3514XAXB WTS 遥传通讯短节.docx
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3514XAXBWTS遥传通讯短节
3514XA/XBWTS遥传通讯短节
第一节设备规格（130767-000）
最大耐温400℉（204℃）（10小时）
最大耐压20,000psi（138MPa）（1400kgf/cm2）
最大井斜无
最大井眼直径无
最小井眼直径4.00in.（100.00mm）
仪器直径3.63in.（92.20mm）
仪器长度6ft.2.6in.（1.895m）
装箱长度7ft.8in.（2.337m）
仪器重量143.5lb.（65kg）
最高测速200ft/min（60m/min）
缆头张力（3981）：
测量范围：
从-53379N（-12000LBF）（-5436KGF）
到+53379N（+12000LBF）（+5436KGF）
绝对精度无
井眼温度（3981）：
测量范围-55℃（-67℉）到245℃（473℉）
绝对精度无
分辨率0.12℃（0.216℉）
井下自然电位SP：
测量范围-1300mv到+1300mv
绝对精度无
分辨率0.15mv
泥浆电阻率（3981）：
测量范围-0.01欧姆米到10欧姆米
绝对精度无
分辨率0.00244欧姆米
所需电源：
工作电压&电流180Vac,100-125ma
所需电缆7芯电缆
缆芯分配:
1#&4#缆芯为交流180Vac仪器供电缆芯；2#，3#，5#，6#缆芯为模式（MODAL）传输缆芯，直流马达供电回路以及交流马达供电回路。
7#缆芯为模式（MODAL）传输缆芯，自然电位SP，以及DLL地面参考电极；1#&4#的中心抽头用于提供直流马达电源和垂直测井（vertilog）电磁线圈的正电源供电；10#芯用来为交流马达供电电源、垂直测井（vertilog）电磁线圈的负电源、以及模式传输的参考提供回路。
颠簸/震动满足070060-002规格要求
井眼压力：
该仪器具有可以利用一个桥式传感器测量井眼压力的能力，但是该项服务作为随后发展项目再提供。
最大拉伸力78,000lb（35,380kg）
最大压缩力114,000lb（51,710kg）
第二节电路描述
一.概述（130767-935）
该仪器是WTS型井下仪器的遥传通讯接口。
3514公共遥传仪器的主要功能是作为通讯通道的一个REPERTER，即中继器或重复器，同时它可以为其它仪器提供WTS仪器总线（WTS-IB）。
3514公共遥传仪器本身不对发送到仪器串中的命令作任何解释和采取任何动作，只是把地面下发的命令原封不动地发送下去，同样，它对仪器串发送到地面的数据也不做任何变动，它只是一个重复、中继作用。
第二个功能是采集3514内部电子线路中及仪器外部的几个传感器上的数据。
本仪器能够采集获得的曲线是：
缆头张力（与TTRM短节一起），井径（选择井径仪器），井眼温度（与TTRM短节一起），CCL（与CCL仪器一起），井下自然电位SP（测量仪器上的电极或马笼头电极对缆铠之间）和泥浆电阻率（与TTRM短节一起）。
注：
需要方位短节工作时应该使用4401XB，需要井下电源短节工作时应该用4430XB。
3514XBWTS公共遥传仪器在使用电缆长度到达40,000英尺长的电缆时，已经能够提供改良的长电缆性能，然而，3514XA最好的性能是在使用较短的长度不超过20,000英尺的电缆。
3514XB也在RCI仪器的通讯和为NMR仪器提供高压能力方面有了改进。
二.详细描述（130767-936）
1、3514XAWTS公共遥传的功能
3514遥传仪器的主要功能就是作为遥测通讯通道的一个中继器或者说是重复器（repeater），3514对地面下发到井下其它仪器串中的命令不做任何解释和修改，同样，对于各仪器发送到地面去的数据也是仅仅是repeater。
