钻井钻头数据采集系统及采集记录器技术方案

本发明专利技术属于钻井钻头力学环境测量技术领域，具体涉及一种钻井钻头数据采集系统及其使用方法、采集记录器。钻井钻头数据采集系统包括采集记录器、测试计算机、供电系统和信号系统。采集记录器用于完成传感器信号的转换以及结果数据的存储、发送功能；测试计算机用于设置采集记录器的参数，并从采集记录器中获取数据；供电系统为采集记录器供电；信号系统为采集记录器提供信号。在使用时，需在安装前进行调试校准，然后再进行安装。采集记录器由多通道信号适配模块、模数转换器、存储单元、电源管理模块、内置通讯管理单元的控制CPU组成。本发明专利技术有益效果为：更采集记录器加小型化，可靠性更高，应用针对性更强，填补了该测量领域的空白。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于钻井钻头力学环境测量
，具体涉及一种钻井钻头数据采集系统。
技术介绍
钻井钻头数据采集系统安装在钻井钻头内，主要用于在钻井钻头工作过程中的力学环境测量。由于钻井钻头处工作环境恶劣，不但需要高速旋转，而且存在高振动、高冲击并处于高温环境，对钻井钻头的力学环境测量设备的环境适应性提出了严苛的要求。其次，由于钻井钻头本身空间有限，在不影响钻头自身结构强度的情况，提供给传感器和测量设备的安装空间非常有限。再者，一个钻头的工作寿命较长，往往要几天的时间，而钻头的旋转使供电成了难题。因此，在这一背景下，亟需研制一种钻井钻头数据采集系统以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述技术问题，提供一种小型化、低功耗、抗冲击振动环境能力强的钻井钻头数据采集系统。实现本专利技术目的的技术方案为:一种钻井钻头数据采集系统，包括采集记录器、测试计算机、供电系统和信号系统。采集记录器在调试时通过通讯电缆与测试计算机、供电信息和信号系统相连，通过测试计算机设置采集记录器的参数；在使用时与供电系统、信号系统相连，用于完成信号系统信号的转换以及结果数据的存储；在使用完毕后与测试计算机相连，将存储的数据发送给测试计算机；测试计算机在调试时通过通讯电缆与采集记录器相连，用于设置采集记录器的参数；在使用完毕后通过通讯电缆与采集记录器相连，读取采集记录器中记录的数据；供电系统通过供电电缆与采集记录器相连，用于向系统供电，包括电池或桌面线性电源，在调试时桌面线性电源通过供电电缆与采集记录器连接；在使用时电池通过供电电缆与采集记录器连接；信号系统通过信号电缆与采集记录器连接，为采集记录器提供信号，包括传感器及安装在传感器上的激振器或标准信号源；在调试时，将标准信号源与采集记录器连接用于调试采集记录器，再将传感器、激振器与采集记录器连接用于调试传感器；在使用时，将传感器与采集记录器连接。所述采集记录器包括多通道信号适配模块、模数转换器、存储单元、电源管理模块、内置通讯管理单元的控制CPU，采集记录器具有金属外壳；多通道信号适配模块包括多个并列设置的信号适配模块，每个信号适配模块通道包括依次串联的电荷放大器、增益放大电路和低通滤波电路。多通道信号适配模块将传感器信号转换成电压信号，经增益放大电路放大到模数转换的合适输入电压，再经低通滤波电路后送至模数转换器；模数转换器将模拟信号转换成数字信号后，在高速控制CPU的控制下，将数据快速保存在存储单元中；数据采集存储完成后，在高速控制CPU的控制下，通过芯片内置的通讯接口，可将存储单元中的数据上传到测试计算机中；在测试计算机中可以对数据进行显示、处理、分析、打印等操作；电源管理模块提供所有器件所需的工作电压。信号适配模块前端为电荷信号输入，其信号输入端为一电荷放大器。电荷放大器将电荷转换成电压信号供后级电路做增益控制及低通滤波。电荷放大器包含隔直电路，其电路如图4所示，其最低截止频率根据需要设定，设定幅度一般为0.1Hz?1Hz。本专利技术的钻井钻头数据采集系统的使用方法包括如下步骤:第I步，用户通过连接测试计算机、采集记录器、标准信号源和小型激振器，对采集记录器及传感器进行标校和检定；以确保设备工作正常；第2步，用户连接测试计算机和采集记录器，启动测试计算机的控制软件，设置采集记录器参数，查询采集记录器记录状态，清除数据，使采集记录器进入待采集状态；第3步，用户将采集记录器、电池、传感器安装在钻井钻头内部，打开电源开关，使采集记录器进入工作状态，然后安装钻头，开始钻井工作；第4步，待钻井工作完成或钻头损坏，拆下钻头，取出采集记录器、电池、传感器；第5步,连接测试计算机和采集记录器,检查采集记录器工作状态,读取采集记录器内记录的数据；第6步，分析处理已采集的数据，出具测量结果。进一步地，所述步骤3还包括:在安装采集记录器时采取隔热处理措施。