А. В. Давыдов Исследование возможностей повышения скорости передачи icon

А. В. Давыдов Исследование возможностей повышения скорости передачи



НазваниеА. В. Давыдов Исследование возможностей повышения скорости передачи
Дата конвертации22.07.2012
Размер139.36 Kb.
ТипИсследование






УДК 539.1.083: 550.83: 621.315.2



А. В. Давыдов

Исследование возможностей повышения скорости передачи

геофизической информации по каротажным бронированным кабелям

1. Введение

Начиная с 80-90 годов прошлого века в методах и технологиях геофизических исследований скважин (ГИС) наблюдаются существенные качественные изменения, а именно: переход на комплексные и многопараметровые измерения с применением комбинированных и/или многофункциональных скважинных приборов с достаточно глубокой обработкой первичных данных в реальном масштабе времени непосредственно в каротажных лабораториях (станциях). Такой переход требует как повышения качества первичных данных, так и передачи этих данных, как правило, в цифровой (кодовой) форме, с достаточно высокой скоростью в наземные обрабатывающие (измерительно-вычислительные) и регистрирующие устройства. И если выполнение первого требования достаточно успешно базируется на высоком уровне развития современной электронной техники, то практически единственной телеметрической линией передачи данных ГИС остается традиционный каротажный кабель.

Грузонесущий каротажный геофизический кабель относится к типу универсальных аналоговых кабельных линий передачи информации (электрических сигналов) от скважинных приборов к каротажной станции и передачи управляющих сигналов на скважинные приборы. Пропускная информационная способность каротажного кабеля напрямую определяет скорость каротажа, особенно в комплексных методах ГИС. В силу многообразия геофизических датчиков и разнотипности частотных характеристик измеряемых геофизических параметров, универсальность кабелей в общем случае должна обеспечиваться достаточно широким частотным диапазоном кабеля.

Однако следует констатировать, что каротажный кабель является не только электрической линией передачи информации, но и тросом с достаточно большим (до нескольких тонн) разрывным усилием, несущим скважинные приборы в химически- и механически агрессивной среде скважин. По существу, это электрический кабель-трос специального технологического назначения, что накладывает определенные ограничения на его характеристики, как линии связи. Реальный скорость передачи информации (бит/с) современных кабелей в зависимости от их длины ограничиваются диапазоном до 10-100 кГц, что начинает существенно сдерживать развитие и совершенствование технологий ГИС.

Отметим также эксплуатацию кабеля в широком диапазоне температур, от минусовых на поверхности до 100-150 и более градусов на больших глубинах, что приводит к существенному изменению и вариациям электрических характеристик кабеля в процессе эксплуатации. Эти изменения хотя и могут быть вычислены, но их оперативное использование в процессе каротажа для соответствующей коррекции параметров передачи информации достаточно сомнительно.


С учетом этих факторов, можно считать целесообразным обратить особое внимание на разработку методов обеспечения максимальной информационной скорости передачи данных по каротажному кабелю одновременно с трех позиций: оптимальность формы сигналов при согласовании с частотными характеристиками каротажного кабеля; оптимальность компенсирующих фильтров искажения и восстановления формы сигналов при приеме сигналов с кабеля, в том числе на достаточно высоком уровне статистических шумов; устойчивость передачи метрических параметров сигналов при достаточно больших допусках на вариации электрических параметров кабелей в процессе их эксплуатации.

Основной задачей настоящей работы будем считать исследование электрических характеристик каротажных кабелей с целью их определенного обобщения по зависимости от конструктивных характеристик кабелей и первичных электрических параметров, на основе которого возможно выделение определенных интегральных электрических параметров кабелей, позволяющих достаточно просто и с высокой степенью надежности прогнозировать и оценивать импульсную пропускную способность кабелей. Вытекающей отсюда практической задачей является создание обобщенной математической модели кабеля, как специфической технологической линии передачи информации, позволяющей моделировать и уточнять передаточные функции различных типов кабелей при решении различных производственных задач ГИС применительно к различным типам протоколов передачи информации. Чисто прикладной задачей исследований является оценка и выбор протокола передачи данных из числа наиболее распространенных в открытых системах передачи информации, оптимального для каротажных кабелей с учетом условий их эксплуатации и обеспечивающего максимальную скорость передачи геофизических данных при сохранении высокой надежности передачи информационных данных.