它的第二个功能是采集电子线路内部放置的各传感器和仪器外部连接的传感器上的各种数据。
2、3514XAWTS公共遥传的硬件配置
3514遥传仪器设计上采用保温瓶结构，大部分电子线路安放在保温瓶中，它可以在400℉（204℃）的环境中工作10小时。
仪器长大于6英尺，直径3-5/8英寸，工作电源为60Hz、180Vac。
仪器保温瓶内装有4块印刷电路板，另外，还有一块直流稳压调整板安装在保温瓶外面的电源部分。
三个用于电缆驱动的变压器也安装在保温瓶外面仪器骨架上。
保温瓶内部放置的电路板是：
*采集&控制板
*Repeater板
*传感器板
*泥浆电阻率板
系统的核心是6805型摩托罗拉微处理器，这个处理器控制着数据的采集。
但该处理器与地面面板之间的通讯或与仪器串中的其它仪器之间没有控制关系。
采集部分在地面软件的控制下周期性地向地面发送6个零值和刻度值，这个刻度值和零值取自于一个精密参考电源上，这样就能够确保由于温度和器件老化等因素导致的偏置变化而得到连续的补偿。
3、传输模式
在多芯电缆中，WTS使用了几种模式作为通讯通道，模式是一种特定的缆芯组合配置，这样的配置比随意两电缆对的组合具有较好的通讯特性。
在7芯测井电缆中有7种模式，但WTS系统仅仅利用它们这7种之中的4个。
ECLIPS系统与测井仪器串中的WTS仪器之间通过3个数字遥传通道进行通讯。
7种传输模式图
数字表示的模式数的增加表明波的传播速度的增加，模式1传播速度最慢而模式7的速度最快。
WTS使用的模式如下表：
表936.1模式2-7
模式用途
2向仪器串发送命令和向地面发送数据。
5仪器串向地面高速发送数据。
7仪器串向地面高速发送数据。
4、电缆通讯
地面面板能够可靠地驱动电缆并接收各仪器传来的数据。
电缆对数字信号具有衰减作用，数字信号中的高频成分要比低频成分衰减的大，井下仪器传送上来的数字信号在地面面板中被放大和补偿，补偿主要是高频成分的幅度进行补偿。
30,000英尺长电缆M2-M7的频率响应图
WTS遥测系统在多芯电缆环境下需要一个3514公共遥传仪器短节，所有WTS兼容的仪器均需连接在3514下面的仪器串中，各WTS兼容仪器它们自己不能与地面单独进行通讯，3514仪器上部连接的三参数短节，井径以及CCL仪器输出的模拟信号在3514内部电路中进行数字化。
模式2是一种双向半双工的数据传输模式，它可以用作命令通道从地面面板向井下仪器发送命令，也可用作为数据通道从井下仪器向地面面板发送数据。
当向仪器发送命令时，传送速率是20.83KB/S,当通道用于由测井仪器向地面面板发送数据时，传输速数率是41.66KB/S。
另外两个遥测通道模式5和模式7为单向传输模式，仅仅用作数据通道。
这两个通道的数据传输速率是93.75KB/S，模式2、模式5、模式7可同时使用。
向仪器发送命令和从仪器向地面发送数据使用的是曼彻斯特码，模式2用固定长度的16位的字长，而模式5和模式7则用可变长度的串数据流。
模式2发送的数据在20位数据位里数据字头是3位，而模式5和模式7不管它发送的数据流多长，它的数据字头都是相等的11位。
模式5和模式7都是理想的发送大量数据的工作模式，不论是它们自身内在的高速率传播特性还是发送数据块之前简短的字头，都体现了它们的优越性。
模式2使用的编码器/译码器有一位奇偶校验位，它不包括在数据字头里面，而模式5和模式7中没有建立任何错误校验位。
在井下仪器发送上来的数据被接收，但为无效数据时，WTS软件向主计算机发出标示（FLAGS），如果通讯错误，数据也是无效，这种情况下WTS软件对接收的数据不做任何解释，如果通讯错误，仪器就不再被要求向地面转发数据。
3514公共遥传仪器可以被要求和传送包括6道刻度数据在内的多达20道数据。
这些数据分成9个subset,即9个不同的命令，有多少subset能够被主机要求这取决于加载的服务表和地面设备系统的级别，例如，那些不支持多采样率的系统可利用的包括那些刻度通道在内的subset在它们的指令表里。