上述隔热处理措施包括:一是在安装采集记录器时在采集记录器金属外壳内部进行灌封，灌封材料为绝热有机材料；二是在采集记录器金属外壳外部涂抹热源反射涂层。本专利技术的有益效果在于:钻井钻头数据采集系统在为单位提升技术水平、扩充产品系列、创造经济效益的同时，也为用户单位带来显著的经济与社会效益。与以往测试设备相比，该采集记录器更加小型化，可靠性更高，应用针对性更强，且填补了该测量领域的空白。钻井钻头数据采集系统的实施效果表明，小型化、低功耗、高可靠的设计方案迎合了用户和市场的需求，能较好的满足用户的使用要求，具有良好的经济和社会效益。【附图说明】附图1为本专利技术的钻井钻头数据采集系统组成示意图；附图2为图1中钻井钻头数据采集系统安装位置示意图；附图3为采集记录器工作原理图；附图4为电荷放大器典型电路示意图；附图5为采集记录器绝热设计示意图；图中，1-采集记录器，2-测试计算机，3-电池，4-传感器，5-电池仓，6_传感器仓，7-仪器仓，8-钻头钻杆。【具体实施方式】下面以为例，结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述。—种钻井钻头数据采集系统，包括采集记录器、测试计算机、供电系统和信号系统，如图1所示。采集记录器在调试时通过通讯电缆与测试计算机、供电信息和信号系统相连，通过测试计算机设置采集记录器的参数；在使用时与供电系统、信号系统相连，用于完成信号系统信号的转换以及结果数据的存储；在使用完毕后与测试计算机相连，将存储的数据发送给测试计算机；测试计算机在调试时通过通讯电缆与采集记录器相连，用于设置采集记录器的参数；在使用完毕后通过通讯电缆与采集记录器相连，读取采集记录器中记录的数据；供电系统通过供电电缆与采集记录器相连，用于向系统供电，包括电池或桌面线性电源，在调试时桌面线性电源通过供电电缆与采集记录器连接；在使用时电池通过供电电缆与采集记录器连接；信号系统通过信号电缆与采集记录器连接，为采集记录器提供信号，包括传感器及安装在传感器上的激振器或标准信号源；在调试时，将标准信号源与采集记录器连接用于调试采集记录器；再将传感器、激振器与采集记录器连接用于调试传感器，由激振器用于产生标准振动信号源，以模拟现场振动环境；在使用时，将传感器与采集记录器连接。使用时，在接收到测试计算机发出的采集启动指令或手动的采集触发指令后，采集记录器开始将传感器发来的信号采集并记录在采集记录器的存储单元中；在满足采集时间要求或系统断电后，采集记录器停止采集。测试计算机连接采集记录器时，可读取采集记录器存储单元中的数据并进行解析处理，数据可在测试计算机上用波形显示或打印。上述信号系统和供电系统中采用的设备均为现有设备。传感器的种类很多，由信号输出方式看主要有内置集成电路的压电式加速度传感器和电荷型传感器。鉴于使用体积局限、功耗要求以及测量需要,本实施例中的钻井钻头数据采集系统采用电荷型的3轴加速度传感器。在供电系统设备的选取上，如果系统工作电流可控制在20mA左右，要满足20mA电流工作200小时，系统供电电池的容量需要在4Ah以上，而且由于系统在高温约150°C下工作，因此采用普通的可充电电池将无法满足需求。以目前大容量可充电锂电池较常使用的型号18650为例，其容量为2Ah、体积为Φ 18X65mm、使用温度O?40°C，无论从温度、容量或者从体积上均无法满足使用要求。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钻井钻头数据采集系统，其特征在于：包括采集记录器、测试计算机、供电系统和信号系统；采集记录器在调试时通过通讯电缆与测试计算机、供电信息和信号系统相连，通过测试计算机设置采集记录器的参数；在使用时与供电系统、信号系统相连，用于完成信号系统信号的转换以及结果数据的存储；在使用完毕后与测试计算机相连，将存储的数据发送给测试计算机；测试计算机在调试时通过通讯电缆与采集记录器相连，用于设置采集记录器的参数；在使用完毕后通过通讯电缆与采集记录器相连，读取采集记录器中记录的数据；供电系统通过供电电缆与采集记录器相连，用于向系统供电，包括电池或桌面线性电源，在调试时桌面线性电源通过供电电缆与采集记录器连接；在使用时电池通过供电电缆与采集记录器连接；信号系统通过信号电缆与采集记录器连接，为采集记录器提供信号，包括传感器及安装在传感器上的激振器或标准信号源；在调试时，将标准信号源与采集记录器连接用于调试采集记录器，再将传感器、激振器与采集记录器连接用于调试传感器；在使用时，将传感器与采集记录器连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉玺，李雅梅，李铁康，
申请(专利权)人：北京航天斯达新技术装备公司，北京强度环境研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11