礦用智能型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種礦用智能型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)，包括通過電磁波傳輸?shù)目卓谘b置和孔中傳輸裝置；所述孔口裝置的電源分別連接孔口收發(fā)模塊、噪聲分析模塊、孔口CPU模塊、工控機及顯示模塊；所述孔口天線兩端分別連接孔口收發(fā)模塊，所述孔口收發(fā)模塊、噪聲分析模塊、工控機及顯示模塊均與孔口CPU模塊連接；所述孔中傳輸裝置包括電磁波無線傳輸模塊；所述電磁波無線傳輸模塊包括電池、智能電源管理模塊、孔中天線、孔中收發(fā)模塊、孔中CPU模塊；所述智能電源管理模塊與電池、孔中收發(fā)模塊、孔中CPU模塊連接，所述孔中收發(fā)模塊分別與孔中CPU模塊和孔中天線連接。本發(fā)明能夠在孔口設(shè)定調(diào)頻、調(diào)相、擴(kuò)頻等調(diào)制方式，并將命令下發(fā)給孔中裝置。
【專利說明】
礦用智能型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于煤礦井下隨鉆測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種礦用智能型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]為保證煤礦安全高效開采，通常在煤礦井下需要施工大量的瓦斯抽采鉆孔和探放水孔，為了提高鉆孔質(zhì)量減低鉆探成本，隨鉆測量系統(tǒng)開始應(yīng)用于煤礦井下的各種定向鉆機，用來實時測量鉆孔軌跡，以指導(dǎo)鉆孔的設(shè)計與施工。目前煤礦井下隨鉆測量仍采用有線方式將測量的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇卓?，采用特制的通纜鉆桿來構(gòu)成傳輸通道，而通纜鉆桿的加工工藝復(fù)雜、成本昂貴，且其傳輸質(zhì)量受接頭處密封狀況的影響較大。
[0003]現(xiàn)有的無線隨鉆測量技術(shù)常用泥漿脈沖構(gòu)成傳輸通道，而泥漿脈沖隨鉆測量技術(shù)不適合于空氣、泡沫和非平衡鉆進(jìn)，傳輸速率低且只能單向通訊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種礦用智能型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
本發(fā)明實施例提供一種礦用智能型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括通過電磁波傳輸?shù)目卓谘b置和孔中傳輸裝置；
所述孔口裝置包括電源、孔口天線、孔口收發(fā)模塊、噪聲分析模塊、孔口 CPU模塊、工控機及顯示模塊；
所述電源分別連接孔口收發(fā)模塊、噪聲分析模塊、孔口 CPU模塊、工控機及顯示模塊;所述孔口天線兩端分別連接孔口收發(fā)模塊，所述孔口收發(fā)模塊、噪聲分析模塊、工控機及顯示模塊均與孔口 CPU模塊連接；
所述孔中傳輸裝置包括電磁波無線傳輸模塊；
所述電磁波無線傳輸模塊包括電池、智能電源管理模塊、孔中天線、孔中收發(fā)模塊、孔中CPU模塊；
所述智能電源管理模塊與電池、孔中收發(fā)模塊、孔中CPU模塊連接，所述孔中收發(fā)模塊分別與孔中CPU模塊和孔中天線連接。
[0006]上述方案中，所述電磁波無線傳輸模塊的孔中CPU模塊和智能電源管理模塊均與配套的孔中儀器連接。
[0007]上述方案中，所述孔中天線為偶極子天線，發(fā)射極距不小于40cm。
[0008]上述方案中，所述孔中傳輸裝置還包括測斜模塊，所述測斜模塊包括電源、三軸磁通門傳感器、三軸加速度傳感器、第一信號調(diào)理電路、第二信號調(diào)理電路、多路A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器和測斜通訊模塊；
所述電源與電磁波無線傳輸模塊的智能電源管理模塊連接，經(jīng)過升壓、降壓和LDO穩(wěn)壓后供給三軸磁通門傳感器、三軸加速度傳感器、第一信號調(diào)理電路、第二信號調(diào)理電路、多路A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器和測斜通訊模塊;所述三軸磁通門傳感器、三軸加速度傳感器分別通過第一信號調(diào)理電路、第二信號調(diào)理電路與多路A/D轉(zhuǎn)換器連接，所述多路A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器連接;所述測斜通訊模塊與電磁波無線傳輸模塊的傳輸通訊模塊連接。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
