專利名稱：超聲測井儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲測井設(shè)備。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中的超聲測井設(shè)備僅適用于油井等小口徑的井筒測量，介質(zhì)環(huán)境為工業(yè)水或小比重泥漿中，能夠檢測的指標(biāo)也有限，遠(yuǎn)不能滿足煤礦鉆井和核工業(yè)鉆井等大口徑深井測量的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種可適用于大口徑深井超聲測井儀，它能在較大比重泥漿中或工業(yè)用水等介質(zhì)中工作，可提供關(guān)于井壁傾斜、井徑等技術(shù)參數(shù)，為成井的建設(shè)提供有效技術(shù)保證。
其技術(shù)解決方案是本發(fā)明超聲測井儀包括(i)用來發(fā)射超聲波脈沖信號，接收井壁反射超聲信號并將其轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，及對接收信號進(jìn)行放大、濾波和變換處理的井下儀子系統(tǒng)；(ii)用來為井下儀子系統(tǒng)提供適宜匹配電能，同步脈沖的產(chǎn)生，接收井下儀子系統(tǒng)的傳送信號，對傳送信號進(jìn)行放大和變換處理，及其它相關(guān)數(shù)據(jù)采集的井上儀子系統(tǒng)。
(iii)用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合采集和處理的計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)與井上儀子系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)線路聯(lián)接。
上述井上儀子系統(tǒng)還可包括可調(diào)式增益和可調(diào)式干擾控制。
上述超聲測井儀還包括， 用來測量井下儀下放深度的深度儀子系統(tǒng)，上述井上儀子系統(tǒng)還包括對深度儀傳輸信號的數(shù)據(jù)采集處理和深度值顯示。
上述超聲測井儀還包括，用來在井下儀子系統(tǒng)和井上儀子系統(tǒng)之間進(jìn)行信號傳輸，及提升和下放井下儀子系統(tǒng)的傳輸電纜及絞車子系統(tǒng)。
上述傳輸電纜可兼作為深度儀子系統(tǒng)的測量繩。
上述超聲測井儀還包括，用來為井下儀子系統(tǒng)確定井下方位的定位繩及絞車子系統(tǒng)。
上述超聲測井儀還包括，用來顯示觀察實(shí)時(shí)波形的示波器子系統(tǒng)。
上述井下儀子系統(tǒng)包括一個(gè)密閉殼體和選定數(shù)量的超聲探頭，超聲探頭用于發(fā)射和接收脈沖超聲波；密閉殼體內(nèi)設(shè)有電路部分，電路部分可包括驅(qū)動器模塊、輸入模塊、濾波器模塊、放大調(diào)節(jié)模塊、開關(guān)選擇模塊、電平變換模塊、井下微處理器模塊、信號傳輸模塊、井下系統(tǒng)電源模塊；上述井上儀子系統(tǒng)，可包括整機(jī)電源模塊、探頭供電電源模塊、深度數(shù)據(jù)采集與處理電路模塊、超聲接收變換及處理電路模塊、數(shù)據(jù)采集和通訊電路模塊、主板電路模塊、顯示電路模塊；上述深度儀子系統(tǒng)，包括滑輪、和滑輪相連的光電碼盤，吊掛井下儀子系統(tǒng)密閉殼體的傳輸電纜繞在深度儀子系統(tǒng)的滑輪上，并帶動滑輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的滑輪帶動光電碼盤，光電碼盤當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生兩路同相或者反相方波信號，方波信號通過電纜接至井上儀子系統(tǒng)的深度數(shù)據(jù)采集與處理電路；上述傳輸電纜及電纜絞車子系統(tǒng)，傳輸電纜一端聯(lián)接并吊掛井下儀子系統(tǒng)，另一端聯(lián)接井上儀子系統(tǒng)，傳輸電纜的地面部分卷繞在電纜絞車上，傳輸電纜可為鎧裝七芯電纜，電纜的七芯分別對應(yīng)電源、電源地、數(shù)字信號地、同步信號、發(fā)射電壓、模擬超聲信號(+、-)，電纜的鎧裝層是兩層細(xì)鋼絲構(gòu)成，電纜絞車，裝有七芯滑環(huán)，可手動或自動控制；上述定位繩及絞車子系統(tǒng)，定位繩是兩條鋼絲纜繩，下端懸掛重錘，兩條鋼絲繩之間間隔一定距離，由絞車通過滑輪下放和收卷，兩條鋼纜其中一條穿過井下儀子系統(tǒng)封閉殼體上位于左側(cè)的上下一對水平伸長桿的導(dǎo)向孔，另一條穿過位于右側(cè)的上下一對水平伸長桿的導(dǎo)向孔；上述示波器子系統(tǒng)，該示波器具有四個(gè)獨(dú)立通道和一個(gè)外觸發(fā)通道，四個(gè)通道分別接井上儀子系統(tǒng)送來的某探頭放大后的超聲信號、鑒幅后信號、干控信號、測距方波信號，每個(gè)探頭則由多路多段開關(guān)切換；上述計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)用于在線或離線提供井壁傾斜、井徑、有效斷面、偏心率等技術(shù)參數(shù)以及數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢操作。
本發(fā)明將井下儀子系統(tǒng)下放到被測井筒中，在被測深度停下后，應(yīng)用超聲波測距原理對井壁進(jìn)行測距掃描，當(dāng)超聲波發(fā)射電路產(chǎn)生的電脈沖加到一個(gè)超聲波探頭時(shí)，由該超聲波探頭定向地發(fā)出超聲波信號，該信號在井筒泥漿中傳播，遇到井壁后反射回來，再被超聲波探頭接收，并轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，至此即完成一次測量。若超聲波在泥漿中的傳播速度為已知，精確地測量出發(fā)射和接收之間的時(shí)間，即可得出在這一水平斷面上該超聲探頭到井幫之間的距離，可將超聲波發(fā)射信號分時(shí)加到其它超聲波探頭上，由此可測出該水平斷面超聲波探頭到井壁上其它各點(diǎn)的距離；井下儀子系統(tǒng)主要完成超聲信號的發(fā)射和反射超聲信號的接收，對接收的超聲信號進(jìn)行放大、濾波、變換處理后通過電纜傳到井上儀，井上儀子系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的供電、同步脈沖的產(chǎn)生，對井下儀子系統(tǒng)送來的超聲信號進(jìn)行放大、變換等處理后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集等過程，并將各種信號數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)；井下儀采用放大、濾波和變換處理的作用是將接收信號處理成適于長距離傳輸?shù)男盘?，提高抗干擾能力，井上儀子系統(tǒng)對傳送信號的放大和變換處理的作用是將衰減的含有噪聲的信號再放大、消噪，以便后續(xù)處理，因此，本發(fā)明不僅能更好地用于小口徑及小壁中井筒的測量，還可較好地適用于大口徑深井如井徑為3.0m-12m、井深為1000m以上的井筒，也能在大比重(如比重＜＝1.21)泥漿或工業(yè)用水介質(zhì)中可靠地工作。上述數(shù)據(jù)信號可經(jīng)過井上儀子系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)處理，并可由計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)顯示該水平斷面的井壁圖形，然后，再繼續(xù)下放井下儀子系統(tǒng)，進(jìn)行另一水平斷面的測量。根據(jù)井下儀子系統(tǒng)下放點(diǎn)與井筒設(shè)計(jì)中心的坐標(biāo)關(guān)系，即可利用計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)計(jì)算出各水平斷面的實(shí)際直徑，井筒的實(shí)際中心相對設(shè)計(jì)中心的偏斜位置及方位角度，通過輸出設(shè)備得到水平斷面圖、豎直斷面圖、井筒中心偏斜投影圖等。當(dāng)然得到關(guān)于井壁傾斜、井徑等技術(shù)參數(shù)的范圍程度等與本發(fā)明的運(yùn)算設(shè)備選用配置軟件等有關(guān)，本發(fā)明并不以取得上述全面技術(shù)參數(shù)為必要。此外，井上儀子系統(tǒng)還可采取可調(diào)式增益和可調(diào)式干擾控制等方式，可方便用戶根據(jù)實(shí)際需要，如根據(jù)不斷變化井徑和不同介質(zhì)參數(shù)，自行調(diào)整使儀器更好地發(fā)揮實(shí)地效能。