3514公共遥传仪器中的一些信号可以用作为标准量的测量，而另一些则是来自仪器串中3514上部的那些可选用短节中的各传感器
5、内部传感器
3514仪器有如下几个内部传感器：
-内部保温瓶温度
-交流缆头电压
-交流马达电压
1）保温瓶温度
在测井过程中，监视保温瓶内部温度的变化，这个非常重要的曲线帮助现场工程师估计他（她）在当前井眼条件下是否可以继续测井施工。
2）缆头电压
缆头电压用在供电时监视所供电源电压的大小。
计算机测井系统可以设置成在CRT上显示井下交流电压。
一些井下仪器由于采集模式不同，它们工作需要的电流也会不同，例如，1507EA/MA双相位感应测井仪器需要电流的大小取决于发射器的频率，如果发射器的发射频率从一种工作频率转变成另一种频率，则必须调节地面的供电电压，以满足井下仪器的用电要求。
缆头电压读数有利于决定适当的井下电源电压，该曲线只有在保温瓶温度低于125℃的时候才是正确的。
3）马达电压
当使用3514公共遥测仪器短节时，在地面可以监视到交流马达的供电电压，地面电流表显示地面交流马达供电电源供出的总电流大小。
地面马达供电电压增加时，测井电缆缆芯之间的分布电容将造成供电电流增大。
测量井下马达电压的这种能力可以帮助操作工程师决定满足井下马达供电要求的情况下合适的地面供电电压。
该曲线只有在保温瓶内温度低于125℃的前提下才正确。
6、当选用辅助短节时外部传感器
所有的这些传感器都是无源设备，也就是说它们不能单独使用，它们要依赖3514公共遥传仪器为其供电、采集数据。
3514公共遥传仪器可以支持的传感器和传感器的测量如下所列：
传感器测量参数
3981TTRm短节缆头张力/压力，井眼温度，泥浆电阻率
仪器或马笼头电极井下自然电位SP。
当不测双侧向时，在地面也可以获得一条SP曲线。
2330XACCL套管接箍定位器
4209井径井径
缆头张力、井眼温度和泥浆电阻率传感器安装在可选用的3981WTSTTRm仪器短节上，3981仪器的上下短节的机械连接为DA扣型，即阿特拉斯丝扣。
只要一个或一个以上TTRm的数据曲线需要采集，则就需要把TTRm短节连接到仪器串中，且必须直接连接到3514的上面。
1）缆头张力
缆头张力子系统包括一个安装在纵向轴杆上的应力计桥式传感器装置，该电桥从3514中获得电源驱动，电桥自己具有温度补偿能力。
传感器可以在机械拉力或压力下工作，在正常的电缆操作运行中，阿特拉斯电缆服务仅关心张力，而在钻杆传送测井施工时，要监视缆头张力曲线的张力和压力。
缆头张力总的测量范围是从-12,000lbf到+12,000lbf，负数相当于压力。
曲线可以以任何标准的力的单位来表示，如lbf（磅-力），N（牛顿），kgf（公斤-力）。
张力/压力检测装置通常没有一个绝对很高的精度，但是，它们有一个可以被接受的相对精度。
在总曲线可能被环境条件的影响严重降级，读值仅仅在一点的时候，差分张力曲线可以给出一个可被接受的结果。
2）井眼温度
井眼温度探头是一个电阻温度探测（RTD）型传感器，它暴露在井眼流体中，该探测器没有接触到井眼的井壁。
3514仪器中的恒流电路在温度传感器上根据电阻变换的大小按比例产生电压降，传感器电阻的变化是按探测环境的温度比例而变化。
3981XA短节中安装的传感器能够在每次测量中都能够从井口到井底监视井眼内的温度，但这个温度传感器不能作为温度仪器而使用。
即它不能替代温度仪器。
3）泥浆电阻率
泥浆电阻率测量系统利用侧向电极原理测定在仪器轴心大约3英寸半径范围以内的流体电阻率。
在3514仪器内产生的恒流通过电极阵列中的中心电极E1发出，经泥浆流体返回到仪器外壳的上、下回路部分，两个电压检测电极E1、E2检测由中心电极发射出的电流而导致在流体内产生的电压降。
