CN110138705B - 一种压力波调制器、数据传输系统及控制方法和编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压力波发生器、数据传输系统及控制方法和编码方法，属于工业现场通信技术领域。压力波发生器，包括壳体组件、转子组件、定子组件，转子组件、定子组件均安装在壳体组件内，所述壳体组件包括悬挂导流筒和抗压密封筒，所述的定子组件包括电机仓、定子电机、联轴器、丝杆和定子；所述电机仓安装于悬挂导流筒内，定子电机通过联轴器与丝杆上端连接，定子与丝杆连接，定子在定子电机的带动下上下移动；数据传输系统包括管道、安装在管道下游的下游容器、安装在管道上游的上游容器和安装在管道上的监测仪器、压力波调制器及信号检测解码装置。本发明具有解堵能力，有效延长了无故障工作时间，提高了恶劣工况下的生产效率。

Description

一种压力波调制器、数据传输系统及控制方法和编码方法

技术领域

本发明涉及工业现场通信技术领域，尤其涉及一种压力波调制器、数据传输系统及控制方法和编码方法。

背景技术

工业技术领域常有沿管道进行数据传输的需求，例如流体输送管道的检测与控制、油气钻探领域的随钻测量、油气生产中分层注水井监测。随着技术的进步，在线监测仪器不断完善，对实时数据传输能力的要求不断提高。

目前沿管道进行数据传输的方式分为有线和无线两种。有线方式包括传统电缆传输、智能管道传输和光纤传输等。有线传输的特点是数据传输速率高，实时性好，可为信源供电等。但其成本高，可靠性差，电缆和光纤容易因腐蚀和管道振动而受损。无线方式包括流体压力波传输，管壁声波传输和电磁波传输等。电磁波传输技术的主要缺点是频率与大地频率相近，易受地层电阻率影响，传输距离有限。声波传输技术中的声波信号容易衰减和畸变，需要在一定距离内安装中继器才可以满足现场通信距离需求。

流体压力波调制数据传输技术是以管中流体为传输介质，通过在管中安装可影响流道的装置，并根据需要传输的数据，控制该装置按照一定规则动作，来产生可传播至信宿的压力波动，从而达到数据传输的目的。其中的关键就是压力波调制器对数据的调制过程和信宿的信号处理与解码过程，可用的流体压力调制方式主要有脉冲调制方式和载波调制方式。

目前流体压力波调制数据传输技术已在随钻测量领域广泛使用，Schlumberger公司、Halliburton公司和BakerHughes公司等都已开发了各自的数据传输系统，但他们均对国内进行严格的技术封锁。

美国专利公开了一种井下压力波调制器，产生预定频率的泥浆脉冲向井口传送数据。该案仅公开了压力调制系统的主要原理，并未对编码调制方法和信号检测方式进行进一步的阐述。

美国专利公开了一种基于剪切震荡原理工作的泥浆脉冲数据传输系统。与上述专利基本形式相同，主要区别在于脉冲发生器转子运动方式不同，具有调制方式灵活、运动状态切换速度快，可以实现更高的传输速率。但由于需要转子频繁的启停运动，功耗相对较大，对驱动器和电源系统要求较高。

中国专利公开了一种使用电磁阀动作产生压力脉冲的随钻遥测系统，主要对正脉冲或负脉冲的编码方式以及地面信号检测方法进行了描述。该案对编码方式和信号检测手段进行了一定的优化，提高了系统性能，但受限于脉冲发生器的设计，数据传输速率较低，而且复杂的地面信号检测系统在生产现场应用困难，位置不固定的多压力传感器带来了较高的成本和安全隐患。

中国专利公开了一种采用旋转式脉冲发生器产生压力脉冲将信息传输到井上的方法。该案在旋转式压力脉冲发生器的基础上，使用了四个或八个叶片的阀形结构，在降低电能消耗的同时也可以产生较高频率的压力脉冲，但由于依然采用了脉冲调制方式，通信速率最高只能达到5比特每秒，且未考虑泥浆中堵漏材料造成的阀口堵塞，转阀卡死问题。

美国专利公开了一种八进制相移键控调制技术方案，采用与参考信号相同频率的八种不同相位的正弦波，来分别表示数字0～7的组合信号。但该案没有进一步研究不同相位波形的产生方式、各个相位间转换规则以及调整波的频率及运行时间特征等。

国内中国石油大学、胜利油田钻井院、中海油研究院、渤海钻探、浙江大学和西南石油大学等研究机构都开展了利用流体压力波调制传输随钻测量数据的相关研究并取得一定的成果。国内研究尚处于脉冲调制设备研究阶段，部分研究机构陆续开始了现场测试和商业应用。

