超声测井仪.pdf

本发明公开一种超声测井仪，其包括：用来发射超声波脉冲信号，接收井壁反射超声信号并将其转换成电脉冲信号，及对接收信号进行放大、滤波和变换处理的并下仪子系统；用来为井下仪子系统提供适宜匹配电能，同步脉冲的产生，接收井下仪子系统的传送信号，对传送信号进行放大和变换处理，及其它相关数据采集的井上仪子系统；用来对数据进行综合采集和处理的计算机子系统，计算机子系统与井上仪子系统之间通过数据线路联接。本发明不仅能更好地用于小口径及在小比重泥浆中井筒的测量，还可较好地适用于大口径深井如井径为3.0m－12m、井深为1000m以上的井筒测量，也能在大比重(如比重＜＝1.2)泥浆或工业用水介质中可靠地工作。

1、  一种超声测井仪包括：
(i)用来发射超声波脉冲信号，接收井壁反射超声信号并将其转换成电脉冲信号，及对接收信号进行放大、滤波和变换处理的井下仪子系统；
(ii)用来为井下仪子系统提供适宜匹配电能，同步脉冲的产生，接收井下仪子系统的传送信号，对传送信号进行放大和变换处理，及其它相关数据采集的井上仪子系统。
(iii)用来对数据进行综合采集和处理的计算机子系统，计算机子系统与井上仪子系统之间通过数据线路联接。

2、  根据权利要求1所述的超声测井仪，其特征在于：所述井上仪子系统还包括可调式增益和可调式干扰控制。

3、  根据权利要求1所述的超声测井仪，其特征在于：所述超声测井仪还包括，用来测量井下仪下放深度的深度仪子系统，上述井上仪子系统还包括对深度仪传输信号的数据采集处理和深度值显示。

4、  根据权利要求1所述的超声测井仪，其特征在于：所述超声测井仪还包括，用来在井下仪子系统和井上仪子系统之间进行信号传输，及提升和下放井下仪子系统的传输电缆及绞车子系统。

5、  根据权利要求4所述的超声测井仪，其特征在于：所述传输电缆兼作为深度仪子系统的测量绳。

6、  根据权利要求1所述的超声测井仪，其特征在于：所述超声测井仪还包括，用来为井下仪子系统确定井下方位的定位绳及绞车子系统。

7、  根据权利要求1所述的超声测井仪，其特征在于：所述超声测井仪还包括，用来显示观察实时波形的示波器子系统。

8、  根据权利要求1所述的超声测井仪，其特征在于：所述井下仪子系统包括一个密闭壳体和选定数量的超声探头，超声探头用于发射和接收脉冲超声波；密闭壳体内设有电路部分，电路部分可包括驱动器模块、输入模块、滤波器模块、放大调节模块、开关选择模块、电平变换模块、井下微处理器模块、信号传输模块、井下系统电源模块；上述井上仪子系统，可包括整机电源模块、探头供电电源模块、深度数据采集与处理电路模块、超声接收变换及处理电路模块、数据采集和通讯电路模块、主板电路模块、显示电路模块；上述深度仪子系统，包括滑轮、和滑轮相连的光电码盘，吊挂井下仪子系统密闭壳体的传输电缆绕在深度仪子系统的滑轮上，并带动滑轮旋转，旋转的滑轮带动光电码盘，光电码盘当轮子转动时产生两路同相或者反相方波信号，方波信号通过电缆接至井上仪子系统的深度数据采集与处理电路；上述传输电缆及电缆绞车子系统，传输电缆一端联接并吊挂井下仪子系统，另一端联接井上仪子系统，传输电缆的地面部分卷绕在电缆绞车上，传输电缆可为铠装七芯电缆，电缆的七芯分别对应电源、电源地、数字信号地、同步信号、发射电压、模拟超声信号(+、-)，电缆的铠装层是两层细钢丝构成，电缆绞车，装有七芯滑环，可手动或自动控制；上述定位绳及绞车子系统，定位绳是两条钢丝缆绳，下端悬挂重锤，两条钢丝绳之间间隔一定距离，由绞车通过滑轮下放和收卷，两条钢缆其中一条穿过井下仪子系统封闭壳体上位于左侧的上下一对水平伸长杆的导向孔，另一条穿过位于右侧的上下一对水平伸长杆的导向孔；上述示波器子系统，该示波器具有四个独立通道和一个外触发通道，四个通道分别接井上仪子系统送来的某探头放大后的超声信号、鉴幅后信号、干控信号、测距方波信号，每个探头则由多路多段开关切换；上述计算机子系统在线或离线提供井壁倾斜、井径、有效断面、偏心率等技术参数以及数据存储、历史数据查询操作。

9、  根据权利要求8所述的超声测井仪，其特征在于：所述井下仪子系统的超声探头为4个，把360°均等分为四个方位，每个超声波探头设置在其中的一个方位上，4个探头分时发射和接收脉冲超声波。

10、  根据权利要求9所述的超声测井仪，其特征在于：所述井下仪子系统的驱动器模块是在控制信号和开关选择模块的控制下，将上述井上仪子系统送来的触发电压加到相应的超声探头上，使探头振动而产生超声波；上述输入模块接受回波信号，并作一定的预处理；滤波器模块的电路由一低通滤波器、一高通滤波器以及有源放大部分组成，能选出所需的特定频率；上述放大调节模块采用阻容反馈网络将上述特定频率放大处理；上述开关选择模块选用多路四选一模拟开关电路，在控制脉冲和地址信号的控制下选通，选通的信号包括探头控制信号和超声波信号；上述电平变换模块是将井下微处理器送来的信号进行整形、变换，用以控制开关选择模块中的模拟开关电路；上述井下微处理器模块主要是将井上仪子系统送来的同步信号进行再处理，并送出时序信号与地址信号，控制协调井下仪子系统的工作；上述信号传输模块是将选通的超声信号进行放大、变换成具有抗干扰能力和传输能力强的信号并通过传输电缆传给井上仪子系统；井下系统电源模块负责给整个井下仪电路提供所需的电源供电。

