一種消除感應(yīng)測(cè)井直耦信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法
【專利摘要】該發(fā)明公開了一種消除感應(yīng)測(cè)井直耦信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法,涉及感應(yīng)測(cè)井儀中接收線圈直耦信號(hào)對(duì)消領(lǐng)域。該裝置包括線圈骨架,發(fā)射線圈、匝數(shù)固定的基線圈和匝數(shù)可調(diào)的調(diào)節(jié)線圈。調(diào)節(jié)線圈基于多層印制電路板(PCB)設(shè)計(jì),并從中引出若干抽頭,不同的抽頭對(duì)應(yīng)不同線圈匝數(shù),各抽頭共同接入模擬開關(guān),然后依次連接信號(hào)調(diào)理、采樣電路與主控電路。在自動(dòng)對(duì)消過程中,主控電路控制模擬開關(guān)切換不同的調(diào)節(jié)線圈抽頭,計(jì)算當(dāng)前抽頭下的直耦信號(hào)強(qiáng)度,并通過直耦對(duì)消算法使得模擬開關(guān)選通在直耦信號(hào)最弱的線圈抽頭上,最終達(dá)到簡(jiǎn)單易行、精確穩(wěn)定的自動(dòng)直耦對(duì)消效果。
【專利說明】一種消除感應(yīng)測(cè)井直耦信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于感應(yīng)測(cè)井【技術(shù)領(lǐng)域】,特別涉及測(cè)井儀中接收線圈直耦信號(hào)對(duì)消領(lǐng)域。【背景技術(shù)】
[0002]感應(yīng)測(cè)井儀發(fā)射線圈的發(fā)射信號(hào)在導(dǎo)電地層中產(chǎn)生渦流,渦流對(duì)接收線圈產(chǎn)生攜帶地層信息的二次感應(yīng)信號(hào),通過測(cè)量二次感應(yīng)信號(hào)來獲取地層信息。但是在實(shí)際測(cè)量過程中,由于發(fā)射線圈和接收線圈的耦合效應(yīng),接收線圈還會(huì)接收到來自發(fā)射線圈的直耦信號(hào)。直耦信號(hào)不攜帶地層信息,并且一般會(huì)比二次感應(yīng)信號(hào)大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上,因此需要對(duì)接收線圈的直耦信號(hào)進(jìn)行消除。
[0003]由電磁感應(yīng)的基本原理可知,直耦信號(hào)的方向與線圈的繞向有關(guān)。在測(cè)井儀中通常采用在接收線圈上串接補(bǔ)償線圈的方式來去除直耦信號(hào),現(xiàn)階段實(shí)際應(yīng)用中該過程需要手動(dòng)繞制補(bǔ)償線圈,通過改變補(bǔ)償線圈的匝數(shù)和面積來去除直耦信號(hào)。然而手動(dòng)繞制的線圈存在精度、穩(wěn)定度差的缺點(diǎn),并且一旦組裝完成,若儀器在運(yùn)輸和使用中對(duì)消效果出現(xiàn)變化,必須通過上述方式重新對(duì)消,這樣會(huì)消耗大量的時(shí)間和人力成本。
[0004]中國(guó)專利《一種感應(yīng)測(cè)井直耦信號(hào)調(diào)節(jié)裝置》申請(qǐng)?zhí)枮?01120078668.X提出了一種機(jī)械式的感應(yīng)測(cè)井直耦信號(hào)調(diào)節(jié)裝置。在該裝置中,接收線圈的補(bǔ)償線圈纏繞在一可以通過螺旋方式沿線圈骨架移動(dòng)的環(huán)狀支架上,帶動(dòng)對(duì)消線圈與發(fā)射線圈之間的距離發(fā)生變化,影響線圈的耦合強(qiáng)度,直到調(diào)節(jié)到最佳距離使得基本消除直耦信號(hào)。上述方法使得消除直耦信號(hào)的過程中無需直接對(duì)線圈進(jìn)行變化,簡(jiǎn)化了對(duì)消過程,但是仍舊需要手動(dòng)完成,調(diào)試?yán)щy,且存在精度低、穩(wěn)定性差的弊端。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)【背景技術(shù)】的不足之處研究設(shè)計(jì)一種消除感應(yīng)測(cè)井直耦信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法,達(dá)到測(cè)井儀調(diào)試過程簡(jiǎn)單易操作、精度高、穩(wěn)定性好的目的。