中国专利公开了一种采用旋转板阀片产生压力脉冲上传井下数据的信息采集系统。该案使用的旋转阀片可以解决针阀的冲击高、动作速度较慢的问题，对数据传输能力有一定的提升，但该案没有详细阐述旋转阀片的驱动方式和信号噪声去除方法。

中国专利公开了一种基于四叶片三角阀的连续波数据传输系统。该案阐述了BPSK和QPSK等连续相位相移键控调制方法，为连续波泥浆脉冲发生器快速数据上传提供切实可行的载波调制方案。但该案仅实现相移键控调制，调制方法单一。

中国专利公开了一种由摆动式泥浆脉冲发生器和多个压力传感器组成的随钻测量数据传输系统以及根据工程参数选择信号调制方式的方法。该案采用了载波调制方式，极大的提高了数据传输速率，但转阀需要持续在转动与停止状态之间切换，对机械系统的冲击和电能消耗较高。

中国专利公开了一种增加了导流叶的振荡剪切式泥浆脉冲发生器的设计方法。该案通过在转子叶片处增加导流叶，大大降低了震荡阀转子的扭矩，减小脉冲器驱动电机的功率、降低供电电源的功率及容量，同时能够减小电机控制的难度。但该案存在导流叶结构加工难度高，易被冲蚀损坏的缺陷。

目前现有的技术存在有以下缺陷亟待解决：①转阀结构易被固体颗粒卡堵且无法自恢复，造成数据传输中断，甚至损坏电机和机械系统；②无法实现调幅波的产生；③转子控系统和控制算法简单，无法应对更复杂的钻井工况和更高级的调制方法；④上游使用静态压力传感器，量程范围大但灵敏度和分辨率低，不利于微弱压力波调制信号的检测；⑤没有信道编码等措施，不能实现数据校验和纠错。

发明内容

现有技术中存在数据传输速率慢、误码率高、阀口卡堵风险高和无法产生调幅波的问题，本发明在于解决如上的技术问题，提供一种用于但不限于随钻测量及长输管线的一种压力波调制器、数据传输系统及控制方法和编码方法，避免了转阀结构易被卡堵，造成数据传输中断的问题。

一种压力波发生器，包括壳体组件、转子组件、定子组件，转子组件、定子组件均安装在壳体组件内，所述壳体组件包括悬挂导流筒和抗压密封筒，所述的定子组件包括电机仓、定子电机、联轴器、丝杆和定子，定子上设有定子叶片；所述电机仓安装于悬挂导流筒内，定子电机通过联轴器与丝杆上端连接，定子与丝杆连接，定子在定子电机的带动下上下移动；所述的定子组件还包括安装在电机仓上的限位开关，用于限制定子叶片向上移动的位移。

进一步的，所述转子组件包括驱动机构、电子系统和转子，所述转子包括转子叶片、转子轴和轴承，轴承安装在抗压密封筒上，转子轴通过轴承与抗压密封筒连接，转子轴与转子叶片固定连接，转子叶片安装在悬挂导流筒内，与悬挂导流筒内壁和定子叶片下极限位置之间留有间隙；转子叶片由转子轴驱动旋转，转子轴与抗压密封筒密封连接；所述驱动机构包括转子电机、减速器和编码器，由支撑在轴承上的轴套连接。

一种基于所述压力波发生器的流体压力波调制数据传输系统，包括管道、安装在管道下游的下游容器、安装在管道上游的上游容器和安装在管道上的监测仪器、压力波调制器及信号检测解码装置；所述信号检测解码装置包括安装在管道上游的压力传感器、柱塞泵位移传感器、信号接口箱和计算机，所述压力传感器采用动态压力传感器，所述柱塞泵位移传感器安装在柱塞泵上，所述信号接口箱用于处理压力传感器数据和柱塞泵位移传感器数据，并传输给计算机；所述的信号接口箱包括直流电源、安全隔离栅和数据采集器；所述安全隔离栅与压力传感器和柱塞泵位移传感器连接，电源给数据采集器和安全隔离栅供电，数据采集器分别与安全隔离栅和计算机连接。

一种基于压力波发生器的控制方法，所述驱动电机运动方程可表示为：

式中，ω为转子电机机械角速度，T_L为负载转矩，B为粘性摩擦系数，J为总的转动惯量；

设计反馈控制器，由式(1)，得，

其中，d(t)为总扰动，包括摩擦、外部扰动及电流输入误差；

ω₀为给定速度，则转速跟踪误差方程为

e＝ω₀-ω (3)

