钻机有线定航仪.pdf

一种钻机有线定航仪，它由地下探头部分、二根长距离输电线、地面接收控制显示部分三部分组成。采用可以测量地下钻头三维方位角度、温度，通过A/D转换－CPU数据编码组将编码串行信号送入信号调制放大电路、远程供电接口电路、仅用二根长距离输电线，输送调制信号及给探头供电。地面接收控制显示部分通过远程供电接口电路、信号放大整形检波电路、CPU数据解码及显示组、将地下钻头三维方位角度测量并显示出来、并给探头供电。达到了广泛用于石油钻探钻机和铺设地下管线工程钻机等一些无法实施开挖作业钻探的高精度定航的目的。

1.  一种钻机有线定航仪，其特征是：它由地下探头部分、二根长距离输电线、地面接收控制显示部分三部分组成；
地下探头部分包括：
可以测量地下钻头三维方位角度的三维角频率方位测量传感器(1)、可以测量工作温度的温度传感器(2)、分别与可以进行A/D转换-编码-环境温度补偿工作的CPU数据编码组(3)各个输入端互连，CPU组(3)将各传感器采集的信息转换成数字编码串行信号并进行环境温度补偿后送入与之互连的信号调制电路(4)、信号调制电路(4)将调制信号送入与之互连的远距离信号放大输出电路(6)、远距离信号放大输出电路(6)将调制信号放大通过与之互连的信号和远程供电接口电路(7)将调制信号输入到二根长距离输电线(8)，同时，信号和远程供电接口电路(7)还将把从二根长距离输电线(8)分离出的直流电源输出到与之互连的稳压电源(5)，稳压电源(5)输出的直流电能保证上述探头部分正常工作；
地面接收控制显示部分包括：
由二根长距离输电线(8)输出的调制信号输入到与之互连的信号和远程供电接口电路(9)、通过远距离信号放大接收电路(10)将调制信号放大并通过与之互连的信号整形检波电路(11)、信号整形检波电路(11)将整形检波出的数字编码串行信号送入与之互连的CPU数据解码及显示组(12)，将地下钻头三维方位角度测量并显示出来；与此同时，信号和远程供电接口电路(9)还将+VCC直流电源也通过二根长距离输电线(8)输出到前述探头部分。

2.  根据权利要求1所述的钻机有线定航仪，其特征是：CPU数据编码组(3)是由下述电路组合而成，即：JC3的1、7、8、17、18、19脚，分别与程序的在线烧录口JC4的1、2、3、4、5、6脚相连，其中8、22脚相连接地，9脚和晶振JZ1的一端与C6的一端交点相连，10脚和晶振JZ1的另一端与电容C5的一端的交点相连，电容C5、C6的另一端与地相连、8、21脚分别与电容C4两端相连；
CPU数据编码组(3)内JC3的23、24、25脚分别与三维方位角度的三维角频率方位测量传感器(1)的2、3、4脚和电容C3、C2、C1的交点相连，电容C3、C2、C1的另一端接地，26脚与温度传感器(3)内JC2的2脚相连，温度传感器(3)JC2的1脚与电源+5V相连，3脚与地相连，CPU数据编码组(3)内JC3的3、15脚分别和由集成电路JC5组成的信号调制电路(4)内的集成电路JC5-4的两个输入端相连；
在信号调制电路(4)内，集成电路JC5-4的输出端并接集成电路JC5-3的两个输入端、集成电路JC5-3的输出端并接集成电路JC5-2的两个输入端、集成电路JC5-2的输出端并接集成电路JC5-1的两个输入端、集成电路JC5-1的输出端接远距离信号放大输出电路(6)中的电阻R1，电阻R1的另一端接晶体管BG1的基极、晶体管BG1的发射极接地，集电极与信号和远程供电接口电路(7)中的变压器B1初级的一端相连，变压器B1初级的另一端与电感L1和稳压电源(5)内的集成电路JC9上3脚、电容C18的交点相连，JC9的2脚接地，1脚与电容C17、+5V的交点相连，电容C17、C18另一端接地；
在远程供电接口电路(7)中，电容C7、C8分别与变压器B1的次级相连，电容C7、C8另一端分别与二根长距离输电线(8)中电感L1、T2-A交点相连及电感L2、二根长距离输电线(8)中T2-B、信号地的交点相连；
在图3所示中，二根长距离输电线(8)中的T2-A、T2-B分别与信号和远程供电接口电路(9)中的电容C9和电感L3、电容C10和电感L4的交点相连，电容C9、C10的另一端分别与变压器B2次极相连、L3、L4的另一端分别接VCC和地，变压器B2初极并接电容C13后分别与电容C12连接和接地；
