CN214943962U - 一种具有监测系统的多维振动冲击器及其系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有监测系统的多维振动冲击器及其系统，振动监测装置设置在多维振动冲击器的隔套和上壳体形成的空间内，振动监测装置包括加速度传感器、信号调理电路、控制器、模数转换电路和信息发送模块。振动监测装置通过设置在X轴、Y轴、Z轴三个轴向方向的加速度传感器实时采集多维振动冲击器的振动信号，并通过信号调理电路、模数转换电路转化为可供处理的数字量，并通过信息发送模块发送给外部上位机以产生监测告警。

Description

一种具有监测系统的多维振动冲击器及其系统

技术领域

本实用新型涉及石油天然气钻井配套设备技术领域，更具体地说涉及一种具有监测系统的多维振动冲击器及其系统。

背景技术

石油勘探开发钻井作业时，为了减小钻井期间钻具与井壁产生的摩擦力，防止出现钻具托压、钻头粘滑效应导致钻进效率低的问题，通常会在钻头上部增加一种振动冲击器，钻井液进入多维振动冲击器后通过旋转冲击锤和换向器两部分周而复始扭矩冲击产生的轴向和轴向振动力，为PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit聚晶金刚石复合片钻头)破岩提供一定频率的轴向和轴向振动力，提高钻头在额定钻压下切削破岩能力，同时延长钻头使用寿命，降低钻井成本。但在实践中发现，当多维振动冲击器的输出振动频率超出正常工作范围达到一定程度时，将再次导致PDC钻头的损坏。

实用新型内容

本实用新型克服了现有技术中的不足，当多维振动冲击器的输出振动频率超出正常工作范围达到一定程度时，会出现PDC钻头再次损坏的问题，提供了一种具有监测系统的多维振动冲击器及其系统，振动监测装置通过设置在X轴、Y轴、Z轴三个轴向方向的加速度传感器实时采集多维振动冲击器的振动信号，并通过信号调理电路、模数转换电路转化为可供处理的数字量，并通过信息发送模块发送给外部上位机以产生监测告警。

本实用新型的目的通过下述技术方案予以实现。

一种具有监测系统的多维振动冲击器，包括多维振动冲击器和振动监测装置，所述振动监测装置设置在所述多维振动冲击器的隔套和上壳体形成的空间内，所述振动监测装置包括加速度传感器、信号调理电路、控制器、模数转换电路和信息发送模块，

加速度传感器，加速度传感器的数量为三个，分别设置于X轴、Y轴、Z轴三个轴向方向，用于采集X轴、Y轴、Z轴三个轴向的振动信号；

信号调理电路，用于将加速度传感器输出的振动信号转换为可供模数转换电路采集的模拟量振动信号；

模数转换电路，用于接收信号调理电路输出的模拟量振动信号并转换为数字量振动信号；

信息发送模块，用于接收控制器收到的由模数转换电路转换得到的数字量振动信号并将上述信号发送给上位机，以实现产生监测告警的目的；

所述加速度传感器的振动信号输出端与所述信号调理电路的振动信号输入端相连，所述信号调理电路的模拟量振动信号输出端与所述模数转换电路的模拟量振动信号输入端相连，所述模数转换电路的数字量振动信号输出端与所述控制器的数字量振动信号输入端相连，所述控制器的数字量振动信号输出端与所述信息发送模块的发送信息输入端相连，所述信息发送模块的发送信息输出端与上位机相连。

在所述加速度传感器和所述信号调理电路之间还设置有保护电路，所述保护电路由TVS管或者稳压二极管组成，用于防止加速度传感器输出的振动信号幅度过大超过信号调理电路的输入范围导致信号失真的问题，影响最终的测量结果及导致信号调理电路损坏。

