CN1902820B - 电传信号系统 - Google Patents

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Abstract

一种电传信系统包括：一个调制器，用来接收信息和用一个含有重复出现的上升沿和下降沿的交变信号对该信息编码，编码用的是相继上升沿或相继下降沿之间的时间；一个将信号从调制器传输给一个解调器的传输通道，其中所述解调器用来检测信号沿、存储信号在信号沿附近的记录和将信号的一个后续部分与这个记录相比较来检测一个同样的沿并检测同样沿之间的时间差。这样的系统不需要检测沿的精确位置，而是检测在一个短的时间范围内出现一个沿和保留信号在这段时间内的一个图像。将这个图像与信号的一个后续部分相比较，如果这个后续信号与记录只有极小的不同，系统就认为出现了第二个同样的沿。因此，虽然用这种系统可能或不可能检测到沿的精确位置，但检测到相应同样沿之间的时间延迟。传输通道可以是不完善的，例如是电感性的。这种系统能沿着三相供电电缆发送可识别的信号。本发明特别适用于在油、气开采工业中提供来自井下传感器的信息。可以通过还检测不同沿和它们之间的时间差同时发送两个信号。可以相继包括数据的多个源。

Description

电传信号系统
技术领域
本发明与传信方法和执行这种方法的设备有关。
背景技术
现有的用来从例如油、气开采工业中的井下传感器返回信息的传信方法有赖于沿着适当导线传输信号。这些导线必须穿过传感器所在的井的整个纵深。铺设井下导线要花费不少费用，因此所希望的是沿着井中已有的其他导线多路复用井下传感器信号。
业已提出利用为可以处在井内的井下马达供电的三相导线。平衡三相电源的一个特征是这些导线在通过负载(诸如马达)后可以在一个中性点接地。在三相供电没有故障的情况下，这个中性点相对周围大地或机壳的电位基本上处在零伏。于是，用三个电感性负载，在地面上可以构成这个中性点的一个镜像，这样可以在地面的中性点与井下的中性点之间建立一个导电通路，使得返回的信号通过井下的外壳或井内的管道。信号可以沿着这个导电通路传输。
然而，如果在三相供电中出现故障，井下的中性点就会处于一个值得注意的电压。因此，通常将一个井下电感器串联在中性点与传信仪器之间。结合一个井下电容器，形成一个低通滤波器，限制为井下马达供电的高交流电压进入。这个电感器与电容器的组合将会限制所加的信号可以改变的速度，因此限制了这个传输通道的带宽。典型的是，给定在这方面所涉及的电压，需要一个电感，将使最小稳定时间达到1秒的数量级。也就是说，在加在井下中性点的电压突变后，地面中性点上的电压将在一段1秒左右的时间的不稳定后才稳定在新的电压电平。在这段时间内，在地面的中性点上所测得的电压将由于电感器的作用而高度可变。
已知的诸如US-A-5,539,375中所揭示的传信系统用电压或电流电平对信息编码，但这些方法有着由于在信号通路内有以上所提到的电感器而引起的稳定时间长的缺点。此外，由于泵功率而引起的电干扰也会使电流或电压电平受到扰动，因此在使用模拟编码方法的情况下会降低信号质量，而在使用数字编码方法的情况下会降低数据传输速率。
发明内容
本发明的目的是克服这种限制，提供一种可以应付这样的质量极低的传输通道、提供一个可用的带宽和大大减轻电干扰的影响的传信系统。
因此，本发明提供了一种电传信系统，这种电传信系统包括：一个调制器，用来接收信息和用一个含有重复出现的上升沿和下降沿的交变信号对该信息编码，编码用的是相继上升沿或相继下降沿之间的时间；一个将信号从调制器传输给一个解调器的传输通道，其中所述解调器用来检测信号沿、存储信号在信号沿附近的记录和将信号的一个后续部分与这个记录相比较来检测一个同样的沿并检测同样沿之间的时间差。
这样的系统不需要检测沿的精确位置。所检测的是在一段很短的时间范围内出现了一个沿，以及保留与在这段时间期间的信号关联的特征的记录。这个记录可以呈现为信号的一个数字化形式。将这个记录与信号的一个后续部分相比较，如果后续信号与记录只有极小的差异(即，在特定的容差内)，系统就认为出现了第二个同样的沿。因此，虽然用这种系统可能或不可能检测到沿的精确位置，但精确地检测到相应同样沿之间的时间延迟。这样就可以得到所需的信息。
