CN1586061A - 用于有线线路电缆系统的电源调节器 - Google Patents
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Abstract
一种用于对提供给传输线系统的电压加以控制的系统(150)。所述系统(150)包括一个traA系统(150)，用于对提供给传输线系统的电压进行控制。系统(150)包括一条具有特性阻抗和连接在其末端的负载阻抗的传输电缆(134)。电源(154)被连接到传输电缆(134)。电源(154)被配置成接收电压信号输入(157)并且基于所述输入来驱动一个源电压VS。反馈单元(155)则被配置成接收作为输入的电源电流(IS)，此外还被配置成产生一个随IS变化的反馈电压(VF)。设定电压单元(152)被配置成产生一个基本恒定的电压(Vset)，而加法器(153)则被配置成将所述设定电压(Vset)添加给反馈电压，以便产生向电源(154)，提供输入的电压信号(157)。
Description
背景
1.发明领域
本发明一般涉及数据采集系统的领域，尤其涉及一种有线线路测井系统和包括基于有线线路系统模型来对提供给负载的功率进行动态控制的方法。
2.相关技术历史
电缆测井通常指的是使用电子测量仪器来对油井或气井进行调查，以便确定其地质、岩石物理(petro-physical)或地球物理特性。这些电子仪器是使用一条名为“有线线路电缆”的带有防护的钢制电缆来传送进钻井孔的。由这些固定在有线线路电缆上的井下仪器产生的测量结果经由有线线路电缆中的导体回送到地面的数据处理系统。电学、声学、核能和成像工具用于激励井孔内部的岩层和流体，然后，电子测量仪器将对岩层和流体的响应进行测量。此外，有线线路电缆还提供了测井工具操作所需要的电力。
从电功率的角度来看，电缆测井系统可以视为是一个电路，在这个电路中包含了一个头端电阻(Rh)，该电阻表示的是与表示有线线路电缆自身的阻抗元件相串联的井下仪器。如果将有线线路电缆模拟成一个简单电阻元件，则图1对所述系统的电路图进行了描述。在这个简单的模型中，电压源Vs被施加在电缆电阻(Rc)和头端电阻Rh的串联组合上。
在这里，两个对抗性因素控制了电缆测井操作。一方面，较为理想的是将传递到头端(工具)的功率增至最大，以使数据采集速率达到最高并且一般会加速操作。众所周知的是，当电缆电阻Rc与头端电阻Rh相等并且头端的电压Vh是电源电压Vs的1/2时，递送到负载的将会是最大功率。然而在这些条件下，当负载阻抗(Rh)从最小值变成几乎开路时，负载电压将会发生大约100％的变化，其中所述开路是在断开沉重负载并且只有控制电路保持带电的时候发生的。一般而言，对电子电路来说，这种变化通常是无法接受的，在电缆测井系统中则更是如此。由此需要某种装置来对提供给头端的电压进行调节。
现在参考图2，其中描述的是一个表示传统的电压调节系统120的框图。电压调节系统120将负载电压VL122测定值与一个设定电压Vset124进行比较，以便确定一个误差信号126。所述误差信号126表示的是VL122与Vset124之间的差值。然后则通常将误差信号126提供给一个误差放大元件128。所述放大元件128通常包括一个运算放大器并且可以根据应用来使用一个比例、积分和/或微分电路。而放大元件128则通常从误差信号126中产生一个源电压，以便将VL保持在想要的电平(也就是Vset)。