11、  根据权利要求10所述的超声测井仪，其特征在于：所述井下仪子系统中的井下微处理器模块接收井上仪子系统的同步信号，给出第一个超声波换能器的通道地址，发出控制脉冲，控制开关选择模块中的模拟开关电路选通第一个通道，与之关联的第一个换能器就开始工作；然后，每隔40ms给出下一个超声波换能器通道地址，发控制脉冲，选通下一个通道和超声波换能器；依次控制上述4个超声波换能器工作，完成一个工作周期；井下系统电源模块将井上仪子系统送来的+20V电压稳压滤波后，输出+12V、+6V、-6V分别供给除井下微处理器模块和电平变换模块外的其它模拟电路模块，作为电源电压和参考电压，将+5V电压送给井下微处理器模块和电平变换模块作为工作电压；上述井下仪子系统中的井下微处理器模块接收井上仪子系统的同步信号，井下微处理器模块输出控制和地址信号至电平变换模块进行波形整形和变换，之后再输入到多路四选一模拟开关电路，模拟开关电路选通的触发信号经驱动器模块加到超声探头上，控制探头压电晶体的开关；探头上的超声信号送入输入模块，经其预处理后输入到滤波器模块，之后再到放大调节模块；四路超声信号都经相互独立的四组电路的处理后送入模拟开关电路进行选通，选通的信号再送入信号传输模块变换整形后由传输电缆送到井上仪子系统部分。

12、  根据权利要求11所述的超声测井仪，其特征在于：所述井下仪子系统中的井下微处理器模块可在发出通道地址2ms后，再发出控制脉冲。

13、  根据权利要求8所述的超声测井仪，其特征在于：所述井上仪子系统的整机电源模块采用交流220V输入的专用开关稳压电源，给井上仪提供工作电源和向井下仪子系统提供+20V直流电；探头供电电源模块采用220v交流输入、多交流输出的变压器，经多段开关选择后进行整流滤波为超声波探头供电，电压范围是直流+12V～+250V；上述深度数据采集与处理电路模块主要有输入接口、处理整形器、微处理器，深度仪子系统的光电码盘当轮子转动时产生两路或者同相或者反相的3600个/圈方波信号，处理整形器对这两路信号进行整形处理，一个输出是整形后的方波信号，另一个输出是正反转信号，分别送到微处理器的T0和T1，用于计数和判断，微处理器设置了正反转两个计数器和两个缓冲器，来一个方波，判断一下当前转向，当微处理器接收到采集板发来的同步信号后，此模块要把当前断面的深度值通过串行口发送给数据采集和通信电路的处理器中；显示电路模块有触发驱动电路和数码显示管，用以显示井中探头所在位置的深度值；上述超声接收变换及处理电路模块包括超声信号变换放大电路、模拟开关选通电路、四路增益调节电路、四路鉴幅触发电路、四路干控电路、测距方波信号电路，超声信号变换放大电路采用高速运算放大器，将井下仪送来的超声信号进行变换放大，得到后续所需的信号，模拟开关选通电路在控制信号和地址信号的作用下，将按时序传输的四路超声信号分别取出，送给四路相互独立的增益、鉴幅、干控和测距电路，而后再将它们按时序合为一路信号向后传输，增益调节电路由高速运算放大器和相应的网络构成，对超声信号进行放大，鉴幅触发电路由数字电路构成施密特触发器，其触发阈值可调整，干控电路由两级触发器构成，测距方波信号电路是根据触发器的输出，再由驱动电路驱动，得到足够带负载能力的方波测距信号；上述数据采集和通讯电路模块主要由微处理器、编译码器、触发器、RS232标准的通讯接口电路构成；由上述主板电路模块连接各个功能模块和线路板。

14、  根据权利要求13所述的超声测井仪，其特征在于：所述数据采集和通讯电路模块的微处理器，其两个定时器可完成定时40ms、定时测脉宽、兼作波特率发生器，T1工作在方式2作为波特率发生器，产生9600bps的波特率，T0工作在方式3，作为两个定时器，TL0定时测脉宽，TH0定时40ms；上述测距信号经过处理变成两个信号，一个是反相信号，另一个是同相信号，分别送到微处理器的外部中断X0和X1上，两个外部中断设置成边沿触发方式，当测距方波信号下降沿到来时，外部中断1中断，打开X0的中断允许，TH0开始定时，当低电平结束，上升沿到来时，外部中断0中断，停止定时，读出计数值并保存入相应的暂存器中，此计数值就是超声波在井筒中的传播时间，测量数据经通讯接口送往PC机进一步处理。

15、  根据权利要求14所述的超声测井仪，其特征在于：所述数据采集和通讯电路模块还有以下技术方式，以160ms为一个工作周期，分成4个时间段，每个时间段为40ms，各时间段中进行给出地址、发同步信号、测量脉冲宽度、准备下一次的测量操作；本模块在第三个时间段进行深度数据的读取；本模块在第四个时间段结束时进行数据传输。

16、  根据权利要求13所述的超声测并仪，其特征在于：所述主板电路模块上设有超声接收变换及处理电路板插槽、深度数据采集和处理电路板插槽、数据采集及通讯电路板插槽、传输电缆插座、深度仪电缆插座、串口通讯电缆插座、电源插座；电路板插槽采用48脚标准STD总线制式。

17、  根据权利要求3所述的超声测井仪，其特征在于：所述深度仪子系统，吊挂井下仪子系统密闭壳体的传输电缆绕在深度仪的滑轮上，滑轮大小为滑轮旋转一周传输电缆走过一米；上述光电码盘当轮子转动时产生两路3600个/圈的方波信号。

18、  根据权利要求6所述的超声测井仪，其特征在于：所述定位绳及绞车子系统可由两个定位绳及绞车分系统构成，每个定位绳及绞车分系统均由一台绞车、井口支架及定滑轮、钢丝绳、卷筒、重锤、电机、底座支架，及位于井下仪子系统密闭壳体上两个钢丝绳定位装置，分别设置在壳体的上部和下部，可分别绕壳体转动；每个钢丝绳定位装置可有水平伸长杆、环形圈、锁紧螺丝及位于水平架伸长干两端的钢绳导向孔；两条钢丝绳之间的距离为每根水平伸长杆两端导向孔间长度。

