一种无线随钻测斜仪井下备电短节的制作方法

1.本实用新型涉及一种石油钻井测斜仪，特别是关于一种无线随钻测斜仪井下供电部分泥浆发电机的备电短节。


背景技术：

2.为了给无线随钻测斜仪提供安全、环保、清洁、可靠的电能，井下泥浆涡轮发电机在仪器上得到推广使用，可是在使用的过程中遇到了如下问题：有时想得到更准确、更稳定的测斜数据，就要把泥浆泵停下来，但停泵后发电机就失去了动力来源无法正常发电，测斜探管无法正常工作提供测斜数据。
3.有两种方案可以解决这一问题：方案一，采用发电机加电池短节的方式，这样虽然可以轻松解决掉上述问题，但还是没有避开使用电池这个问题，显然有悖于仅使用发电机的初衷。方案二，采用发电机加储能短节的方式，在这里储能短节里的储能元件有两种选择，一种是选择充电电池用以储能，这种方式一方面仍没有绕开使用电池，另一方面由于充电电池的充电次数仅约1000次左右，基本上打一口井就得换，再加上现在市场上也没有高温充电电池(约150℃),还有就是充电电池在过放电的情况下非常容易损坏，所以此处的储能元件不能使用充电电池；另一种选择是只能选用大容量电容作为储能元件，而法拉级的大电容耐压都非常有限，导致工作电流非常大(安培级)，这就要求采用低压大电流的开关电源，而将低压升高到可供仪器正常工作的电压，再加上井下工作温度在150℃，这就给电路设计及芯片选型带来了极大的挑战。据了解，目前国内外还没有一家企业在此备电系统上有所突破。