传输通道可以是不完善的，例如是电感性的，虽然这将限制可用带宽，但并不减弱这种系统的效果。这种系统能沿着三相供电电缆发送可识别的信号。通常，由于设备接到电缆上，将使噪声加到所需的信号上，但是这种系统通过(例如)允许上次所记录的信号与当前的信号模式之间的最佳相关可以克服这个问题。
本发明特别适合在油、气开采工业中用来提供来自井下传感器的信息。这些传感器必须通过一个长的传输通道发送信号，通常使用的电缆是对在这种环境内的使用寿命优化的而不是对理想的电特性优化的。
优选的是，解调器还检测不同的沿，然后检测它们之间的时间差。这样，可以同时发送两个信号，一个用上升沿而另一个用下降沿。
优选的是交变信号的电平是恒定不变的。这保证了每个上升沿与下一个上升沿相同，而每个下降沿与下一个下降沿相同。这显著地改善了使沿模式精确相关的能力。
可以通过在一个预定序列内发送而相继包括数据的多个源。在这种情况下，可以通过发送一个决不会是由任何数据集产生的独特模式来确定这个序列的开始。也可以用中间信号电平来指示一个序列的开始。
数据可以用“仓(bin)”被数字编码，也就是说，将时间的一个特定范围与输入信息的特定值对应。例如，传感器的一个具体输出可以编码成在410到414ms之间的任何信号。在这种情况下，系统将设法发送一个412ms的信号，假设误差率小于2ms，优选的是小于1ms，在地面接收到的信号中将没有不确定性。这些仓可以具有相同的宽度，也可以具有可变的宽度，使得系统精度在它的常用工作参数范围内为最高。
也可以使用双重仓配置。例如，如果希望发送一个例如为1057的值，第一信号可以指示信息处在范围1000-1999内，而第二信号可以规定是57而不是56或58。将这两个信号加在一起，可以得到想要的输出1057。这可以在利用仓宽度中提供较高的效率。可以配置一个数字化信号(如上)示出粗的级别(例如，1000、2000、3000等)，继之以另一个细分辨率的信号(模拟或数字信号)。这可以具有较大的效益。例如，如果在信号传输系统内的“噪声”是1ms，而按照所测得的信号，沿之间的时间从1秒到2秒变化，于是一个0-10,000psi测定值将在噪声为1ms的情况下在0到1000ms的第二窗内被编码。这会给出一个为10psi的噪声。然而，如果首先发送一个粗级别，规定粗范围(0-999，1000-1999等)，于是后续的模拟信号只需要跨度为0-1000psi，从而总噪声就会是1psi。
根据本发明的一个方面，公开了一种电传信号系统，所述电传信号系统包括：调制器，用来接收信息和产生用以对该信息进行编码的含有重复出现的上升沿和下降沿的交变信号，所述编码利用相继上升沿或相继下降沿之间的时间差；和传输通道，用来将所述交变信号从所述调制器传输给解调器，其中所述解调器用来检测信号沿、存储所述交变信号在所述信号沿附近的记录、和将所述交变信号的一个后续部分与这个记录相比较从而检测一个同样的信号沿并检测所述信号沿和所述同样的信号沿之间的时间差。
优选地，其中所述记录呈现为所述交变信号的一个数字化形式。
优选地，其中检测第二个同样的信号沿，尽管在所述交变信号的所述后续部分与所述记录之间有着由于噪声而引起的差别。
优选地，其中所述由于噪声而引起的差别用所述时间差的均方根值度量。
优选地，其中对于一个时间差范围计算所述时间差的均方根值，并且从所述时间差范围中选择使所述时间差的均方根值为最小的时间差。
优选地，其中所述传输通道进一步包括电感性的传输通道。
优选地，其中所述传输通道进一步包括三相供电电缆。
优选地，其中所述三相供电电缆引到用于开采油或气的井下设备。
优选地，其中所述解调器还检测不同信号沿然后检测它们之间的第二时间差。
优选地，其中所述调制器适合于相继包括多个数据源。
优选地，其中所述调制器包括要编码的信息的n个信号和一个同步信号总共n+1个信号。
优选地，其中所述同步信号取一个单一脉冲的形式。
优选地，其中所述单一脉冲具有比可接受的编码数据脉冲尺寸的极限短或长的单一脉冲尺寸。
优选地，其中所述单一脉冲处在与传送编码信息的所述交变信号不同的信号电平。
优选地，其中编码数据使得特定范围的脉冲时间与输入信息的特定值或输入信息的值的范围对应。
优选地，其中所述输入信息的值的范围具有相同宽度。