对式(3)求导，得，

若

表示扰动观测器的输出结果，则误差系统(4)可写成

由式(4)和式(5)可知，若扰动观测器估计误差为零，则控制系统为无扰系统，容易取得理想的动态响应；若估计存在误差，则同样的控制参数条件下，可以抑制扰动对系统动态的影响。

一种基于所述的压力波发生器的流体压力波编码调制方法，其包括以下步骤：

步骤1：从监测仪器处读取待传输物理量数据，对原始数据进行信源编码、压缩；

步骤2：数据格式化，封装成数据包和数据帧；

步骤3：对格式化后的数据包进行信道编码，生成待传输比特流；

步骤4：使用脉冲调制将比特流转换为二进制或四进制基带信号；

步骤5：基带信号通过连续相位调制生成包含同步头的数字带通波形；

步骤6：控制压力波调制器转子转动速度和定子轴向位移，生成与数字带通波形相一致的流体压力波信号。

进一步的，所述的调制方法采用幅移键控进行数据调制，利用数字信息来控制载波的幅度；转子在轴向上受控运动，通过轴向运动调节转子与定子的间隙，能够实现压力波幅度的改变；所述幅移键控采用四进制幅移键控调制；信号参量的变化有四种取值，载波信号幅度0、A/4、A3/4、A分别代表取值“00”、“01”、“10”和“11”，A表示压力波调制器所能产生的最大压力波幅度。

进一步的，所述的调制方法采用频移键控进行数据调制，所述压力波调制器转子调节旋转速率，通过转子转速的变化，能够实现压力波频率的改变；所述频移键控采用四进制频移键控调制，信号参量的变化有四种取值，载波信号频率F1、F2、F3、F4分别代表取值“00”、“01”、“10”和“11”。

进一步的，所述的调制方法采用相移键控进行数据调制，通过在符号位开始的某一时间段降低转子的瞬时转速来实现波形相位的改变；在符号位的初始时刻压力波调制器转子转速不变，信号相位不发生变化，代表二进制编码“00”；在符号位的初始1/4周期内压力波调制器转子转速减半，信号相位滞后90°，代表二进制编码“01”；在符号位的初始1/2周期内压力波调制器转子转速减半，信号相位滞后180°，代表二进制编码“10”；在符号位的初始3/4周期内压力波调制器转子转速减半，信号相位滞后270°，代表二进制编码“11”。

进一步的，所述的调制方法使用信道编码技术，通过对原有信息添加冗余来对抗信道引起的传输错误，信号编码使用Turbo码，采用线性调频信号作为同步头。

由此，本发明利用管道流体作为通信介质，能够以较低的成本实现在水力管道中远距离的可靠数据传输，技术效果显著。

与现有技术相比，本发明包括：

本发明所述压力波调制器，具有带动定子轴向运动的机械部件，带来了两个显著的优势。①使调制器具有了一定的解堵能力，有效延长了无故障工作时间，提高了恶劣工况下的生产效率。②实现了压力波幅度的实时调节，能够产生多进制幅移键控调制信号，甚至实现其他更复杂和灵活的调制方法。

本发明所述调制方式，充分考虑了工程参数对压力波调制器工作状态影响，以及流体压力波信道、泵噪声等对接收信号的干扰。信号的相位连续性保证了电机具有相对平稳的瞬时电流，尽量降低压力波调制器功耗。多进制幅频调制和幅相调制方法增加了信道带宽利用率，显著提高数据传输速率和抗干扰能力。

本发明所述信号检测解码系统，采用了动态压力传感器和柱塞泵位移传感器，尽可能高质量、多维度的从压力波信号中提取有效信息参与解码过程，抑制信号衰减和噪声干扰带来的影响，极大提升了解码效果，提高了数据传输速率。

本发明所述压力波调制器，设计含有扰动观测器的闭环控制系统，对以水力转矩为主的外部扰动和驱动电机本身参数变化引起的“内扰”具有显著的抑制作用，与传统反馈控制系统相比，有助于增强控制系统的稳定性、快速性和准确性，提高了压力波调制信号质量。