超声测井仪
技术领域
本发明涉及一种超声测井设备。
背景技术
现有技术中的超声测井设备仅适用于油井等小口径的井筒测量，介质环境为工业水或小比重泥浆中，能够检测的指标也有限，远不能满足煤矿钻井和核工业钻井等大口径深井测量的要求。
发明内容
本发明的任务在于提供一种可适用于大口径深井超声测井仪，它能在较大比重泥浆中或工业用水等介质中工作，可提供关于井壁倾斜、井径等技术参数，为成井的建设提供有效技术保证。
其技术解决方案是：
本发明超声测井仪包括：
(i)用来发射超声波脉冲信号，接收井壁反射超声信号并将其转换成电脉冲信号，及对接收信号进行放大、滤波和变换处理的井下仪子系统；
(ii)用来为井下仪子系统提供适宜匹配电能，同步脉冲的产生，接收井下仪子系统的传送信号，对传送信号进行放大和变换处理，及其它相关数据采集的井上仪子系统。
(iii)用来对数据进行综合采集和处理的计算机子系统，计算机子系统与井上仪子系统之间通过数据线路联接。
上述井上仪子系统还可包括可调式增益和可调式干扰控制。
上述超声测井仪还包括，  用来测量井下仪下放深度的深度仪子系统，上述井上仪子系统还包括对深度仪传输信号的数据采集处理和深度值显示。
上述超声测井仪还包括，用来在井下仪子系统和井上仪子系统之间进行信号传输，及提升和下放井下仪子系统的传输电缆及绞车子系统。
上述传输电缆可兼作为深度仪子系统的测量绳。
上述超声测井仪还包括，用来为井下仪子系统确定井下方位的定位绳及绞车子系统。
上述超声测井仪还包括，用来显示观察实时波形的示波器子系统。
上述井下仪子系统包括一个密闭壳体和选定数量的超声探头，超声探头用于发射和接收脉冲超声波；密闭壳体内设有电路部分，电路部分可包括驱动器模块、输入模块、滤波器模块、放大调节模块、开关选择模块、电平变换模块、井下微处理器模块、信号传输模块、井下系统电源模块；上述井上仪子系统，可包括整机电源模块、探头供电电源模块、深度数据采集与处理电路模块、超声接收变换及处理电路模块、数据采集和通讯电路模块、主板电路模块、显示电路模块；上述深度仪子系统，包括滑轮、和滑轮相连的光电码盘，吊挂井下仪子系统密闭壳体的传输电缆绕在深度仪子系统的滑轮上，并带动滑轮旋转，旋转的滑轮带动光电码盘，光电码盘当轮子转动产生两路同相或者反相方波信号，方波信号通过电缆接至井上仪子系统的深度数据采集与处理电路；上述传输电缆及电缆绞车子系统，传输电缆一端联接并吊挂井下仪子系统，另一端联接井上仪子系统，传输电缆的地面部分卷绕在电缆绞车上，传输电缆可为铠装七芯电缆，电缆的七芯分别对应电源、电源地、数字信号地、同步信号、发射电压、模拟超声信号(+、-)，电缆的铠装层是两层细钢丝构成，电缆绞车，装有七芯滑环，可手动或自动控制；上述定位绳及绞车子系统，定位绳是两条钢丝缆绳，下端悬挂重锤，两条钢丝绳之间间隔一定距离，由绞车通过滑轮下放和收卷，两条钢缆其中一条穿过井下仪子系统封闭壳体上位于左侧的上下一对水平伸长杆的导向孔，另一条穿过位于右侧的上下一对水平伸长杆的导向孔；上述示波器子系统，该示波器具有四个独立通道和一个外触发通道，四个通道分别接井上仪子系统送来的某探头放大后的超声信号、鉴幅后信号、干控信号、测距方波信号，每个探头则由多路多段开关切换；上述计算机子系统用于在线或离线提供井壁倾斜、井径、有效断面、偏心率等技术参数以及数据存储、历史数据查询操作。
本发明将井下仪子系统下放到被测井筒中，在被测深度停下后，应用超声波测距原理对井壁进行测距扫描，当超声波发射电路产生的电脉冲加到一个超声波探头时，由该超声波探头定向地发出超声波信号，该信号在井筒泥浆中传播，遇到井壁后反射回来，再被超声波探头接收，并转换为电脉冲信号，至此即完成一次测量。若超声波在泥浆中的传播速度为已知，精确地测量出发射和接收之间的时间，即可得出在这一水平断面上该超声探头到井帮之间的距离，可将超声波发射信号分时加到其它超声波探头上，由此可测出该水平断面超声波探头到井壁上其它各点的距离；井下仪子系统主要完成超声信号的发射和反射超声信号的接收，对接收的超声信号进行放大、滤波、变换处理后通过电缆传到井上仪，井上仪子系统负责整个系统的供电、同步脉冲的产生，对井下仪子系统送来的超声信号进行放大、变换等处理后，经数据采集等过程，并将各种信号数据送给计算机子系统；井下仪采用放大、滤波和变换处理的作用是将接收信号处理成适于长距离传输的信号，提高抗干扰能力，井上仪子系统对传送信号的放大和变换处理的作用是将衰减的含有噪声的信号再放大、消噪，以便后续处理，因此，本发明不仅能更好地用于小口径及小壁中井筒的测量，还可较好地适用于大口径深井如井径为3.0m-12m、井深为1000m以上的井筒，也能在大比重(如比重＜＝1.21)泥浆或工业用水介质中可靠地工作。上述数据信号可经过井上仪子系统及计算机子系统处理，并可由计算机子系统显示该水平断面的井壁图形，然后，再继续下放井下仪子系统，进行另一水平断面的测量。根据井下仪子系统下放点与井筒设计中心的坐标关系，即可利用计算机子系统计算出各水平断面的实际直径，井筒的实际中心相对设计中心的偏斜位置及方位角度，通过输出设备得到水平断面图、竖直断面图、井筒中心偏斜投影图等。当然得到关于井壁倾斜、井径等技术参数的范围程度等与本发明的运算设备选用配置软件等有关，本发明并不以取得上述全面技术参数为必要。此外，井上仪子系统还可采取可调式增益和可调式干扰控制等方式，可方便用户根据实际需要，如根据不断变化井径和不同介质参数，自行调整使仪器更好地发挥实地效能。本发明还包括，用来测量井下仪下放深度的深度仪子系统，上述井上仪子系统还包括对深度仪传输信号的数据采集处理和深度值显示，利用该深度仪子系统，可实时准确地测出井下仪子系统下放的实际深度，并通过井上仪子系统进行数据采集处理和深度值显示，准确性和自动化程度较高，还便于计算机子系统利用其实时数据进行有关运算，较现有技术中采用施放手工测量绳测量井下部分下放深度的方式，提高了准确性和自动化水平以及生产效率。本发明超声测井仪还包括，用来在井下仪子系统和井上仪子系统之间进行信号传输，及提升和下放井下仪子系统的传输电缆及绞车子系统，利用该传输电缆除为井下仪子系统和井上仪子系统提供数据信号等传输通路外，还可利用该传输电缆直接吊挂井下仪子系统，利用传输电缆绞车提升和下放井下仪子系统，线路简洁，结构紧凑，可有效克服采用传输电缆只进行信号传输、另设置井下仪吊挂绳索用于其提升和下放技术方式所带来的易造成线路杂乱，提升装置多的弊端。上述传输电缆可兼作为深度仪子系统的测量绳，与为深度仪单独设置测量绳相比，线路简洁，一物多用。本发明超声波测井仪还包括用来显示观察实时波形的示波器子系统，通过观察示波器子系统的实时波形，为实时地调节其它仪器，准确测量奠定基础。