优选地，其中所述输入信息的值的范围具有可变宽度。
优选地，其中所述输入信息的值的范围由第一信号和第二信号表示，所述第一信号表示的输入信息的值的范围比所述第二信号表示的输入信息的值的范围粗略。
优选地，其中第一信号按照一个与第二信号不同的协议被编码。
优选地，其中所述记录包括所述交变信号在所选时间的所选值。
优选地，其中有多个所选时间。
优选地，其中所述所选时间是参考交变信号值选择的。
优选地，其中至少一个所述所选时间是所述交变信号经过所述交变信号所交变的值之间的一个中间值的时间。
优选地，其中所述解调器被设置成通过比较在特定时间的交变信号值来比较所述交变信号的所述后续部分和所述记录。
优选地，其中所述解调器被设置成通过比较检测到特定的交变信号值的时间来比较所述交变信号的所述后续部分和所述记录。
附图说明
下面将结合附图举例说明本发明的一个实施例，在这些附图中：
图1示出了一个井下测量仪器系统；
图2示出了从测量仪器系统接收到的信号；
图3示出了噪声对信号的影响；
图4例示了相关过程；以及
图5示出了一个序列开始脉冲。
具体实施方式
图1示出了一个井下马达2，通过井下三相供电电缆13连接到地面孤立电源1上。这个系统用来促使油向上流出油井。
包括井下电子仪器7、传感器12、电容器11、齐纳二极管10和井下电感器9的井下设备接到井下马达2的中性点8上。
地面电子仪器5接到通过将三个地面电感器3连接在一起形成的地面中性点6上。地面电感器3与井下马达电缆13电连接。
于是，井下电子仪器7可以通过电感器9、马达2、电缆13和地面电感器3与地面电子仪器5通信，如上面所说明的那样。
地面电子仪器5用众所周知的方法提供一个稳定的直流(DC)电压，而井下电子仪器7用同样众所周知的方法吸收受到电子仪器7控制的电流量。该电流的改变导致从地面电子仪器5汲取的电流的改变。地面电子仪器5对该电流进行监视。
井下电子仪器7接到一些传感器12上。从这些传感器12得到的读数被电子仪器7数字化，电子仪器7然后通过调制该电流而对这些读数编码，该电流又由地面电子仪器5检测。
地面电子仪器5接收到的典型电流信号如图2所示，其中，上升沿21与之前的上升沿20相隔时间间隔22。从第一传感器12得到的读数通过在1.5秒到2.5秒的范围内改变时间间隔22而被编码。因此，从传感器12得到的一个零信号就编码为一个1.5秒的时间间隔22，而从传感器12得到的一个满刻度信号编码为一个2.5秒的时间间隔22。
类似地，下降沿24与之前的下降沿23相隔时间间隔25。时间间隔25可用来对从第二传感器12得到的信息编码。重要的是，应精细地选择时间间隔22和时间间隔25的范围，使得对于传感器12的任何范围的值它们都能将各沿的适当时间在下一个沿之前记录下来。
图3示出了电噪声对接收信号的影响。来自井下电子仪器7的信号由于从电源1和马达2拾取的噪声而降质。
上升沿20附近的信号模式示于模式30。上升沿21附近的信号模式示于模式31。
地面电子仪器5将模式30和31数字化，试图用数字方式叠加它们，如图4所示。图4示出了在叠加不很正确时的情况。电子仪器5调整模式30与模式31之间的时间间隔22，直到达到最佳相关。所用的相关操作是取在每个数字化点模式30与模式31之间的差，再计算在所有数字化点处这些差的均方根(RMS)值。然后，地面电子仪器5调整时间间隔22，使得这个均方根值最小。可以理解，也可以使用其他适当的相关操作。
图5示出了一个序列的开始部分。井下电子仪器7使用两个离散的电流电平51和52。这产生相同的模式30和31，使得从一个沿到下一个沿可以获得最佳相关。序列的开始由一个中间电流电平50指示。中间电流电平50只是用来指示一个序列的开始，而不用于以后的数据传输。
以上系统的一个影响是发送一个完全的记录所需的总时间将是按照信号值可变的。例如，在所检测的所有压力都高的情况下，对这些压力编码所用的时间间隔将都是较大的时间间隔，从而需要较长的时间来发送这些压力测量结果的包。
虽然这不是一个严重的技术问题，但有时最好予以避免。一种做法是按不同的意义对交变信号编码。因此，第一信号用较长的时间间隔与较高的值对应来编码。下一个信号被相反编码，即用较长的时间间隔表示较低的值。由于位置相互紧邻的传感器的压力、温度等很可能是类似的，因此较高的局部压力、温度等将编码成一些长的时段继之以一些短的时段等。同样，低的局部压力(等)将编码成一些短的时段继之以一些长的时段等(反之亦然)。这样，所需的总时间就基本上是不变的。
