CN113853100B - 一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统，属于深地长期连续性监测和控制系统的电子设备保护和冷却降温领域；包括地面系统、深地系统和异常处理系统，深地监测模块包括热量管理器，热量管理器安装在偏心机构内部，偏心机构与支撑管进行机械连接，且支撑管和偏心机构埋入地下；热量管理器包括热量管理器本体，热量管理器本体底端由下至上设置热端和冷端，热端和冷端间设置N型和P型半导体，冷端上安置电子设备，热量管理器本体顶端由上至下设置绝热塞和相变材料；热量管理器本体内还设置真空腔，且真空腔向下延伸至N型和P型半导体处。本发明全面提高了标准电子仪器的工作温度。
Description
技术领域
本发明属于深地长期连续性监测(如地质变化、物理场变化及自然灾害产生机理等)和控制系统的电子设备保护和冷却降温领域，尤其涉及一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统。
背景技术
地球深部动力学过程是深地科学研究的重大问题之一。地球深部演变过程与全球变化、资源环境、地质灾害等密切相关。井中监测系统的独特优势促进了新的科学发现。当前的井中测量，只能进行短时间的探测，或者浅部监测，无法获得深部岩石的长期变化特征及其累积效应，但对地球基础科学研究及其深部动力过程分析，均需要长期连续观测数据作为支撑。对于断层的长时间运移特征、地震的发生机制、火山岩浆囊及火山通道的变化规律等研究，目前均是依靠地表的观测站来实现。利用深井平台，深入地球内部，进行近距离、实时磁场观测，因具有明显的信噪比高、分辨率高等优势，可获得地表观测无法实现的微小变化信息。
深入地球内部，直接监测地球深部的物理场微弱变化及其累积过程和效应，可提升地球深部目标的识别能力，深化地球深部结构与深部过程细节的认知程度，对促进地球系统科学发展具有重要意义。为解决上述问题需要对地球深部进行长期连续监测(监测时间大于等于6个月)--科学测井，在地球不同深度设置连续监测节点，获取地球深部微变化信息及其长期的累积效应，支撑因地球深部微变化累积效应引起的地震和火山活动、环境变化和岩石圈构造等重大科学问题研究，然而，由于井下狭小空间和高温(200℃或以上)高压(1000MPa或以上)恶劣的井下环境，标准电子元件无法长时间有效工作。而使用能在高温长期连续性有效工作的电子元件将解决温度问题，目前还没有更好的方法。因此，亟待开发一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统。
发明内容
本发明目的在于提供一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统，以解决标准电子仪器无法在深地(或深井)高温高压环境下长期连续性工作的的技术问题。
为实现上述目的，本发明的一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统的具体技术方案如下：
一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统，包括地面系统、深地系统和异常处理系统，且地面系统、深地系统和异常处理系统均由供电系统提供电力输送，深地系统包括深地监测模块和运输模块，运输模块包含电力线传感线和数据采集传输线，深地监测模块包括热量管理器，热量管理器安装在偏心机构内部，偏心机构与支撑管进行机械连接，且支撑管和偏心机构埋入地下；
热量管理器通过线路与动力输出控制系统和热量管理器电子设备传感数据地面显示模块电性连接；
热量管理器包括热量管理器本体，热量管理器本体底端由下至上设置热端和冷端，热端和冷端间设置N型和P型半导体，冷端上安置电子设备，热量管理器本体顶端由上至下设置绝热塞和相变材料；热量管理器本体内还设置真空腔，且真空腔向下延伸至N型和P型半导体处。
进一步，偏心机构中间形状为圆柱，两头形状为圆锥，圆柱中设置热量管理器安装室，热量管理器安装室中放置热量管理器，且热量管理器安装室一端设置走线口，走线口延伸至偏心机构顶端。
进一步，热量管理器本体周侧一体成型设置热量管理器定位固定凸台；
热量管理器安装室内部设置至少一组热量管理器定位固定槽，且热量管理器定位固定槽与热量管理器定位固定凸台卡合。
进一步，支撑管外部加工锲型槽，线路锲入支撑管内部，支撑管外部还套设有固定环，将线路紧固在支撑管上。
进一步，地面系统包括控制模块、执行模块和热量管理器电子设备传感数据地面显示模块；热量管理器电子设备传感数据地面显示模块，用于显示安装在井下热量管理器内部的电子设备所探测到的实时数据；
控制模块包括基于神经网络PID控制系统和动力输出控制系统，基于神经网络PID控制系统用于地面控制热电制冷装置的制冷和制热效果；动力输出控制系统是提供电子设备供电、信号采集用电和热电制冷的供电；
