Введение к работе
Доклад содержит основные результаты научно-исследовательских работ автора, связанных с разработкой новых телеизмерительных систем (ТИС) для промысловой геофизики и их практической реализацией в различных промыслово-геофиэических комплексах.
С многообразием физических свойств горных пород (глектри-ческих, ядерных, механических, молекулярных), изучением которых занимается промысловая геофизика, связано а многообразие каротажных измерительных систем. Работа автора направлена на создание таких систем, которые позволили объединить в единый комплекс все геофизические измерения, решающие определенную геологическую или технологическую задачу. Комплексирование геофизических измерений дает, при наличии бортовой ЭВМ, возможность решать геологические задачи непосредственно на скважине, что в конечном счете ведет к сокращению сроков ее строительства.
Содержательная часть доклада изложена по разделал, характеризующим направление исследований: каждый последующий раздел определяется результатами законченной части предыдущего раздела. Так, разработанные способы передачи информации определяют структуру ТИС, которая, в свою очередь, определяет направление исследования и разработки способов преобразования информации и технических средств для практической реализации ТИС.
Актуальность темы. В последние годы геофизические исследования скважин Ьополнились целым рядом методов и их модификаций, повышающих теологическую эффективность (пластовая накло-нометрия, поэлементная регистрация электрического каротажа, ядерно-магнитный каротаж, широкополосный акустический каротаж, комплексы радиоактивных методов), каждый из которых реализован в индивидуальных приборах. Использование этих методов в большой мере сдерживается из-за того, что каждый дополнительный метод требует и дополнительного времени на проведение измерений, что в конечном счете сказывается на сроках строительства скважин. В главном нефтедобывающем районе - Западной Сибири вопрос о сокращении времени на проведение каротажных работ стал более актуальным, чем вопрос о повышении их геологической эффективности. В ряде регионов с глубокоэалегаюшда; нефтяными шшогами тяжелые условия проводки глубоких я сверхглубоких скважин о применением вязких и тяжелых буровых раотворов ограничивают до
минимума время .пребывания скватшнного прибора у забоя. В результате зачастую в таких скважинах не удается провести более одной спуско-подъемной операции: комплекс проведенных измерений при этом резко ограничивается и ограниченные сведения о характере нефтяного пласта не позволяют создать оптимальный реяим добычи, что в конечном результате ведет к значительным потерям. Особенно остро эта проблема ощущается на месторождениях Алшерона и акватории Каспия.
Создание комплексов, которые позволили бы за одну спус-ко-подъемную операцию проводить весь комплекс исследований, во всем мире считается самой важной задачей промыслово-геофизиче-ского приборостроения. При этом комплексировать необходимо такие разнородные по своей физической сущности методы, как электрические, акустические, радиоактивные, проводить инклиномет-рию и вспомогательные измерения, облегчающие и уточняющие интерпретацию.
При современной элементной базе электронных схем, обеспечивающих практическую реализацию любых преобразований внутри скважинного прибора и термостатов, обеспечивающих их работоспособность в условиях высоких внешних температур, при разработанных каротажных компыотизированных лабораториях на основе бортовых ЭВМ к средств цифровой регистрации, основным сдерживающим фактором в создании высокопроизводительных геофизических комплексов оказалось ограничение на скорость передачи информации от скважинного прибора к наземной аппаратуре, связанное с параметрами физического канала связи.'Преодолеть эти ограничения без глубокого теоретического анализа канала связи п изыскания способов максимального использования его возмемюстеи" не представляется возможны:/.
Перечисленные проблемы, стоящие перед геофизическим приборостроением, характеризуют актуальность поставленной задачи и проведения описанных исследований и разработок.
Целью работы является создание высокопроизводительных ТИС для промысловой геофизики, которые позволили бы комплексировать большое количество разнообразных методов и реализовать разработанные ранее теоретически методы геофизических исследований, которые требуют.передачи больших массивов информации с большой скоростью.
Для достижения поставленной цели:
- проведен анализ физического канала связи и характера
помех, действующих на входе приемной части аппаратуры,
проведен анализ сигналов и определены их оптимальные параметры с точки зрения максимума скорости передачи информации,
рассмотрены способы реально реализуемой оптимальной фильтрации для оптимальных параметров сигналов,
на основе теоретических исследований предложены технически реализуемые способы передачи информации от скважинного прибора к наземной аппаратуре,
разработаны структуры ТИС и ряд узлов аппаратуры, обеспечивающих необходимые метрологические характеристики с учетом ограничений, которые накладывают особенности промыслово-геофя-зических исследований скваші,
разработан ряд приборов для геофизических исследований скважин, которые прошли Государственные приемочные испытания и приняты к серийному производству.
Научная новизна исследований заключается в разработке теоретических предпосылок для создания научно обоснованных способов и средств преобразования и передачи измерительной информации в ТИС промысловой геофізики, вносящих значительный вклад з решение важнейших прикладных задач. При этом:
предложена математическая модель канала связи,
введено понятие потенциальной пропускной способности канала связи и получены зависимости для параметров сигнала, обеспечивающих потенциальную пропускную способность при заданных параметрах физического канала связи а уровне помех,
предложена методика расчета параметров реальных сигналов, обеспечивающих максимум скорости передачи информации,
предложены новые способы передачи информации и на их основе построены структуры ТИС, позволивших максимально использовать возмо.тшостя физического канала связи между скважиной и наземной частью ТИС,
предложеп метод синтеза разнообразных временных резис-тивно-емкостных преобразователей решением обратной задачи, позволивший создать ряд устройств, многие из которых признаны оригинальными.
Практическая ценность работы определяется внедрением в промышленность законченных ОКР: наземный комплекс АСГП-Н (Аг-регатированная система геофизических приборов), ТУ 39-01-09-712-81, регистрационый В ВИФС 2240735, комплексные приборы
АСГП: К1А-723, ТУ 39-01-09-300-82, регистрационный # ВИФС Я351906, ИК1А-723, ТУ 39-1125-86, регистрационный № ВИФС 056/001076, образцовое средство измерений "Генератор ГВП"(генератор пар видеоимпульсов и помехи), ТУ 39-01-763-82, регистрационный № ВИФС 2279579, апг ігура КСП-Б 32-73-125/80, изготавливаемая по ТЗ 39-01-С 9. Суммарный экономический эффект по этим приборам сост в~>;ет 3,5 млн.р. (в ценах 1939 г.). В касгояцее время с применением изложенных в работе принципов разрабатываются;, аппаратура электромагнитного каротажа "ТШГ (ІШФ "Геофизика", г. Уфа), аппаратура ядерно-магнитного каротажа (АзНИИГеофпзика, г. Баку), комплексная аппаратура для геофизических исследований морских скваяин (Бакинский отдел ШФ "Геофизика", г. Баку).
Апробация работы. Основные результаты работ докладывались на:
Ш, V и Ш семинарах "Разработка и внедрение новой аппаратуры для геофизических исследований скваяин", Киев, 1967, 1971 ъ 1979 г.г.
второй и шестой научно-технической конференции геофизиков Азербайджана, Баку, 1969 п 1982 г.г.
Всесоюзной конференции по пзмерителіныи информационным системам "ИИС-77", Баку, 1977 г.
Связь тематики работы с планами НИР. Работа выполнялась по тематическим планам НИР и ОКР ВНИИнефтепромгесфязики, в основном в соответствии с Координационным планом разработки АСГП (Лгрзгатированнад система геофизических приборов) по "Обігему техническому заданию ТЗ 39/04-368-78", утвержденному Мшшефте-промом, Шнприбором и Мингео СССР. Ш Госрегастрации 74СМ28І, 75010423, 78025215, 01880 054856, 01.9.10 026564.
Публикации. 10 результатам- исследований опубликовано 32 работи, в т.ч. монография и 19 описаний изобретений к авторс-клм свидетельствам на изобретения СССР.
Промысловая геофизика занимается исследованием практичес-и всех физических свойств горных пород: электрических, ядер-ых, механических, молекулярных и, кроме того, - определением есметрических параметров скватаны (диаметр, траектория), ис-ледованием процессов, протекающих в скважине при разработке давление, влажность, скорость потока). Отсюда и разнообразие игналов, поступающих от датчиков геофизических параметров.
Прошслово-геофйзические исследования скважин с каждым одом пополняются новыми методами, имеющими свою специфику армирования сигналов. Задача телеизмерительной системы состо-г в том, чтобы преобразовать все эти сигналы от датчиков, «илплексированных в одном скважинном приборе, к единому фор-іту сигнала, обеспечивающему передачу всей информации от сважинного прибора к наземной аппаратуре, и привести сигналы виду, удобному для регистрации и дальнейшей обработки.