本發(fā)明還包括，用來測量井下儀下放深度的深度儀子系統(tǒng)，上述井上儀子系統(tǒng)還包括對深度儀傳輸信號的數(shù)據(jù)采集處理和深度值顯示，利用該深度儀子系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測出井下儀子系統(tǒng)下放的實(shí)際深度，并通過井上儀子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理和深度值顯示，準(zhǔn)確性和自動化程度較高，還便于計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)利用其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行有關(guān)運(yùn)算，較現(xiàn)有技術(shù)中采用施放手工測量繩測量井下部分下放深度的方式，提高了準(zhǔn)確性和自動化水平以及生產(chǎn)效率。本發(fā)明超聲測井儀還包括，用來在井下儀子系統(tǒng)和井上儀子系統(tǒng)之間進(jìn)行信號傳輸，及提升和下放井下儀子系統(tǒng)的傳輸電纜及絞車子系統(tǒng)，利用該傳輸電纜除為井下儀子系統(tǒng)和井上儀子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)信號等傳輸通路外，還可利用該傳輸電纜直接吊掛井下儀子系統(tǒng)，利用傳輸電纜絞車提升和下放井下儀子系統(tǒng)，線路簡潔，結(jié)構(gòu)緊湊，可有效克服采用傳輸電纜只進(jìn)行信號傳輸、另設(shè)置井下儀吊掛繩索用于其提升和下放技術(shù)方式所帶來的易造成線路雜亂，提升裝置多的弊端。上述傳輸電纜可兼作為深度儀子系統(tǒng)的測量繩，與為深度儀單獨(dú)設(shè)置測量繩相比，線路簡潔，一物多用。本發(fā)明超聲波測井儀還包括用來顯示觀察實(shí)時(shí)波形的示波器子系統(tǒng)，通過觀察示波器子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)波形，為實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)其它儀器，準(zhǔn)確測量奠定基礎(chǔ)。
上述井下儀子系統(tǒng)的超聲探頭可為4個(gè)，把360°均等分為四個(gè)方位，每個(gè)超聲波探頭設(shè)置在其中的一個(gè)方位上，4個(gè)探頭分時(shí)發(fā)射和接收脈沖超聲波。該方式，將井下儀子系統(tǒng)固定在一個(gè)深度上，可測出四個(gè)方位井壁的距離，可有效減少井下儀子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整。
上述井下儀子系統(tǒng)的驅(qū)動器模塊是在控制信號和開關(guān)選擇模塊的控制下，將上述井上儀子系統(tǒng)送來的觸發(fā)電壓加到相應(yīng)的超聲探頭上，使探頭振動而產(chǎn)生超聲波；上述輸入模塊接收回波信號，并作一定的預(yù)處理；濾波器模塊的電路由一低通濾波器、一高通濾波器以及有源放大部分組成，能選出所需的特定頻率；上述放大調(diào)節(jié)模塊采用阻容反饋網(wǎng)絡(luò)將上述特定頻率放大處理；上述開關(guān)選擇模塊選用多路四選一模擬開關(guān)電路，在控制脈沖和地址信號的控制下選通，選通的信號包括探頭控制信號和超聲波信號；上述電平變換模塊是將井下微處理器送來的信號進(jìn)行整形、變換，用以控制開關(guān)選擇模塊中的模擬開關(guān)電路；上述井下微處理器模塊主要是將井上儀子系統(tǒng)送來的同步信號進(jìn)行再處理，并送出時(shí)序信號與地址信號，控制協(xié)調(diào)井下儀子系統(tǒng)的工作；上述信號傳輸模塊是將選通的超聲信號進(jìn)行放大、變換成具有抗干擾能力和傳輸能力強(qiáng)的信號并通過傳輸電纜傳給井上儀子系統(tǒng)；井下系統(tǒng)電源模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)井下儀電路提供所需的電源供電。
上述井下儀子系統(tǒng)中的井下微處理器模塊接收井上儀子系統(tǒng)的同步信號，給出第一個(gè)超聲波換能器的通道地址，發(fā)出控制脈沖，控制開關(guān)選擇模塊中的模擬開關(guān)電路選通第一個(gè)通道，與之關(guān)聯(lián)的第一個(gè)換能器就開始工作；然后，每隔40ms給出下一個(gè)超聲波換能器通道地址，發(fā)控制脈沖，選通下一個(gè)通道和超聲波換能器；依次控制上述4個(gè)超聲波換能器工作，完成一個(gè)工作周期；井下系統(tǒng)電源模塊將井上儀子系統(tǒng)送來的+20V電壓穩(wěn)壓濾波后，輸出+12V、+6V、-6V分別供給除井下微處理器模塊和電平變換模塊外的其它模擬電路模塊，作為電源電壓和參考電壓，將+5V電壓送給井下微處理器模塊和電平變換模塊作為工作電壓；上述井下儀子系統(tǒng)中的井下微處理器模塊接收井上儀子系統(tǒng)的同步信號，井下微處理器模塊輸出控制和地址信號至電平變換模塊進(jìn)行波形整形和變換，之后再輸入到多路四選一模擬開關(guān)電路，模擬開關(guān)電路選通的觸發(fā)信號經(jīng)驅(qū)動器模塊加到超聲探頭上，控制探頭壓電晶體的開關(guān)；探頭上的超聲信號送入輸入模塊，經(jīng)其預(yù)處理后輸入到濾波器模塊，之后再到放大調(diào)節(jié)模塊；四路超聲信號都經(jīng)相互獨(dú)立的四組電路的處理后送入模擬開關(guān)電路進(jìn)行選通，選通的信號再送入信號傳輸模塊變換整形后由傳輸電纜送到井上儀子系統(tǒng)部分。
上述井下儀子系統(tǒng)中的井下微處理器模塊可在發(fā)出通道地址2ms后，再發(fā)出控制脈沖。
上述井上儀子系統(tǒng)的整機(jī)電源模塊采用交流220V輸入的專用開關(guān)穩(wěn)壓電源，給井上儀提供工作電源和向井下儀子系統(tǒng)提供+20V直流電；探頭供電電源模塊采用220v交流輸入、多交流輸出的變壓器，經(jīng)多段開關(guān)選擇后進(jìn)行整流濾波為超聲波探頭供電，電壓范圍是直流+12V～+250V；上述深度數(shù)據(jù)采集與處理電路模塊主要有輸入接口、處理整形器、微處理器，深度儀子系統(tǒng)的光電碼盤當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生兩路或者同相或者反相的3600個(gè)/圈方波信號，處理整形器對這兩路信號進(jìn)行整形處理，一個(gè)輸出是整形后的方波信號，另一個(gè)輸出是正反轉(zhuǎn)信號，分別送到微處理器的T0和T1，用于計(jì)數(shù)和判斷，微處理器設(shè)置了正反轉(zhuǎn)兩個(gè)計(jì)數(shù)器和兩個(gè)緩沖器，來一個(gè)方波，判斷一下當(dāng)前轉(zhuǎn)向，當(dāng)微處理器接收到采集板發(fā)來的同步信號后，此模塊要把當(dāng)前斷面的深度值通過串行口發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和通信電路的處理器中；顯示電路模塊有觸發(fā)驅(qū)動電路和數(shù)碼顯示管，用以顯示井中探頭所在位置的深度值；上述超聲接收變換及處理電路模塊包括超聲信號變換放大電路、模擬開關(guān)選通電路、四路增益調(diào)節(jié)電路、四路鑒幅觸發(fā)電路、四路干控電路、測距方波信號電路，超聲信號變換放大電路采用高速運(yùn)算放大器，將井下儀送來的超聲信號進(jìn)行變換放大，得到后續(xù)所需的信號，模擬開關(guān)選通電路在控制信號和地址信號的作用下，將按時(shí)序傳輸?shù)乃穆烦曅盘柗謩e取出，送給四路相互獨(dú)立的增益、鑒幅、干控和測距電路，而后再將它們按時(shí)序合為一路信號向后傳輸，增益調(diào)節(jié)電路由高速運(yùn)算放大器和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，對超聲信號進(jìn)行放大，鑒幅觸發(fā)電路由數(shù)字電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器，其觸發(fā)閾值可調(diào)整，干控電路由兩級觸發(fā)器構(gòu)成，測距方波信號電路是根據(jù)觸發(fā)器的輸出，再由驅(qū)動電路驅(qū)動，得到足夠帶負(fù)載能力的方波測距信號；上述數(shù)據(jù)采集和通訊電路模塊主要由微處理器、編譯碼器、觸發(fā)器、RS232標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口電路構(gòu)成；由上述主板電路模塊連接各個(gè)功能模塊和線路板。