执行模块包括PID控制电路和异常预警数据输送执行系统，PID控制电路是基于神经网络与PID控制系统的执行电路，用来控制热电制冷的制冷和制热效果；异常预警数据输送执行系统为将热量管理器报警系统的异常数据传送给地面控制系统。
进一步，供电系统包括科学测井系统电力系统模块、常规供电模块、应急供电模块和电源适配模块，地面系统、深地系统和异常处理系统直接从常规供电模块获得电能；
应急供电模块由科学测井系统电力系统模块为其充电，且通过电源适配模块与常规供电模块连接从而输出各种所需电压，满足各系统、装置的要求。
进一步，异常处理系统包含温度异常、异常报警、异常分析、异常反馈地面系统和异常消除；当热量管理器内部电子设备安装区温度监测发现温度出现异常，则深地监测模块将异常信号传送到异常处理系统中的温度异常模块中，然后进入异常报警、异常分析将异常反馈到地面系统，地面系统根据分析结果对控制模块中换热控制模块和冷却液动力输出控制模块进行冷却液循环制冷速度调控，使深地系统中的深地监测模块中的温度监测异常消除。
本发明的一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统具有以下优点：
1、本发明首次将热管理引入深地电子仪器连续性观测领域内，科学测井，区别于现在有的短时间间断性的电缆测井和随钻测井。
2、针对本发明对温度控制效果设计出一个对热量管理器自动报警的系统，提高了热量管理系统的自适应性和有效性；
3、针对热电制冷控制系统发明神经网络和PID结合控制思想，对热电制冷装置进行冷端温度精确控制(神经网络参考Charu C.Aggarwal.Neural Networks and DeepLearning[M].Springer,Cham:2018-01-01.PID控制参考[1]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真.第2版[M].电子工业出版社,2004)；
4、本发明有效的控制热量管理器温控性能，全面的提高了标准电子仪器的工作温度，能大大降低研制井下电子仪器高温芯片的成本。
附图说明
图1为本发明的一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统的示意图。
图2为本发明的一种深部探测热量管理器与支撑管安装机构。
图3为本发明的一种热量管理器偏心机构内部结构图。
图4为本发明的一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统的热量管理器结构示意图。
图5为本发明的一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统的热量管理器的纵向剖视图。
图6为本发明的一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统的实施例中支撑管和线路安装示意图。
图7为本发明的一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统的实施例中系统运行示意图。
图8为本发明的一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统的实施例热电制冷控制示意图。
图中标记说明：1、支撑管；11、支撑管锲型槽；12、固定环套；2、地质层；3、偏心机构；31、走线口；32、偏心机构安装螺孔；33、偏心机构与支撑管配合槽；34、热量管理器安装室；35、热量管理器定位固定槽；4、动力输出控制系统；5、线路；51、安全插头；6、热量管理器电子设备传感数据地面显示模块；7、热量管理器外部壳体；70、热端；71、热量管理器定位固定凸台；72、热量管理器本体；73、热量管理器走线槽；74、真空腔；75、绝热塞；76、相变材料；77、电子设备(包括温度传感电子设备、压力传感电子设备、磁通门电子设备、地震仪等其中一种或多种组合)；78、冷端；79、N型和P型半导体。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统做进一步详细的描述。
如图1-图7所示，本发明是一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统，该发明主要用于对深地长期连续性观测的电子设备进行热量管理，从而提高电子设备的有效工作温度，使电子设备能在高温高压下正常工作，从而使监测地球深部的电子设备深入地球内部，直接监测地球深部的物理场微弱变化及其累积过程和效应，提升地球深部目标的识别能力，深化地球深部结构与深部过程细节的认知程度，对促进地球系统科学发展具有重要意义。从而本发明使电子设备能在地球深部高温高压极端环境下进行长期连续监测，在地球不同深度设置连续监测节点，获取地球深部微变化信息及其长期的累积效应，支撑因地球深部微变化累积效应引起的地震和火山活动、环境变化和岩石圈构造等重大科学问题研究。