上述井下仪子系统的超声探头可为4个，把360°均等分为四个方位，每个超声波探头设置在其中的一个方位上，4个探头分时发射和接收脉冲超声波。该方式，将井下仪子系统固定在一个深度上，可测出四个方位井壁的距离，可有效减少井下仪子系统的转向调整。
上述井下仪子系统的驱动器模块是在控制信号和开关选择模块的控制下，将上述井上仪子系统送来的触发电压加到相应的超声探头上，使探头振动而产生超声波；上述输入模块接收回波信号，并作一定的预处理；滤波器模块的电路由一低通滤波器、一高通滤波器以及有源放大部分组成，能选出所需地特定频率；上述放大调节模块采用阻容反馈网络将上述特定频率放大处理；上述开关选择模块选用多路四选一模拟开关电路，在控制脉冲和地址信号的控制下选通，选通的信号包括探头控制信号和超声波信号；上述电平变换模块是将井下微处理器送来的信号进行整形、变换，用以控制开关选择模块中的模拟开关电路；上述井下微处理器模块主要是将井上仪子系统送来的同步信号进行再处理，并送出时序信号与地址信号，控制协调井下仪子系统的工作；上述信号传输模块是将选通的超声信号进行放大、变换成具有抗干扰能力和传输能力强的信号并通过传输电缆传给井上仪子系统；井下系统电源模块负责给整个井下仪电路提供所需的电源供电。
上述井下仪子系统中的井下微处理器模块接收井上仪子系统的同步信号，给出第一个超声波换能器的通道地址，发出控制脉冲，控制开关选择模块中的模拟开关电路选通第一个通道，与之关联的第一个换能器就开始工作；然后，每隔40ms给出下一个超声波换能器通道地址，发控制脉冲，选通下一个通道和超声波换能器；依次控制上述4个超声波换能器工作，完成一个工作周期；井下系统电源模块将井上仪子系统送来的+20V电压稳压滤波后，输出+12V、+6V、-6V分别供给除井下微处理器模块和电平变换模块外的其它模拟电路模块，作为电源电压和参考电压，将+5V电压送给井下微处理器模块和电平变换模块作为工作电压；上述井下仪子系统中的井下微处理器模块接收井上仪子系统的同步信号，井下微处理器模块输出控制和地址信号至电平变换模块进行波形整形和变换，之后再输入到多路四选一模拟开关电路，模拟开关电路选通的触发信号经驱动器模块加到超声探头上，控制探头压电晶体的开关；探头上的超声信号送入输入模块，经其预处理后输入到滤波器模块，之后再到放大调节模块；四路超声信号都经相互独立的四组电路的处理后送入模拟开关电路进行选通，选通的信号再送入信号传输模块变换整形后由传输电缆送到井上仪子系统部分。
上述井下仪子系统中的井下微处理器模块可在发出通道地址2ms后，再发出控制脉冲。
上述井上仪子系统的整机电源模块采用交流220V输入的专用开关稳压电源，给井上仪提供工作电源和向井下仪子系统提供+20V直流电；探头供电电源模块采用220v交流输入、多交流输出的变压器，经多段开关选择后进行整流滤波为超声波探头供电，电压范围是直流+12V～+250V；上述深度数据采集与处理电路模块主要有输入接口、处理整形器、微处理器，深度仪子系统的光电码盘当轮子转动产生两路或者同相或者反相的3600个/圈方波信号，处理整形器对这两路信号进行整形处理，一个输出是整形后的方波信号，另一个输出是正反转信号，分别送到微处理器的T0和T1，用于计数和判断，微处理器设置了正反转两个计数器和两个缓冲器，来一个方波，判断一下当前转向，当微处理器接收到采集板发来的同步信号后，此模块要把当前断面的深度值通过串行口发送给数据采集和通信电路的处理器中；显示电路模块有触发驱动电路和数码显示管，用以显示井中探头所在位置的深度值；上述超声接收变换及处理电路模块包括超声信号变换放大电路、模拟开关选通电路、四路增益调节电路、四路鉴幅触发电路、四路干控电路、测距方波信号电路，超声信号变换放大电路采用高速运算放大器，将井下仪送来的超声信号进行变换放大，得到后续所需的信号，模拟开关选通电路在控制信号和地址信号的作用下，将按时序传输的四路超声信号分别取出，送给四路相互独立的增益、鉴幅、干控和测距电路，而后再将它们按时序合为一路信号向后传输，增益调节电路由高速运算放大器和相应的网络构成，对超声信号进行放大，鉴幅触发电路由数字电路构成施密特触发器，其触发阈值可调整，干控电路由两级触发器构成，测距方波信号电路是根据触发器的输出，再由驱动电路驱动，得到足够带负载能力的方波测距信号；上述数据采集和通讯电路模块主要由微处理器、编译码器、触发器、RS232标准的通讯接口电路构成；由上述主板电路模块连接各个功能模块和线路板。
上述技术方式，经放大调节模块采用阻容反馈网络放大处理后，由多路多段模拟开关选通，选通的超声信号经信号传输模块进行放大，把电压型的信号转换为电流型的信号，变换成具有抗干扰能力和传输能力强的信号并通过传输电缆传给井上仪子系统，有助于实现频域滤波和在不同距离处得到幅值相近的回波信号，可有效克服超声波因在较大距离或大比重泥浆等介质中传输幅值随距离增加而下降加快的缺陷；井上仪子系统放大变换的功能是将衰减的含有噪声的信号再放大、消噪，以便后续处理，且井上仪子系统还采用可调的增益、干控等，可更好地迎合不同的情况，如变化的井径和不同的泥浆参数，选择四路独立的电路是为了分别而细致地调节处理各路的信号，避免相互干扰，采用RS232到USB2.0的传输转换是为了提高传输的速度，当然可直接用RS232到RS232的方式。可使本发明能更好的适用于大口径深井，及大比重泥浆环境下的井筒测量。
