CN113863921A - 一种近钻头无线短传驱动电路及其功率自调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近钻头无线短传驱动电路及其功率自调节方法：该电路包括具有电压采集接口、电流采集接口和两个不同IO口的处理器单元，两个隔离模块分别与上述两个IO口电连接，驱动单元的输入端与上述两个隔离模块电连接，输出端与滤波匹配网络的输入端电连接，滤波匹配网络的输出端通过隔离保护单元与发射天线电连接，电压环反馈单元的输入端与隔离保护单元电连接，输出端与上述电压采集接口电连接，电流环反馈单元的输入端与隔离保护单元电连接，输出端与上述电流采集接口电连接。本发明所公开方法，极大的方便了对驱动功率的调节，能在满足无线短传要求的情况下选择合适的驱动功率，降低系统功耗。
Description
技术领域
本发明属于油气勘探工程的随钻测井技术领域，特别涉及该领域中的一种近钻头无线短传驱动电路及其功率自调节方法，可应用于地下空间短距离数据传输，例如随钻测井的近钻头仪器的数据无线传输。
背景技术
随着随钻技术的逐步发展，地质导向钻井技术将逐渐替代定向钻井技术成为主流。常规的LWD随钻测量系统由于地质参数测量仪器位于螺杆钻具的上方，与钻头有10m～15m的距离，在超薄油层施工时，很难获得好的地质导向效果。而近钻头测量系统的地质参数测量点与钻头距离在1m以内，能够很好地实现地质导向钻井功能。
目前，近钻头数据传输的实现形式主要有两种：一种是在螺杆中预埋导线的有线连接的近钻头测量系统，见专利CN201110393731.3，这种结构设计可保证数据的实时准确传输，但是现场应用施工难度较大，现阶段几乎很少使用；另一种是无线连接的近钻头测量系统，这种系统一般由四部分组成：近钻头测量传输短节、近钻头接收短节、MWD系统和地面处理系统。其中近钻头测量传输短节主要包括重力加速度测量模块、地磁场测量模块、伽马信号测量传感器、电阻率测量模块和无线传输装置等，完成钻井轨迹的工程参数测量和传输；近钻头接收短节主要包括信号接收处理模块和通讯模块，负责接收近钻头测量传输短节发射的数据信息并上传给MWD系统；MWD系统负责将钻井测量参数发送到地面处理系统；地面处理系统负责接收MWD系统发送来的数据信息，并显示给现场操作人员，以便监测钻头轨迹是否符合设计轨迹。
在近钻头无线传输方面，主要有两种方法：声波和电磁波。声波的信息传输系统见专利CN201220499240.7，但是声波极易受到钻井过程中产生的诸多噪声干扰，所以也不常采用；现阶段主流的传输方式还是电磁波方式。目前发射电磁波的天线有螺线环天线和偶极子天线两种。螺线环天线是在一个高磁导率的磁环上缠绕一定圈数的导线制作而成的环状天线，这种天线安装在钻铤的凹陷处，分为接收线圈和发射线圈，其发送信号的过程是仪器的驱动电路在发射线圈中产生激励电流，由于电磁感应，发射线圈在钻铤上产生微弱的感生电流，而安装在另一端的接收线圈接收到该电流后经过滤波、放大、解码形成完整的信息。偶极子天线是将钻铤断开成为电气绝缘的两段，作为发射信号的两极，其发送信号的过程是仪器的驱动电路直接将驱动电压加载在两个发射电极上，通过地层在接收电极上产生电压信号，经过接收电路的滤波、放大、解码形成完整的信息。
螺线环天线和偶极子天线各有优缺点，现实中都有应用，但其驱动电路各有不同，有的功率调节不方便，有的驱动电路元器件过多，这给本就紧凑的电路空间带来更多的设计困难。目前尚未发现有能够同时满足这两种天线形式的驱动电路。另外，由于偶极子天线是由电压驱动工作的，发射电压直接作用于天线两极。当天线处在电阻率很低的地层中(20Ω·m以下，比如钢套管中)，发射功率就会增大很多。如果长时间处在这种环境中，极易造成发射电路损毁或烧坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种能够同时满足螺线环天线和偶极子天线两种天线形式的近钻头无线短传驱动电路及其功率自调节方法，以免天线烧坏。
本发明采用如下技术方案：