在远距离信号放大接收电路(10)中，电容C13的另一端接晶体管BG2基极、电阻R2、R3的的交点，晶体管BG1的发射极和电阻R3的另一端接地，晶体管BG1的集电极与信号整形检波电路(11)内检波二极管D的正极、电阻R5的交点相连，电阻R5、R2的另一端接地；
在信号整形检波电路(11)中，检波二极管D的负极接电容C17和集成电路JC6-2两个输入端的交点、电容C17的另一端接地，集成电路JC6-2的输出端并接集成电路JC6-4的两个输入端、集成电路JC6-4的输出端并接集成电路JC6-1的两个输入端、集成电路JC6-1的输出端并接集成电路JC6-3的两个输入端、集成电路JC6-3的输出端接CPU数据解码及显示组(12)中JC7的3脚；
在CPU数据解码及显示组(12)中，JC7的18脚和晶振JZ2、电容C14的交点相连，19脚和晶振JZ2、电容C11的交点相连，25脚和集成电路CJ8的8脚相连，41脚和集成电路CJ8的10脚、开关K3、K6、电阻R8、+VCC的交点相连，40脚和集成电路CJ8的12脚、开关K3、K5、电阻R7的交点相连，39脚和集成电路CJ8的13脚、开关K1、K4、电阻R6的交点相连，37脚和集成电路CJ8的9脚、开关K7、电阻R9的交点相连，36、35脚分别和开关K1、K2、K3及K4、K5、K6另一端的交点相连，42脚和电阻R4、R5的一端相连，60脚接地，64脚和电容C15、电感L5的交点相连，电感L5的另一端接+VCC和电容C16的交点、C16的另一端接地，63脚接地，44脚--50脚分别与显示屏组件JC7的8脚--2脚相连，电阻R5的另一端接+VCC，晶体管BG3的基极和电阻R4的另一端相连，其发射极接+VCC，集电极和蜂鸣器BUZZER的正端相连，蜂鸣器BUZZER的另一端接地。

3.  根据权利要求1所述的钻机有线定航仪，其特征是：地下探头部分中可以测量地下钻头三维方位角度的三维角频率方位测量传感器可以使用三维电子罗盘。

钻机有线定航仪
                         技术领域
本发明涉及一种钻机有线定航仪。尤其是涉及一种石油钻探钻机及在地表不挖槽的情况下，铺设地下管线工程钻机中的钻机有线定航仪。
                         背景技术
目前在国际上大部分的石油钻探钻机和地下铺设管线工程钻机都利用钻机钻头内置钻机有线定航仪探头进行随钻检测，通过仅用二根长距离输电线，由钻机有线定航仪地面接收控制显示部分跟踪、指挥地下钻头钻进方向的定航系统来石油钻探和铺设地下管线。
这项技术国内几乎空白。而从国外的一些公司的技术来看，其定航的精度，深度和功能虽然能满足部分石油钻探钻机和地下铺设管线工程的作业要求。但是，从技术角度分析，这些定航技术在功能上还不够全面，还不适合我国的国情。如需要特制的无磁性钻头和钻杆，对操作要求和环境要求很高等，在性能和可靠性上还不够完善，同时其价格也极其昂贵，不利于在我国大量推广使用。
在石油钻探钻机和地下铺设管线工程钻机作业中，关键技术是应用高精度钻机有线定航仪对钻孔轨迹进行控制。而高精度钻机有线定航仪又是整个钻进机械设备的核心。所以解决钻机有线定航仪的技术问题对我国大量推广使用现代化国产化钻机有线定航仪技术将带来深远的意义。
钻机有线定航仪主要由地下探头部分、二根长距离输电线、地面接收控制显示部分三部分组成，工作时探头置于钻头内，将钻头所处的三维位置角度、温度等工况姿态参数，通过二根长距离输电线传送给地面接收控制显示部分，让地面操作人员根据所按收的信号参数实时掌握钻孔轨迹，并对轨迹实时控制，及时修正和更改当前的操作，以保证钻头按照设计的路线轨迹完成工作。达到精确定航的目的。
由于钻机有线定航仪必须获得准确的第一手信息资料，再加上钻机有线定航仪的探头安装于地下导向钻头内部，对钻头的精确定航有一定的难度，而且还必须仅用二根长距离输电线来传递数字信号和给地下面探头部分供电，并要对各种复杂的干扰。因此对钻机有线定航仪的发明设计要求很高。在电路方面必须高精度、抗温漂、抗干扰、抗震动。在探头部分体积外型方面必须小型化及高密封。
                         发明内容
