ФЭА / АИТ / Курсовая работа по телеизмерению "Передача информации в приборе ГДИ-7с"
(автор - student, добавлено - 14-05-2014, 22:33)
СКАЧАТЬ:
Содержание
Введение. 3 Теоретическая часть. 4 Расчетная часть. 17 Экспериментальная часть. 24 Заключение. 27 Список литературы.. 28
ВведениеТелеизмерение - получение информации о значениях измеряемых параметров контролируемых или управляемых объектов методами и средствами телемеханики. Сущность телеизмерения заключается в том, что измеряемая величина, предварительно преобразованная в ток или напряжение, дополнительно преобразуется в сигнал, который затем передается не сама измеряемая величина, а эквивалентный ей сигнал, параметры которого выбирают ток, чтобы искажения при передаче были минимальными. Системы телеизмерения предназначены для передачи на расстояние значений различных электрических и неэлектрических параметров. К неэлектрическим параметрам относятся: температура, давление контролируемой среды, мгновенные и интегральные значения расходов жидкостей и газов, уровень жидкостей и др.
Теоретическая частьНазначение прибора Комплексный программно-управляемый скважинный прибор модульного типа ГДИ-7С (в дальнейшем – «прибор») предназначен для гидродинамических исследований нагнетательных и эксплуатационных скважин при контроле за разработкой нефтяных месторождений. Область применения прибора: • базовый модуль: 1) измерение давления, 2) измерение температуры, 3) измерение объемного влагосодержания, 4) термоиндикация притока жидкости, 5) локация муфт, 6) измерение мощности экспозиционной дозы (МЭД) гамма-излучения горных пород (гамма-каротаж); • дополнительные модули: 7) измерение расхода жидкости, 8) измерение удельной электрической проводимости (УЭП) жидкости. Прибор рассчитан на работу в составе геофизической лаборатории и каротажного подъемника ПКС-5 ГОСТ 25785, оборудованного одножильным геофизическим кабелем типа КГ по ТУ 16.К64.01-88 длиной до 5 000 м или аналогичным вышеуказанному. Прибор эксплуатируется в комплексе с компьютеризированным каротажным регистратором "Гектор" или аналогичного типа. Условия эксплуатации прибора: • диапазон рабочих температур от минус 10 до + 120 ° С; • максимальное рабочее давление 60 МПа. Устройство прибора Прибор состоит из базового модуля и дополнительных модулей, присоединяемых в зависимости от решаемых задач. Базовый модуль состоит из блока датчиков 19, в котором установлены датчики термометра, термоиндикации (СТИ), манометра и влагомера. К нижнему концу блока датчиков винтами закреплено корытообразное шасси 20 с коллектором 5 для подключения дополнительных модулей. При отсутствии дополнительных модулей устанавливается заглушка 21. К верхнему концу блока датчиков 19 крепится корытообразное шасси 17. На этом шасси расположены: плата локатора муфт 7, плата СТИ 8, плата блока питания ФЭУ 9, плата умножителя напряжения питания ГК 10 с трансформатором 11, плата питания 14, плата процессора 15, плата аналоговых сигналов 16, блок детектора ГК 12, состоящий из фотоэлектронного умножителя ФЭУ-102 и детектора СДН-16х40, локатор муфт 6, трансформатор 13. Охранный кожух 18 наворачивается на блок датчиков 19 и приборную головку 3, выполненную под кабельный наконечник НК-36 по ГОСТ 14213-89. Головка приборная 3 состоит из корпуса, в котором установлены розетка 1, изолятор 2, щеткодержатель 4. Герметизация всех элементов прибора осуществляется с помощью резиновых уплотнительных колец за исключением датчика манометра, герметизация которого осуществляется медной буксой. Расходомер проходной (рис. 1) состоит из фонаря верхнего 3, в котором установлены розетка 1, изолятор (свеча) 2 и ось 4. Ось крыльчатки 5 упирается в подпятники 8. На оси крыльчатки 5 установлен магнит 7. В фонаре нижнем 9 установлены щеткодержатель 11, плата 10, датчик Холла 6. Расходомер проходной устанавливается вместо приборной головки 3.