一种近钻头无线短传驱动电路，其改进之处在于：包括具有电压采集接口、电流采集接口和两个不同IO口的处理器单元，两个隔离模块分别与上述两个IO口电连接，驱动单元的输入端与上述两个隔离模块电连接，输出端与滤波匹配网络的输入端电连接，滤波匹配网络的输出端通过隔离保护单元与发射天线电连接，电压环反馈单元的输入端与隔离保护单元电连接，输出端与上述电压采集接口电连接，电流环反馈单元的输入端与隔离保护单元电连接，输出端与上述电流采集接口电连接。
进一步的，处理器单元采用超低功耗的ARM处理器MKL25Z128，负责发射电流、电压的采样、滤波和功率计算，根据调制算法产生正弦脉冲调制波。
进一步的，调制算法采用正弦脉冲调制技术实现功率驱动调节。
进一步的，两个隔离模块均采用光电隔离器件，将驱动单元的高电压和处理器单元隔开。
进一步的，驱动单元由集成驱动芯片或者H桥组成，将小功率控制信号转换为大功率信号，用于驱动发射天线。
进一步的，滤波匹配网络采用π型或LC滤波器，对功率驱动信号进行滤波并进行阻抗匹配。
进一步的，隔离保护单元采用变压器将外部环境和电路隔离，并在发射频率范围内产生微小阻抗。
进一步的，电压环反馈单元采样驱动电路的电压，进行滤波和均值处理；电流环反馈单元采样驱动电路的电流，进行滤波和均值处理。
进一步的，发射天线为螺线环天线或者偶极子天线，用于向地层中发射电信号。
一种功率自调节方法，适用于上述的驱动电路，其改进之处在于，包括如下步骤：
设定驱动功率上限、驱动功率下限、预驱动电压PreV0、PreV1、PreV2，PreV2>PreV1>PreV0，采样功率等于实时采样电压和电流的乘积；
步骤1，设定驱动电压值为PreV0，产生相应幅值的正弦波，当采样功率大于驱动功率上限时，降低PreV0到当前值的十分之一或关断驱动电路，说明系统故障；
当采样功率大于驱动功率下限且小于驱动功率上限时，则设定驱动电压值为PreV0，并确定PreV0为合适的驱动电压；
当采样功率小于驱动功率下限时，则设定预驱动电压值为PreV1，进入步骤2；
步骤2，设定驱动电压值为PreV1，产生相应幅值的正弦波，
当采样功率大于驱动功率上限时，则设定预驱动电压值为PreV0，进入步骤1，并确定PreV0为合适的驱动电压；
当采样功率大于驱动功率下限且小于驱动功率上限时，则设定驱动电压值为PreV1，并确定PreV1为合适的驱动电压；
当采样功率小于驱动功率下限时，则设定预驱动电压值为PreV2，进入步骤3；
步骤3，设定驱动电压值为PreV2，产生相应幅值的正弦波，
当采样功率大于驱动功率上限时，则设定预驱动电压值为PreV1，进入步骤2，并确定PreV1为合适的驱动电压；
当采样功率大于驱动功率下限且小于驱动功率上限时，则设定驱动电压值为PreV2，并确定PreV2为合适的驱动电压；
当采样功率小于驱动功率下限时，则设定驱动电压值为PreV2，并确定PreV2为合适的驱动电压；
把以上调节过程产生的驱动电压值作为实际数据传输所需的驱动电压值，将数据‘0’调制成1KHz的正弦波，数据‘1’调制成2KHz的正弦波，处理器单元将数字‘0’和‘1’调制为等高不同宽度的波形信号，驱动单元采用12V的供电电压，经过正弦脉冲调制技术调制产生±1V到±11V的可调驱动电压。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的驱动电路，能够同时满足螺线环天线和偶极子天线两种天线形式，能够根据地层电阻率的高低自动调节驱动功率，避免烧坏天线。大大减少了驱动电路硬件部分的元器件数量，占用电路板空间更小。
本发明所公开的功率自调节方法，极大的方便了对驱动功率的调节，能在满足无线短传要求的情况下选择合适的驱动功率，降低系统功耗。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开驱动电路的组成示意框图；
图2是近钻头无线短传结构的示意图；
图3是本发明实施例1所公开驱动电路的算法流程图。
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，以下结合附图和实施例，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。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种近钻头无线短传驱动电路，包括具有电压采集接口、电流采集接口和两个不同IO口的处理器单元，两个隔离模块分别与上述两个IO口电连接，驱动单元的输入端与上述两个隔离模块电连接，输出端与滤波匹配网络的输入端电连接，滤波匹配网络的输出端通过隔离保护单元与发射天线电连接，电压环反馈单元的输入端与隔离保护单元电连接，输出端与上述电压采集接口电连接，电流环反馈单元的输入端与隔离保护单元电连接，输出端与上述电流采集接口电连接。
处理器单元采用超低功耗的ARM处理器MKL25Z128，负责发射电流、电压的采样、滤波和功率计算，根据调制算法产生合适的正弦脉冲调制波。调制算法采用正弦脉冲调制技术实现功率驱动调节。
两个隔离模块均采用光电隔离器件，将驱动单元的高电压和处理器单元隔开，防止处理器单元被高压烧坏。
驱动单元由集成驱动芯片(IR4427驱动芯片)或者H桥(4个mos管)组成，将小功率控制信号转换为大功率信号，用于驱动发射天线。本实施例设计发射信号0.5W，采用电路形式简洁的芯片。
滤波匹配网络采用π型或LC滤波器，对功率驱动信号进行滤波并进行阻抗匹配，以取得较高的功率发射效率。
隔离保护单元采用合适的变压器将仪器外部环境和仪器电路隔离，并在发射频率范围内产生合适的微小阻抗，进一步降低驱动电路被烧坏的风险。
电压环反馈单元采样驱动电路的电压，进行滤波和均值处理。电流环反馈单元采样驱动电路的电流，进行滤波和均值处理。发射天线为螺线环天线或者偶极子天线，用于向地层中发射电信号。
本实施例所公开驱动电路的工作原理为：当处理器单元收到数据传输控制命令时，将近钻头测量的工程参数数据进行FSK编码调制。通过软件调制算法，将数据调制成为两路正弦脉冲调制波，分别从处理器单元的两个不同的IO口输出，经过隔离模块后(快速的光电隔离器件)，控制驱动单元将低电压的控制波形转换为高压驱动波形，再经过滤波匹配网络将信号转换为合适的正弦波驱动波形。电流环反馈单元和电压环反馈单元不断采集驱动电流和电压的值并送入处理器单元的电压采集接口和电流采集接口(模数转换ADC0的CH0和CH1通道)。
具体的调制过程是将数据‘0’调制成1KHz的正弦波，数据‘1’调制成2KHz的正弦波，从而驱动发射天线向地层发射电磁波信号，接收天线接收到信号送入解码处理电路。
近钻头无线短传结构如图2所示，发射器包括无线短传驱动电路和发射天线两部分，发射天线的形式包括螺线环天线和偶极子天线两种。接收器包括接收电路和接收天线两部分，接收天线的形式包括螺线环天线和偶极子天线两种。信号传输是单向传输，由发射器发送到接收器。
图3是本实施例所公开驱动电路的算法流程图，由于钻进过程中，有的地层电阻率大，有的地层电阻率小，这种地层电阻率变化的不确定性决定了近钻头发射器的驱动功率必须实时可调，本实施例依靠调节驱动电压的方法达到控制驱动功率的目的，具体包括如下步骤：
设定驱动功率上限、驱动功率下限、预驱动电压PreV0、PreV1、PreV2，PreV2>PreV1>PreV0，采样功率等于实时采样电压和电流的乘积；
步骤1，设定驱动电压值为PreV0，产生相应幅值的正弦波，当采样功率大于驱动功率上限时，降低PreV0到当前值的十分之一或关断驱动电路，说明系统故障；
当采样功率大于驱动功率下限且小于驱动功率上限时，则设定驱动电压值为PreV0，并确定PreV0为合适的驱动电压；
当采样功率小于驱动功率下限时，则设定预驱动电压值为PreV1，进入步骤2；
步骤2，设定驱动电压值为PreV1，产生相应幅值的正弦波，
当采样功率大于驱动功率上限时，则设定预驱动电压值为PreV0，进入步骤1，并确定PreV0为合适的驱动电压；
当采样功率大于驱动功率下限且小于驱动功率上限时，则设定驱动电压值为PreV1，并确定PreV1为合适的驱动电压；
当采样功率小于驱动功率下限时，则设定预驱动电压值为PreV2，进入步骤3；
步骤3，设定驱动电压值为PreV2，产生相应幅值的正弦波，
