CN108868738A - 一种冰下基岩钻探测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冰下基岩钻探测控系统，包括基岩钻探测控舱中包括485CAN总线模块、主控电路板、舱内温度传感器、舱内压力传感器、三轴姿态传感器、降压电路板和电机变压器；舱外部包括拉杆位移传感器、舱外压力传感器、导电滑环、三相电流电压传感器、舱外温度传感器、电机、电机转速传感器、泵、导电滑环二和流量计。本发明通过各个传感器获取基岩钻探测控舱外部位移信号，环境实时温度、压力，舱内实时温度、压力，舱体当前的倾斜角度和方位角度，钻进电机的转速、电压和电流以及循环液流量等信息，并将这些信息借助电能与数据传输系统，通过高抗拉强度铠装复合电缆传输至冰面测控软件上。

Description

一种冰下基岩钻探测控系统

技术领域

本发明属于电控系统领域，特别地涉及一种冰下基岩钻探测控系统。

背景技术

近年来，关于地球南北两极大陆板块的形成与演化过程、古气候环境变化等科学问题一直困扰着众多极地科考领域的科学家们，这些问题的解决对我们掌握极地的地质结构以及大陆板块构造格局的演变，进而打开人们通向古气候和古环境变化的大门具有重要的科学意义。

而冰下基岩钻探测控系统在整个冰下基岩研究中处于重要地位，是核心大脑，现有技术中对钻探与监测环境的协同控制，以及冰面各设备的实时监控都没有提出良好的解决方案，而上述问题的解决是获取高质量样品的重要保障。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种冰下基岩钻探测控系统，能够实时采集冰下基岩钻探过程中的各种参数，并对电机的钻进、泵的碎冰回收过程进行控制。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种冰下基岩钻探测控系统，包括基岩钻探测控舱和舱外部，其中，所述基岩钻探测控舱中包括485CAN总线模块、主控电路板、舱内温度传感器、舱内压力传感器、三轴姿态传感器、降压电路板和电机变压器；

所述舱外部包括拉杆位移传感器、舱外压力传感器、导电滑环、三相电流电压传感器、舱外温度传感器、电机、电机转速传感器、泵、导电滑环二和流量计；

所述降压电路板和电机变压器分别与300V直流电源连接，降压电路板还与所述主控电路板连接，将降压至24V的电压为主控电路板供电；所述电机变压器还与所述电机和泵分别连接，为二者供电；所述485CAN总线模块、舱内温度传感器、舱内压力传感器、三轴姿态传感器、拉杆位移传感器、舱外压力传感器、导电滑环、三相电流电压传感器、舱外温度传感器、电机转速传感器、导电滑环二和流量计分别与主控电路板连接，进行数据传输和控制。

优选地，所述主控电路板上设置AD电路，所述舱内压力传感器和舱内温度传感器通过AD电路采集，经主控电路板进行滤波和去噪处理，通过485CAN总线模块传输至上位机。

优选地，所述三轴姿态传感器采集方向角和倾斜角度传输给所述主控电路板进行滤波和去噪处理，通过485CAN总线模块传输至上位机。

优选地，所述拉杆位移传感器采用LVDT型直线位移传感器。

优选地，所述舱外温度传感器采用PT1000型温度传感器。

优选地，所述舱外压力传感器采用PCW14-200bar-IM8型微型压力传感器。

优选地，所述电机转速传感器通过脉冲信号的频率来对电转速进行采集。

优选地，所述脉冲信号为单端脉冲信号转换为的差分信号。

优选地，所述导电滑环为圆环形，其环内为所述拉杆位移传感器与主控电路板的连接线。

优选地，所述导电滑环二为圆环形，其环内为所述流量计与主控电路板的连接线。

本发明通过以上设置有益效果为，与现有技术相比，本发明能够完成基岩钻探测控舱内的实时温度和压力、舱体当前的姿态监测；舱外拉杆位移传感器的信号采集(该信号间接反映当前钻压)、舱外实时温度监测、循环系统实时流量监测、钻进电机运转过程中的转速和电流的监测，并将所有数据统一打包上传，以实现直观的显示和有效控制。

附图说明

图1为本发明实施例的冰下基岩钻探测控系统的连接结构示意图；

图2为本发明实施例的冰下基岩钻探测控系统的机械结构示意图。

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。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参见图1、2所示为本实施例的冰下基岩钻探测控系统连接结构示意图与机械结构示意图，包括基岩钻探测控舱06和舱外部，其中，基岩钻探测控舱06中包括485CAN总线模块03、主控电路板04、舱内温度传感器05、舱内压力传感器10、三轴姿态传感器11、降压电路板12和电机变压器13；