Рисунок 1 - Расходомер проходной: 1 – розетка, 2 – изолятор (свеча), 3 – фонарь верхний, 4 – ось, 5 – крыльчатка, 6 – датчик Холла, 7 – магнит, 8 – подпятник, 9 – фонарь нижний, 10 – плата, 11 – щеткодержатель, 12 – кольцо 004-007-19 (2 шт.), 13 – кольцо 012-016-25 (2 шт.), 14 – кольцо 021-025-25 (3 шт.), 15 – кольцо 028-032-25 (2 шт.) Расходомер РПН (рис. 2) состоит из фонаря верхнего 3, в котором установлены щеткодержатель 1, плата 2, датчик Холла 5. В фонаре нижнем 10 установлен центр 9. Мост 8 служит для соединения фонарей верхнего 3 и нижнего 10. Ось крыльчатки 7 упирается в подпятники 4. На оси крыльчатки 7 установлен магнит 6.
Рис. 2 - Расходомер РПН: 1 – щеткодержатель, 2 – плата, 3 – фонарь верхний, 4 - подпятник, 5 – датчик Холла, 6 – магнит, 7 – крыльчатка, 8 – мост, 9 – центр, 10 – фонарь нижний, 11- кольцо 005-008-19 (2 шт.), 12 – кольцо 028-032-25 (2 шт.) Расходомер РПН (рис. 3) возможно присоединять к базовому модулю вместо заглушки 21 или к модулю индукционного проходного резистивиметра (МИПР).
Рис. 3 - Модуль индукционного проходного резистивиметра (МИПР): 1 – щеткодержатель, 2 – мост верхний, 3 – втулка, 4 – катушка, 5 – вставка, 6 – мост нижний, 7 – плата, 8 – шасси, 9 – коллектор, 10 – кожух, 11- кольцо 014-017-19 (4 шт.), 12 – кольцо 028-032-25 (8 шт.) Расходомер раскрывающийся РРГ (рис. 4) состоит из корпуса 3, в котором установлены щеткодержатель 1, плата 2, датчик Холла 7. Ось крыльчатки 10 упирается в подпятники 6. На оси крыльчатки 10 установлен магнит 9. Кривошипно-рычажный механизм раскрытия состоит из рычагов верхних 4, кривошипов 13, толкателей 8, 11, соединенных с упором 5 и головкой 15. Между хвостовиком 12 и головкой 15 установлена пружина 14.
Рис. 4 - Расходомер раскрывающийся РРГ: 1 – щеткодержатель, 2 – плата, 3 – корпус, 4 – рычаг верхний, 5 – упор, 6 – подпятник, 7 – датчик Холла, 8, 11 – толкатель, 9 – магнит, 10 – крыльчатка, 12 – хвостовик, 13 - кривошип, 14 – пружина, 15 – головка, 16 – кольцо 028-032-25 (2 шт.) Расходомер раскрывающийся РРГ возможно присоединять к базовому модулю вместо заглушки 21 или к модулю индукционного проходного резистивиметра (МИПР) (рис. 3). Модуль индукционного проходного резистивиметра (МИПР) (рис. 3) состоит из моста верхнего 2, в котором установлен щеткодержатель 1, моста нижнего 6, к которому прикрепляется шасси 8 с платой 7 и коллектором 9. Вставка 5 служит для соединения мостов верхнего 2 и нижнего 6. Втулка 3 с катушками 4 монтируется в мосты верхний 2 и нижний 6. Кожух 10 служит для защиты модуля, а также для присоединения расходомеров РПН и РРГ. Модуль индукционного проходного резистивиметра (МИПР) возможно присоединять к базовому модулю вместо заглушки 21. Принцип работы прибора Прибор совместно с наземным компьютеризованным каротажным регистратором «Гектор» представляет собой многоканальную скважинную телеизмерительную систему с кодоимпульсной модуляцией и временным разделением каналов. Количество каналов базового модуля – шесть: канал измерения температуры, канал измерения давления, канал термоиндикации притока жидкости, канал влагомера, канал локации муфт, канал ГК и в зависимости от дополнительных модулей – канал измерения расхода жидкости и удельной электрической проводимости (УЭП) жидкости. В состав прибора (рис. 5)входят шесть первичных датчиков 1-6 и шесть нормирующих преобразователей 8-13, а также микроконтроллер (MCU), 17 аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 18, блок питания (БП) 19, усилитель мощности (УМ) 20, приборная головка 16. Прибор работает следующим образом. Значения параметров физических полей скважины (температура, давление и др.) с помощью первичных датчиков 1-6 преобразуются в электрические сигналы. Электрические сигналы с датчиков 2, 3, 4, поступают на входы соответствующих нормирующих преобразователей 9, 10, 11, и далее на входы АЦП 18. Электрические сигналы с датчиков 1, 5, 6 поступают на входы нормирующих преобразователей 8, 12, 13 и далее на микроконтроллер 17. В микроконтроллере сигнал преобразуется в кодоимпульсный сигнал, который поступает на усилитель мощности 20. С выхода усилителя мощности сигнал поступает на приборную головку. Для измерения температуры внутри прибора (контроль работоспособности при предельных температурных условиях) служит цифровой датчик ADT7301 21 (устанавливается опционально).