综上所述，为了解决钻机有线定航仪发明设计过程中的一系列技术问题。本发明提供一种仅用二根长距离输电线来传递数字信号和给地下面探头部分供电，并具有探测定航精度高、温度漂移小、抗干扰、抗震动能力强、体积小、高密封的钻机有线定航仪。该钻机有线定航仪不仅具有国外同类产品的全部性能，而且性能优良、可靠性高，稳定性好，成本低廉，并完全适合我国的国情，再加上市场价格极其低廉，利于在我国大量推广使用。可广泛用于石油钻探钻机和铺设地下管线工程钻机等。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：它包括地下探头部分、二根长距离输电线、地面接收控制显示部分。
地下探头部分包括可以测量地下钻头三维方位角度的三维角频率方位测量传感器、可以测量工作温度的温度传感器、分别与可以进行A/D转换-编码-环境温度补偿工作的CPU数据编码组各个输入端互连，将各传感器采集的信息转换成数字编码串行信号并进行环境温度补偿后送入与之互连的信号调制电路、信号调制电路将调制信号送入与之互连的远距离信号放大输出电路、远距离信号放大输出电路将调制信号放大通过与之互连的信号和远程供电接口电路将调制信号输入到二根长距离输电线。
同时，信号和远程供电接口电路还将把从二根长距离输电线分离出的直流电源输出到与之互连的稳压电源，稳压电源输出的直流电能保证上述探头部分正常工作。
在地面接收控制显示部分中，由二根长距离输电线输出的调制信号输入到与之互连的信号和远程供电接口电路、通过远距离信号放大接收电路(10)将调制信号放大并通过与之互连的信号整形检波电路、信号整形检波电路将整形检波出的数字编码串行信号送入与之互连的CPU数据解码及显示组，将地下钻头三维方位角度测量并显示出来；与此同时，信号和远程供电接口电路还将+VCC直流电源也通过二根长距离输电线输出到前述探头部分。
CPU数据编码组是由下述电路组合而成，即：JC3的1、7、8、17、18、19脚，分别与程序的在线烧录口JC4的1、2、3、4、5、6脚相连，其中8、22脚相连接地，9脚和晶振JZ1的一端与C6的一端交点相连，10脚和晶振JZ1的另一端与电容C5的一端的交点相连，电容C5、C6的另一端与地相连、8、21脚分别与电容C4两端相连；
CPU数据编码组(3)内JC3的23、24、25脚分别与三维方位角度的三维角频率方位测量传感器(1)的2、3、4脚和电容C3、C2、C1的交点相连，电容C3、C2、C1的另一端接地，26脚与温度传感器(3)内JC2的2脚相连，温度传感器(3)JC2的1脚与电源+5V相连，3脚与地相连，CPU数据编码组(3)内JC3的3、15脚分别和由集成电路JC5组成的信号调制电路(4)内的集成电路JC5-4的两个输入端相连；
在信号调制电路(4)内，集成电路JC5-4的输出端并接集成电路JC5-3的两个输入端、集成电路JC5-3的输出端并接集成电路JC5-2的两个输入端、集成电路JC5-2的输出端并接集成电路JC5-1的两个输入端、集成电路JC5-1的输出端接远距离信号放大输出电路(6)中地电阻R1，电阻R1的另一端接晶体管BG1的基极、晶体管BG1的发射极接地，集电极与信号和远程供电接口电路(7)中的变压器B1初级的一端相连，变压器B1初级的另一端与电感L1和稳压电源(5)内的集成电路JC9上3脚、电容C18的交点相连，JC9的2脚接地，1脚与电容C17、+5V的交点相连，电容C17、C18另一端接地；
在远程供电接口电路(7)中，电容C7、C8分别与变压器B1的次级相连，电容C7、C8另一端分别与二根长距离输电线(8)中电感L1、T2-A交点相连及电感L2、二根长距离输电线(8)中T2-B、信号地的交点相连，
二根长距离输电线(8)中的T2-A、T2-B分别与信号和远程供电接口电路(9)中的电容C9和电感L3、电容C10和电感L4的交点相连，电容C9、C10的另一端分别与变压器B2次极相连、L3、L4的另一端分别接VCC和地，变压器B2初极并接电容C13后分别与电容C12连接和接地，
在远距离信号放大接收电路(10)中，电容C13的另一端接晶体管BG2基极、电阻R2、R3的的交点，晶体管BG1的发射极和电阻R3的另一端接地，晶体管BG1的集电极与信号整形检波电路(11)内检波二极管D的正极、电阻R5的交点相连，电阻R5、R2的另一端接地，