舱外部包括拉杆位移传感器01、舱外压力传感器02、导电滑环09、三相电流电压传感器07、舱外温度传感器08、电机17、电机转速传感器14、泵18、导电滑环二15和流量计16；

降压电路板12和电机变压器13分别与300V直流电源通过1500M铠装电缆线连接，300V的直流电源采用VICOR的DCDC开关电源，降压电路板12还与主控电路板04连接，将降压至24V的电压为主控电路板04供电，能量利用效率高达89％；电机变压器13还与电机17和泵18分别连接，为二者供电；485CAN总线模块03、舱内温度传感器05、舱内压力传感器10、三轴姿态传感器11、拉杆位移传感器01、舱外压力传感器02、导电滑环09、三相电流电压传感器07、舱外温度传感器08、电机转速传感器14、导电滑环二15和流量计16分别与主控电路板04连接，进行数据传输和控制。

具体实施例中，基岩钻探测控舱06是被放置于冰下高压低温的复杂环境中，舱内的温度和压力作为内部控制系统的保护屏障。主控电路板04上设置AD电路，舱内压力传感器10和舱内温度传感器05通过AD电路采集，经主控电路板04进行滤波和去噪处理，通过485CAN总线模块03传输至上位机。操作人员可以快速的得知舱内外压强是否异常，温度变化是否明显，低温会不会导致主控电路板04不工作的等问题，十分必要。

在钻进过程中，舱体的倾斜角度和方位角度也是重要的监测参数，通过三轴姿态传感器11采集方向角信息和倾斜角度信息，经过主控电路板04滤波去噪处理，最后通过485CAN总线模块03传输到上位机进行实时姿态展示监测。因为在钻进过程中，我们要尽量保证钻具要竖直向下进行切削，如果没有实时监测钻具的倾斜角度，钻具可能不会沿竖直向下方向钻进，随着钻进深度的加大，钻孔就会倾斜严重，最终可能会导致钻进失败。所以能稳定的监测钻具当前的倾斜角是非常重要的，姿态数据与其他监测信号通过总线统一上传到冰面测控软件。

除此以外，该部分还有一个重要功能，我们通过方位角监测功能来帮助工作人员判断钻具反扭是否失效，如果方位角在一段时间内持续发生变化，那么说明反扭系统失效，该系统失效不仅会导致钻进实验的失败，而且有可能导致铠装电缆伴随钻具发生旋转而扭结甚至断裂。监测方案如下：

如果发生反扭装置成功，方向角会变化一定角度且不再变化，若发生反扭失效那么方向角会持续发生偏离，以此方式进行循环，这时候应该调整转速或更换钻进模块；如果在5s内，方位角一直发生同一趋势的变化，那么意味着该反扭装置不起作用，便应该立即切断电机电源，防止电缆扭结。

实时采集的信号与部分控制信号需要通过一种传输机制，分别传输到冰面测控软件与冰下压力测控舱内，一种有效稳定快速的总线机制就显得尤为重要，能够实现稳定、长距离传输的485CAN总线模块03可以完成此项功能，并且两路总线通信，在极地的酷寒条件下更能保证通讯的可靠性。

拉杆位移传感器01具有非常重要的作用，它的信号直接反映了钻具当前钻压的大小，所以该位移传感器信号获取的稳定性要求较高，并且该传感器的信号采集模块部分要求具有较强的抗干扰能力。拉杆位移传感器01使用LVDT(Linear Variable DifferentialTransformer)型直线位移传感器，即线性可变差动变压器直线位移传感器，该传感器并非变阻器形式，而是类似于AC变压线圈，通过在固定的线圈添加激励限号，监测运动拉杆线圈电压，最终间接求得当前长度，传感器供电电压为8～30VDC，量程为0～100mm，工作温度为-40℃～85℃，输出信号为工业标准的4～20mA电流信号，满足项目设计需求。

对舱外温度进行实时监测，舱外温度传感器08采集温度信息后，通过主控电路板04上的AD电路采集舱外温度，经过主控电路板04滤波去噪处理，通过485CAN总线模块03传输到上位机进行实时监测。舱外温度传感器08分辨率不要求很高，能够有效保证当前测试温度的稳定性即可，这里选用PT1000温度传感器。温度传感器型号为CWDZ11-Z-05，可以实现对-50℃～100℃的环境温度采集，精度为满量程5‰，其供电电压及输出信号均与位移传感器相同。

