鉆井多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

1、-. z1 緒論1.1 本課題的研究意義鉆井工程儀表的重要意義在復雜層段和新探區(qū)，憑經歷打井往往事故不斷，造成資金和時間的巨大浪費。而鉆井參數(shù)監(jiān)測儀提供了豐富的鉆井工程信息，不僅可對鉆井工況及有關參數(shù)進展實時監(jiān)測，而且可及時預報可能出現(xiàn)的復雜情況和鉆井事故，從而為鉆井工程技術人員的現(xiàn)場決策提供了可靠的實時資料。提高了鉆井平安性。鉆井參數(shù)監(jiān)測儀檢測異常地層壓力，掌握了比擬準確的地層壓力資料，就可以正確地選用鉆井液密度和適當?shù)奶坠艹绦颍瑢崿F(xiàn)平衡鉆井，防止油層污染，保護產層。在鉆井過程中，監(jiān)視鉆井液總體積、立管壓力、轉盤扭矩等參數(shù)及其異常各類工程事故，實現(xiàn)平安作業(yè)。提高鉆井效率，降低鉆井本錢。應用鉆

2、井參數(shù)監(jiān)測儀資料，可以選擇合理的鉆井液密度、套管下入深度、鉆頭類型、確定最優(yōu)化鉆井技術措施，提高鉆壓傳遞效率，選擇最正確起鉆時間，以及日常工程事故預報，從可以縮短建井周期、降低鉆井本錢，提高了鉆井效率。提高了鉆井作業(yè)的自動化程度和數(shù)據(jù)可信度。鉆井參數(shù)監(jiān)測儀配置有各種精度高、可靠性好的傳感器，大大豐富了它的功能?？梢栽诰€連續(xù)測量的參數(shù)很多，又采取集中監(jiān)測、顯示和記錄，從而大大方便了鉆井作業(yè)中各種參數(shù)的綜合評價和應用。隨著電子根底產品的性能不斷提高，儀器得到足夠的硬件、軟件支持，有效利用率可達90%。獲取的鉆井信息量大，提高了鉆探井的可觀測性和可控制性。傳統(tǒng)的鉆井作業(yè)，各工種分工很細，各類參數(shù)(鉆

3、井參數(shù)、鉆井液參數(shù)、氣體參數(shù)、地質參數(shù)、井身參數(shù)等)通常由幾個作業(yè)面分別測量和記錄，因此，鉆井新技術需要對它們進展相關分析和綜合評價十分不便，尤其是許多參數(shù)采用人工離線測量讀數(shù)，準確性和實時性差，數(shù)據(jù)處理能力弱，致使鉆井軟科學和地質評價的先進成果難以應用。鉆井參數(shù)監(jiān)測儀的各種配備了微型計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，實時采集的功能很強，又可以通過系統(tǒng)配置的各種應用軟件完成鉆井工程CAD和成果解釋，可以實時打印、屏幕顯示、記錄和回放各種數(shù)據(jù)和資料，直接指導鉆井施工作業(yè)。便于實現(xiàn)井場信息的網絡通訊，推廣應用各種專家系統(tǒng)，提高油氣藏早期評價能力。鉆井信息的獲取、處理和共享，是當前進一步提高鉆井效率，降低鉆井

4、本錢的關鍵。建立計算機網絡和數(shù)字通訊，是我國石油勘探開發(fā)中推廣應用計算技術的容。鉆井參數(shù)監(jiān)測儀作為井場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實現(xiàn)作業(yè)點與油田中心站有效的通訊聯(lián)系，共享油田中心站擁有的軟件資源，對地層特性和油氣構造進展早期預測和評價，指導鉆井施工，及時預報和發(fā)現(xiàn)異常情況，保證鉆井作業(yè)順利進展。 = 6 * GB3 有利于整個鉆井過程的科學化、實時化和網絡化。油氣井大多在交通不方便的野外，井隊主管部門和有關上級部門的領導和技術人員要了解鉆井進度和工況很不方便。本系統(tǒng)提供了Modem對連方式，通過部線撥號上網，處于不同地理位置的井隊主管部門和有關上級部門可及時掌握鉆井現(xiàn)場的情況，從而及時進展科學指導。 =

5、 7 * GB3 為國家節(jié)約大量外匯目前我國不少井隊使用的鉆井監(jiān)測系統(tǒng)是從美國馬丁和加拿大的DATALOG等公司引進的，價格昂貴，每套約130萬元，比我們自行開發(fā)的這套系統(tǒng)貴60萬元(近1倍)。顯然，假設系統(tǒng)得到成功的推廣應用，可大大減少引進，為我國節(jié)約大量外匯。 = 8 * GB3 可提高我國鉆井參數(shù)儀表的技術水平，占領國市場，打入國際市場。本系統(tǒng)由于在參數(shù)測量數(shù)學模型上有很大改良，再加上采用客戶/效勞器、現(xiàn)場總線、數(shù)據(jù)庫等技術，使系統(tǒng)的技術水平處于國領先并趕上了世界先進水平，為系統(tǒng)占領國市場，打入國際市場創(chuàng)造了很好的條件。1.2鉆井工程儀表的研究現(xiàn)狀 鉆井工程儀表的開展歷史 鉆井工程有著悠

6、久的歷史，它的開展過程及技術特征根本可分為兩個時期。頓鉆時期 最古老的鉆井方式是頓鉆。其技術特征是：用重的鉆頭，靠重力沖擊巖石，使之破碎；而后起出鉆頭，下?lián)粕巴矒粕?；如此反復地操作，使井加深。當井下遇到復雜情況時，下入套管，而后再沖、再撈；直至鉆達目的層，下入套管后完井。由上可見，頓鉆時期，破碎巖石和去除巖屑是明顯的兩個不同的工藝過程，當時人們還不懂得洗井，是一個無儀表的時期，司鉆本人靠耳聽、目睹、嗅覺、感覺等進展直接監(jiān)測鉆井情況；一切工作全憑經歷判斷，由于鉆井效率極低，對付不了流砂層等，其不得不被旋轉鉆井工藝所取代。旋轉鉆井時期 由旋轉鉆井概念的形成開展到今天的鉆井水平，經歷了八十多年的歷史

7、，從美國鉆井工藝開展過程來看，其間可分為四個開展階段。1)概念形成階段(19001920年) 旋轉鉆井的原理啟蒙于1900年，在美國的Mpindletop地區(qū)，曾用頓鉆打井，由于流砂層的坍塌。井眼無法加深下去，無意間用攪混的泥漿灌入井眼，結果坍塌現(xiàn)象明顯減輕，使井得以加深下去。由此得到兩個啟發(fā)：a.粘土渾濁液，可以減輕坍塌現(xiàn)象；b.渾濁液可以帶出局部巖屑，從此開場把鉆井和洗井兩個工藝結合在一起。1908年，Hughes公司開場研制旋轉鉆井用的鉆頭刮刀鉆頭。1904年1910年間，哈里波頓公司(Halliburton)開場用水泥封固套管的工藝。1914年1916年間，National lead