技术实现要素：

4.为了解决上述难题，本实用新型提供一种无线随钻测斜仪井下备电短节，该备电短节中通过设置小功率、限流、降压型充电电路，大电流、升压型充电电路，以及低压、大容量充放电储能电容，从而将低压升高到可供仪器正常工作的电压，适用于井下备电仪器工作。同时通过放电控制电路控制备电取向，节省能源，可连接于井下仪器串中任何位置。
5.本实用新型所采取的技术方案如下：一种无线随钻测斜仪井下备电短节，其中设置有充电电路、放电电路以及放电控制电路；
6.所述充电电路中设置有开关电源控制芯片、输出电压分压电阻、储能电容，开关电源控制芯片的输入端连接外电源，输出电压分压电阻和储能电容并联连接在开关电源控制芯片的输出端与接地端之间；
7.所述放电电路中除包含有所述储能电容外，还设置有开关电源控制芯片、场效应管、输出电压分压电阻；储能电容并联连接在开关电源控制芯片的输入端与接地端之间，场效应管和输出电压分压电阻并联连接在开关电源控制芯片的输出端与接地端之间，同时场效应管连接至开关电源控制芯片电压控制端；
8.所述放电控制电路中设置有两个选通开关，一个是由二极管和选通导线构成的选
通开关一，另一个是由场效应管和选通导线构成的选通开关二，所述选通开关一通过导线连接在充电电路输入端与放电电路输出端之间，选通开关二通过导线连接在放电电路输出端与备电仪器之间；所述二极管和选通导线为并联选通连接，二极管自充电电路向放电电路方向为导通，所述场效应管和选通导线为并联选通连接，场效应管自放电电路向备电仪器方向为阻断。
9.进一步地，所述充电电路中还设置有输入电容、储能电感、输出电容；所述输入电容并联在开关电源控制芯片输入端与接地端之间；所述输出电容并联在开关电源控制芯片输出端与接地端之间，且位于所述输出电压分压电阻和储能电容并联电路之间；所述储能电感串联在开关电源控制芯片输出端与输出电压分压电阻、输出电容、储能电容的并联电路之间。
10.进一步地，所述输出电压分压电阻中的两个电阻自身为串联连接，且其中一个电阻连接至开关电源控制芯片稳压端。
11.进一步地，所述放电电路中还设置有输入电容、储能电感、整流二极管、输出电容；输入电容并联在所述开关电源控制芯片的输入端与接地端之间；储能电感和整流二极管串联在所述开关电源控制芯片的输出端，且所述储能电感连接在所述场效应管的并联电路之前，所述整流二极管连接在所述场效应管的并联电路之后；所述输出电容并联在所述输出电压分压电阻的并联电路之后。
12.进一步地，所述输出电压分压电阻中的两个电阻自身为串联连接，且其中一个电阻连接至开关电源控制芯片稳压端。
13.进一步地，所述场效应管为pnp型管，一个p端接开关电源控制芯片电压输出端，另一个p端接地，n端接开关电源控制芯片电压控制端。
14.进一步地，所述场效应管为npn管，一个n端接放电电路输出端，另一个n端接备电仪器电源总线。
15.进一步地，充电电路中的开关电源控制芯片型号为ltc3630，放电电路中的开关电源控制芯片型号为lt3759，储能电容的型号为sccx50b227。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：
17.1.该备电短节设计充电电路、放电电路，充电电路可输入电压范围4v～80v，覆盖了井下泥浆发电机的输出电压范围，放电电路输出电压21v，满足用电仪器用电电压。
18.2.充电电路采用小功率、限流充电、降压型开关电源控制芯片，可低电压小电流充电，实现慢充，减小对系统的功率负荷。
19.3.采用低压大容量储能电容，可充放电1百万次，远大于充电电池约1千次。
20.4.放电电路采用低电压、大电流、升压型放电开关电源控制芯片，放电电路工作电压低至1.6v，可低电压大电流放电，实现快放，满足仪器对备电的功率要求，可深度放电，充分地利用电容的储存能量。
21.5.该备电短节设计放电控制电路，采用二极管选通开关和三级管选通开关，选择导通方向，界定备电保护范围。
22.6.该备电短节可接在仪器串中的任何位置，在发电机与用电仪器之间，或者各用电仪器之间，可以较方便地选择备电范围，使其符合仪器对后备电源的控制要求，实现平滑过渡，不间断供电。
23.本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。
附图说明
24.图1为本实用新型备电短节电路原理图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述，其中，附图构成本技术一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本实用新型技术方案作的唯一限定，凡是在本实用新型技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本实用新型的保护范围。
26.如图1所示，本实用新型提供的无线随钻测斜仪井下备电短节包括了充电电路、放电电路以及放电控制电路三部分。
27.充电电路中设置有输入电容c11、开关电源控制芯片u11、储能电感l11、输出电压分压电阻r13和r14、输出电容c12、储能电容c01。
