专利名称：随钻测斜仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用于定向钻孔测斜领域的钻孔测斜仪，具体而言，涉及一种适用于随钻定向钻孔测斜施工的随钻测斜仪。
背景技术：
钻孔测斜仪广泛应用于煤炭、地质勘探、石油、市政、交通、水利等行业的定向钻孔测斜领域，按使用方式分为非随钻测斜仪和随钻测斜仪。非随钻测斜仪以全方位钻孔测斜仪为代表，虽然在一定倾角范围内可以获得较高的精度，例如，在倾角(-90° -+90° )范围内可实现误差±0.2°，但是，此类测斜仪只能在钻孔施工之后测量，而无法在随钻过程中实时掌握钻进的轨迹和趋势。随钻测斜仪尤其适用于煤矿井下瓦斯抽放钻孔、放水孔、超前勘探孔等随钻定向钻孔测斜施工。然而，由于使用工况恶劣，工作周期长等因素，基于仪器寿命和节电的需要，现有的随钻测斜仪中，普遍采用半导体加速度计、磁通计作为传感器。这样，虽然仪器的抗振性能得到了加强，功耗降低，使用时间也较长，但是，半导体传感器的精度受诸多因素影响，不能达到较高的水平，由此大为限制了仪器在井下近水平煤层长钻孔施工中的应用。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种精度高、使用周期长、抗振耐用的测斜仪，以满足随钻定向测斜的需要。根据本发明，提供一种随钻测斜仪，包括上位机、探管以及探管电源，所述上位机包括工控机以及接口电路，所述探管包括测量模块，所述测量模块包括传感器、模数转换电路以及接口电路，其特征在于，所述工控机通过其接口电路以一定工作比例唤醒所述探管，所述探管被唤醒后，采集所述传感器的检测信号，通过所述模数转换电路将所述检测信号转换为数字信号，并通过所述接口电路将所述数字信号传输给工控机。优选的是，所述传感器包括三个相互正交的石英加速度传感器，分别用以检测重力加速度在三个方向上的分量。优选的是，所述传感器包括三个相互正交的磁通量传感器，分别用以检测地磁场在三个方向上的分量。优选的是，所述传感器包括三轴磁通门，用以检测地磁场在三个方向上的分量。优选的是，所述工作比例为10: I。优选的是，所述测量模块的接口电路采用电流环信号与工控机进行数据传输。优选的是，所述探管电源采用可充电的镍氢电池。优选的是，所述探管电源中设有保护电路，用以防止电池短路和不明原因的电源电压升闻。按照本发明，随钻测斜仪采用休眠、唤醒工作模式，能够有效节约电能。并且，本发明的随钻测斜仪中，使用高精度高抗振石英加速度传感器与磁通量传感器来替代现有技术中的半导体传感器，不仅提高了仪器精度，而且仪器可靠性和工作时间也得到了有效保证。进一步地，随钻测斜仪采用可充电的镍氢电池作为探管电源，使得仪器安全可靠，工作时间明显延长。
为更好地理解本发明，下文以实施例结合附图对本发明作进一步说明。附图中:图1为本发明一实施例的上位机电路示意图；图2为该实施例的探管结构示意图；图3为该实施例的测量模块结构示意图；图4为该实施例的测量模块电路示意图；图5为该实施例的探管电源结构示意图。
具体实施例方式本发明中，随钻测斜仪由上位机、探管以及探管电源等部件构成。其中，上位机例如可采用隔爆兼本安型，探管及探管电源例如可采用本安型。参照图1，图1为本发明一实施例的上位机电路示意图。其中，上位机包括工控机以及接口电路。例如，工控机可选用防爆型工控机，在Window系统下运行控制软件，并为接口电路提供+5V电源(POW)，采用RS232标准与接口电路进行双向通迅。工控机通过接口电路与下位机探管进行数据通迅，下传控制命令，接收上传数据。优选地，接口电路可采用电流环信号与探管进行数据通讯。