8、co.開場研究泥漿。大體在1920年左右，形成了完整的旋轉鉆井概念。在此之間，由于井斜造成事故，導致地下產權的糾紛；所以要求測井斜，于是1920年前后，產生了第一個虹吸測斜儀。 2) 緩慢開展階段(19201948年)這階段的技術特征，是給鉆機配備了較強的動力；研制出了各種類型的刮刀鉆頭和牙輪鉆頭；改善了固井的工藝；有了專用的泥漿。在儀表方面(19251936年間)，一系列的根底儀表陸續(xù)地研制出來，如美國馬丁戴克公司(Martin Decker Co.)于1930年前后就拿出了用于現(xiàn)場的指重表(1926年)、泵壓表、轉速表等，直至今天，該公司的鉆井儀表在鉆井界仍有相當?shù)牡匚弧４穗A段由于只知道打

9、井拿油，不重視鉆井科學的研究工作，在美國也延續(xù)了28年的漫長時間。 3) 科學化階段(19481968年) 這階段的主要技術特征是大力開展了鉆井的科學研究工作。采用了水力噴射的原理，有效地改良了鉆頭,如鑲齒,封密軸承,噴咀等三合一鉆頭；改善了泥漿工藝,如選用低固相，無固相，不分散體系等，在弄清楚每個影響鉆進效果的因素之后，歸納和開展成了最優(yōu)化鉆井工藝。與此時期工藝開展需要相適應的鉆井儀表從單一儀表開展成了成套儀表，將多種參數(shù)的儀表聚集在一起，采用多筆記錄，以備分析和作為下一口井設計的借鑒，如美國MartinDecker公司的八參數(shù)儀就屬此例。這個階段的經濟效益十分顯著，二十年來,盡管每口井的總

10、本錢是逐年上升的(二十年間上長了14%),但進尺本錢是逐年下降的(同時期下降了7%)。 4) 自動化階段(19701989年) 本階段的主要技術特征在于采用自動化鉆機；采用液動、氣動、自動閉鎖、自動維持壓力、采用自動化的泥漿管理(固相控制、壓力控制)；閉環(huán)計算機操作(用計算機控制執(zhí)行機構的操作)；鉆井參數(shù)的全面控制(主要的技術參數(shù))；全盤方案鉆井(統(tǒng)一考慮鉆井中每個細小工作，由開鉆到完鉆，按方案執(zhí)行)。與此階段相適應的儀表已由一般的現(xiàn)場式(基地式)儀表開展為全計算機控制的完整的儀表系統(tǒng)，它不但能提供理想數(shù)據(jù)，還能將檢測、記錄到的數(shù)據(jù)進展分析或思考。其測量的參數(shù)圍也不僅限于工程參數(shù)，還包括一些氣

11、測參數(shù)。由以上講的旋轉鉆井的四個開展階段不難看出，鉆井工藝是朝著最優(yōu)化和全盤方案的方向開展的；鉆井設備是朝著閉環(huán)自動控制方向開展；鉆井儀表也由現(xiàn)場人員耳目朝著高層次的參謀部開展，同時也可以看出，隨著鉆井工藝本身的開展，鉆井儀表已不再是可有可無的助手，而是必須予以高度重視的重要環(huán)節(jié)，是一直接關系到整個工藝是否能順利向前開展的關鍵。 5) 智能化階段但隨著90年代石油工業(yè)的開展及各種高新技術的出現(xiàn)，人工智能技術逐漸被引進到鉆井行業(yè)，從而產生一個全新的概念：人工智能鉆井，即運用最新最先進的人工智能鉆井技術與裝備，為找到更多的油藏和提高油井產能效勞，這就是廣義的人工智能鉆井(狹義的人工智能鉆井是指鉆井

12、自動化或稱全自動化鉆井作業(yè))的含義。它幾乎包括石油科學的整個體系，從石油地質、物探、測井，到鉆井、采油、油藏工程以及機械、自動化、計算機等專業(yè)在線地聯(lián)合起來，組成一個有機的整體協(xié)同作戰(zhàn)。其主要過程為：由地質和物探部門提出地質條件和油藏的物理特性描述，組成特定的人工智能鉆井專家系統(tǒng)，在先進的鉆井測控技術支持下，利用當前較為成熟和正在開展的5W(MWD、LWD、SWD、PWD、FEWD)作為手段，結合導向鉆井及井下閉環(huán)控制技術，在鉆進過程中實時地隨鉆隨測控(隨鉆測量各種參數(shù)，隨鉆測井，隨鉆地震)，及時地把井眼周圍及鉆頭前方的各種地質、地層、環(huán)境信息以及鉆進狀態(tài)等數(shù)據(jù)采集進井下計算機，結合事先的地質

13、勘探資料，進展智能判斷，從而發(fā)現(xiàn)目標油氣藏，并準確確定其位置、大小、形態(tài)、厚度、及走向，以獲得最大產能為目標函數(shù)，優(yōu)化各種工藝參數(shù)，自動鉆進尋找最正確軌跡穿過油氣層，完成鉆進任務。并給出初步的最正確采油方式和油藏描述的結果，以及實際的井眼軌跡和各段井眼狀態(tài)。而且鉆進時就可以直接取得最接近實際情況的第一手資料，而這在過去是根本不可能實現(xiàn)的。1.2.2 國研究現(xiàn)狀國在有關鉆井參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的研究中，文獻9開發(fā)的是一種可連續(xù)監(jiān)測、記錄、修正地層可鉆性指數(shù)(指數(shù))的監(jiān)測儀，該監(jiān)測儀可同時隨鉆繪制指數(shù)、鉆壓、泥漿密度以及泵壓條曲線，其硬件電路由測量儀表、電子電路、單板計算機、繪圖機及電源等局部組成。文獻2

14、開發(fā)了一種鉆井參數(shù)測試儀，該儀器可測試轉盤轉速、泵沖、大鉤高度、懸重、立管壓力、扭矩等直測參數(shù)和鉆壓、鉆時、井深、鉆頭累計進尺、累計工作時間、鉆井泵累計工作時間、接單根時間等間接測量參數(shù)，該測試儀的功能主要是上述參數(shù)的測試和顯示。文獻11開發(fā)的鉆探微機多功能監(jiān)測系統(tǒng)由電源、各類傳感器、接口電路、工業(yè)現(xiàn)場控制微機、熒光屏、打印機(或繪圖儀)、磁帶機等系統(tǒng)組成，系統(tǒng)可實時采集、監(jiān)測與顯示(1次秒)鉆壓、鉆速等9個鉆探參數(shù)，可同時顯示其中的16條回次過程曲線，對鉆壓、鉆速等5個主要參數(shù)可設置上、下報警限，超限時以聲光報警，可輔助打印班報表。文獻10的鉆井參數(shù)儀采用光柵、微處理機技術以及發(fā)光二極管型陣

15、列模擬顯示和數(shù)字顯示方式來實現(xiàn)鉆進參數(shù)的監(jiān)測，六個主要鉆進參數(shù)的測量精度為4。文獻13的鉆探微機智能監(jiān)測系統(tǒng)可隨機監(jiān)測和記錄鉆壓、扭矩等9個鉆進參數(shù)，繪制46條回次過程曲線。文獻14是江漢石油儀器廠開發(fā)的鉆井八參數(shù)儀。文獻15是神開科技工程開發(fā)的鉆井工程參數(shù)儀，由各種專用傳感器、通訊串口、數(shù)據(jù)處理單元、前臺工控機、實時彩色打印機、防爆接線柜、數(shù)據(jù)處理軟件等組成，該儀器實現(xiàn)了表盤與數(shù)字顯示的統(tǒng)一，可顯示多種參數(shù)。文獻16是荊鵬軟件開發(fā)2000年最新開發(fā)的鉆井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用WINDOWS風格操作界面，效勞器采用586以上工控機，可通過計算機局域網連接CRT監(jiān)視器，具有參數(shù)采集、動畫顯示、

