石油測(cè)井儀器電流檢測(cè)系統(tǒng)分析

胡德堯（中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一五研究所，浙江杭州，310000）

石油測(cè)井儀器電流檢測(cè)系統(tǒng)分析

胡德堯
（中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一五研究所，浙江杭州，310000）

在測(cè)井儀器的研發(fā)期間，對(duì)儀器的功耗要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利于可以科學(xué)的給儀器搭配適合的電池，為此設(shè)計(jì)了可以在大動(dòng)態(tài)情況下，連續(xù)的對(duì)直流的小電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)的檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)有連續(xù)監(jiān)測(cè)小電流的獨(dú)特需求，設(shè)計(jì)出了運(yùn)用高輸入阻抗的方法和差分運(yùn)放的I/V轉(zhuǎn)換方法選用放大信號(hào)、多級(jí)硬件的電路濾波和數(shù)字的濾波相綜合形式的制止干擾的方法，主要是制止系統(tǒng)內(nèi)的噪聲和系統(tǒng)外在的工頻干擾；在此之外還運(yùn)用軟件來(lái)達(dá)到自動(dòng)量程的效替來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍的電流檢測(cè)要求，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)使用的需求。

石油測(cè)井儀；電流檢測(cè)系統(tǒng)

0 引言

石油測(cè)井儀器所工作的環(huán)境都是在地下，在供電設(shè)施缺乏，需用電池來(lái)供電。但儀器在每項(xiàng)工作環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的功耗是不一樣的：在休眠的狀態(tài)下所產(chǎn)生的功耗是最低的，電流不超過(guò)10微安；工作的時(shí)候，電流在0.1到10毫安間；儀器在運(yùn)行時(shí)，電流在100到700毫安之間。為了使儀器能較長(zhǎng)時(shí)間工資，一定要設(shè)計(jì)出一種寬動(dòng)態(tài)范圍、高精度、有存儲(chǔ)的直流微電流的連續(xù)監(jiān)測(cè)儀器，能夠監(jiān)測(cè)不同情況下電流的大小，由此計(jì)算出儀器所用功耗的大小。本文是以單片機(jī)為中心的石油測(cè)井儀器功耗的檢測(cè)系統(tǒng)。相互綜合運(yùn)用的方式對(duì)噪聲進(jìn)行處理，并且在電路的制作中給予屏蔽處理。這個(gè)設(shè)計(jì)電流選用I/V交替的方法，根據(jù)這個(gè)方法所設(shè)計(jì)的直流微電流的檢測(cè)簡(jiǎn)單并且實(shí)用，性價(jià)比也非常高，經(jīng)過(guò)后續(xù)的電路調(diào)整能夠明顯有效的制止噪聲。我們可以通過(guò)一個(gè)檢測(cè)原理圖來(lái)加以說(shuō)明，待測(cè)微弱電流通過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓，而且無(wú)源濾波電路可以濾除共模高頻干擾信號(hào)，在兩級(jí)級(jí)聯(lián)的差分放大器同時(shí)放大電壓信號(hào)的作用下，巴特沃斯濾除工頻干擾和高頻噪聲，繼而再將經(jīng)過(guò)處理的電壓信號(hào)輸入兩路A-D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，微控制器對(duì)A-D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行是否在放大器相應(yīng)

1 微電流的檢測(cè)和設(shè)計(jì)方案

對(duì)于這項(xiàng)設(shè)計(jì)中的10微安及微電流的檢測(cè)相關(guān)問(wèn)題，重要的考慮方向是對(duì)信號(hào)獲取與噪聲的消除問(wèn)題。噪聲的來(lái)源主要有兩方面：一方面是來(lái)自電子系統(tǒng)的內(nèi)部，包含熱噪聲、脈沖噪聲、尖峰噪聲、偏置電流與失調(diào)電壓等；另外一種是來(lái)自電子系統(tǒng)外部，包含工頻的干擾、射頻的噪聲，機(jī)械的噪聲與大氣的噪聲等。本文運(yùn)用差分放大電路、減法電路與濾波之間的量程內(nèi)做出判斷，以此決定選取哪一路的A-D轉(zhuǎn)換結(jié)果作為本次A-D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)思路框圖