Рис. 5 – Структурная схема прибора 1. Канал измерения температуры, канал термоиндикации притока жидкости, канал измерения давления. В канале термоиндикации притока жидкости первичным датчиком G1 является термодатчик 700-102ВАА-ВОО. В канале измерения температуры первичным датчиком G2 является термодатчик 700-102ВАА-ВОО. В канале измерения давления первичным датчиком G3 является тензометрический датчик давления Р 60. Источники питания стабилизированным напряжением первичных датчиков температуры, термоиндикации, давления размещены на плате аналоговых сигналов ГДИ-7С-03-00-00. На этой же плате размещены нормирующие преобразователи. Электрические сигналы с них поступают на АЦП платы преобразования и передачи сигнала ГДИ-7С-02-00-00. 2. Канал влагомера. В канале измерения влагосодержания первичным датчиком G4 является латунный стержень с фторопластовой изоляцией. На плате аналоговых сигналов ГДИ-7С-03-00-00 смонтирован генератор прямоугольных колебаний и схема сравнения опорной и измеряемой емкостей, питание которой осуществляется напряжением +5 В. 3. Канал локации муфт. В канале локации муфт первичным датчиком G5 является магнитоэлектрическая система, собранная из кольцевых постоянных магнитов и катушки, намотанной на сердечнике из магнитомягкой стали. При прохождении прибором муфт в катушке наводится электрический сигнал, который поступает на вход пикового детектора на плате локатора муфт ГДИ-7С-06-00-00. Напряжение заряда хранится в течение времени, необходимого для преобразования сигнала в цифровой код. С выхода пикового детектора сигнал поступает на вход микроконтроллера. 4. Канал гамма-каротажа (ГК). В канале ГК первичным датчиком G6 является детектор, состоящий из фотоэлектронного умножителя ФЭУ–102 и детектора СДН-16х40. Импульсы напряжения поступают на вход истокового по вторителя, собранного на транзисторе VT1. На плате питания ФЭУ ГДИ-7С-05-00-00 размещен формирователь импульсов, собранный на микросхеме DA2. С выхода формирователя импульсов сигнал поступает на вход микроконтроллера платы преобразования и передачи сигнала ГДИ-7С-02-00-00. На плате питания ФЭУ ГДИ-7С-05-00-00 смонтированы стабилизатор и высоковольтный преобразователь напряжения питания ФЭУ. Преобразователь напряжения выполнен по двухтактной схеме с внешним возбуждением на транзисторах VT1, VT2, трансформаторе Т2 и микроконтроллере DD1. С вторичной обмотки трансформатора напряжение прямоугольной формы поступает на умножитель напряжения питания ГК ГДИ-7С-04-00-00, который собран на диодах VD1, VD2 и конденсаторах C1, C2. На выходе умножителя включен RC фильтр. С выхода фильтра высокое напряжение поступает на делитель R1…R13 и катод ФЭУ. 5. Плата питания ГДИ-7С-01-00-00. Плата питания состоит из стабилизатора постоянного напряжения +27В, преобразователей напряжения +15В и +5В и ключа включения нагревателя термоиндикатора притока. 6. Плата преобразования и передачи сигнала ГДИ-7С-02-00-00. На плате размещены: микроконтроллер, он формирует кодоимпульсный сигнал, АЦП для преобразования аналогового сигнала в цифровой код и усилитель мощности. Алгоритм функционирования прибора можно охарактеризовать как линейно-циклический. Работу прибора можно разбить на два периода: калибровка и непосредственно работа. Калибровка нужна как для снижения погрешности аналогоцифрового преобразования, так и для визуального контроля оператором наличия неисправностей. Во время калибровки проверяется цифровой интерфейс АЦП. Калибровка осуществляется автоматически при включении прибора. 7. Плата аналоговых сигналов ГДИ-7С-03-00-00. На плате размещены: цепи преобразования емкости датчика влагомера в импульсный сигнал, нормирующие усилители каналов температуры, термоиндикации притока и давления, инвертор напряжения +5В в минус 5В. Электрические сигналы от первичных датчиков и нормирующих усилителей поступают на АЦП платы преобразования и передачи сигнала ГДИ-7С-02-00-00. 