16、實時打印報表回放、參數(shù)異常報警、實時報表、實時繪圖等功能，數(shù)據(jù)管理采用文件管理方式。文獻9是煤田地質局開發(fā)的鉆井參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，可實時自動檢測和記錄、顯示孔深、鉆壓等10個鉆進參數(shù)和泥漿密度、PH值參數(shù)；所采集的數(shù)據(jù)自動生成文件名和回次序號并存入硬盤，可對鉆壓等超限進展聲光及文字報警，實時顯示打印鉆壓、泥漿消耗量動態(tài)參數(shù)變化曲線。文獻1822是有關鉆井參數(shù)監(jiān)測儀的有關論文，均停留在鉆井參數(shù)的測量和顯示上，其中文獻1819是比擬早的鉆井八參數(shù)儀，文獻2022是采用單片機或工控機的微機鉆井參數(shù)儀。文獻23是一種鉆井參數(shù)數(shù)學模型的探討。1.2.3 國外研究現(xiàn)狀在國外文獻報道中，文獻2932是代表國際水

17、平的幾大國際著名石油儀器公司研制的鉆井參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的產品報道。加拿大Datalog公司2000年最新研制的鉆井監(jiān)測系統(tǒng)WellWizard，該產品除能測量顯示200多個鉆井參數(shù)外，還具有以下特點：以Windows 95/98 或Windows NT 為操作平臺，采用客戶/效勞器技術，可通過Internet或Modem進展遠程實時監(jiān)控和歷史監(jiān)控，采用觸摸屏，具有可自制的美觀實用的用戶界面，所有鉆井數(shù)據(jù)可存貯到CD光盤上，系統(tǒng)易擴展，易安裝。美國Varco公司M/D TOTCO分公司2000年最新研制的鉆井集成控制信息系統(tǒng)電子司鉆，可測量顯示根本的鉆井參數(shù)，該系統(tǒng)以Windows NT 為操作平臺

18、，可通過計算機局域網交換信息，也可通過internet/intranet進展鉆井信息的遠程通信，系統(tǒng)采用液晶觸摸顯示屏。英國Rigserv公司2000年最新研制的觸摸屏自動鉆井系統(tǒng)，該公司是世界上第一個使用觸摸屏的石油儀器公司，該系統(tǒng)可測量幾乎所有與鉆井過程有關的參數(shù)，采用非接觸性傳感器，系統(tǒng)硬件緊湊、密封性好。美國Epoch公司開發(fā)的RIGWATCH產品，是基于Windows的鉆井參數(shù)記錄儀，可采用CRT或觸摸顯示屏，可進展實時曲線和多窗口顯示，可進展自動鉆井記錄和打印，可通過Internet或撥號進展異地訪問，采用數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)。1.3 本課題的主要研究容鉆井工程實時多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)將在跟蹤

19、國外最新開展動態(tài)和最新先進技術的根底上，吸收國外各類系統(tǒng)的精華，研究開發(fā)一種高精度、高可靠性、高平安性、操作方便、顯示直觀、功能齊全、可無人值守、可進展異地Modem監(jiān)測的鉆井實時多參數(shù)監(jiān)測儀，使現(xiàn)場技術人員和工程人員能夠及時監(jiān)測鉆井過程，降低事故發(fā)生率，節(jié)約鉆井本錢，提高鉆井效率和井隊的科學鉆井水平。1.3.1 鉆井工況原理及識別鉆井過程工況比擬復雜，有鉆進、劃眼、坐卡(輕載狀態(tài))、重載、接單根、起下鉆等多種狀態(tài)。這些狀態(tài)的正確識別對鉆井參數(shù)的計算有十分重要的影響，很多工況的變化直接影響到鉆井參數(shù)的變化。鉆井工況的識別通過測試或計算出的參數(shù)以及建立的數(shù)學模型進展識別。 對大鉤負荷、大鉤高度、

20、立管壓力、轉盤扭矩、吊鉗扭矩、轉盤轉速、泵沖次、相對流量、泥漿池體積、泥漿溫度、泥漿密度等10多個參數(shù)的直接測量；對鉆壓、標準井深、鉆時、大鉤速度等多個派生參數(shù)的建模與計算。1.3.2 系統(tǒng)功能設計系統(tǒng)主要進展大鉤負荷等可直接測量參數(shù)的測量和鉆壓等可派生參數(shù)的計算，圍繞該主功能，系統(tǒng)還具有以下功能。參數(shù)顯示歷史數(shù)據(jù)管理參數(shù)打印異地實時監(jiān)測中英文切換多媒體報警1.3.3 系統(tǒng)硬件設計傳感器的設計與選型現(xiàn)場總線在油氣井的應用信號處理信號傳輸1.3.4 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)功能模型數(shù)學建模 = 3 * GB3 數(shù)據(jù)庫構造-. z2 鉆井工況原理鉆井過程參數(shù)是在鉆井過程中分析油氣井油氣儲藏情況的最根底數(shù)據(jù)

21、，以此為依據(jù)可進展分析決策，從而決定是否繼續(xù)鉆井或以何種方式鉆井。鉆井過程參數(shù)的種類和數(shù)量都比擬多，其中可直接測量的參數(shù)主要有大鉤負荷、大鉤高度、立管壓力、轉盤扭矩、吊鉗扭矩、轉盤轉速、泵沖次、相對流量、泥漿池體積、泥漿溫度、泥漿密度等，由上述直測參數(shù)可派生計算的參數(shù)有鉆壓、標準井深、鉆時、大鉤速度等近40個，如圖1所示。圖2.1 鉆井參數(shù)及其派生關系2.1直接測量參數(shù)原理大鉤負荷大鉤負荷是鉆井參數(shù)中非常重要的一個參數(shù)，由其可派生計算出鉆壓、大繩做功(千牛米)等其它重要參數(shù)，通過對大鉤負荷狀態(tài)的判斷，還可計算出鉆井過程的時間參數(shù)(重載時間、停工時間、卡瓦時間、起下鉆時間和劃眼時間等)。 圖2.