Разработкой многоканальных телеизмерительных систем для зомыслово-геофизическоЯ аппаратур!', начиная с 50-х годов, шимаются многие ' научно-исследовательские и конструкторские ллективы: ВНИИГеофизика и ее отраслевые лаборатории в разных іродах, ЛЭИС им.Бонч-Бруевича, ЛЭТИ им.В.И.Ульянова (Ленина), іститут машиноведения и автоматики, АзИНЕФТЕХИМ (ныне АзГНУ) ;. М.Азизбокова, ВНЖП1С, ВНШнефтепромгео<1изика, ОКБ гесфп-ческого приборостроения (Киев), МИНГ им. И.М.Губкина, НИК офизических исследований (бывший СКТБ промысловой геофизики, озный). Но до широкого промышленного использовашш били доле ны только разработанные в НИИ геофизических исследований стемы с частотной модуляцией и частотным разделением каналов, зволяющие одновременно измерять до четырех параметров. Пестря на большое количество работ в этой области, никто не оводял глубоких теоретических исследований, направленных на лучение максимальной пропускной способности канала связи с этом специфики передачи информации, параметров каротажного 5еля и действующих на входе приемной части телеизмерительной зтемы помех. И до настоящего времени бытует мнение, ЧТО ПрП jданий телеизмерительных систем для геофизики вполне прием-га способы, широко применяемые в телеграфии или радиотелеме-ш.Однако условия работы телеизмерительной системы в составе
'промислово- геофизической аппаратуры существенно отличаются от условий работы всех других телеизмерительных систем.
Каротажный кабель, используемый в качестве физического канала связи, выполняя одновременно и функции каната, имеет существенно большее затухание, чем наземные коаксиальные кабели или воздушные линии передачи электрических сцгналов.
В отличие от большинства систем, у которых помеха представляет собой белый шум, в промыслово-геофизическои телеизмерительной системе на входе приемной части действует коррелированная помеха, которая, хотя и имеет случайное распределение компонент спектра, после фильтрации всегда ограничена по сум-* маркой составляющей и не имеет аномальных флуктуационных выбросов.
В отличие от радиоканалов и магистральных кабельных линий, где полоса частот, отводимая для тех или иных каналов, существенно меньше средней частоты, в промысловой геофизике, так как кабель полностью предоставлен в распоряжение одной телеизмерительной системы, полоса частот определяется только параметрами кабеля и помехи.
Мощность передатчика в промыслово-геофизических приборах ограничена возможностями режима питания.
Габариты сквахинного прибора крайне ограничены - в результате затруднительно получить мощный выходной каскад без нелинейных искажений, применять катушки индуктивностей без стальных сердечников, использовать рекуперацию или синтезировать сигнал оптимальной формы из прямоугольных отрезков.
Температура на забое скважины для большинства регионов превышает 100С, а в некоторых южных регионах достигает 250С: добиться высокой стабильности от преобразователей сигналов при таких температурах очень трудно.
Сложившаяся практика эксплуатации промыслово-геофизическои аппаратуры, при которой физический канал связи (каротажный кабель) и каротажная лаборатория не' составляют единого целого, не позволяет корректировать частотные характеристигаї канала связи с целью оптимизации системы для использования высокочастотных модемов. К тому же характеристики кабеля меняются в процессе работы за счет воздействия температуры и давления.
Из сказанного следует, что рекомендации, приводимые в
литературе по радиотелеметрии, телефонии и телеграфии, исполь-
- зовать при построении промыслово-геофизическои аппаратуры еле-
дует крайне осторожно. Отсюда вытекает и необходимость тщательного анализа канала связи с целью выбора реализуемых способов передачи информапи, обеспечивающих максимальную пропускную способность, и разработки технических средств, реализующих эти способы в условиях тех ограничений, которые накладывают особенности промыслово-геофизических исследований скважин.
1. ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛОВ ДАТЧИКОВ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СОВРЕМЕННЫМ ТИС ПРашСЛОВО-ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ
Одним из самых информативных методов геофизических исследований сквачяш является электрический каротаж. При измерении трехэлехтроднкми зондовыми установками (один токовый и два измерительных электрода) диапазон измеряемых электрических сопротивлений от 0,1 до 1000 Омм, для зондоз с фокусировкой тока от 0,1 до 10000 Омм. В комплекс входит измерение шестью трех-электродными установками и одной или двумя установками с фокусировкой тока. Частота зондирующего тока 400Гц. Частота дискретизации до 10 Гц.
Имеется одна особенность формирования тока для используемых в электрическом каротаже. трехэлектродных зондовых установок, состоящих из одного токового и двух измерительных электродов. Второй токовый электрод должен размещаться в бесконечности. Практически расстояние от второго токового электрода до ближайшего измерительного электрода зондовой установки должно быть на порядок больше длины самой установки, что составляет, песколько десятков метров. Такие же требования предъявляются и для одной из модификаций бокового каротажа (БК) - трехэлектро-дного. Поэтому в качестве второго токового электрода используется заземленный на поверхности.электрод и переменный ток питания скванинного прибора является одновременно и зондирующим.
Для микрометодов электрического каротажа (одна - две установки) частота дискретизации 50Гц. Для микрометодов, обес-іечивающих пространственную' картинку - іїїЗ установок.
При методе самопроизвольной поляригации (ПС) производится ізмерение потенциала измерительного электрода, перемещаемого ідоль ствола скезжины, относительно электрода с фиксированным ютенциалом. Очевидно, что создать фиксированный потенциал
можно только у неподвижного электрода: в аппаратуре в качестЕ второго электрода используется измерительное заземление на пс верхности, а гальваническая связь между двумя электродами ocj цествляется по жиле кабеля. Амплитуда ЭДС ПС от 0,1 до 50 мі Спектр ПС не выходит за пределы нескольких герц, поэтому і многих случаях удается отфильтровать ПС от переменного синусе пдального тока питания скважинного прибора даже при использе вании одной и той же килы кабеля и для питания скважинної прибора и для регистрации ПС.
Особенности формирования полей и регистрации сигналов I электрического каротажа исключают возможность питания скважш ного прибора постоянным током.
При высокочастотных методах электрического каротажа по; формируется катушками индуктивности. Измеряемый параметр задг ется амплитудой переменного напряжения с частотой 20 - 50 к] при индукционном каротаже, отношением амплитуд напряжения частотой 0,4 -.2,5 МГц при электромагнитном каротаже или фазе между двумя напряжениями с частотой до 50 МГц при дизлектрі: ческом каротаже.
При всех видах радиоактивного каротажа, вне зависимое! от того, к каким физическим, параметрам относится проведеш измерений и какие детекторы ионизирующих излучений при эте используются, измеряется частота следования импульсов, распре деление которых во временп подчиняется закону Пуассона. Скс рость счета от 10 до 103 имп/с с осреднением регистрируемо: параметра за время 1 - 20 с. Б спектрометрической аппарату] !.шлитуды импульсов анализируются по уровням и распределяйте для регистрации по 256-ти каналам.
Ира ядерно-магнитном каротаже информации несет в сее форма огибающей радиоимпульсов с амплитудой 1 - БО мкВ и длі тельностью 30 - 500 мс, следующих с частотой 1 - 5 с. Частое заполнения - 2 кГц.
В модификациях акустического каротажа измерению подлежі интервал времени между двумя радиоимпульсами (70 - 600 икс] регистрируемыми разнесенными вдоль сси скважины акустически» приемниками, и отношение амплитуд (до 30 дБ) этих импульсої Считается целесообразным передавать полную Еолновую картинку последующим выделением продольной и поперечной волн.
В ряде датчиков измеряемый парамп?р задается величине ст.'.чпекого сспротггления (термометры, маноустры, инклинометр
профилемеры). В этом случае измеряемый параметр ' в конечном счете задается или напряжением, или частотой в случае, когда омическое сопротивление включается в схему частотного преобразователя. В частотных преобразователях используется и изменение емкости (влагомеры), включенной во времязадающую или резонансную цепь. Величину сопротивления или емкости удобно преобразовывать также в длительность импульса, включая их во времязадающую цепь устройств, описанных в разделе 4.
В последних вариантах скважинных инклинометров, использующих в качестве чувствительных элементов феррозонды, измеряемый параметр выдается в виде сдвига фаз низкочастотных напряжений, который такяе может быть преобразован в длительность импульса.