8. Плата СТИ ГДИ-7С-07-00-00. На плате расположен нормирующий преобразователь DA1 и микроконтроллер DD1. Он защищает термоиндикатор притока от перегрева. 9. Канал измерения расхода (расходомер проходной). Чувствительным элементом расходомера является ИМС с интегрированным датчиком Холла 20 (рис. 1). На выходе микросхемы выдается сигнал, имеющий знаковый сигнал и амплитуду в зависимости от положения магнита, закрепленного на оси крыльчатки. Сигнал с датчика в микропроцессоре расходомера преобразуется в аналоговый сигнал, который подается на АЦП базового модуля. Напряжение питания модуля +5В формируется из напряжения +27В стабилизатором напряжения. 10. Канал измерения расхода (расходомеры РРГ и РПН). Чувствительным элементом расходомера является ИМС с интегрированным датчиком Холла 20 (рис. 1). На выходе микросхемы выдается аналоговый сигнал, имеющий знаковый сигнал и амплитуду в ависимости от положения магнита, закрепленного на оси крыльчатки. Аналоговый сигнал с датчика в микропроцессоре расходомера преобразуется в частотный сигнал, который подается на микроконтроллер базового модуля. Напряжение питания модуля +5В формируется из напряжения +27В стабилизатором напряжения. 11. Канал измерения удельной электрической проводимости (УЭП) (модуль индукционного проходного резистивиметра). Резистивиметр состоит из индукционных преобразователей 21 (рис.1), на выходе которых образуется высокочастотный сигнал с амплитудой, пропорциональной проводимости измеряемой среды. Фазовый детектор 22 (рис. 1) на микросхеме преобразует высокочастотный сигнал в постоянное напряжение, которое усиливается масштабирующим усилителем 23 (рис. 1) и подается затем на аналоговый вход базового модуля. Питание возбуждающей катушки индукционного преобразователя и синхронизация работы фазового детектора вырабатывается высокочастотным генератором прямоугольных импульсов 24 (рис.1) на микросхеме. Питание схемы резистивиметра осуществляется блоком питания 25 стабилизированным напряжением +9В и минус 9В, вырабатываемыми микросхемами из напряжения +27В от базового модуля.
Расчетная частьРасчет основных параметров одножильного бронированного геофизического кабеля Для передачи данных используется одножильный бронированный геофизический кабель марки КГ1-30-180, который предназначен для промыслово-геофизических исследований в скважинах при температуре 180˚С. Токопроводящая жила этого кабеля состоит из одной медной проволоки диаметром 6,3 мм и 6 стальных проволок диаметром 0,5. Изоляция типа Фторопласт Ф-40.
Рис. 6. Одножильный бронированный кабель марки КГ1-30-180 для геофизических работ
КГ1-30-180
Сечение жил кабеля: 6.3 мм 2 Диаметр изолированной жилы: 6,8 мм 2 Длина: l=5 км Разрывное усилие: 30 кН Максимальная рабочая температура: 180 ˚С. Сопротивление жилы: R=34 Ом/км Сопротивление изоляции: R=500 МОм/км Емкость: С=0,2 мкФ/км Индуктивность: L=4,7 мГ/км Волновое сопротивление: Zc=55 ом/км Коэффициент затухания при частоте f=30 кГц β=0,64 Нп/км Коэффициент затухания при частоте f=50 кГц β=0,93 Нп/км Диэлектрическая проницаемость изоляции: ε=
Расчет основных параметров передачи кабельной сети Электрическое сопротивление токопроводящих жил. При использовании современной каротажной аппаратуры качественное проведение работ обеспечивается при электрическом сопротивлении цепи не более 250 Ом. Таким образом, критерием работоспособности кабеля является условие R ж ≤ 250 Ом (1)
Величина R ж определяется по формуле: (2) где – сопротивление жилы при температуре 20 ˚С, ом/км; Tk –температурный коэффициент сопротивления, град -1 (для медной проволоки Tk=0,004); – геотермический градиент (в среднем = ); L – глубина скважины, км.