Грузонесущие геофизические кабели обычно сертифицируются отечественными заводами – изготовителями на соответствие стандарту ЕАГО-010-01 /19/. В таблице 1.1 приведены технические данные и электрические характеристики основных марок кабелей, достаточно широко используемых в эксплуатации. Они разделяются на три основных вида: одно-, трех- и семижильные кабели по числу токопроводящих жил (ТПЖ). Конструкция кабелей, в принципе, однотипна и при соответствующей однотипности конструкции и материалов ТПЖ определяет однотипность электрических характеристик кабелей.

Таблица 1.1.

Марка кабеля

Конструкция

Электрические характеристики

Число и сечение жил, nмм2

Число и диаметр проволок жилы, nмм2

Радиальная толщина изоляции ТПЖ, мм

Наружный диаметр кабеля, мм.

Электр. сопротивление ТПЖ не более, Ом/км.

Емкость нФ/км,

жила-броня / жила-жила

Индуктивность на 1 кГц, жила-броня/жила-жила, мГн/км

Волновое сопр. на 50 кГц,

жила-броня / жила-жила,

Ом

Коэффициент затухания на 50 кГц, не более, дб/км

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

КГЛ 1х0.75-30-90;150; 200

КГ 1х0.75-55-90; 150;200

КГ 1х1.5-55-90; 150;200

КГ 1Кх1.5-55-90

КГ 1Кх2-70-90

КГ 3х0.75-60-90; 150; 200

КГ 3х1.5-70-90; 150

КГ 7х0.75-75-90; 150; 200

1х0.75

1х0.75

1х1.5

1х1.5

1х2

3х0.75

3х1.5

7х0.75

7х0.37

7х0.37

7х0.52

19х0.315

19х0.37

7х0.37

19х0.315

7х0.37

0.7

1.5

1.5

1.5

1.5

0.6

0.7

0.7

6.3

8.8

9.4

9.8

10.85

10.2

10.7

12.3

25

25

15

15

9.4

25

15

25

90

100-120

120

112

127

130/80

130/60

140/80

0.8

2.42

1.4


2.5/3.6


2.2/2.5

40-64

50-65

45-65

42

44

65/115

70/125

67/110

8

8

8

5.8

3.8

8

8

8

Как правило, кабельные каналы связи рассматриваются в рамках теории однородных длинных линий, предполагающей постоянство электрических параметров кабеля на всех отрезках его длины. Однако в процессе каротажа различные отрезки кабеля находятся в неодинаковых условиях давления и температуры, что приводит к изменению первичных параметров отдельных частей кабеля, как во времени, так и по длине кабеля. Исследования кабелей подтвердили существенные вариации передаточных функций каротажных кабелей шлангового типа, в которых основную нагрузку на разрыв несут стальные проводники в составе жил. Что касается бронированных кабелей, то, как показали исследования в лаборатории аппаратуры радиоактивного каротажа ВНИИЯГГ еще в 60-70 годах, изменение первичных параметров этих кабелей хотя и имеет место, но не столь значительно, чтобы отказаться от использования теории однородных линий. Износ и старение бронированных кабелей также не приводит к значительному изменению его электрических характеристик /7/. С учетом этих исследований для использования в современной многофункциональной аппаратуре каротажных станций рекомендуются бронированные каротажные кабели, которые и будут рассматриваться ниже.

