CN203097883U - 超低频功率发射装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了超低频功率发射装置，用于石油井下无线数据传输，其中，功率变频单元包括采样保持器、隔离驱动器；功率放大器与功率变压器的初级线圈连接，功率变压器的次级线圈一端与正向采样保持器输入端连接，功率变压器的次级线圈另一端与负向采样保持器输入端连接，次级线圈的中心抽头接次级隔离地；隔离驱动器分别与正向采样保持器的驱动输入端和负向采样保持器的驱动输入端连接；正向采样保持器的输出端与天线负载的一端连接，负向采样保持器的输出端与天线负载的另一端连接；正向采样保持器输出端与次级隔离地之间跨接正向保持电容，负向采样保持器输出端与次级隔离地之间跨接负向保持电容。

Description

超低频功率发射装置

技术领域

本实用新型涉及一种在油气井测量中用于石油井下无线数据传输的超低频功率发射装置。

背景技术

在油气井测量中，需要将井下的压力、温度等信号通过数据传输的方式发送到地面，常用的方法有：泥浆脉冲传输法、电磁遥测法、声波传输法、电缆传输法(包括直接电缆、间接电缆)。低频电磁波法是通过石油管柱和地层加载超低频电磁波信号实现无线遥测，电磁波法可以不受钻井液的影响，可在气体、泡沫、雾化、空气、充气等钻井液中使用，是一种油气测量的先进技术方法，低频电磁波传输技术中，低频电磁波的功率发射单元设计是其中的技术关键之一，本专利发明提供了一种实现电磁波高效发射的新方法。

低频电磁波法由于受到地层电阻率等环境条件的影响，电磁波频率一般选择在0.5～20Hz之间的超低频，图4是一种常见的用变压器阻抗变换，驱动天线发送电磁波的方式，石油管柱被绝缘段分隔成上下两部分，形成非对称的偶极子天线，功率驱动器产生的信号通过功率变压器加载到天线上，但由于接近直流的载波频率，使得变压器功率传递效率急剧下跌，同时要求变压器铁芯体积要做的很大，在井下载体工具有限的空间内，用常规的技术很难得到很好的解决，一般采用和电系统非隔离的直接驱动模式，或者寻求非晶体类铁芯变压器，在尽可能的在低频条件下提高变压器的变换效率，因此在以地层为负载的石油井下传输低频电磁波，如何提高功率变换效率，实现在电池供电的环境条件下，发射系统的高效运用，一直是技术上有待解决的问题。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于石油井下无线数据传输的超低频功率发射装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：超低频功率发射装置，用于石油井下无线数据传输，包括2DPSK调制单元、高频载波发生器、同步脉冲单元、模拟乘法器、功率放大器、功率变压器和功率变频单元；2DPSK调制单元、高频载波发生器分别与模拟乘法器连接，模拟乘法器依次与功率放大器、功率变压器与功率变频单元连接，其特征在于：功率变频单元包括采样保持器、隔离驱动器和天线负载；功率放大器与功率变压器的初级线圈连接，功率变压器的次级线圈一端与正向采样保持器输入端连接，功率变压器的次级线圈另一端与负向采样保持器输入端连接，次级线圈的中心抽头接次级隔离地；隔离驱动器分别与正向采样保持器的驱动输入端和负向采样保持器的驱动输入端连接；正向采样保持器的输出端与天线负载的一端连接，负向采样保持器的输出端与天线负载的另一端连接；在正向采样保持器输出端与次级隔离地之间跨接正向保持电容，在负向采样保持器输出端与次级隔离地之间跨接负向保持电容。

