脈沖信號(hào)電纜驅(qū)動(dòng)電路傳輸性能分析

2019-11-03 10:08:23

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供稿：網(wǎng)友

任曉榮

西安石油勘探儀器總廠（西安 710054）

　　摘要：石油測(cè)井中的脈沖信號(hào)要經(jīng)過鎧裝電纜傳輸?shù)降孛鏈y(cè)井儀進(jìn)行處理，其有效性取決于下井儀脈沖驅(qū)動(dòng)電路、測(cè)井電纜傳輸性能、地面測(cè)井儀脈沖信號(hào)檢測(cè)能力。本文設(shè)計(jì)制作了模擬最差測(cè)井電纜的模擬電纜，分析了影響脈沖信號(hào)電纜驅(qū)動(dòng)電路傳輸性能的因素，進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)電路的改進(jìn)設(shè)計(jì)，探討了驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力與電纜長(zhǎng)度的關(guān)系，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際測(cè)井驗(yàn)證。

　　關(guān)鍵詞：脈沖信號(hào)，鎧裝電纜，驅(qū)動(dòng)電路，傳輸性能，分析

　　1 問題的提出

　　石油測(cè)井中的脈沖信號(hào)要經(jīng)過幾千米的多芯或單芯鎧裝電纜才能傳輸?shù)降孛鏈y(cè)井儀進(jìn)行處理，這一過程如圖1所示。

　　由圖1可以看出，這一過程實(shí)現(xiàn)的有效性，主要取決于以下三個(gè)方面：

　　（1）下井儀脈沖驅(qū)動(dòng)電路；

　　（2）測(cè)井電纜傳輸性能；

　　（3）地面測(cè)井儀脈沖信號(hào)檢測(cè)能力。

　　目前，地面測(cè)井儀脈沖信號(hào)檢測(cè)能力一般為信號(hào)幅度大于1V，信號(hào)脈沖寬度小于300us，這是必須達(dá)到的指標(biāo)。能否達(dá)到這個(gè)指標(biāo)，主要取決于下井儀脈沖驅(qū)動(dòng)電路和測(cè)井電纜傳輸性能。按照可靠性理論，在最壞情況[1]下系統(tǒng)應(yīng)能正常工作。那么，什么是測(cè)井電纜的“最壞情況”？在實(shí)踐中主要是指?jìng)鬏斝阅茏畈畹臏y(cè)井電纜。只有在下井儀脈沖驅(qū)動(dòng)電路配接傳輸性能最差的測(cè)井電纜時(shí)仍能正常工作，才能確保這一過程的有效性。因此，分析脈沖信號(hào)電纜驅(qū)動(dòng)電路在配接傳輸性能最差的測(cè)井電纜時(shí)的傳輸性能，有助于設(shè)計(jì)出傳輸性能優(yōu)越的驅(qū)動(dòng)電路，使基于脈沖信號(hào)的石油測(cè)井過程可靠進(jìn)行。

　　2 測(cè)井電纜及其“最壞情況”模擬

　　目前在用的測(cè)井電纜型號(hào)較多，有國(guó)產(chǎn)電纜，也有進(jìn)口電纜，傳輸性能差別很大。最差的電纜5000米直流電阻達(dá)400Ω，對(duì)信號(hào)的衰減很大，12V的脈沖信號(hào)經(jīng)過該電纜后，幅度只有0.4V，給地面測(cè)井儀的檢測(cè)帶來了很大困難。

　　那么，測(cè)井電纜在傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，有什么特點(diǎn)呢？一般認(rèn)為，測(cè)井電纜的傳輸性能與所傳輸信號(hào)的頻率密切相關(guān)，對(duì)于低頻信號(hào)，測(cè)井電纜呈現(xiàn)阻性特征；對(duì)于中頻信號(hào)，測(cè)井電纜呈現(xiàn)容性特征；對(duì)于高頻信號(hào)，測(cè)井電纜呈現(xiàn)感性特征。阻性特征使脈沖幅度降低，降低到1V以下，地面測(cè)井儀就難以檢測(cè)；容性特征使脈沖寬度增大，增大到一定程度就會(huì)產(chǎn)生脈沖重疊現(xiàn)象，地面測(cè)井儀產(chǎn)生漏記，進(jìn)而影響測(cè)量精度。為了傳輸?shù)男枰蜏y(cè)井中經(jīng)常通過分頻使脈沖信號(hào)頻率降低，因此，可認(rèn)為測(cè)井電纜兼具阻容性特征。