在信号整形检波电路(11)中，检波二极管D的负极接电容C17和集成电路JC6-2两个输入端的交点、电容C17的另一端接地，集成电路JC6-2的输出端并接集成电路JC6-4的两个输入端、集成电路JC6-4的输出端并接集成电路JC6-1的两个输入端、集成电路JC6-1的输出端并接集成电路JC6-3的两个输入端、集成电路JC6-3的输出端接CPU数据解码及显示组(12)中JC10的3脚
在CPU数据解码及显示组(12)中，JC10的18脚和晶振JZ2、电容C14的交点相连，19脚和晶振JZ2、电容C11的交点相连，25脚和集成电路JC8的8脚相连，41脚和集成电路CJ8的10脚、开关K3、K6、电阻R8、+VCC的交点相连，40脚和集成电路JC8的12脚、开关K3、K5、电阻R7的交点相连，39脚和集成电路JC8的13脚、开关K1、K4、电阻R6的交点相连，37脚和集成电路JC8的9脚、开关K7、电阻R9的交点相连，36、35脚分别和开关K1、K2、K3及K4、K5、K6另一端的交点相连，42脚和电阻R4、R5的一端相连，60脚接地，64脚和电容C15、电感L5的交点相连，电感L5的另一端接+VCC和电容C16的交点、C16的另一端接地，63脚接地，44脚--50脚分别与显示屏组件JC7的8脚--2脚相连，电阻R5的另一端接+VCC，晶体管BG3的基极和电阻R4的另一端相连，其发射极接+VCC，集电极和蜂鸣器BUZZER的正端相连，蜂鸣器BUZZER的另一端接地。
本发明地下探头部分中可以测量地下钻头三维方位角度的三维角频率方位测量传感器可以使用三维电子罗盘。
由于本发明采用上述的技术方案，所以性能优良、工作时间长、可靠性高、稳定性好、成本低廉、能够精确稳定地工作，并完全适合我国的国情，再加上市场价格极其低廉，利于在我国大量推广使用，达到了可广泛用于石油钻探钻机和铺设地下管线工程钻机等一些无法实施开挖作业地区钻探的高精度定航的目的。
本发明的有益效果是：
1.由于本发明采用了三维角频率方位测量传感器、作为测量三维方位角度的传感器，体积小、功能强的单片CPU作为信号AD转换及编码调制及解码，使整个发明体积小、精度高、稳定性好、显著提高了综合性能。
2.选择合适的数字信号调制频率，简单高效的信号和远程供电接口电路实现了仅用二根长距离输电线来传递数字信号和给地下面探头部分供电的目的。
3.由于在单片CPU内编制了解码显示软件，所以可以方便地显示出地下钻头三维方位角度、工作温度、等直观实时的动态数据及动态图形。
4.采用正光液晶显示屏，所以显示图象清晰稳定，动态效果好，适合24小时连续工作。
                   附图说明
图1是本发明的电原理框图。
图2是本发明的实施例地下探头部分具体电路图。
图3是本发明的实施例地面接收控制显示部分具体电路图。
图中：1三维角频率方位测量传感器、2温度传感器、3CPU数据编码组、4信号调制电路、5稳压电源、6远距离信号放大输出电路、7信号和远程供电接口电路、8二根长距离输电线、9信号和远程供电接口电路、10远距离信号放大接收电路、11信号整形检波电路、12CPU数据解码及显示组。
                         具体实施方式
本发明由地下探头部分、二根长距离输电线、地面接收控制显示部分三部分组成；
在图1中，可以测量地下钻头三维方位角度的三维角频率方位测量传感器(1)、可以测量工作温度的温度传感器(2)、分别与可以进行A/D转换-编码-环境温度补偿工作的CPU数据编码组(3)各个输入端互连，CPU组(3)将各传感器采集的信息转换成数字编码串行信号并进行环境温度补偿后送入与之互连的信号调制电路(4)、信号调制电路(4)将调制信号送入与之互连的远距离信号放大输出电路(6)、远距离信号放大输出电路(6)将调制信号放大通过与之互连的信号和远程供电接口电路(7)将调制信号输入到二根长距离输电线(8)，同时，信号和远程供电接口电路(7)还将把从二根长距离输电线(8)分离出的直流电源输出到与之互连的稳压电源(5)，稳压电源(5)输出的直流电能保证上述探头部分正常工作。
由二根长距离输电线(8)输出的调制信号输入到与之互连的信号和远程供电接口电路(9)、通过远距离信号放大接收电路(10)将调制信号放大并通过与之互连的信号整形检波电路(11)、信号整形检波电路(11)将整形检波出的数字编码串行信号送入与之互连的CPU数据解码及显示组(12)，将地下钻头三维方位角度测量并显示出来；与此同时，信号和远程供电接口电路(9)还将+VCC直流电源也通过二根长距离输电线(8)输出到前述探头部分。
