專利名稱：超低頻功率發(fā)射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種在油氣井測量中用于石油井下無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)某皖l功率發(fā)射裝置。
背景技術(shù)：
在油氣井測量中，需要將井下的壓力、溫度等信號通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到地面，常用的方法有:泥衆(zhòng)脈沖傳輸法、電磁遙測法、聲波傳輸法、電纜傳輸法(包括直接電纜、間接電纜)。低頻電磁波法是通過石油管柱和地層加載超低頻電磁波信號實現(xiàn)無線遙測，電磁波法可以不受鉆井液的影響，可在氣體、泡沫、霧化、空氣、充氣等鉆井液中使用，是一種油氣測量的先進(jìn)技術(shù)方法，低頻電磁波傳輸技術(shù)中，低頻電磁波的功率發(fā)射單元設(shè)計是其中的技術(shù)關(guān)鍵之一，本專利發(fā)明提供了一種實現(xiàn)電磁波高效發(fā)射的新方法。低頻電磁波法由于受到地層電阻率等環(huán)境條件的影響，電磁波頻率一般選擇在
0.5 20Hz之間的超低頻，圖4是一種常見的用變壓器阻抗變換，驅(qū)動天線發(fā)送電磁波的方式，石油管柱被絕緣段分隔成上下兩部分，形成非對稱的偶極子天線，功率驅(qū)動器產(chǎn)生的信號通過功率變壓器加載到天線上，但由于接近直流的載波頻率，使得變壓器功率傳遞效率急劇下跌，同時要求變壓器鐵芯體積要做的很大，在井下載體工具有限的空間內(nèi)，用常規(guī)的技術(shù)很難得到很好的解決，一般采用和電系統(tǒng)非隔離的直接驅(qū)動模式，或者尋求非晶體類鐵芯變壓器，在盡可能的在低頻條件下提高變壓器的變換效率，因此在以地層為負(fù)載的石油井下傳輸?shù)皖l電磁波，如何提高功率變換效率，實現(xiàn)在電池供電的環(huán)境條件下，發(fā)射系統(tǒng)的高效運(yùn)用，一直是技術(shù)上有待解決的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種用于石油井下無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)某皖l功率發(fā)射裝置。為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是:超低頻功率發(fā)射裝置，用于石油井下無線數(shù)據(jù)傳輸，包括2DPSK調(diào)制單元、高頻載波發(fā)生器、同步脈沖單元、模擬乘法器、功率放大器、功率變壓器和功率變頻單元；2DPSK調(diào)制單元、高頻載波發(fā)生器分別與模擬乘法器連接，模擬乘法器依次與功率放大器、功率變壓器與功率變頻單元連接，其特征在于:功率變頻單元包括采樣保持器、隔離驅(qū)動器和天線負(fù)載；功率放大器與功率變壓器的初級線圈連接，功率變壓器的次級線圈一端與正向采樣保持器輸入端連接，功率變壓器的次級線圈另一端與負(fù)向采樣保持器輸入端連接，次級線圈的中心抽頭接次級隔離地；隔離驅(qū)動器分別與正向采樣保持器的驅(qū)動輸入端和負(fù)向采樣保持器的驅(qū)動輸入端連接；正向采樣保持器的輸出端與天線負(fù)載的一端連接，負(fù)向采樣保持器的輸出端與天線負(fù)載的另一端連接；在正向采樣保持器輸出端與次級隔離地之間跨接正向保持電容，在負(fù)向采樣保持器輸出端與次級隔離地之間跨接負(fù)向保持電容。高頻載波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻載波經(jīng)過模擬乘法器調(diào)制，產(chǎn)生AM調(diào)幅波，通過功率變壓器，經(jīng)過解調(diào)，在發(fā)射端獲得其高頻載波的低頻包絡(luò)。功率變壓器有輸入端和輸出端，輸入端和輸出端之間通過磁芯進(jìn)行能量交換。采樣保持器有一個高頻載波輸入端，一個低頻包絡(luò)輸出端，高頻載波的頻率在IOKHz IOOMHz之間，低頻包絡(luò)的頻率在0.1Hz IOKHz之間。隔離驅(qū)動器為輸入輸出電氣隔離，隔離方式包括光電隔離或變壓器隔離或霍爾隔離或光纖隔離。本實用新型的有益效果是:利用頻率變換技術(shù)，用小體積的功率變壓器高效的傳遞調(diào)幅高頻信號，在變壓器的次級通過同步差分采樣保持電路變換成低頻信號，加載到管柱偶極子天線上，用這種變頻的方法既可以保持傳統(tǒng)變壓器驅(qū)動高效率的優(yōu)勢，又縮小變壓器鐵心的體積，使在地層下低頻條件下用功率變壓器驅(qū)動成為可能，由于采用了同步采樣保持電路，因此采用這種驅(qū)動方式，發(fā)射器對地層電阻率負(fù)載的變化適應(yīng)范圍大，如果附加閉環(huán)功率自適應(yīng)電路，就能構(gòu)成一套完整的功率驅(qū)動系統(tǒng)。本技術(shù)方案的關(guān)鍵在于變壓器次級后的功率變頻部分，方案和普通的發(fā)射機(jī)相t匕，多了窄脈沖形成電路和變頻電路，窄脈沖形成電路用于產(chǎn)生0.5US左右的同步窄脈沖，用于同步解調(diào)高頻載波，實現(xiàn)變頻輸出。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。


