CN1804371A - 桩基钻孔孔径测量仪 - Google Patents

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曹茂永
孙农亮
梁慧斌
范迪
杨卫平
陈达庆
张逸芳
王德民
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Abstract

本发明公开了一种桩基钻孔孔径测量仪，包括：井下仪子***、井上仪子***、计算机子***、深度仪子***、传输电缆、绞车子***及示波器子***；上述井下仪子***包括一密闭壳体，密闭壳体内包括电路部分；上述密闭壳体内设置磁罗盘，密闭壳体下方设有由磁罗盘确定方位的旋转式超声波探头。其采取旋转式超声波探头测量及磁罗盘定向的技术方式，在实测过程中，磁罗盘和换能器同步转动以获取一周内多个方位角的角度值及其对应井径值，定位准确性好，能耗低，且这种定位技术方式不占用井下仪壳体外部空间，特别适用于较小口径或桩孔口径的深井超声测量。

Description

桩基钻孔孔径测量仪
技术领域
本发明涉及一种用于小井径钻井或桩基钻孔过程中对井径或孔径的倾斜度及径宽进行测量的超声测量设备。
背景技术
现有技术中，对桩基钻孔孔径的测量大多采取简单的人工手段进行测量，操作繁琐，精确性较差。也有直接采取普通超声波深井测井仪技术方式对桩基钻孔进行测量的探索尝试，但由于桩基钻孔为小井径井孔，不能借用双钢丝绳对井下仪在井下定向，井下仪部分不能稳定方位，精确性远不能满足实际需要。
发明内容
本发明的任务在于提供一种可适用于较小口径或桩孔口径的深井超声测量仪，它可提供关于井壁倾斜、井径等技术参数，为成井(桩孔)的建设提供有效技术保证。
其技术解决方案是：
本发明桩基钻孔孔径测量仪包括：
(i)用来发射超声波脉冲信号，接收井壁反射超声信号并将其转换成电脉冲信号，及对接收信号进行放大、滤波和变换处理的井下仪子***；
(ii)用来为井下仪子***提供适宜匹配电能，同步脉冲的产生，接收井下仪子***的传送信号，对传送信号进行放大和变换处理，及其它相关数据采集的井上仪子***；
(iii)用来对数据进行综合采集和处理的计算机子***，计算机子***与井上仪子***之间通过数据线路联接；
(IV)用来测量井下仪下放深度的深度仪子***，上述井上仪子***还包括对深度仪传输信号的数据采集处理和深度值显示；
(V)用来在井下仪子***和井上仪子***之间进行信号传输的传输电缆，及提升和下放井下仪子***的绞车子***；
(VI)用来显示观察实时波形的示波器子***；
上述井下仪子***包括一密闭壳体，密闭壳体内包括电路部分；上述密闭壳体内设置磁罗盘，密闭壳体下方设有由磁罗盘确定方位的旋转式超声波探头。
上述旋转式超声波探头可为一个。
上述密闭壳体内还设置步进式驱动电机或其它适宜驱动机构，超声波探头与磁罗盘同步转动。
上述步进电动机通过传动组件传动联接磁罗盘，及通过密闭壳体底端的液密封转轴传动联接超声波探头。
上述超声波探头的***设有保护罩。
上述传输电缆为铠装电缆，可兼作为绞车子***的缆索及深度仪子***的测量绳；通过其铠装层吊挂于密闭壳体的顶端。
上述深度仪子***，吊挂井下仪子***密闭壳体的传输电缆绕在深度仪的滑轮上，滑轮大小为滑轮旋转一周传输电缆走过一个定长度；上述光电码盘随轮子转动一周产生两路若干个方波信号。