22、2死繩固定器大鉤負荷測量系統(tǒng)由死繩固定器(參見圖2)、拉力傳感器、指示儀、液電變送器、阻尼器、排氣閥和液壓軟管等組成。鉆機提升系統(tǒng)的鋼絲繩死端沿死繩固定繩輪的繩槽后固定在夾板上，大鉤上的懸重G通過滑輪組N使死繩受到拉力F，再通過繩輪上的力臂傳遞給拉力傳感器，使液壓膜盒產生擠壓，通過液電變送器得到壓力信號p，大鉤負荷G即與該壓力信號成正比，其數(shù)學模型如下：(2-1)式中 N為鉆機提升系統(tǒng)鋼絲繩的股數(shù)；s為傳感器液壓膜盒受力面積；l為死繩拉力至繩輪轉動中心的距離；L為傳感器拉力至繩輪轉動中心的距離。游車位置游車位置又名大鉤高度，是鉆井參數(shù)中另一個非常重要的參數(shù)，是派生參數(shù)最多的一個直測參數(shù)，可派生

23、出標準井深、鉆頭位置、大鉤速度、鉆時、鉆頭進尺等和大鉤移動情況有關的參數(shù)。大鉤高度的測量及其精度在鉆井參數(shù)儀中也因此顯得尤為重要。圖2.3 大鉤高度計算原理大鉤高度傳感器采用接近開關，安于鋼絲繩滾筒的導氣籠頭處，由測出的脈沖數(shù)計算大鉤移動的距離?？赏茖С雒拷邮盏揭粋€脈沖大鉤移動的距離H(參見圖3)：，(22)式中：N為鋼絲繩股數(shù)；n為滾筒每圈脈沖數(shù)；Ri為第i層鋼絲繩中心距滾筒中心的距離；D為滾筒直徑；d為鋼絲繩直徑。由每接收到一個脈沖大鉤移動的距離H及通過接近開關測出的正反脈沖數(shù)即可計算大鉤高度以及其它與高度有關的參數(shù)。泵沖泵沖程傳感器由接近開關構成，測量泥漿泵沖程。傳感器(圖2.4)由DA

24、Q提供+10伏直流電源，安裝在泥漿泵視孔蓋。傳感器對金屬十分敏感，金屬板(如泵的十字頭，凸緣)到過距探測器頭10-20毫米時即有脈沖信號，每個信號表示有一次沖程。DAQ利用這些信號計算出每分鐘沖程和每個泵的總沖程。利用新型,泵沖傳感器的安裝方式是在泵的傳動軸處，安裝示意見圖2.4。圖 2.4 泵沖次傳感器安裝圖2.1.4 泵壓泵壓是計算鉆井水力參數(shù)及壓力損耗的重要參數(shù)。正確的選擇泵壓，對提高鉆井效率有重大影響。此外，它也是反映鉆井平安的一個重要參數(shù)。它可以反映鉆柱的沖洗，鉆頭堵塞、斷，巖層變化以及泵是否有故障等多種情況。因此，泵壓一定要準確反映出來。泥漿壓力雖然是液體壓力，不需經傳感器進展物理

25、量的變換，但由于泥漿中含有固相，且有強烈的腐蝕性，因而不宜直接送往壓力表，以免引起堵塞或儀表零件的腐蝕。所以，必須將泥漿和儀表中的液體隔開，但又要將泥漿壓力如實地傳送給儀表液體。為此，特地采用了膠杯式泥漿壓力傳感器如圖2.5所示。它由螺套、翼形螺母、堵頭、缸體、膠杯、密封圈等組成，傳感器中的膠杯把液缸分為上、下兩局部。下部接泥管引入循環(huán)泥漿，上部充液壓油，通過管線、阻尼器與顯示圖2.5 立管壓力傳感器表和記錄機構相連。膠杯起著將泥漿隔離的作用。根據(jù)帕斯卡定理，在靜止的流體中，各點在任何方向上的壓強相等。由于膠杯變形很小，可忽略不計，因此，當泥漿壓力(即壓強)信號進入膠杯下部時，可以無損耗地將此

26、壓強傳給膠杯上部的液壓油，這個液壓信號經液壓管線引出。這個裝置稱為傳感器，但并沒有發(fā)生物理量的變化，而只是實現(xiàn)液壓介質的轉換。實質是一個轉換器。轉盤扭矩轉盤扭矩是由鉆機旋轉系統(tǒng)中取得的一個重要工程參數(shù)。在鉆井過程中隨時監(jiān)測轉盤扭矩的變化，可以早期發(fā)現(xiàn)井斜、卡鉆等微兆，了解鉆頭的工作情況等。所以，轉盤扭矩是反映鉆井平安的一個必不可少的重要因素。測量轉盤扭矩的方法很多，常用的有惰輪機構液壓傳感器，它主要用于轉盤以鏈條驅動的鉆機。對于電驅動鉆機，則采用霍爾元件的電流電壓變換器。 = 1 * GB3 鏈條驅動的轉盤扭矩系統(tǒng)1) 轉盤扭矩傳感器此種傳感器為惰輪式機械液壓傳感器。它主要由惰輪、搖臂、液壓、

27、立柱、底座等組成。惰輪是個外纏耐磨硬橡膠的滾輪。裝在搖臂的一端。搖臂的另一端由立柱支承。在搖臂的中部安裝著液缸，液缸的活塞與搖臂相連，缸充滿液壓油，并通過液壓軟管與顯示表和記錄機構連通。通常將轉盤扭矩傳感器安裝在轉盤驅動鏈條緊邊的中部，使惰輪既能自由轉動，又受到驅動鏈條給予的一定壓力。 2) 轉盤扭矩的測量原理轉盤扭矩是無法直接測量的，我們仍采用傳感器間接測量。當轉盤上產生扭矩M時，轉盤驅動鏈條緊邊上即產生了與之相應的拉力T。用傳感器測量T的大小，并將其轉化為相應液體壓力信號P輸出?？赏ㄟ^對P的度量間接測得M。圖2.6惰輪扭矩測量原理將轉盤扭矩傳感器安裝在驅動鏈條緊邊下面，理想的位置是傳感器底

28、邊與兩鏈輪外公切線平行，將鏈條緊邊托起，使其惰輪前后兩段鏈條產生一個夾角，當鉆桿上產生扭矩時，鏈條緊邊產生拉力T，T(T=T)，其向下的合力N壓向惰輪，經搖臂的杠桿作用，在液缸處產生與N成正比的壓力Q，由于Q的作用，在液體產生與之間成正比的液體壓力P，見圖2.6。信號P通過液壓管線輸出到顯示表和記錄儀中。設鉆桿上的扭矩為M，鏈條緊邊拉力為T(T=T)，則有M=iRT(2-3)式中轉盤的機械效率 i轉盤齒輪減速比 R轉盤鏈輪半徑 T轉盤鏈條緊邊拉力設惰輪軸上所受合力為N，鏈條夾角為(2-4)液缸液體壓力對杠桿的推力合力為Q，根據(jù)杠桿平衡原理：TL=QI(2-5)式中L合力N對搖臂軸的力臂(厘米)

29、I液壓合力Q對搖臂的力臂(厘米)Q液壓合力(公斤)而(2-6)式中D活塞直徑(厘米)P液體壓力(公斤/厘米)將(2-6)代入(2-5)得：(2-7)再將(2-4)(2-7)代入(2-3)得：(2-8)這樣，我們來討論三個問題：a. 由式(2-8)可看出，當轉盤型號確定后，R，I為常量。待傳感器選定后，D即為常量。轉盤扭矩系統(tǒng)油路為一封閉系統(tǒng)，由于液體的不可壓縮性，活塞行程很小，因而，當傳感器安裝，調試完畢后，、I、L、均可視為常量，即，K為常量，故M=KP，即M與P成正比例，因而可用P來度量M。b. 由于油路系統(tǒng)的變形和其它因素的影響，在鉆進過程中，K值是有一定變化的。故P與M不完全成線性，但