[0006]本發(fā)明的解決方案是【背景技術(shù)】中補(bǔ)償線圈分為匝數(shù)固定的基線圈和匝數(shù)可調(diào)的調(diào)節(jié)線圈,調(diào)節(jié)線圈中引出若干抽頭,不同的抽頭對(duì)應(yīng)不同線圈匝數(shù),各抽頭共同接入模擬開關(guān),然后依次連接信號(hào)調(diào)理、采樣電路與主控電路,模擬開關(guān)依次接通各抽頭,信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理、采樣電路,傳給主控電路,主控電路通過DPSD算法(數(shù)字相敏檢波算法)計(jì)算出信號(hào)中各直耦信號(hào)強(qiáng)度并記錄下來,選擇出強(qiáng)度最弱的直耦信號(hào)對(duì)應(yīng)的抽頭,控制模擬開關(guān)一直接通該抽頭,由此實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的。因此本發(fā)明包括:線圈骨架、繞于線圈骨架頭段的發(fā)射線圈、繞于線圈骨架尾段的接收線圈和與接收線圈串聯(lián)、繞向相反的補(bǔ)償線圈,其特征在于:補(bǔ)償線圈分為匝數(shù)固定的基線圈和與基線圈串聯(lián)且繞向一致的調(diào)節(jié)線圈,調(diào)節(jié)線圈中引出若干抽頭,不同抽頭對(duì)應(yīng)不同線圈匝數(shù),各抽頭共同接入模擬開關(guān),模擬開關(guān)分別連接信號(hào)調(diào)理、采樣電路與主控電路,信號(hào)調(diào)理、采樣電路再與主控電路連接。
[0007]其中調(diào)節(jié)線圈的繞線印制于PCB板上,多層PCB板替代多匝線圈,從每層PCB板接出一定數(shù)目的抽頭,以實(shí)現(xiàn)整數(shù)匝和分?jǐn)?shù)匝的調(diào)節(jié)。[0008]設(shè)置3層PCB板,每層PCB板線圈接出5個(gè)抽頭。
[0009]信號(hào)調(diào)理、采樣電路包括低噪聲放大器、帶通濾波器1、可編程增益放大器、帶通濾波器2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器,信號(hào)依次經(jīng)過低噪聲放大器、帶通濾波器1、可編程增益放大器、帶通濾波器2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器,最后輸出。
[0010]主控電路包括采樣輸入接口、DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)、控制輸出接口、外部通信接口,其中DSP通過外部通信接口與外部設(shè)備進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)傳輸、通過采樣輸入接口獲得線圈信號(hào)采樣數(shù)據(jù)、通過控制輸出接口控制模擬開關(guān)切換抽頭。
[0011]一種用于消除測(cè)井直耦信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)方法,該方法包括:
[0012]步驟一:初始化系統(tǒng),包括模擬開關(guān)控制信號(hào)、自動(dòng)增益放大器控制信號(hào)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘,以及外部通信接口的初始化;
[0013]步驟二:DSP從外部通信接口接收到來自外部設(shè)備的直耦自動(dòng)對(duì)消命令;
[0014]步驟三:DSP在當(dāng)前抽頭下完成DPSD算法,測(cè)得當(dāng)前抽頭下線圈直耦對(duì)消后的直耦信號(hào)強(qiáng)度并記錄;
[0015]步驟四:DSP控制多選一模擬開關(guān)切換至另一相鄰抽頭,重復(fù)步驟三,測(cè)得該抽頭下直耦信號(hào)強(qiáng)度并記錄;
[0016]步驟五:比較步驟三和步驟四中直耦信號(hào)強(qiáng)度大小,若從步驟三中抽頭切換至步驟四中抽頭,直耦信號(hào)強(qiáng)度減弱,則繼續(xù)沿該方向切換抽頭,直至直耦信號(hào)強(qiáng)度減至最弱,此時(shí)直耦信號(hào)自動(dòng)消除完成;反之,若從步驟三中抽頭切換至步驟四中抽頭,直耦信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng),則沿相反方向切換抽頭,直到找出直耦信號(hào)強(qiáng)度最弱抽頭;
[0017]步驟六:DSP返回“直耦對(duì)消完成”信號(hào)、當(dāng)前直耦信號(hào)強(qiáng)度、調(diào)節(jié)線圈抽頭位置信息至外部設(shè)備,等待下一次直耦自動(dòng)對(duì)消命令的到來。
[0018]本發(fā)明通過控制各抽頭的連接,選擇處接收信號(hào)中直耦信號(hào)最弱時(shí)對(duì)應(yīng)的抽頭,從而消除直耦信號(hào),因此具有在測(cè)井儀調(diào)試過程簡(jiǎn)單易操作、精度高、穩(wěn)定性好的效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為一般測(cè)井儀線圈結(jié)構(gòu)示意圖;
[0020]圖2為本發(fā)明測(cè)井僅線圈系結(jié)構(gòu)不意圖;
[0021]圖3是基于多層PCB設(shè)計(jì)的單層調(diào)節(jié)線圈結(jié)構(gòu)示意圖;
