CN110380793A - 一种基于金属介质件的通讯装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于金属介质件的通讯装置，每套装置包括本案独特结构的天线以及两个用于电磁波收发的收发一体机，其天线的外沿与金属介质件内壁贴合，并且收发一体机则连接外接数据接口以接收数据信息并将其进行调制和功率放大后加载于本案的天线套上，由于本案发射线圈套外沿与金属介质件贴合，使高频电磁波得以高效率地耦合进金属介质件，且由于本案的开放天线结构，高频电磁波会沿金属介质件内部进行轴向传输，然后被另外的收发一体机接收，经过解调解码处理后即可还原得到相关的数据，由此，基于在金属介质件内部传输的电磁波，实现了一种实用性很强的通讯装置，解决了业界长期存在的井下数据(或类似场合)的高速远距离传输问题。

Description

一种基于金属介质件的通讯装置

技术领域

本发明涉及一种通讯装置，特别涉及基于金属介质件的通讯装置。

适用于井下数据的高速传输，以及一切可以利用金属介质为电磁波传播媒介的类似场合，例如矿藏开采，煤层钻井，等等。

背景技术

目前在石油钻井领域，当钻具在底下深处运作时，如何将其实时数据高速远距离地传输到地面，这始终是一个有待解决的大难题，目前应对此难题的方法主要有几下几种，详细地：

(1)泥浆脉冲压力波传输方法，即通过高压钻井液，设法使其受阀门的控制以制造压力波，也就是说，使脉冲器将获得的数据按照特定的方式进行编码，产生脉冲信号，即获得了以音速传输至地面的压力波，在地面对此压力波进行接收、解码、还原，由此实现参数信号在地下与地面之间的传输，业界MWD一类的术语即指的是此类数据传输方法，但是，其数据传输速率约为1比特每秒左右，数据传输速率低，且技术复杂，阀门磨损维护周期短，成本高；

(2)智能钻杆技术：即接力传输的方式，每个钻杆的首末端分别安装感应装置，信号从一端被感应后通过放大并通过其上布置的有线电缆传递到另一端，然后再无线感应到另外一根杆体的线圈上，再有线传输到另一端，如此反复，信号被接力传输；但此方法存在极大的效率问题，且故障率为相与的逻辑关系，呈指数级增长，而且每根钻杆需要布置各自的电池以获取传输所需能量，仅替换电池的一项工作就极为繁琐，因此从未见有大规模应用，可知此方法技术极为复杂，故障率极高，维护性差，实用性极低。

其他还有有线电缆法，超声波法等等，均存在诸多问题，未被大规模推广。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于金属介质件的通讯装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于金属介质件的通讯装置，其特征在于，包括至少两个用于电磁波收发的收发一体机，至少两个所述收发一体机的接收线圈、利用金属杆件自身的电磁波传输特性进行数据信息的传输，发射线圈与所述金属介质件贴合并固定。

本发明的有益效果是：

1)：简捷高效，直接利用金属杆件自身的电磁传输特性进行数据的高速传输，除收发机部分外，其余传输部分可直接利用现有钻杆即可，无需额外的复杂接力传输结构，而其数据传输率可以比泥浆脉冲方式(数bps)及智能钻杆～100Kbps都要高，现有的数据率可以做到200Kbps，仍然具有很大提升潜力；

2)：使用本装置，可以彻底废弃目前主流的泥浆压力波数据传输等方式，传输大容量的图像声音等数据将变得简单可行，可能给整个行业带来颠覆性的效果；

3)：本发明也适用于各种金属介质，例如铁，不锈钢，无磁钢，铜，铜合金，铝，铝合金等，通过修改不同的谐振频率参数即可达到上述目的，其适用性强，应用面广泛。

可见，本发明实现了一种基于金属介质件的电磁感应通讯装置,适用面广、数据传输速率高、成本低、具有很强的实用性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