I)孔中智能電源管理，能根據(jù)孔中裝置旋轉(zhuǎn)、滑動、振動、壓力等狀態(tài)及參數(shù)判斷鉆機是否鉆進(jìn)，從而實現(xiàn)孔中裝置和配套測量儀器的電源管理，達(dá)到延長系統(tǒng)續(xù)航時間的目的；2)孔口噪聲實時分析，對孔口噪聲頻譜、幅度等實時測量，將命令下發(fā)給孔中裝置，改變其發(fā)射頻率，從而躲開孔口干擾頻段；
3)可變的信號調(diào)制方式，可以在孔口設(shè)定調(diào)頻、調(diào)相、擴(kuò)頻等調(diào)制方式，并將命令下發(fā)給孔中裝置；
4)發(fā)射功率、頻率智能調(diào)節(jié)，孔口裝置能根據(jù)鉆進(jìn)距離改變發(fā)射功率和頻率，并將命令下發(fā)給孔中裝置，鉆進(jìn)距離近，設(shè)置為小功率高頻率，降低功耗，提高數(shù)據(jù)傳輸速率;鉆進(jìn)距離遠(yuǎn)，設(shè)置為大功率低頻率，提高傳輸距離。
[0010]5)系統(tǒng)傳輸速率不小于50bps，石油行業(yè)已有的電磁波無線傳輸系統(tǒng)傳輸速率小于20bps。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明實施例1提供的一種礦用智能型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；
圖2為本發(fā)明實施例2提供的一種礦用智能型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。
【具體實施方式】
[0012]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0013]實施例1:
本發(fā)明實施例提供一種礦用智能型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括通過電磁波傳輸?shù)目卓谘b置I和孔中傳輸裝置2;
所述孔口裝置I包括電源11、孔口天線12、孔口收發(fā)模塊13、噪聲分析模塊14、孔口 CPU模塊15、工控機及顯示模塊16;
所述電源11包括便攜式的本安電源和固定式的隔爆兼本安電源，將可充電電池組或煤礦井下工業(yè)用電經(jīng)過隔離升壓或降壓，LDO穩(wěn)壓和兩級限壓限流后分別供給孔口收發(fā)模塊13、噪聲分析模塊14、孔口 CPU模塊15、工控機及顯示模塊16;所述孔口天線12兩端分別連接孔口收發(fā)模塊13，所述孔口收發(fā)模塊13、噪聲分析模塊14、工控機及顯示模塊16均與孔口CPU模塊15連接；
所述孔口收發(fā)模塊13將孔中傳輸裝置2傳來的電磁波信號通過孔口天線12轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大、濾波后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化，數(shù)模轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入孔口 CPU模塊15進(jìn)行處理。
[0014]所述孔口收發(fā)模塊13將孔口指令數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后，經(jīng)調(diào)制送入電壓放大電路和功率驅(qū)動電路，通過孔口天線12輻射到鉆桿和地層中。
[0015]所述噪聲分析模塊14在發(fā)送孔口指令前接收孔口噪聲，并對噪聲頻譜、幅度進(jìn)行測量，將測量結(jié)果送入孔口 CPU模塊15進(jìn)行分析。
[0016]所述孔口 CPU模塊15由FPGA模塊、DSP模塊、32位ARM模塊及485通訊模塊組成;主要完成以下三項任務(wù):一是將孔口收發(fā)模塊13送入的接收數(shù)字信號進(jìn)行解調(diào)和譯碼等工作得到孔中測量的參數(shù)、數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過485接口傳給工控機及顯示模塊16進(jìn)行處理、存儲和顯示;二是以當(dāng)前鉆進(jìn)距離確定孔口收發(fā)模塊13的發(fā)射中心頻率和發(fā)射功率，原則為鉆進(jìn)距離近，設(shè)置為小功率高頻率，降低功耗，提高數(shù)據(jù)傳輸速率;鉆進(jìn)距離遠(yuǎn)，設(shè)置為大功率低頻率，提高傳輸距離。三是對噪聲分析模塊14送入的測量值進(jìn)行分析，根據(jù)孔口噪聲的大小、頻率范圍等特點，綜合鉆進(jìn)距離情況確定孔中無線傳輸裝置2的調(diào)制方式、中心頻率、發(fā)射功率等參數(shù)，提高發(fā)射效率、降低功耗、躲開孔口干擾頻段。并將這些參數(shù)傳給主控ARM，由ARM將這些參數(shù)與讀數(shù)指令打包成下發(fā)指令，傳給孔口收發(fā)模塊13。
