CN204993277U - 一种用于智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路 - Google Patents
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Abstract
一种用于智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路。其包括泥浆发电机、整流滤波电路、直流-直流变换电路、驱动电路、电压转换电路和微处理器，其中：泥浆发电机依次通过整流滤波电路、直流-直流变换电路与驱动电路相连接，微处理器分别与驱动电路和电压转换电路连接。本实用新型的有益效果是，通过钻井液正脉冲信号驱动电路的设计，可提高对探管编码的测量数据的识别率，确保当有数据需要上传时，微处理器能够产生适当的脉宽调制波形，使脉冲信号发生器具有足够的驱动能力，产生正脉冲压力信号，提高信号传输的稳定性，降低丢帧和无信号的风险，对及时获取智能钻井工具井下工作状态并做出相应决策具有重要的意义。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于智能钻井工具的脉冲信号驱动电路，特别是涉及一种用于智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路。
背景技术
在石油钻井领域中，井下与地面进行信息交互的方式可分为有线传输方式和无线传输方式，其中，无线传输方式是目前国际上普遍采用的信号传输手段，包括电磁波、声波和钻井液脉冲三种，与电磁波和声波相比，钻进液脉冲无线传输方式具有可靠性好、传输距离远等优点，更符全钻井实际情况，已获得广泛应用，分为正脉冲方式和负脉冲方式。
钻井液脉冲信号发生器通过改变脉冲信号发生器的针阀与小孔的相对位置来控制钻井液过流面积，从而引起钻柱内部钻井液压力升高，在地面通过连续监测立管压力变化，解码探管的测量数据。针阀的运动由驱动电路根据探管编码的测量数据产生脉宽调制信号来实现，驱动电路要能够正确识别探管数据，产生的脉宽调制信号要保证对脉冲信号发生器有足够的驱动力，但现有的驱动电路有时会出现探管数据接收失败或驱动能力不足，导致上传到地面的信号丢帧，从而影响到地面解码的正确性和精度。
因此，设计一种用于智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路，在井底恶劣工作条件下，保证对探管数据能够正确识别，脉冲信号发生器有足够的驱动能力，保证探管数据能够通过钻井液正确、稳定地上传，具有重要的意义。
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智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路。
为了达到上述目的，本实用新型提供的用于智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路包括：泥浆发电机、整流滤波电路、直流-直流变换电路、驱动电路、电压转换电路和微处理器，其中：泥浆发电机依次通过整流滤波电路、直流-直流变换电路与驱动电路相连接，微处理器分别与驱动电路和电压转换电路连接。
所述的整流滤波电路为三相低频整流滤波电路，由第一至第六整流二极管D1-D6及第一、第二电容C1，C2组成。
所述的直流-直流变换电路由第一功率器件Q1、脉宽调制电路A1、误差补偿电路A2、电感L1、第七二极管D7和第三电容C3组成，其中：第一功率器件Q1的第二端为直流-直流变换电路3的输入端，与整流滤波电路2的输出端连接，第一功率器件Q1的第三端与电感L1的第一端连接；电感L1的第二端为直流-直流变换电路3的输出端，输出直流电压；第一功率器件Q1的第一端依次通过脉宽调制电路A1和误差补偿电路A2与直流-直流变换电路3的输出端连接；第七二极管D7的阴极与第一功率器件Q1的第三端连接、阳极与地线连接，第三电容C3的一端与直流-直流变换电路3的输出端连接，另一端与地线连接。
所述的电压转换电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、电解电容E1、与非门NA1和电源转换电路A4；其中：与非门NA1的第一端与第二端同为输入端，接收探管数据信号PULSE、与非门NA1的第三端与微处理器6连接，第一电阻R1的一端与输入端连接、另一端与地线连接，电解电容E1的正极与输入端连接、负极与地线连接，第二电阻R2的一端和与非门NA1的第三端连接、另一端与电源转换电路A4的第一端连接，电源转换器A4的第二端为电压转换电路5的输出端。
所述的微处理器为HC9S12系列单片机。