对于大于6英寸的井眼，电流的流动就已经被限制在井眼（泥浆）内，因为对于1英寸阵列电极，从电流发出的源处（中心电极）到电流的返回电极仅仅为0.625。
经计算表明，对于8英寸或8英寸以上的井眼，Rt/Rm从0.1到10,000的比照中，90%视电阻率在实际电阻率之内。
4）井下SP
传统（常规）SP是测量地面电极与井下电极之间的电位差，在一些海上作业时，SP曲线上的噪声有时会出现出奇的大，在一些这种情况下，要想获得一条高质量的SP测井曲线，可以通过测量两个井下电极之间的SP来实现。
这种测量可以从地面使用两根电缆缆芯来测量或用井下的一个仪器来测量。
3514公共遥测仪器具有获得井下SP曲线的能力，电缆外壳（缆铠）被用来作为一个电极而另外一个电极通常是在仪器上。
在一些情况下，马笼头上的下部电极替代了仪器电极。
同时，井下自然电位和常规自然电位的采集变成可能。
5）CCL
CCL仪器是具有26芯贯通线的2330系列仪器。
6）井径
用4209井径仪器中的MRIL开关（3档），把井径信号调到缆芯9对缆芯10。
然后，用3514上部的BLOCK#2把井径信号从缆芯9上耦合到井径输入端的缆芯11上。
见4209井径仪器简图120450-000和3514XA缆芯使用简图130767-550。
第三节机械部分描述（130767-946）
3514XAWTS公共遥传短节是一支外径为3.62英寸、上部接头为DA扣、下部是WTS扣的WTS兼容仪器。
该短节可以和所有的WTS兼容的仪器组合工作，但它必须放置（连接）到WTS仪器串的最上面。
电子线路放置在经特殊设计的金属保温瓶内进行与外界热隔离，保温瓶总成放在66.0英寸长、16-6沉淀硬化不锈钢制作的承压外壳内。
DA扣的上部堵头是钛金属材料制作，使用阿特拉斯26芯母插头。
WTS扣的底部堵头使用钛金属材料制作，使用一个WTS32芯承压堵头插头。
第四节数据采集的总体描述（130767-995）
3514公共遥测短节采集本仪器内部电路和外接的辅助短节上的传感器产生的各种信号，在这些信号被转换成数字信号之前均需进行滤波处理，各滤波器的截止频率都不相同，具体参数的大小取决于对一个特定曲线我们预期的其最大采样率和它的频率内容而决定。
采集系统包括一个具有0-10V输入范围的12位A/D转换器；一个反相电路，它对负信号进入A/D转换之前进行反相调整。
对于扩展的动态范围，模拟信号乘以一个系数2或16，具体乘因子的大小要依赖于该信号的幅度大小。
CCL信号通过一个额外的0.4或48倍的增益范围系统以得到更大的动态范围。
井下自然电位电路配有一个自动偏置系统以改善SP的动态范围。
为了消除掉模拟电路中的漂移影响，在不同增益情况下，A/D转换的相关电路的输入端被周期性地对地短接，进行漂移测量，该测量值作为数据发送到地面，地面软件对漂移量进行补偿。
一个580mV的精密参考源也作为输入信号输入到A/D转换系统中，测量这个标准信号在总增益下的变化值以此变化制对采集的数据进行补偿。
依据不同的采集模式，亦即不同的subset,在地面可以在采集间隔内对每一数据进行校正，或偶尔校正。
第五节电路描述（130767-945）
一、控制器和数据采集板（P/N129980-000）
该板可分成两个主要部分，板上的右半部分电路是控制器部分，剩下的另一半是数据采集部分。
1、控制器部分
这部分是基于6805微控制器的电路，它完成下列三个功能：
a）提供一个接口：
该接口直接地为曼彻斯特编码/译码器提供接收串行数据、接受和执行各种命令；为曼彻斯特编码/译码器的编码和发送串行数据。
b）控制数据采集过程的顺序和读取A/D转换数据。
c）控制仪器上所有的继电器、模拟开关的动作和相关的驱动电路。
除了上述的功能以外，板子上还提供了一个测试插座。
（该插座不为现场使用。
）
1）上电复位
在开始给仪器供电时，微控制器（U18）在R27和C11的作用下保持3秒间隔的复位。