上述技術(shù)方式，經(jīng)放大調(diào)節(jié)模塊采用阻容反饋網(wǎng)絡(luò)放大處理后，由多路多段模擬開關(guān)選通，選通的超聲信號經(jīng)信號傳輸模塊進(jìn)行放大，把電壓型的信號轉(zhuǎn)換為電流型的信號，變換成具有抗干擾能力和傳輸能力強(qiáng)的信號并通過傳輸電纜傳給井上儀子系統(tǒng)，有助于實(shí)現(xiàn)頻域?yàn)V波和在不同距離處得到幅值相近的回波信號，可有效克服超聲波因在較大距離或大比重泥漿等介質(zhì)中傳輸幅值隨距離增加而下降加快的缺陷；井上儀子系統(tǒng)放大變換的功能是將衰減的含有噪聲的信號再放大、消噪，以便后續(xù)處理，且井上儀子系統(tǒng)還采用可調(diào)的增益、干控等，可更好地迎合不同的情況，如變化的井徑和不同的泥漿參數(shù)，選擇四路獨(dú)立的電路是為了分別而細(xì)致地調(diào)節(jié)處理各路的信號，避免相互干擾，采用RS232到USB2.0的傳輸轉(zhuǎn)換是為了提高傳輸?shù)乃俣?，?dāng)然可直接用RS232到RS232的方式?？墒贡景l(fā)明能更好的適用于大口徑深井，及大比重泥漿環(huán)境下的井筒測量。
上述數(shù)據(jù)采集和通訊電路模塊的微處理器，其兩個(gè)定時(shí)器可完成定時(shí)40ms、定時(shí)測脈寬、兼作波特率發(fā)生器，T1工作在方式2作為波特率發(fā)生器，產(chǎn)生9600bps的波特率，T0工作在方式3，作為兩個(gè)定時(shí)器，TL0定時(shí)測脈寬，TH0定時(shí)40ms；上述測距信號經(jīng)過處理變成兩個(gè)信號，一個(gè)是反相信號，另一個(gè)是同相信號，分別送到微處理器的外部中斷X0和X1上，兩個(gè)外部中斷設(shè)置成邊沿觸發(fā)方式，當(dāng)測距方波信號下降沿到來時(shí)，外部中斷1中斷，打開X0的中斷允許，TH0開始定時(shí)，當(dāng)?shù)碗娖浇Y(jié)束，上升沿到來時(shí)，外部中斷0中斷，停止定時(shí)，讀出計(jì)數(shù)值并保存入相應(yīng)的暫存器中，此計(jì)數(shù)值就是超聲波在井筒中的傳播時(shí)間，測量數(shù)據(jù)經(jīng)通訊接口送往PC機(jī)進(jìn)一步處理。
上述數(shù)據(jù)采集和通訊電路模塊還有以下特征，以160ms為一個(gè)工作周期，分成4個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段為40ms，各時(shí)間段中進(jìn)行給出地址、發(fā)同步信號、測量脈沖寬度、準(zhǔn)備下一次的測量操作；本模塊在第三個(gè)時(shí)間段進(jìn)行深度數(shù)據(jù)的讀?。槐灸K在第四個(gè)時(shí)間段結(jié)束時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
上述主板電路模塊上可設(shè)有超聲接收變換及處理電路板插槽、深度數(shù)據(jù)采集和處理電路板插槽、數(shù)據(jù)采集及通訊電路板插槽、傳輸電纜插座、深度儀電纜插座、串口通訊電纜插座、電源插座；電路板插槽采用48腳標(biāo)準(zhǔn)STD總線制式。
上述深度儀子系統(tǒng)，吊掛井下儀子系統(tǒng)密閉殼體的傳輸電纜繞在深度儀的滑輪上，滑輪大小為滑輪旋轉(zhuǎn)一周傳輸電纜走過一米；上述光電碼盤隨輪子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生兩路3600個(gè)/圈的方波信號。
上述定位繩及絞車子系統(tǒng)可由兩個(gè)定位繩及絞車分系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)定位繩及絞車分系統(tǒng)均由一臺絞車、井口支架及定滑輪、鋼絲繩、卷筒、重錘、電機(jī)、底座支架，及位于井下儀子系統(tǒng)密閉殼體上兩個(gè)鋼絲繩定位裝置，分別設(shè)置在殼體的上部和下部，可分別繞殼體轉(zhuǎn)動；每個(gè)鋼絲繩定位裝置可有水平伸長桿、環(huán)形圈、鎖緊螺絲及位于水平架伸長桿兩端的鋼繩導(dǎo)向孔；兩條鋼絲繩之間的距離為每根水平伸長桿兩端導(dǎo)向孔間長度。


圖1是本發(fā)明超聲測井儀一種實(shí)施方式系統(tǒng)構(gòu)成原理示意圖。
圖2是本發(fā)明的井下儀子系統(tǒng)一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖2A是井下儀子系統(tǒng)的超聲探頭位置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2B是本發(fā)明的定位繩及絞車子系統(tǒng)中的水平定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是井下儀子系統(tǒng)的電路工作原理示意圖。
圖3A是圖3中的井下微處理器模塊電路圖。
圖3B是圖3A中控制方式程序流程圖。
圖3C是圖3中的驅(qū)動模塊和輸入模塊電路圖。
圖3D是圖3中的電平變換模塊電路圖。
圖3E是圖3中的放大調(diào)節(jié)模塊電路圖。
圖3F是圖3中的濾波模塊電路圖。
圖4A示出了井上儀子系統(tǒng)的前面板一種結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖4B示出了井上儀子系統(tǒng)的后面板一種結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖5是井上儀子系統(tǒng)的超聲信號處理模塊電路圖。
圖6A是井上儀子系統(tǒng)的超聲信號各個(gè)時(shí)段的波形圖。
圖6B是同步信號和井下儀子系統(tǒng)的CPU時(shí)序脈沖圖。
圖7是井上儀子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與通訊模塊電路圖。
圖8是井上儀子系統(tǒng)的深度數(shù)據(jù)采集模塊電路圖。
圖9A、圖9B是井上儀子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序流程圖。
圖10是井上儀子系統(tǒng)的深度數(shù)據(jù)采集程序流程11是井上儀子系統(tǒng)的電源模塊電路圖。
圖12是井上儀子系統(tǒng)的顯示模塊電路圖。
圖13是本發(fā)明的深度儀子系統(tǒng)原理示意圖。
圖14是本發(fā)明的傳輸電纜及絞車子系統(tǒng)原理示意圖。
圖15是本發(fā)明的定位繩及絞車子系統(tǒng)原理示意圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行描述具體實(shí)施方式
參看圖1，本發(fā)明超聲測井儀，其主要由井下儀子系統(tǒng)100、井上儀子系統(tǒng)300、深度儀子系統(tǒng)700、傳輸電纜及絞車子系統(tǒng)600、定位繩及絞車子系統(tǒng)800、示波器子系統(tǒng)400、計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)500組成。下面對各子系統(tǒng)進(jìn)行說明1、井下儀子系統(tǒng)參看圖2、圖2A，井下儀子系統(tǒng)的內(nèi)核為封閉在密閉可體內(nèi)的儀器部分，該儀器部分在正常情況下可用四根支撐腳101立于地上；102是為保護(hù)探頭而加的保護(hù)架，104是四根立柱，固定在108上，超聲波探頭106為四個(gè)，安裝超聲探頭106的底盤103、105和四個(gè)立柱104固定在一起，探頭由環(huán)形卡107固定在底盤上；儀器殼體110是外直徑為90mm的圓柱形，底端由下底蓋108封閉(螺紋結(jié)構(gòu)且固定死)，上端通過螺絲和113相連，以完成整體的封閉；此連接處，在立面上有兩級開槽114，用以安放密封圈115；筒內(nèi)有電路板200和固定電路板的裝置112；探頭的連接端頭116通過螺絲固定在開有小孔的端頭安裝處118(共有四個(gè))，116與118之間有封閉圈117；七芯電纜121通過密封材料120與儀器上部122固定在一起，七根線通過接插座和電路板200連在一起；承重吊掛把手119用于吊掛井下儀，和七芯電纜的鋼絲鎧裝層固定在一起。
本實(shí)施例中的超聲探頭106共有四個(gè)，結(jié)合參看圖2B，其特點(diǎn)分上下四層按順序排放，且相互成90度，探頭的發(fā)射面106a到儀器豎直軸心106b的距離是10cm。
井下儀子系統(tǒng)100包括電路板200，結(jié)合參看圖3。電路板200又包括超聲信號201、超聲探頭202、輸入模塊210、驅(qū)動模塊220、濾波模塊230、放大調(diào)節(jié)模塊240、多路多段模擬開關(guān)203、控制信號204、地址信號205、電平變換模塊250、井下微處理器模塊260、信號傳輸模塊270、井下系統(tǒng)板電源模塊280、發(fā)射電源模塊290、電纜插座207等構(gòu)成。