多信道：

每个所述收发一体机内设有电容，所述电容、所述发射线圈与所述金属介质件形成电路，且所述收发一体机的发射频率范围包含所述电路的谐振频率。

采用上述进一步方案的有益效果是：在金属介质件上绕制发射线圈后可计算出自感，然后利用电容的电容值可计算得到该电路的谐振频率，调整收发一体机的发射频率接近至该电路的谐振频率时，此时该电路为谐振电路，谐振电路会对传输中的高频电磁波进行放大，以便于被另外一个收发一体机接收并辨识，提高了接收过程的成功率。

多单元性：

所述金属介质件包括依次固定连接的至少两个金属介质单元。

采用上述进一步的方案的有益效果是：若干金属介质单元首尾依次连接并固定后形成金属介质件，可根据实际情况布置收发一体机以及传感器组，一方面，可获取不同位置的参数；另一方面，收发一体机主控软件可控制某一个或若干收发一体机的发射频率以及控制某传感器组的参数信号采集频率等，使其实用性进一步增强。

多样化的金属介质：

所述金属介质件可以为金属管道或金属实心杆，可以是各种不同种类金属材质，也可以是不同材质之间的感应通信。

采用上述进一步方案的有益效果是：当金属介质件为金属管道时，至少两个收发一体机的接收线圈、发射线圈与所述金属管道贴合并固定，且至少一个收发一体机连接传感器组，可实现数据通讯过程；当金属介质件为金属实心杆时，两个收发一体机的接收线圈、发射线圈与所述金属管道贴合并固定，且至少一个收发一体机连接传感器组，也可实现通讯，其适用性强，且数据传输速率高、准确度高、实用性强。

附图说明

图1为本发明一种基于金属介质件的通讯装置的应用在金属管道时的示意图；

图2为本发明一种基于金属介质件的通讯装置的应用在实心金属杆时的示意图；

图3为本发明一种基于金属介质件的通讯装置的应用在石油钻井现场的示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、金属管道基体；2、收发线圈；3、收发一体机；4、过盈压圈；5、非金属材料防护圈；6、连续金属杆体；7、钻杆(金属管道)；8、地面接收发射线圈；9、地面收发一体机；10、仪器短节；11、挠轴；12、近钻头短节；13、钻头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：短距离应用

如图1所示，本实施例的一种基于金属介质件的通讯装置的短距离应用，

两根实施本案装置的钻杆7通过各自的公母螺纹口拧合在一起；

其中一根的收发一体机3发出的电磁信号，可以被另一根钻杆7接收，被其收发一体机3解套解码后即可还原得到相关的数据，与此类似，在收发一体机主控软件的控制下，没有连接传感器组的收发一体机3可向第一收发一体机发送高频电磁波用于控制传感器组的参数信号采集频率等；

每个收发一体机3内设有电容，电容、收发线圈2和金属管道基底1形成谐振电路，且收发一体机3的发射频率范围包含电路的谐振频率，在金属介质件上绕制发射线圈后可根据公式：其中，k为系数，取决于发射线圈2的半径与长度(l)的比值，μ₀为真空磁导率，μ_s为相对磁导率，N²为发射线圈3的匝数平方，l：发射线圈2的长度，计算出其自感为某一常数，然后根据电容的电容值可得到电路的谐振频率，其计算公式为：其中C为收发一体机3设有的电容的电容值，调整收发一体机3的发射频率接近至该电路的谐振频率时，此时该电路为谐振电路，谐振电路会对所传输的高频电磁波进行谐振发射，以便另外一个收发一体机3能很好地对其进行接收并解调解码。通过实际测试得到的谐振频率与上述理论计算符合，在实际应用时，例如计算+实测得到其电感量为为40μH，此时假设收发一体机3内电容为27pF,那么其理论谐振频率约为4.8MHz，收发一体机3的发射频率可调至4.8MHz±5KHz的范围内，通过示波器就可以明显观察电磁信号的发射与接收的原始过程。

而且，每个收发一体机3内可设置不同电容值的电容，可以匹配不同的谐振频率，然后多个收发一体机3发射出不同频率，然后通过另外的收发一体机3进行解调后，可实时得到不同ID号的金属管道基底1的不同参数，具有更大的便捷性。