高频载波发生器产生的高频载波经过模拟乘法器调制，产生AM调幅波，通过功率变压器，经过解调，在发射端获得其高频载波的低频包络。

功率变压器有输入端和输出端，输入端和输出端之间通过磁芯进行能量交换。

采样保持器有一个高频载波输入端，一个低频包络输出端，高频载波的频率在10KHz～100MHz之间，低频包络的频率在0.1Hz～10KHz之间。

隔离驱动器为输入输出电气隔离，隔离方式包括光电隔离或变压器隔离或霍尔隔离或光纤隔离。

本实用新型的有益效果是：

利用频率变换技术，用小体积的功率变压器高效的传递调幅高频信号，在变压器的次级通过同步差分采样保持电路变换成低频信号，加载到管柱偶极子天线上，用这种变频的方法既可以保持传统变压器驱动高效率的优势，又缩小变压器铁心的体积，使在地层下低频条件下用功率变压器驱动成为可能，由于采用了同步采样保持电路，因此采用这种驱动方式，发射器对地层电阻率负载的变化适应范围大，如果附加闭环功率自适应电路，就能构成一套完整的功率驱动系统。

本技术方案的关键在于变压器次级后的功率变频部分，方案和普通的发射机相比，多了窄脉冲形成电路和变频电路，窄脉冲形成电路用于产生0.5us左右的同步窄脉冲，用于同步解调高频载波，实现变频输出。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型超低频功率发射装置实施例的结构框图。

图2是本实用新型超低频功率发射装置实施例的变频单元结构框图。

图3是本实用新型超低频功率发射装置实施例的变频单元电路图。

图4是常规的用变压器阻抗变换的低频电磁波发射装置示意图。

具体实施方式

图1显示了一套带功率变频的超低频功率发射装置框图，由2DPSK调制单元、高频载波发生器、同步脉冲单元、模拟乘法器、功率放大器、功率变压器和功率变频单元组成。

2DPSK调制单元用于产生以2DPSK模式调制的低频调制波，其中包括了超低频信号发生器、数据编码器、电子开关、反向器。数据编码器产生的数据信号通过电子开关和反向器对预发射的超低频电磁波进行调制，产生2DPSK模式的调制波。

高频载波发生器产生的载波和2DPSK低频波送入模拟乘法器，产生振幅被调制的高频AM波。

同步脉冲单元包括90°移相器、过零比较器、窄脉冲发生器。高频载波信号通过90°移相器，移相90°，使过零点对准高频载波的峰值点，经过过零检测，形成上升沿和高频载波峰值点同步的方波，再经窄脉冲电路，产生和高频正峰值点同步的窄脉冲。

模拟乘法器产生的AM调制波，经功率放大器放大后通过功率变压器，进入变频单元，在同步窄脉冲的驱动解调后，产生超低频2DPSK波加载到偶极子天线上发射。

本实施例在变频单元前端，采用的是和常规的偶极子天线驱动相同的电路，包括2DSPK调制和AM调制都可采用地面发射机的常用方式，由于采用了100KHz的高频载波，因此功率变压器能实现高效传输能量。

本实施例的关键在于变压器次级后的功率变频部分，和普通的发射机相比，多了窄脉冲形成电路和变频电路，载脉冲形成电路用于产生0.5us左右的同步窄脉冲，用于同步解调高频载波，实现变频输出。

图2显示了功率变频电路的功能框图，整个电路包含了一个正向采样保持器和一个负向采样保持器，正向和负向保持电容、一个隔离驱动器。同步窄脉冲由前级提供，②端输入；模拟乘法器产生的AM调制波由①端输入，功率放大后，由变压器次级在正向端③和反向端④分成两个载波相位倒相180°的AM波，在载波峰值点到达时，由窄脉冲启动采样，峰值点过后进入保持状态，⑤端和⑥端为反向差分输出，形成两个极性相反的2DPSK的低频天线发射波。

采样保持器在两个状态间变换，一个是采样，一个是保持。

在采样态，采样保持开关打开，Vin给保持电容充电，保持电容上的电压：

$\mathrm{Vc}\left(t\right)=(\mathrm{Vm}-\mathrm{Vt})(1-e^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}})+{\mathrm{Vc}0e}^{\frac{-t}{\mathrm{\τ}}}$

其中Vt是开关管的管压降，由于mosfet的导通阻抗小于10mΩ，因此可忽略，Vm是载波包络峰值，Vc0是保持电容在前一保持态的保持电压，τ＝rC是充电电路时间常数，r是mosfet导通电阻，C是保持电容，因为导通电阻很小，因此τ远小于100K的开关周期，因此电压近似为线性，以Vm-(Vc0/τ)的线性快速上升。