Основная допустимая относительная погрешность различных методов находится в пределах 1-5/5. Для электрических методов 5 = [5 + (0,01в/о - 1)]%, для индукционного каротажа S = (5 + 20о/ов)#", где j» - измеряемая величина, а 5*в - ее предельное значение. Но в некоторых случаях допускаемая погрешность значительно ниже (для инклинометров 0,1$).
Самым распространенным регистрирующим прибором до последнего времени оставался светолучевой осциллограф (за рубежем есть вариант с лазерным лучем). Но в последние годы идет массовое переоснаиение отрасли регистраторами с записью на магнитную ленту, из которых наибольшее распространение получил регистратор "Триас" и разработанная на его основе система СКР-1, включающая бортовой компьютер.
С учетом диапазона измерения, частоты дискретизации и допустимой погрешности, для комшгексирования всех методов электрического каротажа может потребоваться скорость передачи информации до 10 кбит/с, для пластового наклономера до 20кбят/с. Для микрометодов, дающих пространственную картинку распределения сопротивлений, требуется скорость передачи информации до 100 кбит/с. Используемые же до последнего времени частотные телеизмерительные системы едва обеспечивали передачу информации со скоростью до 1 кбит/с. В результате комплекс геофизических исследований проводился за несколько спуско-подъемных операций (по 3-4 метода за одну спуско-подъемную операцию), что не только значительно увеличивало время проведения промыслово-ге-офизических работ, но я затрудняло автоматизацию обработки материалов из-за трудности их совмещения по глубине.
Высокая скорость передачи информации нужна не только для построения высокопроизводительных геофизических комплексов. В последние годы разработан ряд методов, таких, как метод поэлементной регистрации электрического каротажа, который позволяет после обработки кажущихся сопротивлений, полученных на элементах (градиент- и потенциал-зонды), получить широкий набор фокусированных зондов (в том числе и зондов БК), или метод поэлементной регистрации микрокаротажа, который позволяет построить трехмерную картину распределения сопротивлений. В первом случае требуется одновременно регистрировать от 15 до 30 параметров, во втором-более 100 параметров. Поочередная регистрация здесь-не дает результатов, так как требуется высокая точность совмещения по глубине.
Для того, чтобы передать информацию о параметрах-пород, пересеченных скважиной, параметры преобразуют в электрический сигнал, согласованный с параметрами каротажного кабеля, являющегося физическим каналом связи между скважинным прибором и наземной аппаратурой. Первичное преобразование осуществляется датчиками геофизических параметров, на выходах которых формируются сигналы, определяемые типом датчика. В многоканальной аппаратуре эти сигналы приводятся к единому формату, позволяющему передать сигналы по кабелю, причем для каждого сигнала необходим признак, позволяющий различить сигналы, относящиеся к тому или иному датчику. Этим признаком может быть частота, полярность или длительность импульса, временное положение сигнала, адрес канала в кодовой комбинации и т.д.
Вне зависимости от набора геофизических методов, способа передачи.информации и разделения каналов, обобщенная блок-схе-. ма телеизмерительной системы (рис. 1) содержит: блоки датчиков геофизических параметров 1, 2, 3, сигналы на выходах которых определяются характером измеряемых параметров; преобразователи 4, 5, 6, в которых сигналы нормируются; мультиплексор 7, смешивающий сигналы по заданной программе; передатчик 8, систему' фильтров 9, приемник 10 и блок питания скважинного прибора 11; каротажный кабель 12; систему фильтров 13, приемник 15, систему демодуляторов 16, преобразующих входные сигналы в соответствии с входными параметрами регистратора, формирователь управления работой скважинного прибора 17, передатчик 18 и блок питания 14 наземной аппаратуры.
От блока 14 энергия по кабелю подается к блоку питания
скважинного прибора 11, в котором вырабатываются все необходимые напряжения питания электронной схемы и датчиков геофизических параметров. В каждом блоке 1, 2 или 3 монет быть объединена группа датчиков с одинаковым характером сигналов, образуя блок метода: электрического каротажа, радиоактивного каротажа и др.
ЕНІН~ї GEHZH
п-
ГзЬЧбУІ-
Рис. 1.
Блоками 4, 5, 6 начинается собственно телеизмерительная система:- в системах с общим для всех каналов модулятором а этих блоках сигналы приводятся к единому уровню. В них же размещаются частотные модуляторы в системах с частотной модуляцией или АЦП в системах с цифровой передачей информации. Мультиплексор 7 также изменяет свои функции в зависимости от общего принципа построения системы: это может быть аналоговый коммутатор с общим для всех каналов модулятором, размещенным в- блоке 8, или система смешивания сигналов в частотных системах. В цифровых системах мультиплексор трансформируется в интерфейс скватинного прибора, который в совокупности с передатчиком 8 и приемником 10 может обеспечить обг.ен данными как.внутри скважинного прибора, так и между скважинным прибором и наземной аппаратурой: при наличии бортовой ЭВМ в каротажной лаборатории это дает возможность превратить телеизмерительную систему в систему с диалоговым обменом данными, охватывающую весь комплекс измерений от датчиков геофизических параметров до системы оперативной обработки информации.
Основные требования, предъявляемые промысловой геофизикой к телеизмерительным системам:
телеизмерительная система ни в коей мере не должна ограничивать методику тех или иных исследований, вмешиваться в работу датчиков геофизических параметров и должна выступать только в роли получателя данных,
телеизмерительная система должна позволять произвольно
наращивать число каналов при дополнении скважинного прибора дополнительными блоками методов,
иметь пропускную способность, обеспечивающую проведение измерений комплексом без уменьшения скорости каротака,
работать без подстройки при смене кабеля, и тем более в процессе работы аппаратуры.
Выполнение этих требований должно сочетаться с прежними габаритами скважинных приборов и потребляемой ими мощностью.
От того, насколько полно будут удовлетворены эти требования, зависит эффективность аппаратурного комплекса геофизических исследований скважин. В первую очередь это относится к скорости передачи информации от скважинного прибора к наземной аппаратуре: чем она выше, тем большее количество методов можно скомплексировать в одном сквакинном приборе и тем более эффективно можно использовать новые методы.
2. ІІЕРЕДАЧа'ИНФОРМАЦИИ ИЗ СКВАЖИННОГО ПРИБОРА К НАЗЕМНОЙ ЧАСТИ КОМПЛЕКСА
Основные материалы- этого раздела, изложенные во второй
главе /1/, относятся к наиболее сложным условиям работы теле
измерительной системы: в качестве, физического канала связи
используется одножильный кабель, а скважинный прибор питается
переменным током. >
Обработка экспериментальных исследований каротажного кабеля показала, что, как и для большинства коаксиальных кабелей, коэффициент затухания пропорционален длине кабеля и квадратному корню из частоты, то есть:
II =м .«-^VF ивых. ивх. е ,
где Р - коэффициент затухания на единичной частоте и
I - длина кабеля в км.
Преобладающими помехами являются гармоники питающего скважинный прибор переменного тока с частотой 400 Гц. Распределение компонент носит случайный характер, но во всех случаях наблюдается уменьшение амплитуды гармоник с увеличением частоты. Фазы соседних составляю";ах имеют равную вероятность от 0 до 180: математическое ожидание $0 и амплитуды складываются по квадратичному закону, что подтверждается и в /2/, поэтому может
быть использован математический-аппарат, принятый для нормального шума. Помеха может быть представлена как синусоидальное напряжение с частотой наинизшей гармоники, пропущенной фильтром, модулированной первой или второй гармоникой питающего скважинный при<Зор напряжения /2/. Так как ток питания скважин-ного прибора как правило является и зондирующим током, измеряемое напряжение при электрическом каротаже синфазно с током питания скважинного прибора и при аналоговых способах модуляции помеха качественно не отличается от сигнала.
Амплитуда помехи обратно пропорциональна квадрату частоты и, если пропустить ее через двойное дифференцирующее звено і она выбеливается. Тогда канал сеязи для передачи сигналов от скважинного прибора к наземной аппаратуре может быть представлен как кабель, нагруженный на эквивалентную его волновому сопротивлению нагрузку, я двойное дифференцирующее звено*: ивых=ивх.-4-^.е--^ (і)
с максимумом при Р= 16/Р22 .
