CN204740333U - 一种用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路 - Google Patents

Abstract

一种用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路。其包括微处理器、参数采集电路、存储电路、时钟电路、复位电路和计算机，其中：微处理器分别与参数采集电路、存储电路、时钟电路、复位电路和计算机相连接。本实用新型效果：在智能钻井工具的供电电源中，通过增设信号采集电路，可监测井下电源系统的工作状态，记录电源系统各环节的电压、电流值变化情况，为智能钻井工具电源系统的故障分析、维修保养提供客观、真实的测量数据，避免了仅依靠地面检测造成的故障误判、风险失察等隐患，缩短了智能钻井工具的维修保养周期，提高了智能钻井工具井下工作的安全性、稳定性和使用寿命。

Description

一种用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路

技术领域

本实用新型涉及一种用于测量井下电源系统参数的信号采集电路，特别是涉及一种用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路。

背景技术

在石油钻井领域中，智能钻井工具采用电子控制单元完成井下信息的采集、处理和决策，由驱动单元完成相应操作，电子控制单元、驱动单元等部件的动力来源由井下电源系统负责供给，因素其工作状况的好坏会直接影响智能钻井工具能否安全、正常、稳定地工作。

由于井底温度高、振动大、工作条件恶劣，智能钻井工具多采用泥浆涡轮发电机产生交流电能，由于泥浆流量波动大，产生的交流电能变化范围宽，电子控制单元等部件对电源的稳定性要求较高，因此，通常采用稳压电源技术将交流电能转换成符合用电负载需求的稳定直流电能，但这种交流-直流-直流变换的供电方案结构复杂，涉及的中间环节较多，任何一个环节出现问题都可能造成输出电压异常，若没有对井下电源系统关键节点参数的实时监测和记录，必然会导致故障排查困难，安全隐患难以完全消除，从而延长智能钻井工具维修保养周期，降低智能钻井工具的安全性、稳定性和使用寿命。在井底复杂工作环境下，要完成多个电源参数的采集、处理、存储功能，现有的电压/电流信号采集电路的稳定性、可靠性均难以满足要求。

因此，设计一种多通道信号采集电路，在井底恶劣工作条件下能实现对井下电源的工作温度及电压、电流、发电机转速等关键参数的高精度、高可靠性测量，用于监控智能钻井工具供电系统的工作状况，为智能钻井工具的故障分析提供客观、真实的测量数据，具有重要的价值和意义。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路。

为了达到上述目的，本实用新型提供的用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路包括：微处理器、参数采集电路、存储电路、时钟电路、复位电路和计算机，其中：微处理器分别与参数采集电路、存储电路3、时钟电路、复位电路和计算机相连接。

所述的参数采集电路包括多个直流电压信号采集电路、多个电流信号采集电路、发电机转速信号采集电路及井下温度信号采集电路，多个直流电压信号采集电路、多个电流信号采集电路、发电机转速信号采集电路及井下温度信号采集电路均与微处理器连接。

所述的参数采集电路中的电压信号采集电路包括：第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2和第一电解电容E1；其中：第一电阻R1的一端与第一运算放大器U1的第一端连接、另一端为输入端，与电压输入信号V_in连接；第二电阻R2的一端与第一运算放大器U1的第一端连接、另一端与地线连接；第一电解电容E1的正极与第一运算放大器U1的第一端连接、负极与地线连接；第一运算放大器U1的第三端为输出端，输出V_out1信号；第一运算放大器U1第一端接收第一电阻R1和第二电阻R2分压后的输入信号电压值，第一运算放大器U1第二端与第三端相连，所述的第一运算放大器U1的第一端为同相输入端，所述的第一运算放大器U1的第二端为反相输入端，所述的第一运算放大器U1的第三端为输出端。

所述的参数采集电路中的电流信号采集电路包括：第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第二电解电容E2；其中：第二运算放大器U2的第一端为输入端，与电流输入信号I_in连接，第二运算放大器U2的第三端为输出端，输出V_out2信号，第二电解电容E2的一端与第三运算放大器U3的第一端连接、另一端与地线连接；第三电阻R3为采样电阻，用于从井下电源系统的输出回路中采样电流，将其转换为微小电压信号，第二运算放大器U2用于对微小电压信号进行放大，第三运算放大器U3为电压跟随器结构，第三运算放大器U3的第一端接收第二运算放大器U2的输出信号，第三运算放大器U3的第二端连接第三运算放大器U3的第三端，所述的第二运算放大器U2和第三运算放大器U3的第一端均为同相输入端、第二端均为反相输入端、第三端均为输出端。