28.充电电路输入端暨备电短节的外电源输入端j11，可接井下泥浆发电机的输出端或仪器串中电源总线，作为备电短节的供电输入端；输入电容c11、输出电压分压电阻r13和r14、输出电容c12、储能电容c01为并联连接在充电电路中，其中，输入电容c11并联在开关电源控制芯片u11的电压输入端与接地端之间，可滤除电网带来的高频杂波脉冲干扰，为开关电源控制芯片u11提供稳定的启动电压；储能电感l11串联在开关电源控制芯片u11输出端与输出电压分压电阻r13和r14、输出电容c12、储能电容c01并联电路的输入端之间，对交流信号起隔离滤波作用；输出电压分压电阻r13和r14自身为串联连接，然后整体并联在开关电源控制芯片u11输出端电路与接地端之间，为储能电容c01提供充电电压，同时在输出电压分压电阻r13与r14之间接出一导线连接至开关电源控制芯片u11的稳压端，电阻r13又作为分压电阻为开关电源控制芯片u11提供稳定的工作电压；输出电容c12、储能电容c01并联在开关电源控制芯片u11输出端与接地端之间，且都并联在输出电压分压电阻r13与r14之后，输出电容c12又并联在储能电容c01之前，是减少输出纹波噪音的干扰，抑制电源的波动，使储能电容c01充电稳定。
29.储能电容c01用于储存该备电短节所需的电能，在电路中为充电电路和放电电路的衔接器件。储能电容c01接在充电电路中为了获得能量，正极接充电电路输出端j12，负极接充电电路接地端j13；同时，储能电容c01也接在放电电路中为了释放能量，正极接放电电路输入端j21，负极接放电电路接地端j22。
30.放电电路中设置有储能电容c01、输入电容c21、开关电源控制芯片u21、储能电感l21、场效应管t01a、整流二极管d21、输出电压分压电阻r26和r27、输出电容c26。
31.储能电容c01作为放电电路的电源输入；输入电容c21、场效应管t01a、输出电压分压电阻r26和r27、输出电容c26并联连接在放电电路中。其中，输入电容c21并联在开关电源控制芯片u21的电源输入端与接地端之间，同样是滤除杂波干扰，为开关电源控制芯片u21提供稳定的启动电压；储能电感l21和整流二极管d21串联在开关电源控制芯片u21输出端；场效应管t01a并联在储能电感l21和整流二极管d21之间，场效应管t01a为pnp型管，一个p
端接电源正极，另一个p端接地，n端接开关电源控制芯片u21，场效应管开关电源控制芯片u21提供电压控制；整流二极管d21连接在场效应管t01a与输出电压分压电阻r26、r27并联电路的正极端之间，为不同阶段提供通直隔交、通交隔直的作用；输出电压分压电阻r26和r27为串联连接，然后与输出电容c26并联，其中电阻r26作为分压电阻又为开关电源控制芯片u21提供可靠的工作电压。输出电容c26并联在放电电路的输出端，消除自激，抑制电源的波动，使放电工作更加稳定。
32.放电控制电路中设置有两个选通开关，一个是由二极管d01和选通导线b构成的选通开关一，另一个是由场效应管t01b和选通导线f构成的选通开关二，设置在不同位置，组成放电控制电路，用于选择备电范围。二极管d01和选通导线b构成的选通开关一通过导线连接在充电电路输入端j11与放电电路输出端j23之间，其中二极管d01和选通导线b为并联连接，并联的两个端点为选择焊接点，可选择接通二极管d01或选通导线b，二极管d01自充电电路向放电电路方向为导通状态；场效应管t01b和选通导线f构成的选通开关二通过导线连接在放电电路输出端j23与整个备电短节输出端j01之间，备电短节输出端j01连接备电仪器电源总线，场效应管t01b和选通导线f也为并联连接，并联的两个端点为选择焊接点，可选择接通场效应管t01b或选通导线f，场效应管t01b为npn管，一个n端接放电电路输出端，另一个n端接仪器串电源总线，控制放电电路向仪器串方向供电。
33.备电短节通过放电控制电路选择备电范围，按图1所示，1)当发电机供电时(充电电路输入端j11接发电机)，选通开关一、选通开关二均导通，由发电机为全部仪器串供电；2)当发电机停电时，选通开关一焊通二极管，阻止备电短节向左侧方向的仪器备电，焊通导线，允许向左侧方向的仪器备电；选通开关二焊通焊场效应管t01b，阻止备电短节向右侧方向的仪器备电，焊通导线，允许备电短节向右侧方向的仪器备电。由此可见，这就实现了发电机停电后，有选择性地为用电仪器备电，非保护部分随之停电，仅选择被保护部分，为之保持不间断地供电。也由此可见，该备电短节可连接在仪器串中的任何位置，电源总线被分割为相对的左侧和右侧，并且可串联一个或两个以上该备电短节，可连接在发电机与仪器之间，可连接在两个仪器之间，以此来选择所需的备电范围。由此被保护的部分可界定为：备电短节的左侧或右侧仪器、发电机与备电短节的之间或外侧仪器、两个左右互补型备电短节的中间或外侧仪器。
34.在该备电短节中，设计开关电源控制芯片u11为降压芯片，组成低电压小电流充电电路，开关电源控制芯片u21为升压芯片，组成低电压大电流放电电路，开关电源控制芯片u11可选型号ltc3630，开关电源控制芯片u21可选型号lt3759；开关电源控制芯片u11输出的低压充电电流，最大值限定为0.5a，总功率小于1.5w。以此进行小功率充电，累积电能，减小对系统的功率负荷。
35.在该备电短节中，设计储能电容c01为储能器件，选择低电压大容量电容，可选型号sccx50b227，220f，可利用电能量约2w*66秒。该备电短节电容充放电次数(寿命)可达约1百万次，比充电电池要多约1千次。
36.在该备电短节中，设计放电控制电路，使其符合仪器对后备电源的控制要求，泥浆发电机一般输出电压为29v，设计备电短节输出电压为21v，因二极管d21单向导通，当泥浆发电机停电，电源总线电压降至21v以下时，二极管随之正向导通，输出备电电流，以此实现平滑过渡，不间断供电。
37.值得说明的是，图1所示的结构形式，仅为该备电短节较佳的具体实施方式，其他任何不违背备电原理的结构均应在本实用新型的保护范围之内。