Для кабеля, наиболее отвечающего требованиям канала связи КГ1-53-180 J3= 2,75 і/км-МГа1' . Для десятикилометрового кабеля максимум отношения энергии сигнала на выходе к энергии сигнала на входе достигается при частоте 21,2 кГц и равно 10 . Для другой частоты или для сигнала другой формы это отношение будет меньше. Для полосы частот 15 кГц отношение уменьшается до 0,96-10 , для полосы частот 50 кГц - до 0,7-10 .
В импульсных системах необходимо для выделения импульсов обеспечить максимальное отношение амплитуда импульса к амплитуде помехи. Так как при белом шуме и оптимальной фильтрации это отношение не зависит от формы сигнала, а зависит только от его энергии, анализировалось отношение энергии импульса на выходе к его энергии на входе канала связи для реализуемых в каротажной аппаратуре импульсов (прямоугольное, биполярные, прямоугольные с экспоненциальной вершиной)/1, 3/. При этом энергия выходного импульса вычислялась как интеграл от энергетического спектра импульса, умноженного на квадрат модуля частотной характеристика канала связи. Показано, что для прямоугольного импульса максимум достигается при' 14 мкс и достигает
2~ Sin CUt =
-tc>26in COt .
і -7
0,58*10 , туш биполярного при 19 мкс это отношение 0,74-10 ',
для прямоугольного с экспоненциальной вершиной при. длительности 18 мкс и при постоянной времени 15 мкс это отношение достигает 0,65-Ю"' (при амплитуде входного импульса 10В отношение амплитуда импульса к амплитуде помехи на выходе оптимального фильтра 5,7, 7,5 и 5,2 соответственно).
Для оценки возможностей канала связи определены характеристики сигналов различной формы, обеопечиващие максимальную пропускную способность канала связи.
Автором доказано (приложение в /1/), что предельная пропускная способность (будем называть ее потенциальной) кана-* ла связи с передаточной характеристикой к(Р)
с =
%
достигается тогда, когда энергетическая плотность сигнала
изменяется от F} до г2 как разность постоянной величины и фун
кции, обратно пропорциональной квадрату модуля передаточной
характеристики канала связи, то есть:
)___5[т 5п
'{!)
*А-т%
где Sn- энергетическая плотность шума, а пределы интегрирования определяются из выражения для мощности сигнала:
Для физического канала связи, описываемого (1), потенциальная пропускная способность обеспечивается при:
ЗД=5Г
16я*Р4
п 1бя4Р4
когда
.-V
zfitW, . f-<
, гре-tf .
При отношении ik_ = 0.5-106, 1-10 и 2-10 (средняя мощность
передающего устройства 2,5, 5 г. 10Вт) потенциальная пропускная способность 40,8, 64,8 и 98,2кбит/с соответственно.
Для сигнала с равномерным спектром в полосе частот от Р,
до f~z (системы с амплитудной или частотной модуляцией):
достижимая пропускная способность канала связи 40,3, 64,1 и 97,2 кбит/с.
В импульсных системах передачи информации, например, при использовании однополярных импульсов с экспоненциальной вершиной, пропускная способность канала связи
%) 5t*n(1-e -^) 1+4#т^: eW Jar при оптимальных параметрах импульса 35,6, 58,2 и 89,8кбит/с (при-^-= 0,5-Ю6, 1-Ю6 и 2«1G6 соответственно).
Следует отметить, что при передаче сигналов синусоидальным напряжением коэффициент' использования мощности источника питания не может превысить 0,78, а потому целесообразно использовать прямоугольное напряжение (меандр), при котором для основной гармоники коэффициент использования мощности может быть доведен до 0,81. Выигрыш в использовании мощности источника питания при этом составляет всего 3$,' но практическая реализация усилителя мощности при- этом значительно проще (ключевое устройство), что при ограниченных габаритах скв'атанного прибора весьма существенно, как и то, что при' этом не происходит выделения тепла на активных элементах. При этом пропускная способность для передачи информации непрерывными колебаниями будет такой же, как и для импульсных систем (естественно, при таких способах модуляции, при которых полностью используются все возможности носителя).
Фильтрация колебаний при частотных способах модуляции и. частотном разделении каналов осуществляется полосовыми фильтрами. Для оптимальной фильтрация импульсных сигналов необходимо знать форму сигнала на входе приемной части аппаратуры. Для этого необходимо от частотной характеристики канала связи перейти к временной. Для этого достаточно заменить в характеристике канала связи комплексную частоту на оператор р и воспользоваться формулами преобразования по Карсону-Хевисайду. Тогда для входного прямоугольного импульса форма импульса на выходе
канала связи будет иметь форму:
U(t)=UM[h(t)-h(t-tj]. (2) где tM - длительность входного импульса и UM- его амплитуда,
h(t)=
4зг
**'**»№&-*)
Для импульса с экспоненциальной вершиной форма импульса на выходе канала связи вычисляется при помощи интеграла' Дюаме-
-1«
ЛЯ {
ч^й
1-І г5/г.е-ЗЧ*/л*Ц$е_ъ]
и полученные значения подставляются в (2) /1/.'
Для построения оптимального фильтра полученная форма импульса аппроксимируется отрезками прямых. Автором решена задача для аппроксимации выходного импульса двумя трапецеидальными импульсами, двумя треугольными, двумя прямоугольными, двумя прямоугольными с одинаковое, длительностью и двумя прямоугольными, каждый из которых в отдельности аппроксимирует положительную и отрицательную часть., импульса. Самый сложный фильтр для первой аппроксимации (пять линий задержки, пять сумматоров и один умножитель) по, мере упрощения аппроксимации упрощается, и для последней аппроксимации содержит одно дифференцирующее звено, линию задержки и вычитающее устройство. Как это показано в /1/, такой фильтр легко реализуется из дифференцирующих RG-цепочек. Уменьшение отношения сигнал/помеха по сравнению с оптимальным (но реально не реализуемым) фильтром для первого случая 25?, далее, по іч--ре упрощения 7J5, 8#, 105? и для последнего - 1ЭЗ.
Аналогичны;.! способом могут быть получены фильтры и для биполярных импульсов, используемых в кодовых-системах с фазо-разностной модуляцией, в которых,в силу непредсказуемости последовательности кодовых комбинаций, каждый биполярный импульс рассматривается как самостоятельный.
Логическое завершение этого раздела - выбор вида модуля-цгіл, отвечающего поставленной задаче. Естественно, что, как лля аналоговых, так и для шгУроьых систем передачи информации, : ''.'"с-сссбразно использовать способ, обеспечивании максимальную rv'pooTb порода-л і:ігтс:?!аіш и практически p'jw/aywil не воз-
ложности простыми техническими.решениями.
На рис. 2 приведены кривые, характеризующие эффективность различных способов модуляции. При расчетах принято, что выходной каскад работает в ключевом режиме: при время-импульсной модуляции (ВИМ) сигнал представляет собой прямоугольные импульсы, при частотной (ЧЮ
С н&ит/с
bs„
10*
1 15 Рис. 2.
0.5
и двойной амплитудной и частотной (АМ-ЧМ) - меандр. ФИМ - однократная фазораз-ностная модуляция с использованием биполярных импульсов. Для кодовых способов модуляции КЙМ-ВШ и КИМ-ЧМ основание кода - 16. Для ВИМ коэффициент использования амплитуды и для ЧМ коэффициент использования полосы частот равны 0,8. Для аналоговых систем погрешность, приведенная к максимальному уровню сигнала, принята 0,1$. Для АМ-ЧМ частота поднесущей 400 Гц. J5 = 27.5 (10км кабеля). При 7 км кабеля (J3= 19,4) значения С на рис. 2 удваиваются, а отношение Pc/Sn уменьшается в Ї6 раз (за исключением АМ-ЧМ, где зависимость G от J3 имеет несколько другой характер).
Материалы исследований автора, приведенные в этом разделе, позволяют сделать вывод, что для промыслово-геофизическнх телеизмерительных систем наиболее приемлемой является время-импульсная модуляция (ВИМ). Техническая реализация оптимальной фильтрации импульсов в соответствии с изложенными принципами не вызывает трудностей. Временные интервалы, на которые не злшшт изменения параметров канала связи, могут быть измерены з выоохой сївПОИЬЮ точности. Система с КИМ-ВИМ при оптимальном )сновании -кода для наиболее тяжелых условий работы (высокий вровень помех) практически реализует потенциальную пропускную шособность канала связи.
~ 20 -
Система КйМ-ЧМ отличается несколько большей скоростью передачи информации по сравнении с КИЫ-ВИМ, но реализация ее встречает большие трудности, связанные с необходимостью формирования тактовых.интервалов.