附图说明

图1为本发明数据传输系统示意图；

图2为本发明信号检测解码装置组成框图；

图3为本发明压力波调制器结构示意图；

图4为本发明压力波调制器剖面图；

图5为本发明压力波调制器定子组件和转子组件局部剖视图；

图6为本发明转子控制系统原理框图；

图7为本发明编码调制流程图；

图8为幅移键控调制波形示意图；

图9为频移键控调制波形示意图；

图10为相移键控调制波形示意图；

图11为幅频调制波形示意图；

图12为信源编码原理框图；

图13为帧同步信号波形图；

其中：1-计算机；2-信号接口箱；3-压力传感器；4-压力波调制器；5-监测仪器；6-下游容器；7-上游容器；8-柱塞泵；9-柱塞泵位移传感器；10-管道；11-电源；12-数据采集器；13-安全隔离栅；14-壳体组件；1401-悬挂导流筒；1402-抗压密封筒；15-定子组件；1501-定子电机；1502-电机仓；1503-联轴器；1504-丝杆；1505-定子；1506-定子叶片；1507-限位开关；16-流体通道；17-转子组件；1701-转子轴；1702-轴承；1703-转子电机；1704-电子系统；1705-编码器；1706-减速器；1707-转子叶片；1708-转子；18-扶正器。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步说明。本发明提供了一种压力波调制器设计方法，特别是提供了一种定子可纵向运动的压力波调制器设计方法，以及主动抗扰的控制系统。该压力波调制器4可解决阀口卡堵问题，能够产生压力波调幅信号，并且具有稳定可靠的控制系统。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系均根据说明书附图的布局来进行描述，如上、下位置关系是依据说明书附图各零部件布局来确定。

本发明提供了一种流体压力波调制数据传输系统，如图1所示，包括管道10、安装在管道10下游的下游容器6、安装在管道10上游的上游容器7和安装在管道10上的监测仪器5、压力波调制器4、柱塞泵8及信号检测解码装置。所述信号检测解码装置包括安装在管道10上游固定位置的压力传感器3、柱塞泵位移传感器9、信号接口箱2和计算机1，所述压力传感器3采用动态压力传感器，所述柱塞泵位移传感器9安装在柱塞泵8上。

监测仪器5安装在压力波调制器4的下游，上游容器7中的流体通过柱塞泵8注入管道10中，流体流过下游末端的监测仪器5后进入下游容器6，流体的流动路径用箭头表示。监测仪器5记录其所在位置的某些物理参数，所述物理参数可以为地层压力、渗透率、电阻率等数据，并生成需要上传至上游的原始数据。

为了在流体中通过调制压力波向上游传输数据，压力波调制器4安装在管道10下游的监测仪器5处。流体压力波信号通过管道10上传至上游，经过压力传感器3采集并送入信号检测解码装置进行解调解码。

信号检测装置连接图如图2所示，信号接口箱2连接计算机1与压力传感器3，将各传感器输出的4～20mA电流信号预处理后，转换为数字量送入计算机1由计算机1进行信号的解调与解码。信号接口箱2包括干净稳定的直流电源11、安全隔离栅13和分辨率与采样速度足够的数据采集器12。所述安全隔离栅13与压力传感器3和柱塞泵位移传感器9连接，电源11给数据采集器12和安全隔离栅13供电，数据采集器12分别与安全隔离栅13和计算机1连接。

压力传感器3安装于流体管道10上游位置，用于采集从下游传播来的压力波信号。在随钻测量和流体输送系统正常工作中，流体静压力通常在几兆帕到十几兆帕左右，而下游压力波调制器4产生的压力波信号，经过长距离管线传输至上游压力传感器3处幅值在几千帕到几十千帕左右。若采用量程可以覆盖流体静压力范围的静态压力传感器，则动态压力波的测量分辨率将会严重不足，加大测量误差，对后续的解码造成困难。

本发明使用动态压力传感器，仅采集其带宽范围内的压力波调制信号，可以避免流体静压力对测量的影响，提高压力信号检测的灵敏度和分辨率。

根据压力波调制信号的载波频率，所述压力传感器的测量频率范围为5～50Hz。信号输出方式使用4～20mA电流信号。

柱塞泵流量波动带来的泵噪声是流体压力波调制系统最主要的噪声来源，如何消除泵噪声的干扰是解码系统最关键的技术之一。

在本发明中，通过在柱塞泵8安装柱塞泵位移传感器9，测量并记录活塞的运动位置，即可计算得到柱塞泵8的周期运动情况和当前的输出流量，实时得到泵噪声波形，实现时域消噪。

采用多缸柱塞泵时，由于各个液压缸运动周期同步，相位差固定，仅需给其中一个活塞安装柱塞泵位移传感器即可。

当采用多柱塞泵并联时，由于各柱塞泵的运动状态和参数不能保证同步，需要分别安装一套柱塞泵位移传感器。

柱塞泵位移传感器9的信号输出方式使用4～20mA电流信号。

一种压力波调制器装置，如图3至图5所示，包括壳体组件14、转子组件17、定子组件15和扶正器18。转子组件17和定子组件15均安装于壳体组件14内，进行固定、限位与密封。

