CN112771242A - 可编程通用探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可编程通用探头，包括：壳体，具有安装在所述壳体中的可控的电源，以向探头的组件提供电源电压；控制器，所述控制器包括加速计传感器的系统、微控制器和温度传感器；以铁氧体发射天线为形式的天线组件；以及辐射功率计，包括具有放大器的电流传感器。天线组件配备有电源开关和输入信号放大器。铁氧体天线被设计为收发器天线，收发器天线能够在编程模式中接收探头的工作参数并且在工作模式中向接收器发送信息。接收器和可编程探头具有兼容的数据接收和发送协议。

Description

可编程通用探头

技术领域

本发明涉及一种在利用非开挖技术的井的建造中使用的定位设备，并且被用在用于水平定向钻探的定位系统中。

背景技术

已知的是，放置在钻头中的电子探头的在将稳定信号发送到接收设备处时的距离(深度)方面的能力受到接收点处的工业电磁干扰水平的限制，并且频谱干扰分量的水平在地形的不同部分中可能彼此有很大的变化。为了增加所接收的数据信号与特定钻探条件的干扰水平的比率，使用最适合于使得钻探点处的工业噪声水平最小的工作频率的电子探头。

由美国DCI制造的用于定位系统F2的已知的电子探头类型FX/FXL，包括在金属外壳中并且连接到后面的塑料外壳的可控电源单元，该塑料外壳容纳包括加速计传感器(小时)的系统、微控制器和温度传感器的控制器、以铁氧体发射天线为形式的天线组件(天线驱动器)、以及包括具有放大器的电流传感器的辐射功率计。天线组件配备有电源开关和输入信号放大器。在这种情况下，微控制器还用于产生将传感器信号传输到表面的天线激励信号。被放置在塑料外壳中的所有列出的元件都填充有防潮化合物。塑料壳体提供交变磁场线的自由传播。钻头具有带有纵向通槽的部分，用于磁场线的无阻碍离开。[http://gnb-electronics.ru/oborudovanie-gnb/sonde-digitrak-f2-f5/fxl12/publ.10.06.2018][1]

这种仅具有一个工作频率的探头的缺点是难以选择最佳频率，这使得其工作能力变窄并且由于工业电磁干扰的影响而降低了探头的效率。

已知一种电子探头，其包含加速度计传感器，该加速计传感器通过输出连接到基于第一微控制器的传感器信号处理单元。该单元的输出连接到该单元的输入，以用于产生基于第二微控制器产生的用于激励磁性天线的特定频率的信号。在这种情况下，传感器的输出同时与该单元的第二和第三输入连接，该单元的输出通过天线功率放大器连接到发射天线。该探头还配备有来自内置源或外部源的电源电压生成单元。[RU 163669,G01V3/11,公开日2016年7月27日][3]

这种探头类似物的缺点是探头不是可编程的：固定参数(频率)最初被构建到该类似物中，用户可以在开始作业之前选择该固定参数。为此，从钻头移除探头并且调节到所需的工作频率参数。因此，这种类似物对用户来说受到制造商的限制。

在技术本质和所实现的效果上最接近的是美国公司Digital Control Inc.的Falcon F5系统的探头。它被尽可能靠近作业工具地直接安装到钻头中并且被设计成测量关于地下钻探工具的位置(倾斜、旋转)、其温度和电源元件的剩余容量的信息并且通过无线电信道将该信息传输到操作者的接收器。在将探头安装到钻头中之前，探头的无线电信道的工作频率经由红外信道被编程。[http://archive.digital-control.com/russian/products/classic/f5/f5-overviewpubl.01.06.2018][2]

这种探头类似物的缺点在于，在已知的解决方案中，在不将探头从钻头移除的情况下，不可能根据工作频率来调整探头，因为探头具有固定的工作频率，为了改变该工作频率，必须将探头从钻头移除。不可能改变诸如探头的辐射功率、“睡眠”模式(关闭电源，并且如果需要的话，重启)之类的参数。此外，当安装在具有不与制造商所推荐的(用于在岩石、重土中作业的多个头部)对应的纵向槽几何形状的钻头中时，电池消耗大量能量，这显著地减少了来自一个电源组的探头的工作时间。探头的编程通过红外信道执行，并且这不允许例如改变通过无线电信道将关于当探头安装在钻头中时的地下钻探工具的位置的信息传输到操作者的接收器的工作频率。

