Электрические характеристики бронированных кабелей
Сопротивление изоляции жил нового кабеля составляет 150 -1000 МОм на 1 км при 20 С. Оно снижается с повышением температуры; особенно резкое уменьшение наблюдается при высоких температурах. Однако и при предельной для данного кабеля рабочей температуре сопротивление изоляции остается достаточно высоким - более 2 МОм на всю длину кабеля.
Вследствие индуктивной и емкостной связей жил кабеля между собой и землей, кабель имеет и реактивное сопротивление. У бронированного кабеля индуктивность жил составляет единицы миллигенри и мало изменяется при смотке и размотке. Емкость между жилами бронированных кабелей 0.06-0.1 мкФ/км, а между жилой и броней (землей) - примерно в два раза больше. Передаточные характеристики кабелей, как линии связи, характеризуются волновым сопротивлением и собственным затуханием. Затухание у бронированных кабелей, особенно с пластмассовой изоляцией жил, не очень велико, что позволяет передавать по ним сигналы из скважинного прибора частотой до 50кГц.
При использовании брони кабеля в качестве обратного провода часто считают, что из-за малого сопротивления брони (3.5-4 Ом/км) весь ток протекает по ней. В действительности броня спущенного в скважину кабеля, вследствие стекания с нее тока, эквивалентна двум заземлениям с небольшим сопротивлением; одним из них является верхний, а другим - нижний конец брони. Если один из концов используется в качестве электрода (например, электрода В на поверхности), то весь ток стекает (втекает) в породу с участка протяженностью на несколько десятков метров, начиная от точки подключения, а остальная часть брони практически не оказывает влияния на распределение тока в породе.
|
|
|
Из-за конечного сопротивления брони между отдельными ее участками существует разность потенциалов естественного поля и электродных потенциалов. Эта разность потенциалов медленно изменяется при перемещении кабеля. Обычно значение ее между концами брони не превышает 0.3 В, а амплитуда - 0.1 В.
Эквивалентная электрическая схема бронированного одножильного кабеля (например марка КГ1-24-90) приведена на рис.2.
Рис.2. Эквивалентная схема бронированного одножильного кабеля.
R1,R2,Rn - удельное электрическое сопротивление жилы кабеля;
C1,C2,Cn - электрическая емкость единицы длины кабеля. Rj1, Rjn-1,Rj n - электрическое сопротивление утечки изоляции на единицу длины.
Приведенная эквивалентная схема каротажного кабеля аналогична RC фильтру высоких частот и вносит существенные искажения в форму и амплитуду передаваемого сигнала. Частотные характеристики наиболее распространенного в промысловой геофизике кабеля КГ1-24-90 для гармонического сигнала приведены на рис.3.
|
|
|
Рис.3.Частотные характеристики кабеля КГ1-24-90 при длине L=4 км, характерные для гармонического сигнала.
Поскольку каротажный кабель существенно гасит амплитуду высокочастотного сигнала, это приводит к снижению скорости нарастания фронтов импульсных сигналов и искажению его формы. Характерные искажения формы импульсных сигналов, передаваемых по бронированному кабелю, приведены на рис.4.
Рис.4. Характерные искажения импульсных сигналов.
a, b, c - искажение формы прямоугольных сигналов различной длительности; d, e - снижение амплитуды гармонического сигнала без явного искажения его формы; Т - регистрируемая длительность импульса.
Подобные искажения формы сигнала приводят к возникновению погрешности передачи информации из-за смещения фронтов импульса (а, с), а, в некоторых случаях и к полной потере информации из-за несрабатывания ключевых элементов (b). Определение длительности Т сигнала (с) по моменту срабатывания ключа на уровне U1 по переднему и заднему фронтам заведомо искажается из-за различной крутизны сигнала на этих фронтах.
Согласно источнику [3], [https://novainfo.ru/article/7398]
В течение последних десяти лет в ОАО НПФ «Геофизика» в аппаратуре, требующей точных измерений, применяется цифровая телеметрия, разработанная на основе биполярного фазоманипулированного кода без возврата к нулю «Манчестер-2» с форматом сообщений близким к стандарту MIL-STD-1553B (ГОСТ 26765.52-87). Выбор данного стандарта был продиктован наличием достаточной отечественной элементной базы, позволяющей просто организовать передачу цифровой информации из скважинного прибора в регистрирующую наземную аппаратуру.