转子组件17和定子组件15部分的结构如图4所示，箭头方向则表示运动方向。丝杆1504顺时针转动带动定子1505沿轴向上运动，逆时针转动带动定子1505沿轴向下运动，转子则是在转子电机1703的带动下顺时针转动。

壳体组件14包括设置在上端的悬挂导流筒1401和下端的抗压密封筒1402。悬挂导流筒1401通过螺丝或者螺钉固定安装在钻铤通道内。定子组件15安装在悬挂导流筒1401内，所述定子组件15包括电机仓1502、定子电机1501、限位开关1507、联轴器1503、丝杆1504和定子1605，定子1505上设有定子叶片1506。所述定子电机1501采用步进电机，电机仓1502通过螺钉安装于悬挂导流筒1401内，定子电机1501、限位开关1507、联轴器1503和丝杆1504安装在电机仓1502内部。定子电机1501通过联轴器1503与丝杆1504上端连接。定子叶片1506通过导槽与悬挂导流筒1401内壁配合安装，防止自旋。定子1505通过内螺纹与丝杆1504连接，与电机仓1502间有动密封结构，动密封结构可以是密封圈。

限位开关1507安装在电机仓1502上，定子叶片1506在定子电机1501和丝杆1504的带动下向上移动，触碰到限位开关1507后停止。定子1505上下移动可以解决阀口卡堵的问题，当定子1505出现卡堵的情况，定子1505向上移动，卡堵物质便随着流体冲走。

抗压密封筒1402悬于悬挂导流筒1401下方，尾部有扶正器18，与钻铤内壁构成环形流体通道16。

所述转子组件17包括驱动机构、电子系统1704和转子1708，转子1708包括转子叶片1707、转子轴1701和轴承1702，轴承1702安装在抗压密封筒1402上，转子轴1701通过轴承1702与抗压密封筒1402连接，转子轴1701与转子叶片1707固定连接，转子叶片1707安装在悬挂导流筒1401内，与悬挂导流筒1401内壁和定子叶片1506下极位置之间留有间隙。转子叶片1707由转子轴1701驱动旋转，转子轴1701与抗压密封筒1402间有旋转密封结构。

所述驱动机构包括包括转子电机1703、减速器1706和编码器1705，由被支撑在轴承1702上的转子轴1701连接。所述转子电机1703采用伺服电机，驱动机构和电子系统1704均安装在抗压密封筒1402内，连接处设有密封结构，密封机构可以是密封圈。

电子系统1704将待传输数据按照编码调制流程生成控制电机的基带信号，并根据基带信号控制转子电机1703和定子电机1501运转，驱动转子叶片1707进行转动和定子1505轴向运动。通过转子1708转动改变流体流道面积产生频率或相位调制压力波信号。通过定子1505轴向运动调整定子叶片1506与转子叶片1707的间隙，调节压力波幅值，产生幅度调制压力波信号。当流体中的固体颗粒堵塞阀口、转子卡堵，造成转子电机1703堵转，无法正常运转，此时通过调整定子1505位置，使定子叶片1506与转子叶片1707间隙增大，实现转阀解堵。

本发明还包括位于压力波调制器下游的水力发电机或电池组，用于为该旋转导向工具提供电力支持。

针对所述的井下脉冲发生器，本发明提出一种带扰动补偿的控制方法，如图6所示。传统控制器设计一般采用输出反馈控制方法，水力转矩存在的条件下，很难达到理想的控制响应。本发明采用主动抗扰的控制策略，先设计扰动观测器估计系统扰动，然后再前馈补偿到反馈控制器，同样条件下这种控制方法可以减少反馈控制增益。

在井下工作时，扰动是影响脉冲器性能的一个关键因素，除了模型参数会发生变化外，由于钻柱旋转及钻头振动、钻井液中杂物或空气带来的力矩扰动成为系统扰动的主要来源。所设计水力转矩补偿装置，采用扰动观测技术可以在线实时估计控制系统模型引起的不确定性，同时也估计脉冲器转阀外力作用下的外部干扰。

观测器估计扰动的结果进行前馈补偿设计，用来补偿扰动对系统的不良影响。因此当系统扰动不存在情况下，控制系统的标称性能得到恢复，从而提高了脉冲器动态响应和信号输出的质量。

系统控制算法说明如下：

转子电机运动方程可表示为：

式中，ω为转子电机机械角速度，T_L为负载转矩，B为粘性摩擦系数，J为总的转动惯量。

设计反馈控制器，由式(1)，得，

其中，d(t)为总扰动，包括摩擦、外部扰动及电流输入误差。

ω₀为给定速度，则转速跟踪误差方程为

e＝ω₀-ω(3)

