Устройство передачи сигнала

Полезная модель относится к бурению нефтяных и газовых скважин и предназначена для передачи сигнала от электронного блока скважинного прибора к наземной аппаратуре по электромагнитному каналу связи.
Известен автономный инклинометрический прибор, содержащий генератор, соединенный со схемой формирования питающих импульсов датчика, схему запуска силовых вентилей и микропроцессорное устройство, которое в свою очередь соединено с силовыми вентилями, которые соединены с блоком синхронизации и привязки к генератору таким образом, что сигналы зенитного угла, угла отклонителя и азимутального угла с датчика измерителя поступают на схему формирования питающих импульсов, выполненную в виде трех параллельно соединенных устройств формирования указанных сигналов, выходы устройств соединены с входом микропроцессорного устройства, которое соединено с дополнительным микропроцессорным устройством по последовательному каналу связи, при этом дополнительное микропроцессорное устройство соединено с силовыми вентилями через усилительные устройства, блок синхронизации работы силовых вентилей соединен своим входом с сильноточной обмоткой генератора переменного тока, другая обмотка которого соединена через блок питания со схемой прибора (патент RU на ПМ №56952).
Недостатком известного автономного инклинометрического прибора является ограниченность скорости обработки замеряемых параметров из-за последовательного способа их обработки.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленной полезной модели является скважинный прибор для измерения параметров траектории ствола скважины в процессе бурения подключен к турбогенератору через кабельную секцию, а также к скважинному прибору подключены датчик инклинометрический и модуль гамма-каротажа. Скважинный прибор включает в себя силовой модуль, управляемый микроконтроллером, который помимо управления силовым модулем принимает данные от датчика тока, датчика температуры, а также контролирует напряжение на нагрузке. Источник вторичного электропитания запитывается от слаботочной обмотки генератора, вырабатывает требуемое напряжение, которое подается на модуль управления питанием. Модуль управления питанием управляется микроконтроллером регистратора данных. Модуль управления питанием вырабатывает все необходимые напряжения питания для заряда аккумуляторов и питания модулей. Модуль регистратора данных получает информацию от инклинометрического модуля и модуля гамма-каротажа по стандартному CAN интерфейсу, хранит информацию во FLASH памяти. Для чтения информации из FLASH памяти применяется скоростной USB контроллер, который соединяется через USB коннектор с персональным компьютером (патент RU №172 009).
Недостатком данного скважинного прибора является неразъемная конструкция блоков передающего устройства, что ограничивает его ремонтопригодность.
Техническим результатом заявленной полезной модели является расширение арсенала технических средств для передачи сигналов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для передачи сигнала содержит корпус, с установленными в нем и соединенными между собой блоками: блок микроконтроллера управляющего 1, содержащий микроконтроллер 15, формирователь управляющих сигналов 11, фазоанализатор 12, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 13 и 17, интерфейс последовательной асимметричной шины 14 и последовательный периферийный интерфейс 16, CAN-контроллер 18, энергонезависимую память EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) 19, источник питания 20 и своим входом соединен с блоками 3 и  2, а своим входом-выходом через CAN-интерфейс 21 – с блоком 5;
блок силовой симисторный 2, содержащий силовой мост 8, датчик тока 9, датчик температуры 10 и своим входом соединён с силовой обмоткой генератора 6, а своим выходом –  с блоком 1 и с диэлектрическим разделителем 7;
блок источника питания 3, состоящий из параметрического стабилизатора 32, понижающего преобразователя 33 и линейного стабилизатора 34 с защитой по току своим входом соединён с выходом генератора 6, а выходами – с блоком 1 и блоком 4;
блок формирователя питающих напряжений 4, содержащий линейные стабилизаторы 36 и 37, широтно-импульсный модулятор 38, стабилизатор 39, коммутатор 40 и своим входом соединён с блоком 3, а выходами – с аккумуляторными батареями 35 и блоком 5;
блок микроконтроллера сбора и хранения информаций 5, содержащий CAN-контроллер 22, микроконтроллер USB 23, источник питания 24, микроконтроллер 25, последовательный периферийный интерфейс 26, интерфейс ввода-вывода 27, последовательный периферийный интерфейс 28, энергонезависимая память EEPROM  29, FLASH-память 30, часы реального времени 31, аналого-цифровой преобразователь 41, соединитель mini USB B 42 и своим входом соединён с блоком 4 и блоком 2, а своим входом-выходом через CAN-интерфейс 21  - с блоком 1;
аккумуляторные батареи 35 своим выходом соединены с блоком 4 и блоком 5.