　　為了適應(yīng)測(cè)井電纜的“最壞情況”，就要改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路，使配接電纜以后的信號(hào)仍能滿足地面測(cè)井儀的檢測(cè)。為了便于在實(shí)驗(yàn)室條件下研究驅(qū)動(dòng)電路的傳輸性能，參考最差電纜的參數(shù)，設(shè)計(jì)制作模擬電纜，是一條有效的途徑。經(jīng)過反復(fù)比對(duì)，圖2所示的模擬電纜完全能夠模擬最差的電纜，能夠用于檢驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力。

　　3 驅(qū)動(dòng)電路傳輸性能分析

　　3．1 兩種驅(qū)動(dòng)電路的分析

　　常用的傳輸驅(qū)動(dòng)電路有兩種，一種是以驅(qū)動(dòng)變壓器為核心的驅(qū)動(dòng)電路，另一種是以集成驅(qū)動(dòng)芯片為核心的驅(qū)動(dòng)電路，研究發(fā)現(xiàn)兩種驅(qū)動(dòng)電路的性能差別不大，成本相近，集成驅(qū)動(dòng)芯片因集成度高具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

　　3．2 影響電纜傳輸性能的因素分析

　　以TD823為核心的驅(qū)動(dòng)電路典型接法如圖3所示，下面將在配接了所制作的模擬電纜的情況下，對(duì)TD823的傳輸性能進(jìn)行分析。

　　3．2．1 TD823供電電壓對(duì)帶電纜能力的影響

　　對(duì)于ZGJ-C自然伽瑪測(cè)井儀的鐘型脈沖[2]，作了以下兩個(gè)試驗(yàn)：

　　（1）供電電壓大小的影響

　　供電電壓大小對(duì)帶電纜能力的影響如表1所示，可見供電電壓大小對(duì)輸出脈沖幅度沒有明顯的影響。

　　（2）供電方式的影響

　　供電方式對(duì)帶電纜能力的影響如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)供電方式對(duì)帶電纜能力的影響很大，因此較好的供電方式應(yīng)取掉限流電阻，直接給TD823供電。

　　3．2．2 脈沖參數(shù)對(duì)帶電纜能力的影響

　　對(duì)信號(hào)而言，其典型參數(shù)包括脈沖形狀和脈沖寬度，為了探討各自對(duì)帶電纜能力的影響，作了以下兩個(gè)試驗(yàn)：

　　（1）脈沖形狀對(duì)帶電纜能力的影響

　　目前在用的石油測(cè)井儀器有兩種典型的脈沖形狀，經(jīng)過細(xì)致的研究發(fā)現(xiàn)，脈沖形狀對(duì)帶電纜能力有較大的影響，具體如表3所示。

　　因此，在設(shè)計(jì)脈沖信號(hào)成形電路時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用方波作為測(cè)井信號(hào)傳輸波形。

　　（2）脈沖寬度對(duì)帶電纜能力的影響

　　對(duì)于方波，脈沖寬度對(duì)帶電纜能力的影響如表4所示。

　　由表4可見，隨著脈沖寬度的增加，帶電纜以后輸出脈沖幅度明顯增大，但也存在一定的副作用，即脈沖計(jì)數(shù)漏記有所增加，大量試驗(yàn)表明，當(dāng)輸入脈沖寬度控制在30us～40us之間時(shí)，既能使輸出脈沖幅度明顯增大，又能將脈沖計(jì)數(shù)漏記控制在可接受的范圍之內(nèi)。

　　3．2．3 輸出浮地電容對(duì)帶電纜能力的影響

　　對(duì)于44us方波，輸出浮地電容C對(duì)帶電纜能力的影響如表5所示。

　　由表5可見，隨著電容值的增加，帶電纜以后輸出脈沖幅度明顯增大，但也存在一定的副作用，即脈沖寬度有所增加，大量試驗(yàn)表明，當(dāng)電容值控制在0.22uF～2.2uF之間時(shí)，既能使輸出脈沖幅度明顯增大，又能將脈沖寬度控制在可接受的范圍之內(nèi)。