对式(3)求导，得，

若

表示扰动观测器的输出结果，则误差系统(4)可写成

由式(4)和式(5)可知，若扰动观测器估计误差为零，则控制系统为无扰系统，容易取得理想的动态响应；若估计存在误差，则同样的控制参数条件下，可以抑制扰动对系统动态的影响。

本发明还包提供了一种信号编码调制方法，通过特定的信道编码、数据帧同步和信号调制，可大幅提高其传输速率。

在本发明中，流体压力波编码调制方法的流程图如图7所示，该方法包括以下步骤：

步骤101、从监测仪器处读取待传输物理量数据，对原始数据进行信源编码、压缩。

步骤102、数据格式化，封装成数据包和数据帧。

步骤103、对格式化后的数据包进行信道编码，生成待传输比特流。

步骤104、使用脉冲调制将比特流转换为二进制或四进制基带信号。

步骤105、基带信号通过连续相位调制生成包含同步头的数字带通波形。

步骤106、控制压力波调制器转子转动速度和定子轴向位移，生成与数字带通波形相一致的流体压力波信号。

所述的脉冲调制方法主要有幅移键控、频移键控、相移键控三种调制方法，适当的调制方式能使信号特征更明显，提高信噪比，以利于地表的调制解调系统解调；能够降低信号畸变程度，提高数据传输速率，并且最大限度降低信道对泥浆压力波衰减的影响，有效规避泥浆泵噪声对信号的影响，降低消噪难度。

数字调制可分为二进制调制和多进制调制，为增加带宽利用率，提高数据传输速率，本发明优先采用四进制相位调制，信号参量的变化有四种取值。在信号严重衰减和畸变、强噪声干扰的情况下，需切换为二进制调制，牺牲通信速率保证解调效果。

本发明可使用幅移键控进行数据调制，利用数字信息来控制载波的幅度。

本发明所述压力波调制器转子可以在轴向上受控运动。通过轴向运动调节转子与定子的间隙，能够实现压力波幅度的改变。

提供了一种基于脉冲幅度控制的四进制幅移键控调制。信号参量的变化有四种取值，载波信号幅度0、A/4、A3/4、A分别代表取值“00”、“01”、“10”和“11”，A表示压力波调制器所能产生的最大压力波幅度。

图8为所述一种基于脉冲幅度控制的四进制幅移键控调制方法示意图。压力波调制器转子以载波频率的1/4为转速转动，生成载波波形。由脉冲调制生成四进制基带信号控制定子轴向运动，改变定转子间隙调整载波信号幅度，生成压力波幅移键控信号。

本发明可使用频移键控进行数据调制，利用数字信息来控制载波的频率。

本发明所述压力波调制器转子可以调节旋转速率，通过转子转速的变化，能够实现压力波频率的改变。

本发明提供了一种基于脉冲幅度控制的四进制频移键控调制。信号参量的变化有四种取值，载波信号频率F1、F2、F3、F4分别代表取值“00”、“01”、“10”和“11”。

图9为所述一种基于脉冲幅度控制的四进制频移键控调制方法示意图。由脉冲幅度调制生成四进制基带信号控制压力波调制器转子转速，调整载波信号频率，生成压力波频移键控信号。

本发明可使用相移键控进行数据调制，利用数字信息来控制载波的相位。

根据本专利所述应用环境，压力波调制器转子的惯性和流体水力特性决定压力波不能像电子通信系统一样产生载波相位的突变。需设计调相方式以保证信号的相位连续性，确保电机运转无跳变，削弱电机抖动，减小波形畸变。在本发明中是通过在符号位开始的某一时间段降低转子的瞬时转速来实现波形相位的改变。

本发明提供了一种基于脉冲宽度控制的四进制相移键控调制。信号参量的变化有四种取值，每符号位的相位变化量0、π/2、π、π3/2分别代表取值“00”、“01”、“10”和“11”。在符号位的初始时刻压力波调制器转子转速不变，信号相位不发生变化，代表二进制编码“00”；在符号位的初始1/4周期内压力波调制器转子转速减半，信号相位滞后90°，代表二进制编码“01”；在符号位的初始1/2周期内压力波调制器转子转速减半，信号相位滞后180°，代表二进制编码“10”；在符号位的初始3/4周期内压力波调制器转子转速减半，信号相位滞后270°，代表二进制编码“11”。

图10为所述一种基于脉冲宽度控制的四进制相位调制方法示意图。由脉冲宽度调制生成的四进制基带信号控制压力波调制器转子转速，通过在固定时间段内控制转子转速减半实现载波相位调整，生成压力波相移键控信号。