上述数据采集和通讯电路模块的微处理器，其两个定时器可完成定时40ms、定时测脉宽、兼作波特率发生器，T1工作在方式2作为波特率发生器，产生9600bps的波特率，T0工作在方式3，作为两个定时器，TL0定时测脉宽，TH0定时40ms；上述测距信号经过处理变成两个信号，一个是反相信号，另一个是同相信号，分别送到微处理器的外部中断X0和X1上，两个外部中断设置成边沿触发方式，当测距方波信号下降沿到来时，外部中断1中断，打开X0的中断允许，TH0开始定时，当低电平结束，上升沿到来时，外部中断0中断，停止定时，读出计数值并保存入相应的暂存器中，此计数值就是超声波在井筒中的传播时间，测量数据经通讯接口送往PC机进一步处理。
上述数据采集和通讯电路模块还有以下特征，以160ms为一个工作周期，分成4个时间段，每个时间段为40ms，各时间段中进行给出地址、发同步信号、测量脉冲宽度、准备下一次的测量操作；本模块在第三个时间段进行深度数据的读取；本模块在第四个时间段结束时进行数据传输。
上述主板电路模块上可设有超声接收变换及处理电路板插槽、深度数据采集和处理电路板插槽、数据采集及通讯电路板插槽、传输电缆插座、深度仪电缆插座、串口通讯电缆插座、电源插座；电路板插槽采用48脚标准STD总线制式。
上述深度仪子系统，吊挂井下仪子系统密闭壳体的传输电缆绕在深度仪的滑轮上，滑轮大小为滑轮旋转一周传输电缆走过一米；上述光电码盘随轮子转动产生两路3600个/圈的方波信号。
上述定位绳及绞车子系统可由两个定位绳及绞车分系统构成，每个定位绳及绞车分系统均由一台绞车、井口支架及定滑轮、钢丝绳、卷筒、重锤、电机、底座支架，及位于井下仪子系统密闭壳体上两个钢丝绳定位装置，分别设置在壳体的上部和下部，可分别绕壳体转动；每个钢丝绳定位装置可有水平伸长杆、环形圈、锁紧螺丝及位于水平架伸长杆两端的钢绳导向孔；两条钢丝绳之间的距离为每根水平伸长杆两端导向孔间长度。
附图说明
图1是本发明超声测井仪一种实施方式系统构成原理示意图。
图2是本发明的井下仪子系统一种实施方式的结构原理示意图。
图2A是井下仪子系统的超声探头位置结构示意图。
图2B是本发明的定位绳及绞车子系统中的水平定位装置结构示意图。
图3是井下仪子系统的电路工作原理示意图。
图3A是图3中的井下微处理器模块电路图。
图3B是图3A中控制方式程序流程图。
图3C是图3中的驱动模块和输入模块电路图。
图3D是图3中的电平变换模块电路图。
图3E是图3中的放大调节模块电路图。
图3F是图3中的滤波模块电路图。
图4A示出了井上仪子系统的前面板一种结构原理示意图。
图4B示出了井上仪子系统的后面板一种结构原理示意图。
图5是井上仪子系统的超声信号处理模块电路图。
图6A是井上仪子系统的超声信号各个时段的波形图。
图6B是同步信号和井下仪子系统的CPU时序脉冲图。
图7是井上仪子系统的数据采集与通讯模块电路图。
图8是井上仪子系统的深度数据采集模块电路图。
图9A、图9B是井上仪子系统的数据采集程序流程图。
图10是井上仪子系统的深度数据采集程序流程图
图11是井上仪子系统的电源模块电路图。
图12是井上仪子系统的显示模块电路图。
图13是本发明的深度仪子系统原理示意图。
图14是本发明的传输电缆及绞车子系统原理示意图。
图15是本发明的定位绳及绞车子系统原理示意图。
下面结合附图对本发明进行描述：
具体实施方式
参看图1，本发明超声测井仪，其主要由井下仪子系统100、井上仪子系统300、深度仪子系统700、传输电缆及绞车子系统600、定位绳及绞车子系统800、示波器子系统400、计算机子系统500组成。下面对各子系统进行说明：
1、井下仪子系统
参看图2、图2A，井下仪子系统的内核为封闭在密闭可体内的仪器部分，该仪器部分在正常情况下可用四根支撑脚101立于地上；102是为保护探头而加的保护架，104是四根立柱，固定在108上，超声波探头106为四个，安装超声探头106的底盘103、105和四个立柱104固定在一起，探头由环形卡107固定在底盘上；仪器壳体110是外直径为90mm的圆柱形，底端由下底盖108封闭(螺纹结构且固定死)，上端通过螺丝和113相连，以完成整体的封闭；此连接处，在立面上有两级开槽114，用以安放密封圈115；筒内有电路板200和固定电路板的装置112；探头的连接端头116通过螺丝固定在开有小孔的端头安装处118(共有四个)，116与118之间有封闭圈117；七芯电缆121通过密封材料120与仪器上部122固定在一起，七根线通过接插座和电路板200连在一起；承重吊挂把手119用于吊挂井下仪，和七芯电缆的钢丝铠装层固定在一起。
本实施例中的超声探头106共有四个，结合参看图2B，其特点分上下四层按顺序排放，且相互成90度，探头的发射面106a到仪器竖直轴心106b的距离是10cm。
井下仪子系统100包括电路板200，结合参看图3。电路板200又包括超声信号201、超声探头202、输入模块210、驱动模块220、滤波模块230、放大调节模块240、多路多段模拟开关203、控制信号204、地址信号205、电平变换模块250、井下微处理器模块260、信号传输模块270、井下系统板电源模块280、发射电源模块290、电缆插座207等构成。
电路板200包括井下微处理器模块260和电平变换模块250，结合参看图3A、图3B、图3D及图6B，CPU261将来自井上仪的同步信号207(SNY)进行处理，产生控制信号CONTROL和两位地址信号A0和A1。此信号再送入电平变换模块250，将+5V电平变为+12V电平(控制信号、地址A0、地址A1)以提高驱动能力。它们再分别送到多路多段模拟开关203的时序控制端和地址控制端。CPU261接到同步信号后，给出第一个换能器的地址，发出控制脉冲，后面的模拟开关就选通了第一个通道，与之关联的换能器就开始工作；之后，每隔40ms给出下一个换能器地址，发控制脉冲，选通一个通道和换能器；这样遍历4个方位，完成了一个工作周期；为了减少信道干扰，防止通道之间串扰，要求地址提前发出，这样就把40ms分成了2ms和38ms，先发出通道地址，过2ms后再发出控制脉冲。