電路板200包括井下微處理器模塊260和電平變換模塊250，結(jié)合參看圖3A、圖3B、圖3D及圖6B，CPU261將來自井上儀的同步信號207(SNY)進(jìn)行處理，產(chǎn)生控制信號CONTROL和兩位地址信號A0和A1。此信號再送入電平變換模塊250，將+5V電平變?yōu)?12V電平(控制信號、地址A0、地址A1)以提高驅(qū)動能力。它們再分別送到多路多段模擬開關(guān)203的時(shí)序控制端和地址控制端。CPU261接到同步信號后，給出第一個(gè)換能器的地址，發(fā)出控制脈沖，后面的模擬開關(guān)就選通了第一個(gè)通道，與之關(guān)聯(lián)的換能器就開始工作；之后，每隔40ms給出下一個(gè)換能器地址，發(fā)控制脈沖，選通一個(gè)通道和換能器；這樣遍歷4個(gè)方位，完成了一個(gè)工作周期；為了減少信道干擾，防止通道之間串?dāng)_，要求地址提前發(fā)出，這樣就把40ms分成了2ms和38ms，先發(fā)出通道地址，過2ms后再發(fā)出控制脈沖。
電路板200包括驅(qū)動模塊220，結(jié)合參看圖3C，輸入模塊210，超聲探頭202。電路含有四個(gè)獨(dú)立的處理通道，它們相互獨(dú)立，工作模式相同，當(dāng)選通其中一個(gè)通道時(shí)，其詳細(xì)的工作方式如下。由模擬開關(guān)選通的觸發(fā)信號接到驅(qū)動器模塊220的三極管221的基極，三極管221的集電極接到場效應(yīng)管222的珊極；三極管的作用是進(jìn)一步提供驅(qū)動能力。當(dāng)三極管和場效應(yīng)管截止時(shí)，場效應(yīng)管222的漏極上是高電平，探頭202處于充電狀態(tài)；場效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，探頭202通過此回路瞬間放電，壓電晶體產(chǎn)出振動，從而發(fā)出超聲波；此超聲波信號在井筒里的介質(zhì)(泥漿)中傳播，當(dāng)遇到待測物(井壁)時(shí)就產(chǎn)生回波；回波信號經(jīng)同一探頭接收，并送入輸入模塊210放大處理。
電路板200包括濾波模塊230，結(jié)合參看圖3F，它包括低通濾波器231、高通濾波器232、有源增益233和阻容反饋網(wǎng)絡(luò)234。來自輸入模塊210放大處理的輸出超聲信號進(jìn)入濾波模塊230的輸入端，先經(jīng)低通濾波器231濾除高頻干擾信號，高通濾波器232濾除低頻無用成分，綜合的結(jié)果是選擇了特定頻率通過，亦即和探頭發(fā)射頻率相一致的頻率成分；有源增益233用以補(bǔ)償濾波網(wǎng)絡(luò)的損失。
電路板200包括放大調(diào)節(jié)模塊240，結(jié)合參看圖3E，由高速運(yùn)算放大器241和相應(yīng)的阻容反饋網(wǎng)絡(luò)242構(gòu)成。運(yùn)算放大器241采用同相工作方式，其放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)要配合探頭的發(fā)射功率、所在傳輸介質(zhì)的特性以及線路傳輸特性等多個(gè)因素共同決定，其特點(diǎn)是經(jīng)電纜傳輸后，發(fā)射波要有足夠的幅度，使得前幾個(gè)波飽和。
電路板200包括多路多段模擬開關(guān)203和信號傳輸模塊270。經(jīng)模擬開關(guān)選通的某一路的超聲信號進(jìn)入信號傳輸模塊270，先把電壓型的信號轉(zhuǎn)換為電流型的信號，通過測井電纜傳到井上儀。此模塊對超聲信號的傳輸采用閉環(huán)傳輸，傳輸能力和抗干擾能力都較強(qiáng)。
電路板200還包括井下系統(tǒng)板電源模塊280和探頭發(fā)射電壓模塊290。電源模塊280將井上儀送來的+20V電源進(jìn)行穩(wěn)壓濾波處理，輸出+12V、+6V、-6V、+5V電壓，分別供不同的部分工作；模塊290將井上儀傳來的探頭發(fā)射電壓(+12V~+250V)再處理后加在探頭上。
2、井上儀子系統(tǒng)參看圖4A、4B，井上儀子系統(tǒng)300前面板由電源開關(guān)301、探頭發(fā)射電壓旋鈕302、探頭選擇旋鈕303、增益調(diào)節(jié)旋鈕304、鑒幅調(diào)節(jié)旋鈕305、干擾控制旋鈕306、電壓顯示表307、深度顯示器308、深度復(fù)位按鈕309構(gòu)成。井上儀子系統(tǒng)300后面板由井下儀電纜插座311、深度儀電纜插座312、計(jì)算機(jī)接口插座313、220V交流電源插座314、保險(xiǎn)管座315、示波器外觸發(fā)脈沖316、至示波器四通道輸入317a、317b、317c、317d。
電源開關(guān)301控制整個(gè)儀器的供電，探頭發(fā)射電壓旋鈕302是根據(jù)實(shí)際情況選擇加在探頭上的電壓，電壓范圍是+12V～+250V，電壓值同時(shí)在電壓表307上顯示出來；探頭選擇旋鈕303是四路四段開關(guān)，用以選擇四個(gè)探頭中的某一個(gè)，選擇了某個(gè)探頭，又會同時(shí)接通四路信號，分別是增益后的超聲信號、鑒幅信號、干控信號和測距方波信號，這些信號可分別由增益調(diào)節(jié)旋鈕304、鑒幅調(diào)節(jié)旋鈕305、干擾控制旋鈕306控制，并可分別送到示波器的四個(gè)通道輸入317a、317b、317c、317d同時(shí)加以顯示，顯示的波形為調(diào)節(jié)提供實(shí)時(shí)的依據(jù)。對每一探頭通道都配備了相同的調(diào)節(jié)旋鈕，各通道之間是相互獨(dú)立的。深度儀送來的信號經(jīng)深度數(shù)據(jù)采集板采集處理后一方面可送計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理顯示，同時(shí)可在前面板上由深度顯示器303顯示，深度復(fù)位按鈕309可在需要時(shí)將深度數(shù)據(jù)清零。
井上儀子系統(tǒng)300包括超聲信號處理模塊電路320，數(shù)據(jù)采集通訊模塊340，深度數(shù)據(jù)采集模塊360和電源模塊380等。
超聲信號處理模塊電路320可由超聲信號變換模塊322、多路模擬開關(guān)323、增益調(diào)節(jié)模塊324、鑒幅調(diào)節(jié)模塊325、干控調(diào)節(jié)模塊326、測距方波模塊327、多路模擬開關(guān)328等構(gòu)成，結(jié)合參看圖5。由井下儀100通過電纜送來的超聲信號321饋入超聲信號變換模塊322，此模塊由高速運(yùn)放和相應(yīng)的阻容網(wǎng)絡(luò)組成，完成將電流型信號轉(zhuǎn)成電壓型信號，這里的信號按時(shí)序不同分別含有四路探頭的信號，此信號送到“一選四”模擬開關(guān)328；之后，模擬開關(guān)在開關(guān)控制信號的作用下按時(shí)序選出其中一路超聲信號，分別送到四路互相獨(dú)立的處理電路。以第一路為例，它包括增益調(diào)節(jié)模塊323，將超聲信號放大到所需的幅度，由運(yùn)放等構(gòu)成的電路完成，增益可調(diào)；鑒幅調(diào)節(jié)模塊325，由數(shù)字電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器，此觸發(fā)器具有抗干擾能力強(qiáng)和閾值可調(diào)等特點(diǎn)，是將滿足閾值要求的正弦波變?yōu)轱柡洼敵龅姆讲ā?br> 超聲信號處理模塊電路320包括干控調(diào)節(jié)模塊326，它由數(shù)字觸發(fā)器構(gòu)成，分為兩級且聯(lián)動，第一級輸出的方波信號寬度是事先設(shè)定的(35ms，即小于一個(gè)探頭的工作周期40ms)，第二級方波寬度是可調(diào)的，調(diào)節(jié)時(shí)間范圍是超過發(fā)射信號包絡(luò)線衰減到一定程度的時(shí)刻而小于第一次回波的時(shí)刻；發(fā)射信號包絡(luò)線衰減的快慢主要由探頭的性能有關(guān)，也與探頭所處的介質(zhì)有關(guān)；而第一次回波時(shí)間主要與所測物體到探頭的距離有關(guān)，。干控調(diào)節(jié)模塊326的作用就是使發(fā)射信號首波觸發(fā)電路后，第一次回波之前的所有脈沖和干擾都不能使電路再觸發(fā)，直到第一次回波的首波才能使電路再觸發(fā)，從而保證測量的準(zhǔn)確，結(jié)合參看圖6A波形圖。
超聲信號處理模塊電路320包括的測距方波模塊327由JK觸發(fā)器、三極管等構(gòu)成，輸出一個(gè)低電平的方波信號，方波的寬度就是發(fā)射信號的首波到第一次回波首波之間的寬度，此寬度代表超聲波在介質(zhì)中來回傳播的時(shí)間，即對應(yīng)探頭到井壁二倍的距離。