本发明与现有技术超声测井设备相比具有如下特点：一是采取由密闭壳体内的动力机构驱动超声波探头旋转工作的技术方式，实现在每一个层面周向旋转布点以便对多个方位角进行测定，以选用一个旋转式超声波探头为例，在每一个测试层面上该探头旋转一周，如设定测120或240等个点，获得该层面相应数量方向的井径值；二是采用在密闭壳体内设置磁罗盘定向的技术方式，在实测过程中，通过磁罗盘确定各超声波探头测点所处的方位角，以获取一周内多个方位角的角度值及其对应井径值。定位准确性好，能耗低，不易受井下仪下放过程自身旋转的影响，同时，这种定位技术方式不占用井下仪壳体外部空间，特别适用于较小口径或桩孔口径的深井超声测量。
附图说明
图1为本发明桩基钻孔孔径测量仪的组成示意图。
图2为本发明中井下仪子***结构原理示意图。
下面结合附图对本发明进行说明：
具体实施方式
结合参看图1及图2，本发明桩基钻孔孔径测量仪可包括：井下仪子***1、井上仪子***6、计算机子***8、深度仪子***4、传输电缆2、绞车子***5、悬挂滑轮组3、示波器子***7、绘图仪9及打印机10。其中，井下仪子***1用来发射超声波脉冲信号，接收井壁反射超声信号并将其转换成电脉冲信号，及对接收信号进行放大、滤波和变换处理；井上仪子***6用来为井下仪子***提供适宜匹配电能，同步脉冲的产生，接收井下仪子***的传送信号，对传送信号进行放大和变换处理，及其它相关数据采集；计算机子***8与井上仪子***之间通过数据线路联接，用来对数据进行综合采集和处理；深度仪子***4用来测量井下仪下放深度，井上仪子***包括对深度仪传输信号的数据采集处理和深度值显示；传输电缆2用来在井下仪子***1和井上仪子***6之间进行信号和能量传输；绞车子***5用来提升和下放井下仪子***1；示波器子***7用来显示观察实时波形；绘图仪9与打印机10用来打印输出有关数据资料。
上述井下仪子***1包括一密闭壳体100，密闭壳体100内设置电路部分101、磁罗盘102、电源103及步进电动机104，密闭壳体100的下方设有一个超声波换能器105，步进电动机104通过减速机106及密闭壳体底端的液密封转轴107传动联接超声波换能器105，步进电动机104同时通过传动组件传动联接磁罗盘102，步进电机104同时驱动超声波换能器105与磁罗盘102同步转动。传输电缆2为铠装电缆，可兼作为绞车子***5的缆索及深度仪子***4的测量绳，并通过其铠装层吊挂于密闭壳体100的顶端。深度仪子***4，吊挂井下仪子***密闭壳体的传输电缆2绕在深度仪的滑轮上，滑轮大小为滑轮旋转一周传输电缆走过一定长度(比如一米)，其光电码盘随轮子转动一周产生两路若干个(比如3600个)的方波信号。
本发明的原理是：将井下仪子***下放到被测井筒中，在被测深度处停下并静止一段时间后，应用超声波测距原理对井壁进行扫描测距，即超声波发射电路产生的电脉冲加到一个超声波探头，由该超声波探头定向地发出超声波信号，该信号在井筒泥浆中传播，遇到井壁后反射回来，再被该超声波探头接收，并转换为电脉冲信号，至此即完成一次测量。若超声波在泥浆中的传播速度为已知，精确地测量出发射和接收之间的时间，即可得出在这一水平断面这个方向上该超声探头到井帮之间的距离，可将超声波探头转过一定角度在新的方位下重新测距，这样扫描测量一周，由此可测出该水平断面若干个方向下超声波探头到对应井壁的距离。