电路板200包括驱动模块220，结合参看图3C，输入模块210，超声探头202。电路含有四个独立的处理通道，它们相互独立，工作模式相同，当选通其中一个通道时，其详细的工作方式如下。由模拟开关选通的触发信号接到驱动器模块220的三极管221的基极，三极管221的集电极接到场效应管222的珊极；三极管的作用是进一步提供驱动能力。当三极管和场效应管截止时，场效应管222的漏极上是高电平，探头202处于充电状态；场效应管导通时，探头202通过此回路瞬间放电，压电晶体产出振动，从而发出超声波；此超声波信号在井筒里的介质(泥浆)中传播，当遇到待测物(井壁)时就产生回波；回波信号经同一探头接收，并送入输入模块210放大处理。
电路板200包括滤波模块230，结合参看图3F，它包括低通滤波器231、高通滤波器232、有源增益233和阻容反馈网络234。来自输入模块210放大处理的输出超声信号进入滤波模块230的输入端，先经低通滤波器231滤除高频干扰信号，高通滤波器232滤除低频无用成分，综合的结果是选择了特定频率通过，亦即和探头发射频率相一致的频率成分；有源增益233用以补偿滤波网络的损失。
电路板200包括放大调节模块240，结合参看图3E，由高速运算放大器241和相应的阻容反馈网络242构成。运算放大器241采用同相工作方式，其放大倍数的调节要配合探头的发射功率、所在传输介质的特性以及线路传输特性等多个因素共同决定，其特点是经电缆传输后，发射波要有足够的幅度，使得前几个波饱和。
电路板200包括多路多段模拟开关203和信号传输模块270。经模拟开关选通的某一路的超声信号进入信号传输模块270，先把电压型的信号转换为电流型的信号，通过测井电缆传到井上仪。此模块对超声信号的传输采用闭环传输，传输能力和抗干扰能力都较强。
电路板200还包括井下系统板电源模块280和探头发射电压模块290。电源模块280将井上仪送来的+20V电源进行稳压滤波处理，输出+12V、+6V、-6V、+5V电压，分别供不同的部分工作；模块290将井上仪传来的探头发射电压(+12V~+250V)再处理后加在探头上。
2、井上仪子系统
参看图4A、4B，井上仪子系统300前面板由电源开关301、探头发射电压旋钮302、探头选择旋钮303、增益调节旋钮304、鉴幅调节旋钮305、干扰控制旋钮306、电压显示表307、深度显示器308、深度复位按钮309构成。井上仪子系统300后面板由井下仪电缆插座311、深度仪电缆插座312、计算机接口插座313、220V交流电源插座314、保险管座315、示波器外触发脉冲316、至示波器四通道输入317a、317b、317c、317d。
电源开关301控制整个仪器的供电，探头发射电压旋钮302是根据实际情况选择加在探头上的电压，电压范围是+12V～+250V，电压值同时在电压表307上显示出来；探头选择旋钮303是四路四段开关，用以选择四个探头中的某一个，选择了某个探头，又会同时接通四路信号，分别是增益后的超声信号、鉴幅信号、干控信号和测距方波信号，这些信号可分别由增益调节旋钮304、鉴幅调节旋钮305、干扰控制旋钮306控制，并可分别送到示波器的四个通道输入317a、317b、317c、317d同时加以显示，显示的波形为调节提供实时的依据。对每一探头通道都配备了相同的调节旋钮，各通道之间是相互独立的。深度仪送来的信号经深度数据采集板采集处理后一方面可送计算机进一步处理显示，同时可在前面板上由深度显示器303显示，深度复位按钮309可在需要时将深度数据清零。
井上仪子系统300包括超声信号处理模块电路320，数据采集通讯模块340，深度数据采集模块360和电源模块380等。
超声信号处理模块电路320可由超声信号变换模块322、多路模拟开关323、增益调节模块324、鉴幅调节模块325、干控调节模块326、测距方波模块327、多路模拟开关328等构成，结合参看图5。由井下仪100通过电缆送来的超声信号321馈入超声信号变换模块322，此模块由高速运放和相应的阻容网络组成，完成将电流型信号转成电压型信号，这里的信号按时序不同分别含有四路探头的信号，此信号送到“一选四”模拟开关328；之后，模拟开关在开关控制信号的作用下按时序选出其中一路超声信号，分别送到四路互相独立的处理电路。以第一路为例，它包括增益调节模块323，将超声信号放大到所需的幅度，由运放等构成的电路完成，增益可调；鉴幅调节模块325，由数字电路构成施密特触发器，此触发器具有抗干扰能力强和阈值可调等特点，是将满足阈值要求的正弦波变为饱和输出的方波。
超声信号处理模块电路320包括干控调节模块326，它由数字触发器构成，分为两级且联动，第一级输出的方波信号宽度是事先设定的(35ms，即小于一个探头的工作周期40ms)，第二级方波宽度是可调的，调节时间范围是超过发射信号包络线衰减到一定程度的时刻而小于第一次回波的时刻；发射信号包络线衰减的快慢主要由探头的性能有关，也与探头所处的介质有关；而第一次回波时间主要与所测物体到探头的距离有关，。干控调节模块326的作用就是使发射信号首波触发电路后，第一次回波之前的所有脉冲和干扰都不能使电路再触发，直到第一次回波的首波才能使电路再触发，从而保证测量的准确，结合参看图6A波形图。
超声信号处理模块电路320包括的测距方波模块327由JK触发器、三极管等构成，输出一个低电平的方波信号，方波的宽度就是发射信号的首波到第一次回波首波之间的宽度，此宽度代表超声波在介质中来回传播的时间，即对应探头到井壁二倍的距离。