[0017]所述工控機及顯示模塊16是系統(tǒng)的人機交互平臺，用于工程參數(shù)設(shè)置，孔中測量數(shù)據(jù)的處理、顯示、存儲及孔口命令的下達(dá)。
[0018]所述孔中傳輸裝置2包括電磁波無線傳輸模塊21;
所述電磁波無線傳輸模塊21包括電池211、智能電源管理模塊212、孔中天線213、孔中收發(fā)模塊214、孔中CPU模塊215;
所述智能電源管理模塊212與電池211、孔中收發(fā)模塊214、孔中CPU模塊215連接，所述孔中收發(fā)模塊214分別與孔中CPU模塊215和孔中天線213連接。
[0019]所述電磁波無線傳輸模塊21的孔中CPU模塊215和智能電源管理模塊212均與配套的孔中儀器連接。
[0020]所述智能電源管理模塊212與電池211、孔中收發(fā)模塊214和孔中CPU模塊215連接，搭載了加速度傳感器、振動傳感器和壓力傳感器，能根據(jù)孔中裝置旋轉(zhuǎn)、滑動、振動、壓力等狀態(tài)及參數(shù)判斷鉆機是否鉆進(jìn)，從而實現(xiàn)孔中傳輸裝置2和配套測量儀器的電源管理。
[0021]所述孔中天線23為偶極子天線，采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選擇實現(xiàn)了天線兩端的隔離與絕緣，發(fā)射極距不小于40cm。
[0022]所述孔中收發(fā)模塊214將孔口裝置I發(fā)來的電磁波信號通過孔中天線213轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大、模擬濾波、再放大后送入孔中CPU模塊215進(jìn)行處理。
[0023]所述孔中收發(fā)模塊214將配套的孔中測量儀器測量的數(shù)據(jù)調(diào)制成為電磁波信號，經(jīng)電壓、功率放大后由孔中天線213輻射到鉆桿和地層中，調(diào)制方式有FSK、PSK、脈沖調(diào)制和擴(kuò)頻調(diào)制等四種。
[0024]所述孔中CPU模塊215由FPGA模塊、32位ARM模塊及隔離485通訊模塊組成；主要完成以下兩項任務(wù):一是將孔中收發(fā)模塊214送入的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波，濾波后的信號送入ARM處理器進(jìn)行解調(diào)、譯碼等處理。二是ARM處理器根據(jù)接收到的井口指令去讀取孔中測量儀器測量的數(shù)據(jù)，選取調(diào)制方式及中心頻率后交由孔中收發(fā)模塊214處理，隔離485通訊模塊負(fù)責(zé)與配套的孔中測量儀器之間的通訊。
[0025]本發(fā)明配套孔中任一種或多種測量儀器使用，如壓力檢測傳感器、溫度傳感器、測斜探管、自然伽馬測井探管、電阻率測井探管及聲波測井探管等，將這些儀器的測量值通過電磁波的方式無線傳輸至孔口顯示處理。
[0026]實施例2:
本發(fā)明實施例還提供一種礦用智能型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)，如圖2所示，該系統(tǒng)包括通過電磁波傳輸?shù)目卓谘b置I和孔中傳輸裝置2;
所述孔口裝置I包括電源11、孔口天線12、孔口收發(fā)模塊13、噪聲分析模塊14、孔口 CPU模塊15、工控機及顯示模塊16;
所述電源11包括便攜式的本安電源和固定式的隔爆兼本安電源，將可充電電池組或煤礦井下工業(yè)用電經(jīng)過隔離升壓或降壓，LDO穩(wěn)壓和兩級限壓限流后分別供給孔口收發(fā)模塊
13、噪聲分析模塊14、孔口 CPU模塊15、工控機及顯示模塊16;所述孔口天線12兩端分別連接孔口收發(fā)模塊13，所述孔口收發(fā)模塊13、噪聲分析模塊14、工控機及顯示模塊16均與孔口CPU模塊15連接；
所述孔口收發(fā)模塊13實現(xiàn)兩個任務(wù)，一是將孔中裝置2傳來的電磁波信號通過孔口天線12轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大、濾波后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化，數(shù)模轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入孔口CPU模塊15進(jìn)行處理;二是將孔口指令數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后，經(jīng)調(diào)制送入電壓放大電路和功率驅(qū)動電路，通過孔口天線12輻射到鉆桿和地層中。
