测井深度测量系统

计量技术 2003 No 4
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四 、上位机主控软件
上位机软件是在 Visual C ++6.0 集成环境下 开发而成 , 该软件包括视频图像采集 、处理 , 温度 、深 度数据采集 、校正 , 图像合成 、存储显示及与下位机 进行串行通信等功能模块 。
上位机得到前置模块上传的深度数据(电缆施 放长度)计数值后对电缆长度 的伸长量进行补 偿 。 在要求不严时忽略电缆受温度影响的伸长 , 而对电 缆长度乘上一固定值进行补偿 , 该值为经验值 , 由人 工给出 。 该值在电缆上提 、下放及静止时均不同 , 需 分别设定 , 在程序中根据电缆施放长度的变化情况 判断其状态选择合适的补偿系数进行补偿 。
图3
图 4 即为采用上述原理消除抖动干扰的电路 图 。 电路中 MC14538 为双精密可重触发单稳态触 发器 。该器件工作时每一个触发器可单独外接一对 电阻 Rx 和电容 Cx , 调节 Rx 和 Cx 的数值可得到两
个不同宽度的单稳脉冲 。 输出 CL K 为计数触发时 钟信号 , U/D 端为光电编码器的方向状态信号 , 用 于判断码盘的旋转方向 。
3.去抖原理 增量式光电码盘无记忆能力 , 并且由于其码盘 精度很高 , 对光电编码器轴系引起的抖动干扰非常 敏感 , 若其输出脉冲的计量方法缺乏有效的抗抖动 干扰能力 , 则检测结果与实值之间将会存在很大误 差 , 且误差值随机变化 , 从而使系统的检测精度大大 低于其应有的固有分辨力 。 分析可知 , 影响计量精度的抖动干扰是由于光 电码盘转动时由于转轴转动不稳引起的 , 主要表现 是透光窗边沿附近发生的小幅度晃动 , 引起干扰脉 冲 。图 3(a)给出了光码器正转时 B 相脉冲信号在 下降沿和上升沿发生抖动的波形 。 图 3(b)给出了 A 相脉冲信号在上升沿和下降沿发生抖动输出的时 序波形 。由图 3 可知 , 抖动干扰信号两个跳变沿时 刻所对应的另一相脉冲信号的电平值总是一致的 , 因此 , 可以利用 D 触发器将两跳变时刻所对应的另 一相脉冲的逻辑电平寄存起来 , 并在计数时刻进行 比较 。若一致则为干扰信号 , 计数器停止计数 ;若不 一致则为正常工作信号 , 计数器进行正常计数 , 从而 消除抖动引起的重复计数现象 , 实现高精度计量 。
计数脉冲所对应的在码盘上的检测距离为两个透光
窗宽度 , 即计量精度仍为编码器的固有分辨力 。
4.深度测量原理
每个输出脉冲所代表的测井电缆的线位移量可
用下式表示 :
d =L / N =2πR/ N
(1)
式中 , L 为传动辊周长 ;R 为传动辊半径 ;N 为 光栅盘的线数 。在此处选用的编码器输出脉冲所代
2.深度数据的采集处理过程 光电编码器的输出去抖后 C LK 作为计数触发 时钟信号脉冲接至单片机的外中断 0 处 , 在中断服 务程序中 , 通过检测光电编码器的方向状态信号 U/ D 端 , 对深度计数寄存器进行加减操作即可 。 该数 据由式(1)换算后得到施放电缆的长度 , 由通信程序 上传至上位机进行电缆长度补偿处理 , 得到实际深 度值 。
[ 2] 朱灿焰 .增量式光电编码器克服抖动干扰的方法 .华东交通大 学学报 , 1997, 14(1):1 -5
[ 3] 林其 伟 , 冯桂 .测井 电 缆的 拉 伸校 正 .江 汉 石油 学 院 学报 , 1994 , 16(增):37 -40
[ 4] 王理等 .电视 测井 中的 图像 处理 问题 .物 探 化探 计算 技术 , 2000 , 22(3):238 -244
图4
假设在图 4 所示电路 A 、B 端输入图 3 所示的
信号 A 、B 。 在该输入信号作用下 , 抖动所引起的时
序脉冲均被抑制掉了 , 只有单方向位移所对应的脉
冲信号才产生计数脉冲输出 , 完全消除了抖动的干
扰 。 此电路中只利用了两相脉冲的四个跳变沿中的
一个(B 相脉冲的上跳沿)产生计数脉冲 , 相领两个
二 、数据采集部分的单片机实现
1.单片机接口电路 前置模块中的单片机完成深度数据的采集 , 同 时向 上 位 机 发 送 测 量 数 据 。 该 部 分 的 硬 件 由 AT89C52 单片机 、看门狗 电路 IM P813L 、RS —232 与 T T L 电平转换电路 ICL232 组成 。 深度测量脉 冲信号经过施密特触发器整形后送给图 4 所示电路
三 、误差分析与校正
在电缆长度测量过程中排除了轴系回抖对光电 编码器的计数造成的误差后 , 仍然有一些因素直接 或间接地影响着深度测量的测量精度 。
1.光电编码器传动辊打滑 、磨损引起的误差 测井电缆外层由钢丝铠甲保护 , 当其与光电编 码器传动辊之间摩擦不足时 , 会产生打滑现象 , 使深 度测量产生一次性误差 。 而在长期使用后当光电码 盘传动辊外径磨损时使其周长发生变化 , 每个脉冲 所代表的位移量也发生了变化 , 从而引起深度测量 的积累性误差 。 对于传动辊外径的磨损误差可通过 对设备经常进行校验来减小 。 传动辊的打滑现象则 无法通过校验来完成 , 只能通过减少该情况的发生 来解决 。 对于测量要求严格的系统则可结合测井图 像按下述方案来解决 :由于通常同一口油井的井壁 是用长度已知的特制套管 , 用连接箍连接而成 , 可在 对光电编码器输出脉冲计数的同时 , 使用套管的连 接箍的图像对摄像头位置进行定位 , 修正光电编码 器所测量的长度 , 即可达到很高的精度 , 并且此方法 不产生累积误差 。 2.计数误差 可逆计数器对光电编码器输出的脉冲进行计数 时会产生计数误差 , 这种误差通常为 ±1 个计数误差 , 它是不可消除的但不产生积累误差 , 因此计量时可 不考虑 。 3.光栅的累积误差
