隨鉆中子測(cè)井儀中高壓直流電源的研制

程羽 王昊煒 陳敬智

【摘 要】He3管探測(cè)器是隨鉆中子孔隙度測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，工作時(shí)需要高壓直流電源激勵(lì)，要求高壓直流電源耐高溫，功耗小、紋波小，在高溫時(shí)能穩(wěn)定的運(yùn)行，電壓輸出不會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。基于Cockcroft倍壓電路原理設(shè)計(jì)了高壓直流電源，在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行了性能測(cè)試、中子靈敏度測(cè)試、坪區(qū)特性測(cè)試等，該高壓直流電源滿足隨鉆中子測(cè)井儀He3管探測(cè)器的工作需求。

【關(guān)鍵詞】Cockcroft電路;高壓電源;脈寬調(diào)制;紋波

中圖分類號(hào)：TN912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）07-0055-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.023

【Abstract】He3 tube detector is the key component of the neutron porosity measurement system while drilling. It needs high voltage DC power supply to excite when it works. It requires high temperature resistance， low power consumption and low ripple. It can operate steadily at high temperature， and the voltage output will not fluctuate. Based on the principle of Cockcroft voltage doubling circuit， a high voltage DC power supply is designed. The performance test， neutron sensitivity test and flat area characteristic test are carried out at different ambient temperatures. The high voltage DC power supply meets the working requirements of the He3 tube detector of the neutron logging tool while drilling.

【Key words】Cockcroft Circuit; High Voltage Power; Pulse Width Modulation; Ripple

0 引言

在隨鉆測(cè)井作業(yè)中，中子孔隙度測(cè)量是隨鉆測(cè)井作業(yè)最基本的、最關(guān)鍵的組成部分，地層孔隙度是實(shí)施綜合地層評(píng)價(jià)的重要地質(zhì)參數(shù)之一[1]。由于隨鉆測(cè)井的工作環(huán)境惡劣，要求隨鉆中子測(cè)井儀及其器件必須滿足耐高溫高壓、抗振動(dòng)以及空間結(jié)構(gòu)狹小等客觀要求。He3管探測(cè)器是隨鉆中子測(cè)井儀的關(guān)鍵部分，激勵(lì)He3管探測(cè)器的高壓直流電源必須耐高溫，功耗小、紋波小，在高溫時(shí)直流高壓能穩(wěn)定輸出，不會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

1 He3管工作原理

He3管由陽(yáng)極絲、He3氣體、金屬外殼等組成，工作時(shí)陽(yáng)極絲處于高壓激發(fā)狀態(tài)，需要一個(gè)穩(wěn)定的直流高壓激勵(lì)才能工作。當(dāng)熱中子進(jìn)入He3管探測(cè)器時(shí)，撞擊He3核，引起核反應(yīng)，產(chǎn)生H3（氚）子，該質(zhì)子使其它一部分He3電離，產(chǎn)生帶電的離子和電子，在高壓電場(chǎng)的作用下，電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一負(fù)脈沖，脈沖幅度在0.5μV～1.5mV范圍內(nèi)連續(xù)分布，脈沖寬度小于5μs，為隨機(jī)信號(hào)。He3管工作時(shí)，有特定的坪區(qū)高壓，坪區(qū)高壓在1050V～1250V之間，坪區(qū)長(zhǎng)度大概是200V，在高溫時(shí)直流高壓需要保持穩(wěn)定不變輸出，He3管的阻抗為1012Ω，工作時(shí)電流很微弱，輸出的信號(hào)電壓只有幾個(gè)mV，因此，要求高壓直流電源功耗小，紋波信號(hào)干擾小，高溫時(shí)穩(wěn)定輸出直流，高壓值不能波動(dòng)很大[2]。

2 高壓直流電源原理及電路設(shè)計(jì)

2.1 高壓直流電源原理

隨鉆中子的高壓直流電源主要是給He3管探測(cè)器供電，針對(duì)He3管輸入高壓電源必須滿足耐高溫、功耗小、紋波小，溫飄小等特殊要求，基于柯克羅夫特（Cockcroft）倍壓原理設(shè)計(jì)了高壓電路，原理是采用變壓器方式產(chǎn)生初級(jí)高壓，變壓器初級(jí)線圈供電為正負(fù)5V，變比為1：20，次級(jí)線圈電壓輸出為200V，高壓形成電路采用6級(jí)柯克羅夫特（Cockcroft）回路倍壓。上半周時(shí)， D10導(dǎo)通，D11截止，變壓器電源經(jīng)D10向C41充電，理想情況下，D10視為短路，電容C41充電至200V;下半周時(shí)，D10截止，D11導(dǎo)通，變壓器電源和C41串聯(lián)后電壓為400V，同時(shí)給C43充電，依次類推，6級(jí)倍壓后C51輸出電壓為1200V，輸出值正好在He3管的坪區(qū)電壓范圍內(nèi)。