[0027]所述噪聲分析模塊14在發(fā)送孔口指令前接收孔口噪聲，并對噪聲頻譜、幅度進(jìn)行測量，將測量結(jié)果送入孔口 CPU模塊15進(jìn)行分析。
[0028]所述孔口 CPU模塊15由FPGA模塊、DSP模塊、32位ARM模塊及485通訊模塊組成。主要完成以下三項任務(wù):一是將孔口收發(fā)模塊13送入的接收數(shù)字信號進(jìn)行解調(diào)和譯碼等工作得到孔中測量的鉆孔姿態(tài)數(shù)據(jù)及溫度、電量等儀器參數(shù)，這些數(shù)據(jù)通過485接口傳給工控機及顯示模塊16進(jìn)行處理、存儲和顯示;二是以當(dāng)前鉆進(jìn)距離確定孔口收發(fā)模塊13的發(fā)射中心頻率和發(fā)射功率，原則為鉆進(jìn)距離近，設(shè)置為小功率高頻率，降低功耗，提高數(shù)據(jù)傳輸速率；鉆進(jìn)距離遠(yuǎn)，設(shè)置為大功率低頻率，提高傳輸距離。三是對噪聲分析模塊14送入的測量值進(jìn)行分析，根據(jù)孔口噪聲的大小、頻率范圍等特點，綜合鉆進(jìn)距離情況確定孔中裝置2的調(diào)制方式、中心頻率、發(fā)射功率等參數(shù)，提高發(fā)射效率、降低功耗、躲開孔口干擾頻段。并將這些參數(shù)傳給主控ARM，由ARM將這些參數(shù)與讀數(shù)指令打包成下發(fā)指令，傳給孔口收發(fā)模塊13。
[0029]所述工控機及顯示模塊16是系統(tǒng)的人機交互平臺，用于工程參數(shù)設(shè)置，孔中測量數(shù)據(jù)的處理、顯示、存儲及孔口命令的下達(dá)。
[0030]所述孔中傳輸裝置2包括電磁波無線傳輸模塊21和測斜模塊22;
所述電磁波無線傳輸模塊21包括電池211、智能電源管理模塊212、孔中天線213、孔中收發(fā)模塊214、孔中CPU模塊215、傳輸通訊模塊216;
所述智能電源管理模塊212與電池211、孔中收發(fā)模塊214、孔中CPU模塊215、傳輸通訊模塊216連接，所述孔中收發(fā)模塊214分別與孔中CPU模塊215和孔中天線213連接，所述孔中CPU模塊215與傳輸通訊模塊216連接;所述智能電源管理模塊212搭載了加速度傳感器、振動傳感器和壓力傳感器，能根據(jù)孔中裝置旋轉(zhuǎn)、滑動、振動、壓力等狀態(tài)及參數(shù)判斷鉆機是否鉆進(jìn)，從而實現(xiàn)孔中裝置2的電源管理。
[0031]所述孔中天線213為偶極子天線，采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選擇實現(xiàn)了天線兩端的隔離與絕緣，發(fā)射極距不小于40cm。
[0032]所述孔中收發(fā)模塊214實現(xiàn)兩個任務(wù)，一是將孔口裝置I發(fā)來的電磁波信號通過孔中天線213轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大、模擬濾波、再放大后送入孔中CPU模塊215進(jìn)行處理;二是將測斜模塊22測量的鉆孔姿態(tài)數(shù)據(jù)及儀器參數(shù)調(diào)制成為電磁波信號，經(jīng)電壓、功率放大后由孔中天線213輻射到鉆桿和地層中。調(diào)制方式有FSK、PSK、脈沖調(diào)制和擴(kuò)頻調(diào)制等四種。
[0033]所述孔中CPU模塊215由FPGA模塊、32位ARM模塊組成。主要完成以下兩項任務(wù):一是將孔中收發(fā)模塊214送入的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波，濾波后的信號送入ARM處理器進(jìn)行解調(diào)、譯碼等處理。二是ARM處理器根據(jù)接收到的井口指令去讀取傳輸通訊模塊216傳來的測斜模塊22測量的數(shù)據(jù)，選取調(diào)制方式及中心頻率后交由孔中收發(fā)模塊214處理。
[0034]所述傳輸通訊模塊216采用隔離485芯片，實現(xiàn)孔中CPU模塊215與測斜模塊22之間的通訊。
[0035]所述測斜模塊22包括電源221、三軸磁通門傳感器222、三軸加速度傳感器223、第一信號調(diào)理電路224、第二信號調(diào)理電路225、多路A/D轉(zhuǎn)換器226、微處理器227和測斜通訊模塊228;
