随钻测斜仪研究与实现

2013-04-16 10:45

电子世界 2013年13期

1.引言

随着现代钻井工程中高难度定向井、丛式井越来越多，随钻测斜仪作为定向测量工具在现代钻井工程中的重要性表现得更加井斜测量的主要内容就是井斜角和井斜相对方位角的测量。本文提出了一种基于单片机与CAN总线的随钻测斜仪突出。及其信号采样、传感器数据补偿程序的实现。CAN总线具有传输速率快、传输稳定、容量大，是国际上应用最广泛的现场总线之一，其性能能够很好地满足测井站的实际要求[2]。

2.硬件结构

测斜仪由井下部分和地面部分组成，井下仪器完成倾斜角、方位角的测量，通过CAN总线把测量数据实时地传递到地面，地面系统对井下传上来的信息进行接收、处理、显示等。随钻测斜仪的井下传感器采用3轴加速度计和3个磁通门构成，加速度传感器用于感知井斜信息，方位信息由磁通门测得[1]。在时序电路控制下，井下多个传感器信号经多路开关切换至A/D变换器，转换后的数字信号经MCU封装成报文，然后送到CAN总线上传输，井上设备接收CAN总线送来的数据，依据数学模型计算出井斜角和方位角等信息，并描绘井眼轨迹曲线，最后进行显示和保存等。测斜仪的系统框图如图1所示。

2.1 磁通门传感器

磁通门传感器是测量地磁场强度、井眼方位、磁性工具面和地磁倾角的重要原件，利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，它的磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的强度[5]。本系统采用Honeywell公司的HMC1052双轴线性磁性传感器，它具有低功耗、高精度、高性能等特点，采用10脚MSOP封装形式，供电电压1.8V-20V，每个器件内集成了两个惠斯电桥，每个可以独立上电，以减少功耗。监测磁场范围达±60Gauss，灵敏度达1.0mv/v/gauss，正交双轴感应误差＜0.01°，且灵敏度互相匹配，消除了指向误差。片内集成了霍尼威尔公司取得专利的置位/复位技术，因而可以减少温度漂移、非线性及在高磁场环境中对输出信号造成的影响，片内偏置电路则可消除磁场失真的影响。HMC1052的电路原理图如图2所示[4]。

2.2 加速度传感器

加速度传感器一般由质量块、敏感元件、弹性构件构成，其基本工作原理是[7]：当被测物体产生加速度时，加速度传感器中的质量块产生惯性力，在惯性力的作用下，连接质量块的弹性构件产生形变，敏感元件检测出形变大小，形变大小与加速度是成比例的，从而间接测出了物体运动加速度的大小。本系统采用Freescale公司MMA7260低成本微型电容式三轴加速度传感器，具有低功耗、高灵敏度、快速启动、体积小等特点，提供可选灵敏度（1.5g/2g/4g/6g），在1.5g时灵敏度高达800mv/g，工作电压2.2V-3.6V，功耗低至500uA，休眠模式时仅3uA，启动时间200ms，采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，稳定好、防震能力强。MMA7260的电路原理图如图3所示[6]。

2.3 其它电路

本系统的主控芯片采用NXP公司的P89V51RC2微处理器，其它主要芯片有AD977、8选1模拟开关CD4051，CAN控制器SJA1000、CAN收发器CTM1050组成，由传感器采集到的模拟信号经INA128放大后，通过CD4051选通一个信号，经过OP07实现阻抗匹配后送入AD977进行模数转换，转换结果送至MCU，然后送至CAN模块进行传输。MCU与AD977的通讯采用SPI协议，P89V51RC2电路原理图如图4所示[8]，图5为CAN控制器、收发器电路[3][9]。

3.软件设计

图1 系统框图

图2 磁通门传感器的电路原理图

图3 加速度传感器的电路原理图

图4 单片机的电路原理图

系统软件设计主要包括三大部分：信号采样、传感器补偿、滤波，实时数据采集系统为了消除传感器通道中的干扰信号的影响常采用滤波技术，RLC网络是常见的硬件滤波，采用软件实现的数字滤波常见的有中值滤波、算数平均滤波、去极值平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波、低通滤波等。本系统采用的是中值滤波法，连续采样N次（N为奇数），对这N次结果进行大小排序，取其中间值。其优点是能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。