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此判断出光电编码器的运动方向 。 若为高电平 , 则 认为光电编码器正转 , 计数器加 1 , 若为低电平 , 则 认为光电编码器逆转 , 计数器减 1 。在理想情况下 , 该种方法均能准确给出光电码盘的光栅转过角度的 相对位移值 , 其最大相对误差为一个信号周期所对 应的距离 , 即计量精度为码盘光栅所决定的固有分 辨力 。 本文采用的光电码盘的分 辨力为 1.28m m , 可忽略不计 。
关键词 石油测井 光电编码器 深度测量 误差校正
在井下可见光成像作业中 , 为确定检测部位在 井下的位置 , 须对摄像 机的位置予以 准确的定位 。 定位方法是测量作业时施放的测井电缆长度 , 通过 计算即可得到井下摄 像机所处的位 置 。 我们采用 SBDM32 -1 型测井深度测量器测量电缆长度 , 其内 部为一增量式光电编码器 , 测量时将测井电缆绕在 传动辊上 , 光电编码器的光码盘与传动辊同轴 , 这样 光电编码器的输出脉冲数就对应于测井电缆的线位 移量 。对光电编码器的输出脉冲信号予以计量就可 得到电缆的长度信息 , 进而得到摄像机在井筒中的 准确 位 置 及 深 度 。 测 量 深 度 分 辨 力 能 够 达 到 1.28mm , 完全满足测井技术要求 。
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石油测井深度测量系统
冯林 吴超 吴振宇
(大连理工大学创新教育实践中心 , 大连 116024)
摘 要 介绍石油测井深度测量系统的测量原理 、电 路分析 , 详细分析了系统误差 产生的原 因及校正方 法 , 在 Visual C ++6.0 集成环境下开发出上位机主控软 件 , 可对深度 、温度等参数进行显示 、校正 。
高 。 为了判别旋转的方向 , 增量式光电编码器 A 、B 两相矩形脉冲输出相位差为 90 度 。如图 2 所示 , 当 A 相相位超前 B 相 90°时 , 表示码盘正转 , 反之码盘 即为反转 。 精确计量 A 、B 两相脉冲信号的输出脉 冲数 , 就可得到编码器所检测的绝对位移量 。
图1
图2
2.光电编码器的计量方法 基本计量方法是使用一组双向可逆计数器 , 根 据 A(B)相脉冲信号上升沿或下降沿时刻所对应的 B(A)相脉冲信号的逻辑电平值进行计数操作 , 并由
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由于采用单片机系统 , 该系统的工作频率设置 比较高(11.0592M Hz), 对于光栅的 脉冲计数 非常 准确 , 基本上不存在累积误差 。
4.轴系误差 由于采用了光电码盘轴系误差去抖措施 , 不存 在轴系误差 。 5.电缆变形产生的误差 在实际进行测量时测井电缆在井内受自重 、浮 力 、摩擦力 、压力及温度变化等的影响 , 会导致电缆 拉伸引起测量误差 , 为此必须对该过程予以考虑进 行补偿 , 否则在深度较大时深度的测量将会出现较 大的误差 。可根据电缆所受的负荷(包括电缆自重 、 电缆在井液中的浮力 、仪器重量 、附加摩擦力等)计 算出电缆的弹性变形量加以修正 。
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进行去抖 , 该电路输出脉冲 CLK 即送给单片机外部 中断 INT O , 同时通过判断 U/ D 端的电平来决定当 前位移的方向 。单片机 AT 89C52 的 RXD 、T XD 通 过 ICL232 与 计 算机 串口 进 行通 讯 , 看门 狗 电路 IMP813L 对单片机程序进行监控 , WDI 为清看门狗 控制端 。
表的线位移量 d =1.28mm 。 测井中计数所能达到
的脉冲个数最大值可由下式求得 :
n =D/ d
(2)
式中 , D 为电缆长度 , d 为每个输出脉冲 代表 的线位移量 。 系统中测井电缆的长度约为 3300m ,
光电编码器的输出脉冲总数最大值
n =D/ d =3300/ 0.00128 =2578125
一 、深度测量原理
1.光电编码器测量原理 光电编码器是一种将角位移转换成对应数字代 码 , 集传感器和模数转换于一体的数字式测角仪 , 又 称光电码盘 , 可直接用于测量角位移和角速度 , 间接 用于测量直线位移和直线速度 。增量式光电编码器 主要由光源 、编码盘 、接受电路和整型放大电路等单 元组成 , 原理见图 1 。 光电编码器的光源部 分由 3 只红外二极管组 成 , 接收电路中的接收单元由 3 只光电三极管组成 , 与前者一一对应 , 编码盘由主光栅和指示光栅组成 。 发光二极管发出的红外光经过编码盘照射到光电三 极管上 , 当主光栅旋转时 , 形成光闸莫尔条纹 。光电 三极管接收到这些明暗交替的光电信号 , 经放大整 形后 , 输出矩阵脉冲 。 每一输出脉冲代表某一角位 移 , 其分辨力由光电编码器的线数(每周的线数)决 定 , 当周长固定时 , 线数越多其线 位移分辨力也越