微電阻率成像測井儀發射電路設計

曹 微，師奕兵，王志剛，張 偉

（電子科技大學自動化工程學院，四川 成都 611731）

微電阻率成像測井儀發射電路設計

曹 微，師奕兵，王志剛，張 偉

（電子科技大學自動化工程學院，四川 成都 611731）

針對微電阻率成像測井儀的特點，設計了一種基于PWM方式的正弦信號發射源。該系統以PIC單片機為主控芯片，并利用其產生的PWM信號，經半橋功率放大，低通濾波，最后由變壓器輸出正弦波，為微電阻率成像測井提供信號激勵源。實驗結果表明，正弦波幅度滿足采集電路要求，信噪比滿足數據處理電路要求。發射電路已成功運用于實際儀器中，取得了良好的應用效果。

微電阻率成像測井；發射電路；PWM控制；PIC單片機；半橋

1 引 言

微電阻率成像測井儀是一種井壁電成像測井裝置[1]，通過高密度測量地層電阻率的微小變化，形成井壁電阻率圖像[2]，用于地層分析。

儀器結構原理如圖1所示[3]，其等效電路原理如圖2所示，其中R1為泥漿電阻，R2為地層電阻，發射電路輸出的2kHz正弦信號經過變壓器后，一端接在儀器上部回流電極，另一端接儀器下部發射電極，即儀器下部外殼。同時極板電路地也接在外殼上，極板內部經過一個10Ω電阻連到外部電扣上，在儀器工作時電扣緊貼在井壁上，這樣在測量時就會形成回路：儀器外殼——10Ω電阻——電扣——地層——回流電極。

儀器的最終目的是測量地層電阻R2，由于R2遠大于R3，所以一般可通過下式計算：

圖1 儀器結構原理圖

式中：U1——R1上電壓，即發射輸出電壓，由處理電路測量；

U3——10Ω電阻上的電壓，由極板采集，處理電路計算。

圖2 儀器等效電路原理圖

其中R2有時可達上百兆歐，此時發射電壓在R3上的分壓就會很低，不易測量；另外對于發射電路的主要負載R1有時會低于0.5Ω，所以對于發射電路的關鍵是輸出正弦波幅度高、帶負載能力強。

2 發射電路硬件總體設計方案

發射電路的主要功能是產生2 kHz可程控幅度的功率發射正弦信號[4]，對地層進行激勵。該電路通過串口通信與主控電路進行通信，獲得各種控制參數；利用PWM控制方式產生功率驅動信號對地層進行激勵；同時還需要采集發射輸出的電壓及電流，并經串口發送到主控電路，最終傳送到地面系統監測；發射供電電源有內部線性電源（+/-15V）供電與外部輔助電源供電兩種方式，可以根據測井需要靈活選擇。

圖3 發射電路硬件結構圖

發射電路結構如圖3所示，當發射板中的單片機PIC16F876通過UART接口收到主控板的工作指令后[5]，利用PIC芯片的CCP外設模塊生成PWM脈寬調制波[6]。PWM波首先經過隔離電路，實現控制電路與輸出電路的隔離，之后經過功率MOS管的驅動電路，然后由功率MOS管進行功率放大，再經過LC選頻濾波網絡，就會得到2kHZ的正弦波發射信號，最后由變壓器隔離輸出。同時，發射板采集發射電壓信號，發射電流信號。這兩個信號，一方面做峰值檢波，送入PIC，由其內部的AD模塊采樣；另一方面，又傳送給數據處理板，作為數字相敏檢波的參考信號。

2.1 隔離整形電路

為簡化整只儀器電源設計，半橋使用的功率電源是儀器的±15V電源，而半橋控制電路的參考地需要和半橋的負端相連，所以半橋的控制電路部分需要與PIC輸出隔離，單獨使用一套隔離電源。

設計所采用的是變壓器隔離法，其結構原理如圖4所示，由于變壓器只能通過交流信號，PWM信號經過變壓器后變成一系列尖脈沖信號，所以需要積分整形，在經過比較器后還原成PWM信號。

圖4 隔離整形電路結構圖

2.2 半橋驅動功率放大電路

信號經比較整形后，其驅動能力并沒有增強，所以在比較器后級采用了IR21844S芯片對功率MOS管進行驅動[7]，達到功率放大的目的。其結構如圖5所示，IR21844S接收比較器輸出后，輸出兩路15V互補信號分別控制兩個MOS管，其中HO信號與PWM波波形一致，LO與HO反相，兩個MOS管電源V±FIL可采用±15V內部電源供電，所以它們可輸出邏輯高電平為30V的具有較強負載能力的PWM信號，當輸出需要更高電壓時，可切換馬達電源供電，電壓可從30V連續調至200V。