如图1所示，本发明一种深地电子设备的热量管理系统实施例的示意图。其中，偏心机构3与支撑管1进行机械连接，热量管理器7安装在偏心机构3内部，然后，将支撑管1放入深地下，此时，动力输出控制系统4通过线路5将动力送到热量管理器7中，使N型和P型半导体79通电工作；
如图2所示，本实施案例中偏心机构3与支撑管1连接示意图，由于深地长期监测需要将支撑管1长期安装在深地(井下)，所以发明一种偏心机构3与支撑管1进行机械连接，由于深地环境空间有限，且尺寸狭小，容易对电子监测设备造成损坏，所以偏心机构3形状为：中间形状为圆柱，两头形状为圆锥(图中没有显示)，使安装系统过程偏心机构3不容易被卡在地质层2或井壁上，制造材料为高强度高硬度材料，从而在高温高压下长期连续性工作。所以将热量管理器7安装在偏心机构3内部，从而使热量管理器7安全可靠的放在井下工作。
如图3所示，本实施例中偏心机构内部结构示意图，走线口31将线路5引进偏心机构3内部，连接到热量管理器7；偏心机构安装螺孔32将偏心机构3通过螺栓连接到支撑管1上；偏心机构与支撑管1配合槽33其尺寸比支撑管1直径稍微小一点，让支撑管1与偏心机构3进行过盈配合。热量管理器安装室34是将热量管理器7安装在其中，且利用热量管理器定位固定槽35与热量管理器定位固定凸台71相互配合将热量管理器7固定在偏心机构中，使热量管理器7与偏心机构3同时安装在支撑管上。
如图4所示，本实施例中热量管理器示意图，热量管理器7的外形与偏心机构3相互配合，如热量管理器定位固定凸台71与偏心机构3中的热量管理器定位固定槽35相配合，热量管理器7主要有四层结构组成，第一部分为最外层热量管理器本体72，第二部分为真空腔74，用来阻止外部热量通过热传导快速传导热量管理器7内部，同时真空腔74加工到N型和P型半导体79处，目的是防止真空腔阻止热端70产热传出热量，第三部分为绝热塞75和相变材料76，其中绝热塞75是为了阻止外部环境通过热量管理器顶部热量直接传入电子设备77工作环境，相变材料76是吸收电子设备77产生的过多的热量和外部环境传入的热量。第四部分为热电制冷装置，其中包括冷端78、N型和P型半导体79和热端70，通过线路给半导体供电工作使冷端制冷热端制热，将电子设备77安装在冷端，通过控制热电制冷输入电流大小来控制冷端温度。
冷端78制冷热端70制热，电子设备77安装在冷端78，从而控制电子设备77工作环境温度，结合真空腔74阻断了外部高温进入热量管理器7内部。同时也阻止冷端78制冷与外部环境进行对流换热，使冷端78温度一直维持在有效的温度范围内；结合相变材料76来吸收热量管理器7冷端多余的热能，进一步使电子仪器77工作在低温状态下。热电制冷的热端70与热量管理器本体72直接相连接，将热端70产生的热量通过热量管理器本体72和偏心结构3传入外部环境中，为了使热端70产热的热量有效的传入外部环境，真空腔74的加工长度是到N型和P型半导体79处，防止真空腔74阻断热端将热量传到外部环境。由热电制冷的特点，只要动力输出控制系统4提供足够的电流，热电制冷冷端温度就足够低，从而保证电子仪器77的有效工作温度。由此，达到电子仪器对深地进行有效的长期监测。
如图5所示，本发明实施例中支撑管和线路安装示意图；由于本发明是一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统应用于深地长期连续性观测(监测时间大于等于6个月)，所以线路安装是重要的。所以将支撑管1外部加工锲型槽11，将线路锲入支撑管1内部，然后，为防止脱落支撑管1外部安装固定环12将线路紧固在支撑管1上。
如图6所示，为本发明实施例中系统运行示意图，存在四个系统，分别是地面系统，深地系统，供电系统，异常处理系统，其中供电系统给其他三个系统提供电力输送。
地面系统中含有控制模块、执行模块和热量管理器电子设备传感数据地面显示模块。其中，热量管理器电子设备传感数据地面显示模块，是用来显示安装在井下热量管理器内部的电子设备所探测到的实时数据；控制模块中包含有基于神经网络PID控制系统和动力输出控制系统，基于神经网络PID控制系统用于地面控制热电制冷装置的制冷和制热效果。动力输出控制系统是提供电子设备供电、信号采集用电和热电制冷的供电；执行模块包括PID控制电路和异常预警数据输送执行系统，PID控制电路是基于神经网络与PID控制系统的执行电路，用来控制热电制冷的制冷和制热效果。
