一种用于非接触传输系统的性能评价测试平台及方法与流程

本发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种用于非接触传输系统的性能评价测试平台及方法。

背景技术：

非接触电能传输又称无线电力传输，无线电能传输，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量（如电磁场能、激光、微波及机械波等），隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。

非接触电能传输通过电场耦合作用，将电能与信号以非接触方式进行传输，解决了旋转导向系统中旋转部件间的供能和信息交互难题。非接触电能传输效率由发射线圈和接收线圈的耦合系数决定，而耦合系数受磁芯材质、形状及线圈距离等参数影响，在产品开发阶段往往通过实验测试，确定适用于目标特性的最佳耦合系数，以此完成非接触传输磁机构的实物设计，实现能量最优传递。

非接触传输系统是旋转导向不可或缺的核心部分，主要实现不同转速部件间能量和信号的可靠传输。

如现有技术中公开号为cn106640033a，公开时间为2017年5月10日，名称为“旋转导向工具状态监测方法”的中国发明专利文献，公开了一种旋转导向工具状态监测方法，通过对井下工具测量得到的工具面/外套转速、电机转速、压力/推靠力等工具工作状态参数及定向测量参数、井眼几何参数、井下钻井参数等环境参数定时上传，地面系统显示工具的工作状态，将井下工作状态实际参数与参数模型数据对比，实现对旋转导向工具监测及智能故障诊断的目的，同时该系统和方法通过井下工作状态参数结合输入的工具状态参数模型数据及实际工具导向效果，可对模型进行实时更新，以使旋转导向工具具有更好的导向效果。

但是，现阶段，缺少非接触传输系统性能测试平台，实验室简单的性能测试无法有效说明在高温高压工况下的实际运行性能，不能满足工程可靠性的需求。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中存在的问题和不足，本发明旨在于提供一种包括高温高压试验仓、模拟负载、旋转平台和检测电路的用于非接触传输系统的性能评价测试平台和对应的测试方法，通过本测试平台的设计和搭建，弥补了非接触传输系统室内测试缺失的短板，可快速准确评价非接触传输系统的性能指标，为产品优化设计提供技术支撑。

本发明的一种用于非接触传输系统的性能评价测试平台，其特征在于：包括远程监控台和电控柜，以及用于模拟井下高温高压环境、且温度和压力可调的高温高压试验仓；所述高温高压试验仓包括电式加热炉和空气增压泵，高温高压试验仓内设置有待检测非接触传输系统的输入端中位于井下环境的整流调节电路、信号加载电路和发射线圈，以及输出端中位于井下环境的接收线圈和信号接收电路；所述高温高压试验仓内还设置有用于驱动输出端转动模拟井下旋转工况的旋转平台；还包括用于连接在待检测非接触传输系统输出端的模拟负载，以及用于采集待检测非接触传输系统输入端和输出端电压、电流和信号的检测电路。

所述远程监控台，包括用于远程调控实验过程中各参数，以及用于记录、分析和储存实验数据，为非接触传输系统评价提供依据的plc数据采集模块和电脑操作终端；所述电控柜接收市电提供的工频电源，包括为高温高压试验仓旋转平台供电的380v变频交流电源输出和为远程监控台供电的220v变频交流电源输出，以及为整流调节电路、信号加载电路和发射线圈供电的48v直流电源输出，为测试平台其他部件提供电力源。

具体的，所述旋转平台设置在所述高温高压试验仓内，所述高温高压试验仓为封闭式仓体，且高温高压试验仓内的温度在0~250℃范围内可调，压力在0~50mpa范围内可调。

优选地，所述旋转平台包括设置在所述高温高压试验仓内的转台和设置在高温高压试验仓外、转速可调的用于驱动所述转台的旋转电机。

进一步的，所述模拟负载包括用于模拟井下运转阻抗负载、感性负载和/或容性负载的可调电阻、可调电感和/或可调电容。

优选地，所述模拟负载采用盒体总体封装，内部集成通过手动旋钮调节电气元器件参数的可调电阻、可调电容和可调电感，以模拟不同的井下负载，实现不同负载状态下系统性能的评价测试。

所述模拟负载的可调电阻和可调电感串联，所述可调电容则与可调电阻和可调电感之间并联。

本发明还提供了一种对应上述非接触传输系统的性能评价测试平台的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

安装设置步骤，将待测试的非接触传输系统装载至测试平台上，设定高温高压试验仓内的测试温度和压力；并根据待测试的非接触传输系统实际工作环境的负载特性先验值，调节模拟负载中可调电阻、可调电容和/或可调电感的参数，以模拟出实际负载状态；这种测试方法是为了测试非接触电能/信号传输系统的性能指标，主要测试的是不同温度、不同压力、不同角度下、不同负载下的工作性能指标，四个参数可独立/同时调整测量，根据测试需求而定，以指导设计优化。

