一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置的制作方法

本发明属于油井井下数据采集，涉及一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置。

背景技术：

1、我国是石油消费大国，对油气资源的依赖度一直很高，超过60％以上的石油都需要进口，国内石油的开采一定程度上可以缓解进口石油的压力。然而，石油开采过程中监测抽油机的温度和压力是非常关键的，通过监测抽油机的压力，可以了解井底的压力变化，以确定生产量和生产效率；通过监测抽油机的温度及时发现问题并进行处理，避免过高或者过低的温度导致沉积物堆积和油粘度增大导致的生产问题；此外监测井温和井压数据可以提前发现故障，及时发现金属元件磨损、胶栓老化等问题，以预防故障发生。

2、目前国内现有技术都是以三相星点取电、通过电缆恺皮传送电能给井下测量装置供电，此种方法需要在井上搭建三相电抗器，以保证和井下三相电机星点平衡；此外当变频驱动电机时逆变器会在地面人工星点和井下电机中性点之间产生高压尖峰，高压尖峰会导致电路参数退化加速，影响电气绝缘性、影响电气设备的正常工作、减少井下装置的寿命；并且此种方法对三相电抗器指标要求高，成本增加明显。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置，用于解决现有技术采用三相星点取电测量方式在变频驱动电机会产生高压尖峰，影响电气绝缘性和设备工作，减少井下装置寿命的技术问题。

2、所述的一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置，包括井下部分和井上部分，所述井下部分包括取电装置、整流滤波模块、输入钳位保护模块、升降压电源模块、井下mcu控制单元、信号采集模块和耦合模块，所述井上部分包括信号采集装置、信号处理模块、井上mcu控制单元和井上电源模块。

3、所述取电装置设在电机电缆的井下部分，用于在不与电机电缆直接接触的状态下进行隔离取电；取电装置依次与所述整流滤波模块、所述输入钳位保护模块、所述升降压电源模块连接，所述升降压电源模块分别连接所述井下mcu控制单元、所述信号采集模块的各个数据采集单元和耦合模块进行供电，所述井下mcu控制单元连接所述信号采集模块接收信号并在处理后通过耦合模块将处理后的信号耦合发送到所述电机电缆。

4、所述信号采集装置设在电机电缆的井上部分，用于在不与电机电缆直接接触的状态下获取所述电机电缆传递的电信号；所述信号采集装置通过所述信号处理模块连接到所述井上mcu控制单元发送采集处理后的电信号，所述井上电源模块连接所述信号处理模块和所述井上mcu控制单元供电。

5、优选的，所述整流滤波模块连接所述取电装置，用于将所述取电装置输出的交流电整流为直流电并进行滤波处理；所述输入钳位保护模块用于在取电电压过高时产生钳位保护作用稳定电压；所述整流滤波模块后与所述输入钳位保护模块并联接入到升降压电源模块的输入端；所述升降压电源模块用于实现自动升降压功能，将输入的电压降压为稳定的供电电压向外供电；所述信号采集模块用于采集参数信号，所述信号采集模块的供电接口连接所述升降压电源模块，所述信号采集模块的信号接口连接到所述井下mcu控制单元；所述井下mcu控制单元用于处理信号采集模块采集的数据，并转换成脉冲信号并发送给耦合模块；所述耦合模块与所述电机电缆耦合连接，用于将所述脉冲信号耦合发送到所述电机电缆。

6、优选的，所述取电装置采用多相取电，所述取电装置固定在pcb板上端，并通过输出线与pcb板焊接并和假负载连接。

7、优选的，所述井下部分还包括分时模块，所述分时模块设于所述井下mcu控制单元和所述耦合模块之间，所述分时模块用于将所述井下mcu控制单元处理后的电信号进一步分时转换成特定频率的脉冲信号，所述升降压电源模块也连接所述分时模块进行供电。

8、优选的，所述分时模块根据单位信息更改与其对应的脉冲信号数，所述井上部分从接收到的脉冲信号数量上区分不同信息。

9、优选的，所述分时模块将不同信息对应的脉冲延时一小段时间后按规定的顺序进行打包，每个打包脉冲群之间延时一定时间发送，接收到脉冲数后按规定顺序读取对应信息值。

10、优选的，连接所述井下mcu控制单元的pwm输出电路中增加有rcd尖峰吸收电路，当线圈感生电压超过电源电压时，所述rcd尖峰吸收电路的泄放二极管导通，通过向电容充电来吸收尖峰。

11、优选的，所述信号处理模块连接所述信号采集装置，用于将所述信号采集装置获取的电信号进行滤波放大；所述井上mcu控制单元连接所述信号采集装置，用于将放大后的电信号处理为相应的参数信息并显示在上位机上。

12、优选的，所述井上电源模块经过低通滤波器滤波后分别连接到所述信号处理模块和井上mcu控制单元供电，井上部分的供电电路包括去耦电容和磁珠并通过去耦电容和磁珠以避免噪声影响信号质量。

13、优选的，所述信号处理模块从前至后依次包括有预放大单元、带通滤波单元、后级放大单元和比较器，上述电路器件均连接到低通滤波后的电源线路接受供电。信号采集装置采集信号通过所述信号处理模块的过程中，首先将信号采集装置采集的信号通过预放大单元进行预放大、而后经过dabp带通滤波器滤除其他频率的杂波，再经过后级放大进一步放大信号，最后输入比较器并由此转化为数字信号输出给井上mcu控制单元进行处理。