圖1是本實用新型超低頻功率發(fā)射裝置實施例的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實用新 型超低頻功率發(fā)射裝置實施例的變頻單元結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本實用新型超低頻功率發(fā)射裝置實施例的變頻單元電路圖。圖4是常規(guī)的用變壓器阻抗變換的低頻電磁波發(fā)射裝置示意圖。
具體實施方式
圖1顯示了一套帶功率變頻的超低頻功率發(fā)射裝置框圖，由2DPSK調(diào)制單元、高頻載波發(fā)生器、同步脈沖單元、模擬乘法器、功率放大器、功率變壓器和功率變頻單元組成。2DPSK調(diào)制單元用于產(chǎn)生以2DPSK模式調(diào)制的低頻調(diào)制波，其中包括了超低頻信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)編碼器、電子開關(guān)、反向器。數(shù)據(jù)編碼器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號通過電子開關(guān)和反向器對預(yù)發(fā)射的超低頻電磁波進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生2DPSK模式的調(diào)制波。高頻載波發(fā)生器產(chǎn)生的載波和2DPSK低頻波送入模擬乘法器，產(chǎn)生振幅被調(diào)制的聞頻AM波。同步脈沖單元包括90°移相器、過零比較器、窄脈沖發(fā)生器。高頻載波信號通過90°移相器，移相90°，使過零點(diǎn)對準(zhǔn)高頻載波的峰值點(diǎn)，經(jīng)過過零檢測，形成上升沿和高頻載波峰值點(diǎn)同步的方波，再經(jīng)窄脈沖電路，產(chǎn)生和高頻正峰值點(diǎn)同步的窄脈沖。模擬乘法器產(chǎn)生的AM調(diào)制波，經(jīng)功率放大器放大后通過功率變壓器，進(jìn)入變頻單元，在同步窄脈沖的驅(qū)動解調(diào)后，產(chǎn)生超低頻2DPSK波加載到偶極子天線上發(fā)射。本實施例在變頻單元前端，采用的是和常規(guī)的偶極子天線驅(qū)動相同的電路，包括2DSPK調(diào)制和AM調(diào)制都可采用地面發(fā)射機(jī)的常用方式，由于采用了 IOOKHz的高頻載波，因此功率變壓器能實現(xiàn)高效傳輸能量。本實施例的關(guān)鍵在于變壓器次級后的功率變頻部分，和普通的發(fā)射機(jī)相比，多了窄脈沖形成電路和變頻電路，載脈沖形成電路用于產(chǎn)生0.5us左右的同步窄脈沖，用于同步解調(diào)高頻載波，實現(xiàn)變頻輸出。圖2顯示了功率變頻電路的功能框圖，整個電路包含了一個正向采樣保持器和一個負(fù)向采樣保持器，正向和負(fù)向保持電容、一個隔離驅(qū)動器。同步窄脈沖由前級提供，②端輸入；模擬乘法器產(chǎn)生的AM調(diào)制波由①端輸入，功率放大后，由變壓器次級在正向端③和反向端④分成兩個載波相位倒相180°的AM波，在載波峰值點(diǎn)到達(dá)時，由窄脈沖啟動采樣，峰值點(diǎn)過后進(jìn)入保持狀態(tài)，⑤端和⑥端為反向差分輸出，形成兩個極性相反的2DPSK的低頻天線發(fā)射波。采樣保持器在兩個狀態(tài)間變換，一個是采樣，一個是保持。在采樣態(tài)，采樣保持開關(guān)打開，Vin給保持電容充電，保持電容上的電壓—t —tFc(0 = (Vm - Vt)(\ -e7) + VcOev其中Vt是開關(guān)管的管壓降，由于mosfet的導(dǎo)通阻抗小于ΙΟι Ω，因此可忽略，Vm是載波包絡(luò)峰值，VcO是保持電容在前一保持態(tài)的保持電壓，τ = rC是充電電路時間常數(shù)，r是mosfet導(dǎo)通電阻，C是保持電容，因為導(dǎo)通電阻很小，因此τ遠(yuǎn)小于100Κ的開關(guān)周期，因此電壓近似為線性，以Vm-(VcO/ τ )的線性快速上升。