而且，实际测试表明，当输送液体或气体的金属管道基底1可同时分布地面以上和地面以下时，本申请的一种基于金属介质件的通讯装置也同样适用，进一步验证了其适用性。

实施例2，

应用于实体金属杆的情况：

如图2所示，本实施例的一种基于金属介质件的通讯装置，包括收发线圈2和两个用于电磁波收发的收发一体机3，金属介质件为连续金属杆体6，第一收发一体机和另外一个收发一体机3均设置在连续金属杆体6外，且收发线圈2均与连续金属杆体6的外壁贴合并固定。

其中：

1)参考上述本申请实施例1中的内容,可包含若干收发一体机3；

2)收发线圈2、收发一体机3等的安装位置和固定方式参考本申请实施例1；

3)为了便于区别描述，将组成连续金属杆体6的金属介质单元标记为金属介质单元二，连续金属杆体6由若干金属介质单元二通过连接件首尾依次连接并固定后形成，也可以是连续的单一整体金属杆体，在此不做赘述。

本实施例2中的基于金属介质件的通讯装置可将连续金属杆体6一端的参数信号能传输至其另一端，且数据传输速率高、方式灵活，实用性强。

实施例3：在石油钻井现场远距离应用。

如图3所示，本实施例的一种基于金属介质件的通讯装置，包括三个用于电磁波收发的收发一体机2以及各自的收发线圈2等，其中金属介质件为带收发机的金属钻杆1以及若干不带收发一体机3的普通钻杆，金属钻杆1带收发一体机3，接收近钻头短节12发来的，跨过挠轴11的电磁信号；

其中，近钻头短节12上带有的收发一体机3，其数据接口可通过接口与传感器组相连，传感器为温度传感器、电阻率传感器、姿态传感器、伽马传感器其中一种或几种，近钻头短节12上的收发一体机3将其接收的各地质传感器数据调制为高频电磁波信号后通过其收发线圈2耦合发射经过金属杆体(挠轴11)，而后与挠轴11螺纹连接的钻杆7上的收发一体机3接收此信号，对其进行处理后加大发射功率后耦合进普通钻杆向地面方向进行传播，在地面的井口处的收发一体机3接收到信号后经过解调解码后即可将所调制的数据还原，还原后的数据即可进入PC进行各种后期处理。

而且，金属钻杆7的数量、金属钻杆7的连接固定关系、金属钻杆7与收发线圈2之间的固定关系、收发一体机3设置在金属钻杆7壁内、传感器组设置在近钻头短节12内等情况可参考本申请实施例1中内容。

本实施例3中的基于金属介质件的通讯装置可将地下深处的近钻头13的信息快速准确地传输至地面，且数据传输速率高、方便简捷、实用性强。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于金属介质件的通讯装置，其特征在于，特殊的天线外沿耦合结构，收发线圈(2)缠绕在非金属材料防护圈(5)上，然后内嵌入杆件，之后用过盈压圈(4)压入固定在杆件的内壁上。

2.根据权利要求1所述的一种基于金属介质件的通讯装置，其特征在于，开放的金属电磁波传导结构，金属管道基体(1)保持开放的结构，未闭合。

3.根据权利要求1所述的一种基于金属介质件的通讯装置，其特征在于，开放的天线传导结构，即天线收发线圈(2)与地线的结构关系为开放式，未闭合的结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于金属介质件的通讯装置，其特征在于，每个收发一体机(3)内设置谐振电容，与所述收发线圈(2)构成谐振回路，其谐振频率与收发一体机(3)相匹配。

5.根据权利要求1至3任一项所述的基于金属介质件的通讯装置，其特征在于，所述金属介质件为金属管道或金属实心杆。

6.根据权利要求1所述的一种基于金属介质件的通讯装置，其特征在于，所述非金属材料防护圈(5)的轴截面为等腰梯形，所述梯形的下底与所述梯形任一腰之间的夹角α∈(10°～60°)。

7.根据权利要求6所述的一种基于金属介质件的通讯装置，其特征在于，所述非金属材料防护圈(5)的制造材质为氧化锆陶瓷或聚醚醚酮。