Одножильные бронированные каротажные кабели, в принципе, относятся к разновидности коаксиальных кабелей с концентрическим расположением жилы (прямого провода) внутри брони (обратного провода). Взаимодействие электромагнитных полей прямого и обратного проводника в идеальном коаксиальном кабеле при равных значениях тока и разных его направлениях создает нулевое значение электромагнитного поля за пределами кабеля, т.е. электромагнитное поле сигналов сосредоточено внутри кабеля, что и обеспечивает эффективную передачу электромагнитной энергии с минимальными потерями. Центральная жила и оплетка коаксиальных кабелей выполняются из немагнитных материалов (медь), что также не создает потерь на перемагничивание магнитных материалов.

Каротажный кабель, в отличие от коаксиального, в качестве оплетки имеют стальную броню без поверхностной изоляции, а, следовательно, локализованного обратного тока в этой броне не существует как для одножильного, так и для многожильного кабеля. Это действительно как для кабеля на барабане лебедки, где броня представляет в какой-то мере сплошной металлический монолит, так и для кабеля в скважине, где броня – линейный заземленный электрод. Следовательно, в каротажных кабелях появляется весьма существенный источник потерь электромагнитной энергии сигналов – на перемагничивание стальной брони электромагнитными полями токопроводящих жил и межпроводниковыми электромагнитными полями (при двухпроводной передаче сигналов), а также на потери электромагнитной энергии обратного тока в окружающей среде. Эти потери нарастают с увеличением частоты тока и приводят к существенному затуханию высокочастотных составляющих сигналов и частотному ограничению импульсной пропускной способности кабеля. Параметры потерь и их место в математической модели кабеля подлежать уточнению.

2. Передача электромагнитной энергии по кабелю

Основное уравнение кабельной линии.




Рис. 2.1. Кабельная линия передачи сигнала.
Однородная кабельная линия, эквивалентная электрическая схема которой приведена на рис. 2.1, определяется первичными электрическими параметрами: погонными значениями активного сопротивления R, индуктивности L, емкости С и проводимости G на единицу длины линии (как правило, на 1 км). На вход линии подключается источник сигналов (генератор, передатчик) с выходным сопротивлением Zo, на выход линии – приемник сигналов с входным сопротивлением Zн (нагрузка линии).

По своей физической природе первичные электрические параметры кабеля аналогичны параметрам колебательных контуров, но в отличие от них они являются не сосредоточенными, а распределены по всей длине кабеля. Этим объясняется определенная зависимость первичных параметров кабеля от частоты сигнала и от конструкции кабеля.

Сигнал на входе линии задается в виде временной функции напряжения и тока . На выходе линии (на нагрузке) соответственно имеем и . Падение напряжения и утечка тока на произвольном участке dx линии определяются уравнениями:

-d /dx = (R+jL),

-d /dx = (G+jC).

Решение данных уравнений для напряжения и тока в произвольной точке х линии дает следующие выражения /2/:

=ch x – Zв sh x, (2.1)

=ch x – (/Zв) sh x, (2.2)

Zв = (R+jL)/ , (2.3)

где Zвволновое сопротивление кабеля,  - коэффициент (постоянная) распространения линии (сигнала в кабеле):

=  + j =, (2.4)

В выражениях (2.1)-(2.2) первые члены правой части представляют собой уравнения падающих волн напряжения и тока, распространяющихся по кабелю от генератора к нагрузке, а вторые члены – уравнения волн, отраженных от конца кабеля, энергия которых не поглотилась в нагрузке. Коэффициенты Zв и  относят к вторичным параметрам кабеля. Выражения действительны для любой точки кабеля, в том числе и для напряжения на нагрузке кабеля при x = , где  – длина кабеля. Коэффициенты  и  являются собственными коэффициентами (или собственными постоянными), соответственно, амплитудного затухания и фазового сдвига волны напряжения, проходящей через кабель. Их величины обычно задаются в значениях на 1 км кабеля и в этом случае называются километрическими (хотя последнее часто опускается и подразумевается по умолчанию). Численное значение километрического коэффициента  определяет коэффициент затухания волны напряжения, проходящей через кабель длиной 1 км. Соответственно, численным значением километрического коэффициента  задается величина сдвига фазы волны напряжения, проходящей через однокилометровый кабель.

