基于模拟电流环的多参数远距离传输装置

1.基于模拟电流环的多参数远距离传输装置，它由井上组件、井下组件和电流环路(2)组成，井上组件通过电流环路(2)与井下组件相连，所述井上组件由电流环电源(1)和采样电阻(RL)组成；电流环电源(1)的正极与电流环路(2)的正相线缆相连，电流环电源(1)的负极与采样电阻(RL)的一端相连，采样电阻(RL)的另一端同时与电流环路(2)的负相线缆和地线相连；其特征在于井下组件包括电压电流转换电路模块(3)和滤波电路模块(5)；滤波电路模块(5)的电压信号输入端与电流环路(2)的正相线缆相连，所述电压电流转换电路模块(3)由第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、限流电阻(R4)、第一恒流源二极管(D5)、第二恒流源二极管(D6)、参考电阻(R1)和负反馈电路模块(3-1)组成，所述负反馈电路模块(3-1)由第一电容(C1)至第三电容(C3)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第五电阻(R5)、第七二极管(D7)、运算放大器(AMP1)和绝缘栅型场效应管(M1)组成；滤波电路模块(5)的电压信号输出端同时与第二二极管(D2)的阴极和第三二极管(D3)的阴极相连，第三二极管(D3)的阳极与第四二极管(D4)的阴极相连，第四二极管(D4)的阳极同时与限流电阻(R4)的一端和负反馈电路模块(3-1)中的绝缘栅型场效应管(M1)的漏极相连，绝缘栅型场效应管(M1)的栅极同时与第三电容(C3)的一端、第五电阻(R5)的一端和第七二极管(D7)的阴极相连，第五电阻(R5)的另一端同时与第一电容(C1)的一端和运算放大器(AMP1)的输出端相连，第一电容(C1)的另一端同时与第二电阻(R2)的一端和运算放大器(AMP1)的负向输入端相连，运算放大器(AMP1)的正向输入端同时与第三电阻(R3)的一端和第二电容(C2)的一端相连，第二电容(C2)的另一端接地，第三电阻(R3)的另一端与传感器(4)的模拟电压信号输出端相连，第三电阻(R3)的另一端即为负反馈模块(3-1)的电压信号输入端；第二电阻(R2)的另一端同时与绝缘栅型场效应管(M1)的源极、第三电容(C3)的另一端、参考电阻(R1)的一端和第一恒流源二极管(D5)的阴极和第二恒流源二极管(D6)的阴极相连，第一恒流源二极管(D5)的阳极同时与第二恒流源二极管(D6)的阳极和限流电阻(R4)的另一端相连，参考电阻(R1)的另一端同时与第七二极管(D7)的阳极、第二二极管(D2)的阳极、电流环路(2)的负相线缆和地线相连。
2.根据权利要求1所述的基于模拟电流环的多参数远距离传输装置，其特征在于电压电流转换电路模块(3)还包括数据选择模块(6)，数据选择模块(6)的第一电压信号输入端至第七电压信号输入端分别与七个传感器(4)的潜油电泵井下入口压力电压信号输出端、潜油电泵井下出口压力电压信号输出端、潜油电泵井下入口温度电压信号输出端、电机温度电压信号输出端、电机振动电压信号输出端、石油流量电压信号输出端和泄漏电流电压信号输出端相连；数据选择模块(6)的电压信号输出端与负反馈电路模块(3-1)的电压信号输入端相连。
3.根据权利要求2所述的基于模拟电流环的多参数远距离传输装置，其特征在于数据选择模块(6)由第一芯片(U1)、第三芯片(U3)、第六电阻(R6)、第四电容(C4)和时钟发生模块(6-1)组成，时钟发生模块(6-1)由第二芯片(U2)、第一振荡电阻(Rs)、第二振荡电阻(Rt)和振荡电容(Ct)组成；第一芯片(U1)采用型号为XC9536的芯片，第二芯片(U2)采用型号为4069的芯片，第三芯片(U3)采用型号为DG508的芯片；第三芯片(U3)的管脚IN1至管脚IN7即为数据选择模块(6)的第一电压信号输入端至第七电压信号输入端；第三芯片(U3)的管脚EN与+5V电源相连，第三芯片(U3)的管脚VSS+和管脚VSS-分别与+5V电源和-5V电源相连，第三芯片(U3)的管脚OUT即为数据选择模块(6)的电压信号输出端；