　　4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)

　　依據(jù)3.2小節(jié)分析，影響驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)性能的主要因素為TD823的供電方式、脈沖信號(hào)成形電路、輸出浮地電容的容值大小，據(jù)此，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

　　4．1 改進(jìn)設(shè)計(jì)

　　4．1．1 TD823的供電方式改進(jìn)設(shè)計(jì)

　　TD823供電應(yīng)取掉限流電阻，直接供±12V，增加這一數(shù)值，配接模擬電纜以后輸出脈沖幅度雖有增加，但增幅不大。

　　4．1．2 脈沖信號(hào)成形電路改進(jìn)設(shè)計(jì)

　　脈沖信號(hào)成形電路改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要是采用集成整形芯片，輔以適當(dāng)?shù)腞C電路，因?yàn)檫@樣做可以：

　　（1）得到標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)；

　　（2）減小脈沖重疊引起的計(jì)數(shù)率過載；

　　（3）減小基線漂移引起的計(jì)數(shù)率過載；

　　（4）減小低頻噪聲。

　　4．1．3 輸出浮地電容的容值大小選擇

　　輸出浮地接法是組合測(cè)井的需要，從電容特性看，容值大的電容具有低通特性，容值小的電容具有高通特性。問題的實(shí)質(zhì)是，容值小的電容對(duì)于高頻信號(hào)其接地導(dǎo)通性良好，而對(duì)于低頻信號(hào)其浮地的導(dǎo)通性差，相當(dāng)于接地不良，于是出現(xiàn)了短路電容之后信號(hào)幅度增加的現(xiàn)象，一旦浮地電容的容值適當(dāng)，這種接法的效果就不明顯。所以，應(yīng)根據(jù)測(cè)量對(duì)象的頻率高低，選用浮地電容的容值。在測(cè)井實(shí)踐中往往遇到的是隨機(jī)脈沖信號(hào)，測(cè)量對(duì)象的計(jì)數(shù)率經(jīng)常變化，此時(shí)，某一容值的浮地電容適應(yīng)性如何？針對(duì)ZGJ-C自然伽瑪測(cè)井儀的研究表明，2.2uF的電容在典型的計(jì)數(shù)率范圍之內(nèi)，其適應(yīng)性良好。因此，浮地電容的容值選用2.2uF。

　　4．2 驅(qū)動(dòng)能力與電纜長(zhǎng)度的關(guān)系

　　驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力與電纜長(zhǎng)度的關(guān)系如圖4所示，這種關(guān)系可以用擬合的數(shù)學(xué)關(guān)系式來表達(dá)，并用外推的方法推斷驅(qū)動(dòng)電路的極限驅(qū)動(dòng)能力，即一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路達(dá)到地面測(cè)井儀脈沖信號(hào)檢測(cè)能力，所能配接的最長(zhǎng)電纜。

　　對(duì)圖4的數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)擬合，可獲得指數(shù)計(jì)算公式

　　也就是說，該驅(qū)動(dòng)電路的極限驅(qū)動(dòng)能力為7318米，完全滿足最壞條件下的應(yīng)用。

　　4．3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

　　對(duì)以上設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和實(shí)際測(cè)井驗(yàn)證，結(jié)果如表6所示。

　　由表6可以看出，所設(shè)計(jì)的模擬電纜確實(shí)模擬了最差的測(cè)井電纜；所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路具有優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)能力。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，直接影響地層信號(hào)向地面?zhèn)鬏數(shù)挠行院涂煽啃裕祟愩@進(jìn)的深度在不斷增加，需配接的電纜長(zhǎng)度也在不斷增加，因此，這一工作需要持續(xù)不斷的改進(jìn)[3]，以不斷滿足實(shí)際測(cè)井的需要。

　　參考文獻(xiàn)

　　1 王錫吉，王蓬.最壞情況電路分析.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2002（2）：1～5

　　2 任曉榮.ZGJ-C自然伽瑪測(cè)井儀在組合測(cè)井中的應(yīng)用.石油儀器，2000，14（1）：12～13

　　3 GB/T19000-2000，質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)（idt ISO 9000:2000）.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001

　　
摘自《電子工程師》

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