对舱外压力进行实时监测，舱外压力传感器02采集温度信息后，通过主控电路板04上的AD电路采集舱外压力，经过主控电路板04滤波去噪处理，通过485/CAN总线模块03传输到上位机进行实时监测。舱外实时压力传感器02采用型号为PCW14-200bar-IM8型微型压力传感器，测量量程为0～20Mpa，过载量程为满量程的5‰，工作温度为-40℃～80℃，供电电压及输出信号均与位移传感器相同，可满足设计需求。

实时流量监测是一个非常重要的监测部分，钻井液局部循环的流量多少直接由该测试部分反映，在钻进过程中需要通过流量计16实时得知当前的流量值，如果该监测部分出现故障，操作人员就无法了解钻井液循环部分是否出现问题，循环不畅通最终会导致钻头烧毁，以及其他冰下事故。所以该部分的采集既要能够稳定工作在低温复杂的环境下，又要能保证较强的抗干扰能力等。流量信号采集后需要统一传输到主控电路板04，通过485CAN总线模块03传输到上位机进行实时显示，方便操作人员观测。

电机17的实时工况是通过电机转速和当前工作电流反应，所以电机17转速的监测和工作过程中三相电流电压传感器07对电流电压的监测十分重要，电机转速传感器14的电转速采集可以通过采集脉冲信号，信号的频率直接反应了当前电机的转速，采集后的信号统一送入主控电路板04进行滤波去噪处理，通过485CAN总线模块03传输到上位机进行实时监测。

导电滑环09和导电滑环二15可以有效的减少由于反扭装置失效导致电缆的反复扭结，避免电缆缠绕导致断裂。

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

Claims (10)

1.一种冰下基岩钻探测控系统，其特征在于，包括基岩钻探测控舱和舱外部，其中，所述基岩钻探测控舱中包括485CAN总线模块、主控电路板、舱内温度传感器、舱内压力传感器、三轴姿态传感器、降压电路板和电机变压器；

所述舱外部包括拉杆位移传感器、舱外压力传感器、导电滑环、三相电流电压传感器、舱外温度传感器、电机、电机转速传感器、泵、导电滑环二和流量计；

所述降压电路板和电机变压器分别与300V直流电源连接，降压电路板还与所述主控电路板连接，将降压至24V的电压为主控电路板供电；所述电机变压器还与所述电机和泵分别连接，为二者供电；所述485CAN总线模块、舱内温度传感器、舱内压力传感器、三轴姿态传感器、拉杆位移传感器、舱外压力传感器、导电滑环、三相电流电压传感器、舱外温度传感器、电机转速传感器、导电滑环二和流量计分别与主控电路板连接，进行数据传输和控制。

2.如权利要求1所述的冰下基岩钻探测控系统，其特征在于，所述主控电路板上设置AD电路，所述舱内压力传感器和舱内温度传感器通过AD电路采集，经主控电路板进行滤波和去噪处理，通过485CAN总线模块传输至上位机。

3.如权利要求1所述的冰下基岩钻探测控系统，其特征在于，所述三轴姿态传感器采集方向角和倾斜角度传输给所述主控电路板进行滤波和去噪处理，通过485CAN总线模块传输至上位机。

4.如权利要求1所述的冰下基岩钻探测控系统，其特征在于，所述拉杆位移传感器采用LVDT型直线位移传感器。

5.如权利要求1所述的冰下基岩钻探测控系统，其特征在于，所述舱外温度传感器采用PT1000型温度传感器。

6.如权利要求1所述的冰下基岩钻探测控系统，其特征在于，所述舱外压力传感器采用PCW14-200bar-IM8型微型压力传感器。

7.如权利要求1所述的冰下基岩钻探测控系统，其特征在于，所述电机转速传感器通过脉冲信号的频率来对电转速进行采集。

8.如权利要求7所述的冰下基岩钻探测控系统，其特征在于，所述脉冲信号为单端脉冲信号转换为的差分信号。

9.如权利要求1所述的冰下基岩钻探测控系统，其特征在于，所述导电滑环为圆环形，其环内为所述拉杆位移传感器与主控电路板的连接线。

10.如权利要求1所述的冰下基岩钻探测控系统，其特征在于，所述导电滑环二为圆环形，其环内为所述流量计与主控电路板的连接线。