CN202451140U - 井下定向测量仪器加速度计及磁通门温度补偿装置 - Google Patents

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石岩峰
常永旺
刘海
王聪
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GOALTECH CO Ltd
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Abstract

本实用新型涉及井下定向测量仪器加速度计及磁通门温度补偿装置,包括多路模拟开关、AD转换电路以及单片机,多路模拟开关与AD转换电路及单片机连接,AD转换电路与单片机连接;其中多路模拟开关还与井下定向测量仪器的X轴加速度计测量电路、Y轴加速度计测量电路、Z轴加速度计测量电路、X轴磁通门测量电路、Y轴磁通门测量电路、Z轴磁通门测量电路及温度测量电路连接,单片机还与井下定向测量仪器的对外接口连接。解决了传统的加速度计及磁通门的测量精度受温度变化影响的技术问题。

Description

井下定向测量仪器加速度计及磁通门温度补偿装置
技术领域
本实用新型涉及一种井下定向测量仪器加速度计及磁通门温度补偿装置。
背景技术
在石油钻井行业的各种姿态角度测量过程中,需要使用加速度计和磁通门传感器实现重力场及地磁场的测量,并通过一定的数学模型方法实现定向参数测量,即井斜角、方位角、工具面角、磁性工具面角、重力场总量和地磁场总量的测量。
在石油钻井行业中,井眼轨迹测量所用到的仪器较多,目前随钻测量主要采用加速度计和磁通门传感器共同组成测量单元进行测量。钻井测量过程中,随着井深的增加温度也会相应的增加,从而导致加速度计及磁通门因温度变化而产生的测量精度的变化。传统的加速度计及磁通门测量电路如图1所示,三支加速度计及三支磁通门传感器都会随温度的变化而发生测量精度的变化;除加速度计本身的测量精度变化外,加速度计测量电路、磁通门测量电路、电压基准和AD转换等都会随温度变化,从而对测量精度产生影响。
实用新型内容
为了解决传统的加速度计及磁通门的测量精度受温度变化影响的技术问题,本实用新型提供井下定向测量仪器加速度计及磁通门温度补偿装置。
本实用新型采用的技术方案是:井下定向测量仪器加速度计及磁通门温度补偿装置,包括多路模拟开关、AD转换电路以及单片机,多路模拟开关与AD转换电路及单片机连接,AD转换电路与单片机连接;其中多路模拟开关还与井下定向测量仪器的X轴加速度计测量电路、Y轴加速度计测量电路、Z轴加速度计测量电路、X轴磁通门测量电路、Y轴磁通门测量电路、Z轴磁通门测量电路及温度测量电路连接,单片机还与井下定向测量仪器的对外接口连接。
与现有技术相比,本实用新型的优点及有益效果在于:能够对加速度计及磁通门的温度系数进行标定,进而得到加速度计及磁通门的零位和灵敏度,再进一步根据AD转换电路的输出值计算得出每一个传感器的温度补偿参数,最终实现温度补偿,消除了温度漂移对测量精度所产生的影响。此外,温度补偿参数可以下装到装置内的非易失性传感器内。
附图说明
图1是传统的井下定向测量仪器的电路图;
图2是本实用新型加速度计及磁通门温度补偿装置的电路图;
图3是本实用新型实施例温度补偿验证位置点,共提供4+4x4x4=68个位置点;
图4是本实用新型温度补偿的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述,但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
本实例所采用的加速度计及磁通门测量电路如图2所示。传统的井下定向测量仪器包括磁通门激励电路、BX传感器、BY传感器、BZ传感器、X轴磁通门测量电路、Y轴磁通门测量电路、Z轴磁通门测量电路、GX传感器、GY传感器、GZ传感器、X轴加速度计测量电路、Y轴加速度计测量电路、Z轴加速度计测量电路、温度传感器及温度测量电路,GX传感器与X轴加速度计测量电路连接,GY传感器与Y轴加速度计测量电路连接,GZ传感器与Z轴加速度计测量电路连接,磁通门激励电路与BX传感器、BY传感器及BZ传感器连接,BX传感器与X轴磁通门测量电路连接,BY传感器与Y轴磁通门测量电路连接,BZ传感器与Z轴磁通门测量电路连接,温度传感器与温度测量电路连接,X轴磁通门测量电路、Y轴磁通门测量电路、Z轴磁通门测量电路、轴加速度计测量电路、Y轴加速度计测量电路、Z轴加速度计测量电路及温度测量电路与对外接口连接。本实用新型在传统加速度计及磁通门测量电路的基础上,增设了多路模拟开关、AD转换电路、单片机以及与单片机连接的单片机外围电路,其中多路模拟开关与X轴加速度计测量电路、Y轴加速度计测量电路、Z轴加速度计测量电路、X轴磁通门测量电路、Y轴磁通门测量电路、Z轴磁通门测量电路、温度测量电路、AD转换电路及单片机连接,AD转换电路与单片机连接,单片机使用3根IO口经过译码后实现对于多路模拟开关所输出的各路模拟信号的选通,3根IO口实现8选1后输入AD转换电路,同时单片机与对外串行接口连接作为对外输出接口。
在本实用新型温度补偿总体流程中需要先得到加速度的温度系数及磁通门的温度系数。
加速度计温度系数采用极值法标定。即在每个传感器输出的最大值位置和最小值位置记录其输出值,并根据输出值计算其参数。极值法标定加速度计的温度系数的六个位置如表1所示,温度测量点包括:25℃、70℃、85℃、105℃、125℃、150℃及175℃。
表1加速度计数据采集位置
  编号   井斜   工具面   记录参数
  1   0±0.5°   X   GZ
  2   180±0.5°   X   GZ