诸如系统120之类的常规电压调节器需要精密测量负载电压VL，以便在电压源进行电压控制。在负载与源电压距离很近的多种应用中，将负载电压反馈到调节器电路并不会出现重大问题。不幸的是，由于现代有线线路电缆的长度很长，因此在电缆测井应用中，将负载电压反馈到源在逻辑上是不切实际的。即使通过将有线线路电缆构造成包括一条反馈电缆来将负载电压信号送回到地表，但是表征反馈电缆的损耗和延迟将会导致显著退化的负载信号。因此，极为理想的是实现一种电压控制系统，该电压控制系统适合在一个其特征为负载与电压调节器之间具有极大距离的电缆测井应用和其他应用中使用。优选地，这个系统允许以电缆最大功率承载能力或接近该最大能力对电缆进行操作，同时使加电的电子电路输入端的电压变化减至最小。此外，如果所实施的解决方案没有显著增加电缆测井操作的成本或复杂度，那么将会更为理想。
附图简述
本发明的目标和优点将通过阅读以下详细说明以及参考附图而变得清楚，其中：
图1是电缆测井系统的电阻模型的电路图；
图2是使用了依照现有技术的电压调节机制来控制负载电压的电气系统的标准表示；
图3是一个包含了表示有线线路电缆的传输线元件的电缆测井系统的模型；
图4是依照本发明一个实施例的传输线系统的标准表示；
图5是描述图4所示系统的一个实施例的框图；以及
图6是对图5中的系统的实施方式的附加细节进行描述的电路图。
虽然本发明可以接受不同的修改和替换形式，但在附图中将其具体实施例作为实例来加以显示并且在本文中将会对其进行详细的描述。然而应该理解的是，本文给出的附图和详细描述并非将本发明限制在所公开的特定实施例，与之相反，本发明只受所附权利要求书中的文字的限制。
发明详述
一般而言，本发明设想的是一种用于对一个远离控制电路并且实际上很难从控制电路来接近的负载(诸如有线线路电缆末端负载)上的电压进行控制的系统和方法。本发明包括一个被配置成对有线线路电缆自身的短路输入阻抗进行模拟的反馈单元。来自系统电压电源的电流被提供到反馈单元，以便创建一个与沿电缆出现的电压降相近似的反馈电压。这个反馈电压被添加到一个与想要的负载电压相等的设定电压中。通过向设定电压中添加一个与由有线线路电缆造成的电压降近似相等的电压，本发明可以使用正反馈以在一种不能对负载电压本身进行有效测量的环境中控制负载电压。
该系统包括一种控制机制，其中一个在电压源测得的信号为模拟该有线线路电缆阻抗特性的电路提供了输入。模型电路的输出表示的是所测得的信号对实际有线线路电缆中的负载电压的作用的近似值。这个近似值随后被用于改变源电压，以便消除电缆阻抗对负载电压产生的影响。在一个实施例中，这个为电缆模型电路提供输入的信号是源电流。在这个实施例中，电缆模型电路表示的是电缆的短路输入阻抗，也就是电缆负载端短路时的电缆阻抗。这个阻抗可以通过根据经验表征电缆特性或是在系统自身当中包含必要的测量电路而得到测量。在将源电流提供给这个电缆模型电路的时候，该电路将会产生一个表示有线线路电缆中的电压损耗的电压偏移信号。通过将这个偏移电压添加到一个设定电压之中，所述电压控制系统可以将负载电压保持在设定电压。此外，在反馈环路中还可以包括一个补偿电路，以便改进系统的瞬态响应和稳定性。
在图1所述的电阻性电路模型中，源电流与负载电流是相等的。然而在一个实际的有线线路系统中，有线线路电缆将信号损耗和时延引入了所述系统。参考图3，其中描述的是包含了代表有线线路电缆的传输线元件134的有线线路电缆系统130的电路模型。传输线134的特性阻抗由Z0表示。源电压Vs131、源电流Is132以及负载或头端电压VH138之间的关系是：
VH＝[Vs/cosh(γ1)][ZH/(ZH+Z0tanh(γ1)] 等式1
Is＝[VS/Z0][(Z0+ZHtanh(γ1))/(ZH+Z0tanh(γ1))] 等式2
其中1是传输电缆134的长度，γ是电缆的传播常数。对γ1来说，通过重新整理等式1和2并且用K替换γ1将会产生：
ZH＝Z0[VS-Z0IStanh(K)]/[Z0IS-VStanh(K)] 等式3
VH＝(VS-ISZ0tanh(K))cosh(K) 等式4