超聲信號處理模塊電路320，將電纜傳來的超聲信號sign_IN1和sign_IN2經(jīng)322變換和模擬開關(guān)選擇后，送入增益調(diào)節(jié)模塊324、鑒幅調(diào)節(jié)模塊325、干控調(diào)節(jié)模塊326，而他們分別由井上儀300前面板上的增益調(diào)節(jié)旋鈕204、鑒幅調(diào)節(jié)旋鈕205、干控調(diào)節(jié)旋鈕206控制。某一探頭的各個(gè)階段的信號波形可同時(shí)在示波器上顯示出來。另外，各自獨(dú)立的四路探頭最終的測距方波信號又通過模擬開關(guān)328合成為一路時(shí)序信號，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集與通訊模塊340。
井上儀300包括數(shù)據(jù)采集與通訊模塊340，結(jié)合參看圖7及圖9A、圖9B，此模塊產(chǎn)生四路同步脈沖信號，兩路地址信號，并把來自超聲信號處理模塊電路320的測距方波信號和深度數(shù)據(jù)采集模塊360送來的深度數(shù)據(jù)采集下來處理，之后傳輸給計(jì)算機(jī)。
數(shù)據(jù)采集與通訊模塊340包括四路同步脈沖信號341(SYN1，SYN2，SYN3，SYN4)，控制模擬開關(guān)的地址信號342(A0，A1)，測距方波信號輸入343(WAVE)，鎖存器345，反相器346a、346b，微處理器347(CPU)，通訊電路348，正反相深度信號344(RXD，TXD)，RS232標(biāo)準(zhǔn)的通訊信號349(232TX，232RX)。
CPU347的兩個(gè)定時(shí)器要完成定時(shí)40ms、定時(shí)測脈寬、作波特率發(fā)生器的任務(wù)，這樣T1工作在方式2作為波特率發(fā)生器，產(chǎn)生9600bps的波特率；T0工作在方式3，分成兩個(gè)定時(shí)器來用，TL0定時(shí)測脈寬，TH0定時(shí)40ms。開始時(shí)進(jìn)行初始化，之后指向方位1的數(shù)據(jù)暫存器；發(fā)SYN1信號，地址為00，選通1通道；定時(shí)器TH0開始40ms定時(shí)，判斷定時(shí)時(shí)間和檢測方位1的距離信號，若沒有信號則方位1的數(shù)據(jù)暫存器清零，有信號則指向方位2的數(shù)據(jù)暫存器；發(fā)SYN2信號，地址為01，選通2通道；定時(shí)器TH0重新開始40ms定時(shí)，重復(fù)以上過程直到四個(gè)過程完成。此時(shí)關(guān)定時(shí)器，不允許接收，發(fā)送數(shù)據(jù)到PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
CPU347工作的另一個(gè)特點(diǎn)是第三個(gè)時(shí)間段里，還要完成深度數(shù)據(jù)的讀??；第四個(gè)時(shí)間段結(jié)束后，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，把深度數(shù)據(jù)以及四個(gè)方位的井徑數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，進(jìn)行高層處理。測距信號經(jīng)過處理變成兩個(gè)信號，一個(gè)是反相信號，另一個(gè)是同相信號，分別送到微處理器的外部中斷X0和X1上，兩個(gè)外部中斷設(shè)置成邊沿觸發(fā)方式。在這里要檢測測距信號的低電平時(shí)間。當(dāng)下降沿到來，外部中斷1中斷，打開X0的中斷允許，T0開始定時(shí)。當(dāng)?shù)碗娖浇Y(jié)束，上升沿到來時(shí)，外部中斷0中斷，停止定時(shí)，讀出計(jì)數(shù)值并保存入相應(yīng)的暫存器中，此計(jì)數(shù)值就是超聲在井中的傳播時(shí)間。
數(shù)據(jù)采集與通訊模塊340總的工作過程是CPU347按時(shí)序產(chǎn)生同步脈沖信號341(SYN1，SYN2，SYN3，SYN4)，以及控制模擬開關(guān)的地址信號342(A0，A1)，這些信號送入鎖存器345中；來自超聲信號處理模塊電路320的測距方波信號343通過反相器346a和346b整形后送入CPU347的INT0和INT1端；同時(shí)在第三個(gè)時(shí)間段里，采集深度數(shù)據(jù)信號344(RXD，TXD)，并在第四個(gè)時(shí)間段結(jié)束后，把深度數(shù)據(jù)以及四個(gè)方位的井徑數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)(PC機(jī))。
井上儀300包括深度數(shù)據(jù)采集模塊360，結(jié)合參看圖8及圖10。同步信號362(SYN)經(jīng)整形電路365b送入微處理器371的INT0，此信號保證所有電路的工作狀態(tài)是同步進(jìn)行的，此信號來自數(shù)據(jù)采集與通訊模塊340的CPU347；深度儀上的編碼器輸出兩路深度信號363(DEEP1，DEEP2)，這兩路信號或者同相或者反相，由輪子的轉(zhuǎn)向決定，經(jīng)整形電路365c和365d、驅(qū)動三極管366a和366b、觸發(fā)器367以及整形電路369后，一個(gè)輸出是整形后的方波信號，另一個(gè)輸出是正反轉(zhuǎn)信號，分別送到CPU371的T0、T1端，用于計(jì)數(shù)和判斷。
深度數(shù)據(jù)采集模塊360包含CPU371，它設(shè)置了正反轉(zhuǎn)兩個(gè)計(jì)數(shù)器和兩個(gè)緩沖器，來一個(gè)方波，判斷一下當(dāng)前轉(zhuǎn)向，相應(yīng)的轉(zhuǎn)向計(jì)數(shù)器加1，記滿36個(gè)脈沖，也就是到了1厘米，相應(yīng)的轉(zhuǎn)向緩沖器加1，這些工作都是在T0中斷服務(wù)程序里完成的；在主程序里，不停的檢測正反轉(zhuǎn)緩沖器的差值，如果為零，說明深度沒有變化，如果不為零，說明深度變化了，就要計(jì)算出當(dāng)前的深度并在LED上顯示出來，同時(shí)還要刷新緩存器368中深度值的記錄；當(dāng)數(shù)據(jù)采集與通訊模塊340向它要深度值時(shí)，即接收到340的同步信號后，深度數(shù)據(jù)采集模塊360要把當(dāng)前斷面的深度值通過串行口364發(fā)送給340的處理器中，再由它連同4個(gè)井徑值發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理；另外，復(fù)位信號361(CLR)可以在必要時(shí)使深度數(shù)據(jù)清零，通信和清零都在外部中斷服務(wù)程序里完成。
井上儀子系統(tǒng)300包括電源模塊380，結(jié)合參看圖11，此模塊負(fù)責(zé)井上儀子系統(tǒng)和井下儀子系統(tǒng)的電源供應(yīng)，由電源變壓器381、電壓選擇開關(guān)382、整流橋383、濾波器384、電壓表385以及開關(guān)電源模塊386等組成；由381～385構(gòu)成的電路負(fù)責(zé)給井下儀的超聲探頭供電，而開關(guān)電源模塊386自成一體，可輸出+20V、+12V、+5V電壓，分別給儀器中的不同電路供電。
井上儀子系統(tǒng)300還包括顯示模塊390，結(jié)合參看圖12，由深度數(shù)據(jù)采集模塊360送來的時(shí)鐘信號391(CLK)控制此模塊的工作，由深度數(shù)據(jù)采集模塊360送來的深度數(shù)據(jù)392(D0)輸入到解碼驅(qū)動電路395a的A、B端，其輸出直接驅(qū)動數(shù)碼發(fā)光管394a，同時(shí)395a的最高位Q7信號送往395b的A、B輸入端，其輸出再驅(qū)動394b發(fā)光管，以此類推395c、394c、395d、394d、395e、394e、395f和394f；此顯示電路是6位的，用以實(shí)時(shí)顯示井下儀的下放深度，即井深。