 = , (2.5)

 = . (2.6)

Каротажный кабель, удовлетворяющий уравнениям 2.1-2.6, может считаться идеальным кабелем передачи сигналов. Реальный каротажный кабель существенно отличается от идеального. Но основной характер зависимостей вторичных электрических параметров кабелей от первичных и качественную картину передачи сигналов по кабелю в различных условиях согласования с источником сигналов и нагрузкой целесообразно выяснить сначала на идеальном кабеле.

^ Волновое сопротивление кабельной линии.

Волновое сопротивление Zв – это сопротивление линии электромагнитной волне при ее распространении вдоль линии при отсутствии отражений от концов линии. Оно зависит от первичных электрических параметров кабеля и частоты сигнала. Если электромагнитную волну представить в виде раздельных волн напряжения и тока, то соотношение между ними и представляет собой волновое сопротивление цепи: = /.



Рис. 2.2. Графики активной и реактивной части волнового сопротивления кабеля

в двух частотных диапазонах.

Волновое сопротивление является комплексной величиной и состоит из активной и реактивной части, частотная зависимость которых показана на рис 2.2. Расчет графиков проведен при условно постоянных частотно-независимых значениях электрических параметров кабеля: R = 25 Ом, L = 0.5 мГн, С = 0.1 мкФ, G = 0.1 мкСм. Эти значения, типичные для большинства каротажных кабелей, будем использовать и в дальнейшем без дополнительных пояснений в качестве типовых параметров идеальной кабельной линии при чисто качественном изучении частотных зависимостей линии и величин вторичных параметров. В действительности эти параметры являются частотно - зависимыми и определяются конструкцией кабеля, но они достаточно широко используются при сравнении кабелей по электрическим параметрам в диапазоне средних и высоких частот, при этом значение R измеряется на постоянном токе, а значения L, C и G – на определенной постоянной частоте в диапазоне 10-50 кГц.



Рис. 2.3. Модуль и фаза волнового сопротивления.

Как следует из рисунка, зависимость волнового сопротивления от частоты наиболее существенна в области низких частот (менее 10 кГц) и имеет емкостной характер. В области частот более 10-20 кГц имеет место L > R, C >> G и значение волнового сопротивления стремится к постоянной величине . Эту величину называют номинальным (характеристическим) волновым сопротивлением кабеля. В дальнейшем индексом Zв = будем обозначать постоянное характеристическое сопротивление кабеля (на частотах более 50-100 кГц). Для частотной функции волнового сопротивления будем применять обозначение с аргументом по частоте Zв() или индекс .

^ Как комплексную величину, волновое сопротивление можно представить в форме:

Zв() = zв()exp(jв()),

где: zв() – частотная функция модуля волнового сопротивления (абсолютная величина отношения амплитудных значений напряжения и тока по аргументу – частоте ) в любой точке линии,  - частотная функция угловых значений, равных разности фаз волн напряжения и тока. Частотная зависимость значений модуля и фазового угла волнового сопротивления приведена на рис. 2.3. Как следует из графиков, волна тока в области низких частот опережает волну напряжения в максимуме на 45о.



Рис. 2.4. Частотные функции  и 

На рис. 2.4 и 2.5 приведены графики зависимости значений коэффициентов затухания  и фазового сдвига  (в относительных единицах) от частоты. В технической документации значение коэффициента  обычно приводится в неперах (или в децибелах) на километр.

Как видно на графиках, по мере нарастания частоты коэффициент затухания сигнала сначала плавно увеличивается с постепенным уменьшением степени увеличения, а затем, начиная с частоты порядка 10-20 кГц, коэффициент затухания практически постоянен и стремится к значению:

= 0.5(R + G).

