電子隨鉆測斜儀電路設計范文

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摘要：電子隨鉆測斜儀是一種集機械、電子和鉆井液脈沖技術為一體,利用高精度雙軸SCA100T傾角傳感器和C8051F020單片機來測量井斜的儀器。其工作原理為:通過高精度傾傳感器測量井斜,測得的井斜信息由控制機構傳遞給脈沖信號發生裝置,該裝置發出的信號通過鉆井液以壓力脈沖的形式傳遞給立管上的壓力傳感器,接收的信號由電子記錄儀記錄,根據記錄的脈沖信號讀出井斜角。

關鍵詞：測斜儀隨鉆測量傾角傳感器單片機

1前言

目前井斜測量大多采用測斜儀，測斜儀有照相式單多點測斜儀、電子單多點測斜儀、有線隨鉆測斜儀、無線隨鉆測斜儀等[1-2]。其中自浮式測斜儀應用最為廣泛，但不能隨鉆測量，測斜時需要將其放入鉆柱內部，泵送至井底，測斜完成后再停泵，工具靠浮力浮到井口，將測斜儀拆開讀出井斜，測斜時間比較長。而易斜區塊井需要測斜的次數較多，增加了測斜的時間和鉆井周期。此外隨著井深增加，當超過1500m后或鉆井液粘度高時，采用自浮式測斜儀容易發生不能自浮到井口，只能起鉆的問題。

國內勝利鉆井院研制了機械式隨鉆測斜儀，其工作原理是采用重錘和階梯環結構測量井斜，用脈沖頭過節流環的結構發送脈沖信號，由地面接收儀器記錄并讀出井斜[3]。該工具具有抗高溫、隨鉆測量和操作簡單等優點，經過近8年的不斷優化改進日趨成熟。我院于2006年開始研制機械式隨鉆測斜儀，經歷了多次的現場試驗與優化改進，測斜儀能夠實現隨鉆測量功能，達到測斜工藝要求。

但機械式隨鉆測斜儀由于采用機械的結構測量井斜，井斜的精度較低（最高精度為±0.5°），井斜范圍有限（0～10°），只能適用于直井的鉆井工作條件，此外機械式測斜儀不能測量方位，不適應于定向井、水平井造斜和定向的測斜要求。

因此提出了“電子隨鉆測斜儀”的課題，采用傾角傳感器測量井斜，采用脈沖發生器發送脈沖波，由地面儀器解讀成井斜數值。具有測量精度高（±0.1°）、測量井斜范圍大（0～90°）、工具成本低等優點。在海拉爾等易斜區塊可實時監測井斜情況，井斜稍有增加，即可采取糾斜措施，有效避免了井斜發生；在定向井中可測井斜和方位并隨鉆監控，降低測斜勞動強度，提高工作效率。

2測斜儀結構設計

2.1結構及原理

電子測斜儀由上接頭、本體、脈沖頭、控制模塊等零部件組成，（如圖1所示）。上接頭（1）與本體（3）連接扣型為NC50鉆桿扣，由控制模塊（14）中的傾角傳感器測量井斜和方位后，控制步進電機旋轉一個角度α°，帶動旋轉盤（10）同樣轉動α°，旋轉盤（10）帶動導桿（6）旋轉α°，使導桿（6）上的鍵進入控制內筒（9）上的鍵槽內，停泵后彈簧（8）推動脈沖頭（5）上行到相應的節流環（4）處，再次開泵脈沖頭（5）下行壓縮彈簧（8），測斜儀復位，進行下次測量工作。

123456789101112131415161718

圖1電子隨鉆測斜工具結構圖

1-上接頭；2-擋環；3-本體；4-節流環；5-脈沖頭；6-導桿；7-彈簧扶正套；8-彈簧；9-控制內筒；10-旋轉盤；11-阻尼閥；

12-內筒；13-步進電機；14-控制模塊；15-電池；16-平衡活塞；17-電池管；18-懸掛體。

圖2導桿和控制內筒

圖3控制內筒鍵槽

1）導桿及控制內筒設計

如圖1、2所示，導桿（6）上有一個鍵，控制內筒（9）上有10個鍵槽，每個鍵槽深度不同，電子測斜儀就是控制導桿（6）插入控制內筒（9）的相應鍵槽，上升的行程不同，則脈沖頭處于節流環（4）中的位置也不同，開泵時就會產生相應的脈沖波。

2）脈沖信號發生器的設計

開泵后脈沖頭在鉆井液壓力的作用下下行，脈沖頭在節流環上部時泵壓降低（如圖4），脈沖頭在節流環處（如圖5）泵壓升高，經過幾個節流環就產生了相應數量的脈沖波，由地面接收記錄儀監測出波的數量，轉化成井斜值。