Правильность выводов и достоверность результатов,, приведенных в этом разделе исследований, подтверждается тем, что именно время-импульсная модуляция и оптимально выбранные по полученным материалам параметры сигналов позволили создать качественно новые телеизмерительные системы, описанию которых посвящен третий раздел, отвечающие всем.требованиям, предъявляемым тяжелыми -условиями работы промыслово-ге.офизаческой an- . паротуры и позволяющие передать весь необходимый объем информации из скважинного прибора к наземной аппаратуре без снижения скорости,проведения измерений. '''..'".'
В то же время, в.связи с истощением'запасов нефти в традиционных коллекторах, непрерывно ведутся поиски новых способов промыслово-гвофизическпх исследований СКВІШ1Н, для кошле-ксирования которых достигнутая производительность разработанных телеизмерительных систем мояет оказаться, уае недостаточной. В связи с этим представляют интерес пути дальнейшего повышения производительности промыслово-герфизаческой аппаратуры, а следовательно , и. повышения, скорости передачи информации от сква-жшнного прибора к наземной аппаратуре.: :-'
Повысить пропускную способность канала связи на первый взгляд можно было бы. за счет тщательной фильтрации питающего скваяинный прибор тока для устранения помех от его высокочастотных гармоник. Однако, для .этого необходимо применять элементы фильтров без стальных, сердечников, что привело бы к значительному увеличении габаритов наземной аппаратуры, а в сква-жпнной аппаратуре разместить такие фильтры вообще не представляется возможным. ./...'' '::'>:'.":';,. ;
Уменьшать шлшштуду помехи более чем на порядок возможно яра использовании трехмильного кабеля, используя две снимет -ричные жилн для лередачи сигналов и одну для питания скважин-' ного прибора. Нр именно.в глубоких скважинах применение много-, жильных кабелей связано с большими техническими трудностями.
для уменьшения псшхц могут.быть использованы.ее корреляционные свойства. Гармонический состав помехи к фазовые соот-нояения гармоник внутри одного пераода имеют определенный характер, который от периода к Вериоду; меняется незначительно/2/.
Для использования этих свойств автор преллагает формировать сигналы через один интервал, равный периоду питающего тока, а в наземной аппаратуре принятую смесь сигнала и помехи сдвинуть на этот же интервал, как это показано на рис.3 (кривые 3 и 4) и вычесть сдвинутую во времени смесь из,принятой /А/. После вычитания в интервале форлирования. сигнала останется только
fl—JUL.
>n*1-
'A^^vw^^i/Wk
сигнал, а в следующем интервале сигнал в обратной полярности (5 на рис. 3). Аппаратурная реализация этого способа не встречает трудностей /1/. Единственным . требованием к аппаратурной реализации этого способа является высокая точность сдвига на интервал Т. Действительно, если для простейшего из фильтров, упомянутых в раздело 2, частотная :арактерасти-
«af(FH .^^ , где V іЬмдсс.
Рис. 3. .
а, в соответствии- с /2/, f; = 40Оп .. (п,- номер гарионлка), а помеха после фильтрации и выполнения вышеописанных операций представится
d виде V{cos400nt-ccs^O0n(t-*T*tc)j="2s!n00ntcsin4O0n(t-^),
где tc- оиибка в сдвиге на интервал Т, ослабление- помелі (корень квадратный из отношения интеграла, от энергетического .спектра обработанного напряжения к. интегралу от энергетического спектра на выходе фильтра), равноyte/6(fcr. При сишбке в 1мкс помеха ослабляется в 13 раз, а пра оптбкз 20мкс - всего в 3 раза (интервал Т я 2500мкс),..Для пеклэтеная оззбкл в сдвиге емесп сигнала а, помехи на интервал Т автор предлагает /1,4/ формировать питающее скватаннцй прибор синусоидальное напряжение из прямоугольного напряженпл, которое обеспечивает сдвиг на интервал"!".
Повысить пропускную способность канала связи при использовании системы КШ-БИМ модно за " счет, уменьшения расстояния между импульсами: для этого необходимо принять меры для уменьшения меясимвольннх искажений. Задача эта разрешимая, хотя и требует значительных аппаратурных затрат, . '-.
структуры ТЕЖшагатЕльных систем
В этом разделе описываются способы передачи информации и структурные схеми время-импульсных телеизмерительных систем:" аналоговой и цифровой, построенные на основе материалов предыдущих разделов.
Для время-импульсной телеизмерительной системы (ВИТО автором предложен ряд приеліов, позволяющих повисить эффективность аппаратуры. Для исключения из структуры промежуточных преобразователей,- повышения помехоустойчивости и облег- / . чения синхронизации коммутатора приемной стороны, предлагается частоту строк привязать к частоте питающего сквакинный прибор переменного тока /5/. Для уменьшения требований к стабильности куля предлагается для всех каналов использовать общий моду-' лятор, по одному из каналов передавать нулевой уровень и в наземной аппаратуре корректировать его изменения /6/. Для передачи информации пред-г лагается в кадре формировать N- 2 (по числу каналов) пар однополярнкх импульсов, расстояния ке-хду которыми определя-bvch значениями информационных параметров: при
этом первые импульсы каждой пары следуют синхронно с частотой питающего тока на расстоянии Т, и две пары импульсов, у которых расстояния медду первпя: лстульсащ пэр ргвкы Т/2 /7/, как f-'O доказано на ряс. 4 (кривде 1, 2 и 3). Частота плта-х-его "/"-'" :: 'неоднородность расположения к-пг.-ьссз в кедре сл7?ог
признаком, который- позволяет отличить начало строки, начало кадра и первый информационный импульс от последующих.
Структурная схема БИТС приведена на рис. 5. От генератора Г ток питания с частотой 400 Гц проходит по киле кабеля через первичную обмотку трансформатора блока питания ЕП и далее через электроды А з породу. В блоке БУ формируются импульсы синхронизации (2 на рис. 4). Аналоговый коммутатор рассредоточен по блокам методов с выходом на общую шину, по которой тот или иной сигнал подключается к модулятору М, образуя таким образом ' аналоговый интерфейс. Управление ключами коммутатора осуществляет регистр, замкнутий в кольцо, управляемый импульсами блока БУ. На вход модулятора Ц подаются отрезки синусоидального напряжения длительностью в один период с амплитудой, пропорциональной измеряемому параметру,- и от блока БУ - пмпульсн, по временя совпадающие с вершинами синусоиды питавдего тока: управляемый этими импульсами ключ в блоке М осуществляет амплитудно-импульсную модуляцию ' синусоидального сигнала. Амйлитудно-модулированнке импульса преобразуются в пгаротно-модулировая-ные, из фронтов и срезов которых формируется сигнал БИМ. Сигнал ВИ!.! усиливается усилителем мощности УМ и по жиле кабеля подается к наземной часта телеизмерительной системы.
fi/tCKU
метоЗсЬ
~c:-ovy параметру, плпс длительность 1Г;"1"С". Li
КЗЛЫГЛ) "Л!.!
В блоке U предусмотрена возможность вклинивания сигналов, представленных длительностью импульсов, например от блока ГК. Рис.5. - Импульс 6 (рис. 4), размещенный во второй с-і'гоке, разделяет кадр на первую строку и строки от третьей до№-. В первой строке коммутатор подключает модулятор к кулевому уровню и импульс 7 .характеризует его в первой строке (назовем его 1ШГ.!"0"). Все остальные иг/лульсн ЕП содержат в себе длительность, псопорцпо-
деление-и;.:пульссв 6, 7 и последовательности IUIM 8 осуществляется в блоке ШИМ наземной аппаратуры. Блок мультиплексора Ш распреде.чяет сигналы ИМ мезду аналоговой и цифровой регистрацией. Демодулятор да преобразует длительность в. амплитуду, в блоке И осуществляется цифровая индикация служебной информации (во всех случаях длительность 1ШМ"0" вычитается из длительности импульса КИМ). .Б.плате пользователя, которая вставляется в свободный разъем регистратора "Триас", осуществляется цифровая демодуляция широтно-ишульсиых сигналов, вычитание нуля, распределение- информации по ячейкам памяти и выдача информации на интерфейсные шины регистратора по сигналам датчика,глубины /8/.