[0022]圖4是本發(fā)明系統(tǒng)框圖;
[0023]圖5是信號(hào)調(diào)理、采樣電路的結(jié)構(gòu)框圖;
[0024]圖6是主控電路的結(jié)構(gòu)框圖。
[0025]圖中1.線圈骨架,2.發(fā)射線圈,3.接收線圈,4.補(bǔ)償線圈,5.基線圈,6.調(diào)節(jié)線圈,7.多抽頭輸出,8.PCB板,9.PCB中央孔洞,10.上層線圈,11.線圈分支,12.下層線圈,13.過孔,14.線圈接入端,15.線圈抽頭,1.系統(tǒng)線圈部分,I1.系統(tǒng)電路部分。
【具體實(shí)施方式】
[0026]步驟一:設(shè)計(jì)、安裝接收線圈系。如圖1所示,一般測(cè)井儀采用補(bǔ)償線圈和接收線圈串接的方式,利用兩線圈繞向相反、直耦信號(hào)正負(fù)相反這一原理,達(dá)到對(duì)消接收線圈系直耦信號(hào)的目的。如前面所述,這種線圈結(jié)構(gòu)具有一致性差,穩(wěn)定度和精度難以控制,以及對(duì)消過程復(fù)雜等缺點(diǎn)。為此,本發(fā)明提出了一種基于多層PCB的接收線圈系設(shè)計(jì)方法。
[0027]具體地,在接收線圈和補(bǔ)償線圈的基礎(chǔ)上,加入基于多層PCB設(shè)計(jì)的匝數(shù)可調(diào)的調(diào)節(jié)線圈,整個(gè)接收線圈系的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,接收線圈和基線圈完成直耦信號(hào)粗對(duì)消,調(diào)節(jié)線圈實(shí)現(xiàn)精確、自動(dòng)對(duì)消。基線圈與圖3中的調(diào)節(jié)線圈的線圈接入端14連接。調(diào)節(jié)線圈的抽頭輸出端15接入多選一模擬開關(guān),如圖4所示。
[0028]經(jīng)過粗對(duì)消的接收線圈系的直耦信號(hào)強(qiáng)度處于較低水平。在具體實(shí)現(xiàn)工程中,本發(fā)明采用的發(fā)射線圈為84匝,接收線圈10匝,基線圈18匝。設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)線圈的調(diào)節(jié)范圍不僅能夠滿足隨后的直耦信號(hào)精確自動(dòng)對(duì)消的要求,并且能夠滿足測(cè)井儀在今后運(yùn)輸和使用的過程中由于各種原因?qū)е碌木€圈對(duì)消不準(zhǔn)時(shí)的重新對(duì)消的要求。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),本發(fā)明中采用的調(diào)節(jié)線圈具有3匝的調(diào)節(jié)范圍,并且具有1/5匝的調(diào)節(jié)精度,其他調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)精度的PCB線圈可采用相同的方法設(shè)計(jì)。
[0029]圖3中所示為本發(fā)明提出的基于多層PCB的調(diào)節(jié)線圈的單層結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出,在多層PCB板8中間位置有一圓形孔洞9,該孔洞直徑與玻璃鋼線圈骨架直徑相當(dāng),使得線圈骨架能夠從中穿過,方便調(diào)節(jié)線圈的安裝。在PCB上層圍繞著中央的孔洞9畫出上層線圈10,并在線圈不同的位置引出分支11,分支通過過孔13與下一層PCB線圈12相連,在下一層PCB上線圈以更小的半徑圍繞中央孔洞9完成布線。實(shí)際使用的線圈骨架具有磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率極低的性質(zhì),因而可以近似地認(rèn)為發(fā)射線圈在調(diào)節(jié)線圈處激勵(lì)的磁感線均勻地分布在上層線圈10內(nèi),線圈的直耦信號(hào)強(qiáng)度與線圈面積成正比。在本次具體實(shí)現(xiàn)中,圖3所示的線圈內(nèi)徑約為32毫米,外徑為76毫米,不同抽頭對(duì)應(yīng)的線圈具有不同匝數(shù),調(diào)節(jié)線圈就是通過切換抽頭使線圈具有不同匝數(shù),從而達(dá)到控制調(diào)節(jié)線圈直耦信號(hào)強(qiáng)度的目的。需注意的是,圖3中所畫的只有一匝PCB線圈的的示意圖,使用了 PCB的一、二層,多匝線圈也可采用類似方式完成。具體地,可以在圖中標(biāo)號(hào)為13的過孔處與PCB第三層連接,并在PCB第三、四層完成如同圖3所示線圈設(shè)計(jì),以此類推,即可以實(shí)現(xiàn)多匝線圈的設(shè)計(jì)。
[0030]步驟二:搭建測(cè)量、控制電路。測(cè)量、控制電路由多選一模擬開關(guān),信號(hào)調(diào)理、采樣電路和主控電路等幾部分構(gòu)成,安裝于線圈骨架周圍。
