隨鉆感應式電能信號耦合裝置測試實驗平臺

劉復玉，李 林，李立剛，郝憲鋒，賈建波

（1. 中國石油大學（華東）控制科學與工程學院，山東 青島 266580；2. 中國石油大學（華東）海洋與空間信息學院，山東 青島 266580；3. 中海油田服務股份有限公司 油田技術研究院，北京 101149）

隨著信息技術的發展，萬物互聯的物聯網技術給人們的生活和工作帶來方方面面的巨變，許多高校也開設了相關的課程。但由于實驗經費有限，相關實驗設備更新換代的速度常常落后于技術發展的速度，實驗室現有的設備功能單一，可開設的實驗題目較少，僅能滿足日常教學的基本實驗需要。因為缺乏相應的硬件條件，暑期的課程設計和綜合實踐中很多稍微復雜些的題目只能進行仿真，學生興趣不大而且易抄襲。因此如何利用現有條件，改善實踐環境、豐富實習內容就顯得很有意義[1-2]。

為了滿足電子競賽和創新創業的需要，創新實驗室近年來引進了一批高精度的儀器設備，例如固緯公司的8105G 電子電橋、是德公司的N5770A 程控電源和DSOX4054A 示波器等，這些儀器精度高，具有多種通信接口和通信方式如通用串口、USB 口、以太網口等，但長期以來只使用了一些基本手動操作功能，遠遠沒有發揮這些貴重儀器的價值。

隨鉆感應式電能信號耦合裝置是一種非接觸式電磁耦合器，用來實現初級和次級間的非接觸式電源耦合以及數字信號的雙向傳輸。該裝置通過非接觸式電磁耦合將初級輸入的直流電源傳送到次級，為次級所連的其他設備提供電源，同時為初級和次級兩端連接的控制設備提供雙向串行數字信號通道[3-5]。為確保該裝置在井下高溫振動環境下能夠持續可靠工作，同時為了更好地培養人才和充分發揮現有儀器設備的功能和價值，結合現場生產實際需要，本文設計開發了隨鉆感應式電能信號耦合裝置測試實驗平臺，實現常溫和高溫環境下耦合裝置的全功能模擬測試，圖1 和2分別是測試實驗平臺的結構圖和實物圖。

圖1 電能信號耦合裝置測試實驗平臺結構簡圖

圖2 電能信號耦合裝置測試實驗平臺實物圖

1 實驗平臺方案設計

實驗平臺從功能設計角度可分為四個功能模塊。①電源板動態參數檢測模塊：程控電源在計算機的控制下，輸出一定規律的電壓和功率給原邊電路板（包括信號板、電源板），通過耦合線圈，副邊電路板（包括信號板、電源板）接收原邊電路板發出的電能信號，計算機控制的程控負載模擬現場的用電設備。通過監控程控電源的電源參數（電壓、電流、功率）和程控負載參數（電壓、電流、功率），可檢驗和分析電能的傳輸質量和可靠性。②耦合線圈電參數靜態特性檢測模塊：利用電子電橋可以分析靜態下耦合線圈的電感、電容、電阻、電導等電參數特性。③電源板輔助電源電參數檢測模塊：利用高性能示波器、程控電源和輔助電源測試負載可以分析電源板輔助電源的電能信號紋波成分，進而分析輔助電源電能輸出質量和可靠性。④通信板和通信回路檢測模塊：RS422 通信模塊、原邊信號板、耦合線圈、副邊信號板共同構成通信回路，通過檢測發送和接收的不同頻率、不同時長的信號，分析和檢測通信信號的傳輸質量和可靠性。通過以上多角度的檢測，最終實現對電能信號耦合裝置的全面檢測[6-8]。

1.1 電源板動態參數檢測模塊

為了實現對電能信號耦合裝置的電能傳輸可靠性的檢測，在設定的溫度節點（如常溫、125 ℃、145 ℃）條件下，計算機控制程控電源輸出一定變化規律的電壓（波形為正弦、階梯、三角、方波，電壓范圍為43～53 V）和功率給原邊電源板，副邊電源板通過耦合線圈接受原邊電源板傳輸的電能，進而傳輸給電子負載，電子負載按照一定的變化規律（正弦、三角、階梯、方波）模擬現場的用電設備消耗電能，計算機通過RS232 和USB 通信協議來控制和采集程控電源和電子負載的相關參數（電壓、電流、功率），進而分析電能信號耦合裝置的電能傳輸的可靠性。為了保證測量的精度和可靠性，電子負載采用艾德克斯IT8512，輸入電壓為0～120 V、輸入電流為1 mA～30 A、輸入功率為10～300 W，可以實現定電壓、定電流等多種工作方式[9]。圖3 是電源板動態參數檢測實物連接圖。

圖3 電源板動態參數檢測實物連接圖

1.2 耦合線圈電參數靜態特性檢測模塊

為了實現對耦合（包括電能耦合、信號耦合）線圈電參數靜態特性的檢測，計算機采用RS232 通信協議控制電子電橋，檢測和分析耦合線圈電感、電阻、電容、電導等參數。為了保證測量的精度和可靠性，采用固緯公司的8105G 電子電橋，8105G 測量精度為 0.1%，具有圖表模式，能夠實現電阻 0.1 mΩ～100 MΩ、電感0.1 nH～100 kH、電容0.01 pF～1 F 等大范圍的精確測量，通過RS232 通信，可實現測量參數和測量圖片的遠傳和存儲[10-11]。圖4 和5 分別是耦合線圈電參數靜態特性檢測實物連接圖和功能示意圖。