所述的参数采集电路中的发电机转速信号采集电路包括：第一与非门NA1、第二与非门NA2、二极管D1、稳压二极管D2、第八电阻R8、第九电阻R9和第三电解电容E3；其中：二极管D1的阳极为输入端，接收转速输入信号V_rpm、阳极与第八电阻R8的第一端连接，第八电阻R8第二端同时与第一与非门NA1的第一端和第二端相连接，稳压二极管D2的阴极与第八电阻R8第二端连接、阳极与地线连接，第九电阻R9的第一端与第八电阻R8第二端连接、第二端与地线连接，第三电解电容E3的阳极与第八电阻R8第二端连接、阳极与地线连接，第二与非门NA2的第一端和第二端同时与第一与非门NA1的第三端连接、第三端为输出端，输出V_out3信号；二极管D1进行半波整流，将发电机转速信号由交流信号转换为直流信号，由第八电阻R8和第九电阻R9对半波整流后电压进行分压，由稳压二极管D2对分压后电压进行钳位，第一与非门NA1的第一端和第二端同时接收半波整流后的输出电压，第二与非门NA2与第一与非门串联连接，第二与非门NA2的第一端和第二端接收第一与非门NA1的第三端信号，第二与非门NA2的第三端输出方波信号，所述的第一与非门NA1的第一端和第二端为输入端，所述的第一与非门NA1的第三端为输出端，所述的第二与非门NA2的第一端和第二端为输入端，所述的第二与非门NA2的第三端为输出端。

所述的微处理器为飞思卡尔公司的HC9S12系列微处理器芯片。

所述的存储电路采用M25P16芯片及其外围电路，通过SPI接口与所述的微处理器连接。

所述的时钟电路采用PCF2127A芯片及其外围电路，外接晶振频率为32.768KHz，通过I2C接口与所述的微处理器连接。

所述的复位电路包括：复位芯片U4、第十电阻R10、第十一电阻R11和电容C1；复位芯片U4采用MAX708MJA芯片及其外围电路。

本实用新型提供的用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路的效果：在智能钻井工具的供电电源中，通过增设信号采集电路，可监测井下电源系统的工作状态，记录电源系统各环节的电压、电流值变化情况，为智能钻井工具电源系统的故障分析、维修保养提供客观、真实的测量数据，避免了仅依靠地面检测造成的故障误判、风险失察等隐患，缩短了智能钻井工具的维修保养周期，提高了智能钻井工具井下工作的安全性、稳定性和使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型提供的用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路结构框图。

图2为参数采集电路中的电压信号采集电路原理图。

图3为参数采集电路中的电流信号采集电路原理图。

图4为参数采集电路中的发电机转速信号采集电路原理图。

图5为复位电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路进行详细说明。

如图1所示，本实用新型提供的用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路包括：

微处理器1、参数采集电路2、存储电路3、时钟电路4、复位电路5和计算机6，其中：微处理器1分别与参数采集电路2、存储电路3、时钟电路4、复位电路5和计算机6相连接。

参数采集电路2包括多个直流电压信号采集电路21、多个电流信号采集电路22、发电机转速信号采集电路23及井下温度信号采集电路24，多个直流电压信号采集电路21、多个电流信号采集电路22、发电机转速信号采集电路23及井下温度信号采集电路24均与微处理器1连接。

微处理器1用于接收、处理参数采集电路2测量的参数信息，并与计算机6实现信息交互；存储电路3用于将参数采集电路2测量得到的各信号值保存到外置存储芯片中；时钟电路4用于确定参数采集的时间间隔并记录每帧数据的测量时间；复位电路5用于监控微处理器1的运行情况，当微处理器1工作异常时，进行系统复位；计算机6用于读取、显示存储在外置存储芯片中的测量数据，以供地面工作人员对智能钻井工具电源的运行状况、故障原因进行分析。

