一种压力波调制器、数据传输系统及控制方法和编码方法技术方案

本发明专利技术公开一种压力波发生器、数据传输系统及控制方法和编码方法，属于工业现场通信技术领域。压力波发生器，包括壳体组件、转子组件、定子组件，转子组件、定子组件均安装在壳体组件内，所述壳体组件包括悬挂导流筒和抗压密封筒，所述的定子组件包括电机仓、定子电机、联轴器、丝杆和定子；所述电机仓安装于悬挂导流筒内，定子电机通过联轴器与丝杆上端连接，定子与丝杆连接，定子在定子电机的带动下上下移动；数据传输系统包括管道、安装在管道下游的下游容器、安装在管道上游的上游容器和安装在管道上的监测仪器、压力波调制器及信号检测解码装置。本发明专利技术具有解堵能力，有效延长了无故障工作时间，提高了恶劣工况下的生产效率。

A Pressure Wave Modulator, Data Transmission System, Control Method and Coding Method

【技术实现步骤摘要】
一种压力波调制器、数据传输系统及控制方法和编码方法
本专利技术涉及工业现场通信
，尤其涉及一种压力波调制器、数据传输系统及控制方法和编码方法。
技术介绍
工业
常有沿管道进行数据传输的需求，例如流体输送管道的检测与控制、油气钻探领域的随钻测量、油气生产中分层注水井监测。随着技术的进步，在线监测仪器不断完善，对实时数据传输能力的要求不断提高。目前沿管道进行数据传输的方式分为有线和无线两种。有线方式包括传统电缆传输、智能管道传输和光纤传输等。有线传输的特点是数据传输速率高，实时性好，可为信源供电等。但其成本高，可靠性差，电缆和光纤容易因腐蚀和管道振动而受损。无线方式包括流体压力波传输，管壁声波传输和电磁波传输等。电磁波传输技术的主要缺点是频率与大地频率相近，易受地层电阻率影响，传输距离有限。声波传输技术中的声波信号容易衰减和畸变，需要在一定距离内安装中继器才可以满足现场通信距离需求。流体压力波调制数据传输技术是以管中流体为传输介质，通过在管中安装可影响流道的装置，并根据需要传输的数据，控制该装置按照一定规则动作，来产生可传播至信宿的压力波动，从而达到数据传输的目的。其中的关键就是压力波调制器对数据的调制过程和信宿的信号处理与解码过程，可用的流体压力调制方式主要有脉冲调制方式和载波调制方式。目前流体压力波调制数据传输技术已在随钻测量领域广泛使用，Schlumberger公司、Halliburton公司和BakerHughes公司等都已开发了各自的数据传输系统，但他们均对国内进行严格的技术封锁。美国专利公开了一种井下压力波调制器，产生预定频率的泥浆脉冲向井口传送数据。该案仅公开了压力调制系统的主要原理，并未对编码调制方法和信号检测方式进行进一步的阐述。美国专利公开了一种基于剪切震荡原理工作的泥浆脉冲数据传输系统。与上述专利基本形式相同，主要区别在于脉冲发生器转子运动方式不同，具有调制方式灵活、运动状态切换速度快，可以实现更高的传输速率。但由于需要转子频繁的启停运动，功耗相对较大，对驱动器和电源系统要求较高。中国专利公开了一种使用电磁阀动作产生压力脉冲的随钻遥测系统，主要对正脉冲或负脉冲的编码方式以及地面信号检测方法进行了描述。该案对编码方式和信号检测手段进行了一定的优化，提高了系统性能，但受限于脉冲发生器的设计，数据传输速率较低，而且复杂的地面信号检测系统在生产现场应用困难，位置不固定的多压力传感器带来了较高的成本和安全隐患。中国专利公开了一种采用旋转式脉冲发生器产生压力脉冲将信息传输到井上的方法。该案在旋转式压力脉冲发生器的基础上，使用了四个或八个叶片的阀形结构，在降低电能消耗的同时也可以产生较高频率的压力脉冲，但由于依然采用了脉冲调制方式，通信速率最高只能达到5比特每秒，且未考虑泥浆中堵漏材料造成的阀口堵塞，转阀卡死问题。美国专利公开了一种八进制相移键控调制技术方案，采用与参考信号相同频率的八种不同相位的正弦波，来分别表示数字0～7的组合信号。但该案没有进一步研究不同相位波形的产生方式、各个相位间转换规则以及调整波的频率及运行时间特征等。