30、在鉆井過程中，用這種方法來測量轉盤扭矩，其精度完全可以滿足工程技術要求。c. 因為轉盤扭矩傳感器是一個通用件，一種型號的傳感器可適用于多種類型的鉆機，而各種鉆機，各種轉盤的傳動比i和鏈輪半徑P都不一樣，機械效率也不一樣，尤其是安裝轉盤扭矩傳感器比擬困難，很難保證安裝理想狀態(tài)，即便是同一只傳感器，在同一臺鉆機上安裝，也很難保證每次安裝、調試后角為常量。因而，K值不是一個固定不變的常量，P和M沒有固定的比例關系，故而轉盤扭矩表上只有0500刻度而無扭矩單位公斤米，即表上的讀數(shù)并非真實的扭矩值。用這種方法要準確的測量出轉盤扭矩值是有困難的。實際上，鉆井工作者最感興趣的是轉盤扭矩的相對變化情況，利用這

31、種傳感器，即可在顯示表上直接觀察到轉盤扭矩的相對變化。 如要在轉盤扭矩表上標定讀數(shù)單位，必須用吊鉗扭矩系統(tǒng)來校定。 = 2 * GB3 電驅動鉆機的電扭矩傳感器1) 霍爾器件 如圖2.7所示，霍爾器件是一種采用半導體材料制成的磁轉換器件。如果在輸入端通入控制電流IC當有一磁場B穿過該器件感磁面，則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢VH?；魻栯妱軻H的大小與控制電流IC和磁通密度B的乘積成正比，即VH=KH ICBsin 霍爾電流傳感器是按照安培定律原理做成，即在載流導體周圍產生一正比于該電流的磁場，而霍爾器件則用來測量這一磁場。因此，使電流的非接觸測量成為可能。圖2.7霍爾器件工作原理 圖2.8 霍爾直檢原

32、理 通過測量霍爾電勢的大小間接測量載流導體電流的大小。因此，電流傳感器經過了電磁電的絕緣隔離轉換。2) 霍爾直接檢測原理 如圖2.8所示，由于磁路與霍爾器件的輸出具有良好的線性關系，因此霍爾器件輸出的電壓記號U0可以間接反映出被測電流I1的大小，即I1B1U0 我們把U0定標為當被測電流I1為額定值時，U0等于50mv或100mv。這就制成霍爾直接檢測(無放大)電流傳感器。 在霍爾直檢原理根底上，將mv級電壓訊號經線性放大為V級電壓訊號，這就制成霍爾直檢放大式電流傳感器。3) 電流傳感器的輸出 直接檢測式(無放大)電流傳感器為高阻抗輸出電壓，在應用中，負載阻抗要大于10k。通常都是將其50mV

33、或100mV懸浮輸出電壓用差動輸入比例放大器放大到4V或5V。直檢放大式電流傳感器為高阻抗輸出電壓。在應用中，負載阻抗要大于2k。 為了保證高精度測量要注意：測量電阻的精度選擇，一般選金屬膜電阻，精度0.5%,詳見表1-1。二次儀表或終端控制板電路輸入阻抗應大于測量電阻100倍以上。測量電流I2(mA)測量電阻Rm()標稱功率(W)精度02025010.5%02520010.5%05010020.5%01005020.5%注：以上精細電阻，可由廠方代訂。表1-1 測量電阻Rm的選擇4) 霍爾大電流測量傳感器 如圖2.9所示，被測電流產生的磁場作用于霍爾傳感器的霍爾器件，經霍爾傳感器部電路處理后

34、，輸出05V或020mA信號。1-被測電纜； 2電扭矩傳感器圖 2.9 電扭矩傳感器示意圖電動鉆機的扭矩與電流成比例關系，因鉆井工作者最感興趣的是轉盤扭矩的相對變化情況，故可用電流的變化表示扭矩的相對變化。此扭矩值為無量綱。被測電流為01000A時，霍爾傳感器輸出05V或020mA信號，扭矩表上的刻度為01000。2.1.6 轉盤轉速 轉盤轉速傳感器用于測量轉盤每分鐘轉圈數(shù)。 轉盤轉速和泵沖次是影響鉆進效率的兩個重要參數(shù)。轉盤轉速在正常情況下緩慢下降，可以預示井下鉆頭磨損加劇，在實際作業(yè)中這種參考判斷常是有效的。泵沖可以監(jiān)視泥漿泵工作情況。當上水效率高時，計算泵沖次能較準確地反映泥漿入口排量。

35、當起鉆時，泵沖次反映向井中補罐的泥漿量。 傳感器常用的有三種形式的傳感器：測速發(fā)電機；霍爾元件；帶有碰撞拉桿的微動開關。 測速發(fā)電機工作可靠，線性好，能測出瞬時泵速或轉盤轉速。但現(xiàn)場安裝復雜，帶有大小皮帶輪，日久皮帶輪松弛，造成大小皮帶輪打滑，使轉速不穩(wěn)定。測速發(fā)電機的轉速一般工作在1500轉/分鐘以，因此，測速發(fā)電機的大小皮帶輪，隨安裝部位不同，其比值就不同，鉆機不同比值也不同。所以給生產廠設計和生產帶來不便。 霍爾元件或泵沖轉速儀。這是現(xiàn)在國外普遍使用的方法，其優(yōu)點是安裝方便，計數(shù)準確，可直接進入計算機，實現(xiàn)泵沖次的累加(測速發(fā)電機不能直接實現(xiàn)泵沖次累加)，霍爾元件既可以實現(xiàn)數(shù)字顯示又可以

36、用模擬指針表顯示?；魻栐哭D一次，或行程部件每移動一次，便產生一個脈沖，因而脈沖頻率與運動部件的速度是成比例的。這些脈沖信號經濾波處理后也可以指示瞬時轉速。霍爾元件測轉速的最大優(yōu)點是非接觸式的，不怕油污水等，因而壽命長。泥漿出口返回量 泥漿出口返回量又名為出口排量，主要用于指示記錄鉆井過程中泥漿出口排量百分量。重要的功能是平安報警用。出口流量的明顯增加或減少，可以預示井涌或井漏。如配合泥漿總體積儀的讀數(shù)變化，判斷平安報警的效果就更好。此外，該儀表還可以判斷泥漿泵上水好壞；判斷泥漿環(huán)路及鉆頭水管暢通或堵塞。 在鉆井成套儀表中，通常不直接測量泥漿出口絕對排量，而是測量它在架空管線中充滿度的讀數(shù)。

37、即不進展流量標定。指示表頭給出的是一個相對數(shù)值，用百分比表示。它只說明當前泥漿流動狀況充滿整個架管線的百分之多少。如果這個參數(shù)由建立泥漿循環(huán)起，長期不變，就說明井下情況是正常的。如果發(fā)生了不許可的變化，越出了規(guī)定的極限值，就會發(fā)出報警信號，用紅色閃光燈和報警聲同時給出。這告訴司鉆井下有異常情況。 如圖2.10所示，泥漿出口排量的傳感器采用不銹鋼制成的漿葉式檔板和拉桿電位器等部件構成。它能把出口架空管線中的泥漿充滿度變換為電信號。圖2.10 泥漿出口返回量傳感器構造 在具有一定斜度的架空管線上，開一個方孔，便可固定泥漿流量傳感器。傳感器上有一個漿葉式檔板，檔板座在轉動軸上，用彈簧拉住，使它擋住絕