井下仪子***主要完成超声信号的发射和反射超声信号的接收，对接收的超声信号进行放大、滤波、变换处理后通过电缆传到井上仪，几个定向方位角的数值也通过电缆传送到井上仪；井上仪子***负责整个***的供电、对井下仪子***送来的超声信号进行放大、变换等处理后，经数据采集等过程，在井下仪发出的同步信息的触发下将各种数据信号分组送给计算机子***。上述数据信号可经过井上仪子***及计算机子***处理，并可由计算机子***显示该水平断面的井壁图形，然后，再继续下放井下仪子***，进行另一水平断面的测量。根据井下仪子***下放点与井筒设计中心的坐标关系，即可利用计算机子***计算出各水平断面的实际直径，井筒的实际中心相对设计中心的偏斜位置及方位角度，通过输出设备得到水平断面图、竖直断面图、井筒中心偏斜投影图等。当然得到关于井壁倾斜、井径等技术参数的范围程度等与本发明的运算设备选用配置软件等有关，本发明并不以取得上述全面技术参数为必要。
本发明中的用来测量井下仪下放深度的深度仪子***，上述井上仪子***还包括对深度仪传输信号的数据采集处理和深度值显示，利用该深度仪子***，可实时准确地测出井下仪子***下放的实际深度，并通过井上仪子***进行数据采集处理和深度值显示，准确性和自动化程度较高，还便于计算机子***利用其实时数据进行有关运算，较现有技术中采用施放手工测量绳测量井下部分下放深度的方式，可提高准确性和自动化水平以及生产效率。
本发明中的用来在井下仪子***和井上仪子***之间进行信号传输的传输电缆，及提升和下放井下仪子***的绞车子***，利用该传输电缆除为井下仪子***和井上仪子***提供数据信号等传输通路外，还可利用该传输电缆直接吊挂井下仪子***，利用传输电缆通过绞车提升和下放井下仪子***，线路简洁，结构紧凑，可有效克服采用传输电缆只进行信号传输、另设置井下仪吊挂绳索用于其提升和下放技术方式所带来的易造成线路杂乱，提升装置多的弊端。上述传输电缆还可兼作为深度仪子***的测量绳，与为深度仪单独设置测量绳相比，线路简洁，一物多用。本发明中的用来显示观察实时波形的示波器子***，通过观察示波器子***的实时波形，为实时地调节其它仪器，准确测量奠定基础。
本发明与现有技术相比，有两个鲜明的特点。
其一，采取由密闭壳体内步进电动机驱动单个超声波探头旋转工作的技术方式，在每一个测试层面上旋转一周，如设定测120或240等个点，获得该层面相应数量方向的井径值。具体是这样处理的：把一周分成4等份，以90度作为一个小测量单元。首先井下仪发出控制脉冲，使超声探头定向发射超声，超声到达井壁后大部分被反射回来，探头接收到回波信号，经过处理之后送到井上部分。井下仪控制步进电机带着超声探头和磁罗盘同步转过3度(200步)之后，再发出控制脉冲让探头发射超声进行新方位的测距。重复上述过程，转过90度后，井上仪把这30个位置点的距离数据以及该测量单元起始的方位数据发送到上位机中进行处理。然后再启动下一个单元的测量，这样测量4个单元，一共360度，从而获得这个水平断面的120个方向的井径值，上位机经过处理就得到了该层面的特征参数。
其二，采用在密闭壳体内设置磁罗盘定向的技术方式，在实测过程中，磁罗盘和换能器同步转动以获取一周内多个方位角的角度值及其对应井径值，定位准确性好，能耗低，不易受井下仪下放过程自身旋转的影响，同时，这种定位技术方式不占用井下仪壳体外部空间，特别适用于较小口径或桩孔口径的深井超声测量。具体的做法是：在开始一周测量之初，井上仪发出控制脉冲，使磁罗盘中的继电器吸合，把当前方位信息保持住，延时一定时间之后读出磁罗盘中所保持的方位信息。井下仪把此次的方位编号为1，然后把方位序号和数值一并发送给井上仪，同时开始一个测量单元的测量。当本测量单元结束后，稍停片刻，一方面使井下仪静止，另一方面等待井上仪向上位机发送本单元的30个点的距离、方位以及当前深度值等构成的数据组。过后，重复上述过程，不同的是把对应的方位依次编号为2、3、4。以此作为一个循环周期，完成一个水平断面的测量。