如图2所示，所述的参数采集电路2中的电压信号采集电路21采用电压跟随器结构，其包括：第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2和第一电解电容E1；其中：第一电阻R1的一端与第一运算放大器U1的第一端连接、另一端为输入端，与电压输入信号V_in连接；第二电阻R2的一端与第一运算放大器U1的第一端连接、另一端与地线连接；第一电解电容E1的正极与第一运算放大器U1的第一端连接、负极与地线连接；第一运算放大器U1的第三端为输出端，输出V_out1信号；第一运算放大器U1第一端接收第一电阻R1和第二电阻R2分压后的输入信号电压值，第一运算放大器U1第二端与第三端相连，所述的第一运算放大器U1的第一端为同相输入端，所述的第一运算放大器U1的第二端为反相输入端，所述的第一运算放大器U1的第三端为输出端。

如图3所示，所述的参数采集电路2中的电流信号采集电路22包括：第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第二电解电容E2；其中：第二运算放大器U2的第一端为输入端，与电流输入信号I_in连接，第二运算放大器U2的第三端为输出端，输出V_out2信号，第二电解电容E2的一端与第三运算放大器U3的第一端连接、另一端与地线连接；第三电阻R3为采样电阻，用于从井下电源系统的输出回路中采样电流，将其转换为微小电压信号，第二运算放大器U2用于对微小电压信号进行放大，第三运算放大器U3为电压跟随器结构，第三运算放大器U3的第一端接收第二运算放大器U2的输出信号，第三运算放大器U3的第二端连接第三运算放大器U3的第三端，所述的第二运算放大器U2和第三运算放大器U3的第一端均为同相输入端、第二端均为反相输入端、第三端均为输出端；

如图4所示，所述的参数采集电路2中的发电机转速信号采集电路23包括：第一与非门NA1、第二与非门NA2、二极管D1、稳压二极管D2、第八电阻R8、第九电阻R9和第三电解电容E3；其中：二极管D1的阳极为输入端，接收转速输入信号V_rpm、阳极与第八电阻R8的第一端连接，第八电阻R8第二端同时与第一与非门NA1的第一端和第二端相连接，稳压二极管D2的阴极与第八电阻R8第二端连接、阳极与地线连接，第九电阻R9的第一端与第八电阻R8第二端连接、第二端与地线连接，第三电解电容E3的阳极与第八电阻R8第二端连接、阳极与地线连接，第二与非门NA2的第一端和第二端同时与第一与非门NA1的第三端连接、第三端为输出端，输出V_out3信号；二极管D1进行半波整流，将发电机转速信号由交流信号转换为直流信号，由第八电阻R8和第九电阻R9对半波整流后电压进行分压，由稳压二极管D2对分压后电压进行钳位，第一与非门NA1的第一端和第二端同时接收半波整流后的输出电压，第二与非门NA2与第一与非门串联连接，第二与非门NA2的第一端和第二端接收第一与非门NA1的第三端信号，第二与非门NA2的第三端输出方波信号，所述的第一与非门NA1的第一端和第二端为输入端，所述的第一与非门NA1的第三端为输出端，所述的第二与非门NA2的第一端和第二端为输入端，所述的第二与非门NA2的第三端为输出端；

所述的参数采集电路2由LM35温度测量芯片及其外围电路对温度参数进行采集，测量温度范围为-55℃-150℃；

所述的微处理器1为飞思卡尔公司的HC9S12系列微处理器芯片，用于接收所述的参数采集电路2输出的模拟参数值，进行A/D转换，处理后的参数输出至所述的存储电路3中，所述的微处理器1与所述的计算机6之间可通过SCI总线实现信息交互；

所述的存储电路3采用M25P16芯片及其外围电路，通过SPI接口与所述的微处理器1连接，用于存储经所述的微处理器1进行A/D转换后的参数测量值；

所述的时钟电路4采用PCF2127A芯片及其外围电路，外接晶振频率为32.768KHz，通过I2C接口与所述的微处理器1连接，可实现与所述的计算机6的时钟同步，用于为所述的参数采集电路2设定采样时间间隔，作为测量参数的一部分存储至所述的存储电路3中；

如图5所示，所述的复位电路5包括：复位芯片U4、第十电阻R10、第十一电阻R11和电容C1；复位芯片U4采用MAX708MJA芯片及其外围电路，用于监控井下电源系统的电压及所述的微处理器1的运行状态，当井下电源系统电压低于安全阈值或所述的微处理器1工作不正常时，由所述的复位电路5进行系统复位。

本参数采集电路的工作原理如下：

如图2所示，待测电压信号V_in经第一电阻R1和第二电阻R2分压后输入第一运算放大器U1的同相输入端，第一电解电容E1与第二电阻R2并联，用于滤除信号中的高频成分，第一运算放大器U1采用电压跟随器结构，其反相输入端与输出端直接连接，输出采样电压V_out1。