选择这样的时间常数是为了能够在各种各样的仪器上电条件下，特别是当自耦变压器电压调节的非常缓慢时让仪器能够正确地启动。
跨接在R27上的D4是为了在仪器断电时让复位电路快速放电。
D9保护U18的复位端免受负脉冲击穿，并且在温度变化时平衡D4的输出。
2）时钟振荡器
石英晶体振荡器U16为微控制器提供一个4MHz的时钟信号，微控制器内部电路再对所给的时钟进行2分频，最后微控制器以2MHz、0.5us周期频率的时钟运行。
通过U16电路可以看出，U16有几个分频输出提供给本系统的其它部分，其中之一是U16的1脚输出的977Hz的时钟信号，这个时钟信号经专用门电路（U15）缓冲后为泥浆电阻率电路提供一个恒定幅度的方波信号，从数据采集部分的一个精密电压参考源上为U15提供+5V电源而不是利用主逻辑电源，这样就更加保证了上述方波信号幅度的恒定，缓冲后的输出可以在标注977Hz的接线柱端得到。
3）曼彻斯特接口
象WTS系统中的其它仪器一样，3514公共遥测短节有它自己的遥传地址，在这种情况下是$80。
然而，由于REPEATER本机遥传两者都驻存在同一块板中，因此这就不需要把本机遥测再接口到仪器总线上了，只是把曼彻斯特编码/译码器（U19）的UDI和BZO/信号经过逻辑元件直接地接到REPEATER电路上就行了，因此这就省去了两个耦合变压器，一个接收器，一个驱动器以及那些通常用在典型的遥测中的无源器件。
曼彻斯特编码/译码器U19和微控制器之间的接口是直接相连接的。
微控制器中可编程序中的9个输入/输出（I/O）口都配制成与曼彻斯特芯片直接信号交换。
在电源启动期间R28保持曼彻斯特编码器非使能，以避免向地面系统误发送数据。
R29把SDI和TD信号合并在一起，为微控制器省去一个接口，这样做是因为这两个信号不是同时有效。
R33为特殊情况下的负载电阻。
4）继电器接口
在3514仪器内，有4个磁保持继电器。
4个继电器的其中之一K2安装在本板的控制器部分，用来选择SP信号是采自井下仪器电极上还是采自马笼头电极上。
另外3个继电器安装在泥浆电阻率板上，用于工作模式的转换，即刻度、刻零和测井状态转换。
此外，还有一个安装在仪器骨架上的电磁继电器K1，它用于马达供电和其它信号的路径控制。
所有这些继电器都用24V电源工作。
为了省掉一个为继电器单独供电的电源，继电器供电电源取自±15V稳压块输入端那个滤波后但未稳压的大约24V电压，也就是V+到V-，该继电器供电电源用V-当作回路，这样它的公共回路是飘浮的。
这样的大功率电源在仪器供电后能够为继电器提供一个相当稳定的工作电压。
稳压二极管D6降压18V，这样到达继电器的电源电压大约是24V。
C12提供再次滤波。
尽管在不同的仪器组合情况下，可以是一个或更多的继电器被触发激励，这样负载条件变化非常大情况下，稳定状态的电流还是很低的，这是因为仅仅K1需要电流去保持它的激励状态，其它磁保持继电器脉冲激励的持续时间仅仅是10ms。
达林顿阵列U22和它内部的电动势保护二极管提供对各继电器线圈的驱动。
移位寄存器U21的锁存输出端上提供U22的控制信号。
从微控制器来的数据被时钟信号控制着串行输入到U21中，只有在U21被选通（触发）后它锁存输出才会变化。
+5V逻辑控制信号和继电器驱动电路之间的接口经过一个电平转换电路完成。
很显然，在U21的3个输入端上作该电平转换要比在它的输出端再进行转换所需要的元器件要少，所以转换工作应该在信号进入到U21之前完成。
正是由于这个原因，注意U21必须用一个净5V电源供电，这个电源是由串接在Vss=-15V和VDD=-10V之间的稳压二极管D5提供，当分析、维修该电路时要特别注意这一点。
PNP晶体管阵列U20和R20—R25电阻组成的电路完成控制信号电平的转换。
5）其它开关
当不用交流马达时，电缆的7#芯可以用于传输模式7C通道，该通道经变压器T6耦合到电缆上。