深地系统中包含两个模块，分别为深地监测模块和运输模块，其中，深地监测模块中包含热量管理器、电子设备正常监测工作和热量管理器内部热电冷端温度传感器，热量管理器使电子设备正常监测工作，其中电子设备77中含有对冷端78周围环境的温度监测电子设备。运输模块包含电力线传感线和数据采集传输线，前者为热电制冷装置和电子设备77供电，后者将已被电子设备77采集的数据运输到地面系统，在地面显示模块进行显示。
供电系统包含四个模块，分别为科学测井系统电力系统模块、常规供电模块、应急供电模块和电源适配模块，地面系统、深地系统和异常处理系统直接从常规供电模块获得电能，同时为防止因常规供电模块故障而导致整个系统停电无法工作，本发明还配备一个应急供电模块，该应急供电模块同样由科学测井系统电力系统模块为其充电，考虑到本发明的所有系统、装置所需电压不一致的问题，常规供电模块与应急供电模块还需与电源适配模块连接从而输出各种所需电压，满足各系统、装置的要求。
异常处理系统包含温度异常、异常报警、异常分析、异常反馈地面系统和异常消除；起重要作用是深地监测系统中热量管理器内部温度，即当热量管理器内部电子设备77周围环境和冷端78温度监测发现温度出现异常，则深地监测模块将异常信号传送到异常处理系统中的温度异常模块中，然后进入异常报警异常分析将异常反馈到地面系统，地面系统根据分析结果对控制模块中基于神经网络PID控制系统和动力输出制系统进行电流和网络更新调控，从而异常预警数据输送执行系统进行预警处理，使深地系统中的深地监测模块中的温度监测异常消除。异常预警数据输送执行系统是处理异常处理系统异常报警行进处理。
工作原理：
地面系统包含控制模块、执行模块和热量管理器电子设备传感数据地面显示模块，首先基于神经网络PID控制系统发出控制指令启动执行模块，使PID控制电路进行控制电路效率，使热电制冷冷端和热端进行工作，从而降低冷端78温度保护电子设备77工作环境温度。在此过程深地系统中热量管理器内部的电子设备77(包括温度传感电子设备、压力传感电子设备、磁通门电子设备、地震仪等其中一种或多种组合)进行长期的监测工作，监测数据传到地面系统在显示模块中显示，从而提供相关人员对深地各个物理场等信息进行研究分析；在地址深地监测模块中，当安装在电子设备77的冷端78温度电子设备监测到热量管理器内部温度过高时，出发异常处理系统，进行异常报警异常分析最后将异常反馈到地面系统，地面系统将调整控制模块和执行模块对异常报警的处理，将结果返回异常处理系统从而异常消除。
图7为本发明的一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统的实施例热电制冷控制示意图。神经网络在各门学科领域中都具有很重要的实用价值，根据本系统的控制系统的特点，为了快速精确的控制热电制冷的效果，本文采用神经网络与PID相结合的作为热电制冷的控制方法。
(1)常规PID控制器，直接对被控对象进行闭环控制，并且其控制参数Kp、Ki、Kd为人工调整方式；
(2)神经网络根据系统的运行状态，调节PID控制器的参数，以期达到某种性能指标的最优化，使输出层神经元的输出对应于PID控制器的3个可调参数KD、Ki、Kd。通过神经网络的自学习、加权系数的调整，使BP神经网络输出对应于某种最优控制规律下的PID控制器参数。以热电制冷装置为控制对像，采用增量式PID控制算法进行控制。在PID控制器中，输出控制量u(t)不仅取决于当前输入偏差量e(t)，还与控制系统在过去整个运行过程中采集测量到的偏差量e(t)有关。在输入偏差不断累积下，输出控制量会不断增大，容易使系统产生超调，且不易通过硬件平台来实现控制算法。目前增量式PID控制算法广泛应用于各控制系统中，其算法结构简单，便于硬件实现；具有很好的动静态控制效果，其离散表达形式为：
令：KD＝KP·KD，则上式可以改写为
同理，可以的得到下式：
由公式上述公式可以推导出增量PID的输出量为：
Δu(k)＝KP[e(k)-e(k-1)]-KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
采用神经网络控制和PID控制算法相结合提高控制热电制冷系统性能式中KP、KI、KD分别为比例、积分、微分系数。
神经网络PID的算法实现
神经网络模型训练
第l步：设计输入输出神经元。本发明神经网络的输入层设置3个神经元，分别为输入温度vi、温度偏差e和偏差变化量△e，输出层有3个神经元，为PID控制器的3个可调节参数Kp、Ki、Kd；
第2步：设计隐含层神经元个数。本发明初步确定隐含层节点数为5个。学习一定次数后，不成功再增加隐含层节点数，一直达到比较合理的神经元数为止；
第3步：设计网络初始值。本文中设定的学习次数N＝3000次，误差限定值E＝0.5；
第4步：对网络进行训练和仿真；