为节省探管的电池能量，探管平时设为休眠状态，工控机可通过接口电路以一定工作比例(即，休眠与工作的比例)唤醒探管，并启动通讯。优选地，该工作比例可设为约10: I。按照本发明，该接口电路的抗干扰能力较强，端电压和电流均符合本安规范。可替换地，也可使用外部钻杆做地线，使用钻杆中间与钻杆绝缘并贯穿的铜线做信号线进行通迅，通迅速率可达600bps，通迅距离大于1000米。通过该信号线亦可唤醒下位机探管,并启动通讯。参照图2，图2为该实施例的探管结构示意图。探管是随钻测斜仪的核心部件，它包括触点组件21、测量模块22、径向减振器23、轴向缓冲器24、抗压筒25及密封圈26等组件。其中，抗压筒25可由无磁高强度铜合金材料制造，能够保护仪器不受水压、冲蚀、弯曲、挤压等外力的影响。在使用导线钻杆的场合中，触点组件21可用做仪器探管与导线钻杆连接的接口，它由一组触点弹簧和一组滑环座以及相关的绝缘密封系统构成。径向减振器23与轴向缓冲器24的作用在于，为仪器的精密电子元器件、传感器提供可靠的全方位抗冲击、抗振保护。测量模块22的结构如图3所示，该模块中设有传感器、电路板等部件。优选地，传感器包括石英加速度传感器35 (Gx)、36 (Gy)、37 (Gz)，它们相互正交，分别用以检测重力加速度在三个方向上的分量。传感器还包括三个相互正交的磁通量传感器，分别用以检测地磁场在三个方向上的分量。这里，可替换地，三个相互正交的磁通量传感器也可集成为一个三轴磁通门，图3中示出了三轴磁通门31。此外，传感器还可包括一个温度传感器以及一个电池电压传感器。图3中，还示出了测量模块22中的处理器板32、磁通门电路板33、直流电源板34。参照图4，图4为该实施例的测量模块电路示意图。如图4所示，传感器部分中，3*G表示上述三个石英加速度传感器，3*M表示上述三个磁通量传感器，TEMP表示上述温度传感器，VBAT表不上述电池电压传感器；8*CH表不八个模拟开关,分别用来切换相应的传感器;ADC表示模数转换电路；P0W_1、P0ff_2表示开关电源。此外，测量模块还包括接口电路。其中，开关电源P0W_1、P0W_2将来自探管电源的电池电压转换为±5V和±15V，给相应的电路供电。全部电路均符合本安规范。上述传感器感受其输入量，并与其伺服电路一起将输入量变换成与之对应的输出电压，模数转换电路ADC将这些电压转换成数字量，并输入到存储器有关单元，供井斜、方位、工具面等参数的计算。测量模块的接口电路优选采用电流环信号与上位机进行数据通迅。如前文所述，探管受上位机的控制，优选按约10: I的工作比例被唤醒。当探管被上位机唤醒之后，采集传感器的信号，计算出井斜、方位、工具面，以及温度和电池电压等数据，并将数据存储到存储器中，再由接口电路传输给上位机。参照图5，图5为该实施例的探管电源结构示意图。探管电源包括抗压筒51，电池组52、54，组合减振座53。电池组52、54由充电电池、保护电路、减振垫、外壳支撑管、填充胶组成。以上组件有效地保证了探管电源使用的安全可靠性。优选地，探管电源采用可充电的镍氢电池，例如，电池型号为C900，9000mAH，电池组可由十八节电池串联连接而成，电池串联后用保护电路保护。探管电源的端电压即为，