2 硬件電路的設(shè)計(jì)方案

硬件系統(tǒng)在被檢測(cè)的石油測(cè)井儀器的小的直流電流通過(guò)采樣電阻在它兩端會(huì)生成電壓差，采樣電阻的兩端電壓差通過(guò)無(wú)源濾波電路濾掉電壓信號(hào)中的高頻濾波，電壓信號(hào)在經(jīng)過(guò)兩級(jí)差分的放大實(shí)行指定倍數(shù)放大，然后讓兩路的電壓信號(hào)和另一路信號(hào)相結(jié)合一同進(jìn)入減法器來(lái)實(shí)行差動(dòng)濾波，消除放大階段的噪聲，兩路電壓的信號(hào)再通過(guò)巴特沃斯的濾波電路消除工頻的干擾，最后在輸入到轉(zhuǎn)換器中，把模擬的信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字的信號(hào)，微控制器判斷確定選取其中一路轉(zhuǎn)換結(jié)果作為此次轉(zhuǎn)換的最后結(jié)果，針對(duì)多次的最后結(jié)果實(shí)行數(shù)字濾波獲取多次結(jié)果的平均值，把這個(gè)均值實(shí)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)井儀器實(shí)際的運(yùn)作電流。參照這一工作電流來(lái)計(jì)算出測(cè)井儀器實(shí)際運(yùn)作時(shí)的電壓、功率及功耗，把檢測(cè)的結(jié)果隨時(shí)存入到外部的存儲(chǔ)器并由顯示屏幕顯示出來(lái)，這時(shí)用戶便能夠看到檢測(cè)的相關(guān)信息。

2.1 差分放大電路原理與設(shè)計(jì)

這一設(shè)計(jì)是基于高輸入阻抗法改進(jìn)設(shè)計(jì)而來(lái)，還選用差分放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)中的相關(guān)原理作為依據(jù)。通過(guò)對(duì)測(cè)井儀器工作時(shí)進(jìn)行電流采樣，將產(chǎn)生的壓降輸入差分放大器放大到可以被ADCn識(shí)別的電壓幅度再進(jìn)行A-D轉(zhuǎn)換，由于所選的精密放大器放大位數(shù)有限，微安級(jí)電流通過(guò)一級(jí)放大后，電壓幅值并不能被識(shí)別，因此需要將級(jí)聯(lián)兩個(gè)放大器。

2.2 濾波電路和設(shè)計(jì)

檢測(cè)微弱電流時(shí)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)電磁干擾，如電網(wǎng)的高頻諧波與工頻干擾，當(dāng)A-D轉(zhuǎn)換模塊中的信號(hào)存在高頻率情況時(shí)，將產(chǎn)生量化誤差，這被稱作混淆效應(yīng)，一般情況下都是通過(guò)在檢測(cè)信號(hào)輸入A-D轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行低通濾波加以預(yù)防。本設(shè)計(jì)中有兩處應(yīng)用到低通濾波器，一處是待測(cè)信號(hào)進(jìn)入差分放大環(huán)節(jié)之前；另一處是待測(cè)信號(hào)輸入A-D轉(zhuǎn)換之前的巴特沃斯濾波。

2.3 外部?jī)?chǔ)存器電路設(shè)計(jì)

對(duì)測(cè)井儀器進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)后，會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，需要設(shè)計(jì)一個(gè)外部Flash 存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，我們所選用的是一款2.7V雙接口的順序讀寫(xiě)存儲(chǔ)器。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)研發(fā)的石油測(cè)井儀器的功耗檢測(cè)系統(tǒng)，可以達(dá)到隨時(shí)連續(xù)的檢測(cè)測(cè)井儀器運(yùn)行時(shí)的電流，它的特點(diǎn)是：動(dòng)態(tài)的范圍大并含有微弱的電流，在檢測(cè)小于10微安電流的時(shí)候所產(chǎn)生的誤差是10%左右，在大于10微安電流的檢沒(méi)時(shí)誤差是4%左右。參照所檢測(cè)生成的電流值在經(jīng)過(guò)計(jì)算便可獲得測(cè)井儀器的實(shí)際運(yùn)行電壓、功率及功耗，并且可以存儲(chǔ)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的一段檢測(cè)記錄，還能夠把檢測(cè)的記錄輸入到上位機(jī)實(shí)行分析及顯示，匯總儀器總的功耗，以此為測(cè)井儀器搭配容量適用的供電電池，利于成本的節(jié)約。

[1]武貴俊.嵌入式石油測(cè)井儀器的研究[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014；(2).

[2]胡軍.一種微電流測(cè)量方法的研究[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2014；(4).

[3]徐民，張博.基于CP2102 / CP2103的R S232接口轉(zhuǎn)換為USB接口的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2008；(5).

Analysis of oil logging instrument current measurement system

Hu Deyao
(China Shipbuilding Industry Corp 715 Research Institute,Hangzhou Zhejiang,310000)

During the research and development of logging instruments, power consumption of instrument for monitoring, conducive to collocation to scientific instrument suitable for battery, for this design in large dynamic case, the continuous monitoring of small dc current test system, the unique demand for systems with continuous monitoring of small current, designed using the method of high input impedance and differential op-amp I/V conversion method selects the amplified signal, multi-stage hardware circuit filter and digital filter of the integrated form of stop interference method, mainly to stop the noise of the system and system outside the power frequency interference; In addition, the software is used to achieve a wide range of electrical current testing requirements by using software to achieve the requirements of the use through experiments.

oil Wells; Current detection system