38、大局部架空管線。當泥漿流動時，泥漿沖動檔板，使其圍繞轉軸，轉動一定角度，直到沖力與彈簧拉力平衡時為止。檔板的角位移經連桿和齒條，轉換成電位器軸的角位移。當泥漿流動時，泥漿沖動檔板，使其圍繞轉軸，轉動一定角度，直到沖力與彈簧拉力平衡時為止。檔板的角位移經連桿和齒條，轉換成電位器軸的角位移。供應電位器+10伏的直流電壓，則電位器輸出的電壓就對應著泥漿的充滿度。2.2 派生參數(shù)計算原理鉆壓 鉆壓是鉆進過程中地面對鉆頭的支撐力。鉆壓的數(shù)學模型：T=G-T其中，T鉆壓 G整個鉆具在泥漿中的重量 G=(鉆i-液)*Li 其中，鉆、液 分別為鉆具和泥漿的線密度 Li為*一類鉆具的長度 當在鉆頭位置超過鉆具總

39、長時，Li為鉆頭位置 T鉆進過程中的實測大鉤負荷2.2.2 入口流量入口流量=泵沖次i*泵的每沖排量i*泵的效率i其中，i=13為泥漿泵的編號。方限井深方限井深=鉆具長度+單根長度+方鉆桿長度鉆頭位置鉆頭位置的計算與大鉤移動的距離和是否處于坐卡狀態(tài)有關。當處于重載狀態(tài)時(大鉤負荷大于坐卡門限)，鉆頭移動的距離等于大鉤移動的距離；當處于坐卡狀態(tài)時，鉆頭位置不變。大繩做功 大繩做功=T*H 其中，T*一時刻的大鉤負荷H*一時刻的大鉤高度的移動距離大鉤速度 大鉤速度是大鉤在*一時刻的速度，是一個瞬時值。上行或下行要用+或-來區(qū)分。其計算模型如下： 大鉤速度=大鉤高度/所花時間 或：大鉤速度=大鉤高度

40、兩次采樣值之差/采樣間隔2.3鉆井工況辨識 鉆井過程工況比擬復雜，有多種狀態(tài)。這些狀態(tài)的正確識別對鉆井參數(shù)的計算有十分重要的影響，很多工況的變化直接影響到鉆井參數(shù)的變化。下面對要識別的主要的鉆井工況加以說明。2.3.1 鉆進 向下打井井深不斷增加的過程。當鉆頭位置大于等于標準井深時，即可認為是鉆進(主要條件)。此時其它參數(shù)的值(附加條件)為： 大鉤負荷坐卡門限 轉盤轉速0 泵沖次0 相對流量0 鉆壓02.3.2劃眼 這種狀態(tài)與鉆進的主要區(qū)別是鉆頭位置小于標準井深，其它條件與鉆進一樣。2.3.3坐卡(輕載狀態(tài)) 坐卡就是大鉤負荷小于坐卡門限，這時大鉤高度的移動不影響鉆頭位置。2.3.4重載狀態(tài)

41、與輕載狀態(tài)相對應，大鉤負荷大于坐卡門限，鉆頭位置的移動距離等于大鉤高度移動的距離。2.3.5接單根 在一根單根打完后，需再接一根單根后才能繼續(xù)鉆進，此狀態(tài)的過程是：首先將整個鉆具提離井底至方鉆桿底部高出鉆井平臺面，然后坐卡，卸扣，再將方鉆桿與鼠洞中的下一根單根連接，接著提出鼠洞中的單根，上扣(與整個鉆具相連)，最后解卡。接一根單根后，單根計數(shù)加一。2.3.6起下鉆 為了*種目的將整個或局部鉆具提離井底的過程稱為起下鉆。起下鉆是以立柱(三根單根為一柱)為單位的，如果單根計數(shù)不是三的倍數(shù)，則先需將多余的單根卸下(此狀態(tài)判斷為接單根)，然后才以立柱為單位進展起下鉆，此時立柱計數(shù)應加減一，大鉤高度的移

42、動距離應超過*個門限(如25米左右)。此時大鉤有明顯變化。至于鉆頭換沒換，鉆進時間清不清零則由人工干預操作。-. z3 系統(tǒng)硬件設計3.1 系統(tǒng)框圖說明 鉆井工程參數(shù)是在鉆井過程中科學鉆井的最根底數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)可進展分析決策，從而決定是否繼續(xù)鉆井或以何種方式鉆井。鉆井過程參數(shù)的種類和數(shù)量都比擬多，其中可直接測量的參數(shù)主要有大鉤負荷、大鉤高度、立管壓力、轉盤扭矩、吊鉗扭矩、轉盤轉速、泵沖次、相對流量、泥漿池體積、泥漿溫度、泥漿密度等，由上述直測參數(shù)可派生計算的參數(shù)有鉆壓、標準井深、鉆時、大鉤速度等近40個。圖3.1 系統(tǒng)構造 根據(jù)上述測量方法，新研制了一套基于客戶/效勞器模式的實時多參數(shù)鉆井監(jiān)

43、測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的構造如圖3.1所示。 鉆井過程需要監(jiān)測的參數(shù)有近60個，其中可直接測量的參數(shù)有20多個，如大鉤負荷、大鉤高度、立管壓力、轉盤扭矩、吊鉗扭矩、轉盤轉速、泵沖次、相對流量、泥漿池體積、泥漿溫度、泥漿密度等，由上述直測參數(shù)可派生計算的參數(shù)有鉆壓、標準井深、鉆時、大鉤速度等30多個。 鉆井工況主要有鉆進、劃眼、坐卡(輕載狀態(tài))、重載狀態(tài)、停工狀態(tài)、接單根、泥漿循環(huán)、起下鉆等多種狀態(tài)。這些狀態(tài)的正確識別對派生參數(shù)的計算有十分重要的影響，工況判斷出錯將導致派生參數(shù)計算出錯。本系統(tǒng)通過直測參數(shù)和已派生出的參數(shù)及相應的數(shù)學模型進展工況識別，再由識別出的工況計算其它參數(shù)。 新型鉆井參數(shù)監(jiān)測儀的系

44、統(tǒng)構成如圖1所示。由井臺現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、井臺信號顯示表臺、控制室信號監(jiān)測系統(tǒng)和異地監(jiān)視系統(tǒng)四大局部組成。 傳感器采集到所要采集的信號后，送信號處理電路處理成能驅動模擬顯示儀表的信號進展現(xiàn)場儀表顯示，和ADAM遠程數(shù)據(jù)采集單元能接收的信號進展遠程數(shù)據(jù)處理和傳送。控制室的效勞器經RS485遠程通信網絡接收遠程數(shù)據(jù)后，完成數(shù)據(jù)處理和參數(shù)監(jiān)測、顯示、管理、打印、查詢等功能。并可通過控制室的其它監(jiān)視器監(jiān)視鉆井過程。此外，該系統(tǒng)還可通過Modem實現(xiàn)異地鉆井工況監(jiān)視。3.2信號處理3.2.1模擬信號處理 立管壓力、轉盤扭矩、大鉤負荷等的變送器輸出標準的420mA信號,經處理電路后得到Ubo和Uco,分別