通过对上述调制方式进行组合，亦可实现更复杂的组合调制方式，可以进一步的提高带宽利用率，数倍提升数据传输速率。例如按照幅移键控和频移键控的调制规则，控制压力波调制器转子旋转和定子轴向运动，可实现幅频调制。按照幅移键控和相移键控的调制规则，控制压力波调制器转子旋转和定子轴向运动，可实现幅相调制。

图11所述一种基于脉冲幅度控制的四进制幅频调制方法示意图。由脉冲幅度调制生成的两组二进制基带信号分别控制压力波调制器转子转速和定子轴向位移，同时调整载波信号频率与幅度，生成压力幅频调制信号。

在本发明中，调制后的信号波形用于控制压力波调制器转子运动和定子平动。

在本发明的图8、图9、图10、图11中，在任意两个符号周期之间的波形幅值均是连续的，而且相位也是连续的，所以通过合理控制压力波调制器中电机加速、减速和匀速，能够实现本发明所述调制技术。

流体管道相当于一个频率选择性信道，本发明所述调制方式通过选择恰当的载波频率，可完全适用于该种频率性选择信道，最大限度降低信道对流体压力波衰减的影响。并且本发明的调制方式中的连续相位特性可最大限度降低信号在该信道中的畸变。并且可以方便的根据需要避开泵噪频率谱线，同时可以根据需求，实时调整编码调制相关参数，从而使得接收端信噪比尽量高，利于信号解调。

由于流体信道存在严重的衰减、反射，信号在传播过程中不可避免的会发生扭曲和变形，并且由于存在强噪声干扰会降低信号质量甚至淹没信号，导致数据无法正确传输。

在本发明中，使用信道编码技术，通过对原有信息添加冗余来对抗信道引起的传输错误，除了可以判断接收信息是否正确外，还能在一定程度上恢复错误数据。信道编码有RS编码、卷积码和Turbo码、网格编码等。

根据流体压力波调制数据传输系统的特点，本发明优先使用Turbo码。

图12为本发明所使用Turbo编码器框图。Turbo编码器包括一个交织器和两个递归系统卷积编码器，这是本领域技术人员已知的。在编码的过程中，数据序列经过交织器，形成一个长度与内容没变，但比特位置经过重新排列的新序列。原序列和新序列分别送入递归系统卷积编码器生成校验位序列。与未编码序列通过复接器生成编码序列。

为了使压力波调制信号顺利解调，上游解码系统需要准确估计数据帧到达时刻，即进行帧同步。目前的压力波调制系统大多简单的采用固定个数的连续正脉冲作为同步头，在信号畸变和噪声干扰严重的情况下，极易出现丢帧和断帧现象。

在本发明中，使用线性调频信号作为同步头。线性调频信号因具有良好的自相关特性，在雷达和水声通信中被广泛的用作同步信号。

图13为本发明中作为同步头的线性调频信号。持续时间5s，启始频率0Hz，结束频率20Hz。只需将压力波调制器转子在5s的时间内，将转速线性的从0增加至5转每秒即可产生该压力信号波形。

Claims (9)

1.一种压力波调制器，包括壳体组件(14)、转子组件(17)、定子组件(15)，转子组件(17)、定子组件(15)均安装在壳体组件(14)内，所述壳体组件(14)包括悬挂导流筒(1401)和抗压密封筒(1402)，其特征在于所述的定子组件(15)包括电机仓(1502)、定子电机(1501)、联轴器(1503)、丝杆(1504)和定子(1505)，定子(1505)上设有定子叶片(1506)；所述电机仓(1502)安装于悬挂导流筒(1401)内，定子电机(1501)通过联轴器(1503)与丝杆(1504)上端连接，定子(1505)与丝杆(1504)连接，定子(1505)在定子电机(1501)的带动下上下移动；所述的定子组件(15)还包括安装在电机仓(1502)上的限位开关(1507)，用于限制定子叶片(1506)向上移动的位移；

所述转子组件(17)包括驱动机构、电子系统(1704)和转子(1708)，所述转子(1708)包括转子叶片(1707)、转子轴(1701)和轴承(1702)，轴承(1702)安装在抗压密封筒(1402)上，转子轴(1701)通过轴承(1702)与抗压密封筒(1402)连接，转子轴(1701)与转子叶片(1707)固定连接，转子叶片(1707)安装在悬挂导流筒(1401)内，与悬挂导流筒(1401)内壁和定子叶片(1506)下极限位置之间留有间隙；转子叶片(1707)由转子轴(1701)驱动旋转，转子轴(1701)与抗压密封筒(1402)密封连接；所述驱动机构包括转子电机(1703)、减速器(1706)和编码器(1705)，由支撑在轴承(1702)上的轴套连接。