|
|
|
Согласно ГОСТ 26765.52-87 скважинный прибор и наземная регистрирующая аппаратура обмениваются между собой сообщениями в виде одного или нескольких 16 битных слов, которые разделены на: слово данных, командное слово и ответное слово. Выбор типа слова осуществляется специальным синхросигналом шириной в три информационных бита, после синхросигнала следуют 16 бит информации, начиная со старшего, последним должен следовать бит четности, дополняющий число единиц в слове до нечетного числа. Таким образом, для передачи 16 бит информации по каналу связи необходимо передать сигнал в коде «Манчестер-2» длинной в 20 бит. Кроме того, стандартом установлено, что слова данных необходимо отправлять только вслед за командным или ответным словом, которые определяют адрес назначения пакета данных, количество следующих за ними слов данных и другую информацию. Типичный обмен выглядит следующим образом. Одно устройство посылает командное слово (КС) с адресом другого устройства, запрашивая какую-то информацию, отвечающее устройство может ответить либо лишь одним ответным словом (ОС), которое сообщает, например, об ошибке, либо ответным слово и пачкой слов данных (СД). Слова данных могут следовать как за ответным словом, так и за командным словом. Максимальный размер пачки устанавливается равным 32 слова.
|
|
|
Линией связи между скважинным прибором и наземным регистратором является геофизический грузонесущий кабель промышленной длины до 7 км, подключение к которому осуществляется либо прямым сопряжением, либо трансформаторным. При этом коэффициент затухания сигнала в кабеле на пи юге 30 кГц составляет от 2 до 7 дБ/км, а на частоте 100 кГц - от 4 до 13 дБ/км, что лимитирует максимальную скорость передачи в коде «Манчестер-2». Разработанная в ОАО НПФ «Геофизика» аппаратура обменивается по 3-х жильному кабелю со скоростью до 41666 бит/с. Если позволяет поток данных от прибора, то битовая скорость передачи может быть понижена, чтобы и пылить затухание уровня сигнала в кабеле и, тем самым, снизить требования к передатчику в приборе и увеличить надежность передачи данных.Однако сканирующие методы исследования скважин, например скважинный акустический телевизор (CAT), требуют, чтобы большой объем данных был передан из прибора без ошибок и потерь фрагментов данных. Последняя разработка CAT - аппаратура САТ-4М передает данные с помощью цифровой телеметрии, при этом требуемая скорость передачи данных из прибора в наземную аппаратуру регистрации CAT превышает имеющиеся возможности телеметрии на основе кода «Манчестер-2», однако это ведет к пропуску каждой третьей строки сканирования скважины. Поэтому были проведены исследования возможности увеличения пропускной способности канала передачи - геофизического кабеля.
В приборах САТ-4М данные содержат информацию о сканировании поверхности скважины - это амплитуда отраженного сигнала и время от зондирующего до отраженного сигнала. Информация организована построчно, по 256 точек данных в строке, хотя может быть как больше, так и меньше, в зависимости от скорости вращения сканирующей головки прибора. В приборах САТ-4М она составляет 8 оборотов в секунду. Информация с одной точки упаковывается в 16 битное слово данных, а весь массив точек разбивается на несколько пакетов по 30 слов. Каждый пакет предваряется ответным словом, а завершается словом с номером пакета в строке данных и контрольной суммой.
Позволяющий определить правильность передачи всей пачки данных по каналу связи. Чтобы передавать данные по каждой отсканированной строке из 256 точек необходима чистая скорость передачи данных не менее 256*16*8=32768 бит/с учитывая формат сообщений, надо передать 274 слова слова по 16 бит 8 раз в секунду, что составляет 274*16*8 = 35072бит/с необходимой чистой скорости передачи по каналу связи.
Как уже было отмечено выше, основное ограничение на скорость передачи накладывает ширина полосы пропускания сигнала. Выбранная скорость передачи 41666 бит/с позволяет работать аппаратуре САТ-4М на кабеле длиной до 7 км. Дополнительное уменьшение скорости передачи данных связано с форматом сообщений, которыми обмениваются скважинный прибор и наземная аппаратура. На каждые 16 бит информации передается дополнительно 4 служебных бита (синхросигнала и бит четности), т.е. скорость передачи понижается на 20%.
