СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ
METHOD AND DEVICE FOR SIGNALS TRANSMISSION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу передачи сигналов и устройству для осуществления этого способа.
Уровень техники
Существующие способы передачи сигналов, которые применяют для получения информации от скважинного датчика, например, в нефтегазодобывающей промышленности, основаны на передаче сигналов по соответствующим проводам. Такие провода должны проходить по всей длине скважины, в которой расположен датчик. Поскольку прокладка скважинных проводов связана с существенными расходами, для уплотнения сигналов скважинных датчиков желательно использовать другие провода, уже проложенные в стволе скважины.
Ранее было предложено использовать трехфазные провода, применяемые для питания забойных двигателей, находящихся в стволе скважины. Особенность трехфазного питания в симметричном режиме состоит в том, что после прохождения через электрическую нагрузку (такую как двигатель) провода можно заземлить в нейтральной точке. При отсутствии неисправностей трехфазного питания напряжение в нейтральной точке остается практически нулевым относительно потенциала окружающей земли или корпуса. В этом случае, используя три индуктивные нагрузки, можно сконструировать на поверхности зеркальное отражение нейтральной точки, и таким образом можно создать проводящий канал между нейтральными точками, находящимися на поверхности и в скважине, при этом сигнал обратной связи идет через обсадную или насосно-компрессорную колонну, находящиеся в стволе скважины. По этой цепи можно пересылать сигналы.
Однако в случае неисправности трехфазного питания (короткого замыкания) скважинная нейтральная точка может оказаться в условиях действия значительных напряжений. Соответственно, до соединения с сигнализирующей контрольно-измерительной аппаратурой в цепь последовательно с нейтральной точкой включают скважинную катушку индуктивности. В сочетании со скважинным конденсатором образуется низкочастотный фильтр, который ограничивает проникновение переменных токов высокого напряжения, питающих забойный двигатель. Это сочетание катушки индуктивности и конденсатора ограничивает скорость изменения посылаемого сигнала, а значит - и полосу пропускания данного канала передачи сигналов. Как правило, с учетом предполагаемого в данном случае напряжения необходима такая индуктивность, при которой минимальное время установления сигнала (успокоения колебательной системы) составляет порядка одной секунды. Иными словами, после скачка приложенного напряжения в скважинной нейтральной точке напряжение в наземной нейтральной точке будет оставаться нестабильным в течение примерно одной секунды, прежде чем оно установится на новом уровне. Напряжение, измеренное в течение этого периода времени в наземной нейтральной точке, будет значительно колебаться вследствие влияния катушки индуктивности.
В известных системах передачи сигналов, таких как система, описанная в патенте US-A-5539375, для кодирования информации используют уровни напряжения или тока, однако недостатком данных способов является длительное время установления сигнала, обусловленное упомянутыми катушками индуктивности, расположенными на пути прохождения сигнала. Кроме того, электрические помехи, обусловленные создаваемой мощностью насоса, могут вызывать отклонения уровней тока или напряжения, что ухудшает качество сигнала в случае применения аналоговых методов кодирования или снижает скорость передачи данных в случае применения цифровых методов кодирования.
Краткое изложение сущности изобретения
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является преодоление этого недостатка и создание системы передачи сигналов, способной разрешить проблему крайне низкого качества канала передачи, обеспечивающей приемлемую полосу пропускания и в значительной мере ослабляющей влияние электрических помех.
Таким образом, в изобретении предлагается система передачи электрических сигналов, модулятор, демодулятор, а также канал или путь передачи сигнала от модулятора к демодулятору, где модулятор выполнен с возможностью приема информации и генерирования переменного сигнала с повторяющимися нарастающими и спадающими фронтами, в которых закодирована информация, причем кодирование осуществляется посредством промежутков времени между следующими друг за другом нарастающими фронтами или следующими друг за другом спадающими фронтами, а демодулятор выполнен таким образом, чтобы обнаруживать фронт сигнала, сохранять запись сигнала вокруг этого фронта и сравнивать с этой записью последующую часть сигнала с возможностью обнаружения одноименного фронта и определения промежутка времени между одноименными фронтами.
В такой системе можно не определять точное положение фронта. Система лишь определяет, что в коротком временном интервале имел место фронт сигнала, и сохраняет запись особенностей сигнала, или образ сигнала, в этот период времени. Эта запись может иметь вид оцифрованной версии сигнала. Запись сравнивают с последующей частью сигнала, и если этот последующий сигнал отличается от записи лишь минимально (т.е. в пределах заданного допуска или предельной погрешности), система решает, что прошел второй одноименный фронт. Таким образом, хотя предлагаемая в изобретении система может определить точное положение фронта, а может и не определить, она точно определяет время задержки между соответствующими одноименными фронтами. Это дает необходимую информацию.
Канал передачи может быть неидеальным, например индуктивным, что не ухудшает эффективности такой системы, хотя и накладывает ограничения на доступную полосу пропускания. Система способна посылать распознаваемые сигналы по кабелю трехфазного питания. Подключенное к кабелю оборудование в общем случае создает шум, накладывающийся сверху на полезный сигнал, но система способна решить эту проблему, например, принимая наилучшую корреляцию между записанным ранее сигналом и формой текущего сигнала (сигналограммой).
Изобретение особенно подходит для применения в нефтегазодобывающей промышленности для передачи информации, поступающей от скважинных, или глубинных, датчиков. Сигналы, выдаваемые такими датчиками, проходят по протяженному каналу передачи данных, где часто применяются кабели, оптимизированные не по условию получения идеальных электрических характеристик, а для обеспечения работоспособности в жестких условиях окружающей среды.
Предпочтительно, чтобы демодулятор также обнаруживал разноименные фронты и затем определял промежуток времени (временной интервал) между ними. Таким образом, одновременно можно передавать два сигнала: один - посредством нарастающих фронтов, а другой - посредством спадающих фронтов.
Предпочтительно, чтобы чередующиеся уровни переменного сигнала были постоянными. При этом каждый нарастающий фронт будет идентичен следующему за ним нарастающему фронту, а каждый спадающий фронт будет идентичен следующему за ним спадающему фронту. Тем самым значительно улучшается способность точной корреляции форм фронтов (осциллограмм).
Ведя передачу в заданной последовательности, в передачу можно последовательно включить несколько источников данных. В этом случае начало последовательности может определяться передачей сигнала уникальной формы, не создаваемой ни одним набором данных. Для указания начала последовательности также может использоваться промежуточный уровень сигнала.
Данные можно подвергать цифровому кодированию с использованием т.н. "бинов", или ячеек, т.е. определенного интервала промежутков времени, которые соответствуют определенному значению входной информации. Например, конкретный результат измерений на выходе измерительного преобразователя можно кодировать в виде любого сигнала в интервале между 410 и 414 мс. В данном случае система будет стремиться послать сигнал 412 мс, и при условии, что коэффициент качества связи составляет менее 2 мс, а предпочтительно - менее 1 мс, принятый на поверхности сигнал не будет содержать неопределенности. Все бины могут быть одинаковой ширины или же иметь переменную ширину, чтобы обеспечивать максимальную точность системы в диапазоне обычных рабочих параметров.
Можно также использовать "двухбиновую" схему кодирования. Например, если желательно передать некоторое значение, к примеру 1057, первый сигнал может содержать указание на то, что передаваемое значение находится в интервале значений от 1000 до 1999, а второй сигнал - указывать 57, в отличие от 56 или 58. При сложении сигналов на выходе получаем искомое значение - 1057. При этом размеры бинов используются более эффективно. Схему кодирования можно организовать таким образом, чтобы сначала шел оцифрованный сигнал (как указано выше), указывающий грубый или приблизительный уровень (например, 1000, 2000, 3000 и т.д.) передаваемого значения, за которым следует другой сигнал (аналоговый или цифровой) для более точного или высокого разрешения. Это может принести значительную выгоду. Если, например, "шум" в системе передачи сигналов составляет 1 мс, а промежуток времени между фронтами измеренного сигнала колеблется от 1 до 2 секунд в зависимости от измеряемого сигнала, то результаты измерений в пределах от 0 до 10000 фунтов на кв. дюйм будут кодироваться во временном окне от 0 до 1000 мс при шуме 1 мс. В результате шум составит 10 фунтов на кв. дюйм. Если же сначала передать приблизительный уровень, указывающий на грубый интервал (0-999, 1000-1999 и т.д.), то последующему аналоговому сигналу достаточно перекрывать диапазон 0-1000 фунтов на кв. дюйм, а величина шума, следовательно, составит 1 фунт на кв. дюйм.
Краткое описание чертежей
Далее в качестве примера приведен вариант осуществления настоящего изобретения, рассмотренный со ссылкой на приложенные чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - система скважинной контрольно-измерительной аппаратуры,
на фиг.2 - сигнал, поступивший от системы скважинной контрольно-измерительной аппаратуры,
на фиг.3 - влияние шума на полученный сигнал,
на фиг.4 - процесс корреляции, и
на фиг.5 - импульс начала последовательности.
Подробное описание вариантов осуществления
На фиг.1 показан забойный двигатель 2, соединенный трехфазным силовым кабелем 13 с наземным изолированным источником 1 питания. Эту систему используют, чтобы помогать подъему нефти в скважине.
Скважинная контрольно-измерительная аппаратура, состоящая из скважинного электронного оборудования 7, датчиков 12, конденсатора 11, зенеровского диода 10 и катушки 9 индуктивности, присоединены к нейтральной точке 8 забойного двигателя 2.
Наземное электронное оборудование 5 присоединено к нейтральной точке 6, образованной путем объединения трех наземных катушек 3 индуктивности. Наземные катушки 3 индуктивности электрически связаны с кабелем 13 забойного двигателя.
Таким образом, как описано выше, скважинное электронное оборудование 7 способно обмениваться данными с наземным электронным оборудованием 5 через катушку 9 индуктивности, двигатель 2, кабель 13 и наземные катушки 3 индуктивности.
Наземное электронное оборудование 5 известными способами обеспечивает стабильное напряжение постоянного тока, а скважинное электронное оборудование 7 также известными способами потребляет регулируемое количество тока, которое регулируется электронным оборудованием 7. Изменения данного тока вызывают изменение тока, потребляемого от наземного электронного оборудования 5. Наземное электронное оборудование 5 контролирует этот ток.
Скважинное электронное оборудование 7 соединено с датчиками 12. Электронное оборудование 7 преобразует показания датчиков 12 в цифровую форму и затем кодирует их путем модуляции тока, после чего их воспринимает наземное электронное оборудование 5.
На фиг.2 показан принимаемый наземным электронным оборудованием 5 типичный сигнал тока, у которого нарастающий фронт 21 следует за нарастающим фронтом 20 через промежуток времени 22. С целью кодирования показаний первого датчика 12 промежуток времени 22 изменяют в пределах от 1,5 до 2,5 секунд. При этом нулевой сигнал от датчика 12 кодируют в виде 1,5-секундного интервала 22, а максимальный сигнал датчика 12 кодируют в виде 2,5-секундного интервала 22.
Аналогичным образом спадающий фронт 24 следует за спадающим фронтом 23 через промежуток времени 25. Промежуток времени 25 используют для кодирования информации, поступающей от второго датчика 12. Важно тщательно выбирать диапазоны промежутков времени 22 и 25, чтобы при любых значениях показаний датчиков 12 они были достаточными для записи фронтов до прихода следующего фронта.
На фиг.3 показано влияние на принимаемый сигнал электрического шума, т.е. шума, создаваемого при работе электротехнических устройств. Сигнал от скважинного электронного оборудования 7 искажен шумом, создаваемым источником 1 питания и двигателем 2.
Осциллограмма или форма сигнала, схожая с передним фронтом 20, обозначена позицией 30. Осциллограмма сигнала, схожая с передним фронтом 21, обозначена позицией 31.
Как показано на фиг.4, наземное электронное оборудование 5 оцифровывает осциллограммы 30 и 31 сигналов (последовательности импульсов) и пытается совместить в цифровом виде. На фиг.4 показана ситуация, когда это совмещение оказалось не совсем точным. Электронное оборудование 5 корректирует промежуток времени 22 между двумя осциллограммами 30 и 31, пока не будет достигнута наилучшая корреляция. Используемая при этом корреляционная функция заключается в том, что в каждой оцифрованной точке берут разность между двумя осциллограммами 30 и 31, после чего вычисляют среднеквадратичное значение этих разностей во всех оцифрованных точках. Затем наземное электронное оборудование 5 корректирует промежуток времени 22 таким образом, чтобы сделать это среднеквадратичное значение минимальным. Очевидно, что можно использовать и другие подходящие корреляционные функции.
На фиг.5 показано начало последовательности. Скважинное электронное оборудование 7 использует два дискретных уровня 51 и 52 тока. При этом формируются одинаковые осциллограммы 30 и 31, что позволяет достичь оптимальной корреляции одного фронта со следующим. Последовательность начинается с промежуточного уровня 50 тока. Промежуточный уровень 50 тока используют лишь для указания начала последовательности и не используют при последующей передаче данных.
Одна из особенностей описанной системы заключается в том, что общее время, необходимое для передачи полной записи, будет меняться в зависимости от значений сигнала. Например, если все измеряемые давления высоки, то все промежутки времени, которыми их кодируют, будут большими, а для передачи пакета результатов измерений давления потребуется большее время.
Хотя это и не является серьезной технической проблемой, иногда этого предпочтительно избегать. Один из способов заключается в том, что переменные сигналы кодируют по-разному. Так, первый сигнал можно кодировать более длительным промежутком времени, который соответствует более высоким значениям. Последующий сигнал можно кодировать противоположным образом, т.е. более длительным промежутком времени, который соответствует меньшим величинам. Поскольку показания давления, температуры и т.д. датчиков, расположенных вблизи друг друга, скорее всего, являются близкими, более высокое местное давление, температуру и т.д. кодируют в виде длительных промежутков времени, за которыми следуют короткие промежутки времени и т.д. Аналогичным образом низкое местное давление и т.д. кодируют в виде коротких промежутков времени, за которыми следуют длительные промежутки времени (или наоборот). За счет этого общее время, необходимое для передачи, является преимущественно постоянным.
Альтернативная корреляционная функция заключается в том, что в определенные моменты времени проверяются заданные значения сигнала. Этот момент(-ы) времени выбирается путем обращения к значению сигнала, например, при пересечении кривой сигнала одного или нескольких промежуточных или иных значений исходя из максимального или минимального уровней сигнала или осциллограмм максимального или минимального уровней и т.п. Для осуществления корреляции система сравнивает характеристики сигнала в определенные периоды времени или сравнивает периоды времени, в которые были обнаружены определенные характеристики сигнала.
Очевидно, что в описанный выше вариант осуществления могут быть внесены различные изменения, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.