1.2V*18 = 21.6V，整个探管电源相当于由18个端电压1.2V的电池串联而成，每个电池容量为9000mAH，所以整个探管电源的容量为21.6V/9000mAH,即9AH。探管电源可间歇放电，S卩，在随钻测斜仪工作时，探管电源放电，在随钻测斜仪不工作时探管电源也停止工作。优选地，探管电源内设有保护电路，用以防止电池短路和不明原因引起的电源电压升高。当电池短路时，保护电路可在IOuS内切断负载回路，防止电池由于外部短路引起危险火花。当不明原因的电压升高时，保护电路可及时切断电源回路，使负载处于无电的状态。作为探管电源用保护电路，可采取两组保护电路串联工作，以有效保护探管电源。探管电源还具有防反接功能。为在结构设计上使探管电源保证不会接反，探管电源的两端可用专用的接插件作为电器联接插头，并没有电器上的导线或接线端子裸露在外面，使用户没有机会接触到插头。而且，内部充电端设有三个保护用的二极管，以防止充电端短路。探管电源两端也可采用一公一母两种不同的插头设计，以确保反向联不上。由于探管电源的组装结构特点，探管电源的保护电路和探管电源本身可不采用分腔设计。电池之间用固定套隔离，保护电路本身与电池之间用绝缘材料的固定套固定，使保护电路与电池隔离。本发明中，由于采用高精度抗振石英加速度传感器以及三轴高精度磁通门，使得仪器精度可在全倾角(-90° -+90° )、全方位(0° -360° )范围内达到倾角误差±0.2°，方位角误差±1°，工具面相角误差±1°的水平。此外，本发明采用先进的信号处理方式，从而降低了功耗，使仪器连续工作时间可长达40小时，正常工作时间(占空比10: I)可达6-8周。而且，本发明采用全向减振技术，使得抗振抗冲击性能大幅度提高，达到振动20m/s210-150Hz (全向)，冲击彡 3000g(轴向)/1500g(径向)。显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在所附权利要求书的涵盖范围之内。`
权利要求
1.一种随钻测斜仪，包括上位机、探管以及探管电源，所述上位机包括工控机以及接口电路，所述探管包括测量模块，所述测量模块包括传感器、模数转换电路以及接口电路，其特征在于，所述工控机通过其接口电路以一定工作比例唤醒所述探管，所述探管被唤醒后，采集所述传感器的检测信号，通过所述模数转换电路将所述检测信号转换为数字信号，并通过所述接口电路将所述数字信号传输给工控机。
2.如权利要求1所述的随钻测斜仪，其特征在于，所述传感器包括三个相互正交的石英加速度传感器，分别用以检测重力加速度在三个方向上的分量。
3.如权利要求1或2所述的随钻测斜仪，其特征在于，所述传感器包括三个相互正交的磁通量传感器，分别用以检测地磁场在三个方向上的分量。
4.如权利要求1或2所述的随钻测斜仪，其特征在于，所述传感器包括三轴磁通门，用以检测地磁场在三个方向上的分量。
5.如权利要求1所述的随钻测斜仪，其特征在于，所述工作比例为10: I。
6.如权利要求1所述的随钻测斜仪，其特征在于，所述测量模块的接口电路采用电流环信号与工控机进行数据传输。
7.如权利要求1所述的随钻测斜仪，其特征在于，所述探管电源采用可充电的镍氢电池。
8.如权利要求7所述的随钻测斜仪，其特征在于，所述探管电源中设有保护电路，用以防止电池短路和不明原因的电源电压升高。
全文摘要
本发明公开了一种随钻测斜仪，包括上位机、探管以及探管电源，所述上位机包括工控机以及接口电路，所述探管包括测量模块，所述测量模块包括传感器、模数转换电路以及接口电路，其特征在于，所述工控机通过其接口电路以一定工作比例唤醒所述探管，所述探管被唤醒后，采集所述传感器的检测信号，通过所述模数转换电路将所述检测信号转换为数字信号，并通过所述接口电路将所述数字信号传输给工控机。按照本发明，能够有效节约电能，并且大幅度提高了仪器精度及可靠性。
文档编号E21B47/022GK103104250SQ20111036091
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者牛勇, 王瑶, 刘今, 马晓华 申请人:北京天和正庆科技发展有限公司