如图3所示，待测电流信号I_in由第三电阻R3转换成电压信号，第一路输入第二运算放大器U2的同相输入端，第二路经第四电阻R4输入第二运算放大器U2的反相输入端，第五电阻R5为反馈电阻，由第二运算放大器U2的输出端连接至第二运算放大器U2的反相输入端，第二运算放大器U2的作用为对第三电阻R3两端电压进行放大，第二运算放大器U2的输出电压经第六电阻R6和第七电阻R7分压后输入第三运算放大器U3的同相输入端，第二电解电容E2与第七电阻R7并联，用于滤除第二运算放大器U2输出电压中的高频成分，第三运算放大器U3采用电压跟随器结构，其反相输入端与输出端相连，输出采样电压V_out2。

如图4所示，待测发电机转速信号V_rpm首先由二极管D1进行半波整流，半波整流后的直流电压经第八电阻R8和第九电阻R9分压后输入与第一非门NA1的两个输入端，第三电解电容E3用于滤除半波整流后的直流电压中的高频成分，稳压二极管D2用于嵌位，防止泥浆涡轮发电机产生的电压值过高时超过第一与非门NA1的承受能力，第一与非门NA1的输出端和第二与非门NA2的两个输入端相连，第二与非门NA2NA2输出采样电压V_out3。

如图5所示，复位芯片U4为MAX708MJA芯片，用于监控井下电源系统的电压及所述的微处理器1的运行状态，将井下电源系统中待监控电压V_in经第十电阻R10和第十一电阻R11分压后输入复位芯片U4的PFI端口，电容C1用于滤除V_in中的高频成分，复位芯片U4的PFO端口与微处理器1的输入/输出端口连接，用于监控电压V_in的状态，复位芯片U4的端口连接微处理器1的端口，设定阈值下限V_T，当V_in<V_T时，由复位芯片U4进行微处理器1的复位操作，此外，复位芯片U4实时监控微处理器1的工作状态，当微处理器1工作异常或供电不足时，由复位芯片U4进行微处理器1的复位操作。

工作时，本电路设置采样间隔为10ms，微处理器1每隔10ms接收参数采集电路2采集的井下电源系统参数信息，由电压信号采集电路21完成对井下电源系统不同位置电压值的测量，由电流信号采集电路22完成对井下电源系统回路电流值的测量，由发电机转速信号采集电路23完成对泥浆涡轮发电机转速的计数，由温度信号采集电路24完成对井底温度的测量，微处理器1内置8通道10位A/D转换器，将参数采集电路2输入的模拟信号转换为数字信号后通过SPI总线保存至外部存储电路3中，时钟电路4通过微处理器1可实现与计算机6的时钟同步，提供参数采集电路2的测量时间，与测量参数通过SPI总线一同保存至存储电路3中。复位电路5监控井下电源系统的发电电压及所述的微处理器1的运行状态，设定井下电源整流滤波后输出电压安全阈值为45V，当井下电源系统发电电压低于安全阈值或所述的微处理器1工作不正常时，由所述的复位电路5进行系统复位。存储电路3中存储的参数信息通过I²C总线与微处理器1连接，计算机6通过SCI总线可从微处理器1和存储电路3中读取、显示、保存参数信息，为分析井下电源系统工作状态、故障原因提供客观、真实的数据，提高智能钻井工具的安全性、稳定性，缩短维修保养周期。

本实用新型的目的在于为智能钻井工具的井下电源系统设计一种多通道信号采集电路，可实现对电源电压、回路电流、发电机转速及井底温度等参数信息的实时监测与记录，为电源系统的工作状况分析、故障处理提供客观、真实的数据依据，以保证智能钻井工具电子控制单元等部件的稳定、安全运行，提高智能钻井工具的整体工作性能和使用寿命。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路，其特征在于：所述的用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路包括：微处理器（1）、参数采集电路（2）、存储电路（3）、时钟电路（4）、复位电路（5）和计算机（6），其中：微处理器（1）分别与参数采集电路（2）、存储电路（3）、时钟电路（4）、复位电路（5）和计算机（6）相连接。