在这里，当负载或末端短路时，传输电缆的输入阻抗表示为短路输入阻抗Zis。在给定了电缆传播常数γ和传输电缆长度l的情况下，短路输入阻抗Zis＝Z0tanh(K)。而替换等式4中的Z0tanh(K)则会产生：
VH＝(VS-ISZis)cosh(K) 等式5
在等式5中，用Vs替换表达式Vset/cosh(K)+ISZis将会产生：
VH＝Vset(当Vs＝Vset/cosh(K)+ISZis时) 等式6
等式6表明可以通过使用与添加了反馈电压的Vset相等的电压(VS)驱动有线线路电缆而将负载电压VH保持为近似于想要的电压(Vset)，其中反馈电压是电压源电流(IS)的一个函数。在稳态条件和低频有效范围中，因数cosh(K)与1近似相等，负载电压VH基本上等于Vset。因数cosh(K)表示的是传输线损耗和延迟。虽然可以对线路损耗进行补偿，但是只有在预期电流变化的情况下才能实现对延迟进行补偿。由于这在理论上是不可能的，因此因数cosh(K)对反馈单元可以追踪负载阻抗变化的最大频率设置了一个限制。然而，由于很容易在地表测量电压源电流IS，因此等式6意味着这样一个控制电路，该电路可以在大的范围频率中使用并且不需要像负载电压这种只能在负载处得到的值。
现在参考图4，其中显示的是使用了由等式6提出的反馈控制的电缆测井系统的标准模型。在这个模型中，电源141或其它电压源使用了一个源电压Vs来驱动有线线路电缆。如等式1中所示，负载电压VH与源电压VS之间的关系是由方框143和144表示的。根据上述等式2，源电流IS与源电压VS之间的关系是在方框143和145中得到反映的。应该注意的是，在这种标准表示中，方框143、144和145并不对应于系统中的实际电路，而是代表系统的不同输入和输出参数之间的关系。如方框146所反映的那样，反馈电压VF是源电流IS与短路线路阻抗Zis＝Z0tanh(K)的一个函数。反馈电压VF被添加到一个设定电压Vset中，以便产生驱动有线线路电缆的源电压Vs。
在表征电缆特性过程中可以根据经验对短路线路阻抗Zis加以确定，但也可以在系统中包含必要的电路，以便在加电时或是周期性地在操作中执行所需要的一次或多次测量。反馈电压VF近似于处在源电流的传输线上的电压降。通过将这个电压降添加到设定电压Vset中，负载电压将会近似保持在设定电压，其中所述近似在稳定状态和低频条件下都是非常精确的。
如果为一个加载了与有线线路阻抗相匹配的电阻器的实际有线线路电缆来确定奈奎斯特图，则该图会在复数平面上包围点-1，由此表示不稳定。为了稳定电压控制电路140，反馈环路中的极点可以提供必要的稳定性补偿。
现在参考图5，其中描述的是用于驱动有线线路电缆系统的系统150的一个实施例的框图。在所述实施例中，系统150包括一个产生受控电压Vset的设定点单元152。所述设定点单元152可以通过使用一个齐纳二极管电路或用于产生模拟基准电压信号的任何其它适用技术来加以实施。在另一个实施例中，设定点单元152只产生一个表示Vset的信号，而不是产生一个实际电压。举例来说，如果系统150的各部分是通过使用一个数字信号处理器(DSP)来实施的，那么设定点单元152可以包括产生了表示Vset的数字值的一部分DSP。这个数字值可以由数模转换器(DAC)转换成Vset，也可以直接提供给数控电源。设定点单元152的输出向加法器单元153提供了一个第一输入。
加法器单元153从产生表示反馈电压VF的反馈电压信号的反馈单元155的输出端接收一个第二输入。与设定点单元152相似，加法器单元153可以包括一部分DSP，这部分DSP产生了包含用以表示相应电压的数字值的信号。加法器单元153产生向电源提供输入的电压信号157。
