大功率恒流源發(fā)射機系統(tǒng)性能研究

田 旺 楊 勇 趙 杰 楊 超 王芫芫

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術(shù)檢測中心，山東東營 257000）

0 引言

相比于淺埋深的管道檢測，超深檢測需要管道上有足夠的電流信號才能有效實施。無論是用于管線防腐層破損檢測，還是埋地管道檢測，為了加大檢測距離和檢測深度，都需要增加檢測信號強度。目前，可以通過大功率發(fā)射機給管道施加足夠大的檢測信號，只是這種功率足夠大的發(fā)射機在市場上并不存在，更談不上實際應(yīng)用。因此，如何成功地給大埋深管段施加有效檢測信號是目前業(yè)內(nèi)亟待突破的瓶頸，也是實現(xiàn)大埋深管段檢測的前提。鑒于此，本文設(shè)計開發(fā)了一款適用于地下管線探測的大功率發(fā)射裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)超深管段檢測，對管道運輸行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計框圖。其中：（1）為了方便系統(tǒng)散熱，使用獨立的MOSFET代替集成的IPM芯片，并增加了散熱片體積；（2）使用精度更高的霍爾傳感器ACS724代替了ACS712；（3）采用了基于電流瞬時值的PI閉環(huán)控制；（4）具有用戶交互模塊；（5）具有DC/DC升壓模塊。

2 測試結(jié)果分析

對于發(fā)射機這種工作在大功率下的系統(tǒng)，安全、穩(wěn)定是第一要素。在系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)初期，無法保證系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性和安全性，所以不能將開發(fā)階段的設(shè)備直接應(yīng)用于油田現(xiàn)場。為保證安全性及測試的方便，綜合多種因素，將系統(tǒng)的測試分析分為兩個階段：實驗室測試階段和現(xiàn)場測試階段。

2.1 實驗室測試階段

由于場地等多種因素限制，本設(shè)計在初期階段無法在現(xiàn)場環(huán)境進行測試。因此，在實驗室環(huán)境下搭建了實驗平臺，對系統(tǒng)各個模塊進行測試，驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PCM發(fā)射機系統(tǒng)具體搭建如圖2所示。

針對本系統(tǒng)設(shè)計測試實驗如下：

（1）利用實驗室電流鉗、萬用表、示波器等儀器設(shè)備，在實驗室環(huán)境下對系統(tǒng)各個模塊的各個功能進行測試，確保系統(tǒng)可以正常穩(wěn)定運行。

（2）利用水泥電阻模擬輸油管道，在實驗室環(huán)境下搭建實驗平臺，并利用Matlab軟件對系統(tǒng)輸出波形進行測試，檢驗系統(tǒng)是否能實現(xiàn)單頻、雙頻以及三頻電流的輸出，且輸出電流誤差是否滿足要求。

2.1 .1 系統(tǒng)功能檢測實驗

SPWM波形輸出測試：橋式電路中MOSFET開關(guān)管驅(qū)動波形采用的是雙極性調(diào)制方式，由STM32控制芯片產(chǎn)生兩路互補的SPWM驅(qū)動波形。由圖3（a）可以看出，SPWM驅(qū)動波形輸出電壓約為3.3 V，等同于STM32引腳輸出電壓幅值，SPWM驅(qū)動波形頻率為12.8 kHz，SPWM驅(qū)動波形死區(qū)時間為1 μs，結(jié)果表明SPWM波形滿足設(shè)計要求。

驅(qū)動模塊測試：驅(qū)動模塊的作用是將STM32輸出的SPWM信號經(jīng)過光耦隔離芯片隔離輸出為5 V信號，再經(jīng)過自舉電路放大至15 V，達到驅(qū)動MOSFET的作用。驅(qū)動模塊的輸入信號為頻率12.8 kHz、幅值3.3 V的SPWM信號，經(jīng)過隔離模塊與驅(qū)動模塊后的波形如圖3（b）所示?？梢钥闯?，信號幅值約為5 V，脈沖波形呈幅值相等、脈寬不等的SPWM波形，信號頻率為12.8 kHz，死區(qū)時間為1 μs，波形無明顯失真，達到了設(shè)計要求。

驅(qū)動芯片測試：圖3（c）為經(jīng)過驅(qū)動芯片IR2110之后的驅(qū)動波形，可以看出，信號幅值為15 V，頻率為12.8 kHz，波形沒有噪聲，有微弱失真，滿足設(shè)計需求。