Остальные факторы, уменьшающие реальную скорость передачи данных, уже не связаны с форматом сообщения, а определяются аппаратными ограничениями схем скважинного прибора и наземной части. Схемы упрощенно состоят из следующих компонент: схема приемопередатчика, микросхема адаптера мультиплексного канала 588ВГ6 и управляющего микроконтроллера. Последний, кроме своей основной задачи в скважинном приборе или в наземной аппаратуре, ещё выполняет обработку сообщений канала связи. Из-за конечного быстродействия микроконтроллера его реакция на командные и ответные слова, а так же на слова данных из канала связи не мгновенна, поэтому эта часть времени по каналу связи вообще ничего не передается. Пауза в канале образуется между командным словом наземной части и ответным словом прибора, а также между последним словом данных прибора и следующим командным словом наземной части, т.к. в этом время микроконтроллеры заняты соответственно подготовкой к передаче данных или приемом и проверкой принятых данных. Небольшая пауза в передаче получается также между каждым словом данных, она соответствует времени передачи половины бита. В современной аппаратуре САТ-4М время неиспользования канала связи составляет в целом порядка 10%, приблезительно поровну на оба аппаратных фактора.
Таким образом, реальная скорость передачи ниже чистой пропускной способности канала примерно на 30 % и составляет лишь примерно 29000 бит/с. Следовательно, для увеличения скорости передачи информации по кабелю необходимо увеличивать битовую скорость в канале, уменьшать время неисльзования канала и количество служебной информации.
Обозначим время цикла передачи одного бита информации Т, а f - частоту. Сигнал кода «Манчестер-2» характеризуется широким спектром (Рис.5), который занимает практически всю доступную частотную полосу пропускания канала связи. Уменьшение времени передачи одного бита приведет к сдвигу спектра сигнала в область более высоких частот, где он будет сильнее затухать, что увеличит вероятность ошибки при передаче данных по кабелю. С другой стороны, существует другой способ линейного кодирования код Миллера. В отличие от кода «Манчестер-2», в котором при передаче бита 0 или I сигнал меняет свою полярность в середине бита, в коде Миллера изменение полярности в середине бита выполняется только для единицы.
Рис.5. Спектр сигнала кода «Манчестер-2»
Нули передаются изменением полярности между нулевыми битами, а при передаче единицы после нуля между битами изменения полярности сигнала не происходит. Благодаря такой корреляции между соседними символами средняя длительность положительных и отрицательных импульсов несколько больше длительности самого символа. Это определяет хорошие спектральные свойствакода Миллера, спектр которого (Рис. 6) практически в 2 раза уже при той же скорости передачи информации, однако имеет, в общем случае, небольшую постоянную составляющую. Таким образом, если просто перейти на код Миллера можно повысить битовую скорость передачи в два раза при сохранении спектра сигнала в той же области, что и для кода «Манчестер-2», а значит с тем же затуханием сигнала в кабеле.
Рис. 6. Спектр сигнала кода Миллера
Кроме более сложного способа кодирования, проблема в коде Миллера - это постоянная составляющая. Она возникает лишь при передаче некоторой определенной последовательности бит и отсутствует при других. Например, при передаче двоичной последовательности 0000 или 1111, её нет вовсе, однако при передаче последовательности 0110 она максимальна. Чтобы свести к нулю постоянную составляющую можно применить групповое перекодирование информации. Оно заключается в том, что N бит данных, имеющих какой-то недостаток, представляются с помощью М бит, лишенных этого недостатка, где М > N. Как отмечено выше, некоторые последовательности бит закодированные кодом Миллера не имеют постоянной составляющей, поэтому можно перекодировать более короткую последовательность бит в более длинную и избавиться от постоянной составляющей в коде Миллера.
В табл. 2 перечислены некоторые варианты перекодирования, а также коэффициент замедления передачи, который постепенно уменьшается по мере увеличения длины N перекодируемой последовательности.
Таблица 2. Перекодирование группы бит
| м | Число кодов без постоянной составляющей | Можно закодировать код длинной N бит | Коэффициент замедления передачи, М N |
| 2 | 2 | 1 | 2,00 |
| 3 | 4 | 2 | 1,50 |
| 4 | 7 | 2 | 2,00 |
| 5 | 14 | 3 | 1,67 |
| 6 | 26 | 4 | 1,50 |
| 7 | 50 | 5 | 1,40 |
| 8 | 96 | 6 | 1,33 |
| 9 | 184 | 7 | 1,29 |
| 10 | 355 | 8 | 1,25 |
| 18 | 72160 | 16 | 1,13 |
| 22 | 1058307 | 20 | 1,10 |
На рис. 7 приведен пример сигнала в результате кодирования последовательности нулей и единиц дающей максимальную постоянную > оставляющую в коде Миллера: 011011011011, повторенную несколько раз в виде шестнадцатеричного числа её можно представить так 6DB6 DB6D B6DB 6DB6.