通常，电源154是一个调制电源，它产生与输入电压成比例的输出电压Vs。在一个实施例中，电源154可以作为一个开关型电源(也称为开关转换器)而得到实施，其中所述电源通过使用诸如电容器、电感器、变压器之类的低损耗元件以及一组2态开关而提供了供电功能。电源154可以是一个数控电源。在这个实施例中，电压信号157可以包括表示电压的数字值而不是实际电压电平。
反馈单元155是由电源154产生的源电流Is驱动的。该反馈单元155产生一个反馈电压信号。所述反馈电压信号可以是一个电压与反馈电压VF相等的模拟信号。在另一个实施例中，反馈电压信号可以包括一个代表反馈电压VF的数字值。在所示实施例中，反馈单元155包括一个电流测定模块161、一个阻抗元件156以及一个频率补偿元件158。电流测定模块161包括一个确定源电流Is大小的电路并向阻抗元件156提供一个表示已确定电流的信号。在一个实施例中，阻抗元件156被设计成具有一个与有线线路电缆的短路输入阻抗Zis紧密匹配的阻抗。而在另一个实施例中，阻抗元件156可以模拟短路输入阻抗的直流分量(也就是直流电阻)。这种实施方式代表的是出于实施方式的简单与成本的一个性能折衷。稳定性补偿元件158则被设计成对电路的瞬态响应和稳定性加以改进。而反馈单元155可以完整或部分地使用一个经过适当编程的DSP来得以实施。参考图6，其中显示的是适合于实施图5的系统150的电路160的示意图。在所示实施例中，图5的电流测定模块161是通过使用一个低欧姆电阻器来实现的，举例来说，所述电阻器可以是连接在传输电缆134与接地之间的1Ω电阻器162，这样一来，电阻器162两端以伏特为单位的电压就等于以安培为单位的源电流Is。模块161的所示实施例还包括运算放大器电路，该电路提供了所示实施方式专用的转换和隔离功能。而图5的阻抗元件156则是作为一个RLC电路166来实施的，其中所述电路模拟了有线线路电缆的短路线路阻抗。而电路166的输出则经由电阻器170与一个基准电压相结合。
基准电压电路包括15V的电压源及其相应电容器。倘若没有由RLC电路166产生的反馈电压，则电阻器174和176会在稳态条件下在节点172上产生一个基准电压(Vset)。而在具有由电路166生成的反馈电压的情况下，节点172会响应于源电流IS的变化而围绕设定电压发生改变。代表了驱动有线线路电缆的源电压VS的电压源节点178反映节点172上的电压，这样一来，由于节点172的电压是响应于反馈电压的变化值而变化的，因此节点178上的源电压VS也会发生变化。积分器电路168则提供了稳定性补偿。当负载阻抗显著变化时，源电流的增加或降低将会导致反馈电压的相应增加或降低，这将会导致源电压的提升或降低，从而将负载电压保持在一个相对恒定的值。
应该了解的是，图6中所示的电路元件可以用较所述分立元件更为先进的技术来加以实施。例如，在这里可以使用DSP来优化电路响应时间和稳定性。举例来说，DSP可以更为精确地复制有线线路电缆阻抗和稳定性电路。此外，本发明的替换实施例可以在反馈单元155中使用比例、差分或积分反馈元件。而且，负载电压变化还可以通过使用电缆与负载阻抗ZH之间的或与负载阻抗并联的无源低通滤波器159来加以限制，其中所述低通滤波器会使负载阻抗ZH的快速变化的影响减慢。
对受益于本公开的本领域技术人员来说，很明显，本发明设想了一种适合在电缆测井应用中使用的电压控制系统和方法。应该理解的是，在详细说明和附图中显示和描述的本发明的形式仅仅是作为当前优选的实例。本发明仅仅受限于权利要求中的语言。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
根据条约第41条所作的修改说明
CPEL0450881P
申请人在本国际申请进入中国的国家阶段时，请求允许对上述申请的说明书和权利要求书作如下修改：
原说明书：发明名称修改。
原权利要求书：