Описанная структура заложена в основу при разработке системы АСГП и входящих в ее состав сквашшых приборов /1,9/. Сквакинше приборы собираются из отдельных блоков методов. Подключение ' любого очередного блока, метода сводится к вклиниванию в кольцо регистра: число каналов передачи информации, зависящее от числа'составляющих скважинный прибор блоков и разрядности входящих в эти блоки регистров, сформируется автоматически. В наземной аппаратуре распределение каналов по способам регистрации осуществляется оператором перед началом измерений," всего может производиться выбор из 63-х каналов.
Основная погрешность по ТУ (в реальной аппаратуре она в 5 раз меньше) 5 = [2 + ( 0,1А - 1)]%, п потому информация об электрическом сопротивлении породы передается по двум каналам в масштабе 1 : 10. Самым нижним в связке блоков устанавливается блок, ниже которого по конструктивным соображениям подключение другого невозможно: в АСГП это;блок ПК или каверномер.
Длительность строки ВИТС 2500икс, длительность кадра зависит от количества каналов: при.количестве каналов до 40 длительность кадра не превышает 100 мс и с учетом дискретизация по глубине 0,1м. скорость каротажа 3800 м/час, которая по техническим причинам считается предельной. ...
Для первичной ;и.периодической поверок комплекса АСТП разработано образцовое средство измерения "Генератор ГВП" (генератор пар.видеоимпульсов и помехи)/10/, который способен генерировать последовательность пар импульсов с любым временным распределением,, шгатирукщим сигналы .скважинного. прибора.р При его разработке использованы принципы, изложенные в /11, 12/.
Для реализации кодовой передачи информации-в геофизической аппаратуре -автором предложена система сигналов, содержащая
в каждом слове тактоЕый п информационные импульсы:' временное положение каждого импульса относительно тактового характеризует число разряда, а его порядковий номер относительно тактового -разряд. В скважинном приборе и в наземной аппаратуре генерируются импульсы квантования с одинаковой частотой: в сквєйинком приборе временные интервалы меиду импульсами могут принимать только дискретные значения, определяемые частотой квантования и входным кодом (например параллельным двоичным), а в.наземной аппаратуре по частоте- квантования и временным интервалам меяду импульсами этот код восстанавливается /13/. .
.т.. г
№*Н
„ : Т
На рис. 6 показано, как распределяются информационные импульсы 2 относительно тактовых 1 при формировании ... одного слова. Каждый последующий импульс сдвинут относительно . предыдущего на время, которое может прини- мать п дискретных. значений ( п- основание кода). Если : передача ведется,начиная со -старшего разряда, переданное таким способом число будет определяться выражением: ,-,--. , . ' "
X-.nm + *_п"И+ ;;+ W^ +_tm.= X f\ „m-іси
>ка i-кв. >ка. .-. хКц, лкв.-^ * ,
где т- число разрядов. Начальный временной сдвиг, при котором значение числа j для данного разряда равно нулю, обозначим t0. В приемной части аппаратуры число j будет.зафиксировано без ошибки в том случае, если фронт последующего импульса относительно фронта предндуцз'го будет за$аксирозан в. интервале времени t„+j -tKD ± 0,5tKu. Обяеа время, занимаемое одним словом Т~Гх0+(п-1)хкв]-т+тп . где t„-'.время паузи между словами Время это должно быть пэ менее (rt+Sj-t^g
В соответствии с матераалаип-раздела; 2 оптимальное основание кода 13. Однако, преобразователи члсел с основанием не {ратным 2-м требуют больших аппаратурных затратна практически see современные .микросхемы содержат по 4 элементарных устройств в одном корпуса и реализовать иестнадцатаричнуо систему [роще, чем любую другую. Проигрыш яб в пропускной способности
при этом оставляет всего несколько процентов.
В реализованной телеизмерительной системе КВИТС (квантованная время-импульсная телеизмерительная система) приняты: П=16 (или 4 двоичных единицы), t0=5tKBM tn=25tKD. Тактовая частота может быть выбрана 125, 250 или 500кГц. (tKa= 8, 4 или 2ккс). При помощи семи импульсов передается двадцатичетырехразрядный двоичный код и скорость передачи информации 20, 40 или 80 кбит/с при тактовой частоте 125, 250 или 500 кГц соответственно.
Предусмотрено три основных режима работы.
-
Циклический, без управления работой скважинного прибора-от наземной аппаратуры. Информация поступает непрерывно в последовательности, жестко определяемой программой ї!ква«кнного прибора.
-
Циклический с управлением режимом работы скважинного прибора. Каждый кадр информации, который может содержать произвольное количество слов в соответствии с числом каналов, заканчивается кодом "к приему готов", после чего следует пауза в передаче сигналов из скважинного прибора. На время паузы отключается блокировка приемного устройства скважинного прибора и идет прием информации, поступающей от наземной аппаратуры. Если за время паузы информация не поступила, по окончании паузы передается очередной кадр без изменения программы работы.
-
диалоговый режим, при котором информация от скважинного "прибора передается только после поступления запроса от наземной аппаратуры. .
Структура первого разработанного с применением описанной телеизмерительной системы прибора' КСЛ-Б 32-73-125/80 приведена на рис. 7. От структуры скважинного прибора АСТП она отличается тем, что аналоговый интерфейс заменен на цифровой и конструктивно блоки соединяются между собой семиконтактными разъемами. В полной сборке скважинный прибор регистрирует данные БКЗ, ЕМК, резистивиметра, индукционного каротажа и вторые разности для синтеза зондов семиэлектродного бокового каротажа (на дополнительные методы, если они появятся, имеется достаточный резерв количества каналов).
Контроллер, передатчик, блок питания, усилитель мощности и система фильтров - общие для любого набора блоков методов.
Особенностью компановки скважинного прибора является рас--положение многоэлектродного зонда между' верхним корпусом, в.
котором размечены блок питания, усилите/.ь мощности и система днльгров, и нижним корпусом, в котором размечены контроллер, передатчик к измерительная часть блока электрического каротажа. Ток питания от наземного генератора проходит по кабелга и далее, через первичную обмотку трансформатора блока питания через электрод А в породу. От блока питания к остальным блокам подается постоянное напряжение. Таким образом, силовой проводник токового электрода не проходит рядом с проводниками измерительных электродов и наводки из токовой цепи в измерительную исключаются/14/.
Каждый блок методов в верхней и юаней части снабжен герметизированным семиконтактным разъемом. Через весь сквакин-ный прибор проходят шесть жил: две килы от источника питания, кулевая кила и три интерфейсные яйлы. Контроллер генерирует прямоугольное напряжение частотой 250 кГц, которое синхронизирует работу всех остальных узлов сквакинного прибора. Через каждые 2500 мкс контроллер выдает пачку из шести импульсов: синхроимпульс и пять импульсов последовательного двоичного кода канала, которые по шине 3 поступают к блокам методов. В каждом блоке метода поступивший код идентифицируется с присвоенным ему кодом и блок, адрес которого соответствует поступившему коду, выдает в шину 5 последовательность из 21-го импульса, которая передается в передатчик. Первые импульс положительной полярности является синхронизярующим, слелуавие пять обозначают номер канала, и последующие пятнадцать - ko,j несущий информацию о измеряемом параметре.
В передатчике последовательный код преобразуется в ше :тиразряднк2: честнадца-
тиричный код с время-импульсной модуляцией (рис. 6), который передается к усилителю мощности, и далее, по кабелю к наземной части аппаратуры.
Обеспечить эффективность ТИС невозможно без обеспечения высокой стабильности передаточных характеристик преобразователей в условиях работы скважинной аппаратуры. Предложенная /6/ структура ВИТО «шла требования к стабильности нуля время-импульсных преобразователей. Остается требование к стабильности передаточной характеристики, которая в традиционных преобразо-. вателях определяется стабильностью токостабилизирующих ячеек, обеспечивающих линейный заряд или разряд накопительного кон-деноатора. Но обеспечить необходимую стабильноств стабилизаторов тока в широком диапазоне температур простыми схемными решениями не представляется возможным. В процессе поисков новых схемных решений, обеспечивающих стабильность передаточной характеристики, автором была предложена методика синтеза резис-тивно-емкостных преобразователей U-**t, t -*-nt , t *-. V и связанных с ними, беа применения токостабилизирующих устройств. Метод'заключается в следующем: резистор RC-пепи, реализующей преобразование напряжение-время или время-напряжение, подключается к напряжению E(t), изменяющемуся по определенному закону. Процессы, протекающие в такой цепи, определяются выражением:
|rpc-RC+Uc=E(t) .