SE555P芯片控制著電路高壓的產(chǎn)生，555_RST端輸入為高電平時(shí)，555工作，產(chǎn)生高壓，555_RST端輸入為低電平時(shí)，555復(fù)位，高壓消失。高壓電源的參考電源是由D/A_OUT引腳控制的，D/A_OUT值大小控制著初始高壓值的輸出值，D/A_OUT引腳初始值決定著的初始高壓值，整個(gè)電路具有溫度補(bǔ)償功能，采集溫度信號(hào)值，隨溫度變化，會(huì)有相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。

2.1.1 初級(jí)電壓監(jiān)測(cè)

高壓電路工作時(shí)需要監(jiān)測(cè)變壓器工作是否正常，產(chǎn)生的高壓值是否正常，因此在在變壓器的后端設(shè)計(jì)了初級(jí)監(jiān)測(cè)電路，TR_1FB是變壓器后面的初級(jí)監(jiān)測(cè)采集回路，直接監(jiān)測(cè)變壓器產(chǎn)生的200V電壓值，經(jīng)過(guò)運(yùn)放，返回到監(jiān)測(cè)電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集到的電壓值，來(lái)判斷變壓器是否正常工作。

2.1.2 高壓直流電源的反饋控制

經(jīng)過(guò)6級(jí)柯克羅夫特（Cockcroft）回路倍壓產(chǎn)生的1200V高壓，不能直接采集監(jiān)測(cè)，采用分壓電阻分壓方式監(jiān)測(cè)，分壓到芯片可以檢測(cè)到的范圍內(nèi)，OP284EP比較器把采集到的電壓和D/A_OUT輸出電壓比較，控制著555芯片的導(dǎo)通時(shí)間，采集的高壓值分量大于D/A_OUT時(shí)，比較器輸出負(fù)值，從而減小PWM脈寬寬度，從而減少高壓電路變壓器的導(dǎo)通時(shí)間，使高壓值變小，反之，采集的高壓值分量小于D/A_OUT時(shí)，比較器輸出正值，增大PWM脈寬寬度，從而增加高壓電路變壓器的導(dǎo)通時(shí)間，使高壓值變大，通過(guò)控制變壓器的的脈寬，調(diào)整高壓的輸出值大小。

2.2 抗干擾設(shè)計(jì)

1200V高壓電源，要求抗干擾性能好，高壓電源會(huì)產(chǎn)生一些紋波脈沖干擾，直接影響隨鉆地層評(píng)價(jià)。紋波干擾主要由變壓器逆變電路殘留的交流成分造成，直流高壓電源輸出的紋波干擾主要取決于高頻及電源自身的控制系統(tǒng)噪聲幅值。由脈動(dòng)的整流電容產(chǎn)生的輸出電壓具有一定的脈沖性，因此會(huì)產(chǎn)生不期望的高頻噪聲。高頻紋波產(chǎn)生于高頻逆變過(guò)程，在紋波干擾占比中整流環(huán)節(jié)的紋波干擾值較高，因此高壓電源需要紋波抑制，濾除紋波信號(hào)。

在1200V產(chǎn)生的電路后面，加上濾波電路，濾除掉紋波噪聲干擾。一邊為濾除紋波的波形，一邊為加上濾波電路的波形，對(duì)比二者可知，加上濾波電路之后，紋波信號(hào)變得很小，只有幾十mV左右，完全滿足He3管探測(cè)器的精度要求。

2.3 高溫設(shè)計(jì)

高壓與溫度曲線如圖，如圖1所示，在高于90℃時(shí)，輸出電壓為1100VDC，高壓明顯下降，反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，原因是由于反饋電容C143容值過(guò)小，PWM調(diào)節(jié)控制時(shí)，脈沖寬度太小，高壓無(wú)法調(diào)節(jié)過(guò)來(lái)，把PWM的脈寬調(diào)節(jié)電容C143容值變大，整個(gè)高壓輸出值在高溫時(shí)可以有效地調(diào)節(jié)，重新做加溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在150℃時(shí)能輸出穩(wěn)定的高壓值。

3 小結(jié)

基于柯克羅夫特（Cockcroft）回路倍壓原理設(shè)計(jì)的電路，高壓直流電源滿足耐高溫、功耗小、紋波小，溫飄小等要求。在150℃環(huán)境溫度下進(jìn)行測(cè)試，該電源工作穩(wěn)定，可靠性高，且電路調(diào)試容易。即使在惡劣的環(huán)境下，溫度上升，振動(dòng)劇烈，輸出的高壓值也不會(huì)出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)，滿足He3管探測(cè)器測(cè)井要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]宋延淳，鄧樂(lè)，毛為民.隨鉆中子空隙度測(cè)量的數(shù)值模擬研究[A].先進(jìn)鉆井技術(shù)與裝備論文集[C].北京，2008：23-27.

[2]艾維平，鄧樂(lè)，宋延淳.隨鉆中子孔隙度測(cè)量系統(tǒng)中高壓電源的研制[J].電力電子技術(shù).第44卷第3期.2010：53-59.