所述加速度传感器采用MEMS(Microelectro Mechanical Systems，微机电系统)加速度传感器。

所述信号调理电路还包括滤波单元，滤波单元能够进行消抖、滤波等抗干扰处理，以提高加速度传感器采集到的振动信号的总体性能。

所述模数转换电路的A/D芯片采用ADS7822芯片。

所述控制器采用ARM9，由于控制器自带模数转换功能和信息通信功能，故能够省略模数转换电路和信息发送模块。

所述信息发送模块采用RS485通信模块或者RS232通信模块。

一种多维振动冲击系统，包括上述多维振动冲击器、上位机和报警装置，所述上位机由信息接收模块和数据处理模块组成，

信息接收模块，用于接收信息发送模块发来的振动信号，并发送给数据处理模块；

数据处理模块，用于将接收的振动信号转换到频域，并与预设的频率阈值进行比较，当任意一个轴向的振动信号超过所述频率阈值后，输出报警信号以触发报警装置报警；

报警装置，将报警信号以可见或者是可听的方式警示出来，以便于使用人员停止作业；

所述多维振动冲击器的信息发送模块的发送信息输出端与所述信息接收模块的发送信息输入端相连，所述信息接收模块的接收信息输出端与所述数据处理模块的接收信息输入端相连，所述数据处理模块的报警信号输出端与所述报警装置的报警信号输入端相连。

所述信息接收模块采用RS485通信模块或者RS232通信模块。

所述数据处理模块中的阈值为正常频率的上下波动10％。

所述报警装置采用声学报警装置或者光学报警装置。

本实用新型的有益效果为：振动监测装置通过设置在X轴、Y轴、Z轴三个轴向方向的加速度传感器实时采集多维振动冲击器的振动信号，并通过信号调理电路、模数转换电路转化为可供处理的数字量，并通过信息发送模块发送给外部上位机以产生监测告警；实际使用时，用户可以通过陆地上的上位机实时了解多维振动冲击器入井的情况，当多维振动冲击器的振动信号超过阈值后，告警提示停止钻探动作，从而降低PDC钻头复合片损坏程度，提高单只钻头使用寿命。

附图说明

图1是本实用新型的纵截面示意图；

图2是实施例一中振动监测装置的结构示意图；

图3是实施例三中振动监测系统的结构示意图；

图中：1为钻头接头，2为下壳体，3为下喷嘴，4为旋转冲击锤，5为换向器，6为上喷嘴，7为隔套，8为上壳体，9为上接头，10为振动监测装置，11为加速度传感器，12为信号调理电路，13为模数转换电路，14为控制器，15为信息发送模块，16为保护电路，20为上位机，21为信息接收模块，22为数据处理模块，30为报警装置；

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

实施例一

一种具有监测系统的多维振动冲击器，包括多维振动冲击器和振动监测装置10，振动监测装置10设置在多维振动冲击器的隔套7和上壳体8形成的空间内，振动监测装置10包括加速度传感器11、信号调理电路12、控制器14、模数转换电路13和信息发送模块15，

加速度传感器11，加速度传感器11的数量为三个，分别设置于X轴、Y轴、Z轴三个轴向方向，用于采集X轴、Y轴、Z轴三个轴向的振动信号；

信号调理电路12，用于将加速度传感器11输出的振动信号转换为可供模数转换电路采集的模拟量振动信号；

模数转换电路13，用于接收信号调理电路12输出的模拟量振动信号并转换为数字量振动信号；

信息发送模块15，用于接收控制器14收到的由模数转换电路13转换得到的数字量振动信号并将上述信号发送给上位机20，以实现产生监测告警的目的；

加速度传感器11的振动信号输出端与信号调理电路12的振动信号输入端相连，信号调理电路12的模拟量振动信号输出端与模数转换电路13的模拟量振动信号输入端相连，模数转换电路13的数字量振动信号输出端与控制器14的数字量振动信号输入端相连，控制器14的数字量振动信号输出端与信息发送模块15的发送信息输入端相连，信息发送模块15的发送信息输出端与上位机20相连。