第三芯片(U3)的管脚GND接地，第三芯片(U3)的管脚A0至管脚A2分别与第一芯片(U1)的管脚31至管脚29相连，第一芯片(U1)的管脚32接地，第一芯片(U1)的管脚GSR同时与第六电阻(R6)的一端和第四电容(C4)的一端相连，第六电阻(R6)的另一端与+3V电源相连，第四电容(C4)的另一端接地；第一芯片(U1)的管脚VCCIO与+3V电源相连，第一芯片(U1)的管脚23接地，第一芯片(U1)的管脚GND、管脚16和管脚18至管脚22接地；第一芯片(U1)的管脚VCCINT与+3V电源相连，第一芯片(U1)的管脚12至管脚14接地，第一芯片(U1)的管脚GND、管脚1至管脚3、管脚5至管脚8接地，第一芯片(U1)的管脚IO/GTS2接地，第一芯片(U1)的管脚VCCINT与+3V电源相连，第一芯片(U1)的管脚IO/GTS1、管脚
37至管脚42和管脚IO/GCK1接地；第一芯片(U1)的管脚IO/GCK2与第二芯片(U2)的管脚
6相连，第二芯片(U2)的管脚9、管脚11和管脚13接地，第二芯片(U2)的管脚VSS接地，第二芯片(U2)的管脚VDD接+3V电源，第二芯片(U2)的管脚1与第一振荡电阻(Rs)的一端相连，第一振荡电阻(Rs)的另一端同时与第二振荡电阻(Rt)的一端和振荡电容(Ct)的一端相连，第二振荡电阻(Rt)的另一端同时与第二芯片(U2)的管脚2和管脚3相连，振荡电容(Ct)的另一端同时与第二芯片(U2)的管脚4和管脚5相连。
4.根据权利要求3所述的基于模拟电流环的多参数远距离传输装置，其特征在于时钟发生模块(6-1)由第一反相器(F1)至第三反相器(F3)、第一振荡电阻(Rs)、第二振荡电阻(Rt)和振荡电容(Ct)组成；第一振荡电阻(Rs)的一端与第一反相器(F1)的电压信号输入端相连，第一反相器(F1)的电压信号输出端通过非门同时与第二振荡电阻(Rt)的一端和第二反相器(F2)的电压信号输入端相连，第二反相器(F2)的电压信号输出端通过非门同时与振荡电容(Ct)的一端和第三反相器(F3)的电压信号输入端相连，第一振荡电阻(Rs)的另一端同时与第二振荡电阻(Rt)的另一端和振荡电容(Ct)的另一端相连；第三反相器(F3)的电压信号输出端通过非门与第一芯片(U1)的管脚IO/GCK2相连。
5.根据权利要求1所述的基于模拟电流环的多参数远距离传输装置，其特征在于电流环路(2)采用4mA-20mA的模拟电流环。

基于模拟电流环的多参数远距离传输装置\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及一种传输装置，具体涉及一种远距离传输装置。\n背景技术\n[0002] 在石油工业领域，为了对井下石油达到更加合理和可靠的开采，往往需要对油井下石油的温度、压力和潜油电泵振动等参数进行测量并传输到井上监测系统，用于对油井下的工况进行监控；但是由于需要传输的参数数量较多，而且油井深达三千米左右，传输的距离较远，因此采用常规的数据传输方式无法实现高精度且稳定可靠的数据传输。目前传输的方案主要有两种：一是通过低压电力线载波通信，二是通过无线通信。通过低压电力线载波通信需要设计发送机与接收机，不但硬件上设计相对比较复杂，而且在实际应用中，低压电力线载波通信在潜油电机变频运行的时候会出现通信不可靠的现象。利用无线进行数据传输时由于深井下高温高压，工况十分恶劣，干扰很大，通信也不可靠。电压信号在远距离数据传输过程中常会受到噪声的干扰，而且传输线缆的分布电阻也会使其产生压降。\n发明内容\n[0003] 本实用新型为了解决电压信号在远距离数据传输过程中常会受到噪声的干扰，传输线缆的分布电阻会使其产生压降的问题，而提出的基于模拟电流环的多参数远距离传输装置。\n[0004] 基于模拟电流环的多参数远距离传输装置，它由井上组件、井下组件和电流环路组成，井上组件通过电流环路与井下组件相连，所述井上组件由电流环电源和采样电阻组成；电流环电源的正极与电流环路的正相线缆相连，电流环电源的负极与采样电阻的一端相连，采样电阻的另一端同时与电流环路的负相线缆和地线相连；井下组件包括电压电流转换电路模块和滤波电路模块；滤波电路模块的电压信号输入端与电流环路的正相线缆相连，所述电压电流转换电路模块由第二二极管、第三稳压管、第四稳压管、限流电阻、第一恒流源二极管、第二恒流源二极管、参考电阻和负反馈电路模块组成，所述负反馈电路模块由第一电容至第三电容、第二电阻、第三电阻、第五电阻、第七二极管、运算放大器和绝缘栅型场效应管组成；滤波电路模块的电压信号输出端同时与第二二极管的阴极和第三二极管的阴极相连，第三二极管的阳极与第四二极管的阴极相连，第四二极管的阳极同时与限流电