電子測斜儀設計10個節流環，依次從1至10個脈沖波，分2次開泵，測量精度（±0.1°）、測量井斜范圍（0～90°）。如表1所示，以此類推至90°。

圖4脈沖頭在節流環上部

圖5脈沖頭在節流環處

表1脈沖波對應井斜數值

第一次開泵脈沖波數量第二次開泵脈沖波數量井斜度數第一次開泵脈沖波數量第二次開泵脈沖波數量井斜度數

1100.0°2101.0°

10.1°11.1°

20.2°21.2°

30.3°31.3°

40.4°41.4°

50.5°51.5°

60.6°61.6

70.7°71.7°

80.8°81.8°

90.9°91.9°

此外在直井中可根據井深降低井斜測量精度到±0.5°和降低測量范圍（0～5°），如表2所示。

表2脈沖波對應井斜數值

開泵脈沖波數量12345678910

井斜度數0.5°1°1.5°2°2.5°3°3.5°4°4.5°5°

3電子測量模塊設計

本文設計的電子測量模塊應用現代傳感技術、電子技術和計算機技術，核心部件采用高精度雙軸SCA100T傾角傳感器和高性能單片機C8051F020，儀器具有較高的測量精度、較好的抗震性和可靠性。3.1系統組成

圖6電路系統總體設計

根據不同的功能，系統可分為電源模塊，傳感器模塊，核心控制模塊，調試接口，通訊模塊，軟件模塊。電源模塊給系統中的芯片提供+5V和+3V電源，核心控制采用C8051F020單片機，通過芯片內嵌的軟件和通信模塊把測量的數據傳遞給上位機。如圖6所示。

3.2SCA100T傳感器簡介

SCA100T高精度雙軸傾角傳感器是芬蘭VTI公司2005年最新推出的一種傳感器（如圖7）,它利用了MEMS（microelectromechanicalsystem）技術開發生產，其體積小、重量輕。該器件內部包含了一個硅敏感微電容傳感器和一個ASIC專用集成電路，ASIC電路集成了EEPROM存儲器、信號放大器、AD轉換器、溫度傳感器和SPI串行通信接口，組成了一個完整的數字化傳感器。有土30度士90度兩種量程，測量范圍為1g，應用在測斜儀中，具有過阻尼敏感元，能避免振動的影響。通過使用單獨的溫度補償，以及通過補償傾斜面中的角度安裝誤差，能使測量非常準確。SCA100T傾角傳感器采用量程為±90°時，其特點為[4-5]：

1）雙軸傾角傳感器；

2）測量范圍1g（±90°）；

3）內置溫度傳感器；

4）長期穩定性能指標優于0.02°，抗沖擊能力強；

5）高分辨率，低噪聲，工作溫度范圍寬(-400C-1250C)；

6）有過阻尼感應元件，能夠承受大于20000g的機械振動。

3.3測量原理

SCA100T是一種靜態加速度傳感器，當加速度傳感器靜止時(也就是側面和垂直方向沒有加速度作用)，作用在它上面的只有重力加速度，利用重力〔垂直)和加速度傳感器靈敏軸的相對關系測量傾斜角.

SCA100T型傾角傳感器的工作原理就是利用測量重力加速度的分量來測量傾角，當傳感器靜止時，即沒有水平或垂直方向的加速度時，重力加速度方向和傳感器靈敏軸的夾角就是傾角。當SCA1OOT的傳感軸與重力矢量垂直，即與水平面平行時，SCA1OOT對斜度十分靈敏。在這個方向上，SCA1OOT對傾斜度變化的靈敏度最高，而當SCA1OOT的傳感軸與重力方向一致，即在士1g時，對傾斜度變化的靈敏度最低。

傾角傳感器SCA100T的傳感軸安裝為與測斜儀軸向垂直，采用雙軸測量值合成來計算傾斜角，在小傾角測量時，具有高分辨率和高精度的特點。該傳感器的每個軸可以檢測1-90度之間的傾角，所對應的輸出電壓為0.5-4.5V。該傳感器是一種極距變化型電容式傳感器，根據所受重力的大小而改變其電容兩極板間的距離，從而改變其電容的大小，最終引起輸出電壓的變化。VTI的硅電容式傳感器由一對平行板組成，在發生傾角變化時質量塊受到重力作用，改變了平行板間距引起電容量變化，從而測量出角度變化。假設，分別表示SCAl00T的X軸和Y軸傾角變化的情況.