3、示波器子系統(tǒng)示波器子系統(tǒng)400，此示波器可采用數(shù)字化的四通道示波器，操作簡便，具有許多突出的功能，如帶寬達(dá)100MHz，取樣率達(dá)1.0GS/s，具有多種觸發(fā)方式，可進(jìn)行FFT運(yùn)算，自動設(shè)置菜單，每個(gè)通道的波形用不同的顏色顯示，一目了然；可選擇波形的自動設(shè)置功能，自動監(jiān)測正弦波，方波及視頻信號，并以圖形化界面顯示這些信號的自動設(shè)置選項(xiàng)；使用者可以選擇進(jìn)一步的設(shè)置選擇，包括上升下降沿，視頻行場及FFT等，按照信號的不同類型，自動顯示4種參數(shù)的自動測量值；11種自動設(shè)置簡化與加速測量過程，減少人為誤差，包括最小值，最大值，上升時(shí)間，下降時(shí)間，+脈沖寬度，-脈沖寬度，周期，平均值，周期有效值，峰峰值；觸發(fā)頻率讀出，由觸發(fā)源自動激活(視頻觸發(fā)時(shí)除外)，使用者可以測量觸發(fā)信號的頻率(包括外觸發(fā)源)，無需再使用一個(gè)通道做輸出；提供前面板不同于輸入通道的外觸發(fā)輸入，并可顯示觸發(fā)信號，包括外觸發(fā)信號；能通過傳統(tǒng)而熟悉的模擬風(fēng)格控制按鈕，在前面板完成大部分常用功能，如自動設(shè)置，幫助，單次捕獲，打印，掃描速度等；菜單與顯示可以選擇10種操作界面英語，法語，德語，意大利語，葡萄牙語，俄語，簡體中文，繁體中文，朝鮮語，日語；可進(jìn)行單次捕獲、峰值檢測、捕獲與觀察高頻信號成分、凍結(jié)或停止波形、存儲調(diào)出波形、快速存儲設(shè)置及調(diào)出進(jìn)行重復(fù)測試等眾多功能，為實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)儀器、顯示觀察波形及準(zhǔn)確測量奠定基礎(chǔ)。
4、計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)500，硬件和軟件的配置可根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)選定。如可選用高檔微機(jī)硬件配置，基于windows操作系統(tǒng)；軟件部分可根據(jù)測井的實(shí)際需要可由該領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的編制出。計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)和井上儀子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊可通過專用USB接口連線，此連線將井上儀RS232標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，能提高傳輸速度。
上述軟件可包括諸如測井初始化子程序，通訊接收數(shù)據(jù)子程序，測井?dāng)?shù)據(jù)顯示子程序，打開文件子程序，濾波及繪圖顯示子程序，井筒斷面及有效斷面算法子程序，曲線擬合算法子程序等；可相應(yīng)提供井壁傾斜、井徑、有效斷面、偏心率等技術(shù)參數(shù)以及數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢、打印等功能。
5、深度儀子系統(tǒng)參看圖13及結(jié)合圖8和圖10，深度儀子系統(tǒng)700，此子系統(tǒng)的構(gòu)成要素為滑輪701、和滑輪相連的光電碼盤702、底座支架703、處理電路704、傳輸模塊705、傳輸電纜706等。吊裝井下儀子系統(tǒng)的七芯鎧裝電纜(傳輸電纜)經(jīng)過滑輪701，在儀器的下放或提升過程中帶動滑輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪與滑輪701連接在一起的光電碼盤702也跟著旋轉(zhuǎn)；此光電碼盤在滑輪每旋轉(zhuǎn)一圈(周)可輸出3600個(gè)脈沖，此脈沖信號經(jīng)處理電路704處理后送給傳輸模塊705；在脈沖處理過程中，根據(jù)滑輪正反轉(zhuǎn)的不同，會產(chǎn)生不同的脈沖；此脈沖信號送入傳輸模塊705后在通過傳輸電纜706送往井上儀深度數(shù)據(jù)采集模塊360。
同步信號362(SYN)經(jīng)整形電路365b送入微處理器371的INT0，此信號保證所有電路的工作狀態(tài)是同步進(jìn)行的，此信號來自數(shù)據(jù)采集與通訊模塊340的CPU347；深度儀上的編碼器輸出兩路深度信號363(DEEP1，DEEP2)，這兩路信號或者同相或者反相，由輪子的轉(zhuǎn)向決定，經(jīng)整形電路365c和365d、驅(qū)動三極管366a和366b、觸發(fā)器367以及整形電路369后，一個(gè)輸出是整形后的方波信號，另一個(gè)輸出是正反轉(zhuǎn)信號，分別送到CPU371的T0、T1端，用于計(jì)數(shù)和判斷。
深度數(shù)據(jù)采集模塊360包含CPU371，它設(shè)置了正反轉(zhuǎn)兩個(gè)計(jì)數(shù)器和兩個(gè)緩沖器，來一個(gè)方波，判斷一下當(dāng)前轉(zhuǎn)向，相應(yīng)的轉(zhuǎn)向計(jì)數(shù)器加1，記滿36個(gè)脈沖，也就是到了1厘米，相應(yīng)的轉(zhuǎn)向緩沖器加1，這些工作都是在T0中斷服務(wù)程序里完成的；在主程序里，不停的檢測正反轉(zhuǎn)緩沖器的差值，如果為零，說明深度沒有變化，如果不為零，說明深度變化了，就要計(jì)算出當(dāng)前的深度并在LED上顯示出來，同時(shí)還要刷新緩存器368中深度值的記錄；當(dāng)數(shù)據(jù)采集與通訊模塊340向它要深度值時(shí)，即接收到340的同步信號后，深度數(shù)據(jù)采集模塊360要把當(dāng)前斷面的深度值通過串行口364發(fā)送給340的處理器中，再由它連同4個(gè)井徑值發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理；另外，復(fù)位信號361(CLR)可以在必要時(shí)使深度數(shù)據(jù)清零，通信和清零都在外部中斷服務(wù)程序里完成。
6、傳輸電纜及絞車子系統(tǒng)結(jié)合參看圖14，傳輸電纜及絞車子系統(tǒng)600，此子系統(tǒng)由井口支架及定滑輪601、鎧裝電纜602、卷筒603、滑環(huán)及接線插座604、控制裝置605、電機(jī)606、底座支架607等主要部件構(gòu)成。電纜602是七芯的，鎧裝層采用雙層軟鋼絲編織而成，鋼絲和電纜之間有絕緣層，鎧裝電纜的外徑為11mm，長1000m，可承重2.5噸，七芯電纜中傳輸?shù)男盘柗謩e是發(fā)射電壓(+12V~+250V)、井下儀電路供電電壓(+20V)、模擬地、數(shù)字地、送給井下儀的同步信號、傳給井上儀的超聲信號(占兩路)；卷筒603和電機(jī)606都是按要求配置的；滑環(huán)及接線插座604是七芯特制的，具有耐磨、防水、抗腐蝕老化、堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)；控制裝置605是用來控制整個(gè)絞車的，具有手動和自動兩種方式，在自動方式下，可程序設(shè)定正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，可設(shè)定轉(zhuǎn)速，即儀器上升或下降的速度等。
7、定位繩及絞車子系統(tǒng)參看圖15及結(jié)合圖2和圖2B，定位繩及絞車子系統(tǒng)800，它由兩臺絞車構(gòu)成。分別由井口支架及定滑輪801、鋼絲繩802、卷筒803、重錘804、控制裝置805、電機(jī)806、底座支架807以及水平定位裝置109(上)、111(下)等主要部件構(gòu)成。鋼絲繩802外徑為11mm，長1000m，可承重3噸，卷筒803和電機(jī)806都是按要求配置的；控制裝置805是用來控制整個(gè)絞車的，手動控制。定位裝置109和111的結(jié)構(gòu)是相同的，它們相互獨(dú)立，分別設(shè)置在殼體的上部和下部，可分別繞殼體110轉(zhuǎn)動，以使儀器定位在所需的方位；采用上下擺放的結(jié)構(gòu)可同時(shí)避免井下儀的轉(zhuǎn)動和擺動。定位裝置的結(jié)構(gòu)如下，以109為例(圖2C)該裝置由水平伸長桿109a、環(huán)形圈109b、可開合的鋼繩導(dǎo)向孔109c和鎖緊螺絲109d構(gòu)成。松開109d以便調(diào)整儀器的方位，調(diào)好后將其鎖緊；109c是可開合的，打開時(shí)可將導(dǎo)向鋼繩放入或取出，鋼繩放入后開口合上，并用螺絲固定。重錘804重200公斤，拴在鋼絲繩的一端，它們事先下放到井里；兩個(gè)定滑輪801a合801b之間的距離，亦即兩條鋼絲繩之間的距離為井下儀上水平方向伸長桿(109或111)兩定位孔間的長度；定位桿采用上下兩套，從而保證井下儀位置穩(wěn)定，測量過程中不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)動和擺動現(xiàn)象。
本發(fā)明中井下儀子系統(tǒng)設(shè)置超聲探頭的數(shù)量還可為1、2、3、5、6或8個(gè)等等。
本發(fā)明中各子系統(tǒng)在上述說明的指引下，還可有許多顯而易見的變化方式，在不違背本發(fā)明實(shí)質(zhì)的條件下，均應(yīng)為本發(fā)明保護(hù)范圍所指。
