電火花震源充電實時監控系統設計

楊德寬，張 劍，胡少兵，王軍民，楊昌樂

（1.中石化石油工程地球物理有限公司勝利分公司，山東東營 257086；2.長江大學地球物理與石油資源學院，湖北武漢 430100；3.武漢長大物探科技有限公司，湖北武漢 430100）

電火花震源是一種可控震源，與傳統的炸藥震源相比更加安全環保，已在地質勘探和石油開采中得到廣泛應用。電火花震源研究起始于1957 年，但一直受制于子波重復性差、充電效率低、性能不穩定等問題，直到本世紀初，隨著電力電子和機械加工技術的發展，電火花震源的研究取得了重大突破，在國內也相繼出現了成熟的電火花震源產品。2009 年，中科院電工所研制的海鰻20 kJ 電火花震源系統在南海北部試驗成功，2015 年，武漢長大物探科技有限公司研制出了CD-2 便攜式電火花震源[1-3]。

目前，國內投入使用的電火花震源在充電控制環節一般采用開環控制，當外界環境改變時，開環控制系統很難保證震源能量的一致性。文中以長大物探科技有限公司的CD-2 便攜式電火花震源作為改進對象，在其基礎上設計了充電實時監控系統。該監控系統分作兩路，一路將采樣的電壓信號無線傳輸到專用顯示屏，供操作者參考；另一路將采樣的電壓信號反饋給充電控制系統，由充電控制系統比對電容儲能電壓是否達到預定值或出錯，進而給出相應控制命令，實現閉環充電控制。

1 電火花震源的基本原理

電火花震源是可將電能轉換為機械能的動力裝置，其本質是一種液電效應。當對放置于液體中的一對電極施以脈沖高壓時，電極間液體電離，形成等離子放電通道，產生的瞬時大電流會加熱通道周圍液體，使液體汽化并迅速向外膨脹，從而產生強大的沖擊波，作用于周圍介質[4-5]。其理論儲能大小與電容電壓之間的關系為：

其中，C為電容，單位為F；U為電容電壓，單位為V；W為震源能量，單位為J。

2 充電實時監控系統設計

2.1 監控系統整體設計

充電實時監控系統整體設計見圖1。在CD-2便攜式電火花震源上增加了電壓信號采集模塊和顯示模塊，如圖中虛線框標示[6-9]。采集的電壓信號一路直接反饋給MCU 主控單元，另一路通過433 無線傳送給手持設備顯示。信號采集模塊采用兩片AVR單片機Atmega328P 作為控制單元，這是一種精簡指令集的8位單片機，具有價格低廉、操作簡單、運行速度快、功耗低、自帶AD 轉換、接口豐富等特點，其性能完全滿足設計指標需求[10]。顯示模塊采用STM8l152c8t6 單片機作為控制單元，負責接收來自433無線模塊的串口數據，并控制顯示屏輸出[11-12]。

圖1 充電實時監控系統整體設計

2.2 電壓信號采集模塊

電火花震源儲能電容的電壓最高可達10 kV，必須分壓后才能測量，電壓采集電路見圖2。C1是儲能電容，與之并聯的兩個分壓電阻阻值比為999∶1，若C1上有最大充電電壓10 kV，則Vi最大分壓不超過10 V；電路中并聯有10 V 的瞬態抑制二極管，可以有效吸收浪涌脈沖，保護電路；R3與C2構成了一個基本的RC濾波電路，進一步消除電壓采集時的干擾和毛刺，使采集的電壓值Vi更加穩定；HGND 是定義的高壓地，需與隔離的低壓地相區別。

圖2 電壓采集電路

線性光電隔離采用HCNR201 芯片，其電路聯結見圖3。HCNR201是高線性度光耦，它由一個發光二極管（LED）和兩個同種工藝的光電二極管組成。其中一個光電二極管（PD1）在隔離電路的輸入部分，另一個光電二極管（PD2）構成隔離電路的輸出部分[13]。

電壓信號Vi作為輸入，HVCC 是輸入端供電電壓，HGND 是輸入端地，VCC 是輸出端供電電壓，gnd是輸出端地，輸入端與輸出端是隔離的，設輸出端與輸入端供電比值為K1，供電電壓確定后，K1為一常數；在發光二極管LED 導通時，PD1 上流過的電流為I1，PD2 上流過的電流為I2，電流比值固定，設輸出端與輸入端電流比值為K2，根據運放的虛短和虛斷概念，輸出端與輸入端有關系式：

考慮到（2）式中K1、K2、R1、R3都是常數，Vo與Vi成線性關系。

電壓信號采集模塊雙層PCB 電路板見圖4，使用兩片Atmega328P 單片機分別采集數據Vo，其中一塊將采集的數據反饋給MCU 主控單元，另一塊將數據發送給顯示模塊。單片機Atmega328P 自帶10 位AD轉換，當采用16 MHz 晶振時，完成一次AD 轉換的時間小于100 μs。反饋支路對傳輸速度要求較高，Atmega328P（1）每毫秒采集一次Vo信號，并通過UART 串口傳輸給MCU 主控單元，波特率設置為76.8 kbps。顯示支路的數據主要用于觀察，每100 ms只需傳輸一次數據即可，Atmega328P（2）每10 ms 采集一次Vo信號，連續采集10 次，對10 次數據取中位數，通過UART 串口與433M 無線發射器相聯結，發送給顯示模塊，波特率設置為9.6 kbps。