加速度敏感軸信號輸出與重力加速度之間關系如下:

（1）

（2）

其中，和代表加速度傳感器的輸出，g是以重力作為參考的加速度值。假設作為井斜角，在傳感器上建立如圖8所示的附體坐標系，根據剛體坐標變換原理求得值。

圖8水平放置方法

=

=（3）

其中為坐標變換矩陣

由于：

（4）

則：

，（5）

3.4電路設計

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根據各項功能模塊的具體要求，對電路進行了詳細設計，電路圖如圖9所示

（一）C8051F單片簡介

圖10C8051F020單片機

C8051F單片機是美國Silabs公司推出的一種與51系列單片機內核兼容的單片機（如圖10），具有高速、高性能、高集成度。以C8051F020為例，具有如下特點[6]：

C8051F020片上系統單片機片內資源：

1）模塊外設

(1)逐次逼近型8路12位ADC0；轉換速率最大100ksps；可編程增益放大器PGA；溫度傳感器；

(2)8路8位ADC1輸入與P1口復用；轉換速率500ksps；可編程增益放大器PGA；

(3)兩個12位DAC；

(4)兩個模擬電壓比較器；

(5)電壓基準內部提供2.43V；外部基準可輸入；

(6)精確的VDD監視器；

2）高速8051微控制器內核

流水線式指令結構，速度可達25MIPS；22個矢量中斷源

圖9電路總圖

3）存儲器

片內4352字節數據RAM；64KBFlash程序存儲器可作非易失性存儲；外部可擴展的64KB數據存儲器接口

4）數字外設

8個8位的端口I/O；I2CSPI2個增強型UART串口；可編程的16位計數器/定時器陣列(PCA)；5個通用16位計數器/定時器；專用的看門狗WDT

5）JTAG調試和邊界掃描接口，可實現在線實時動態調試。

由以上特點可以看出，C8051F單片機具有豐富的片上硬件資源及高運算速度，這為實現復雜的控制算法提供了保障，而且幾乎不需系統擴展即可滿足控制系統對硬件資源的需求，極大地提高了系統可靠性。

（二）電源電路

本系統的絕大多數芯片使用3V和5V電源，如C8051F020、SCA100T、MAX232ACSE的電源等。嵌入式控制系統的MCU一般都需要一個穩定的工作電壓才能可靠工作。如果采用線性穩壓器件作為電壓調節，將較高的直流電壓轉變MCU所需的工作電壓，則這種線性穩壓電源的線性調整方式在工作中會大的“熱損失”，其工作效率僅為30%～50%，從而使嵌入式控制系統的穩定性能變得更差。

圖11電源電路

而開關型電源調節器件則以完全導通或關斷的方式工作。因此，工作時要么是大電流流過低導通電壓的開關管、要么是完全截止無電流流過。因此，開關穩壓電源的功耗極低，其平均工作效率可達70%～90%。在相同電壓降的條件下，開關電源調節器件與線性穩壓器件相比具有少得多的“熱損失”。因此，開關穩壓電源可大大減少散熱片體積和PCB板的面積，甚至在大多數情況下不需要加裝散熱片，從而減少了對MCU工作環境的有害影響。

采用開關穩壓電源來替代線性穩壓電源作為MCU電源的另一個優勢是：開關管的高頻通斷特性以及串聯濾波電感的使用對來自于電源的高頻干擾具有較強的抑制作用。此外，由于開關穩壓電源熱損失的減少，設計時還可提高穩壓電源的輸入電壓，這有助于提高交流電壓抗跌落干擾的能力。

考慮各種電源的綜合功耗等因素，5V電源采用功率較大的LM2576系列開關型直流穩壓電源，LM2576系列開關穩壓集成電路是線性三端穩壓器件，它具有可靠的工作性能、較高的工作效率和較強的輸出電流驅動能力，從而為MCU的穩定、可靠工作提供了強有力的保證。3V電源需要功率小，采用AMS1117串連型直流穩壓電源。另外為了以后擴展考慮，該系統還專門為AD設計了模擬3V和5V模擬電源，模擬電源和數字電源利用電感隔離，模擬地和數字地單點接地并利用電感隔離。LM2576為寬電源輸入，輸入電壓范圍為7V~40V，AMS1117的輸入電源可直接利用LM2576的5V輸出電源。在輸入端和公共地之間加上一個100F的電解電容，用來濾去電源輸入端大的紋波，使輸入電壓穩定；輸出端電容用來改善輸出電壓紋波特性。電源電路如圖11所示。

（三）晶振電路

C8051F020已經內置RC振蕩線路，可以產生2M、4M、8M的振蕩頻率。不過，內置的畢竟是RC振蕩，在一些要求較高的場合，比如要與RS232通信需要比較精確的波特率時，建議使用外部的晶振線路。查使用手冊，晶振選擇11.059MHz。如圖12為C8051F020的晶振電路。