测试步骤，启动待测试的非接触传输系统，记录能量传递效率和信号传递指标；然后分别或同时启动旋转平台带动输出端的接收线圈旋转、调整模拟负载的参数、调整高温高压试验仓内的测试温度以及调整高温高压试验仓内的测试压力，并持续记录在不同角度、负载、温度和/或压力下，非接触传输系统的能量传递效率和信号传递指标是否出现变化，这里的不同角度是指随着旋转平台运动使输入端的发射线圈和输出端的接收线圈之间相对角度的改变，用以模拟井下旋转导向的真实角度变化工况；不同的负载参数用以模拟井下作业时不同工况的实际负载变化；不同温度和压力则用以模拟井下深度、位置的温度压力变化；

测试评价步骤，根据测试步骤的测试结果，分别用不同角度下的能量传递效率和信号传递指标变化验证系统的稳定性、不同的负载参数下的变化验证系统的负载适应性；以及不同温度和压力下的变化验证系统的温度和压力适应性。

所述测试步骤中，能量传递效率，是通过提取输入端发射线圈的输入功率和对应输出端接受线圈的输出功率，并求取输入功率和输出功率的商作为能量传递效率。

所述测试步骤中，信号传递指标是指信号发生器发出信号与接收信号的误码率和传递速率。

与现有技术方案相比，本发明技术方案的有益效果如下：

该发明的平台由高温高压试验仓、模拟负载、旋转平台和检测电路等组成。其中，高温高压试验仓，主要用于模拟井下高温高压环境，温度0~250℃可调，压力0~50mpa可调；模拟负载由可调电感、可调电容和可调电阻组成，可模拟阻性、感性和容性负载；旋转平台可模拟井下旋转工况，以测试旋转状态下的系统性能；检测电路主要包含电压、电流和信号的测量。

附图说明

本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1为本发明的测试平台的电路连接结构示意图；

图2为本发明的测试平台的系统结构示意图；

图3为本发明测试方法中对应转速差影响下的预测曲线；

图4为本发明测试方法中对应电容影响下的预测曲线；

图5为本发明测试方法中对应电感影响下的预测曲线；

图6为本发明测试方法中对应温度影响下的预测曲线；

图7为本发明测试方法中对应压力影响下的预测曲线。

具体实施方式

下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

作为本发明系统一种具体的实施方案，如图1，公开了一种用于非接触传输系统的性能评价测试平台，包括远程监控台和电控柜，以及用于模拟井下高温高压环境、且温度和压力可调的高温高压试验仓；所述高温高压试验仓包括电式加热炉和空气增压泵，高温高压试验仓内设置有待检测非接触传输系统的输入端中位于井下环境的整流调节电路、信号加载电路和发射线圈，以及输出端中位于井下环境的接收线圈和信号接收电路；所述高温高压试验仓内还设置有用于驱动输出端转动模拟井下旋转工况的旋转平台；还包括用于连接在待检测非接触传输系统输出端的模拟负载，以及用于采集待检测非接触传输系统输入端和输出端电压、电流和信号的检测电路。

进一步的，如图2所示，这种用于非接触传输系统的性能评价测试平台种，所述电控柜，接收市电提供的工频电源，并具备380v/220v变频交流电源输出，48v直流电源输出，为测试平台其他部件提供电力源。380v变频交流电源输出为高温高压试验仓旋转平台供电的，即所述旋转平台包括设置在所述高温高压试验仓内的转台和设置在高温高压试验仓外、转速可调的用于驱动所述转台的旋转电机，220v变频交流电源输出为远程监控台供电的，48v直流电源输出为整流调节电路、信号加载电路和发射线圈供电。

而所述高温高压仓，包含仓体、电式加热炉、空气增压泵、安装接口等组成。其中，仓体为非接触传输系统提供测试环境，具备耐温、耐压的特点；电式加热炉可以提高仓体温度，最高可提升至250℃，以测试高温状态下系统性能；空气增压泵可将仓体压力升高，最高可升高至50mpa以测试高压状态下系统性能；待检部件安装端是提供待测试非接触传输系统的安装位置，以丝扣形式连接；旋转电机可带动待测试非接触传输系统的接收端旋转，其转速通过功能电源频率改变进行调整，以测试不同转速旋转状态下系统性能。

所述模拟负载包括用于模拟井下运转阻抗负载、感性负载和/或容性负载的可调电阻、可调电感和/或可调电容。优选地，采用盒体总体封装，内部集成可调电阻、可调电容和可调电感，通过手动旋钮调节电气元器件的参数，以模拟不同的井下负载，实现不同负载状态下系统性能的评价测试。进一步的如图1，所述模拟负载的可调电阻和可调电感串联，所述可调电容则与可调电阻和可调电感之间并联。