在保持態(tài)，由于開關(guān)斷開，保持電容保持時間和負(fù)載有關(guān)，如圖2所示，天線的負(fù)載可以等效于并聯(lián)的一個電容C和一個電阻R，對系統(tǒng)產(chǎn)生實質(zhì)影響的是R，在不同電阻率的地層中，R是一個變值，要使負(fù)載對電路的影響減小到最小，要求變頻輸出回路的放電時間常數(shù)(τ = CR)至少要比開關(guān)周期(高頻載波頻率)大5倍以上，取IOOk的高頻載波頻率，保持電容的容量取20u，可以算的最小允許的負(fù)載阻抗:R = 5T/C = 2.5 Ω其中T為100Κ開關(guān)周期為10us，C為保持電容取20uF。由上式可知采用采樣保持同步變頻的方法，幾乎不受負(fù)載變化的影響。圖3顯示了變頻單元實施的實例電路，NI功率放大器采用APEX公司的PAlO功率放大器，功率放大倍數(shù)=R3/R4，R1、R2為限流電阻，Rl和R2的大小有下式確定:
權(quán)利要求1.超低頻功率發(fā)射裝置，用于石油井下無線數(shù)據(jù)傳輸，包括2DPSK調(diào)制單元、高頻載波發(fā)生器、同步脈沖單元、模擬乘法器、功率放大器、功率變壓器和功率變頻單元；所述2DPSK調(diào)制單元、高頻載波發(fā)生器分別與模擬乘法器連接，所述模擬乘法器依次與功率放大器、功率變壓器與功率變頻單元連接，其特征在于:所述功率變頻單元包括采樣保持器、隔離驅(qū)動器和天線負(fù)載；所述功率放大器與功率變壓器的初級線圈連接，所述功率變壓器的次級線圈一端與正向采樣保持器輸入端連接，功率變壓器的次級線圈另一端與負(fù)向采樣保持器輸入端連接，次級線圈的中心抽頭接次級隔離地；所述隔離驅(qū)動器分別與正向采樣保持器的驅(qū)動輸入端和負(fù)向采樣保持器的驅(qū)動輸入端連接；所述正向采樣保持器的輸出端與天線負(fù)載的一端連接，負(fù)向采樣保持器的輸出端與天線負(fù)載的另一端連接；在正向采樣保持器輸出端與次級隔離地之間跨接正向保持電容，在負(fù)向采樣保持器輸出端與次級隔離地之間跨接負(fù)向保持電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低頻功率發(fā)射裝置，其特征在于:所述高頻載波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻載波經(jīng)過模擬乘法器調(diào)制，產(chǎn)生AM調(diào)幅波，通過功率變壓器，經(jīng)過解調(diào)，在發(fā)射端獲得其高頻載波的低頻包絡(luò)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低頻功率發(fā)射裝置，其特征在于:所述功率變壓器有輸入端和輸出端，輸入端和輸出端之間通過磁芯進(jìn)行能量交換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低頻功率發(fā)射裝置，其特征在于:所述采樣保持器有一個高頻載波輸入端，一個低頻包絡(luò)輸出端，高頻載波的頻率在IOKHz IOOMHz之間，低頻包絡(luò)的頻率在0.1Hz IOKHz之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低頻功率發(fā)射裝置，其特征在于:所述隔離驅(qū)動器為輸入輸出電氣隔離，隔離方 式包括光電隔離或變壓器隔離或霍爾隔離或光纖隔離。
專利摘要本實用新型公開了超低頻功率發(fā)射裝置，用于石油井下無線數(shù)據(jù)傳輸，其中，功率變頻單元包括采樣保持器、隔離驅(qū)動器；功率放大器與功率變壓器的初級線圈連接，功率變壓器的次級線圈一端與正向采樣保持器輸入端連接，功率變壓器的次級線圈另一端與負(fù)向采樣保持器輸入端連接，次級線圈的中心抽頭接次級隔離地；隔離驅(qū)動器分別與正向采樣保持器的驅(qū)動輸入端和負(fù)向采樣保持器的驅(qū)動輸入端連接；正向采樣保持器的輸出端與天線負(fù)載的一端連接，負(fù)向采樣保持器的輸出端與天線負(fù)載的另一端連接；正向采樣保持器輸出端與次級隔離地之間跨接正向保持電容，負(fù)向采樣保持器輸出端與次級隔離地之間跨接負(fù)向保持電容。
文檔編號E21B47/12GK203097883SQ20122068398
公開日2013年7月31日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者李越, 晏忠良, 王敏, 劉亦風(fēng) 申請人:合肥辰工科技有限公司