Микроконтроллер USB 23 через соединитель mini USB B 42 подключается к персональному компьютеру (на схеме не показан). Для программирования и считывания информации с устройства для передачи сигнала используется USB-подключение к персональному компьютеру (на схеме на показан). Для работы с устройством используется внешнее программное обеспечение (ПО), установленное на персональном компьютере, которое позволяет настраивать параметры устройства для передачи сигнала: частоту сигнала электромагнитного канала, форматы кадров и другое. ПО позволяет считывать содержимое FLASH-памяти устройства для передачи сигнала, отображать, отфильтровать данные, сохранять их в файл, читать данные из файла, строить простейшую диаграмму по выбранным данным, копировать данные. Преимуществом данного устройства является его конструкция, состоящая из заменяемых блоков, в случае выхода из строя одного из элементов, нерабочий блок извлекается из корпуса устройства и заменяется на рабочий блок. Таким образом, обеспечивается ремонтопригодность телеметрической системы за счет модульной конструкции устройства для передачи сигнала.
Суть технического решения поясняется структурной схемой фиг.1, где изображен генератор 6, диэлектрический разделитель 7, мост силовой 8, датчик тока 9, датчик температуры 10, формирователь сигналов управляющих 11, фазоанализатор 12, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13, интерфейс последовательной ассиметричной шины 14, микроконтроллер 15, последовательный периферийный интерфейс 16, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 17, CAN-контроллер 18, энергонезависимая память EEPROM 19, источник питания 20, CAN-интерфейс 21, CAN-контроллер 22, микроконтроллер USB 23, источник питания 24, микроконтроллер 25, последовательный периферийный интерфейс 26, интерфейс ввода-вывода 27, последовательный периферийный интерфейс 28, энергонезависимая память EEPROM  29, FLASH-память 30, часы реального времени 31, параметрический стабилизатор 32, понижающий преобразователь 33, линейный стабилизатор с защитой по току 34, аккумуляторные батареи 35, линейный стабилизатор 36, линейный стабилизатор 37, широтно-импульсный модулятор 38, стабилизатор 39, коммутатор 40, АЦП 41, соединитель mini USB B 42.
Предлагаемое устройство для передачи сигнала работает следующим образом. Буровой раствор приводит в действие ротор генератора 6, обеспечивающего энергией электронные модули устройства для передачи сигнала (УПС). Сигналы передаются по электромагнитному каналу связи и принимаются на поверхности антенной, расположенной на некотором расстоянии от буровой. Передача ведется двоичным кодом (Манчестер 2) с фазовой модуляцией (фазовой манипуляцией) сигналов с частотой от 0,625 до 10 Гц. Для передачи информации в УПС используется несущая частота, модулированная по фазе шумоподобными сигналами (ШПС), т.е. сигналами, корреляционная функция которых подобна корреляционной функции шума и представляет собой короткий импульс. Фаза несущей частоты может изменяться на 180° (фазовая манипуляция). Нагрузкой моста силового 8 является диэлектрический разделитель 7 (диполь), одним плечом которого является буровая колонна выше разделителя, а другим – часть компоновки, расположенная ниже разделителя (на схеме не показаны). Микроконтроллер 15, управляя мостом силовым 8 (модулятором), осуществляет передачу кодированного сигнала, несущего навигационную и технологическую информацию, по электромагнитному каналу связи на устройство связи с объектом (на схеме не показан), где происходит прием и декодирование сигнала с передачей ее в компьютер. С датчика инклинометрического и гамма модуля (на схеме не показаны) информация через CAN контроллер 18 поступает на микроконтроллер 15, где преобразуется в кодированный сигнал. Передача ведется двоичным кодом (Манчестер 2) с фазовой модуляцией (фазовой манипуляцией) сигналов с частотой от 0,625 до 10 Гц.
При подаче бурового раствора в скважину генератор 6 вырабатывает напряжение U_GEN, питающее через датчик тока 9 мост силовой 8 и источник питания 3. Линейный стабилизатор с защитой по току 34 формирует магистральное питание U_PRIM, единое для всех узлов устройства для передачи сигнала и внешних электронных модулей. Напряжение U_PRIM с линейного стабилизатора с защитой по току 34 подается на линейный стабилизатор 36, который обеспечивает заряд аккумуляторных батарей и мониторинг тока заряда, а также вырабатывает напряжение I_CHARGE, пропорциональное току заряда аккумуляторных батарей 35. Напряжение I_CHARGE оцифровывается АЦП 41 микроконтроллера 25. Оцифрованное значение заносится во FLASH-память 30. Напряжение U_ACC аккумуляторных батарей 35, также оцифровывается АЦП 41 микроконтроллера 25, и полученное значение заносится во FLASH-память 30. Каждый раз, когда насосы останавливаются, пропадает напряжение генератора 6, или обороты генератора 6 падают ниже рабочего диапазона, выполняется замер «в статике». Электроника устройства начинает отсчитывать время статического замера после падения оборотов генератора 6 ниже 200 об/мин. Отсутствие напряжения, а также значение оборотов генератора 6 менее 200 об/мин является сигналом для перехода устройства для передачи сигнала в режим питания от аккумуляторных батарей 35. При этих условиях микроконтроллер 25 вырабатывает управляющий сигнал RECORD, который подаётся на линейный стабилизатор 37, вход которого подключен к аккумуляторным батареям 35. Линейный стабилизатор 37 выдает напряжение P_ACC уровнем 4,5 В, которое поступает на  коммутатор 40 и на широтно-импульсный модулятор 38, а также формирует напряжение I_ACC, пропорциональное току заряда аккумуляторных батарей 35, которое оцифровывается АЦП  41 микроконтроллера 25. Оцифрованное значение I_ACC заносится во FLASH-память 30.  В этом режиме поддерживается напряжение U_PRIM в течение 2 мин. В течении этого времени считываются данные статических замеров с датчика инклинометрического (на схеме не показан), которые записываются во FLASH-память 30. Для формирования требуемой величины напряжения U_PRIM от аккумуляторных батарей 35 служит широтно-импульсный модулятор 38 и стабилизатор 39. Коммутатор 40 формирует напряжение U_RECORD для питания микроконтроллера 25. Формирователь питающих напряжений 4 вырабатывает питающее напряжение U_PRIM, подаваемое на источник питания 20 микроконтроллера 15. Питающее напряжение U_RECORD, для питания микроконтроллера 25 поступает с выхода коммутатора 40 на источник питания 24. Также на источник питания 24 поступает напряжение +5V USB при подключении к устройству для передачи сигнала кабеля USB-интерфейса (на схеме не показан) через соединитель mini USB B 42. Напряжение U_POW с силовой обмотки генератора 6 поступает через датчик тока 9 на мост силовой 8, на формирователь управляющих сигналов 11 и на фазоанализатор 12, который формирует сигналы, служащие для определения частоты вращения генератора 6. Формирователь управляющих сигналов 11 выдает сигналы, служащие для включения симисторов моста силового 8. Модули аналого-цифрового преобразования (АЦП) 13, 17 и 41 предназначены для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму, с последующей обработкой и передачей в микроконтроллеры 15 и 25. На АЦП 17 микроконтроллера 15 поступают напряжения: U_GEN – напряжение приборной обмотки генератора 6, U_L - напряжение нагрузки, U_DC – напряжение питания электроники, для оцифровки и записи и передачи данных через CAN-контроллер 18 через CAN-интерфейс 21 на CAN-контроллер 22.  