而所述远程监控台，包含plc数据采集模块、电脑操作终端等，可以对实验过程中各参数远程调控，同时记录、分析和储存各项实验数据，为非接触传输系统评价提供依据。即plc数据采集模块和电脑操作终端用于远程调控实验过程中各参数，以及用于记录、分析和储存实验数据，为非接触传输系统评价提供依据。

实施例2

作为本发明测试方法一种具体的实施方案，对应上述实施例1系统的技术方案，包括以下步骤：

安装设置步骤，将待测试的非接触传输系统装载至测试平台上，设定高温高压试验仓内的测试温度和压力；并根据待测试的非接触传输系统实际工作环境的负载特性先验值，调节模拟负载中可调电阻、可调电容和/或可调电感的参数，以模拟出实际负载状态；这种测试方法是为了测试非接触电能/信号传输系统的性能指标，主要测试的是不同温度、不同压力、不同角度下、不同负载下的工作性能指标，四个参数可独立/同时调整测量，根据测试需求而定，以指导设计优化。

测试步骤，启动待测试的非接触传输系统，记录能量传递效率和信号传递指标；然后分别或同时启动旋转平台带动输出端的接收线圈旋转、调整模拟负载的参数、调整高温高压试验仓内的测试温度以及调整高温高压试验仓内的测试压力，并持续记录在不同角度、负载、温度和/或压力下，非接触传输系统的能量传递效率和信号传递指标是否出现变化，这里的不同角度是指随着旋转平台运动使输入端的发射线圈和输出端的接收线圈之间相对角度的改变，用以模拟井下旋转导向的真实角度变化工况；不同的负载参数用以模拟井下作业时不同工况的实际负载变化；不同温度和压力则用以模拟井下深度、位置的温度压力变化；其中，能量传递效率，是通过提取输入端发射线圈的输入功率和对应输出端接受线圈的输出功率，并求取输入功率和输出功率的商作为能量传递效率；而信号传递指标是指信号发生器发出信号与接收信号的误码率和传递速率。

测试评价步骤，根据测试步骤的测试结果，分别用不同角度下的能量传递效率和信号传递指标变化验证系统的稳定性、不同的负载参数下的变化验证系统的负载适应性；以及不同温度和压力下的变化验证系统的温度和压力适应性。

其中，

接收端功率=接收端测量电压*接收端测量电流；

发射端功率=发射端测量电压*发射端测量电流；

能量传递效率=接收端功率/发射端功率；

误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%。

信号传递指信号发生器发出信号与接收信号的误码率和传递速率。

即，本实施例这种用于非接触传输系统的性能评价测试平台的测试方法，具体的是按照以下顺序进行的：

1、将待测试非接触传输系统装载至测试平台；

2、高温高压试验仓运行至设定温度和压力；

3、根据实际负载特性，调节模拟负载中可调电阻、可调电容、可调电感的三项参数，以模拟出实际负载；

4、启动非接触传输系统，记录能量传递效率和信号传递指标，并旋转接收部分，使得发射端和接收端存在转速差异，以测试在不同转速差值状态下，系统效率是否出现变化，验证系统稳定性。

该项测试主要是验证接收端和发射端存在转速差异的情况时，非接触传输系统的性能变化，如图3，在试验测试中，以30r/min为起点，每次增加10r/min，最大测试到300r/min，预计可得的如图3所示的试验曲线。

5、变化模拟负载参数，以能量传递效率和信号传递指标为评价标准，测试验证非接触传输系统的负载适应性；启动非接触传输系统，记录能量传递效率和信号传递指标，调节电容、电感参数，模拟不同负载特性对系统性能的影响。电阻是耗能元件，是系统功耗的直接决定参数，根据待检非接触传输系统的设计适用功率，设定至标准电阻参数，再进行负载变化测试，具体的：

（1）将电容由小变大调节，测试电容变化对系统性能的影响，并记录成如图4的实验曲线图；

（2）将电感由小变大调节，测试电容变化对系统性能的影响，并记录成如图5的实验曲线图。

根据试验测试数据则可以评判电容、电感变化对非接触传输系统性能指标的影响，明确对负责特性的适应性评价。

6、调整试验仓温度，以能量传递效率和信号传递指标为评价标准，测试验证非接触传输系统的温度适应性。

该项测试是验证温度变化对非接触传输系统性能的影响，如图6，以50℃为起点，每10℃为一测量点，最高温度测至非接触传输系统设计适用温度，不超过250℃，则得到如图6所示的预计试验曲线。

7、调整试验仓压力，以能量传递效率和信号传递指标为评价标准，测试验证非接触传输系统的压力适应性。

该项测试是验证压力变化对非接触传输系统性能的影响，如图7，以10mpa起点，每5mpa为一测量点，最高压力测至非接触传输系统设计适用压力，不超过50mpa，则得到如图7所示的预计试验曲线。

8、综合上述试验结果，得到非接触传输系统的综合适应性，以指导工程应用和优化设计。