在保持态，由于开关断开，保持电容保持时间和负载有关，如图2所示，天线的负载可以等效于并联的一个电容C和一个电阻R，对系统产生实质影响的是R，在不同电阻率的地层中，R是一个变值，要使负载对电路的影响减小到最小，要求变频输出回路的放电时间常数(τ＝CR)至少要比开关周期(高频载波频率)大5倍以上，取100k的高频载波频率，保持电容的容量取20u，可以算的最小允许的负载阻抗：

R＝5T/C＝2.5Ω

其中T为100K开关周期为10us，C为保持电容取20uF。

由上式可知采用采样保持同步变频的方法，几乎不受负载变化的影响。

图3显示了变频单元实施的实例电路，N1功率放大器采用APEX公司的PA10功率放大器，功率放大倍数＝R3/R4，R1、R2为限流电阻，R1和R2的大小有下式确定：

$\mathrm{IcL}=\frac{0.65+(V0\×0.014)}{\mathrm{RcL}}$

$\mathrm{RcL}=\frac{0.65+(V0\×0.014)}{\mathrm{IcL}}$

式中IcL为电路设置的限流量，由电池最大允许的最大持续电流和考虑PA10在最大温升条件，设定的限流值，V0是最大输出电压，R1＝R2＝RcL是根据IcL确定的保护电阻。

功率变压器采用Mn-Zn宽温低损耗铁氧体磁芯PC95，具有低矫顽力、低损耗、良好的温度稳定性，其高磁导率可以使用更小体积的变压器，在本实例中初级和次级电感量均为5mH。

采样电开关采用INFINEON的IPG20N04S4型mosfet管，导通内阻小于10mΩ，最大可以通过20A的电流。

隔离驱动器采用SUPERTEX的高速高压隔离驱动器HT04，它不需要电源，利用输入信号本身的能量就可以把TTL电平的控制信号变成需要的mosfet驱动信号。

本实例电路中的采样保持电容采用20u的钽电容。

以上所述的本实用新型实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.超低频功率发射装置，用于石油井下无线数据传输，包括2DPSK调制单元、高频载波发生器、同步脉冲单元、模拟乘法器、功率放大器、功率变压器和功率变频单元；所述2DPSK调制单元、高频载波发生器分别与模拟乘法器连接，所述模拟乘法器依次与功率放大器、功率变压器与功率变频单元连接，其特征在于：所述功率变频单元包括采样保持器、隔离驱动器和天线负载；所述功率放大器与功率变压器的初级线圈连接，所述功率变压器的次级线圈一端与正向采样保持器输入端连接，功率变压器的次级线圈另一端与负向采样保持器输入端连接，次级线圈的中心抽头接次级隔离地；所述隔离驱动器分别与正向采样保持器的驱动输入端和负向采样保持器的驱动输入端连接；所述正向采样保持器的输出端与天线负载的一端连接，负向采样保持器的输出端与天线负载的另一端连接；在正向采样保持器输出端与次级隔离地之间跨接正向保持电容，在负向采样保持器输出端与次级隔离地之间跨接负向保持电容。

2.根据权利要求1所述的超低频功率发射装置，其特征在于：所述高频载波发生器产生的高频载波经过模拟乘法器调制，产生AM调幅波，通过功率变压器，经过解调，在发射端获得其高频载波的低频包络。

3.根据权利要求1所述的超低频功率发射装置，其特征在于：所述功率变压器有输入端和输出端，输入端和输出端之间通过磁芯进行能量交换。

4.根据权利要求1所述的超低频功率发射装置，其特征在于：所述采样保持器有一个高频载波输入端，一个低频包络输出端，高频载波的频率在10KHz～100MHz之间，低频包络的频率在0.1Hz～10KHz之间。

5.根据权利要求1所述的超低频功率发射装置，其特征在于：所述隔离驱动器为输入输出电气隔离，隔离方式包括光电隔离或变压器隔离或霍尔隔离或光纤隔离。

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