Рис.7. Форма сигналов при передаче шестнадцатеричной последовательности 6DB6DB6DB6DB6DB6различными линейными кодами
На Рис. 8 представлены спектры этой последовательности для кода Миллера, кода «Манчестер-2» и кода Миллера с групповой перекодировкой 2/3. Из рис.4 следует, что групповая перекодировка позволила избавиться от постоянной составляющей, и спектр сигнала стал похож на спектр кода «Манчестер-2», только он уже. Однако такая кодировка замедлила скорость передачи упомянутого сигнала в полтора раза по сравнению с исходным кодом Миллера, но в тоже время сами биты передаются на 25% быстрее, чем кодом «Манчестер-2».
Рис. 8. Спектр сигналов, показанных на Рис. 7.
В табл. 1 особый интерес представляет строка с М=10 и N=8, так как в этом случае обеспечивается незначительное замедление скорости кода Миллера и не требуется больших аппаратных затрат на реализацию алгоритма перекодирования в микроконтроллерах.
Кроме изменения способа линейного кодирования для ускорения передачи данных необходимо уменьшить число неинформативных бит в пакете данных, для этого надо отказаться от парадигмы командных и ответных слов со словами данных, а рассматривать передачу по каналу некоторого кадра данных. Этот кадр данных должен содержать синхросигнал, который не может повторяться в информационных битах, например, два периода Т высокий уровень, затем два периода - противоположный уровень сигнала. Сам кадр должен содержать информацию о длине кадра, контрольную суммы, адрес источника данных, адрес назначения и информационные данные. Длина кадра должна быть характерной для длины пакета данных из прибора, например 32 16-битных слова. При таком подходе издержки на служебные биты составят не 20%, а только 4/(32*16)*100%=0,7%. Так как код Миллера является самомосинхронизирующемся, как и код «Манчестр-2», то остается поддержка синхронизации битов в кадре.
Для реализации линейного код Миллера с групповой перекодировкой N/M и кадровым форматом сообщений необходимо заменить только адаптер канала 588ВГ6 на современный микроконтроллер, связанный по последовательному интерфейсу с основным микроконтроллером прибора. Остальная схема приемопередатчика остается неизменной.
Таким образом, описанный выше подход позволяет ускорить реальную скорость передачи на 20 % за счет уменьшения передаваемой служебной информации. Ускорение ещё на 25% достигается за счет перехода на линейное кодирование кодом Миллера и групповым перекодированием 2/3, Тем самым удается повысить фактическую битовую скорость передачи больше значения 41666 бит/с, т.е. выше требуемого для САТ-4М значения.
Кроме описанного выше способа увеличения битовой скорости передачи теоретически существует и другой поход, который заключается в разработке специального модема для геофизического грузонесущего кабеля с использованием микросхем цифрового сигнального процессора, АПЦ и ЦАП, и переработанной схемы подключения к кабелю. Практически такой подход может дать значительное увеличение скорости передачи данных, как это можно наблюдать в модемах для телефонных каналов связи. Однако сложность схемы реализующей такой специальный модем, а также сложность программного обеспечения для цифрового сигнального процессора значительно выше чем в предложенном подходе. Поэтому, когда не требуются значительное увеличение скорости передачи по кабелю, предложенный в статье подход, в основе которого переход к коду Миллера и формату сообщений в виде кадра, представляется более простым и поэтому оптимальным.
Выводы:
1. вследствие наличия служебных бит в каждом слове и пауз между командным и ответными словами получается, что фактическая скорость передачи информации по каналу меньше на 30%, чем битовая скорость, даваемая адаптером канала и приемопередатчиком кода «Манчестер-2»;
2. код Миллера позволяет передавать данные с двукратным увеличением битовой скорости при той же спектральной ширине сигнала, по сравнению с кодом «Манчестер-2»;
3. групповое перекодирование позволяет ликвидировать постоянную составляющую спектра сигнала кода Миллера;
4. переход к передаче данных в виде кадра с минимальным количеством служебной информации дополнительно ускоряет фактическую передачу данных на 20%;
5. предложено схемотехническое решение для ускорения передачи данных: замена адаптера канала без изменения существующей структуры схемы приемопередатчика.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 1431; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!