45、用于智能模塊接口和驅動表臺顯示.圖3.2 模擬信號處理R101=250 變送器輸出的420mA經 I/V 變換,得到:Usi=R101*I=15(V)Ua為跟隨器，則Uao的電壓為15V。R102和R103組成負壓偏置，可使Ubo為04V。Ubo輸出到智能模塊ADAM5017。R104和R105構成比例放大器，則Uco=R105*Ubo/R104Uco到則表臺驅動1mA的電流表。3.2.2 數(shù)字信號處理 轉盤轉速、泵沖次傳感器由接近開關構成，輸出的是0100Hz低頻脈沖信號。脈沖信號經4093整形后送到由4046和4518組成的鎖相倍頻電路后得到010kHz頻率的信號，此信號送到VFC32進展

46、頻率電壓轉換后得到010V的電壓信號，電壓信號經OP07運算放大器放大為05V的標準電壓信號，此標準電壓信號送到ADAM5017進展數(shù)據(jù)遠傳到計算機。 = 1 * GB3 CC4518B-雙BCD加法計數(shù)器工作原理4518是由二個完全一樣而又相互獨立的BCD加法計數(shù)器組成的。它的部是由四級D觸發(fā)器首尾相連組成的。當時鐘允許端EN=1時，計數(shù)器在時鐘CK的上跳變加1計數(shù)；當計數(shù)到1001狀態(tài)后再輸入一個脈沖，計數(shù)器加復到全0狀態(tài)，然后再重新開場計數(shù)。如果時鐘輸入端CL=0，時鐘允許端EN加輸入脈沖，也可以得到一樣的計數(shù)過程，所不同的是此時計數(shù)器在脈沖的負邊沿翻轉。復位端CLR，CLR=0時，可以

47、按上述方式計數(shù)；CLR=1時，不管CL和EN端處在什么狀態(tài)，計數(shù)器都恢復到0狀態(tài)。各級觸發(fā)器的時鐘信號的邏輯式分別為CL1=CK，CL2=CKQ1Q4，CL3=Q1Q2CK，CL4=CKQ1(Q2Q3+Q4)。即計數(shù)器計滿十個脈沖以后，計數(shù)器回復到全0狀態(tài)，然后再重新開場計數(shù)。真值表見表3.1。CLEN CLR 功能Up10加計數(shù)0down0加計數(shù)down0不變up0不變Up00不變1down0不變1Q1Q4=0表3.1 4518真值表圖3.3 脈沖信號處理 圖3.3中4518構成串行進位級聯(lián)電路, 即前一塊的Q3輸出信號作為后一塊的EN輸入信號，整個計數(shù)電路是在輸入脈沖的正邊沿觸發(fā)。計數(shù)器的

48、計數(shù)容量*=10n，n為計數(shù)器的塊數(shù)。2-10進制中的低位可看作是個位，然后依次為十位、百位。在此電路中，CKA的頻率是Q3B的100倍，而Q3B的頻率與4046的輸入信號頻率相等，則4046的鎖定輸出頻率VCOUT為輸入信號頻率AIN的100倍，且相位同步。 = 2 * GB3 鎖相環(huán)(Phase locked loop) 當一個自激振蕩器被一個外來基準信號所控制，自激振蕩器所產生的相位和外來基準信號的相位保持*種特殊關系，稱為相位鎖定，簡稱鎖相。而這種完成二個電信號相位同步的自動控制系統(tǒng)叫鎖相環(huán)。 根本鎖相環(huán)系統(tǒng)由相位比擬器、低通濾波器和壓控振蕩器(VCO)連接成閉環(huán)頻率反應系統(tǒng)，如圖3.

49、4所示。 當無輸入信號加到鎖相環(huán)系統(tǒng)時，相位比擬器輸出端為0，來自低通濾波器電壓Vd(t)也為0，以使VCO工作于設定頻率f0，亦稱中心頻率：圖3.4 PLL根本構造當有輸入訊號加到鎖相環(huán)時，相位比擬器將輸入訊號的相位和頻率與VCO頻率相比擬而產生一個誤差電壓，它正比輸入訊號和VCO的頻差。誤差電壓Ve(t)被濾波并加到VCO的控制輸入；Vd(t)的變化是減少VCO和輸入訊號頻率的差。當VCO的頻率足夠接近于輸入訊號時，鎖相環(huán)的閉環(huán)特性強迫VCO鎖定在輸入訊號頻率上；也就是說，除了有限的相位差外，VCO的頻率等同于輸入訊號的頻率，整個過程稱為捕捉過程。能夠最終鎖定的最大起始頻差，稱為捕捉帶或捕

50、捉圍。當PLL被鎖在輸入頻率上時，VCO自動地跟蹤輸入頻率的任何變化，輸入頻率落在一個稱為鎖定圍的窗口之中。鎖定圍往往大于捕獲圍，即PLL能搜索和捕獲一個輸入信號的頻帶。 整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(s)可用以下方法描述： 式中：Ko壓控振蕩的轉換增益kd相位比擬器的轉換增益F(s)低通濾波器的傳遞函數(shù) 由上式可知，這是一個典型的全反應系統(tǒng)，是系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，它由kokd和F(s)確定。 4046鎖相環(huán)工作原理 圖3.5所示是4046的方框圖。 鎖相環(huán)中含：低功耗、高線性的壓控振蕩器(VCO)，兩個工作方式不同的相位比擬器，它們有公用的信號輸入和公用比擬器輸入，假設需要，有一個6V左右的齊納管分

51、頻器連至相位比擬器的比擬輸入端，該低通濾波器是通過外部元件實現(xiàn)的，因其根本構造根據(jù)不同應用而變化，并且這些元件不易集成；與VCO輸入端相連的一個源跟隨器，是專門作頻率解調之用。這就可以使得來自環(huán)路濾波器的輸出信號(濾圖3.5 4046的方框圖波的誤差電壓)能驅動外部放大器或其他電路而不至于加重濾波器的負載。 4046有兩個相位比擬器，即相位比擬器和相位比擬器。相位比擬器是一個具有很強抗噪聲能力的異或門， 異或門是一種常見的數(shù)字邏輯電路。 當二個輸入波形相位差在0180之間變化時，輸出波形的占空比隨之發(fā)生變化。由于CCMOS電路的輸出電平在VSSVDD之間變化。高電平為99.9%(VDDVSS)

52、,低電平為0.1%(VDDVSS)，故只要用簡單積分電路就可得到輸出波形的平均電平，此電平與A、B信號相位差的關系是：=0時，Vd=0；=90時，Vd=1/2VDD；=180時，Vd=VDD。并可作出相位差與輸出平均電平的曲線。 為使鎖定圍最大，信號和比擬器頻率必須有50%占空比，如信號輸入端無信號或噪聲，該相位比擬器的平均輸出電壓等于VDD /2，與相位比擬器的輸出端連接的低通濾波器將該平均電壓供應VCO輸入端并使VCO在中心頻率(f0)處振蕩，對相位比擬器而言。PLL能獲得鎖定狀態(tài)的頻率圍(捕捉圍)取決于低通濾波器的特性，且能與鎖定圍一樣大，不管輸入信號量的噪聲，相位比擬器使PLL保持鎖定