  3   90±0.5°   0±0.5°   GX
  4   90±0.5°   90±0.5°   GY
  5   90±0.5°   180±0.5°   GX
  6   90±0.5°   270±0.5°   GY
在25℃、70℃、85℃、105℃、125℃、150℃及175℃不同温度条件下,测量磁通门的温度系数所需要的6个位置如表2所示。
表2磁传感器数据采集位置
  序号   井斜   方位角   工具面角
  1   90   90   磁倾角-90
  2   90   90   磁倾角
  3   90   90   磁倾角+90
  4   90   90   磁倾角-180
  5   90-磁倾角   0   任意
  6   90+磁倾角   180   任意
通过极值法标定,在不同温度条件下测得加速度计输出的最大值GXmax和最小值GXmin,用如下公式计算加速度计零位GX0及加速度计灵敏度GXS:
GX 0 = GX max + GX min 2 公式1
GXS = GX max - GX min 2 公式2
在不同温度条件下不同位置测得磁通门输出的最大值BXmax和最小值BXmin,并用磁力计测得实验室环境的磁感应强度Ba,用如下公式计算磁通门零位BX0及磁通门灵敏度BXS:
BX 0 = BX max + BX min 2 公式3
BXS = BX max - BX min 2 * Ba 公式4
虽然可以采用选用温度参数接近并在一定差别范围内的传感器来保证测量后的计算角度的相对精度。但是重力场总量和磁场总量测量会因为温度的变化而引起较大的差别。温度主要影响加速度计和磁通门的零位和灵敏度。
本实施例将不同温度条件下测得的加速度计零位及灵敏度、不同温度条件下不同位置测得的磁通门零位及灵敏度用最小二乘法分别拟合成二次曲线,得到公式5-8:
加速度计零位的温度补偿公式是:G0(t)=b0+b1*t+b2*t2    公式5
加速度计灵敏度的温度补偿公式是:GS(t)=f0+f1*t+f2*t2  公式6
磁传感器零位的温度补偿公式是:BO(t)=B0+B1*t+B2*t2    公式7
磁传感器灵敏度的温度补偿公式是:BS(t)=F0+F1*t+F2*t2。公式8
以上公式的计算由井下定向测量仪器单片机实现,并把计算所得结果存储到单片机的存储空间内。
在表1所述的位置1和位置2,选择25℃、70℃、85℃、105℃、125℃、150℃及175℃温度点测量两个位置的输出值,分别利用公式1和公式2计算不同温度点的加速度计零位及灵敏度,5个温度点的零位及灵敏度数据,分别拟合为公式5及公式6,用此方法确定了加速度计GZ轴的温度补偿,GX轴及GY轴类同。b0、b1、b2为加速度计零位二次曲线的系数,f0、f1、f2为加速度计灵敏度二次曲线的系数。
在表2所述的位置1和位置2,选择25℃、70℃、85℃、105℃、125℃、150℃及175℃温度点测量两个位置的输出值,分别利用公式3和公式4计算不同位置的磁通门零位及灵敏度,5个温度点的零位及灵敏度数据,分别拟合为公式7及公式8,用此方法确定了加速度计BZ轴的温度补偿,BX轴及BY轴类同。B0、B1、B2为磁通门零位二次曲线的系数,F0、F1、F2为磁通门灵敏度二次曲线的系数。
系数b0、b1、b2及f0、f1、f2后下装到单片机的非易失性存储器内。
如图2所示,本实施例实现温度补偿的主要流程包括以下步骤:
S1、读取AD转换值,即读取AD转换电路的输出值。在所读取的原始AD转换值中包含由于传感器及电路的温度漂移所带来的误差。温度补偿即是要补偿传感器及电路的温度漂移。
S2、读取温度传感器的温度输出值。温度传感器的温度输出值由温度测量电路输出。
S3、判断温度输出值是否超出温度补偿范围,若是则通过对外接口输出错误码,若否则转入步骤S4。所述温度补偿范围在-20℃~175℃之间。
S4、根据温度输出值计算温度补偿参数。根据温度传感器测量到的温度数据,采用如上所述加速度计零位的温度补偿公式、加速度计灵敏度的温度补偿公式、磁传感器零位的温度补偿公式、磁传感器灵敏度的温度补偿公式分别计算对应的温度补偿参数,每一个传感器对应2个温度补偿参数,3支加速度计及3支磁通门传感器共12个温度补偿参数。
S5、根据步骤S1读取的AD转换电路的输出值及步骤S4所得的温度补偿参数,计算补偿后的加速度计及磁通门的输出数值。此数据为经过温度补偿的加速度计及磁通门数值。
S6、输出补偿后的加速度计及磁通门的输出数值。
以上经过温度补偿的加速度计及磁通门数值经过对外数字接口对外输出,最终提供给用户用于工程测量及判断。得到补偿后的加速度计及磁通门的输出数值后,为了验证输出数值的正确性,可以在附图3所示的68个位置点条件下做不同温度条件下的测量,测量点包括25℃、85℃、105℃、125℃、150℃、175℃。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式,但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (1)

1.井下定向测量仪器加速度计及磁通门温度补偿装置,其特征在于,包括多路模拟开关、AD转换电路以及单片机,多路模拟开关与AD转换电路及单片机连接,AD转换电路与单片机连接;其中多路模拟开关还与井下定向测量仪器的X轴加速度计测量电路、Y轴加速度计测量电路、Z轴加速度计测量电路、X轴磁通门测量电路、Y轴磁通门测量电路、Z轴磁通门测量电路及温度测量电路连接,单片机还与井下定向测量仪器的对外接口连接。
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