[0031]本發(fā)明采用的多選一模擬開關(guān)具有16路模擬信號(hào)輸入通道,從而可以實(shí)現(xiàn)3匝、每匝5抽頭,共計(jì)15個(gè)抽頭的線圈調(diào)節(jié)要求。如圖4所示,調(diào)節(jié)線圈抽頭接入多選一模擬開關(guān),抽頭信號(hào)經(jīng)過模擬開關(guān)選擇后輸入到信號(hào)調(diào)理、采樣電路,信號(hào)調(diào)理、采樣電路對(duì)抽頭信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、模/數(shù)采樣等處理后輸入主控電路,主控電路對(duì)模/數(shù)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行DPSD算法處理,得出當(dāng)前抽頭下接收線圈系感應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度,并控制多選一模擬開關(guān)對(duì)線圈抽頭進(jìn)行切換。主控電路同時(shí)還為信號(hào)調(diào)理、采樣電路提供采樣時(shí)鐘信號(hào)和可編程增益放大器增益控制信號(hào)。
[0032]如圖5所示,信號(hào)調(diào)理、采樣電路由低噪聲運(yùn)算放大器、帶通濾波器、可編程增益放大器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。它們分別實(shí)現(xiàn)對(duì)接收線圈系感應(yīng)信號(hào)的放大、濾波、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等功能,最終將采樣得到的數(shù)字信號(hào)輸入到主控電路中。
[0033]如圖6所示,主控電路由采樣輸入接口、控制輸出接口、外部通信接口以及DSP最小系統(tǒng)組成。DSP芯片通過采樣數(shù)據(jù)接口讀取感應(yīng)電壓信號(hào)采樣值,通過控制輸出接口切換模擬開關(guān)通道,控制PGA增益,并為ADC提供采樣時(shí)鐘信號(hào),通過外部通信接口與外部設(shè)備進(jìn)行指令與數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)線圈部分I,系統(tǒng)電路部分II在實(shí)際應(yīng)用中都安裝于井下。[0034]步驟三:直耦信號(hào)自動(dòng)對(duì)消算法的實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明通過在DSP芯片對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行DPSD算法(數(shù)字相敏檢波算法)來濾除采樣信號(hào)中的噪聲信號(hào),并測(cè)得直耦信號(hào)強(qiáng)度。當(dāng)DSP芯片接收到來自外部設(shè)備的自動(dòng)對(duì)消指令后,會(huì)根據(jù)當(dāng)前直耦信號(hào)強(qiáng)度切換模擬開關(guān)通道,自動(dòng)完成直耦信號(hào)的對(duì)消,其流程可以描述為:
[0035]1.初始化系統(tǒng),包括模擬開關(guān)控制信號(hào)、自動(dòng)增益放大器控制信號(hào)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘,以及外部通信接口的初始化;
[0036]2.DSP從外部通信接口接收到來自外部設(shè)備的直耦自動(dòng)對(duì)消命令;
[0037]3.DSP在當(dāng)前抽頭下完成DPSD算法,測(cè)得當(dāng)前抽頭下線圈直耦對(duì)消后的直耦信號(hào)強(qiáng)度并記錄;
[0038]4.DSP控制多選一模擬開關(guān)切換至另一相鄰抽頭,重復(fù)第3步,測(cè)得該抽頭下直耦信號(hào)強(qiáng)度并記錄;
[0039]5.比較第3步和第4步中直耦信號(hào)強(qiáng)度大小,若從第3步中抽頭切換至第4步中抽頭,直耦信號(hào)強(qiáng)度減弱,則繼續(xù)沿該方向切換抽頭,直至直耦信號(hào)強(qiáng)度減至最弱,此時(shí)直耦信號(hào)自動(dòng)消除完成;反之,若從第3步中抽頭切換至第4步中抽頭,直耦信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng),則沿相反方向切換抽頭,直到找出直耦信號(hào)強(qiáng)度最弱抽頭;
[0040]6.DSP返回“直耦對(duì)消完成”信號(hào)、當(dāng)前直耦信號(hào)強(qiáng)度、調(diào)節(jié)線圈抽頭位置信息至外部設(shè)備,等待下一次直耦自動(dòng)對(duì)消命令的到來。
【權(quán)利要求】