Датчик тока 9 вырабатывает аналоговый сигнал CUR_SENS, пропорциональный току нагрузки, который оцифровывается АЦП 17 микроконтроллера 15. Микроконтроллер 15 обменивается данными по CAN-интерфейсу 21 с микроконтроллером 25, а также с внешними устройствами. Микроконтроллер 15 имеет внешний четырехканальный АЦП 13, который соединен с ним через интерфейс последовательной асимметричной шины 14. Напряжение T°C с датчика температуры 10 и напряжение I_VDC с линейного стабилизатора с защитой по току 34 оцифровывается АЦП 13 и через интерфейс последовательной асимметричной шины 14 поступают на микроконтроллер 15. Линейный стабилизатор с защитой по току 34 вырабатывает напряжение U_PRIM, а также напряжение I_VDC, пропорциональное приложенному к нему току нагрузки. Данные конфигурации Микроконтроллера 15 хранятся в энергонезависимой памяти EEPROM  19. Обмен данными между микроконтроллером 15 и энергонезависимой памятью EEPROM 19 осуществляется через последовательный периферийный интерфейс 16. Данные конфигурации Микроконтроллера 25 хранятся в энергонезависимой памяти EEPROM 29. Обмен данными между микроконтроллером 25 и энергонезависимой памятью EEPROM 29 осуществляется через последовательный периферийный интерфейс 26. Микроконтроллер 25 через внутренний АЦП 41 получает параметры: напряжения U_PRIM, U_ACC, а также значения тока заряда аккумуляторных батарей I_ACC и тока заряда аккумуляторных батарей I_CHARGE. Все считанные данные хранятся во FLASH-памяти 30. Обмен данными между микроконтроллером 25 и FLASH-памятью 30 происходит через 8-разрядный параллельный интерфейс ввода-вывода 27. Устройство для передачи сигнала имеет часы реального времени 31, которые получают питающее напряжение от аккумуляторных батарей 35. Обмен данными между часами реального времени 31 и микроконтроллером 25 происходит через последовательный периферийный интерфейс 28. При появлении напряжения питания микроконтроллеры 15 и 25 начинают работать по программе, записанной в их внутренней FLASH-памяти. Микроконтроллер 25 контролирует процесс заряда-разряда аккумуляторных батарей 35. При достижении полного заряда аккумуляторных батарей микроконтроллер 25 дает команду на прекращение подачи тока заряда. При уменьшении напряжения на аккумуляторах микроконтроллер 25 дает команду на возобновление поступления тока заряда. Текущие параметры аккумуляторов: напряжение, ток заряда-разряда записываются во FLASH-память 30. Обмен информацией между микроконтроллером 15 и микроконтроллером 25 осуществляется по CAN-интерфейсу 21. Микроконтроллер USB 23 через соединитель mini USB B 42 подключается к персональному компьютеру (на схеме не показан). Для программирования и считывания информации с устройства для передачи сигнала используется USB-подключение к персональному компьютеру (на схеме на показан). Для работы с устройством используется внешнее программное обеспечение (ПО), установленное на персональном компьютере, которое позволяет настраивать параметры устройства для передачи сигнала: частоту сигнала электромагнитного канала, форматы кадров и другое. ПО позволяет считывать содержимое FLASH-памяти устройства для передачи сигнала, отображать, отфильтровать данные, сохранять их в файл, читать данные из файла, строить простейшую диаграмму по выбранным данным, копировать данные. Полезная модель позволяет повысить надежность, ремонтопригодность устройства для передачи сигнала. Современные схемотехнические решения увеличивают надежность устройства. Хранение значительного объема информации во внутренней FLASH-памяти обеспечивают возможность анализа процессов, происходящих в устройстве для передачи сигнала во время бурения.
Совокупность признаков нова и позволяет обеспечить  ремонтоспособность и увеличить скорость ремонта устройства для передачи сигналов за счет его модульной конструкции.