圖5 半橋驅動功率放大電路結構圖

2.3 濾波輸出電路

濾波輸出電路的結構如圖6所示，其中將變壓器初級看作是一電感，則選頻網絡是由一組串聯LC，再接一組并聯LC共同構成。從PWM信號中濾出2kHz正弦波，變壓器是降壓變壓器，起阻抗變換作用，可減小發射電路的輸出內阻，適應不同的地層及泥漿環境，增加帶負載能力。

2.4 半橋電源及輸出變壓器選擇

圖6 濾波輸出電路的結構圖

儀器在工作的絕大多數時候，圖5中半橋所使用的電源電壓V±FIL都是±15V內部電源，圖6中變壓器初級選擇變比較低的1，2端，但是，由于井況的不同，偶爾會遇到一些特殊情況，比如地層巖石電阻率太大，導致極板采集電壓太小，測量不準；比如泥漿導電率太高，導致發射電路輸出正弦波負載電阻太小，輸出電壓過多地加在內阻上，最終也會使極板采集電壓太小，測量不準。

對于第一種情況，單獨增加半橋電源電壓V±FIL，實際采用的辦法是利用PIC控制繼電器，使V±FIL在常規時接在±15V內部電源上。需要增大電壓時將給儀器馬達供電的外部輔助電源接到V±FIL上，外部輔助電源是可由30～250V線性調整的直流電源，所以半橋以后的器件都選用的是耐壓600 V以上的高壓器件。

對于后一種情況除了要增加半橋電壓外，還要減小發射電路內阻，否則過多的功率會消耗在發射電路內部，具體的方式如圖6所示。利用繼電器在需要減小內阻時，將通過串聯LC的信號從變壓器初級的2端接到3端上，進一步增加降壓變壓器的變比，減小輸出端的內阻，同時為保證并聯LC的諧振頻率還在2kHz上，電容也要切換到對應的電容上。

PIC單片機引腳輸出無論是電壓還是電流都不足以驅動繼電器，實際中是使用PIC控制MOS管開關，利用15V電源打開繼電器開關。

2.5 輸出檢測電路

發射電路需要自身檢測其輸出正弦波電壓電流值，同時，由于PIC的AD轉換精度較低，以及使用UART與主控電路通信速度較低，不能完成實時高精度測量，其測量值只能用于檢測。所以還需將測量模擬信號發送給數據處理做實時高精度測量，其測量點如圖6所示，測量1，3點電壓即可得到輸出正弦波電壓，已知1，2點之間電阻為0.01Ω，測得兩點的電壓即可求出輸出電流。以測量輸出電壓為例，測量電路結構如圖7所示，電壓信號首先通過AD620進行去噪放大，之后將2kHz正弦信號送給處理板做相敏檢波計算，同時該信號由OP284進行半波整形。最后經電阻電容組成的均值檢波電路送入控制芯片PIC16F876A的內部A/D中進行采樣，即整支儀器會同時在發射板和處理板計算出輸出電壓和電流。

圖7 測量電路結構圖

3 PWM波產生機理

為了使發射電路輸出的正弦波具有較快的實時響應能力，設計中使用的脈寬調制采用實時計算法，根據計算的數學模型不同，PWM信號產生的方法有許多種[8]，如自然采樣法、面積等效法和規則采樣法等，其中規則采樣法由于其計算簡單、占用內存小、便于實時控制而被該次設計所采用。

以最常見也是該次設計最早采用的正弦脈寬調制（SPWM）為例[9]，其原理如圖 8（a）所示，用三角波yc作為載波信號，正弦波 ys=Yssin（2πfst）作為基波調制信號，根據yc和ys的交點得到一系列脈寬按正弦規律變化的脈沖信號，即SPWM信號。這種波理論上除基波分量外，諧波主要是角頻率為ωc，2ωc及其附近的諧波，很容易通過濾波得到信噪比較高的正弦波，但缺點是所得到的正弦波幅度較小，和基波幅度一致。圖8（b）是改進后的設計思路，用梯形波替換以前的正弦波做基波，提高了一定的電壓利用率，但是產生的PWM波中引入了角頻率為5ωs的諧波，由于和基波頻率太近，濾波效果不好，會在最后輸出的2kHz正弦波中引入5次諧波。圖8（c）是最后的設計方案，將基波梯形波的三角化率降低到0即可變為矩形波，同時為簡化軟件設計，將矩形波負半周固定在載波最下端，調整調制度時就可以只進行半波調整，這種方式可最大限度地利用電壓，但是產生的PWM波會引入方波的所有諧波分量，其中3次和5次諧波分量在濾波中衰減不夠，會出現在輸出的正弦波中。