随函附上原说明书第1页的替换页。
此致敬礼
中国专利代理(香港)有限公司
沿着带反馈环路的传输线的电源调节
背景
1.发明领域
本发明一般涉及数据采集系统的领域，尤其涉及一种有线线路测井系统和包括基于有线线路系统模型来对提供给负载的功率进行动态控制的方法。
2.相关技术历史
电缆测井通常指的是使用电子测量仪器来对油井或气井进行调查，以便确定其地质、岩石物理(petro-physical)或地球物理特性。这些电子仪器是使用一条名为“有线线路电缆”的带有防护的钢制电缆来传送进钻井孔的。由这些固定在有线线路电缆上的井下仪器产生的测量结果经由有线线路电缆中的导体回送到地面的数据处理系统。电学、声学、核能和成像工具用于激励井孔内部的岩层和流体，然后，电子测量仪器将对岩层和流体的响应进行测量。此外，有线线路电缆还提供了测井工具操作所需要的电力。
从电功率的角度来看，电缆测井系统可以视为是一个电路，在这个电路中包含了一个头端电阻(Rh)，该电阻表示的是与表示有线线路电缆自身的阻抗元件相串联的井下仪器。如果将有线线路电缆模拟成一个简单电阻元件，则图1对所述系统的电路图进行了描述。在这个简单的模型中，电压源Vs被施加在电缆电阻(Rc)和头端电阻Rh的串联组合上。
在这里，两个对抗性因素控制了电缆测井操作。一方面，较为理想的是将传递到头端(工具)的功率增至最大，以使数据采集速率达到最高并且一般会加速操作。众所周知的是，当电缆电阻Rc与头端电阻Rh相等并且头端的电压Vh是电源电压Vs的1/2时，递送到负载的将会是最大功率。然而在这些条件下，当负载阻抗(Rh)从最小值变成几乎开路时，负载电压将会发生大约100％的变化，其中所述开路是在断开沉重负载并且只有控制电路保持带电的时候发生的。一般而言，对电子电路来说，这种变化通常是无法接受的，在电缆测井系统中则更是如此。由此需要某种装置来对提供给头端的电压进行调节。
现在参考图2，其中描述的是一个表示传统的电压调节系统120的框图。电
Claims (33)
1.一种电压控制系统(150)，包括：
一条传输电缆(134)，它具有一个特性阻抗Z0并在电缆末端具有一个负载阻抗ZH；
一个连接到传输电缆(134)并被配置成接收电压信号输入(157)以及基于所述输入来驱动一个源电压VS的电源(154)；
一个反馈单元(155)，它被配置成接收由电源(154)产生的电流(IS)作为输入，并且还被配置成基于所述电流产生一个反馈电压信号；
一个设定电压单元(152)，它被配置成产生一个恒定的设定电压信号；以及
一个加法器(153)，它被配置成将设定电压信号添加给反馈电压信号，以便产生用于向电源(154)提供所述输入的电压信号(157)。
2.权利要求1的系统，其中传输线(134)包括一条有线线路电缆。
3.权利要求1的系统，其中反馈单元(155)包括一个电流测定单元(161)，所述电流测定单元被配置成接收由电源(154)产生的电流(IS)并且产生一个表示所接收电流的电压信号。
4.权利要求3的系统，其中反馈单元(155)还包括一个阻抗元件(156)，该阻抗元件被配置成接收由电流模块(161)产生的信号，其中所述阻抗元件模拟传输线的短路输入阻抗。
5.权利要求4的系统，其中阻抗元件(156)模拟传输线的直流电阻。
6.权利要求4的系统，其中阻抗元件(156)包括一个RLC电路。
7.权利要求4的系统，其中反馈单元(155)还包括一个稳定性补偿元件(158)。
8.权利要求7的系统，其中稳定性补偿元件(158)包括一个积分器。
9.权利要求1的系统，其中至少一部分反馈单元包括一部分数字信号处理器。
10.权利要求9的系统，其中设定电压单元和加法器包含一部分数字信号处理器。