超声信号处理模块电路320，将电缆传来的超声信号sign_IN1和sign_IN2经322变换和模拟开关选择后，送入增益调节模块324、鉴幅调节模块325、干控调节模块326，而他们分别由井上仪300前面板上的增益调节旋钮204、鉴幅调节旋钮205、干控调节旋钮206控制。某一探头的各个阶段的信号波形可同时在示波器上显示出来。另外，各自独立的四路探头最终的测距方波信号又通过模拟开关328合成为一路时序信号，传输到数据采集与通讯模块340。
井上仪300包括数据采集与通讯模块340，结合参看图7及图9A、图9B，此模块产生四路同步脉冲信号，两路地址信号，并把来自超声信号处理模块电路320的测距方波信号和深度数据采集模块360送来的深度数据采集下来处理，之后传输给计算机。
数据采集与通讯模块340包括四路同步脉冲信号341(SYN1，SYN2，SYN3，SYN4)，控制模拟开关的地址信号342(A0，A1)，测距方波信号输入343(WAVE)，锁存器345，反相器346a、346b，微处理器347(CPU)，通讯电路348，正反相深度信号344(RXD，TXD)，RS232标准的通讯信号349(232TX，232RX)。
CPU347的两个定时器要完成定时40ms、定时测脉宽、作波特率发生器的任务，这样T1工作在方式2作为波特率发生器，产生9600bps的波特率；T0工作在方式3，分成两个定时器来用，TL0定时测脉宽，TH0定时40ms。开始时进行初始化，之后指向方位1的数据暂存器；发SYN1信号，地址为00，选通1通道；定时器TH0开始40ms定时，判断定时时间和检测方位1的距离信号，若没有信号则方位1的数据暂存器清零，有信号则指向方位2的数据暂存器；发SYN2信号，地址为01，选通2通道；定时器TH0重新开始40ms定时，重复以上过程直到四个过程完成。此时关定时器，不允许接收，发送数据到PC机进行数据处理。
CPU347工作的另一个特点是第三个时间段里，还要完成深度数据的读取；第四个时间段结束后，要进行数据的传输，把深度数据以及四个方位的井径数据传送到PC机，进行高层处理。测距信号经过处理变成两个信号，一个是反相信号，另一个是同相信号，分别送到微处理器的外部中断X0和X1上，两个外部中断设置成边沿触发方式。在这里要检测测距信号的低电平时间。当下降沿到来，外部中断1中断，打开X0的中断允许，T0开始定时。当低电平结束，上升沿到来时，外部中断0中断，停止定时，读出计数值并保存入相应的暂存器中，此计数值就是超声在井中的传播时间。
数据采集与通讯模块340总的工作过程是：CPU347按时序产生同步脉冲信号341(SYN1，SYN2，SYN3，SYN4)，以及控制模拟开关的地址信号342(A0，A1)，这些信号送入锁存器345中；来自超声信号处理模块电路320的测距方波信号343通过反相器346a和346b整形后送入CPU347的INT0和INT1端；同时在第三个时间段里，采集深度数据信号344(RXD，TXD)，并在第四个时间段结束后，把深度数据以及四个方位的井径数据传送到计算机子系统(PC机)。
井上仪300包括深度数据采集模块360，结合参看图8及图10。同步信号362(SYN)经整形电路365b送入微处理器371的INT0，此信号保证所有电路的工作状态是同步进行的，此信号来自数据采集与通讯模块340的CPU347；深度仪上的编码器输出两路深度信号363(DEEP1，DEEP2)，这两路信号或者同相或者反相，由轮子的转向决定，经整形电路365c和365d、驱动三极管366a和366b、触发器367以及整形电路369后，一个输出是整形后的方波信号，另一个输出是正反转信号，分别送到CPU371的T0、T1端，用于计数和判断。
深度数据采集模块360包含CPU371，它设置了正反转两个计数器和两个缓冲器，来一个方波，判断一下当前转向，相应的转向计数器加1，记满36个脉冲，也就是到了1厘米，相应的转向缓冲器加1，这些工作都是在T0中断服务程序里完成的；在主程序里，不停的检测正反转缓冲器的差值，如果为零，说明深度没有变化，如果不为零，说明深度变化了，就要计算出当前的深度并在LED上显示出来，同时还要刷新缓存器368中深度值的记录；当数据采集与通讯模块340向它要深度值时，即接收到340的同步信号后，深度数据采集模块360要把当前断面的深度值通过串行口364发送给340的处理器中，再由它连同4个井径值发送给上位机进行处理；另外，复位信号361(CLR)可以在必要时使深度数据清零，通信和清零都在外部中断服务程序里完成。
井上仪子系统300包括电源模块380，结合参看图11，此模块负责井上仪子系统和井下仪子系统的电源供应，由电源变压器381、电压选择开关382、整流桥383、滤波器384、电压表385以及开关电源模块386等组成；由381～385构成的电路负责给井下仪的超声探头供电，而开关电源模块386自成一体，可输出+20V、+12V、+5V电压，分别给仪器中的不同电路供电。
井上仪子系统300还包括显示模块390，结合参看图12，由深度数据采集模块360送来的时钟信号391(CLK)控制此模块的工作，由深度数据采集模块360送来的深度数据392(D0)输入到解码驱动电路395a的A、B端，其输出直接驱动数码发光管394a，同时395a的最高位Q7信号送往395b的A、B输入端，其输出再驱动394b发光管，以此类推395c、394c、395d、394d、395e、394e、395f和394f；此显示电路是6位的，用以实时显示井下仪的下放深度，即井深。
3、示波器子系统
