大功率恒流源發射機系統性能研究

田 旺 楊 勇 趙 杰 楊 超 王芫芫

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術檢測中心，山東東營 257000）

0 引言

相比于淺埋深的管道檢測，超深檢測需要管道上有足夠的電流信號才能有效實施。無論是用于管線防腐層破損檢測，還是埋地管道檢測，為了加大檢測距離和檢測深度，都需要增加檢測信號強度。目前，可以通過大功率發射機給管道施加足夠大的檢測信號，只是這種功率足夠大的發射機在市場上并不存在，更談不上實際應用。因此，如何成功地給大埋深管段施加有效檢測信號是目前業內亟待突破的瓶頸，也是實現大埋深管段檢測的前提。鑒于此，本文設計開發了一款適用于地下管線探測的大功率發射裝置，能夠實現超深管段檢測，對管道運輸行業的穩定發展具有重要意義。

1 系統設計

圖1為系統總體設計框圖。其中：（1）為了方便系統散熱，使用獨立的MOSFET代替集成的IPM芯片，并增加了散熱片體積；（2）使用精度更高的霍爾傳感器ACS724代替了ACS712；（3）采用了基于電流瞬時值的PI閉環控制；（4）具有用戶交互模塊；（5）具有DC/DC升壓模塊。

2 測試結果分析

對于發射機這種工作在大功率下的系統，安全、穩定是第一要素。在系統設計開發初期，無法保證系統具有足夠的穩定性和安全性，所以不能將開發階段的設備直接應用于油田現場。為保證安全性及測試的方便，綜合多種因素，將系統的測試分析分為兩個階段：實驗室測試階段和現場測試階段。

2.1 實驗室測試階段

由于場地等多種因素限制，本設計在初期階段無法在現場環境進行測試。因此，在實驗室環境下搭建了實驗平臺，對系統各個模塊進行測試，驗證系統的穩定性。PCM發射機系統具體搭建如圖2所示。

針對本系統設計測試實驗如下：

（1）利用實驗室電流鉗、萬用表、示波器等儀器設備，在實驗室環境下對系統各個模塊的各個功能進行測試，確保系統可以正常穩定運行。

（2）利用水泥電阻模擬輸油管道，在實驗室環境下搭建實驗平臺，并利用Matlab軟件對系統輸出波形進行測試，檢驗系統是否能實現單頻、雙頻以及三頻電流的輸出，且輸出電流誤差是否滿足要求。

2.1 .1 系統功能檢測實驗

SPWM波形輸出測試：橋式電路中MOSFET開關管驅動波形采用的是雙極性調制方式，由STM32控制芯片產生兩路互補的SPWM驅動波形。由圖3（a）可以看出，SPWM驅動波形輸出電壓約為3.3 V，等同于STM32引腳輸出電壓幅值，SPWM驅動波形頻率為12.8 kHz，SPWM驅動波形死區時間為1 μs，結果表明SPWM波形滿足設計要求。

驅動模塊測試：驅動模塊的作用是將STM32輸出的SPWM信號經過光耦隔離芯片隔離輸出為5 V信號，再經過自舉電路放大至15 V，達到驅動MOSFET的作用。驅動模塊的輸入信號為頻率12.8 kHz、幅值3.3 V的SPWM信號，經過隔離模塊與驅動模塊后的波形如圖3（b）所示。可以看出，信號幅值約為5 V，脈沖波形呈幅值相等、脈寬不等的SPWM波形，信號頻率為12.8 kHz，死區時間為1 μs，波形無明顯失真，達到了設計要求。

驅動芯片測試：圖3（c）為經過驅動芯片IR2110之后的驅動波形，可以看出，信號幅值為15 V，頻率為12.8 kHz，波形沒有噪聲，有微弱失真，滿足設計需求。

采樣模塊包括電流采樣模塊、輸出電壓采樣模塊。對采樣模塊的測試主要是對經過采樣模塊的輸出信號的幅值和頻率進行測試，查看輸出信號與輸入信號之間是否符合比例，波形有無失真，信號有沒有噪聲。電流采樣模塊、輸出電壓采樣模塊輸出波形如圖4所示。

電流采樣模塊的輸入信號為有效值1 A、頻率128 Hz的電流信號。由圖可知，電流采樣模塊的輸出信號為頻率128 Hz、有效值100 mV的正弦信號，符合霍爾傳感器100 mV/A的轉換比例，且信號沒有失真，噪聲含量較小。因此，電流采樣模塊符合設計需求。

輸出端電壓采樣模塊的輸入信號為有效值40 V、頻率128 Hz的電壓信號。輸出電壓采樣模塊的輸出信號如圖4（b）所示，輸出信號為有效值1 V、頻率128 Hz的正弦信號，符合分壓電路衰減的比例，且信號沒有失真。經多次重復測試，電壓采樣模塊功能穩定，符合設計需求。

2.1 .2 系統誤差檢測實驗

系統誤差檢測的目的是檢測系統是否能實現設計之初所設定的目標，即能否實現0～8 A交流電流的連續穩定輸出。這里對單頻（128 Hz）、雙頻（4/128 Hz）及三頻（4/8/128 Hz）輸出信號進行了測試，結果表明，在單頻、雙頻和三頻條件下，輸出電流值完全相同，如表1所示。從表中數據可以看出，系統輸出電流值與設定電流值是存在一定誤差的，但該誤差在設計指標所允許的范圍內，因此，本系統基本實現了輸出0～8 A交流電流的功能。

對于發射機系統，不但要求其能改變輸出電流的大小，并且其還應具有改變頻率的功能，即發射機可輸出單頻、雙頻、三頻電流。圖5為系統不同頻率電流頻譜圖，可以看出，發射機的輸出電流頻率與設定值基本沒有偏差，符合設計需求。

2.2 現場測試階段

在經過實驗室測試完善了功能及精度之后，在油田現場對儀器進行了現場測試，本次測試負載選取5.1 Ω，并對系統輸出信號進行采集與分析。

2.2 .1 發射信號多頻測試

發射信號多頻測試部分主要完成該發射機系統是否可以輸出多頻信號的測試：測試發射信號為單頻（128 Hz、640 Hz）、雙頻（4/128 Hz、4/640 Hz）及三頻信號（4/8/128 Hz、4/8/640 Hz）。經過對設備輸出頻率的測試結果（表2）可以看出，恒流源發射機可以輸出單頻、雙頻及三頻信號，且最大誤差為0.75%，輸出精度高，滿足PCM接收機接收信號的要求范圍。

2.2 .2 發射信號參數指標測試

發射信號參數指標測試部分主要完成該發射機系統發射信號參數指標的測試，包括不同頻率、不同幅值及波形的測試，以及系統在發射不同頻率和幅值信號下長時間工作的穩定性。在這里，對不同頻率三項輸出幅值進行測試，結果如表3所示。觀察數據可知，發射機輸出信號的幅值和功率均達到了預期要求，設備可輸出多頻交流信號，輸出信號最大可達到7.27 A，且每項設定輸出幅值都達到了輸出要求。輸出信號功率最大為269.55 W，且能夠長時間穩定工作，滿足設計要求。

3 結語

本文針對自行設計的大功率恒流源，從實驗室和現場兩個階段開展測試。針對SPWM波形、驅動模塊、驅動芯片進行了波形輸出測試，通過測試電流輸出值與設定值的誤差和頻譜圖證明了恒流源誤差在可接受的范圍內。在現場，以5.1 Ω負載為例，從多頻輸出、電流輸出幅值、穩定性和功率四個方面開展測試，結果表明，該大功率恒流源能夠滿足現場的要求。