测量与设备
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。
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。
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
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
测量与设备
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。
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
。
图4
个不同宽度的单稳脉冲。输出CLK 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
。
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
二、数据采集部分的单片机实现1. 单片机接口电路
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
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TTL 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
测量与设备
进行去抖, 该电路输出脉冲CLK 即送给单片机外部中断INTO , 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AT89C52的RXD 、TXD 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。
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。
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个计数脉冲, 即±1. 28mm 。而对于轴系去抖后的计数误差, 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
参考文献
[1]谭延栋. 中国油气勘探测井技术的更新换代. 测井技术, 2000,
24(3) :163-167
[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
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。
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。
在对伸长量予以补偿后, 在该深度信号上还需加上井下仪器长度及在电缆施放前未进行计数的长度即可得到深度值, 该值可精确确定拍摄点的位置。
深度数据通常显示于图像区域以外, 在保存图像时, 将其叠加到图像中无重要信息的部位予以保存。这一工作是在视频图像处理部分完成的。
测量与设备
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。
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。
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
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
测量与设备
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。
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
。
图4
个不同宽度的单稳脉冲。输出CLK 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
。
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
二、数据采集部分的单片机实现1. 单片机接口电路
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
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TTL 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
测量与设备
进行去抖, 该电路输出脉冲CLK 即送给单片机外部中断INTO , 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AT89C52的RXD 、TXD 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。
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。
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个计数脉冲, 即±1. 28mm 。而对于轴系去抖后的计数误差, 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
参考文献
[1]谭延栋. 中国油气勘探测井技术的更新换代. 测井技术, 2000,
24(3) :163-167
[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
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。
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。
在对伸长量予以补偿后, 在该深度信号上还需加上井下仪器长度及在电缆施放前未进行计数的长度即可得到深度值, 该值可精确确定拍摄点的位置。
深度数据通常显示于图像区域以外, 在保存图像时, 将其叠加到图像中无重要信息的部位予以保存。这一工作是在视频图像处理部分完成的。