发明内容

所提出的解决方案的技术问题是，扩展用户的能力以改变探头参数以便针对特定项目优化该探头参数、创建提供上述参数的用于钻头的探头、消除类似物的缺点。

所要求保护的本发明的技术效果是，增加钻头作业的可靠性和效率，提供对探头的功率进行编程的能力(改变探头的发射器功率的程序控制)，提供对探头的进入睡眠/未进入睡眠模式进行编程的能力(探头的电源模式的程序控制)，提供在钻探期间将探头和接收器的相互作用的工作频率改变为任何其它频率而无需从钻头移除探头的能力，提供对钻头的适配模式(钻头发射无线电信号的良好程度)，提供确定对探头进行编程的控制系统的能力。

通过以下事实实现了所指出的技术效果：一种可编程通用探头，包括：壳体，具有安装在所述壳体中的可控的电源，以向探头的组件提供电源电压；控制器，所述控制器包括加速计传感器的系统、微控制器和温度传感器；以铁氧体发射天线为形式的天线组件；以及辐射功率计，包括具有放大器的电流传感器。天线组件配备有电源开关和输入信号放大器。铁氧体天线被设计为收发器天线，收发器天线能够在编程模式中接收探头的工作参数并且在工作模式中向接收器发送信息。接收器和可编程探头具有兼容的数据接收和发送协议。

由于对探头参数编程的可能性，例如对探头功率编程(改变探头的发射器功率的编程控制)、对探头的睡眠/非睡眠模式编程(探头电源模式的软件控制)，在钻探期间将探头和操作者的接收器之间的相互作用的工作频率改变为任何其它频率而不从钻头移除探头的能力，钻头的适配模式的存在(钻头发射无线电信号的良好程度)，编程该探头的控制系统的确定，因此执行了扩展用户的能力以改变探头参数以便针对特定项目优化该探头参数。由于这样的事实，即，在具有用于接收和发送SENSE系统的数据的兼容协议的接收器的菜单中，设置探头的参数的值和工作模式：辐射功率水平、睡眠模式、工作频率、在钻探期间切换频率的许可，因此确保了能力。为了在操作者的命令下执行编程以完成参数的设置，接收器生成代码消息，在该代码消息中，每个参数具有其自己的严格定义的位置。关于编程接收器的型号的信息被自动添加到代码中。代码消息由接收器发送，以调制的低频电磁辐射的形式连续重复。在开启可编程通用探头之后，该可编程通用探头进入接收模式10秒，并且“等待”来自接收器的代码消息。在代码消息不存在或格式不适当的情况下，探头根据先前编程的参数在10秒之后切换到发射模式。在通过探头的天线单元从接收器接收相应格式的代码消息的情况下，被编码在探头中的参数被存储在探头的微控制器存储器中，并且探头根据新获得的参数继续作业。

通过从接收器以低频电磁信号的形式发射代码消息，然后该代码信息由天线单元接收，并且通过探头的微控制器进行代码消息的解码和识别，来执行对探头的功率的编程。根据指定的辐射功率水平，微控制器设置可控电源的最大允许输入功率。为此，测量电流消耗，并且改变供应该电流消耗的电压值，使得从可控电源供应的功率是恒定的。通过具有放大器的电流传感器来执行探头的电流消耗的测量，该放大器的输出连接到微控制器，输出电压也被控制并且功耗由微控制器计算。探头在不同功率下的工作允许避免过载，以确保当使用具有非最佳的槽几何形状的钻头时探头的正常工作(其它探头自动关闭)，并且当使用具有正确的槽设计的头部时获得最有效的信号，即，使探头“适应”钻探工具的参数。

探头睡眠模式由微控制器和包括加速度传感器系统的控制器提供。只要探头在给定时间内不动，探头就“进入睡眠”。当对探头编程时接收指定时间，如果该指定时间等于零，则探头不进入睡眠。探头的不动性由其加速度传感器系统的不变数据确定，该加速度传感器向微控制器提供信息。微控制器计算探头的静止时间并且在编程期间也可以由接收器预设的时间之后将探头置于“睡眠模式”。在这种模式下，微控制器将探头的所有元件切换到低功耗模式，并且探头本身“进入睡眠”。这导致探头的电源的显著节省。探头在其移动或旋转开始时唤醒：在这种情况下，加速计传感器的系统产生用于微控制器的唤醒信号，微控制器又允许将电源连接到探头。