所述電源221與電磁波無線傳輸模塊21的智能電源管理模塊212連接，經(jīng)過升壓、降壓和LDO穩(wěn)壓后供給三軸磁通門傳感器222、三軸加速度傳感器223、第一信號調(diào)理電路224、第二信號調(diào)理電路225、多路A/D轉(zhuǎn)換器226、微處理器227和測斜通訊模塊228;所述三軸磁通門傳感器222、三軸加速度傳感器223分別通過第一信號調(diào)理電路224、第二信號調(diào)理電路225與多路A/D轉(zhuǎn)換器226連接，所述多路A/D轉(zhuǎn)換器226與微處理器227連接;所述測斜通訊模塊228與電磁波無線傳輸模塊21的傳輸通訊模塊216連接。
[0036]所述三軸磁通門傳感器222、三軸加速度傳感器223用來完成鉆孔軌跡方位角、傾角和工具面向角的測量，得到原始模擬電壓信號，分別經(jīng)過第一信號調(diào)理224、第二信號調(diào)理電路225放大、濾波后送入多路A/D轉(zhuǎn)換器226轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號，之后送入微處理器227處理。
[0037]所述測斜通訊模塊228采用隔離485芯片，實現(xiàn)測斜模塊22與電磁波無線傳輸模塊21之間的通訊。
[0038]以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種礦用智能型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括通過電磁波傳輸?shù)目卓谘b置和孔中傳輸裝置； 所述孔口裝置包括電源、孔口天線、孔口收發(fā)模塊、噪聲分析模塊、孔口 (PU模塊、工控機及顯示模塊； 所述電源分別連接孔口收發(fā)模塊、噪聲分析模塊、孔口 CPU模塊、工控機及顯示模塊;所述孔口天線兩端分別連接孔口收發(fā)模塊，所述孔口收發(fā)模塊、噪聲分析模塊、工控機及顯示模塊均與孔口 CPU模塊連接； 所述孔中傳輸裝置包括電磁波無線傳輸模塊； 所述電磁波無線傳輸模塊包括電池、智能電源管理模塊、孔中天線、孔中收發(fā)模塊、孔中CPU模塊； 所述智能電源管理模塊與電池、孔中收發(fā)模塊、孔中CPU模塊連接，所述孔中收發(fā)模塊分別與孔中CPU模塊和孔中天線連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用智能型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)，其特征在于:所述電磁波無線傳輸模塊的孔中(PU模塊和智能電源管理模塊均與配套的孔中儀器連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的礦用智能型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)，其特征在于:所述孔中天線為偶極子天線，發(fā)射極距不小于40cm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用智能型電磁波隨鉆測量系統(tǒng)，其特征在于:所述孔中傳輸裝置還包括測斜模塊，所述測斜模塊包括電源、三軸磁通門傳感器、三軸加速度傳感器、第一信號調(diào)理電路、第二信號調(diào)理電路、多路A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器和測斜通訊模塊； 所述電源與電磁波無線傳輸模塊的智能電源管理模塊連接，經(jīng)過升壓、降壓和LDO穩(wěn)壓后供給三軸磁通門傳感器、三軸加速度傳感器、第一信號調(diào)理電路、第二信號調(diào)理電路、多路A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器和測斜通訊模塊;所述三軸磁通門傳感器、三軸加速度傳感器分別通過第一信號調(diào)理電路、第二信號調(diào)理電路與多路A/D轉(zhuǎn)換器連接，所述多路A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器連接;所述測斜通訊模塊與電磁波無線傳輸模塊的傳輸通訊模塊連接。
【文檔編號】E21B47/13GK105863620SQ201610345113
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】汪凱斌, 張冀冠, 連杰
【申請人】中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司