решение которого: t
Uc = e-^[-^jE(t)e^-dt+UH], (3)
где Uc- текущее напряжение на конденсаторе С и UH- напряжение, до которого предварительно был заряжен конденсатор.
Зададимся линейной (или необходимой) зависимостью выходного параметра от входного и подставим граничные условия в (3). Решая полученное уравнение, найдем закон изменения напряжения E(t)> обеспечивающий заданную передаточную характеристику.
Синтез устройства с применением предлагаемого метода рассмотрим на примере линейного, преобразователя амплитуды импульса
-29-.
в длительность.
Для простейшего преобразователя амплитуды импульса в длительность (половинка мультивибратора) /15/, у которого резистор разряда конденсатора R, предварительно заряженного до амплитуды входного импульса U^, подключен к плюсу питающего напряжения Е, зависимость длительности выходного импульса tBbWOT амплитуды входного определяется выражением: tBblx = RC-n(1-UBX./E).
Подключим резистор разряда конденсатора С к напряжению E(t) и зададимся линейной зависимостью: tBb|X.= RC- UBX/E . Граничные условия: UH =-UBX , Uc=-UflX- при t= 0 и Uc= 0 при t = tBblx. Тогда (3) запишется как:
0=rc jE(t)-e^-dt-UBx. . о
Сложив полученное выражение с выражением для заданной характе
ристики, получим: .
Продифференцировав правую и левую часть равенства, получим:
E = E(t)-e^ или E(t)=E-e"^ .
Таким образом, линейная зависимость длительности выходного импульса от амплитуды входного обеспечивается при подключении резистора разряда конденсатора к экспоненциально изменяющемуся напряжению, что в конечном счете приводит к схеме piic. 8, в которой должно соблюдаться условие R^, = R2 и R,»R2.
С использованием метода решения обратной задачи автору удалось синтезировать целый ряд преобразователей: уже упомянутый (рис. 8) преобразователь амплитуды импульса в пропорциональное ей значение длительности /16/, преобразователь амплитуды импульса в длительность (рис. 9), у которого линейность передаточной характеристики обеспечивается за счет подключения второго резистора R3 разряда конденсатора С к усиленному напряжению .на этом конденсаторе /1/. Линейность обеспечивается при R,(k-1)/R3 = 1 , где к- коэффициент усиления- усилителя.
Следует добавить, что такая схема включения конденсатора и резисторов дает возможность получить экспоненту и с положительным показателем. Эта возможность используется в демодуляторах ШИМ сигналов, в которых.используется детектирование по
- зо
площади. Ь таких демодуляторах для исключения высокочастотных составляющих при большой скважности используется трансформация площади входного КИ игшульса. Источником нелинейности является участок t (рис. 10, 11 и 12), равный длительности входного импульса, на котором при линейном заряде накопительного конденсатора площадь равна квадрату длительности. .
Если задаться линейной зависимостью площади выходного импульса от амплитуды входного, получим три. решения обратной задачи, реализованные в схемах рис. 10, 11 и 12. В первой схеме линеаризация характеристики осуществляется за счет заряда накопительного конденсатора СЗ экспоненциально изменяющимся током (зарлд конденсатора С 4 через резистор R2) при закрытом транзисторе VI. Выходное (вреднее по плоцади) напряжение раЕ-
но ивь,х=исг1^[ї-^(^г]пРи условии: R2C4=^~T ,
где Т- расстояние между импульсами, a UCT- напряжение стаби-'литрона. Второй член в кзадратных скобках существенно меньше единицы и при скважности входных импульсов 10 (в реальной аппаратуре она больше) нелинейность не превышает 0,33 /17, 18/-.
В демодуляторе рис. 11 линейность передаточной характеристики при экспоненциальном заряде накопительного конденсатора С2обеспечивается за счет фиксации интервала T=R2(^, на котором напряжение конденсатора С2 остается фиксированным /19, 20/.
И, наконец, в демодуляторе рис. 12 линейность передаточной характеристики обеспечивается за счет заряда конденсатора С2 экспоненциально нарастающим напряжением с положительным показателем экспоненты при подключении второго резистора заряда R4 к усиленному напряжению конденсатора С2 /21/. Если в этой схеме при фиксированном времени следования импульсов Т обеспечить R3C2
— . =Т , зависимость выходного напряжения от дли-
тельности входных импульсов ивых = Е ь,ВЛ- ( 1 - yt\-) ' нелинейность, обусловленная вторым членом в скобках, который существенно меньше единицы, несущественна. При сквакности входных импульсов 10 она не превышает 0,17^.
Для трансформатора прямоугольных импульсов решение уравнения (3) дает экспоненциальный закон изменения напряжения Е(т). В схеме'рис. 13 это напряжение формируется на конденсаторе С 1 после окончания действия входного импульса, когда размыкается
^іП. >^Ч k*
У^У
Рис. 8.
Рис. 10.
Рис. 11.
Рис. 12.
Рис. 13.
Рис. 14.
Рис. 15.
ключУ4. Линейная зависимость длительности выходного импульса
ОТ ДЛИТеЛЬНОСТИ ВХОДНОГО Tg^tgj г її—о 0<5еспечивается
при R3C1=pp(R2 + Rs)-R5|-C2 /22/.
В телеизмерительных системах с время-ишульсной модуляцией точность временной фиксации импульса при наличии помех увеличивается (теоретически - в"l/2~ раз), если определяется временное положение фронта и среза прямоугольного импульса на выходе компаратора, выделяющего импульсы на фоне помехи, и берется его среднее значение. Два формирователя центра импульса, приведенных на рис. 14 /23/ и рис. 15 ./1/, решают одну и ту же задачу: сдвигают середину импульса на фиксированное время независимо от длительности самого импульса. Осуществляется это за счет изменения вдвое тока заряда (или разряда) конденсатора по окончании действия входного импульса. Решение уравнения (3) позволило исключить из схем формирователей стабилизаторы токов и заменить их резисторами. В приведенных схемах срез выходного
импульса сдвинут относительно середины входного Yia.\c-~2~*\=-RC-Cn2 (для схемы рис.. 14 при U0=-i-E).
Для представления данных' в логарифмической шкале и для логометрических систем, где операция деления заменяется на операцию вычитания логарифмов (боковой.каротаж, синтез фокусированных зондов из серии потенциал- и градиент-зондов при поэлементной регистрации электрического каротажа), для наземного комплекса АСГО разработан преобразователь длительности импульса в цифровой эквивалент логарифма /24/. В преобразователе каждый участок логарифма с модулем 2 заменен отрезком прямой, а преобразование в цифру производится прямым счетом с уменьшением тактовой частоты вдвое всякий раз, когда преобразуемая величина достигнет шкалы модуля.
И еще одно устройство, которое не является преобразователем информации, но существенно влияет на точность измерения сопротивления породы: выпрямитель с активным входным сопротивлением /25/, обеспечивающий сохраненле синусоидальной формы зондирующего тока. Сглаживающий фильтр этого выпрямителя с нагрузкой образуют две БЗ^лмодополкяюаціе цепи: емкость С, вклю-40111171-5 параллельно нагрузи: я шполнпюшую сглсгавахл;;ие Функции, :: па;:а.т :г-лы'.о вклетешпте лроесс-ль и резистор с сопроті:г.гсг-:гем,
равным сопротивлению нагрузки.Если
__^ R = RH = ЛІ-h-. сопротивление тако-
^ jj^i J» И/? го фильтра для всех частот остает-—J«Cj_Jvj_J Тт " ся активным и неизменным и включение такого фильтра после двухполу-Рис. 16. периодного выпрямителя не приводит к искажению формы тока по сравнению с формой питающего напряжения. КПД такого выпрямителя около 80$, коэффициент пульсации 6~ = l/l,5RCo».
Для телеизмерительных систем разработан ряд устройств для представления информации в удобном для восприятия виде.
Особенностью регистрации данных радиоактивного каротажа является осреднение во времени и идеальным осреднителем является оператор текущего среднего, осуществляющий операцию:
1 rf
UBbix(t) = -j- U„(t) dt , передаточная характеристика которого
t-т j _ е-Рт
в операторной форме* определяется выражением: к(р) = ——.
Оператор запаздывания на время Т - е ~р (линии задеріски
на единицы секунд практически нереализуемы) монет быть заїленєн
алгебраической функцией. Лучиая аппроксимация экспоненты — ряд
Паде, но для рассматриваемого случая предлагается'использовать
разложение I \ — рт W
при котором любое приближение реализуется из комбинаций только R п С. Все другие разложения для реализации требуют применения пндуктивностей, величины которых для нашего случая измерялись бы тысячами генри.