圖12晶振電路

（四）復位電路

設計單片機電路時必須設計上電復位電路，使單片機從一個確定狀態，一個確定位置執行程序，另外由于干擾引起程序運行錯誤、死鎖時，也需要按鍵式單片機復位，所以復位是一個很重要的操作[7]。C8051F020已經內置了上電復位設計，但多數復位都是靠外部電路實現的，如圖13所示：需要接電阻到VCC。為了可靠，再加上電容以消除干擾、雜波。當C8051F020在工作時，按下按鍵開關時，復位腳變成低電平，觸發C8051F020芯片復位。

圖13復位電路

（五）串行通訊電路

為了和上位機通信，上下位機采用RS232通信標準。RS232是美國電子工業協會EIA制定的串行總線標準，適用范圍為通訊設備之間距離不大于15m，傳輸速率最大為20Kb/s。它既是一種電氣標準，又是一種物理接口標準。

由于RS-232信號的電平和單片機串口信號的電平不一致，所以必須進行二者之間電平轉換。在此使用的集成電平轉換芯片MAX232為RS232/TTL電平轉換芯片。它只使用單+5V為其工作，配接4個1F電容即可完成RS232電平與TTL電平之間的轉換。其電路原理圖如圖14所示。采用三芯傳輸，轉換完畢的串口信號TXD、RXD直接和上位機串口連接。

在串行通信中，核心元件C805IF020具有硬件實現的SPI，SMBus/I2C和2個UART串行接口，都可以進行數據的串行通信。本文采用UARTO口進行數據串行通信[8]。

圖14串行通訊電路

（六）傳感器連接電路

傳感器的連接采用C8051F020的SPI（SerialPeripheralInterface）串行接口,SPI串行接口為主-從工作模式,由一個主機和一個或幾個從機組成,主機是徽型計算機（單片機）,用于發送時鐘、命令和傳輸數據。在主-從工作模式中,傳感器SCA100T內部的專用集成電路（ASIC）始終是一種從機工作方式[9]。如圖15所示。

圖15傳感器連接電路

3.5軟件設計

軟件的開發調試使用新華龍公司的集成開發環境，SilicionLaboratories的開發工具實質上就是PC的IDE調試環境軟件及PC的RS232或USB口到C8051F單片機的JTAG口的協議轉換器的組合，適配器（EC2）一端與PC相連，另一端與C8051F單片機JTAG口相連，應用SilicionLaboratories公司提供的調試環境進行非侵入式全速的在系統編程（ISP）和調試。如圖16所示。

圖16軟件調試組成

程序采用C語言編寫，主要包括C8051F和SCA100T初始化程序，數據采集程序、串口通訊程序等，在SilicionLaboratories的開發環境中利用Keil工具源程序級調試，可單步運行、運行至斷點、有條件存儲器點(數據斷點)、寄存器數據存儲器以及程序存儲器的檢查與修改，界面如圖17所示。

圖17軟件調試界面

4結論

1）電子隨鉆測斜儀采用了傳統的機械結構與現代傳感器技術和電子技術相結合的方式，提高了測量精度，簡化了工具結構，縮短了測量時間；

2）儀器還有不完善之處，一些電路和機械結構還需要細化，一些電子元器件還需要進一步選擇，電路的抗干擾能力和抗震性能需要加強；

3）下一步儀器中可以添加磁通門傳感器，實現測量方位角等功能，增強儀器的功能和使用范圍。

參考文獻：

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[2]桂德洙.淺談鉆井測斜儀[J].石油鉆采工藝.1999，21（5）：45-49

[3]蔡文軍，王平.機械式無線隨鉆測斜儀結構原理及性能特點[J].石油機械.2005，33（9）：49-50

[4]孫汝建.基于SPI接口的雙軸SCA100T傾角傳感器及其應用方法[J].儀器儀表用戶.2006，13(4)：69-71

[5]芬蘭VTITechnologies公司.SCA100T系列雙軸傾角計[EB/OL].(2004-01-20)[2007-01-04]

[6]毛君，劉克銘，徐廣明.基于C8051F020單片機的串口通信應用[J].煤礦機械.2005（5）：79-81

[7]郭速學，朱承彥，郭楠.圖解單片機功能與應用[M].北京：中國電力出版社，2008.

[8]鮑可進.C8051F單片機原理及應用[M].北京：中國電力出版社，2006.

[9]VTITechnologiesDataSheetofSCA100TSeries

作者簡介：李華召.男.1978年3月出生.畢業于哈爾濱工程大學機械電子工程專業，從事鉆井工具研究工作。