如果需要改变从探头到接收器的信号传输的频率(与接近所执行的作业的正在工作的工业频率一致，干扰探头并导致不正确工作的工业设备)，则在钻探过程期间，可以通过在指定时间根据“时钟”(小时刻度盘)将探头设置到某个位置来改变“频率”。在获得改变频率的许可的情况下，可以通过“借助时钟”将探头的位置固定在某些位置来将探头切换到编程模式。为此，探头位置被顺序地固定在“10点钟”15-30秒的时段，然后在“2点钟”位置15-30秒的时段，然后在“7点钟”位置15-30秒的时段，加速度计被提供信号给微控制器以进入编程模式。然后将探头设置到与期望频率对应的时钟位置。(例如，当切换到30kHz的频率时，需要设置位置“5点钟”)。之后，通过使用键盘在接收器指示器上的菜单中进行手动选择，在接收器上切换频率，之后必须将探头的位置固定在“9点钟”以确认切换并使探头退出编程模式。在返回到接收器定位模式之后，接收器开始显示关于编程频率的实际信息。

为了禁止改变频率，来自接收器探头的代码消息包含微控制器程序所考虑的相应信息。此外，该代码还包含关于编程接收器的型号的信息，因此仅可能将频率改变为对于给定型号的探头可接受的频率。

附图说明

可编程通用探头在附图中示出，其中附图示出该设备的框图。

具体实施方式

可编程通用探头包括可控电源1(图)、控制器2、天线单元3、辐射功率计4。可控电源1被配置为向可编程通用探头的所有单元提供电源电压。被提供至天线单元3的电源电压的值由控制器2根据探头的工作模式来设定。控制器2包括加速计传感器5的系统、微控制器6和温度传感器7。微控制器6被配置为接收用于可编程通用探头的工作模式的编程数据、处理来自加速计传感器5的信息，并且根据给定模式控制所有节点的工作。天线单元3包括铁氧体收发天线8、电源开关9和输入信号放大器10。在编程模式中，收发天线8是接收天线(其接收探头的工作参数)，在工作模式中，收发天线是发射天线(信息被发射到接收器)。辐射功率计4是具有放大器12的电流传感器11，电流传感器被配置为测量天线单元3的功耗并且在适配模式中被用于钻头。受控制的电源1包含可更换的化学元件13。通过键盘15和指示器16从接收器14执行编程。

可编程通用探头如下工作。受控制的电源1为所有节点产生电源电压。在加电之后，控制器2将探头置于编程模式。来自外部设备的以低频电磁编程信号(其中编码有与探头的工作模式有关的信息)为形式的来自接收器的代码消息由收发天线8转换成电信号、由天线单元3放大并且馈送给控制器2。在接收到关于工作模式的数据之后，控制器2生成适当的命令，并且探头进入发射模式。如果在指定时间内没有发生编程，则探头根据最近的编程数据切换到发射模式。在编程模式中，可以编程所述收发天线8的辐射频率(由控制器2为天线单元3生成的相应信号的频率发生改变)、由控制器2设置的由提供给天线单元3的电压确定的辐射功率、“睡眠”模式，即，探头运动直至该探头被关闭节省电源的电力的时间；数据传输协议(探头可以与各种定位系统(甚至来自不同制造商)兼容；使能钻头的适配模式。探头中的对钻头的适配模式通过测量和维持天线单元3的恒定指定功耗的能力来实现，即，通过对功耗功率进行编程，当利用钻头进行作业时，在该钻头中纵向槽的几何形状不对应于制造商的建议(变窄、缩短或移位)，可以降低无效能量损失的可能性(因此，探头的检测范围被降低到最优值)，并且相反地，当纵向槽的尺寸超过建议时，探头的检测范围增加，同时维持功耗。