圖4 耦合線圈電參數靜態特性檢測實物連接圖

圖5 耦合線圈電參數靜態特性檢測功能示意圖

1.3 電源板輔助電源電參數檢測模塊

為了實現對電源板輔助電源（+15、-15、+5 V）性能的檢測，計算機控制程控電源輸出一定的電壓（43～53 V）和功率給原邊電源板，副邊電源板通過耦合線圈接受原邊電源板傳輸的電能，同時輸出+15、-15、+5 V 輔助電源，為了檢測輔助電源的帶負載能力和電源質量，分別給不同的電壓加上固定的輔助負載（5 W），同時通過高精度的示波器觀測輔助電源的電壓值和紋波電壓。為了保證測量的精度和可靠性，采用是德公司的N5770A 程控電源和DSOX4054A 示波器，N5770A 程控電源電壓輸出為0～150 V，電流為0～10 A，功率為0～1 500 W，輸出紋波和噪聲最低分別可達100 和15 mV。程控電源和示波器采用USB 接口與計算機相連，實現儀器的自動控制和測量數據的采集[12]。圖6 和7 分別是電源板輔助電源電參數測試實物連接圖和功能示意圖。

1.4 通信板和通信回路檢測模塊

為了實現對通信板和通信回路的檢測，利用RS232/RS422 轉換模塊，原邊通信板、耦合線圈、副邊通信板、計算機構成通信回路，可以測試在設定的溫度節點（如常溫、125 ℃、145 ℃）條件下通信耦合線圈的通信故障點分析和記錄，圖8 是通信板通信回路檢測實物連接圖[13]。

圖6 電源板輔助電源電參數測試實物連接圖

圖7 電源板輔助電源電參數測試功能示意圖

圖8 通信板通信回路檢測實物連接圖

2 實驗平臺軟件設計

為了實現隨鉆感應式電能信號耦合裝置測試平臺的運行，開發了基于Visual Studio 2013 平臺C#語言的配套綜合測試分析軟件，按照軟件的功能和結構劃分，共分為參數設置、靜態測試、動態測試、電路測試、通信測試、趨勢曲線、數據查詢及報表等模塊，圖9 是軟件系統功能總圖，限于篇幅，下面僅介紹部分軟件功能模塊的設計思路和實現要點。

2.1 參數設置模塊

參數設置界面圖如圖10 所示，包括“測試方案設置”“串口設置”“報警設置”“通信測試設置” 等。例如，“測試方案設置” 實現對程控電源、電子負載各參數的上下限，工作方式和間隔時間的設置；“串口設置” 實現對電子電橋、電子負載、內外筒通信端口的波特率、數據位等參數的設置等。相關參數設置好后都自動保存到后臺數據庫，數據庫采用小型數據庫SqliteStudio.2.1.5，占用空間只有5～6 MB，不用安裝可以直接使用，另外測試方案通過點擊“導入”或“導出” 按鈕，就可以很方便把現有方案以EXCEL 格式導入或者導出數據庫。

圖9 軟件系統功能總圖

圖10 參數設置界面圖

2.2 靜態測試模塊

靜態測試的界面圖如圖11 所示。靜態測試的目的是利用電子電橋檢測耦合線圈的電參數，如線圈的電阻、電感、電容等。電子電橋的通信方式是RS232 串口。圖12 為靜態測試程序流程圖。串口通信除了可以讀取測量數據外，還可以讀取并保存電子電橋的測量波形（見圖13），形成數據和測量波形的雙重記錄，為后期的耦合線圈質量綜合分析提供依據。

圖11 靜態測試界面圖

圖12 靜態測試程序流程圖

圖13 電子電橋測量波形截圖

2.3 電路測試模塊

電路測試的界面圖如圖14 所示。電路測試的目的是為了實現對電源板輔助電源的電能性能的檢測和分析，核心是利用示波器觀察輔助電源（+15、-15、+5 V）的輸出波形和紋波。示波器具有多種通信接口，本測試平臺采用USB 接口實現示波器的控制和數據波形的采集。首先在程序中添加引用廠家提供的有關動態鏈接庫，然后定義示波器類，在此基礎上根據示波器實際地址實例化示波器對象，最后根據需要分別調用對應的示波器命令，進行測量數據和波形的采集，形成數據和分析波形的雙重記錄[14-15]。圖15 為示波器主要控制步驟，圖16 是利用控制命令讀出并保存的示波器測量波形。

圖14 電路測試界面圖

圖15 示波器主要控制步驟

圖16 示波器測量波形

3 結語

本文設計了一種隨鉆感應式電能信號耦合裝置實驗平臺，涉及多種通信接口和通信協議，其中涉及RS232 串口通信的儀器有電子電橋、電子負載、耦合線圈信號板，涉及USB 串口通信的儀器有程控電源、示波器，涉及TCP/IP 網絡通信的有服務器的數據遠傳等。實驗平臺的開發和應用基本上涉及所有常用的通信接口和通信協議，具有很強的代表性。通過各種通信協議，不但實現了單個儀器的控制和測試數據及圖片的讀取，而且實現了儀器之間的互聯互通。實驗平臺的開發為學生的課程設計和實習提供了切合生產實際的范例和題目，避免了學生 “紙上談兵”。