圖8 PWM波產生機理

最后采用矩形波為基波產生的PWM波的原因主要有兩個：（1）以矩形波為基波最后輸出的正弦波比采用SPWM方式的輸出有明顯提高，采用內部電壓驅動時，前者最大輸出電壓有效值為4.4V，后者只有3.4V；（2）雖然矩形波為基波輸出的正弦波信噪比有所降低，但是極板采集信號的信噪比卻沒有明顯變化，基本維持在25 dB左右，滿足處理電路對采集信號的需要，這是因為采集的電壓很小，噪聲主要是由極板電路的白噪聲構成，而不是發射電路輸出的低次諧波。

4 實驗結果分析

微電阻率成像測井儀在測井時，發射電路一般工作使用內部電壓，輸出變壓器選擇變比較低的初級，發射電路未加負載時，空載輸出正弦波電壓有效值為4.4V，信噪比約為32 dB，如圖9所示，上部是它的頻譜圖。輸出內阻為0.4Ω，雖然不同的井負載差別很大，但是，最低時也大多在1Ω左右。在井況特殊時，也可以根據地面命令將供給馬達的外部輔助電壓接入發射電路，以提高輸出信號幅度，以及切換輸出變壓器初級引腳，提高降壓比，減小內阻。

根據在實驗室內測試，像花崗巖這類高電阻率巖石，微電阻率成像測井儀也能準確分辨出。圖10是在遼河實驗室測試由各種巖石搭建的實驗井所成的圖像，準確地反映出了測量范圍內井壁上各種孔洞溝槽的形狀。儀器最終經過多次實地測井，各項指標均達到國際先進水平，圖11是儀器在勝利油田孤古-8井測試的部分截圖，圖像準確清晰地反映出了該井段的實際地層情況[10]。

5 結束語

圖9 發射電路輸出正弦波

圖10 遼河實驗井圖像

圖11 勝利油田測井截圖

該文從微電阻率成像測井儀的實際需要出發，介紹了一種基于PIC單片機的激勵信號源設計，講述了系統設計的原理，并給出了具體電路結構以及所采用的PWM的生成機理。該電路已經隨微電阻率成像測井儀進行過多次實地測井，經實踐證明發射電路運行穩定，配合整支儀器所成圖像清晰，滿足了設計要求。目前發射電路及儀器其他各部分已經完成產品定型，進入產業化生產階段。

[1]原宏壯，陸大衛.測井技術新進展綜述[J].地球物理學進展，2005，20（3）：786-795.

[2]王 珺，楊長春，許大華，等.微電阻率掃描成像測井方法應用及發展前景[J].地球物理學進展，2005，20（2）：357-364.

[3]程 希，任戰利，韓宗完.WDSA微掃測井測斜系統電路設計[J].地球物理學進展，2009，24（2）：791-796.

[4]高 冰，吳亞鋒，裘 炎，等.基于PIC單片機的測井系統激勵信號源研制[J].石油礦場機械，2008，24（11）：13-15.

[5]張明峰.PIC單片機入門于實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社，2004.

[6]陳曉萍，王念春，馬玉龍.基于PIC單片機的SPWM控制技術[J].電源技術應用，2006，9（3）：39-42.

[7]李紹杰.基于IR21844的電機驅動控制系統[J].2008，10（1）：39-41.

[8]王兆安，黃 俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[9]孟慶波，曲素榮.SPWM控制方法淺析[J].鄭州鐵路職業技術學院學報，2007，19（4）：14-15.

[10]王熙榮，羅菊蘭，張 龍，等.增強型微電阻率成像測井資料的應用[J].測井技術，2007，31（3）：262-266.

Design of transm itting circuit for m icro-resistivity imaging logging tool

CAO Wei，SHI Yi-bing，WANG Zhi-gang，ZHANG Wei
（School of Automation Engineering，University of Electronic Ssience and Technology of China，Chengdu 611731，China）

In this paper，a sine wave transmitter source based on PWM source was designed according to the features of micro-resistivity imaging logging.PIC microprocessor is used as the master control chip of the system.After amplified by half-bridge power amplifier and filtered by low-pass filter，the PWM signal produced by the PIC chip is exported as sine wave by a transformer.The sine wave voltage is used as the driving source for micro-resistivity imaging logging.The experiment results showed that amplitude of the sine wave can meet the requirements of Acquisition Circuit and SNR of the sine wave can meet the requirements for Data Processing Circuit.The transmitting circuit has been successfully applied in actual tool and good effect were achieved.

micro-resistivity imaging logging；transmitting circuit；PWM；PIC；half-bridge

TE2；TP752

A

1674-5124（2011）01-0070-04

2010-01-20；

2010-04-07

中海油企業發展基金（JSKF2007YJ16）

曹 微（1984-），男，四川成都市人，碩士研究生，專業方向為石油工程測井相關信號激勵源設計。