开关的电源整形部分将持续性交流电源信号进行半波整流得到整流信号，再对整流信号进行滤波处理，得到大于2.2V的持续直流信号。

按上述方案，外部信号发送模块发出的通信信号通过接口单元的金属环传输至井下测量仪器内部，接口单元的仪器本体不设置额外接口。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：相比现有的机械式电池硬启动，采用本发明的软启动方式，现场施工操作简便、仪器制造维护成本低，尤其适用于自带电池的井下仪器；具备操作简便、可靠性高、电路耐高温等优良特性。

附图说明

图1为本发明井下测量仪器电池供电装置的整体电路示意图；

图2为本发明井下测量仪器壳体与内部电子元器件连接示意图；

图3为本发明MCU控制单元的控制流程图；

图4为本发明第一实施例示意图；

图5为本发明第二实施例示意图；

图6为本发明第三实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明所述的井下测量仪器电池供电装置，包括接口单元和位于井下测量仪器内部的电池组、电子开关、MCU控制单元，接口单元同时与电子开关和MCU控制单元连接，电池组经电子开关连接到MCU控制单元。

图1为本发明井下测量仪器电池供电装置的电路示意图，整体电路主要包含电池组、电子开关、MCU控制单元和接口单元，电池组由高温锂离子电池组构成，经由电子开关的电路将电源供给到主电源供给网络VPWR，电子开关控制电池组供电的通断，接口单元为井下测量仪器内部电子元器件(包括MCU控制单元和电子开关)提供外部信号发送模块发送的电池导通激励信号和电池关断激励信号，同时还设置通信接口，为井下测量仪器与外部通信提供通信信号；MCU控制单元内含高温单片机系统，内部烧写控制模块，实现电子开关的控制功能，并设置数字量输出接口和通信模块，数字量输出接口用于输出高电平信号或低电平信号，控制电池组的导通与关断；通信模块实现单片机系统内部数据与外部数据的交换。

为了尽量减少仪器断电时的电池漏电流，电子开关需要选择漏电流极低的场效应管，附图1中所用场效应管的漏电流IDSS指标为1uA(测试条件，VGS＝0V，VDS＝48V)，所以电池通过附图电路的漏电流总共不超过2uA。假设电池组总容量为10AH，那么一年漏电流为2uA*(24*365)＝17.52mA；一般井下用的高温电池的自放电率为3％，而17.52mA/10AH＝0.1752％，所以附图电路的漏电流消耗完全可以忽略不计。

图2为本发明接口单元(井下测量仪器壳体)与井下测量仪器内部电子元器件连接示意图，接口单元包括仪器本体1和覆盖安装在仪器本体1上的金属环2，仪器本体1与金属环2之间设计有绝缘层3，使仪器本体1与金属环2之间实现电气绝缘；井下测量仪器壳体与内部电子元器件模块通过通信线4连接，通信线4分别连接到仪器本体1与金属环2，实现电气连接；金属环2可作为通信接口的一部分，同时也可作为无线发射天线使用。

图3为本发明MCU控制单元的控制流程图，当井下测量仪器初始上电时，单片机系统首先进行系统初始化，然后输出一个持续高电平信号到电子开关保证电子开关持续导通；接下来，单片机进入循环检测程序，实时检测是否有外部电池关断激励信号，若接收到电池关断激励信号，单片机首先进入关机程序，进行关机前准备工作，完成后输出一个低电平信号到电子开关，关断电子开关，切断电池组供电。

下面通过具体实施例详细说明本发明的技术方案。

图4为本发明第一实施例示意图，本实施例实现电池组供电导通功能。

在井下测量仪器外部通过外部信号发送模块向接口单元(井下测量仪器壳体)发送电池导通激励信号，此信号为交流信号；电池导通激励信号电平中的正信号通过电子开关的二极管D1，并通过电阻R1给电容C1充电，在零信号或负信号时段内，电容C1通过电阻R2放电；选取电阻R2阻值为电阻R1的数倍，假设正信号占比为50％，那么在连续的通信信号驱动下电阻C1的值逐渐增大，超过一定电压便可驱动场效应管Q1A(N沟道MOS管)导通；随后场效应管Q1B(P沟道MOS管)也会导通，电池组电量便可以通过场效应管Q1B到达VPWR电气网络，实现电池组供电通道的导通；MCU控制单元完成上电复位后，第一时间向电子开关的二极管D2输出高电平信号，控制场效应管Q1A持续导通，完成最终上电过程；此时撤销外部的电池导通激励信号，电池组供电通道仍保证导通状态。

图5为本发明第二实施例示意图，本实施例实现电池组供电关断功能。

在井下测量仪器外部的外部信号发送模块通过通信接口与仪器内部的MCU控制单元建立通信过程，完成其他正常通信过程后，向MCU控制单元下达电池关断激励信号；MCU控制单元正确回应外部信号发送模块后，向电子开关的二极管D2输出低电平；电容C1通过电阻R2放电，电压持续降低，最终场效应管Q1A截止不通；随后场效应管Q1B截止不通，仪器完成断电过程。