Коэффициент фазового сдвига на низких частотах увеличивается синхронно с коэффициентом затухания (при f < 1 кГц   ), а затем, начиная с частоты порядка 1 кГц, нарастает линейно и пропорционально частоте ( = ). Это обеспечивает формирование фронтальной волны распространения сигнала по кабелю с постоянной скоростью для всех частотных составляющих сигнала, за исключением низких частот, и сохранение формы сигналов на нагрузке. Отсюда следует, что кабель является оптимальной линией передачи высокочастотных и радиоимпульсных сигналов, энергия частотного спектра которых минимальна в области низких частот.



Рис. 2.5. Частотные функции  и 

При совместном рассмотрении рисунков 2.2-2.5 нетрудно сделать вывод, что, начиная с частот порядка 5-10 кГц, кабельные линии связи имеют практически постоянные параметры. Именно в этой частотной области обеспечиваются минимальные искажения формы частотного спектра сигналов, а соответственно и формы самих сигналов при их передаче по линии связи.

^ Коэффициент передачи сигнала по напряжению по кабельной линии в общем виде может быть определен из выражения (2.1):

=/= ch  – (/)sh , (2.7)

= ch  – (/)sh , (2.7')

где  – длина кабеля, Zвх – входное сопротивление кабеля, которое также является комплексной величиной и зависит от частоты /2/:

= (Zн ch  + sh ) / (ch  + Zн sh ). (2.8)


Замечания, предложения, дополнительные материалы по данной теме прошу сообщать по адресу: prodav@narod.ru. Буду благодарен за возможность доработки, улучшения, упрощения математической модели каротажных кабелей (совместно с Вами).


Copyright ©2004 Davydov А.V.




Похожие:

А. В. Давыдов Исследование возможностей повышения скорости передачи iconА. В. Давыдов
Это требует передачи данных в наземные измерительно-вычислительные устройства, как правило, в цифровой форме и с высокой скоростью....
А. В. Давыдов Исследование возможностей повышения скорости передачи icon2 статья. Удк 539 083: 550. 83: 621. 315. 2 Повышение скорости передачи данных по каротажным кабелям
На предельной частоте передачи однополярные сигналы с гладкой формой и минимальной шириной спектра не имеют преимуществ перед прямоугольными...
А. В. Давыдов Исследование возможностей повышения скорости передачи iconТема : Определение скорости передачи информации при заданной пропускной способности канала
Тема: Определение скорости передачи информации при заданной пропускной способности канала
А. В. Давыдов Исследование возможностей повышения скорости передачи iconТема : Определение скорости передачи информации при заданной пропускной способности канала
Тема: Определение скорости передачи информации при заданной пропускной способности канала
А. В. Давыдов Исследование возможностей повышения скорости передачи icon Давыдов А. В., Давыдов В. А
В слабо сцементированных горных породах при интенсивном разрушении керна и стенок скважин в процессе бурения метод гк зачастую является...
А. В. Давыдов Исследование возможностей повышения скорости передачи iconЭлектродинамические и электромагнитные воздействия
Скорости движения проводников и связанных с ними положительных ионов V, V '. Скорости отрицательных ионов V, V '. Относительные скорости...
А. В. Давыдов Исследование возможностей повышения скорости передачи iconКонтрольная работа №1 Тема: «Основы кинематики»
Найти начальные скорости и ускорения каждого тела. Написать закон изменения скорости для каждого и построить графики зависимости...
А. В. Давыдов Исследование возможностей повышения скорости передачи iconДавыдов александр Алексеевич
Давыдов александр Алексеевич, капитан на судах Мурманского тралового флота. В 1960-х – начале 1970-х годов возглавлял экипаж траулера...
А. В. Давыдов Исследование возможностей повышения скорости передачи iconА. Г. Баранов метод экспериментальной проверки независимости скорости света от скорости источника
Предложена схема прямой экспериментальной лабораторной проверки независимости скорости света от скорости источника, в которой измеряемый...
А. В. Давыдов Исследование возможностей повышения скорости передачи iconИсследование машинописных текстов
Исследование волокон и волокнистых материалов /^Исследование металлов, сплавов, металлических изделий
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов