數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)中模擬信號(hào)分離單元的設(shè)計(jì)

陳超波，高 嵩，何 寧，袁曉偉

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

在生產(chǎn)測(cè)井中，為滿足油田的實(shí)際生產(chǎn)的需要，往往需要對(duì)套管井的井下的壓力、溫度、流量、密度、含水量、自然伽馬、接箍磁定位、水位層、槽位置、油層動(dòng)態(tài)等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)這些井下參數(shù)的測(cè)量的需求，國(guó)內(nèi)外相應(yīng)的測(cè)井公司生產(chǎn)和研發(fā)了一系列的井下測(cè)井儀器，有的具有某一特定功能的測(cè)井儀、有的具有多個(gè)功能組合的測(cè)井儀。井下測(cè)井儀器的種類(lèi)繁多，與其相配套的地面系統(tǒng)也參差不齊。針對(duì)這一現(xiàn)狀，對(duì)各種井下儀器的進(jìn)行了多方面、多角度的研究、探討和總結(jié)，并在省教育廳資助下，研制一種新型、通用的便攜式數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)，使之能與絕大多數(shù)井下測(cè)井儀器配套使用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在掌握生產(chǎn)測(cè)井的工作原理及對(duì)多種井下測(cè)井儀器的分析和研究后，歸納總結(jié)出多種井下測(cè)井儀器的回傳信號(hào)的共性及特點(diǎn)，其回傳的信號(hào)主要有3種信號(hào)：模擬量，脈沖量和曼切斯特編碼信號(hào)。模擬量信號(hào)主要來(lái)源于各種模擬測(cè)井儀，如聲波、接箍、磁定位儀等測(cè)井儀，其該信號(hào)主要的形式是類(lèi)正弦波信號(hào)。脈沖量信號(hào)主要來(lái)源于自然伽馬儀、多臂井徑儀、脈沖水溫等測(cè)井儀，其主要的形式是正脈沖和負(fù)脈沖。曼切斯特編碼信號(hào)主要來(lái)源于組合式測(cè)井儀，該測(cè)井儀中有一個(gè)電纜遙測(cè)短節(jié)[1]（Wireline Telemetry Cartridge，WTC）單元，該單元在測(cè)井儀中起重要作用，主要負(fù)責(zé)將組合測(cè)井儀中其他儀器如溫度儀、壓力儀、流量計(jì)、密度儀、自然伽馬儀、含水儀等采集的數(shù)據(jù)編輯成一定幀格式，編成曼切斯特Ⅱ碼[2]，通過(guò)測(cè)井電纜發(fā)送到地面系統(tǒng)。鑒于數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)各個(gè)模塊處理的實(shí)時(shí)性要求較高，為此地面系統(tǒng)采用分布式控制方式，每個(gè)電路模塊均用一個(gè)獨(dú)立的CPU完成特定的功能，各個(gè)子系統(tǒng)板間的數(shù)據(jù)通信則采用高速、高性能、高可靠性的CAN總線通信方式。信號(hào)分離板在整個(gè)地面系統(tǒng)中處于首要位置，利用RS232完成與上位機(jī)的通信，完成3種信號(hào)的分離、調(diào)理，最后將信號(hào)送至相應(yīng)的子系統(tǒng)板中進(jìn)行進(jìn)一步處理。另外子系統(tǒng)板與信號(hào)分離板還需完成一些特定信息的傳送，為配合與子系統(tǒng)板完成CAN通信，最后選定信號(hào)分離板的CPU采用C8051F040單片機(jī)。C8051F040單片機(jī)[3]是Cygnal公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型的單片機(jī)，是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC），有100腳TQFP和64腳 TQFP兩種封裝，資源極其豐富：采用高速8051微控制器內(nèi)核，以流水線指令結(jié)構(gòu)，速度可達(dá)25 MIPS，提供20個(gè)矢量中斷源。具有4 352（4 k+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM和64 k字節(jié)Flash存儲(chǔ)器；可以在系統(tǒng)編程，扇區(qū)大小為512字節(jié)。其具有18個(gè)字節(jié)寬的端口I/O，內(nèi)部還集成了一個(gè)控制局域網(wǎng)（CAN）控制器，可實(shí)現(xiàn)CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議規(guī)范的串行通信等資源。其地面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1中虛線框所指的是信號(hào)分離板結(jié)構(gòu)圖。

圖1 信號(hào)分離板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure of signal separation broad

2 硬件設(shè)計(jì)

在生產(chǎn)測(cè)井過(guò)程當(dāng)中，模擬量主要來(lái)自于井下儀器上傳的磁記號(hào)信號(hào)和張力信號(hào)等。由于模擬信號(hào)自身的特點(diǎn)，容易受到外界干擾。其信號(hào)包括井徑信號(hào)、測(cè)向信號(hào)等，它們都是變化緩慢的信號(hào)，電壓幅度范圍一般在0～+5 V，其中測(cè)向測(cè)井信號(hào)中有幾十個(gè)毫伏的電壓信號(hào)。信號(hào)通過(guò)井下儀器進(jìn)行檢測(cè)后，再由井下電纜傳輸?shù)椒蛛x板時(shí)，將融進(jìn)一定的噪聲，為了盡量恢復(fù)原始的模擬信號(hào)，同時(shí)為了滿足不同測(cè)量要求，需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行一系列的調(diào)理。由于井下回傳的信號(hào)比較小，所以該處理單元要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，再進(jìn)行濾波，采用多級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)方式。整個(gè)模擬量分離單元的電路框圖如圖2所示。

圖2 模擬信號(hào)分離單元原理框圖Fig.2 Block diagram of analog signal separation unit

其中放大電路采用比例放大，如圖3所示，可根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)節(jié)R2電位器，改變放大倍數(shù)。圖中第一級(jí)為比例放大環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)放大倍數(shù)為由于模擬信號(hào)頻率較低，變化緩慢，在信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程當(dāng)中，容易引入高頻噪聲干擾，所以需要設(shè)計(jì)低通濾波電路將高頻信號(hào)成分有效濾除后，再送入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。電路設(shè)計(jì)時(shí)采用壓控電壓源二階低通濾波電路[4]來(lái)完成對(duì)該類(lèi)信號(hào)的處理。另外為了使后級(jí)電路不影響前級(jí)的濾波特性，故在濾波電路后面加入了電壓跟隨器，實(shí)現(xiàn)前后級(jí)電路的隔離，從而完成了對(duì)模擬信號(hào)調(diào)理單元的設(shè)計(jì)。

若當(dāng)R15=R16=R，C13=C14=C時(shí)，對(duì)壓控電壓源二階低通濾波電路進(jìn)行分析，可得出其傳遞函數(shù)為：

圖3 模擬量信號(hào)處理單元Fig.3 Analog signal processing unit

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，取R17＝27 kΩ及R18＝25 kΩ，從而可以得出該濾波電路的通頻帶電壓放大倍數(shù)：

在式（1）當(dāng)中，當(dāng) Aup（s）小于 3 時(shí)，即分母中 s 的一次項(xiàng)系數(shù)大于零，電路將不會(huì)產(chǎn)生自激震蕩，從而穩(wěn)定工作。

若令 s=jω，并取 R=330 Ω，C=0.47 μF 時(shí)，則有：

將式（3）代入式（1）中可以得出，其電壓放大倍數(shù)為：

在式（5）中，可見(jiàn)清楚地看到，電壓放大倍數(shù)與通帶放大倍數(shù)的比值Q≈0.93，從而保證了該濾波器在截止頻率處的幅頻特性比較理想，通頻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)基本不受損失。

3 模擬量分離單元的調(diào)試

測(cè)井過(guò)程當(dāng)中的磁記號(hào)信號(hào)及張力信號(hào)，通常是變化緩慢的低頻模擬信號(hào)[5]。這類(lèi)信號(hào)不同于數(shù)字信號(hào)，其頻率較低，電壓幅度較小，所以井下儀器將低頻模擬信號(hào)送至測(cè)井電纜之前，往往都會(huì)由井下遙測(cè)短節(jié)模塊將該類(lèi)信號(hào)放大。若使用單芯電纜作為測(cè)井電纜，此時(shí)會(huì)將幅值放大以后的低頻模擬信號(hào)加載到給井下儀器供電的直流電源之上，即電源線和信號(hào)線采用同一根傳輸線。低頻模擬信號(hào)經(jīng)井下電纜的長(zhǎng)線傳輸以后，不僅會(huì)受到較大的幅度衰減，而且也可能會(huì)或多或少地引入外界干擾。如果該低頻模擬信號(hào)不經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理單元，而直接進(jìn)入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，此時(shí)得到的數(shù)據(jù)就不能反映井下儀器實(shí)際測(cè)量的結(jié)果。因此必須對(duì)該低頻模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，利用壓控電壓源二階低通濾波電路，可以將信號(hào)傳輸過(guò)程當(dāng)中引入的外界高頻干擾有效濾除。

磁記號(hào)信號(hào)反映了測(cè)井電纜上磁記號(hào)的位置，而張力信號(hào)反映了測(cè)井電纜在下放或提升過(guò)程當(dāng)中所受到的作用力大小，它們均是低頻模擬信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程當(dāng)中，首先利用Multisim仿真軟件對(duì)信號(hào)調(diào)理單元的功能進(jìn)行測(cè)試，隨后再利用示波器調(diào)整該部分的硬件電路參數(shù)，得到預(yù)期的輸出波形，完成對(duì)模擬信號(hào)的調(diào)試操作[6]。圖4（a）給出了帶阻容網(wǎng)絡(luò)的模擬信號(hào)調(diào)理單元的硬件仿真電路，這里采用阻容網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬測(cè)井電纜，利用信號(hào)源V1產(chǎn)生的低頻正弦波信號(hào)來(lái)模擬磁記號(hào)信號(hào)，并在該信號(hào)上疊加由信號(hào)源V2產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)。圖4（b）利用虛擬示波器給出了該電路的仿真測(cè)試結(jié)果，其中通道1表示疊加了50 kHz干擾信號(hào)以后的測(cè)井輸入信號(hào)，通道2則表示通過(guò)模擬信號(hào)調(diào)理單元處理后的信號(hào)。

圖4 模擬信號(hào)分離單元的仿真電路及波形圖Fig.4 Simulation circuit and waveform of analog signal separation unit

由上圖可以看出，由于模擬信號(hào)調(diào)理單元內(nèi)部二階低通濾波器的截止頻率為1 026.7 Hz，因此該模塊可以有效地將高頻干擾信號(hào)（50 kHz）濾除。將分離后的信號(hào)即可作為AD采集板的信號(hào)輸入，進(jìn)行下一步的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)長(zhǎng)距離的測(cè)井電纜傳輸后的模擬信號(hào)，勢(shì)必融入高頻的干擾信號(hào)，為提高后期模擬信號(hào)的采集質(zhì)量，為此對(duì)其模擬信號(hào)進(jìn)行分離處理非常必要，上述的設(shè)計(jì)模擬分離單元采用經(jīng)典的壓控電壓源二階低通濾波電路將其高頻信號(hào)有效的濾除了，另外為了使后級(jí)電路不影響前級(jí)的濾波特性，故在濾波電路后面加入了電壓跟隨器電路，以提高輸入阻抗。最后以磁記號(hào)信號(hào)為例，經(jīng)模擬電纜傳輸后，融入了高頻干擾信號(hào)，由模擬信號(hào)分離的處理，有效地濾除了高頻信號(hào)，滿足后期的信號(hào)處理要求。

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