阻的一端和负反馈电路模块中的绝缘栅型场效应管的漏极相连，绝缘栅型场效应管的栅极同时与第三电容的一端、第五电阻的一端和第七二极管的阴极相连，第五电阻的另一端同时与第一电容的一端和运算放大器的输出端相连，第一电容的另一端同时与第二电阻的一端和运算放大器的负向输入端相连，运算放大器的正向输入端同时与第三电阻的一端和第二电容的一端相连，第二电容的另一端接地，第三电阻的另一端与传感器的模拟电压信号输出端相连，第三电阻的另一端即为负反馈电路模块的电压信号输入端；第二电阻的另一端同时与绝缘栅型场效应管的源极、第三电容的另一端、参考电阻的一端和第一恒流源二极管的阴极和第二恒流源二极管的阴极相连，第一恒流源二极管的阳极同时与第二恒流源二极管的阳极和限流电阻的另一端相连，参考电阻的另一端同时与第七二极管的阳极、第二二极管的阳极、电流环路的负相线缆和地线相连。\n[0005] 本实用新型的优点是：\n[0006] 1.对电流环电源1的要求不高，不要求精密或稳定的电源电压，供电电压输入井下组件前有滤波电路5，保证其稳定性；\n[0007] 2.对电压信号压降不敏感，整个传输过程中电流信号无损耗，尤其适用于远距离信号的传输；\n[0008] 3.可以清楚的区分系统无信号和零点两种工作状态；\n[0009] 4.通过数据选择模块6实现分时传输的方式，而且传输参数多，时间周期可调；\n[0010] 5.结构简单，传输有效可靠。\n附图说明\n[0011] 图1为本实用新型的结构示意图，图2为井下组件的结构示意图；图3为具体实施方式二的结构示意图；图4为具体实施方式三的结构示意图；图5为具体实施方式四的结构示意图。\n具体实施方式\n[0012] 具体实施方式一：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式由井上组件、井下组件和电流环路2组成，井上组件通过电流环路2与井下组件相连，所述井上组件由电流环电源1和采样电阻RL组成；电流环电源1的正极与电流环路2的正相线缆相连，电流环电源\n1的负极与采样电阻RL的一端相连，采样电阻RL的另一端同时与电流环路2的负相线缆和地线相连；井下组件包括电压电流转换电路模块3和滤波电路模块5；滤波电路模块5的电压信号输入端与电流环路2的正相线缆相连，所述电压电流转换电路模块3由第二二极管D2、第三稳压管D3、第四稳压管D4、限流电阻R4、第一恒流源二极管D5、第二恒流源二极管D6、参考电阻R1和负反馈电路模块3-1组成，所述负反馈电路模块3-1由第一电容C1至第三电容C3、第二电阻R2、第三电阻R3、第五电阻R5、第七二极管D7、运算放大器AMP1和绝缘栅型场效应管M1组成；滤波电路模块5的电压信号输出端同时与第二二极管D2的阴极和第三二极管D3的阴极相连，第三二极管D3的阳极与第四二极管D4的阴极相连，第四二极管D4的阳极同时与限流电阻R4的一端和负反馈电路模块3-1中的绝缘栅型场效应管M1的漏极相连，绝缘栅型场效应管M1的栅极同时与第三电容C3的一端、第五电阻R5的一端和第七二极管D7的阴极相连，第五电阻R5的另一端同时与第一电容C1的一端和运算放大器AMP1的输出端相连，第一电容C1的另一端同时与第二电阻R2的一端和运算放大器AMP1的负向输入端相连，运算放大器AMP1的正向输入端同时与第三电阻R3的一端和第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端接地，第三电阻R3的另一端与传感器4的模拟电压信号输出端相连，第三电阻R3的另一端即为负反馈模块3-1的电压信号输入端；第二电阻R2的另一端同时与绝缘栅型场效应管M1的源极、第三电容C3的另一端、参考电阻R1的一端和第一恒流源二极管D5的阴极和第二恒流源二极管D6的阴极相连，第一恒流源二极管D5的阳极同时与第二恒流源二极管D6的阳极和限流电阻R4的另一端相连，参考电阻R1的另一端同时与第七二极管D7的阳极、第二二极管D2的阳极、电流环路2的负相线缆和地线相连。\n[0013] 本实施方式的工作原理：\n[0014] 电压电流转换电路模块3将传感器4输出的模拟电压信号转换成电流环路2中的电流信号，并通过电流环路2传输到井上组件后通过采样电阻RL将信号转化成电压信号供操作人员监测。如图1所示，井上组件中的电流环电源1采用120V直流电压源，电流环电源1的负相端接采样电阻RL，采样电阻RL的取值为100欧姆；电流环电源1的正相端通过电流环路2为井下组件供电。