圖4 電壓信號采集模塊雙層PCB板實物圖

Atmega328P（1）程序流程見圖5，采用1 ms 定時中斷，在中斷子程序中完成AD 轉換，并將轉換后的電壓數據串行發給MCU 主控單元，串口發送時采用查詢方式。

圖5 Atmega328P（1）程序流程圖

Atmega328P（2）程序流程見圖6，采用10 ms 定時中斷，在中斷子程序中進行AD 轉換，并將轉換后的電壓數據存放在RAM 中，數據個數為n+1，判斷n是否等于10，若不等于則中斷返回；若已有10 個數據，則清除計數n，選出其中的中位數，按照通信協議進行數據打包，再通過串口發出，串口發送時采用查詢方式，最后清除已存儲的電壓數據，中斷返回。

圖6 Atmega328P（2）程序流程圖

2.3 無線遙傳和顯示模塊

文中采用蜂鳥無線公司生產的靈-T2A 無線串口發射模塊和靈-R2 無線串口接收模塊。該模塊采用高性能RF 集成芯片，內置諧波抑制電路和MCU，具有體積小、功耗低、電壓范圍寬、串口透傳等特點，每次傳輸數據量最多16 字節，默認波特率9.6 kbps。作串口收發時，需注意無線模塊的RX 和TX 分別與單片機的TX 和RX 相連。

串口發送和接收的數據格式約定為（每個數據都是16 位）：本包數據長度、發射地址高、發射地址低、數據高、數據低、和校驗。每次發6 個數據包，共12 個字節。

顯示模塊采用大連奇耘電子公司生產的QYF2968 液晶屏，PCB 板和成品見圖7。PCB 板邊緣紅色帶天線的為靈-R2 串口無線接收器，U1 為單片機STM8l152c8t6，板上的蜂鳴器可以在充電發生嚴重錯誤時報警提示操作者。實物圖正面即為液晶顯示，該圖抓拍于充電過程中，其上的6553 表示儲能電容在抓拍時刻的實時電壓，單位為V，兩個按鍵功能分別為電源與背景燈。

圖7 顯示模塊實物圖

單片機STM8l152c8t6 程序流程見圖8，包括串口接收數據和實時顯示兩部分，都采用中斷方式，串口中斷設置為高優先級，防止接收時被打斷而出錯。每20 ms 調用一次顯示程序，這個更新頻率既不會造成屏幕閃爍，也不會丟失顯示用的實時數據。

圖8 單片機STM8l152c8t6程序流程圖

2.4 MCU主控單元反饋控制算法

MCU 主控單元反饋控制算法需要保證采集電壓數據的實時性和正確性。數據在采集和傳輸過程中有可能會出錯，直接根據單次采集電壓作判斷，可能引起錯誤的結果；而電容電壓是持續遞增的，若是采用滾動平滑濾波或取中位數的數據處理方法，又會丟失信號的實時性。根據電容電壓不可突變的原理，文中采用將當前收到的電壓數據與上次數據進行對比，在充電過程中，該次電壓必然大于或等于上次電壓值且不會高太多。若差值在設定范圍內則認為數據有效，否則丟棄該數據，并用上次電壓值取代，記錄下出錯的次數。若接下來連續出錯數次，則證明充電錯誤，立即停止充電并釋放掉儲能，提示出錯。根據文獻[14-17]的論述，當直線型充電斜率已知時，可以理論計算出充電到某個電壓值需耗費的時間，據此設置數個時間節點，比對實際電壓值與理論電壓值，若二者的差值不在限定范圍內，則立即停止充電并釋放掉儲能，提示出錯。

3 系統測試與分析

為了驗證充電實時監控系統的有效性，進行了現場測試，采用了4 組800 μF 的電容并聯，設置最終電壓8 000 V，根據式（1）可知，震源能量約100 kJ。在河溝附近埋設了震源放電探頭，間隔放電探頭20 m埋設動圈式檢波器，實驗現場見圖9。該實驗共充放電100 多次，驗證了以下幾種情況：

圖9 帶有充電監控的電火花震源實驗現場圖

1）并聯電容沒有接好時的充電情況。當本應接4 組電容而只接了3 組時，在充放電的第一個時間節點，反饋實時電壓明顯高于理論電壓，系統停止充電并報錯。證明反饋系統可以檢測漏接電容的情況，同理多接電容情況也可以被檢測出來。

2）在確保電容和其他電路聯結正確后，記錄了3次充放電實驗，檢波結果見圖10，可見3 次波形高度相似。

圖10 3次單道檢波結果對比圖

最大振幅與首波負峰振幅見表1，最大振幅相對誤差不超過3%，首波負峰振幅相對誤差不超過2%，證明震源能量一致性非常好。

表1 3次檢波振幅對比

4 結論

在CD-2 便攜式電火花震源基礎上設計了充電實時監控系統，該系統可以根據實時電壓、已充電時間及該時刻理論電壓值，判斷充放電故障并控制充放電過程；設計了手持式顯示模塊，為操作者遠程手動控制提供參考。實驗結果表明，改進后的電火花震源能夠自動判斷現場施工中的多種錯誤，為施工過程提供了安全保障；在電路聯結正確的情況下，震源能量一致性有顯著提升，最大振幅相對誤差不超過3%，為準確測量工程數據提供了基本保證。該監控系統的控制算法簡單而實用，可為同類產品的充電控制系統改造提供參考。