2.一种基于权利要求1所述的压力波调制器的流体压力波调制数据传输系统，其特征在于包括管道(10)、安装在管道(10)下游的下游容器(6)、安装在管道(10)上游的上游容器(7)和安装在管道(10)上的监测仪器(5)、压力波调制器(4)及信号检测解码装置；所述信号检测解码装置包括安装在管道(10)上游的压力传感器(3)、柱塞泵位移传感器(9)、信号接口箱(2)和计算机(1)，所述压力传感器(3)采用动态压力传感器，所述柱塞泵位移传感器(9)安装在柱塞泵(8)上，所述信号接口箱(2)用于处理压力传感器(3)和柱塞泵位移传感器(9)的数据，并传输给计算机(1)；所述的信号接口箱(2)包括直流电源(11)、安全隔离栅(13)和数据采集器(12)；所述安全隔离栅(13)与压力传感器(3)和柱塞泵位移传感器(9)连接，直流电源(11)给数据采集器(12)和安全隔离栅(13)供电，数据采集器(12)分别与安全隔离栅(13)和计算机(1)连接。

3.一种基于权利要求1所述的压力波调制器的控制方法，其特征在于驱动电机运动方程表示为：

式中，ω为转子电机(1703)转子机械角速度，T_L为负载转矩，B为粘性摩擦系数，J为总的转动惯量；

设计反馈控制器，由式(1)，得，

其中，d(t)为总扰动，包括摩擦、外部扰动及电流输入误差；

ω₀为给定速度，则转速跟踪误差方程为

e＝ω₀-ω (3)

对式(3)求导，得，

若

表示扰动观测器的输出结果，则公式(4)写成

由式(4)和式(5)可知，若扰动观测器估计误差为零，则控制系统为无扰系统，容易取得理想的动态响应；若估计存在误差，则同样的控制参数条件下，抑制扰动对系统动态的影响。

4.一种基于权利要求1所述的压力波调制器的流体压力波编码调制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：从监测仪器处读取待传输物理量数据，对原始数据进行信源编码、压缩；

步骤2：数据格式化，封装成数据包和数据帧；

步骤3：对格式化后的数据包进行信道编码，生成待传输比特流；

步骤4：使用脉冲调制将比特流转换为二进制或四进制基带信号；

步骤5：基带信号通过连续相位调制生成包含同步头的数字带通波形；

步骤6：控制压力波调制器转子转动速度和定子轴向位移，生成与数字带通波形相一致的流体压力波信号。

5.根据权利要求4所述的流体压力波编码调制方法，其特征在于所述的调制方法采用幅移键控进行数据调制，利用数字信息来控制载波的幅度；转子在轴向上受控运动，通过轴向运动调节转子与定子的间隙，能够实现压力波幅度的改变；所述幅移键控采用四进制幅移键控调制；信号参量的变化有四种取值，载波信号幅度0、A/4、A3/4、A分别代表取值“00”、“01”、“10”和“11”，A表示压力波调制器所能产生的最大压力波幅度。

6.根据权利要求4所述的流体压力波编码调制方法，其特征在于所述的调制方法采用频移键控进行数据调制，所述压力波调制器转子调节旋转速率，通过转子转速的变化，能够实现压力波频率的改变；所述频移键控采用四进制频移键控调制，信号参量的变化有四种取值，载波信号频率F1、F2、F3、F4分别代表取值“00”、“01”、“10”和“11”。

7.根据权利要求4所述的流体压力波编码调制方法，其特征在于所述的调制方法采用相移键控进行数据调制，通过在符号位开始的某一时间段降低转子的瞬时转速来实现波形相位的改变；在符号位的初始时刻压力波调制器转子转速不变，信号相位不发生变化，代表二进制编码“00”；在符号位的初始1/4周期内压力波调制器转子转速减半，信号相位滞后90°，代表二进制编码“01”；在符号位的初始1/2周期内压力波调制器转子转速减半，信号相位滞后180°，代表二进制编码“10”；在符号位的初始3/4周期内压力波调制器转子转速减半，信号相位滞后270°，代表二进制编码“11”。

8.根据权利要求4所述的流体压力波编码调制方法，其特征在于所述的调制方法采用幅频调制，由脉冲幅度调制生成的两组二进制基带信号分别控制压力波调制器转子转速和定子轴向位移，同时调整载波信号频率与幅度，生成压力幅频调制信号。

9.根据权利要求4-8任一所述的流体压力波编码调制方法，其特征在于所述的调制方法使用信道编码技术，通过对原有信息添加冗余来对抗信道引起的传输错误，信号编码使用Turbo码，采用线性调频信号作为同步头。

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