在图2所示中，CPU数据编码组(3)是由下述电路组合而成，即：JC3的1、7、8、17、18、19脚，分别与程序的在线烧录口JC4的1、2、3、4、5、6脚相连，其中8、22脚相连接地，9脚和晶振JZ1的一端与C6的一端交点相连，10脚和晶振JZ1的另一端与电容C5的一端的交点相连，电容C5、C6的另一端与地相连、8、21脚分别与电容C4两端相连；
CPU数据编码组(3)内JC3的23、24、25脚分别与三维方位角度的三维角频率方位测量传感器(1)的2、3、4脚和电容C3、C2、C1的交点相连，电容C3、C2、C1的另一端接地，26脚与温度传感器(3)内JC2的2脚相连，温度传感器(3)JC2的1脚与电源+5V相连，3脚与地相连，CPU数据编码组(3)内JC3的3、15脚分别和由集成电路JC5组成的信号调制电路(4)内的集成电路JC5-4的两个输入端相连；
在信号调制电路(4)内，集成电路JC5-4的输出端并接集成电路JC5-3的两个输入端、集成电路JC5-3的输出端并接集成电路JC5-2的两个输入端、集成电路JC5-2的输出端并接集成电路JC5-1的两个输入端、集成电路JC5-1的输出端接远距离信号放大输出电路(6)中的电阻R1，电阻R1的另一端接晶体管BG1的基极、晶体管BG1的发射极接地，集电极与信号和远程供电接口电路(7)中的变压器B1初级的一端相连，变压器B1初级的另一端与电感L1和稳压电源(5)内的集成电路JC9上3脚、电容C18的交点相连，JC9的2脚接地，1脚与电容C17、+5V的交点相连，电容C17、C18另一端接地；
在远程供电接口电路(7)中，电容C7、C8分别与变压器B1的次级相连，电容C7、C8另一端分别与二根长距离输电线(8)中电感L1、T2-A交点相连及电感L2、二根长距离输电线(8)中T2-B、信号地的交点相连，
在图3所示中，二根长距离输电线(8)中的T2-A、T2-B分别与信号和远程供电接口电路(9)中的电容C9和电感L3、电容C10和电感L4的交点相连，电容C9、C10的另一端分别与变压器B2次极相连、L3、L4的另一端分别接VCC和地，变压器B2初极并接电容C13后分别与电容C12连接和接地，
在远距离信号放大接收电路(10)中，电容C13的另一端接晶体管BG2基极、电阻R2、R3的的交点，晶体管BG1的发射极和电阻R3的另一端接地，晶体管BG1的集电极与信号整形检波电路(11)内检波二极管D的正极、电阻R5的交点相连，电阻R5、R2的另一端接地，
在信号整形检波电路(11)中，检波二极管D的负极接电容C17和集成电路JC6-2两个输入端的交点、电容C17的另一端接地，集成电路JC6-2的输出端并接集成电路JC6-4的两个输入端、集成电路JC6-4的输出端并接集成电路JC6-1的两个输入端、集成电路JC6-1的输出端并接集成电路JC6-3的两个输入端、集成电路JC6-3的输出端接CPU数据解码及显示组(12)中JC10的3脚
在CPU数据解码及显示组(12)中，JC10的18脚和晶振JZ2、电容C14的交点相连，19脚和晶振JZ2、电容C11的交点相连，25脚和集成电路JC8的8脚相连，41脚和集成电路CJ8的10脚、开关K3、K6、电阻R8、+VCC的交点相连，40脚和集成电路JC8的12脚、开关K3、K5、电阻R7的交点相连，39脚和集成电路JC8的13脚、开关K1、K4、电阻R6的交点相连，37脚和集成电路JC8的9脚、开关K7、电阻R9的交点相连，36、35脚分别和开关K1、K2、K3及K4、K5、K6另一端的交点相连，42脚和电阻R4、R5的一端相连，60脚接地，64脚和电容C15、电感L5的交点相连，电感L5的另一端接+VCC和电容C16的交点、C16的另一端接地，63脚接地，44脚--50脚分别与显示屏组件JC7的8脚--2脚相连，电阻R5的另一端接+VCC，晶体管BG3的基极和电阻R4的另一端相连，其发射极接+VCC，集电极和蜂鸣器BUZZER的正端相连，蜂鸣器BUZZER的另一端接地。
本发明地下探头部分中可以测量地下钻头三维方位角度的三维角频率方位测量传感器可以使用三维电子罗盘。