53、狀態(tài)。這種類型相位比擬器的一個特性是它能在接近VCO中心頻率的諧波輸入頻率上鎖定。這種比擬器大多用于調頻解調電路，它有較大的捕捉圍，對低通濾波器的要求不太高，用一般RC滯后型濾波器就可以了。 濾波器參數(shù)的選擇，能確定捕捉圍的大小。 相位比擬器是一個邊沿控制的數(shù)字存貯網絡，該網絡具有控制門的四個邊沿觸發(fā)器和一個具有公共輸出結點的P溝和N溝驅動器的三態(tài)輸出電路 相位比擬器是一個邊沿控制的數(shù)字存貯網絡，該網絡具有控制門的四個邊沿觸發(fā)器和一個具有公共輸出結點的P溝和N溝驅動器的三態(tài)輸出電路組成。 這類相位比擬僅在信號和比擬器輸入的上升邊起作用，因而它能接收任意占空比的輸入脈沖(例如：非常窄的脈沖)。如

54、果輸入頻率高于比擬器輸入頻率，則輸出級的P溝驅動器保持導通，輸出電平為VDD；如信號輸入頻率低于比擬器輸入頻率，則輸出級的N溝驅動器保持導通；(輸出電平為VSS；如果信號和比擬器輸入頻率是同樣的，僅在相位上超前比擬器輸入，則輸出級P溝驅動器在對應于相位差的時間里保持導通)；當相位比擬器輸出端在低通濾波器上的電壓使得信號和比擬器輸入在相位和頻率都相等時，輸出級的P和N驅動器才保持斷開，輸出為三態(tài)，保持低通濾波器上的電壓維持在穩(wěn)定的工作點上，同時，相位脈沖輸出為高電平，表示處于鎖定狀態(tài)。 4046的主要特點是低功耗、高輸入阻抗，其高阻抗性將使LPF設計能靈活選擇較大R阻值，較小的C容量。圖3.6是

55、4046應用設計圖表。其中各參數(shù)單位是：f是kHz、R用K、C用F。通常R與C的常用圍是： 10kR1、R2、R31M C0100Pf(VDD5V時) C050pF(VDD10V時) 根據(jù)設計圖表，就可以方便地確定出各電阻、電容以及工作頻率。圖3.6 4046應用設計圖表 VFC32的F/V變換電路1) 圖3.7是VFC32用作頻率電壓變換的電路，把輸入010kHz變換成010V輸出電壓。輸入頻率fIN需先經過C3微分成下跳尖脈沖，要求輸入到比擬器(10腳)的脈沖幅度高于+1V且低于-0.6V，脈沖寬度tW應滿足下式要求：tW =0.1S-S比擬器輸入阻抗1M/10pF，輸入極限電壓值為VCC

56、。C3要根據(jù)上述要求來取用，當然與R6、R7的直流分壓值還有關。圖示是按TTL電平輸入設計的。 2) F/V變換過程較為簡單。fIN下跳邊使部比擬器A2翻轉去觸發(fā)FF產生定時T2脈沖，S定時閉合，1mA定時恒流給C2積分充電，T2過后C2由R1放電。積分輸出電壓V0的平均值將正比于輸入重復頻率fIN，而且成線性比例關系V0=7.5 RIN C1fIN 先加滿度輸入頻率fma*，調R3使輸出電壓V0滿度值，改變fma*的0.1%，調R5，使V0成為滿度值的0.1%。如此重復進展數(shù)次，到滿意為止。 3) 外接元件選用方法 定時電容C1應滿足下式要求：47pF 其初始容量大小僅影響變換增益，可用R3

57、予以調整補償。但是C1的溫度漂移將直接成為變換增益漂移誤差，所以，要使用零溫度系數(shù)瓷電容或聚苯已烯電容等高品質電容。安裝時C1要盡量靠近VFC32(最好跨接上去)，以減小寄生電容影響。積分電容C2應按下式要求選用1000pF其容量太大則積分幅度過小易引起誤差大，容量太小則引起積分飽和產生非線性誤差，只要漏電流小的產品均可用。積分電容C2按下式選用積分電阻R1按下式選用 (VFS是滿度值電壓)考慮R1、C1均有誤差，所以R1常取用上式計算值的90%左右的電阻值，另串入R3調整。R1要用RJJ(精細金屬膜電阻)類高精度電阻，其穩(wěn)定性將直接影響變換系數(shù)。對于高精度應用要求R1溫度系數(shù)在100ppm/

58、m。圖3.7 頻率電壓變換 R3選用R1的20%左右，其溫度系數(shù)應不大于R1的五倍，以便總的RIN漂移足夠小。 R4、R5用于調零補償(實際是調下限起點)，R4在1M10M圍選用誤差為20%的金屬膜電阻，R5選用10M100M溫度系數(shù)約為100ppm/m的電位器。 R2是VFC應用中的上拉電阻，取決于其電源V+和輸出驅動要求，通?？砂聪率竭x用 其中IL是外接負荷流入7腳的電流(如TTL輸入低電平電流)。上面R1R3及C1C2的選取都按fma*的占空比為25%來考慮的，這時可以取得最正確線性度。如果fma*在200kHz以上，器件5GVFC32發(fā)熱增加，fma*的占空也要增加到50%，允許7腳吸

59、入電流增大到15mA使用，但工作環(huán)境溫度必須低于85，精度也降低。 電源VCC要求穩(wěn)定在1%以，這樣可保持變換精度在0.02%以。電源引腳都應盡可能靠近連0.01F左右去耦電容，高頻工作時更須妥善處理。3.3 信號傳輸 現(xiàn)場總線(Fieldbus)是一種適合于現(xiàn)場設備連網、本錢低、效益高、使用方便、實用性強、可靠性好的網絡總線標準。根據(jù)ISA SP50的定義，現(xiàn)場總線是一種串行的、數(shù)字的數(shù)據(jù)通信鏈路，它溝通了生產、過程領域的根本控制設備(即場地級設備)之間以及與更高層次自動控制領域的自動化控制設備(即車間級設備)之間的聯(lián)系。現(xiàn)場級設備指的是最低層次的控制、監(jiān)測、執(zhí)行和計算設備，包括傳感器、控制

60、器、智能閥門、微處理器和存儲器等各種類型的工業(yè)儀表產品；生產/過程指的是現(xiàn)場總線標準規(guī)定的連續(xù)制造生產和離散過程控制兩類過程?，F(xiàn)場總線在其中的具體任務，簡單地說就是采集測量值、傳送測量值以及調節(jié)干預過程?，F(xiàn)場總線可用于遠程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、工廠自動化、過程控制、能源管理、可靠性工程、材料處理、數(shù)據(jù)通訊等場合?，F(xiàn)場總線被稱為是一種將引發(fā)一場整個工業(yè)測控領域革命、引起產品全面更新?lián)Q代的變革技術。并有工控界的諸多權威人士預言，二十一世紀是現(xiàn)場總線的世紀。 現(xiàn)場總線的先驅是Honeywell公司1983年推出的數(shù)字信號420mA輸出的差分信號驅動器，它在輸出的420mA直流信號上迭加了數(shù)字信號，從而使現(xiàn)