第5步：测试阶段的工作，在测试阶段，主要是对训练过的网络输入测试样木，测试网络的学习效果，即判断网络的运算值与样本的期望值之差是否在允许的范围之内。如果期望值之差在允许的范围之内，则训练结束，否则增加样本数、改变隐藏层数和误差值重复上述步数直到满足要求为止。
当模型训练成功则可以精确控制热量管理器的温度，使电子设备77在深地进行长期连续性监测工作。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (6)
1.一种深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统，包括地面系统、深地系统和异常处理系统，且地面系统、深地系统和异常处理系统均由供电系统提供电力输送，深地系统包括深地监测模块和运输模块，运输模块包含电力线传感线和数据采集传输线，其特征在于，深地监测模块包括热量管理器(7)，热量管理器(7)安装在偏心机构(3)内部，偏心机构(3)与支撑管(1)进行机械连接，且支撑管(1)和偏心机构(3)埋入地下；
偏心机构(3)中间形状为圆柱，两头形状为圆锥，圆柱中设置热量管理器安装室(34)，热量管理器安装室(34)中放置热量管理器(7)，且热量管理器安装室(34)一端设置走线口(31)，走线口(31)延伸至偏心机构(3)顶端；
热量管理器(7)通过线路(5)中的电力线传感线和数据采集传输线，与动力输出控制系统(4)和热量管理器电子设备传感数据地面显示模块(6)分别电性连接；
热量管理器(7)包括热量管理器本体(72)，热量管理器本体(72)底端由下至上设置热端(70)和冷端(78)，热端(70)和冷端(78)间设置N型和P型半导体(79)，冷端(78)上安置电子设备(77)，热量管理器本体(72)顶端由上至下设置绝热塞(75)和相变材料(76)；热量管理器本体(72)内还设置真空腔(74)，用来阻止外部热量通过热传导传导热量进入管理器(7)内部，且真空腔(74)向下延伸至N型和P型半导体(79)处。
2.根据权利要求1所述的深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统，其特征在于，热量管理器本体(72)周侧一体成型设置热量管理器定位固定凸台(71)；
热量管理器安装室(34)内部设置至少一组热量管理器定位固定槽(35)，且热量管理器定位固定槽(35)与热量管理器定位固定凸台(71)卡合。
3.根据权利要求2所述的深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统，其特征在于，支撑管(1)外部加工锲型槽(11)，线路锲入支撑管(1)内部，支撑管(1)外部还套设有固定环(12)，将线路紧固在支撑管(1)上。
4.根据权利要求1所述的深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统，其特征在于，地面系统包括控制模块、执行模块和热量管理器电子设备传感数据地面显示模块；热量管理器电子设备传感数据地面显示模块，用于显示安装在井下热量管理器内部的电子设备所探测到的实时数据；
控制模块包括基于神经网络PID控制系统和动力输出控制系统(4)，基于神经网络PID控制系统用于地面控制热电制冷装置的制冷和制热效果；动力输出控制系统是提供电子设备供电、信号采集用电和热电制冷的供电；
执行模块包括PID控制电路和异常预警数据输送执行系统，PID控制电路是基于神经网络与PID控制系统的执行电路，用来控制热电制冷的制冷和制热效果；异常预警数据输送执行系统为将热量管理器报警系统的异常数据传送给地面控制系统。
5.根据权利要求1所述的深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统，其特征在于，供电系统包括科学测井系统电力系统模块、常规供电模块、应急供电模块和电源适配模块，地面系统、深地系统和异常处理系统直接从常规供电模块获得电能；
应急供电模块由科学测井系统电力系统模块为其充电，且通过电源适配模块与常规供电模块连接从而输出各种所需电压，满足各系统、装置的要求。
6.根据权利要求1所述的深井长期连续性检测电子仪器的热量管理系统，其特征在于，异常处理系统包含温度异常、异常报警、异常分析、异常反馈地面系统和异常消除；当热量管理器内部电子设备(77)安装区温度监测发现温度出现异常，则深地监测模块将异常信号传送到异常处理系统中的温度异常模块中，然后进入异常报警、异常分析将异常反馈到地面系统，地面系统将调整控制模块和执行模块对异常报警的处理，将结果返回异常处理系统从而异常消除。
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2021
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