所述的驱动电路包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第二功率器件Q2、第八二极管D8和脉冲信号发生器A3；其中：第三电阻R3的第一端为输入端，与微处理器6连接，第二端与第二功率器件Q2的第一端连接，第四电阻R4的第一端与第二功率器件Q2的第一端连接，第二端与地线连接，第五电阻R5的第一端与第二功率器件Q2的第三端连接，第二端与地线连接，第二功率器件Q2的第二端与地线连接，第三端与第八二极管D8的阳极连接，第八二极管D8的阴极与直流-直流变换电路3的输出端连接，脉冲信号发生器A3的一端与直流-直流变换电路3的输出端连接、另一端与地线连接。
本实用新型提供的用于智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路的有益效果是，通过钻井液正脉冲信号驱动电路的设计，可提高对探管编码的测量数据的识别率，确保当有数据需要上传时，微处理器能够产生适当的脉宽调制波形，使脉冲信号发生器具有足够的驱动能力，产生正脉冲压力信号，提高信号传输的稳定性，降低丢帧和无信号的风险，对及时获取智能钻井工具井下工作状态并做出相应决策具有重要的意义。
附图说明
图1为本实用新型提供的用于智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路的结构框图。
图2为用于智能钻井工具钻井液正脉冲信号驱动电路原理图。
图3为用于智能钻井工具钻井液正脉冲信号驱动电路一实施例工作时示波器截图。
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智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路进行详细说明。
如图1图2所示，本实用新型提供的用于智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路包括：
泥浆发电机1、整流滤波电路2、直流-直流变换电路3、驱动电路4、电压转换电路5和微处理器6，其中：泥浆发电机1依次通过整流滤波电路2、直流-直流变换电路3与驱动电路4相连接，微处理器6分别与驱动电路4和电压转换电路5连接。
所述的整流滤波电路2为三相低频整流滤波电路，由第一至第六整流二极管D1-D6及第一、第二电容C1，C2组成，用于对泥浆发电机1输出端的三相交流信号进行整流和滤波。
泥浆发电机1产生的三相交流电能经整流滤波电路2后，由直流-直流变换电路3转换成稳定的直流电能而作为脉冲信号发生器A3的驱动电压，探管编码的测量数据信号PULSE经电压转换电路5进入到微处理器6中，微处理器6在有效编码数据高电平时间内产生脉宽调制方波并输出至驱动电路4，由此驱动脉冲信号发生器A3动作，以钻井液为介质传输测量数据至地面。
所述的直流-直流变换电路3为BUCK型降压斩波器结构，其由第一功率器件Q1、脉宽调制电路A1、误差补偿电路A2、电感L1、第七二极管D7和第三电容C3组成，其中：第一功率器件Q1的第二端为直流-直流变换电路3的输入端，与整流滤波电路2的输出端连接，第一功率器件Q1的第三端与电感L1的第一端连接；电感L1的第二端为直流-直流变换电路3的输出端，输出直流电压；第一功率器件Q1的第一端依次通过脉宽调制电路A1和误差补偿电路A2与直流-直流变换电路3的输出端连接；第七二极管D7的阴极与第一功率器件Q1的第三端连接、阳极与地线连接，第三电容C3的一端与直流-直流变换电路3的输出端连接，另一端与地线连接。
所述的第一功率器件Q1的第一端为栅极、第二端为源级、第三端为漏极。
由误差补偿电路A2对直流-直流变换电路3的输出电压进行采样，由脉宽调制电路A1根据直流-直流变换电路3输出电压的误差补偿值调整第一功率器件Q1在一个脉冲周期内的导通和关断时间，以保证直流-直流变换电路3输出脉冲信号发生器A3所需的稳定直流电能。
所述的电压转换电路5采用与非门结构，其包括：第一电阻R1、第二电阻R2、电解电容E1、与非门NA1和电源转换电路A4；其中：与非门NA1的第一端与第二端同为输入端，接收探管数据信号PULSE、与非门NA1的第三端与微处理器6连接，第一电阻R1的一端与输入端连接、另一端与地线连接，电解电容E1的正极与输入端连接、负极与地线连接，第二电阻R2的一端和与非门NA1的第三端连接、另一端与电源转换电路A4的第一端连接，电源转换器A4的第二端为电压转换电路5的输出端。