国内中国石油大学、胜利油田钻井院、中海油研究院、渤海钻探、浙江大学和西南石油大学等研究机构都开展了利用流体压力波调制传输随钻测量数据的相关研究并取得一定的成果。国内研究尚处于脉冲调制设备研究阶段，部分研究机构陆续开始了现场测试和商业应用。中国专利公开了一种采用旋转板阀片产生压力脉冲上传井下数据的信息采集系统。该案使用的旋转阀片可以解决针阀的冲击高、动作速度较慢的问题，对数据传输能力有一定的提升，但该案没有详细阐述旋转阀片的驱动方式和信号噪声去除方法。中国专利公开了一种基于四叶片三角阀的连续波数据传输系统。该案阐述了BPSK和QPSK等连续相位相移键控调制方法，为连续波泥浆脉冲发生器快速数据上传提供切实可行的载波调制方案。但该案仅实现相移键控调制，调制方法单一。中国专利公开了一种由摆动式泥浆脉冲发生器和多个压力传感器组成的随钻测量数据传输系统以及根据工程参数选择信号调制方式的方法。该案采用了载波调制方式，极大的提高了数据传输速率，但转阀需要持续在转动与停止状态之间切换，对机械系统的冲击和电能消耗较高。中国专利公开了一种增加了导流叶的振荡剪切式泥浆脉冲发生器的设计方法。该案通过在转子叶片处增加导流叶，大大降低了震荡阀转子的扭矩，减小脉冲器驱动电机的功率、降低供电电源的功率及容量，同时能够减小电机控制的难度。但该案存在导流叶结构加工难度高，易被冲蚀损坏的缺陷。目前现有的技术存在有以下缺陷亟待解决：①转阀结构易被固体颗粒卡堵且无法自恢复，造成数据传输中断，甚至损坏电机和机械系统；②无法实现调幅波的产生；③转子控系统和控制算法简单，无法应对更复杂的钻井工况和更高级的调制方法；④上游使用静态压力传感器，量程范围大但灵敏度和分辨率低，不利于微弱压力波调制信号的检测；⑤没有信道编码等措施，不能实现数据校验和纠错。
技术实现思路
现有技术中存在数据传输速率慢、误码率高、阀口卡堵风险高和无法产生调幅波的问题，本专利技术在于解决如上的技术问题，提供一种用于但不限于随钻测量及长输管线的一种压力波调制器、数据传输系统及控制方法和编码方法，避免了转阀结构易被卡堵，造成数据传输中断的问题。一种压力波发生器，包括壳体组件、转子组件、定子组件，转子组件、定子组件均安装在壳体组件内，所述壳体组件包括悬挂导流筒和抗压密封筒，所述的定子组件包括电机仓、定子电机、联轴器、丝杆和定子，定子上设有定子叶片；所述电机仓安装于悬挂导流筒内，定子电机通过联轴器与丝杆上端连接，定子与丝杆连接，定子在定子电机的带动下上下移动；所述的定子组件还包括安装在电机仓上的限位开关，用于限制定子叶片向上移动的位移。进一步的，所述转子组件包括驱动机构、电子系统和转子，所述转子包括转子叶片、转子轴和轴承，轴承安装在抗压密封筒上，转子轴通过轴承与抗压密封筒连接，转子轴与转子叶片固定连接，转子叶片安装在悬挂导流筒内，与悬挂导流筒内壁和定子叶片下极限位置之间留有间隙；转子叶片由转子轴驱动旋转，转子轴与抗压密封筒密封连接；所述驱动机构包括转子电机、减速器和编码器，由支撑在轴承上的轴套连接。一种基于所述压力波发生器的流体压力波调制数据传输系统，包括管道、安装在管道下游的下游容器、安装在管道上游的上游容器和安装在管道上的监测仪器、压力波调制器及信号检测解码装置；所述信号检测解码装置包括安装在管道上游的压力传感器、柱塞泵位移传感器、信号接口箱和计算机，所述压力传感器采用动态压力传感器，所述柱塞泵位移传感器安装在柱塞泵上，所述信号接口箱用于处理压力传感器数据和柱塞泵位移传感器数据，并传输给计算机；所述的信号接口箱包括直流电源、安全隔离栅和数据采集器；所述安全隔离栅与压力传感器和柱塞泵位移传感器连接，电源给数据采集器和安全隔离栅供电，数据采集器分别与安全隔离栅和计算机连接。