Емкость коаксиального кабеля (3) Где – диэлектрическая проницаемость материала изоляции при температуре +20˚С (для фторопласта 2); – температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, (для фторопласта 0,0018)
Сопротивление изоляции подсчитываем с учетом воздействия температуры. (4) где - температурный коэффициент сопротивления, (для фторопласта =0,085)
Как видно из вычислений значение сопротивления изоляции в скважине соизмеримо с величиной сопротивления изоляции на поверхности и представляет собой десятки Мом. (5)
Проводимость изоляции жил обратно пропорциональна сопротивлению, следовательно, может быть найдена по формуле
Расчет вторичных параметров передачи кабельной сети Волновое сопротивление может быть определено экспериментально по результатам измерений входных сопротивлений кабеля в режимах холостого хода и короткого замыкания (6) С увеличением частоты тока волновое сопротивление монотонно убывает, начиная с частоты f≈20 кГц остается практически постоянным. Затухание измеряется в неперах (Нп) или децибелах (дБ) на 1 км. Затухание, соответствующее 1 Нп, происходит в кабельной линии длиной 1 км, у которой ток и напряжение в начале линии больше по величине, чем ток и напряжение в конце линии в 2,718 раза. Затухание в децибелах рассчитывается по формуле: (7) где l – протяженность кабельной линии, – напряжение, ток и мощность в начале кабельной линии, а - напряжение, ток и мощность в конце кабельной линии.
Расчет пропускной способности канала связи Проведем расчет пропускной способности реального канала связи используемого в геофизике. Связь организованна с помощью кабеля ГК1-30-180, который имеет следующие характеристики: - сопротивление R = 34 Ом/км. - емкость С = 0,2 мкФ/км. - протяженность l = 5км. Длительность посылки по геофизическому кабелю: (8) Спектральная плотность помехи: (9) Мощность сигнала на выходе приемника: (10)
Решение: Используя (8) найдем полосу пропускания канальных фильтров: (11) (12) Отношение сигнал/шум определяется соотношением: (13) Подставив в выражение (13) значения (9),(10),(12) получим отношение сигнал/шум: q=1.372 (14) Определим вероятность появления ошибки на выходе приемника при когерентном приеме сигнала [3]: (15) Найдем аргумент функции: По таблице находим значение функции Крампа при данном аргументе: Ф=0.994817 (16) Подставив в (15) найденное значение (16) получим значение : (17) Вероятность ошибочного приема символа кодовой комбинации, состоящей из – разрядной комбинации, при трехразрядном повторении и посимвольном сравнении не превышает величины, определяется из выражения: (18) где – вероятность ошибочного приема единичного элемента,= 17. При поразрядном сравнении принимаемых символов состоящих, из бит, вероятность ошибочной регистрации кодовой комбинации при трех кратном повторении: (19) (20) Для увеличения помехоустойчивости передаваемых сообщений используется код с проверкой на четность. Код с проверкой на четность - один из простых кодов, позволяющий обнаруживать одиночные ошибки. Он образуется путем добавления к передаваемой комбинации, состоящей из k информационных символов неизбыточного кода, одного контрольного бита так, чтобы общее количество единиц в передаваемой комбинации было четным. В итоге общее количество элементов в передаваемой комбинации n=k+1. На приемной стороне производят проверку на четность. При четном числе единиц предполагается, что ошибок нет, и потребителю выдается k бит, а контрольный бит отбрасывается. Вероятность необнаруженных ошибок для кода с проверкой на четность зависит от длины блока n и вероятности ошибочного приема единичного элемента . Определим избыточность кода. k = 17 – число символов в помехоустойчивом коде; n = 16 – число символов без избыточности. Найдем число ошибочных комбинаций: (21) N=17 (22) Найдем вероятность необнаруженной кодом ошибки при независимых однократных ошибках: (23) (24) Однородный симметричный канал связи полностью определяется алфавитом передаваемого сообщения, скоростью передачи элементов и вероятностью ошибочного приема элемента сообщения P(вероятностью ошибки). Определим пропускную способность канала: (25) В частном случае для двоичного канала (m = 2) получим выражение: (26) (27) (28) В результате пропускная способность геофизического кабеля составляет ≈ 100 Кбод.