探管编码的测量数据信号PULSE同时输入与非门AN1的第一端和第二端，与非门AN1的第三端通过第二电阻R2与直流-直流变换电路3的输出端连接，直流-直流变换电路3的输出端输出+5V电压，当探管编码的测量数据信号PULSE无数据输出时，与非门AN1第三端输出+5V高电平，当探管编码的测量数据信号PULSE有数据输出时，与非门AN1第三端输出低电平，从而将探管编码的测量数据转换成规范的+5V脉冲信号，以提高探管数据的抗干扰能力和识别率，其中与非门AN1采用SN54HC132芯片，其第一端和第二端为输入端，第三端为输出端；
所述的微处理器6为HC9S12系列单片机，由输入/输出端口接收所述的与非门AN1的第三端输出信号，低电平有效；当探管编码的测量数据通过所述的电压转换电路5传输时，所述的微处理器6在有效测量数据高电平时间内输出脉宽调制方波信号，其余时间内，所述的微处理器6无脉宽调制方波信号输出；
所述的驱动电路4包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第二功率器件Q2、第八二极管D8和脉冲信号发生器A3；其中：第三电阻R3的第一端为输入端，与微处理器6连接，第二端与第二功率器件Q2的第一端连接，第四电阻R4的第一端与第二功率器件Q2的第一端连接，第二端与地线连接，第五电阻R5的第一端与第二功率器件Q2的第三端连接，第二端与地线连接，第二功率器件Q2的第二端与地线连接，第三端与第八二极管D8的阳极连接，第八二极管D8的阴极与直流-直流变换电路3的输出端连接，脉冲信号发生器A3的一端与直流-直流变换电路3的输出端连接、另一端与地线连接。
第二功率器件Q2的第一端接收经第四电阻R4和第五电阻R5分压后的脉宽调制方波信号，当第二功率器件Q2导通时，电流经脉冲信号发生器A3和第二功率器件Q2流入接地端，脉冲信号发生器A3的针阀动作，通过钻井液介质向地面传输信号，当第二功率器件Q2关断时，电流经脉冲信号发生器A3和第六电阻R6流入接地端，脉冲信号发生器A3不工作，无信号传输，其中，所述的第二功率器件Q2的第一端为栅极，所述的第二功率器件Q2的第二端为源级，所述的第二功率器件Q2的第三端为漏极；所述的第八二极管D8的第一端为阳极，第二端为阴极。
本电路的工作原理如下：泥浆发电机1产生三相低频交流电能输出至整流滤波电路2中，在整流滤波电路2中，第一至第六整流二极管D1-D6组成三相全桥整流电路，第一电容C1和第二电容C2组成电容滤波电路，将泥浆发电机1产生的交流电能转换成粗直流电能并输出至直流-直流变换电路3中；直流-直流变换电路3为BUCK型降压斩波器结构，当第一功率器件Q1导通时，第七整流二极管D7承受反向电压关断，电感L1和用电负载串联，电路中的电流增加，电感L1储能，当第二功率器件Q2关断时，第七整流二极管D7导通，电感释放能量，第三电容C3起稳压作用；智能钻井工具探管编码的测量信号PULSE同时输入与非门NA1的两输入端，当探管编码的测量信号PULSE为高电平时，与非门NA1输出低电平，当探管编码的测量信号PULSE为低电平时，与非门NA1输出高电平；微处理器6的输入/输出口接收与非门NA1的输出信号，低电平有效，第二电阻R2为上拉电阻，接+5V电源，+5V电源由直流-直流变换电路3的输出电压经电源转换芯片获得；当微处理器6的输入/输出端口接收到有效信号时，在有效信号时长内输出脉宽调制方波信号至驱动电路4，经第三电阻R3和第四电阻R4分压后输入第二功率器件Q2的栅极，用于控制第二功率器件Q2的导通与关断；脉冲信号发生器A3一端与直流-直流变换电路3的输出电压连接，一端与第二功率器件Q2的漏极连接，当第二功率器件Q2导通时，电流经脉冲信号发生器A3和第二功率器件Q2进入接地端，脉冲信号发生器A3获得足够的驱动电流，开始工作，传输脉冲信号，当第二功率器件Q2关断时，电流经脉冲信号发生器A3和第五电阻R5进入接地端，脉冲信号发生器A3停止工作，当第二功率器件Q2关断时，第八二极管D8为脉冲信号发生器A3内部的感性元件提供放电回路。
如图3所示，由示波器监测得到基于本实用新型的一实施例的波形变化情况，由信号发生器产生方波信号模拟编码后的探管测量数据，方波信号的幅值为5V，周期为10s，占空比为10％，示波器通道1连接信号发生器的输出，示波器通道2连接微处理器1的脉宽调制方波输出端口，示波器通道3连接直流-直流变换模块3的输出电压值，示波器通道4串联1个0.2Ω/1W的电阻后连接脉冲信号发生器A3的两端，该电阻作为采样电阻采样通过脉冲信号发生器A3的电流，当信号发生器输出+5V高电平时，即示波器通道1显示的高电平时间内，微处理器1输出脉宽调制方波信号，如示波器通道2所示，驱动电路4中的第二功率器件Q2打开，电流经脉冲信号发生器A3和第二功率器件Q2进入接地端，脉冲信号发生器A3针阀动作，发送正脉冲，脉冲信号发生器A3动作时，起始阶段需较大的驱动电流使针阀动作，针阀顶起产生压力脉冲后，只需较小电流即可保持该状态，如示波器通道4所示，当信号发生器输出低电平时，微处理器1无脉宽调制方波输出，驱动电路4中的第二功率器件Q2关断，电流经脉冲信号发生器A3和第五电阻R5进入接地端，脉冲信号发生器A3不能获得足够的驱动能力，针阀无动作，不发送脉冲信号，整个过程中，脉冲信号发生器A3的驱动电压保持恒定，如示波器通道3所示。