多维振动冲击器的钻头接头1用于与钻头连接，上接头9与马达动力钻具连接，旋转冲击锤4和换向器5是扭矩冲击机构，这两部分周而复始扭矩冲击为钻头PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit聚晶金刚石复合片钻头)破岩提供一定频率的轴向和轴向振动力。

实施例二

在实施例一的基础上，在加速度传感器11和信号调理电路12之间还设置有保护电路16，保护电路16由TVS管或者稳压二极管组成，用于防止加速度传感器11输出的振动信号幅度过大超过信号调理电路12的输入范围导致信号失真的问题，影响最终的测量结果及导致信号调理电路12损坏。

加速度传感器11采用MEMS(Microelectro Mechanical Systems，微机电系统)加速度传感器，加速度传感器11由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成，加速度传感器11在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值，并将加速度值转换成可处理利用的电信号，MEMS加速度传感器的尺寸能够达到毫米级别，内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统，其主要由传感器、动作器(执行器)和微能源三大部分组成，MEMS加速度传感器的测量量程可达到±4g，测量精度0.001g，频率范围0-50Hz，MEMS加速度传感器的X轴、Y轴、Z轴三个轴向方向的输出的振动信号均为差分信号。

信号调理电路12还包括滤波单元，滤波单元能够进行消抖、滤波等抗干扰处理，以提高加速度传感器11采集到的振动信号的总体性能，信号调理电路12将加速度传感器11输出的振动信号由差分信号类型转换为标准的单端模拟信号，以满足后续处理需求。

模数转换电路13的A/D芯片采用ADS7822芯片。

控制器14采用ARM9，由于控制器14自带模数转换功能和信息通信功能，故能够省略模数转换电路13和信息发送模块15。

信息发送模块15采用RS485通信模块或者RS232通信模块。

多维振动冲击器中的振动监测装置10，上述振动监测装置10通过设置在X轴、Y轴、Z轴三个轴向方向的加速度传感器11实时采集多维振动冲击器的振动信号，并通过信号调理电路12、模数转换电路13转化为可供处理的数字量，并通过信息发送模块15发送给外部上位机以产生监测告警，实际使用时，用户可以通过陆地上的上位机实时了解多维振动冲击器深入井里的(入井)情况，当多维振动冲击器的振动信号超过阈值后，能及时停止钻探动作，避免PDC钻头损坏。

实施例三

在实施例二的基础上，一种多维振动冲击系统，包括上述多维振动冲击器、上位机20和报警装置30，上位机20由信息接收模块21和数据处理模块22组成，

信息接收模块21，用于接收信息发送模块15发来的振动信号，并发送给数据处理模块22；

数据处理模块22，用于将接收的振动信号转换到频域，并与预设的频率阈值进行比较，当任意一个轴向的振动信号超过所述频率阈值后，输出报警信号以触发报警装置30报警；

报警装置30，将报警信号以可见或者是可听的方式警示出来，以便于使用人员停止作业；

多维振动冲击器的信息发送模块15的发送信息输出端与信息接收模块21的发送信息输入端相连，信息接收模块21的接收信息输出端与数据处理模块22的接收信息输入端相连，数据处理模块22的报警信号输出端与报警装置30的报警信号输入端相连。

信息接收模块21采用RS485通信模块或者RS232通信模块。

数据处理模块22中的阈值为正常频率的上下波动10％。

报警装置30采用声学报警装置或者光学报警装置。

数据处理模块22能够分别对X轴、Y轴、Z轴三个轴向的实时数字化振动信号进行去直流偏置处理，并分别进行FFT快速傅里叶变化，针对三个轴向的实时振动信号进行时域到频域转换，并统计当前信号所处的频率范围，通过进行频率数值的判断，设置触发阈值，当监测到当前频率值超过设置的触发频率阈值后，将产生报警信号，将三个轴向的阈值判断结果通过进行逻辑或运算，当任意一个轴向的频率值超过设置阈值后，将触发报警输出后，触发报警装置30报警，以及时停止钻探动作，避免PDC钻头损坏。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本实用新型进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种具有监测系统的多维振动冲击器，其特征在于：包括多维振动冲击器和振动监测装置，所述振动监测装置设置在所述多维振动冲击器的隔套和上壳体形成的空间内，所述振动监测装置包括加速度传感器、信号调理电路、控制器、模数转换电路和信息发送模块，