另一种相关操作是考察信号在一定时间的具体值。所选的时间可以参考信号值(例如信号穿过一个或多个中间或其他值)、或者信号峰或谷、或者峰和谷的模式等选择。为了达到相关，系统可以比较在特定时间的信号值或者比较检测到特定信号值的时间。
当然，可以理解，可以对以上所说明的实施例进行各种修改，而不背离本发明的范围。

Claims (25)

1.一种电传信号系统，所述电传信号系统包括：
调制器，用来接收信息和产生用以对该信息进行编码的含有重复出现的上升沿和下降沿的交变信号，所述编码利用相继上升沿或相继下降沿之间的时间差；和
传输通道，用来将所述交变信号从所述调制器传输给解调器，
其中所述解调器用来检测信号沿、存储所述交变信号在所述信号沿附近的记录、和将所述交变信号的一个后续部分与这个记录相比较从而检测一个同样的信号沿并检测所述信号沿和所述同样的信号沿之间的时间差。
2.按照权利要求1所述的电传信号系统，其中所述记录呈现为所述交变信号的一个数字化形式。
3.按照权利要求1所述的电传信号系统，其中检测第二个同样的信号沿，尽管在所述交变信号的所述后续部分与所述记录之间有着由于噪声而引起的差别。
4.按照权利要求3所述的电传信号系统，其中所述由于噪声而引起的差别用所述时间差的均方根值度量。
5.按照权利要求4所述的电传信号系统，其中对于一个时间差范围计算所述时间差的均方根值，并且从所述时间差范围中选择使所述时间差的均方根值为最小的时间差。
6.按照权利要求1所述的电传信号系统，其中所述传输通道进一步包括电感性的传输通道。
7.按照权利要求1所述的电传信号系统，其中所述传输通道进一步包括三相供电电缆。
8.按照权利要求7所述的电传信号系统，其中所述三相供电电缆引到用于开采油或气的井下设备。
9.按照权利要求1所述的电传信号系统，其中所述解调器还检测不同信号沿然后检测它们之间的第二时间差。
10.按照权利要求1所述的电传信号系统，其中所述调制器适合于相继包括多个数据源。
11.按照权利要求10所述的电传信号系统，其中所述调制器包括要编码的信息的n个信号和一个同步信号总共n+1个信号。
12.按照权利要求11所述的电传信号系统，其中所述同步信号取一个单一脉冲的形式。
13.按照权利要求12所述的电传信号系统，其中所述单一脉冲具有比可接受的编码数据脉冲尺寸的极限短或长的单一脉冲尺寸。
14.按照权利要求12所述的电传信号系统，其中所述单一脉冲处在与传送编码信息的所述交变信号不同的信号电平。
15.按照权利要求1所述的电传信号系统，其中编码数据使得特定范围的脉冲时间与输入信息的特定值或输入信息的值的范围对应。
16.按照权利要求15所述的电传信号系统，其中所述输入信息的值的范围具有相同宽度。
17.按照权利要求15所述的电传信号系统，其中所述输入信息的值的范围具有可变宽度。
18.按照权利要求15所述的电传信号系统，其中所述输入信息的值的范围由第一信号和第二信号表示，所述第一信号表示的输入信息的值的范围比所述第二信号表示的输入信息的值的范围粗略。
19.按照权利要求18所述的电传信号系统，其中第一信号按照一个与第二信号不同的协议被编码。
20.按照权利要求1所述的电传信号系统，其中所述记录包括所述交变信号在所选时间的所选值。
21.按照权利要求20所速的电传信号系统，其中有多个所选时间。
22.按照权利要求20所述的电传信号系统，其中所述所选时间是参考交变信号值选择的。
23.按照权利要求22所述的电传信号系统，其中至少一个所述所选时间是所述交变信号经过所述交变信号所交变的值之间的一个中间值的时间。
24.按照权利要求1所述的电传信号系统，其中所述解调器被设置成通过比较在特定时间的交变信号值来比较所述交变信号的所述后续部分和所述记录。
25.按照权利要求20所述的电传信号系统，其中所述解调器被设置成通过比较检测到特定的交变信号值的时间来比较所述交变信号的所述后续部分和所述记录。
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