当采样功率大于驱动功率上限时，则设定预驱动电压值为PreV1，进入步骤2，并确定PreV1为合适的驱动电压；
当采样功率大于驱动功率下限且小于驱动功率上限时，则设定驱动电压值为PreV2，并确定PreV2为合适的驱动电压；
当采样功率小于驱动功率下限时，则设定驱动电压值为PreV2，并确定PreV2为合适的驱动电压；
把以上调节过程产生的驱动电压值作为实际数据传输所需的驱动电压值，将数据‘0’调制成1KHz的正弦波，数据‘1’调制成2KHz的正弦波，处理器单元将数字‘0’和‘1’调制为等高不同宽度的波形信号，驱动单元采用12V的供电电压，经过正弦脉冲调制技术SPWM调制可以产生±1V到±11V的可调驱动电压。
Claims (10)
1.一种近钻头无线短传驱动电路，其特征在于：包括具有电压采集接口、电流采集接口和两个不同IO口的处理器单元，两个隔离模块分别与上述两个IO口电连接，驱动单元的输入端与上述两个隔离模块电连接，输出端与滤波匹配网络的输入端电连接，滤波匹配网络的输出端通过隔离保护单元与发射天线电连接，电压环反馈单元的输入端与隔离保护单元电连接，输出端与上述电压采集接口电连接，电流环反馈单元的输入端与隔离保护单元电连接，输出端与上述电流采集接口电连接。
2.根据权利要求1所述近钻头无线短传驱动电路，其特征在于：处理器单元采用超低功耗的ARM处理器MKL25Z128，负责发射电流、电压的采样、滤波和功率计算，根据调制算法产生正弦脉冲调制波。
3.根据权利要求2所述近钻头无线短传驱动电路，其特征在于：调制算法采用正弦脉冲调制技术实现功率驱动调节。
4.根据权利要求1所述近钻头无线短传驱动电路，其特征在于：两个隔离模块均采用光电隔离器件，将驱动单元的高电压和处理器单元隔开。
5.根据权利要求1所述近钻头无线短传驱动电路，其特征在于：驱动单元由集成驱动芯片或者H桥组成，将小功率控制信号转换为大功率信号，用于驱动发射天线。
6.根据权利要求1所述近钻头无线短传驱动电路，其特征在于：滤波匹配网络采用π型或LC滤波器，对功率驱动信号进行滤波并进行阻抗匹配。
7.根据权利要求1所述近钻头无线短传驱动电路，其特征在于：隔离保护单元采用变压器将外部环境和电路隔离，并在发射频率范围内产生微小阻抗。
8.根据权利要求1所述近钻头无线短传驱动电路，其特征在于：电压环反馈单元采样驱动电路的电压，进行滤波和均值处理；电流环反馈单元采样驱动电路的电流，进行滤波和均值处理。
9.根据权利要求1所述近钻头无线短传驱动电路，其特征在于：发射天线为螺线环天线或者偶极子天线，用于向地层中发射电信号。
10.一种功率自调节方法，适用于权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，包括如下步骤：
设定驱动功率上限、驱动功率下限、预驱动电压PreV0、PreV1、PreV2，PreV2>PreV1>PreV0，采样功率等于实时采样电压和电流的乘积；
步骤1，设定驱动电压值为PreV0，产生相应幅值的正弦波，当采样功率大于驱动功率上限时，降低PreV0到当前值的十分之一或关断驱动电路，说明系统故障；
当采样功率大于驱动功率下限且小于驱动功率上限时，则设定驱动电压值为PreV0，并确定PreV0为合适的驱动电压；
当采样功率小于驱动功率下限时，则设定预驱动电压值为PreV1，进入步骤2；
步骤2，设定驱动电压值为PreV1，产生相应幅值的正弦波，
当采样功率大于驱动功率上限时，则设定预驱动电压值为PreV0，进入步骤1，并确定PreV0为合适的驱动电压；
当采样功率大于驱动功率下限且小于驱动功率上限时，则设定驱动电压值为PreV1，并确定PreV1为合适的驱动电压；
当采样功率小于驱动功率下限时，则设定预驱动电压值为PreV2，进入步骤3；
步骤3，设定驱动电压值为PreV2，产生相应幅值的正弦波，
当采样功率大于驱动功率上限时，则设定预驱动电压值为PreV1，进入步骤2，并确定PreV1为合适的驱动电压；
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