加速度传感器的数量为三个，分别设置于X轴、Y轴、Z轴三个轴向方向，用于采集X轴、Y轴、Z轴三个轴向的振动信号；

信号调理电路，用于将加速度传感器输出的振动信号转换为可供模数转换电路采集的模拟量振动信号；

模数转换电路，用于接收信号调理电路输出的模拟量振动信号并转换为数字量振动信号；

信息发送模块，用于接收控制器收到的由模数转换电路转换得到的数字量振动信号并将上述信号发送给上位机，以实现产生监测告警的目的；

所述加速度传感器的振动信号输出端与所述信号调理电路的振动信号输入端相连，所述信号调理电路的模拟量振动信号输出端与所述模数转换电路的模拟量振动信号输入端相连，所述模数转换电路的数字量振动信号输出端与所述控制器的数字量振动信号输入端相连，所述控制器的数字量振动信号输出端与所述信息发送模块的发送信息输入端相连，所述信息发送模块的发送信息输出端与上位机相连。

2.根据权利要求1所述的一种具有监测系统的多维振动冲击器，其特征在于：在所述加速度传感器和所述信号调理电路之间还设置有保护电路，所述保护电路由TVS管或者稳压二极管组成，用于防止加速度传感器输出的振动信号幅度过大超过信号调理电路的输入范围导致信号失真的问题，影响最终的测量结果及导致信号调理电路损坏。

3.根据权利要求1所述的一种具有监测系统的多维振动冲击器，其特征在于：所述加速度传感器采用MEMS加速度传感器。

4.根据权利要求1所述的一种具有监测系统的多维振动冲击器，其特征在于：所述信号调理电路还包括滤波单元，滤波单元能够进行消抖、滤波的抗干扰处理，以提高加速度传感器采集到的振动信号的总体性能。

5.根据权利要求1所述的一种具有监测系统的多维振动冲击器，其特征在于：所述模数转换电路的A/D芯片采用ADS7822芯片。

6.根据权利要求1所述的一种具有监测系统的多维振动冲击器，其特征在于：所述控制器采用ARM9，由于控制器自带模数转换功能和信息通信功能，故能够省略模数转换电路和信息发送模块。

7.根据权利要求1所述的一种具有监测系统的多维振动冲击器，其特征在于：所述信息发送模块采用RS485通信模块或者RS232通信模块。

8.一种多维振动冲击系统，其特征在于：包括权利要求1-7任一所述的多维振动冲击器、上位机和报警装置，所述上位机由信息接收模块和数据处理模块组成，

信息接收模块，用于接收信息发送模块发来的振动信号，并发送给数据处理模块；

数据处理模块，用于将接收的振动信号转换到频域，并与预设的频率阈值进行比较，当任意一个轴向的振动信号超过所述频率阈值后，输出报警信号以触发报警装置报警；

报警装置，将报警信号以可见或者是可听的方式警示出来，以便于使用人员停止作业；

所述多维振动冲击器的信息发送模块的发送信息输出端与所述信息接收模块的发送信息输入端相连，所述信息接收模块的接收信息输出端与所述数据处理模块的接收信息输入端相连，所述数据处理模块的报警信号输出端与所述报警装置的报警信号输入端相连。

9.根据权利要求8所述的一种多维振动冲击系统，其特征在于：所述信息接收模块采用RS485通信模块或者RS232通信模块。

10.根据权利要求8所述的一种多维振动冲击系统，其特征在于：所述报警装置采用声学报警装置或者光学报警装置。

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