\n[0015] 当第一恒流源二极管D5和第二恒流源二极管D6两端有大于3V的激励时，其总输出为8mA。在负反馈电路模块3-1中将输入电压和K点电压进行比较，将其差值进行积分，然后输出反馈给绝缘栅型场效应管M1，并控制其栅源电压，进而调整漏、源极之间电流IDS，以间接调整K点电压，使得K点的电位与输入电压相同，整个系统达到平衡。稳态时第二电阻R2中没有电流流过，所以流过参考电阻R1的电流就是8mA与IDS之和，也就是电流环路\n2中的电流，采样电阻RL和参考电阻R1的阻值取值相同，所以K点的电压与M点电压大小相同，方向相反。因此井上组件中采样电阻RL两端的电压就相当于井下组件的输入电压。\n系统输入电压范围为1-2V，参考电阻R1取值为100欧，当有输入电压时，电流环路2的电流为10-20mA，当没有信号输入时电流环路2的电流为8mA，在没有输入电压或者输入断开的情况下，负反馈电路模块3-1不工作，运算放大器AMP1的输出为零，绝缘栅型场效应管M1不能开通，其漏源电流IDS＝0，电流环路2中的电流即为第一恒流二极管D5和第二恒流二极管D6的输出电流8mA，设置该电流是为了确定电流环路2是否正常工作；当有输入电压但为零时，为了区别测量信号为零与输入断开情况，在测量信号上叠加一个1V直流偏置，也就是说测量信号为零的时候输入电压为1V，此时输入电压和K点有电压差，负反馈电路模块3-1开始工作，运算放大器AMP1输出正电压，绝缘栅型场效应管M1正向导通，并且IDS＝2mA，相应电流环路2中的电流为10mA，此时电流环路2正常工作，但测量信号为零；当输入电压不为零的时候，如果K点电位与输入电压一致，那么反馈电路模块3-1就不工作，系统处于稳定状态，如果K点电位与输入电压不一致，例如输入电压大于K点电位，那么反馈电路模块3-1开始工作，使得运算放大器AMP1的输出增大，通过第五电阻R5反馈到绝缘栅型场效应管M1的栅极，即栅源电压UGS变大，使漏源间的电流IDS增大，从而增大流过参考电阻R1的电流，最终使得K点电压与输入电压一致。如果输入电压小于K点电位，那么就使得IDS减小，最终同样使二者电位保持一致。这样通过一个反馈电路模块3-1实现了输入电压到环路电流的转换。\n[0016] 具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于电压电流转换电路模块3还包括数据选择模块6，数据选择模块6的第一电压信号输入端至第七电压信号输入端分别与传感器4的潜油电泵井下入口压力电压信号输出端、潜油电泵井下出口压力电压信号输出端、潜油电泵井下入口温度电压信号输出端、电机温度电压信号输出端、电机振动电压信号输出端、石油流量电压信号输出端和泄漏电流电压信号输出端相连；数据选择模块6的电压信号输出端与负反馈电路模块3-1的电压信号输入端相连。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。\n[0017] 具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同点在于数据选择模块6由第一芯片U1、第三芯片U3、第六电阻R6、第四电容C4和时钟发生模块6-1组成，时钟发生模块6-1由第二芯片U2、第一振荡电阻Rs、第二振荡电阻Rt和振荡电容Ct组成；第一芯片U1采用型号为XC9536的芯片，第二芯片U2采用型号为4069的芯片，第三芯片U3采用型号为DG508的芯片；第三芯片U3的管脚IN1至管脚IN7即为数据选择模块6的第一电压信号输入端至第七电压信号输入端；第三芯片U3的管脚EN与+5V电源相连，第三芯片U3的管脚VSS+和管脚VSS-分别与+5V电源和-5V电源相连，第三芯片U3的管脚OUT即为数据选择模块6的电压信号输出端；第三芯片U3的管脚GND接地，第三芯片U3的管脚A0至管脚A2分别与第一芯片U1的管脚31至管脚29相连，第一芯片U1的管脚32接地，第一芯片U1的管脚GSR同时与第六电阻R6的一端和第四电容C4的一端相连，第六电阻R6的另一端与+3V电源相连，第四电容C4的另一端接地；第一芯片U1的管脚VCCIO与+3V电源相连，第一芯片U1的管脚23接地，第一芯片U1的管脚GND、管脚16和管脚18至管脚22接地；第一芯片U1的管脚VCCINT与+3V电源相连，第