Первое, второе и третье приближения дают соответственно:
Р*Тг
MP)-т^г . «М-ф^г и ^=7^fr
Іервое приближение не что иное, как передаточная функция интегрирующей RC-цепа при RC = Т/2, обычно используемой в аппаратуре радиоактивного каротажа в качестве аналогового пнтеграто-
оператор тот же, что и на стр» 17.
' pa. Второе приближение дает передаточную функцию двух независимых интегрирующих RC-цепей при RC = Т/4, третье приближение
'является передаточной функцией устройства, состоящего из двух параллельных цепей, выходы которых подключены к сумматору: первая цепь включает три последовательно соединенные независимые интегрирующие RC-цепи, вторая - включенные последовательно независимые интегрирующую и две дифференцирующие RC-цепи с коэффициентом деления на 3. Постоянная времени всех RC = Т/6. Дисперсия на выходе всех этих устройств, как и у оператора текущего среднего, б = I/T, где 'I - интенсивность излучения на интервале Т.
Анализ кривых /26/, описывающих переходную характеристику h(t) для цепей, реализующих первое, второе и третье приближения оператора текущего среднего, и форму кривых против пласта с учетом того, что интенсивность излучения на границе пласта изменяется как квадрат- синуса, свидетельствует о преимуществах оператора, реализующего второе приближение, по сравнении с оператором, реализующим первое: систематическая погрешность против пластов малой мощности значительно меньше. Большие приближения не пглеют смысла, так как при минимальной мощности пласта, против которого интенсивность может быть зарегистрирована с погрешностью б, систематическая погрешность амплитудного значения интенсивности на выходе фильтра, реализующего второе приближение, практически не отличается от той же погрешности на выходе оператора текущего среднего. Мощность колебаний, частота которых превышает частоту полезного сигнала (принятую-равной 4/Т), на выходе оператора текущего среднего равна 14,8$, на выходе его первого приближения 29,5$, второго - 18,2$ и третьего - 15,7$, и если второе приближение подавляет высокочастотные составляющие в 1,62 раза лучше, чем первое, то последующие приближения, вплоть до самого оператора текущего среднего, дают выигрыш, ненамного превышающий выигрыш второго приближения, практическая реализация которого значительно проще третьего приближения.
Оператор сглаживания, состоящий из двух последовательно включенных независимых RC-цепей, реализован в наземном комплексе АСГП /27/. Развязка RC-цепей осуществляется операционным усилителем. Время осреднения Т может быть выбрано дискретно из ряда: 1,5, 3, 6, 12 или 24 с. Схема. дополнена устройством
' автоматического смещения кулевого, уровня интенсивности.
В ряде геофизических приборов, в частности — при профиле-метрии скважин, необходимо' получить замкнутую кривую по дискретный! значениям. При профилеметрии информация должна представляться оперативно, в процессе измерения, на экране ЭЛТ, так как профилеметрия, в частности, решает задачи выявления прих-ватоопасних зон и решение по предотвращению прихвата бурового инструмента долано приниматься оперативно.
Для визуализации профилеметрии (отображения профиля поперечного сечения скважины на ЭЛТ) значения радиусов-векторов преобразуются в периодическую функцию, используя, например, ступенчатую интерполяцию с последующей фильтрацией полученной ступенчатой кривой низкочастотным фильтром. Однако, ограниченное количество радиус-векторов приводит к появлению изломов в узлах интерполяции и полученная огибающая не воспринимается зрительно как профиль поперечного сечения сквшкины. Для получения гладкой кривой и приближения ее к реальной картине профиля поперечного сечения скватаны предложены системы, позеоля-ткоае получить промежуточные точки с использованием для интерполяции любых полиномов: при.этом может быть использована информация о всей совокупности значений ординат функции.
Ступенчатая интерполяция осуществляется поочередным подключением аналоговых сигналов, характеризующих длину радиус--векторов, к низкочастотному фильтру при помощи аналогового коммутатора. Количество ключей коммутатора раБно количеству радиус-векторов. В предложенном устройстве /28/ количество узловых точек увеличено вдвое, а ключи коммутатора поочередно подключают значения длин радиус-векторов и вычисленных значений узловых точек, полученных на резисторных делителях напряжения и инвертирующих усилителях.
Лабос количество промежуточных узловых точек при ограниченных аппаратурных затратах можно получить при помощи устройства /29/, содержащего два коммутатора: один из них поочередно подключает значения радиусов-векторов, участвующих в интерполяции интервала между n-ным и (п + 1)-вкм радиусом-вектором, количество которых определяется интег-чолирухшм подлномом, к резасторнь'м матрицам, количество которых равно количеству промежуточных точек.
Второй коммутатор в интервале подключения интерполируемого участка (положение первого коммутатора прл этом не изменяется) поочередно подключает выходи резисторных матряц к низко-
частотному фильтру, осуществляющему окончательное сглаживание отображаемого контура.
При интерполяции, например, полиномом третьей степени в вычислении промежуточных точек участвуют четыре значения радиуса-вектора: (n-D-вое, п-ное, (п+1)-вое и (п+2)-рое. Эти значения, умноженные на коэффициент участия, суммируются. Значения коэффициентов для трех промежуточных точек в интервале от п до п + 1 приведены в таблице.
Таблица
Из данных, приведенных в таблице, следует, что матрица должна содержать два инвертирующих усилителя и шесть делителей напряжения.
Пространственная ориентация профиля поперечного сечения скважины осуществляется адреснім коммутатором, расположенным внутри скважишюго прибора, задавшим начало отсчета значений радиусов-векторов, управление которым' осуществляется от датчика ориентации /30/. Необходимость передачи информации об ориентации самого профилеиера при этом исключается.
Для получения площади поперечного сечения скважины в аналоговом виде предложено устройство /31/, реализующее известный
алгоритм: 5 = тг/ г2, где а - количество рычагов, а гп- длина
радиуса-вектора п-ного рычага профилемера. В устройстве каждый широтно-модулированный импульс преобразуется' в треугольный с линейно-нарастающим напряжением. Так как площадь треугольного импульса пропорциональна квадрату основания, после детектирования по площади всей совокупности следующих один за другим треугольных импульсов, расстояния между которшла определяются тактовым генератором окг.с-чинного прибора, йоретруется аналоговое напряжение, пропорциональное площади поперечного сечения скважины.
Для промысловой геофизики разработан ряд приборов (резис-тивиметры, микрозонды без прижимных устройств), в которых измеряется серия физических параметров, но информацию несет в себе только один: наибольший или наименьший. Для устранения избыточности в передаваемой на поверхность информации, предло-аено устройство/32/, выделяющее аналоговое значение максимального (минимального) сигнала, заданного переменным синусоидальным напряжением низкой частоты, и в цифре - номер канала, которому оно соответствует. Устройство содержит лишь два коммутатора, компаратор, счетчик и регистр, используемый в качестве оперативной памяти неиспользование его внутри скважинного прибора не приводит к увеличению аппаратурных затрат (при передаче информации о всей совокупности сигналов также необходим и коммутатор и схема управления к нему).
Специально для телеизмерительной системы КВІГГС разработан ряд узлов, обеспечивающих ее функционирование:
шестнадцатиканальный АЦП переменного тока низкой частоты, содержаний идентификатор кода канала, поступающего от контроллера, масштабный усилитель, обеспечивающий автоматическое переключение коэффициента усиления в зависимости от уровня сигнала, который в виде двоичного кода передается к наземне?, аппаратуре, и двенадцатиразрядннй АЦП последовательного приближения;
преобразователь последовательного двадцатиразрядного двоичного кода в последовательный шестиразрядныД шестнадцатиричный код с контролем на четность для каждого из разрядов (конструктивно выполнен в виде гибрадяо-пленочнсй интегральной микросхемы);
система оптимальных входных фильтров со схемой автоматического регулирования коэффициента усиления, обеспечиващей неизменность амплитуды выходных импульсов (5 В) при изменении амплитуда входных импульсов от 100 «В до SOB.
Описание этих устройств приведено в /1/.
К настоящему времени разработаны уке все виды преобразователей ,'обеспечивающих подключение любых датчиков геофизических параметров к интерфейсным шинам скзажкнной части телеизмерительной системы КВИТС, а также наземные схемы стыковки телеизмерительной системы с цифровыми регистраторами п бортовыми ЭВМ и программное обеспечение для оперативной обработки информации, поступающей из скваъиняого прибора.