采樣模塊包括電流采樣模塊、輸出電壓采樣模塊。對采樣模塊的測試主要是對經(jīng)過采樣模塊的輸出信號的幅值和頻率進行測試，查看輸出信號與輸入信號之間是否符合比例，波形有無失真，信號有沒有噪聲。電流采樣模塊、輸出電壓采樣模塊輸出波形如圖4所示。

電流采樣模塊的輸入信號為有效值1 A、頻率128 Hz的電流信號。由圖可知，電流采樣模塊的輸出信號為頻率128 Hz、有效值100 mV的正弦信號，符合霍爾傳感器100 mV/A的轉(zhuǎn)換比例，且信號沒有失真，噪聲含量較小。因此，電流采樣模塊符合設(shè)計需求。

輸出端電壓采樣模塊的輸入信號為有效值40 V、頻率128 Hz的電壓信號。輸出電壓采樣模塊的輸出信號如圖4（b）所示，輸出信號為有效值1 V、頻率128 Hz的正弦信號，符合分壓電路衰減的比例，且信號沒有失真。經(jīng)多次重復(fù)測試，電壓采樣模塊功能穩(wěn)定，符合設(shè)計需求。

2.1 .2 系統(tǒng)誤差檢測實驗

系統(tǒng)誤差檢測的目的是檢測系統(tǒng)是否能實現(xiàn)設(shè)計之初所設(shè)定的目標(biāo)，即能否實現(xiàn)0～8 A交流電流的連續(xù)穩(wěn)定輸出。這里對單頻（128 Hz）、雙頻（4/128 Hz）及三頻（4/8/128 Hz）輸出信號進行了測試，結(jié)果表明，在單頻、雙頻和三頻條件下，輸出電流值完全相同，如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)輸出電流值與設(shè)定電流值是存在一定誤差的，但該誤差在設(shè)計指標(biāo)所允許的范圍內(nèi)，因此，本系統(tǒng)基本實現(xiàn)了輸出0～8 A交流電流的功能。

對于發(fā)射機系統(tǒng)，不但要求其能改變輸出電流的大小，并且其還應(yīng)具有改變頻率的功能，即發(fā)射機可輸出單頻、雙頻、三頻電流。圖5為系統(tǒng)不同頻率電流頻譜圖，可以看出，發(fā)射機的輸出電流頻率與設(shè)定值基本沒有偏差，符合設(shè)計需求。

2.2 現(xiàn)場測試階段

在經(jīng)過實驗室測試完善了功能及精度之后，在油田現(xiàn)場對儀器進行了現(xiàn)場測試，本次測試負(fù)載選取5.1 Ω，并對系統(tǒng)輸出信號進行采集與分析。

2.2 .1 發(fā)射信號多頻測試

發(fā)射信號多頻測試部分主要完成該發(fā)射機系統(tǒng)是否可以輸出多頻信號的測試：測試發(fā)射信號為單頻（128 Hz、640 Hz）、雙頻（4/128 Hz、4/640 Hz）及三頻信號（4/8/128 Hz、4/8/640 Hz）。經(jīng)過對設(shè)備輸出頻率的測試結(jié)果（表2）可以看出，恒流源發(fā)射機可以輸出單頻、雙頻及三頻信號，且最大誤差為0.75%，輸出精度高，滿足PCM接收機接收信號的要求范圍。

2.2 .2 發(fā)射信號參數(shù)指標(biāo)測試

發(fā)射信號參數(shù)指標(biāo)測試部分主要完成該發(fā)射機系統(tǒng)發(fā)射信號參數(shù)指標(biāo)的測試，包括不同頻率、不同幅值及波形的測試，以及系統(tǒng)在發(fā)射不同頻率和幅值信號下長時間工作的穩(wěn)定性。在這里，對不同頻率三項輸出幅值進行測試，結(jié)果如表3所示。觀察數(shù)據(jù)可知，發(fā)射機輸出信號的幅值和功率均達到了預(yù)期要求，設(shè)備可輸出多頻交流信號，輸出信號最大可達到7.27 A，且每項設(shè)定輸出幅值都達到了輸出要求。輸出信號功率最大為269.55 W，且能夠長時間穩(wěn)定工作，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)語

本文針對自行設(shè)計的大功率恒流源，從實驗室和現(xiàn)場兩個階段開展測試。針對SPWM波形、驅(qū)動模塊、驅(qū)動芯片進行了波形輸出測試，通過測試電流輸出值與設(shè)定值的誤差和頻譜圖證明了恒流源誤差在可接受的范圍內(nèi)。在現(xiàn)場，以5.1 Ω負(fù)載為例，從多頻輸出、電流輸出幅值、穩(wěn)定性和功率四個方面開展測試，結(jié)果表明，該大功率恒流源能夠滿足現(xiàn)場的要求。