可编程通用探头使用如下。在接收器菜单14中，例如，由SENSE HDD llc[http://sense-hdd.ru/]制造的SNS系统设置探头的参数的值和工作模式：辐射功率水平、睡眠模式、工作频率、在钻探过程中的频率变化分辨率。在操作者的命令完成参数设置时，接收器14产生以低频电磁信号为形式的代码消息，在该代码消息中每个参数具有其自己的严格限定的位置。关于编程接收器14的型号的信息被自动添加到代码消息中。代码消息由接收器14发送，以调制的低频电磁辐射的形式连续重复。在将可更换的化学元件13安装到探头中之后，探头进入接收模式10秒并且“等待”代码消息。在代码消息不存在或格式不适当的情况下，探头根据先前编程的参数在10秒之后切换到发射模式。在由探头的天线单元3接收到相应格式的消息的情况下，被编码在探头中的参数存储在探头的微控制器6的存储器中，并且探头根据新获得的参数继续作业。探头中的低频电磁信号的接收由天线单元3执行，消息的解码和识别在探头的微控制器6中进行。根据给定的辐射功率水平，微控制器6设置电源的最大允许输入功率。为此：测量消耗电流，并且通过辐射功率计4改变提供给该消耗电流的电压值，使得所提供的功率恒定。通过具有放大器12的电流传感器11来执行探头的电流消耗的测量，该放大器的输出连接到微控制器6，输出电压被控制并且功耗由微控制器6计算。因此，实现了探头在不同功率下工作，同时这允许避免过载，从而在使用具有非最佳的槽几何形状的钻头(通常其它探头被自动禁用)时确保探头正常工作，并且在使用具有正确槽设计的头部时获得最有效的信号，即，使探头“适应”钻探工具的参数。睡眠模式由控制器2提供，控制器包括微控制器6和加速计传感器5的系统。只要探头在给定时间内不动，探头就“进入睡眠”。当对探头编程时，预设时间被设置为：如果预设时间是零，则探头不睡眠。探头的不动性由其加速度传感器5的系统的不变数据确定，该加速度传感器向微控制器6提供信息。微控制器6计算探头的静止状态的时间，并且在由接收器14设定的时间之后将探头置于“睡眠模式”。在这种模式下，微控制器6将探头的所有元件切换到低消耗模式并且自己“进入睡眠”。探头在其移动或旋转开始时唤醒：在这种情况下，加速计传感器5的系统为微控制器6产生唤醒信号。在钻探期间，可以通过根据“时钟”将探头设置到某个位置达指定时间来改变频率。在获得改变频率的许可的情况下，可以通过“借助时钟”将探头的位置固定在某些位置来将探头切换到编程模式。

该过程本身由几个连续的步骤组成。当顺序地将探头位置固定在“10点钟”15-30秒的时段，然后在“2点钟”位置15-30秒的时段，然后在“7点钟”位置15-30秒的时段时，加速计传感器系统5向微控制器6发送信号以进入编程模式。然后将探头设置到与期望频率对应的时钟位置。(例如，当切换到30kHz的频率时，需要设置位置“5点钟”)，此后在接收器14上切换频率。然后，将探头的位置固定在“9点钟”以确认切换并使探头退出编程模式。此外，为了禁止改变来自接收器14的代码消息中的频率，探头包含被微控制器6的程序考虑的相应信息，代码消息还包含关于编程接收器的型号的信息，因此，仅可能将频率改变为该型号可接受的频率。

工业适用性

当使用可编程通用探头时，可以对探头的频率进行编程、对探头的功率进行编程、对探头的睡眠/非睡眠模式进行编程、在钻探期间将探头的频率切换到任何其它频率的能力、存在对钻头的适配模式。探头具有通常被这类导航系统接受的圆柱形形状，探头被分成两部分：塑料和金属。天线所在的部分由可透过无线电的塑料制成，用于电池的部分是金属。

Claims (1)

1.一种水平定向钻具的钻头的可编程通用探头，包括：壳体，具有安装在所述壳体中的可控的电源，以向探头的组件提供电源电压；控制器，所述控制器包括加速计传感器的系统、微控制器和温度传感器；以铁氧体发射天线为形式的天线组件；以及辐射功率计，包括具有放大器的电流传感器，并且所述天线组件配备有电源开关和输入信号放大器，并且所述铁氧体天线还被设计为收发器天线，所述收发器天线能够在编程模式中接收所述探头的工作参数并且在工作模式中向接收器发送信息，并且同时所述接收器和可编程探头具有兼容的数据接收和发送协议。

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