14、本发明具有以下优点：首先本发明中的井下数据采集装置与电机电缆耦合，取电或信号传输过程没有与电机的三相电源线的公共点即星点直接电气接触，增强井下设备电气绝缘性。同时，方案中设置相应模块将电缆传输的交流电整流为直流电，并进行的钳位保护和降压，将电压稳定在数据采集模块能正常运行的电压值，因此不采用星点结合取电，即使变频驱动电机也不存在地面人工星点和井下电机中性点之间产生高压尖峰的问题。这样从增加绝缘性和避免高压尖峰现象两方面增加了井下装置的使用寿命。与此同时，由于不再采用星点结构输送信号，本发明的井上部分同样采用非接触耦合方式将井下发送的数据从电缆上解耦出来，并进行预放大、带通滤波、后级放大、比较输出交由mcu解析出温度、压力、加速度数据，所得结果准确，受到干扰较少。

技术特征：

1.一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置，包括井下部分和井上部分，其特征在于：所述井下部分(2)包括取电装置(11)、整流滤波模块、输入钳位保护模块(5)、升降压电源模块、井下mcu控制单元、信号采集模块(7)和耦合模块(10)，所述井上部分(17)包括信号采集装置(12)、信号处理模块、井上mcu控制单元和井上电源模块(20)；

2.根据权利要求1所述的一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置，其特征在于：所述整流滤波模块连接所述取电装置(11)，用于将所述取电装置(11)输出的交流电整流为直流电并进行滤波处理；所述输入钳位保护模块(5)用于在取电电压过高时产生钳位保护作用稳定电压；所述整流滤波模块后与所述输入钳位保护模块(5)并联接入到升降压电源模块的输入端；所述升降压电源模块用于实现自动升降压功能，将输入的电压降压为稳定的供电电压向外供电；所述信号采集模块(7)用于采集参数信号，所述信号采集模块(7)的供电接口连接所述升降压电源模块，所述信号采集模块(7)的信号接口连接到所述井下mcu控制单元；所述井下mcu控制单元用于处理信号采集模块(7)采集的数据，并转换成脉冲信号并发送给耦合模块(10)；所述耦合模块(10)与所述电机电缆(1)耦合连接，用于将所述脉冲信号耦合发送到所述电机电缆(1)。

3.根据权利要求2所述的一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置，其特征在于：所述取电装置(11)采用多相取电，所述取电装置(11)固定在pcb板上端，并通过输出线与pcb板焊接并和假负载连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置，其特征在于：所述井下部分(2)还包括分时模块(9)，所述分时模块(9)设于所述井下mcu控制单元和所述耦合模块(10)之间，所述分时模块(9)用于将所述井下mcu控制单元处理后的电信号进一步分时转换成特定频率的脉冲信号，所述升降压电源模块也连接所述分时模块(9)进行供电。

5.根据权利要求4所述的一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置，其特征在于：所述分时模块(9)根据单位信息更改与其对应的脉冲信号数，所述井上部分(17)从接收到的脉冲信号数量上区分不同信息。

6.根据权利要求4所述的一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置，其特征在于：所述分时模块(9)将不同信息对应的脉冲延时一小段时间后按规定的顺序进行打包，每个打包脉冲群之间延时一定时间发送，接收到脉冲数后按规定顺序读取对应信息值。

7.根据权利要求2所述的一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置，其特征在于：连接所述井下mcu控制单元的pwm输出电路中增加有rcd尖峰吸收电路，当线圈感生电压超过电源电压时，所述rcd尖峰吸收电路的泄放二极管导通，通过向电容充电来吸收尖峰。

8.根据权利要求1或2所述的一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置，其特征在于：所述信号处理模块连接所述信号采集装置(12)，用于将所述信号采集装置(12)获取的电信号进行滤波放大；所述井上mcu控制单元连接所述信号采集装置(12)，用于将放大后的电信号处理为相应的参数信息并显示在上位机上。

9.根据权利要求8所述的一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置，其特征在于：所述井上电源模块(20)经过低通滤波器(19)滤波后分别连接到所述信号处理模块和井上mcu控制单元供电，井上部分(17)的供电电路包括去耦电容和磁珠并通过去耦电容和磁珠以避免噪声影响信号质量。

10.根据权利要求9所述的一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置，其特征在于：所述信号处理模块从前至后依次包括有预放大单元(13)、带通滤波单元(14)、后级放大单元(15)和比较器(16)，上述电路器件均连接到低通滤波后的电源线路接受供电。信号采集装置(12)采集信号通过所述信号处理模块的过程中，首先将信号采集装置(12)采集的信号通过预放大单元(13)进行预放大、而后经过dabp带通滤波器滤除其他频率的杂波，再经过后级放大进一步放大信号，最后输入比较器(16)并由此转化为数字信号输出给井上mcu控制单元进行处理。

技术总结
本发明公开了一种基于隔离电磁耦合技术的安全井下多参数采集装置，包括井下部分和井上部分，所述井下部分包括取电装置、整流滤波模块、输入钳位保护模块、升降压电源模块、井下MCU控制单元、信号采集模块和耦合模块，所述井上部分包括信号采集装置、信号处理模块、井上MCU控制单元和井上电源模块。本发明取电或信号传输过程没有与电机的三相电源线的公共点即星点直接电气接触，增强井下设备电气绝缘性。同时，不采用星点结合取电，即使变频驱动电机也不存在系统产生高压尖峰的问题。这样本发明从增加绝缘性和避免高压尖峰现象两方面增加了井下装置的使用寿命，具有高寿命、高可靠性、实时性等优势。

技术研发人员：吴勇,王东,袁忠伟,伍旭东,翟先旭,孙鸿健,袁野,王凯,刘恒,宋金岭,刘守伟,王辉,姚勇志,刘洋
受保护的技术使用者：西电芜湖研究院有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5