1.一種消除感應(yīng)測(cè)井直耦信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法,該裝置包括:線圈骨架、繞于線圈骨架頭段的發(fā)射線圈、繞于線圈骨架尾段的接收線圈和與接收線圈串聯(lián)、繞向相反的補(bǔ)償線圈,其特征在于:補(bǔ)償線圈分為匝數(shù)固定的基線圈和與基線圈串聯(lián)且繞向一致的調(diào)節(jié)線圈,調(diào)節(jié)線圈中引出若干抽頭,不同抽頭對(duì)應(yīng)不同線圈匝數(shù),各抽頭共同接入模擬開關(guān),模擬開關(guān)分別連接信號(hào)調(diào)理、采樣電路與主控電路,信號(hào)調(diào)理、采樣電路再與主控電路連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種消除感應(yīng)測(cè)井直耦信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法,其特征在于:調(diào)節(jié)線圈的繞線印制于PCB板上,多層PCB板替代多匝線圈,從每層PCB板接出一定數(shù)目的抽頭,以實(shí)現(xiàn)整數(shù)匝和分?jǐn)?shù)匝的調(diào)節(jié)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種消除感應(yīng)測(cè)井直耦信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法,其特征在于:信號(hào)調(diào)理、采樣電路包括低噪聲放大器、帶通濾波器1、可編程增益放大器、帶通濾波器2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器,信號(hào)依次經(jīng)過低噪聲放大器、帶通濾波器1、可編程增益放大器、帶通濾波器2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器,最后輸出。
4.如權(quán)利要求1所述的一種消除測(cè)井直耦信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置及測(cè)量方法,其特征在于:主控電路包括采樣輸入接口、DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)、控制輸出接口、外部通信接口,其中DSP通過外部通信接口與外部設(shè)備進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)傳輸、通過采樣輸入接口獲得線圈信號(hào)采樣數(shù)據(jù)、通過控制輸出接口控制模擬開關(guān)切換抽頭。
5.如權(quán)利要求2所述的一種消除感應(yīng)測(cè)井直耦信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法,其特征在于:設(shè)置3層PCB板,每層PCB板線圈接出5個(gè)抽頭。
6.一種用于消除感應(yīng)測(cè)井直耦信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)方法,該方法包括: 步驟一:初始化主控電路系統(tǒng),包括模擬開關(guān)控制信號(hào)、自動(dòng)增益放大器控制信號(hào)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘,以及外部通信接口的初始化; 步驟二:DSP從外部通信接口接收到來自外部設(shè)備的直耦自動(dòng)對(duì)消命令; 步驟三:DSP在當(dāng)前抽頭下完成DPSD算法,測(cè)得當(dāng)前抽頭下線圈直耦對(duì)消后的直耦信號(hào)強(qiáng)度并記錄; 步驟四:DSP控制多選一模擬開關(guān)切換至另一相鄰抽頭,重復(fù)步驟三,測(cè)得該抽頭下直耦信號(hào)強(qiáng)度并記錄; 步驟五:比較步驟三和步驟四中直耦信號(hào)強(qiáng)度大小,若從步驟三中抽頭切換至步驟四中抽頭,直耦信號(hào)強(qiáng)度減弱,則繼續(xù)沿該方向切換抽頭,直至直耦信號(hào)強(qiáng)度減至最弱,此時(shí)直耦信號(hào)自動(dòng)消除完成;反之,若從步驟三中抽頭切換至步驟四中抽頭,直耦信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng),則沿相反方向切換抽頭,直到找出直耦信號(hào)強(qiáng)度最弱抽頭; 步驟六:DSP返回“直耦對(duì)消完成”信號(hào)、當(dāng)前直耦信號(hào)強(qiáng)度、調(diào)節(jié)線圈抽頭位置信息至外部設(shè)備,等待下一次直耦自動(dòng)對(duì)消命令的到來。
【文檔編號(hào)】G01V3/28GK103885090SQ201410122834
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】管國(guó)云, 汪浩, 聶在平, 孫向陽(yáng), 邱玉杰 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)