權(quán)利要求
1.一種超聲測井儀包括(i)用來發(fā)射超聲波脈沖信號，接收井壁反射超聲信號并將其轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，及對接收信號進(jìn)行放大、濾波和變換處理的井下儀子系統(tǒng)；(ii)用來為井下儀子系統(tǒng)提供適宜匹配電能，同步脈沖的產(chǎn)生，接收井下儀子系統(tǒng)的傳送信號，對傳送信號進(jìn)行放大和變換處理，及其它相關(guān)數(shù)據(jù)采集的井上儀子系統(tǒng)。(iii)用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合采集和處理的計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)與井上儀子系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)線路聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲測井儀，其特征在于所述井上儀子系統(tǒng)還包括可調(diào)式增益和可調(diào)式干擾控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲測井儀，其特征在于所述超聲測井儀還包括，用來測量井下儀下放深度的深度儀子系統(tǒng)，上述井上儀子系統(tǒng)還包括對深度儀傳輸信號的數(shù)據(jù)采集處理和深度值顯示。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲測井儀，其特征在于所述超聲測井儀還包括，用來在井下儀子系統(tǒng)和井上儀子系統(tǒng)之間進(jìn)行信號傳輸，及提升和下放井下儀子系統(tǒng)的傳輸電纜及絞車子系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲測井儀，其特征在于所述傳輸電纜兼作為深度儀子系統(tǒng)的測量繩。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲測井儀，其特征在于所述超聲測井儀還包括，用來為井下儀子系統(tǒng)確定井下方位的定位繩及絞車子系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲測井儀，其特征在于所述超聲測井儀還包括，用來顯示觀察實(shí)時(shí)波形的示波器子系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲測井儀，其特征在于所述井下儀子系統(tǒng)包括一個(gè)密閉殼體和選定數(shù)量的超聲探頭，超聲探頭用于發(fā)射和接收脈沖超聲波；密閉殼體內(nèi)設(shè)有電路部分，電路部分可包括驅(qū)動器模塊、輸入模塊、濾波器模塊、放大調(diào)節(jié)模塊、開關(guān)選擇模塊、電平變換模塊、井下微處理器模塊、信號傳輸模塊、井下系統(tǒng)電源模塊；上述井上儀子系統(tǒng)，可包括整機(jī)電源模塊、探頭供電電源模塊、深度數(shù)據(jù)采集與處理電路模塊、超聲接收變換及處理電路模塊、數(shù)據(jù)采集和通訊電路模塊、主板電路模塊、顯示電路模塊；上述深度儀子系統(tǒng)，包括滑輪、和滑輪相連的光電碼盤，吊掛井下儀子系統(tǒng)密閉殼體的傳輸電纜繞在深度儀子系統(tǒng)的滑輪上，并帶動滑輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的滑輪帶動光電碼盤，光電碼盤當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生兩路同相或者反相方波信號，方波信號通過電纜接至井上儀子系統(tǒng)的深度數(shù)據(jù)采集與處理電路；上述傳輸電纜及電纜絞車子系統(tǒng)，傳輸電纜一端聯(lián)接并吊掛井下儀子系統(tǒng)，另一端聯(lián)接井上儀子系統(tǒng)，傳輸電纜的地面部分卷繞在電纜絞車上，傳輸電纜可為鎧裝七芯電纜，電纜的七芯分別對應(yīng)電源、電源地、數(shù)字信號地、同步信號、發(fā)射電壓、模擬超聲信號(+、-)，電纜的鎧裝層是兩層細(xì)鋼絲構(gòu)成，電纜絞車，裝有七芯滑環(huán)，可手動或自動控制；上述定位繩及絞車子系統(tǒng)，定位繩是兩條鋼絲纜繩，下端懸掛重錘，兩條鋼絲繩之間間隔一定距離，由絞車通過滑輪下放和收卷，兩條鋼纜其中一條穿過井下儀子系統(tǒng)封閉殼體上位于左側(cè)的上下一對水平伸長桿的導(dǎo)向孔，另一條穿過位于右側(cè)的上下一對水平伸長桿的導(dǎo)向孔；上述示波器子系統(tǒng)，該示波器具有四個(gè)獨(dú)立通道和一個(gè)外觸發(fā)通道，四個(gè)通道分別接井上儀子系統(tǒng)送來的某探頭放大后的超聲信號、鑒幅后信號、干控信號、測距方波信號，每個(gè)探頭則由多路多段開關(guān)切換；上述計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)在線或離線提供井壁傾斜、井徑、有效斷面、偏心率等技術(shù)參數(shù)以及數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲測井儀，其特征在于所述井下儀子系統(tǒng)的超聲探頭為4個(gè)，把360°均等分為四個(gè)方位，每個(gè)超聲波探頭設(shè)置在其中的一個(gè)方位上，4個(gè)探頭分時(shí)發(fā)射和接收脈沖超聲波。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲測井儀，其特征在于所述井下儀子系統(tǒng)的驅(qū)動器模塊是在控制信號和開關(guān)選擇模塊的控制下，將上述井上儀子系統(tǒng)送來的觸發(fā)電壓加到相應(yīng)的超聲探頭上，使探頭振動而產(chǎn)生超聲波；上述輸入模塊接受回波信號，并作一定的預(yù)處理；濾波器模塊的電路由一低通濾波器、一高通濾波器以及有源放大部分組成，能選出所需的特定頻率；上述放大調(diào)節(jié)模塊采用阻容反饋網(wǎng)絡(luò)將上述特定頻率放大處理；上述開關(guān)選擇模塊選用多路四選一模擬開關(guān)電路，在控制脈沖和地址信號的控制下選通，選通的信號包括探頭控制信號和超聲波信號；上述電平變換模塊是將井下微處理器送來的信號進(jìn)行整形、變換，用以控制開關(guān)選擇模塊中的模擬開關(guān)電路；上述井下微處理器模塊主要是將井上儀子系統(tǒng)送來的同步信號進(jìn)行再處理，并送出時(shí)序信號與地址信號，控制協(xié)調(diào)井下儀子系統(tǒng)的工作；上述信號傳輸模塊是將選通的超聲信號進(jìn)行放大、變換成具有抗干擾能力和傳輸能力強(qiáng)的信號并通過傳輸電纜傳給井上儀子系統(tǒng)；井下系統(tǒng)電源模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)井下儀電路提供所需的電源供電。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲測井儀，其特征在于所述井下儀子系統(tǒng)中的井下微處理器模塊接收井上儀子系統(tǒng)的同步信號，給出第一個(gè)超聲波換能器的通道地址，發(fā)出控制脈沖，控制開關(guān)選擇模塊中的模擬開關(guān)電路選通第一個(gè)通道，與之關(guān)聯(lián)的第一個(gè)換能器就開始工作；然后，每隔40ms給出下一個(gè)超聲波換能器通道地址，發(fā)控制脈沖，選通下一個(gè)通道和超聲波換能器；依次控制上述4個(gè)超聲波換能器工作，完成一個(gè)工作周期；井下系統(tǒng)電源模塊將井上儀子系統(tǒng)送來的+20V電壓穩(wěn)壓濾波后，輸出+12V、+6V、-6V分別供給除井下微處理器模塊和電平變換模塊外的其它模擬電路模塊，作為電源電壓和參考電壓，將+5V電壓送給井下微處理器模塊和電平變換模塊作為工作電壓；上述井下儀子系統(tǒng)中的井下微處理器模塊接收井上儀子系統(tǒng)的同步信號，井下微處理器模塊輸出控制和地址信號至電平變換模塊進(jìn)行波形整形和變換，之后再輸入到多路四選一模擬開關(guān)電路，模擬開關(guān)電路選通的觸發(fā)信號經(jīng)驅(qū)動器模塊加到超聲探頭上，控制探頭壓電晶體的開關(guān)；探頭上的超聲信號送入輸入模塊，經(jīng)其預(yù)處理后輸入到濾波器模塊，之后再到放大調(diào)節(jié)模塊；四路超聲信號都經(jīng)相互獨(dú)立的四組電路的處理后送入模擬開關(guān)電路進(jìn)行選通，選通的信號再送入信號傳輸模塊變換整形后由傳輸電纜送到井上儀子系統(tǒng)部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超聲測井儀，其特征在于所述井下儀子系統(tǒng)中的井下微處理器模塊可在發(fā)出通道地址2ms后，再發(fā)出控制脈沖。