T6的交流耦合阻碍了SP及DLL远电极在缆芯7（模式7状态）上产生的干扰。
U17是CMOS开关，其导通时电阻为25Ω。
这个开关在电路中当作一个双-单刀双掷（SPDT）开关，把开关并联使用，这就把导通电阻降低，只有上述值的一半了。
微控制器直接控制U17。
在一种接通状态时，缆芯7#连接到SP连线上，提供一个地面参考回路的SP信号。
而在另外一种接通状态时，缆芯7#则连接到3514下端仪器总线的13#上，此时的7#缆芯作为DLL的地面参考回路。
缆芯7#也可以被用来为一些仪器向地面传输模拟信号的通路。
L4用来滤掉以井下缆铠为参考点的SP信号中的模式7C信号。
6）诊断接口
在本系统的研发过程中，在该板上安装了一个测试插座，以方便测试。
这个诊断接口不能为现场维修服务。
7）数据采集接口
到目前为止，这个接口是最大的输入/输出应用接口，已经达到15个。
它们被分成4个功能控制和数据总线，以便于数据采集处理。
2、数据采集部分
1）概述
为满足宽动态范围、双极性工作和测量精度的要求，设计的数据转换电路已能够满足这些规格要求。
在电路中，提供了一个参考数据，这个参考电压数据是为对已转换数据的应用而另外附加的信息，它已经作到3514仪器的SUBSET文件中。
每一通道更多的信息资料已经在本部分的传感器板中说明。
本配置的简要说明如下：
基本转换器产业标准的574A/D转换芯片，工作在单极性模式，0-10V输入范围，精度为12位。
其它特征两级自动增益刻度：
（1）输入信号大于大约600mv时，增益为2。
（2）输入信号小于600mv时，增益为16。
对于双极性信号，具有单独的标志位。
采样/保持放大器。
刻度用外接精密10V参考电源。
具有±5V输入范围的16个数据通道。
2）模拟道多路选择开关
如电路简图中描述的那样，U3和U4组成16道模拟开关。
开关的所有输入端，除前3道的以外，其余全部连接到本板外的各信号通道（传感器）上。
第一道CH1为A/D转换的零参考；第二道CH2是一个580mv的A/D转换的刻度参考，这个580mv的信号取自于精密电源U1输出的10V精密电源经分压网络R1、R2和R3分压而得来的精确电压信号；第三道CH3为保温瓶内温度信号，它由单封装的电压输出温度传感器组件U2提供，这种温度传感器每升高一度输出电压值为10mv。
本板上还焊有三个测试端，作为测试时使用。
通道选择是由微控制器输出口上的4个输出信号控制：
三个信号直接控制每个多路选择开关上8个通道之一的地址，而第四个信号（U18的8脚）作为片选信号用来控制选择U3或U4。
3）极性标志转换
被多路选择开关选通后的信号，经双-运算放大器U5中的一个放大器缓冲后，通过由U5的另一个放大器及R8、R9、R10以及模拟开关U10中的一个开关组成的可选择开关的标志转换电路，当在该放大器的两个输入端都为正信号时，U5则作为一个增益为一的电压跟随器对信号进行同相跟随；对于两个输入端都为负信号时，开关U10把U5的同相输入端断开，使该同相输入端经过电阻R10接地，则放大器形成一个增益为-1的反相放大器，使输入的信号进行反相跟随，因此，U5输出的信号除在开关的零交界附近的小窗口会出现负值之外，其余将永远为正值，这就保证了输入到A/D转换的信号总为正。
精密电阻R8、R9保证负1的增益，而在后级上加到信号上一个+30mv的偏置信号以确保它永远是正信号，保证了A/D转换要求的单极性输入
这样的偏置可以通过在采样/保持放大器U9的可调节输入端偏置一个电位而方便加入。
在数据恢复完后，必须考虑消除所加入的30mv偏置输入以及其它偏置和增益漂移误差，要解决上述问题，所采取的方法包括在不同的增益和极性标志位的情况下对相同的零值和相同的刻度值进行多次采
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