一种基于压力波发生器的控制方法，所述驱动电机运动方程可表示为：式中，ω为转子电机机械角速度，TL为负载转矩，B为粘性摩擦系数，J为总的转动惯量；设计反馈控制器，由式(1)，得，其中，d(t)为总扰动，包括摩擦、外部扰动及电流输入误差；ω0为给定速度，则转速跟踪误差方程为e＝ω0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压力波发生器，包括壳体组件(14)、转子组件(17)、定子组件(15)，转子组件(17)、定子组件(15)均安装在壳体组件(14)内，所述壳体组件(14)包括悬挂导流筒(1401)和抗压密封筒(1402)，其特征在于所述的定子组件(15)包括电机仓(1502)、定子电机(1501)、联轴器(1503)、丝杆(1504)和定子(1505)，定子(1505)上设有定子叶片(1506)；所述电机仓(1502)安装于悬挂导流筒(1401)内，定子电机(1501)通过联轴器(1503)与丝杆(1504)上端连接，定子(1505)与丝杆(1504)连接，定子(1505)在定子电机(1501)的带动下上下移动；所述的定子组(15)件还包括安装在电机仓(1502)上的限位开关(1507)，用于限制定子叶片(1506)向上移动的位移。

【技术特征摘要】
1.一种压力波发生器，包括壳体组件(14)、转子组件(17)、定子组件(15)，转子组件(17)、定子组件(15)均安装在壳体组件(14)内，所述壳体组件(14)包括悬挂导流筒(1401)和抗压密封筒(1402)，其特征在于所述的定子组件(15)包括电机仓(1502)、定子电机(1501)、联轴器(1503)、丝杆(1504)和定子(1505)，定子(1505)上设有定子叶片(1506)；所述电机仓(1502)安装于悬挂导流筒(1401)内，定子电机(1501)通过联轴器(1503)与丝杆(1504)上端连接，定子(1505)与丝杆(1504)连接，定子(1505)在定子电机(1501)的带动下上下移动；所述的定子组(15)件还包括安装在电机仓(1502)上的限位开关(1507)，用于限制定子叶片(1506)向上移动的位移。2.根据权利要求1所述的一种压力波发生器，其特征在于所述的，所述转子组件(17)包括驱动机构、电子系统(1704)和转子(1708)，所述转子(1708)包括转子叶片(1707)、转子轴(1701)和轴承(1702)，轴承(1702)安装在抗压密封筒(1402)上，转子轴(1701)通过轴承(1702)与抗压密封筒(1402)连接，转子轴(1701)与转子叶片(1707)固定连接，转子叶片(1707)安装在悬挂导流筒(1401)内，与悬挂导流筒(1401)内壁和定子叶片(1506)下极限位置之间留有间隙；转子叶片(1707)由转子轴(1701)驱动旋转，转子轴(1701)与抗压密封筒(1402)密封连接；所述驱动机构包括转子电机(1703)、减速器(1706)和编码器(1705)，由支撑在轴承(1702)上的轴套连接。3.一种基于权利要求1或2任一所述的压力波发生器的流体压力波调制数据传输系统，其特征在于包括管道(10)、安装在管道(10)下游的下游容器(6)、安装在管道(10)上游的上游容器(6)和安装在管道(10)上的监测仪器(5)、压力波调制器(4)及信号检测解码装置；所述信号检测解码装置包括安装在管道(10)上游的压力传感器(3)、柱塞泵位移传感器(9)、信号接口箱(2)和计算机(1)，所述压力传感器(3)采用动态压力传感器，所述柱塞泵位移传感器(9)安装在柱塞泵(8)上，所述信号接口箱(2)用于处理压力传感器(3)和柱塞泵位移传感器(9)的数据，并传输给计算机(1)；所述的信号接口箱(2)包括直流电源(11)、安全隔离栅(13)和数据采集器(12)；所述安全隔离栅(13)与压力传感器(3)和柱塞泵位移传感器(9)连接，电源(11)给数据采集器(12)和安全隔离栅(13)供电，数据采集器(12)分别与安全隔离栅(13)和计算机(1)连接。4.一种基于权利要求1-2任一所述的压力波发生器的控制方法，其特征在于驱动电机运动方程可表示为：式中，ω为转子电机(1703)转子机械角速度，TL为负载转矩，B为粘性摩擦系数，J为总的转动惯量；设计反馈控制器，由式(1)，得，其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿艳峰，贾梦之，岳耀斌，李海瑜，杨毅森，王永信，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37