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲測井儀，其特征在于所述井上儀子系統(tǒng)的整機(jī)電源模塊采用交流220V輸入的專用開關(guān)穩(wěn)壓電源，給井上儀提供工作電源和向井下儀子系統(tǒng)提供+20V直流電；探頭供電電源模塊采用220v交流輸入、多交流輸出的變壓器，經(jīng)多段開關(guān)選擇后進(jìn)行整流濾波為超聲波探頭供電，電壓范圍是直流+12V～+250V；上述深度數(shù)據(jù)采集與處理電路模塊主要有輸入接口、處理整形器、微處理器，深度儀子系統(tǒng)的光電碼盤當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生兩路或者同相或者反相的3600個(gè)/圈方波信號，處理整形器對這兩路信號進(jìn)行整形處理，一個(gè)輸出是整形后的方波信號，另一個(gè)輸出是正反轉(zhuǎn)信號，分別送到微處理器的T0和T1，用于計(jì)數(shù)和判斷，微處理器設(shè)置了正反轉(zhuǎn)兩個(gè)計(jì)數(shù)器和兩個(gè)緩沖器，來一個(gè)方波，判斷一下當(dāng)前轉(zhuǎn)向，當(dāng)微處理器接收到采集板發(fā)來的同步信號后，此模塊要把當(dāng)前斷面的深度值通過串行口發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和通信電路的處理器中；顯示電路模塊有觸發(fā)驅(qū)動電路和數(shù)碼顯示管，用以顯示井中探頭所在位置的深度值；上述超聲接收變換及處理電路模塊包括超聲信號變換放大電路、模擬開關(guān)選通電路、四路增益調(diào)節(jié)電路、四路鑒幅觸發(fā)電路、四路干控電路、測距方波信號電路，超聲信號變換放大電路采用高速運(yùn)算放大器，將井下儀送來的超聲信號進(jìn)行變換放大，得到后續(xù)所需的信號，模擬開關(guān)選通電路在控制信號和地址信號的作用下，將按時(shí)序傳輸?shù)乃穆烦曅盘柗謩e取出，送給四路相互獨(dú)立的增益、鑒幅、干控和測距電路，而后再將它們按時(shí)序合為一路信號向后傳輸，增益調(diào)節(jié)電路由高速運(yùn)算放大器和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，對超聲信號進(jìn)行放大，鑒幅觸發(fā)電路由數(shù)字電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器，其觸發(fā)閾值可調(diào)整，干控電路由兩級觸發(fā)器構(gòu)成，測距方波信號電路是根據(jù)觸發(fā)器的輸出，再由驅(qū)動電路驅(qū)動，得到足夠帶負(fù)載能力的方波測距信號；上述數(shù)據(jù)采集和通訊電路模塊主要由微處理器、編譯碼器、觸發(fā)器、RS232標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口電路構(gòu)成；由上述主板電路模塊連接各個(gè)功能模塊和線路板。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲測井儀，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集和通訊電路模塊的微處理器，其兩個(gè)定時(shí)器可完成定時(shí)40ms、定時(shí)測脈寬、兼作波特率發(fā)生器，T1工作在方式2作為波特率發(fā)生器，產(chǎn)生9600bps的波特率，T0工作在方式3，作為兩個(gè)定時(shí)器，TL0定時(shí)測脈寬，TH0定時(shí)40ms；上述測距信號經(jīng)過處理變成兩個(gè)信號，一個(gè)是反相信號，另一個(gè)是同相信號，分別送到微處理器的外部中斷X0和X1上，兩個(gè)外部中斷設(shè)置成邊沿觸發(fā)方式，當(dāng)測距方波信號下降沿到來時(shí)，外部中斷1中斷，打開X0的中斷允許，TH0開始定時(shí)，當(dāng)?shù)碗娖浇Y(jié)束，上升沿到來時(shí)，外部中斷0中斷，停止定時(shí)，讀出計(jì)數(shù)值并保存入相應(yīng)的暫存器中，此計(jì)數(shù)值就是超聲波在井筒中的傳播時(shí)間，測量數(shù)據(jù)經(jīng)通訊接口送往PC機(jī)進(jìn)一步處理。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的超聲測井儀，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集和通訊電路模塊還有以下技術(shù)方式，以160ms為一個(gè)工作周期，分成4個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段為40ms，各時(shí)間段中進(jìn)行給出地址、發(fā)同步信號、測量脈沖寬度、準(zhǔn)備下一次的測量操作；本模塊在第三個(gè)時(shí)間段進(jìn)行深度數(shù)據(jù)的讀??；本模塊在第四個(gè)時(shí)間段結(jié)束時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲測并儀，其特征在于所述主板電路模塊上設(shè)有超聲接收變換及處理電路板插槽、深度數(shù)據(jù)采集和處理電路板插槽、數(shù)據(jù)采集及通訊電路板插槽、傳輸電纜插座、深度儀電纜插座、串口通訊電纜插座、電源插座；電路板插槽采用48腳標(biāo)準(zhǔn)STD總線制式。
17.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲測井儀，其特征在于所述深度儀子系統(tǒng)，吊掛井下儀子系統(tǒng)密閉殼體的傳輸電纜繞在深度儀的滑輪上，滑輪大小為滑輪旋轉(zhuǎn)一周傳輸電纜走過一米；上述光電碼盤當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生兩路3600個(gè)/圈的方波信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲測井儀，其特征在于所述定位繩及絞車子系統(tǒng)可由兩個(gè)定位繩及絞車分系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)定位繩及絞車分系統(tǒng)均由一臺絞車、井口支架及定滑輪、鋼絲繩、卷筒、重錘、電機(jī)、底座支架，及位于井下儀子系統(tǒng)密閉殼體上兩個(gè)鋼絲繩定位裝置，分別設(shè)置在殼體的上部和下部，可分別繞殼體轉(zhuǎn)動；每個(gè)鋼絲繩定位裝置可有水平伸長桿、環(huán)形圈、鎖緊螺絲及位于水平架伸長干兩端的鋼繩導(dǎo)向孔；兩條鋼絲繩之間的距離為每根水平伸長桿兩端導(dǎo)向孔間長度。
全文摘要
本發(fā)明公開一種超聲測井儀，其包括用來發(fā)射超聲波脈沖信號，接收井壁反射超聲信號并將其轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，及對接收信號進(jìn)行放大、濾波和變換處理的并下儀子系統(tǒng)；用來為井下儀子系統(tǒng)提供適宜匹配電能，同步脈沖的產(chǎn)生，接收井下儀子系統(tǒng)的傳送信號，對傳送信號進(jìn)行放大和變換處理，及其它相關(guān)數(shù)據(jù)采集的井上儀子系統(tǒng)；用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合采集和處理的計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)與井上儀子系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)線路聯(lián)接。本發(fā)明不僅能更好地用于小口徑及在小比重泥漿中井筒的測量，還可較好地適用于大口徑深井如井徑為3.0m－12m、井深為1000m以上的井筒測量，也能在大比重(如比重＜＝1.2)泥漿或工業(yè)用水介質(zhì)中可靠地工作。
文檔編號E21B47/14GK1605713SQ20041003612
公開日2005年4月13日 申請日期2004年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月21日
發(fā)明者曹茂永, 楊衛(wèi)平, 孫農(nóng)亮, 梁慧斌, 范迪, 陳達(dá)慶, 張逸芳, 王德民 申請人:山東科技大學(xué)