本电路工作时，由微处理器6接收电压转换电路5输出的探管编码的测量数据，根据数据编码产生脉宽调制方波信号，控制驱动电路4中第二功率器件Q2的导通与关断；当无有效数据时，第二功率器件Q2关断，脉冲信号发生器A3不工作，当接收到有效数据时，第二功率器件Q2导通，脉冲信号发生器A3工作，将探管的测量数据以脉冲信号的方式通过钻井液介质传输至地面。
本实用新型的目的在于为智能钻井工具的钻井液正脉冲信号提供一种硬件驱动电路，实现对探管编码的测量数据的正确接收，并根据测量数据产生脉宽调制波形，驱动脉冲信号发生器针阀按编码要求正常、稳定地上传信号，提高智能钻井工具数据传输的正确率和准确度。
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 (6)
1.一种用于智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路，其特征在于：其包括：泥浆发电机(1)、整流滤波电路(2)、直流-直流变换电路(3)、驱动电路(4)、电压转换电路(5)和微处理器(6)，其中：泥浆发电机(1)依次通过整流滤波电路(2)、直流-直流变换电路(3)与驱动电路(4)相连接，微处理器(6)分别与驱动电路(4)和电压转换电路(5)连接。
2.根据权利要求1所述的用于智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路，其特征在于：所述的整流滤波电路(2)为三相低频整流滤波电路，由第一至第六整流二极管D1-D6及第一、第二电容C1，C2组成。
3.根据权利要求1所述的用于智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路，其特征在于：所述的直流-直流变换电路(3)由第一功率器件Q1、脉宽调制电路A1、误差补偿电路A2、电感L1、第七二极管D7和第三电容C3组成，其中：第一功率器件Q1的第二端为直流-直流变换电路(3)的输入端，与整流滤波电路(2)的输出端连接，第一功率器件Q1的第三端与电感L1的第一端连接；电感L1的第二端为直流-直流变换电路(3)的输出端，输出直流电压；第一功率器件Q1的第一端依次通过脉宽调制电路A1和误差补偿电路A2与直流-直流变换电路(3)的输出端连接；第七二极管D7的阴极与第一功率器件Q1的第三端连接、阳极与地线连接，第三电容C3的一端与直流-直流变换电路(3)的输出端连接，另一端与地线连接。
4.根据权利要求1所述的用于智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路，其特征在于：所述的电压转换电路(5)包括：第一电阻R1、第二电阻R2、电解电容E1、与非门NA1和电源转换电路A4；其中：与非门NA1的第一端与第二端同为输入端，接收探管数据信号PULSE、与非门NA1的第三端与微处理器(6)连接，第一电阻R1的一端与输入端连接、另一端与地线连接，电解电容E1的正极与输入端连接、负极与地线连接，第二电阻R2的一端和与非门NA1的第三端连接、另一端与电源转换电路A4的第一端连接，电源转换器A4的第二端为电压转换电路(5)的输出端。
5.根据权利要求1所述的用于智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路，其特征在于：所述的微处理器(6)为HC9S12系列单片机。
6.根据权利要求1所述的用于智能钻井工具的钻井液正脉冲信号驱动电路，其特征在于：所述的驱动电路(4)包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第二功率器件Q2、第八二极管D8和脉冲信号发生器A3；其中：第三电阻R3的第一端为输入端，与微处理器(6)连接，第二端与第二功率器件Q2的第一端连接，第四电阻R4的第一端与第二功率器件Q2的第一端连接，第二端与地线连接，第五电阻R5的第一端与第二功率器件Q2的第三端连接，第二端与地线连接，第二功率器件Q2的第二端与地线连接，第三端与第八二极管D8的阳极连接，第八二极管D8的阴极与直流-直流变换电路(3)的输出端连接，脉冲信号发生器A3的一端与直流-直流变换电路(3)的输出端连接、另一端与地线连接。
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