如果一个层面重复测量的话，前一个周期的4号之后接着是下一个周期的1号，编号为1的方位对应于新层面周期的开始。因此在该***中，同步信号就是不同编号的方位信息。井上仪子***收到井下的同步信号，保存方位，同时准备处理和测量井下传送来的距离信号。井上仪子***对每个距离信号进行计时，在距离信号的开始打开计时器，直到距离信号的结束再关闭计时器，并保存计时值。如果开始了计时，但是超过了设定时间还没有结束，也就是距离信号没有正常结束，就认为此点上的距离超过上限或者出现异常，就终止本次计时，此点的计时值记为0；如果超过设置的时间还没有接收到距离信号，也认为出现异常，此点的计时值也记为0。这样测完30个点后，就暂停测量，一方面将深度、方位以及刚测的30个点的计时值发送到井上部分上位机进行处理；另一方面等着接收下一个方位值，收到后再开始下一个90度内的测量。后续的三个90度测量，只向井上部分上位机发送30个点的计时值和方位，不用发送深度。这样测量4个90度，构成这个层面的一周。
本发明的井下仪子***实施方式中，除包括设置一个旋转式超声波探头实施方式外，还包括设置两个、三个、四个或六个旋转式超声波探头等实施情形，多个超声波探头可分布在将360°均等分的方位上。
本发明未述及的部分，可采取或借鉴本申请人此前申请的发明创造名称为“超声测井仪(申请号：200410036126.0)”相应部分的技术内容。

Claims (7)

1、一种桩基钻孔孔径测量仪包括：
(i)用来发射超声波脉冲信号，接收井壁反射超声信号并将其转换成电脉冲信号，及对接收信号进行放大、滤波和变换处理的井下仪子***；
(ii)用来为井下仪子***提供适宜匹配电能，同步脉冲的产生，接收井下仪子***的传送信号，对传送信号进行放大和变换处理，及其它相关数据采集的井上仪子***；
(iii)用来对数据进行综合采集和处理的计算机子***，计算机子***与井上仪子***之间通过数据线路联接；
(IV)用来测量井下仪下放深度的深度仪子***，上述井上仪子***还包括对深度仪传输信号的数据采集处理和深度值显示；
(V)用来在井下仪子***和井上仪子***之间进行信号传输的传输电缆，及提升和下放井下仪子***的绞车子***；
(VI)用来显示观察实时波形的示波器子***；
其特征在于：所述井下仪子***包括一密闭壳体，密闭壳体内包括电路部分；上述密闭壳体内设置磁罗盘，密闭壳体下方设有由磁罗盘确定方位的旋转式超声波探头。
2、根据权利要求1所述的桩基钻孔孔径测量仪，其特征在于：所述旋转式超声波探头可为一个。
3、根据权利要求1或2所述的桩基钻孔孔径测量仪，其特征在于：所述密闭壳体内还设置步进式驱动电机或其它适宜驱动机构，超声波探头与磁罗盘同步转动。
4、根据权利要求3所述的桩基钻孔孔径测量仪，其特征在于：所述步进电动机通过传动组件传动联接磁罗盘，及通过密闭壳体底端的液密封转轴传动联接超声波探头。
5、根据权利要求4所述的桩基钻孔孔径测量仪，其特征在于：所述超声波探头的***设有保护罩。
6、根据权利要求5所述的桩基钻孔孔径测量仪，其特征在于：所述传输电缆为铠装电缆，可兼作为绞车子***的缆索及深度仪子***的测量绳；通过其铠装层吊挂于密闭壳体的顶端。
7、根据权利要求6所述的桩基钻孔孔径测量仪，其特征在于：所述深度仪子***，吊挂井下仪子***密闭壳体的传输电缆绕在深度仪的滑轮上，滑轮大小为滑轮旋转一周传输电缆走过一个定长度；上述光电码盘随轮子转动一周产生两路若干个方波信号。
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