2.根据权利要求1所述的用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路，其特征在于：所述的参数采集电路（2）包括多个直流电压信号采集电路（21）、多个电流信号采集电路（22）、发电机转速信号采集电路（23）及井下温度信号采集电路（24），多个直流电压信号采集电路（21）、多个电流信号采集电路（22）、发电机转速信号采集电路（23）及井下温度信号采集电路（24）均与微处理器（1）连接。

3.根据权利要求2所述的用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路，其特征在于：所述的参数采集电路（2）中的电压信号采集电路（21）包括：第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2和第一电解电容E1；其中：第一电阻R1的一端与第一运算放大器U1的第一端连接、另一端为输入端，与电压输入信号V_in连接；第二电阻R2的一端与第一运算放大器U1的第一端连接、另一端与地线连接；第一电解电容E1的正极与第一运算放大器U1的第一端连接、负极与地线连接；第一运算放大器U1的第三端为输出端，输出V_out1信号；第一运算放大器U1第一端接收第一电阻R1和第二电阻R2分压后的输入信号电压值，第一运算放大器U1第二端与第三端相连，所述的第一运算放大器U1的第一端为同相输入端，所述的第一运算放大器U1的第二端为反相输入端，所述的第一运算放大器U1的第三端为输出端。

4.根据权利要求2所述的用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路，其特征在于：所述的参数采集电路（2）中的电流信号采集电路（22）包括：第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第二电解电容E2；其中：第二运算放大器U2的第一端为输入端，与电流输入信号I_in连接，第二运算放大器U2的第三端为输出端，输出V_out2信号，第二电解电容E2的一端与第三运算放大器U3的第一端连接、另一端与地线连接；第三电阻R3为采样电阻，用于从井下电源系统的输出回路中采样电流，将其转换为微小电压信号，第二运算放大器U2用于对微小电压信号进行放大，第三运算放大器U3为电压跟随器结构，第三运算放大器U3的第一端接收第二运算放大器U2的输出信号，第三运算放大器U3的第二端连接第三运算放大器U3的第三端，所述的第二运算放大器U2和第三运算放大器U3的第一端均为同相输入端、第二端均为反相输入端、第三端均为输出端。

5.根据权利要求2所述的用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路，其特征在于：所述的参数采集电路（2）中的发电机转速信号采集电路（23）包括：第一与非门NA1、第二与非门NA2、二极管D1、稳压二极管D2、第八电阻R8、第九电阻R9和第三电解电容E3；其中：二极管D1的阳极为输入端，接收转速输入信号V_rpm、阳极与第八电阻R8的第一端连接，第八电阻R8第二端同时与第一与非门NA1的第一端和第二端相连接，稳压二极管D2的阴极与第八电阻R8第二端连接、阳极与地线连接，第九电阻R9的第一端与第八电阻R8第二端连接、第二端与地线连接，第三电解电容E3的阳极与第八电阻R8第二端连接、阳极与地线连接，第二与非门NA2的第一端和第二端同时与第一与非门NA1的第三端连接、第三端为输出端，输出V_out3信号；二极管D1进行半波整流，将发电机转速信号由交流信号转换为直流信号，由第八电阻R8和第九电阻R9对半波整流后电压进行分压，由稳压二极管D2对分压后电压进行钳位，第一与非门NA1的第一端和第二端同时接收半波整流后的输出电压，第二与非门NA2与第一与非门串联连接，第二与非门NA2的第一端和第二端接收第一与非门NA1的第三端信号，第二与非门NA2的第三端输出方波信号，所述的第一与非门NA1的第一端和第二端为输入端，所述的第一与非门NA1的第三端为输出端，所述的第二与非门NA2的第一端和第二端为输入端，所述的第二与非门NA2的第三端为输出端。

6.根据权利要求1所述的用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路，其特征在于：所述的微处理器（1）为飞思卡尔公司的HC9S12系列微处理器芯片。

7.根据权利要求1所述的用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路，其特征在于：所述的存储电路（3）采用M25P16芯片及其外围电路，通过SPI接口与所述的微处理器（1）连接.

8.根据权利要求1所述的用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路，其特征在于：所述的时钟电路（4）采用PCF2127A芯片及其外围电路，外接晶振频率为32.768KHz，通过I2C接口与所述的微处理器（1）连接。

9.根据权利要求1所述的用于井下电源系统参数测量的多通道信号采集电路，其特征在于：所述的复位电路（5）包括：复位芯片U4、第十电阻R10、第十一电阻R11和电容C1；复位芯片U4采用MAX708MJA芯片及其外围电路。