一芯片U1的管脚12至管脚14接地，第一芯片U1的管脚GND、管脚1至管脚3、管脚5至管脚8接地，第一芯片U1的管脚IO/GTS2接地，第一芯片U1的管脚VCCINT与+3V电源相连，第一芯片U1的管脚IO/GTS1、管脚37至管脚42和管脚IO/GCK1接地；第一芯片U1的管脚IO/GCK2与第二芯片U2的管脚6相连，第二芯片U2的管脚9、管脚11和管脚13接地，第二芯片U2的管脚VSS接地，第二芯片U2的管脚VDD接+3V电源，第二芯片U2的管脚1与第一振荡电阻Rs的一端相连，第一振荡电阻Rs的另一端同时与第二振荡电阻Rt的一端和振荡电容Ct的一端相连，第二振荡电阻Rt的另一端同时与第二芯片U2的管脚2和管脚3相连，振荡电容Ct的另一端同时与第二芯片U2的管脚4和管脚5相连。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。\n[0018] 本实施方式的工作原理：\n[0019] 如图4所示，数据选择模块6由Xilinx公司生产的CPLD XC9536的第一芯片U1和采用具有八通道的模拟选择开关DG508的第二芯片U2来实现。潜油电泵井下入口压力、出口压力、入口温度、电机温度、电机振动、石油流量和泄漏电流七个电压信号分别接在第二芯片U2的管脚IN1-IN7，第一芯片U1输出的三个信号接在第二芯片U2的管脚A0、A1和A2；\n[0020] 时钟发生模块6-1采用反相器4069和RC电路构成的典型振荡器作为第一芯片U1(CPLD复杂可编程逻辑器件)的输入时钟，具体的选通时序如表1所示。\n[0021] \n 序号 输入信号状态 输出模拟电压信号\n A2 A1 A0 OUT\n 1 0 0 0 入口压力\n 2 0 0 1 出口压力\n 3 0 1 0 入口温度\n 4 0 1 1 电机温度\n 序号 输入信号状态 输出模拟电压信号\n A2 A1 A0 OUT\n 5 1 0 0 电机振动\n 6 1 0 1 石油流量\n 7 1 1 0 泄漏电流\n 8 1 1 1\n[0022] 这样就有七个工作状态，每一个工作状态对应一个输出电压信号，用第一芯片U1(CPLD)给第二芯片U2输入不同的选择信号，在第二芯片U2的输出端就得到相应的电压信号，并作为负反馈电路模块3-1的输入信号。\n[0023] 具体实施方式四：结合图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于时钟发生模块6-1由第一反相器F1至第三反相器F3、第一振荡电阻Rs、第二振荡电阻Rt和振荡电容Ct组成；第一振荡电阻Rs的一端与第一反相器F1的电压信号输入端相连，第一反相器F1的电压信号输出端通过非门同时与第二振荡电阻Rt的一端和第二反相器F2的电压信号输入端相连，第二反相器F2的电压信号输出端通过非门同时与振荡电容Ct的一端和第三反相器F3的电压信号输入端相连，第一振荡电阻Rs的另一端同时与第二振荡电阻Rt的另一端和振荡电容Ct的另一端相连；第三反相器F3的电压信号输出端通过非门与第一芯片U1的管脚IO/GCK2相连。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。\n本实施方式利用CMOS与非门和RC电路构成的典型振荡器。当反相器F2输出正跳时，振荡电容Ct立即使第一反相器F1的输入为1，输出为0。第二振荡电阻Rt为Ct对d第二反相器F2的输出提供放通电路。当振荡电容Ct放电达到第一反相器F1的转折电压时，第一反相器F1输出为1，第二反相器F2的输出为0。第二振荡电阻Rt连接在第一反相器F1的输出端对振荡电容Ct反方向充电。当振荡电容Ct被充到第一反相器F1的转折电压时，第一反相器F1输出为0，第二反相器F2输出为1，于是形成周期性多谐振荡。其振荡周期T＝\n1.6RtCt，可以通过调节Rt和Ct的值来调节周期的大小。第一振荡电阻Rs是反相器输入保护电阻，接入与否并不影响振荡频率。第三反相器F3的作用主要是将输出的方波整形，同时增大驱动能力。\n[0024] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同点在于电流环路2采用\n4mA-20mA的模拟电流环。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。