图6为本发明第三实施例示意图，本实施例实现井下测量仪器外部与仪器内部MCU控制单元通信功能。附图中采用的是RS232的全双工通信接口，RS232的信号电平双极性信号，且信号幅度很大(＞5V)，应用在此电路中用于控制场效应管Q1A的导通。如果通信接口采用的RS485或者CAN这种差分信号接口，信号输出的幅度为接口驱动芯片的供电电压，典型值为3.3V，而场效应管Q1A的导通电压的典型值为2.2V，所以单独取差分信号中的一路电路就可以正常工作。另外附图中的电路对通信电路中信号的差分特性有一定的影响，但是只要将通信速率控制在一定频率内，影响可以忽略不计。在随钻测量系统中，仪器往往采用专门设计的单芯通信线，为了提高通信速率可通信可靠性，通信时有效信号的幅度一般高(＞5V)，这种单芯调制通信线用来驱动场效应管导通能力足够。综上所述，附图中电路适用于几种常见的随钻类仪器的通信接口，而不仅仅局限于附图中的RS232通信接口。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种井下测量仪器电池供电装置，其特征在于，包括外部信号发送模块、接口单元和位于井下测量仪器内部的电池组、电子开关、MCU控制单元，所述外部信号发送模块经接口单元同时与电子开关和MCU控制单元连接，所述电池组经电子开关连接到MCU控制单元；

所述外部信号发送模块用于发出电池导通激励信号、电池关断激励信号；

所述接口单元用于为井下测量仪器内部MCU控制单元和电子开关提供电池导通激励信号、电池关断激励信号，同时还包括通信接口，用于为井下测量仪器与外部信号发送模块提供通信信号；

所述电子开关用于实现电池组的供电导通和关断；

所述MCU控制单元用于根据接收的电池导通激励信号、电池关断激励信号控制电子开关动作，实现控制电池组上电和断电。

2.如权利要求1所述的井下测量仪器电池供电装置，其特征在于，所述接口单元包括仪器本体和覆盖安装在仪器本体上的金属环，仪器本体即为井下测量仪器壳体，金属材质，具有导电特性；仪器本体与金属环之间设置绝缘层，接口单元与井下测量仪器内部电子元器件通过通信线连接，通信线分别连接到仪器本体与金属环，仪器本体与金属环分别充当通信信号或电池导通激励信号的正极和负极；金属环作为通信接口的一部分，同时作为无线发射天线。

3.如权利要求1所述的井下测量仪器电池供电装置，其特征在于，所述MCU控制单元包括：

单片机系统，内部烧写有控制模块，用于实现井下测量仪器内部的电子开关的控制功能；并设置数字量输出接口和通信模块，数字量输出接口用于输出高电平信号或低电平信号，控制电池组的导通与关断；通信模块用于为单片机系统与外部提供信息交换，电池导通激励信号和电池关断激励信号通过通信接口传输到单片机系统中；

电源单元，用于将电池组的供电电压转换为3.3V直流电源，为单片机系统提供稳定工作电源。

4.如权利要求1所述的井下测量仪器电池供电装置，其特征在于，所述通信接口用于将井下测量仪器外部通信信号转换为包含通信协议的信号后与单片机系统的通信模块进行连接，实现外部信息与单片机系统之间的交换，根据不同需求，通信接口配置不同通信芯片来支持RS232通信、RS485通信或CAN通信。

5.如权利要求1所述的井下测量仪器电池供电装置，其特征在于，所述电子开关包括：

电源整形部分，用于将电池导通激励信号和电池关断激励信号转换为持续直流电压信号；功率开关器件，包括P沟道MOS管和N沟道MOS管，安装于电池供电主回路通道，实现井下测量仪器的电池供电主回路通道的导通与关断。

6.如权利要求1所述的井下测量仪器电池供电装置，其特征在于，所有井下测量仪器内部的MCU控制单元和电子开关采用高温元器件，适用井下175℃工作环境。

7.一种上述权利要求1～6任一项所述的井下测量仪器电池供电装置的供电方法，其特征在于，通过外部信号发送模块发出电池导通激励信号、电池关断激励信号和通信信号经仪器壳体与仪器内部进行通信，通过仪器内部的MCU控制单元配合电子开关实现控制电池组上电和断电，具体包括如下步骤：

外部信号发送模块发出的电池导通激励信号直接通过接口单元传输到井下测量仪器内部的电子开关，使电子开关的功率开关器件导通实现电池组电源的接通，MCU控制单元上电后立即发送电池供电导通指令保证电池导通激励信号撤销后电池组持续供电；

外部信号发送模块发出的电池关断激励信号直接通过接口单元传输到井下测量仪器内部的单片机系统的通信模块，由单片机系统接收电池关断激励信号后发出电池供电关断指令，断开电子开关，切断电池组电源供电，实现井下测量仪器的断电处理。

8.如权利要求7所述的井下测量仪器电池供电装置的供电方法，其特征在于，所述电池导通激励信号和电池关断激励信号均为持续性交流电源信号，电子开关的电源整形部分将持续性交流电源信号进行半波整流得到整流信号，再对整流信号进行滤波处理，得到大于2.2V的持续直流信号。

9.如权利要求7所述的井下测量仪器电池供电装置的供电方法，其特征在于，外部信号发送模块发出的通信信号通过接口单元的金属环传输至井下测量仪器内部，接口单元的仪器本体不设置额外接口。