Экспериментальная частьСуть работы состоит в моделировании и исследовании прохождения кодированного сигнала через имитированную линию связи (имитатор кабеля), при скорости передачи 80 кбод. Моделирование осуществлялось с помощью электронной лаборатории на ЭВМ "Electronics Work Bench 5.0". Посредством простого интерфейса в программу водилась схема исследуемой установки и производилось моделирование с интерпретацией результатов в графическом виде. Все исследуемые схемы приведены в приложении. Сначала необходимо было смоделировать кодированный сигнал. Результаты моделирования представлены на рис.7. В реальности передача сигнала по кабелю осуществляется пачками через интервал времени. Для генерации кода использовался программный 16 разрядный генератор слова, который с определенной длительностью выдает 0 или 1. Длительность синхроимпульсов соответствует частоте F=26.7кГц, импульсы двойной длительности соответствуют частоте F=40кГц, импульсы одинарной длительности соответствуют тактовой частоте F т =80кГц или скорости передачи информации. Преобразование выходной последовательности с генератора слова в двуполярный код «Манчестер II» осуществляется через схему приведенную на рис.8.
Рис.7.
Рис.8. Далее полученный кодированный сигнал должен проходить через имитатор кабеля. Простая электрическая схема эквивалента кабеля представленная на рис.9.
Рис.9. Как видно из рисунка имитатор кабеля представляет собой каскадное соединение RC цепочки, где каждый каскад соответствует 1км реального кабеля. Понятно, что в данном случае имитатор представляет ничто иное, как фильтр. На рис.10 представлены АЧХ и ФЧХ смоделированного имитатора кабеля.
Рис.10
ЗаключениеВ данной курсовой работе был рассмотрен комплексный программно-управляемый скважинный прибор модульного типа ГДИ-7С, который предназначен для для гидродинамических исследований нагнетательных и эксплуатационных скважин при контроле за разработкой нефтяных месторождений. Для него был произведен расчет основных параметров геофизического кабеля. Каротажный геофизический кабель относится к типу кабельных линий передачи информации от скважинных приборов к каротажной станции и передачи управляющих сигналов на скважинные приборы. Пропускная информационная способность каротажного кабеля определяет скорость каротажа, особенно в комплексных методах ГИС. Однако кабель является не только электрической линией передачи информации, но и тросом с большим разрывным усилием, несущим скважинные приборы в химически- и механически агрессивной среде скважин. По существу, это кабель-трос специального технологического назначения, работающий в широком диапазоне температур (от минусовых на поверхности до 100-150 и более градусов на больших глубинах), что накладывает ограничения на его характеристики, как линии связи. Реальная скорость передачи информации (бит/с) современных кабелей в зависимости от их длины ограничиваются диапазоном до 10-100 кГц, что начинает существенно сдерживать развитие технологий ГИС. Также было смоделировано и исследовано прохождение кодированного сигнала через имитированную линию связи (имитатор кабеля). В графической части представлен базовый модуль прибора ГДИ-7с.
Список литературы1. Н. Н. Алаева, методические указания по выполнению курсовых работ «Телеизмерения при исследовании скважин», Альметьевск: тип.АГНИ, 2010. 2. Паспорт и руководство по эксплуатации ГДИ-7С-00-00-00 ПС, Бугульма, 2011. 3. Аппаратура и оборудование для геофизических исследований нефтяных и газовых скважин: справочник – М.: Недра, 1987г. 4. Габдуллин Т.Г., Техника и технология оперативных исследований скважин, Казань: Плутон, 2005. 5. М. В. Максимов, Телеизмерительные устройства. ГЭИ, 2001г. Похожие статьи:
|
|