示波器子系统400，此示波器可采用数字化的四通道示波器，操作简便，具有许多突出的功能，如带宽达100MHz，取样率达1.0GS/s，具有多种触发方式，可进行FFT运算，自动设置菜单，每个通道的波形用不同的颜色显示，一目了然；可选择波形的自动设置功能，自动监测正弦波，方波及视频信号，并以图形化界面显示这些信号的自动设置选项；使用者可以选择进一步的设置选择，包括上升下降沿，视频行场及FFT等，按照信号的不同类型，自动显示4种参数的自动测量值；11种自动设置简化与加速测量过程，减少人为误差，包括：最小值，最大值，上升时间，下降时间，+脉冲宽度，-脉冲宽度，周期，平均值，周期有效值，峰峰值；触发频率读出，由触发源自动激活(视频触发时除外)，使用者可以测量触发信号的频率(包括外触发源)，无需再使用一个通道做输出；提供前面板不同于输入通道的外触发输入，并可显示触发信号，包括外触发信号；能通过传统而熟悉的模拟风格控制按钮，在前面板完成大部分常用功能，如自动设置，帮助，单次捕获，打印，扫描速度等；菜单与显示可以选择10种操作界面：英语，法语，德语，意大利语，葡萄牙语，俄语，简体中文，繁体中文，朝鲜语，日语；可进行单次捕获、峰值检测、捕获与观察高频信号成分、冻结或停止波形、存储调出波形、快速存储设置及调出进行重复测试等众多功能，为实时地调节仪器、显示观察波形及准确测量奠定基础。
4、计算机子系统
计算机子系统500，硬件和软件的配置可根据需要进行相应选定。如可选用高档微机硬件配置，基于windows操作系统；软件部分可根据测井的实际需要可由该领域普通技术人员显而易见的编制出。计算机子系统和井上仪子系统之间的数据通讯可通过专用USB接口连线，此连线将井上仪RS232标准的数据转为USB2.0标准的数据，能提高传输速度。
上述软件可包括诸如测井初始化子程序，通讯接收数据子程序，测井数据显示子程序，打开文件子程序，滤波及绘图显示子程序，井筒断面及有效断面算法子程序，曲线拟合算法子程序等；可相应提供井壁倾斜、井径、有效断面、偏心率等技术参数以及数据存储、历史数据查询、打印等功能。
5、深度仪子系统
参看图13及结合图8和图10，深度仪子系统700，此子系统的构成要素为：滑轮701、和滑轮相连的光电码盘702、底座支架703、处理电路704、传输模块705、传输电缆706等。吊装井下仪子系统的七芯铠装电缆(传输电缆)经过滑轮701，在仪器的下放或提升过程中带动滑轮旋转，通过齿轮与滑轮701连接在一起的光电码盘702也跟着旋转；此光电码盘在滑轮每旋转一圈(周)可输出3600个脉冲，此脉冲信号经处理电路704处理后送给传输模块705；在脉冲处理过程中，根据滑轮正反转的不同，会产生不同的脉冲；此脉冲信号送入传输模块705后在通过传输电缆706送往井上仪深度数据采集模块360。
同步信号362(SYN)经整形电路365b送入微处理器371的INT0，此信号保证所有电路的工作状态是同步进行的，此信号来自数据采集与通讯模块340的CPU347；深度仪上的编码器输出两路深度信号363(DEEP1，DEEP2)，这两路信号或者同相或者反相，由轮子的转向决定，经整形电路365c和365d、驱动三极管366a和366b、触发器367以及整形电路369后，一个输出是整形后的方波信号，另一个输出是正反转信号，分别送到CPU371的T0、T1端，用于计数和判断。
深度数据采集模块360包含CPU371，它设置了正反转两个计数器和两个缓冲器，来一个方波，判断一下当前转向，相应的转向计数器加1，记满36个脉冲，也就是到了1厘米，相应的转向缓冲器加1，这些工作都是在T0中断服务程序里完成的；在主程序里，不停的检测正反转缓冲器的差值，如果为零，说明深度没有变化，如果不为零，说明深度变化了，就要计算出当前的深度并在LED上显示出来，同时还要刷新缓存器368中深度值的记录；当数据采集与通讯模块340向它要深度值时，即接收到340的同步信号后，深度数据采集模块360要把当前断面的深度值通过串行口364发送给340的处理器中，再由它连同4个井径值发送给上位机进行处理；另外，复位信号361(CLR)可以在必要时使深度数据清零，通信和清零都在外部中断服务程序里完成。
6、传输电缆及绞车子系统
结合参看图14，传输电缆及绞车子系统600，此子系统由井口支架及定滑轮601、铠装电缆602、卷筒603、滑环及接线插座604、控制装置605、电机606、底座支架607等主要部件构成。电缆602是七芯的，铠装层采用双层软钢丝编织而成，钢丝和电缆之间有绝缘层，铠装电缆的外径为11mm，长1000m，可承重2.5吨，七芯电缆中传输的信号分别是：发射电压(+12V~+250V)、井下仪电路供电电压(+20V)、模拟地、数字地、送给井下仪的同步信号、传给井上仪的超声信号(占两路)；卷筒603和电机606都是按要求配置的；滑环及接线插座604是七芯特制的，具有耐磨、防水、抗腐蚀老化、坚固耐用的特点；控制装置605是用来控制整个绞车的，具有手动和自动两种方式，在自动方式下，可程序设定正转、反转，可设定转速，即仪器上升或下降的速度等。
7、定位绳及绞车子系统
参看图15及结合图2和图2B，定位绳及绞车子系统800，它由两台绞车构成。分别由井口支架及定滑轮801、钢丝绳802、卷筒803、重锤804、控制装置805、电机806、底座支架807以及水平定位装置109(上)、111(下)等主要部件构成。钢丝绳802外径为11mm，长1000m，可承重3吨，卷筒803和电机806都是按要求配置的；控制装置805是用来控制整个绞车的，手动控制。定位装置109和111的结构是相同的，它们相互独立，分别设置在壳体的上部和下部，可分别绕壳体110转动，以使仪器定位在所需的方位；采用上下摆放的结构可同时避免井下仪的转动和摆动。定位装置的结构如下，以109为例(图2C)：该装置由水平伸长杆109a、环形圈109b、可开合的钢绳导向孔109c和锁紧螺丝109d构成。松开109d以便调整仪器的方位，调好后将其锁紧；109c是可开合的，打开时可将导向钢绳放入或取出，钢绳放入后开口合上，并用螺丝固定。重锤804重200公斤，拴在钢丝绳的一端，它们事先下放到井里；两个定滑轮801a合801b之间的距离，亦即两条钢丝绳之间的距离为井下仪上水平方向伸长杆(109或111)两定位孔间的长度；定位杆采用上下两套，从而保证井下仪位置稳定，测量过程中不会出现转动和摆动现象。
本发明中井下仪子系统设置超声探头的数量还可为1、2、3、5、6或8个等等。
本发明中各子系统在上述说明的指引下，还可有许多显而易见的变化方式，在不违背本发明实质的条件下，均应为本发明保护范围所指。