11.权利要求10的系统，其中电压源是一个数控电压源并且其中设定电压信号、反馈电压信号以及电源输入电压信号都包含表示各自的电压电平的数字量。
12.权利要求1的系统，其中设定电压信号是一个电压与设定电压Vset相等的模拟信号。
13.权利要求1的系统，其中反馈电压信号是一个电压与反馈电压VF相等的模拟信号。
14.权利要求1的系统，还包括一个与处于电缆末端的负载阻抗ZH并联连接的无源低通滤波器(159)
15.权利要求1的系统，其中反馈环路(155)包括差分电路、比例电路和积分电路中的至少一个电路。
16.一种有线线路电缆系统(150)，包括：
一条传输电缆(134)，该传输电缆具有特性阻抗Z0和处于电缆末端的负载阻抗ZH；
一个电源(154)，该电源与传输电缆(134)相连并被配置成接收电压信号输入(157)以及基于所述输入来驱动一个源电压VS；
一个反馈单元(155)，它被配置成接收由电源(154)产生的电流(IS)作为输入，并且还被配置成基于所述电流来产生一个反馈电压信号；
一个设定电压单元(152)，它被配置成产生一个基本恒定的电压信号；以及
一个加法器(153)，它被配置成将设定电压信号添加给反馈电压信号，以便产生用于向电源(154)提供所述输入的电压信号(157)。
17.权利要求16的系统，其中传输线(134)包括有线线路电缆。
18.权利要求16的系统，其中反馈单元(155)包括一个电流测定单元(161)，所述电流测定单元被配置成接收由电源(154)产生的电流(IS)并且产生一个表示所接收电流的电压信号。
19.权利要求18的系统，其中反馈单元(155)还包括一个阻抗元件(156)，该元件被配置成接收由电流模块(161)产生的信号，其中所述阻抗元件模拟传输线的短路输入阻抗。
20.权利要求19的系统，其中阻抗元件(156)模拟传输线的直流电阻。
21.权利要求19的系统，其中阻抗元件(156)包括一个RLC电路。
22.权利要求19的系统，其中反馈单元(155)还包括一个稳定性补偿元件(158)。
23.权利要求22的系统，其中稳定性补偿元件(158)包括一个积分器。
24.权利要求16的系统，其中至少一部分反馈单元包括一部分数字信号处理器。
25.权利要求24的系统，其中设定电压单元和加法器包含一部分数字信号处理器。
26.权利要求25的系统，其中电压源是一个数控电压源并且其中设定电压信号、反馈电压信号以及电源输入电压信号都包含表示各自的电压电平的数字值。
27.权利要求16的系统，还包括一个连接在电缆和负载阻抗ZH之间的无源低通滤波器(159)。
28.权利要求16的系统，其中反馈环路(155)包括差分电路、比例电路和积分电路中的至少一个电路。
29.一种在包含传输线(134)的电子系统中控制负载电压的方法，包括：
使用由电源(154)从电压源的输入中导出的源电压(VS)来驱动电子系统；
对由电压源(154)产生的源电流(IS)进行测量；
将测得的电流施加到用于模拟传输电缆的短路输入阻抗的阻抗元件(156)上，以便产生一个表示反馈电压(VF)的信号；以及
将反馈电压信号添加给一个表示设定电压(Vset)的设定电压信号，以便产生电压源输入。
30.权利要求29的方法，其中源电压(VS)等于设定电压(Vset)和反馈电压(VF)之和。
31.权利要求29的方法，其中测量源电流(IS)的步骤包括将源电流传送通过一个低值电阻器并对电阻器两端的电压进行测量。
32.权利要求31的方法，其中将所测得的电流施加给一个阻抗元件的步骤包括使用所述低值电阻器两端的电压来驱动该阻抗元件。
33.权利要求32的方法，其中该阻抗元件包括被配置成模拟传输电缆的短路输入阻抗的一部分数字信号处理器。
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