声波测井实验仪中的发射电路实现

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 声波测井测井仪需要在深井高温高压的环境下使用,对使用条件及组合功能的要求较高。现今大多数油田广泛采用1609补偿声波测井仪,其发射电路因为1609补偿声波测井仪的发射电路存在缺陷,原电路中的CMOS场效应管易于被击穿而损坏。因此有些仪器改用可控硅代替CMOS场效应管作发射开关。美国阿拉斯加公司在1609电子线路设计中,最早使用的就是可控硅,经过一段时间的使用,发现可控硅抗干扰能力较差,比较容易产生误触发,造成仪器工作不正常;声波触发时间要求准确,可控硅作发射开关时,触发脉冲上升前沿不是非常陡峭,造成发射误差;而且由于可控硅关断时间的不确定性,造成仪器工作电流较大,从而影响组合测井时其他仪器的正常工作。

  本研究采用更先进的VMOS管作为发射开关,通过深入分析测井仪发射电路的工作原理及其存在的缺陷,尝试新的可行的电路组合,调试成功后,用计算机软件制作电路板模型,并制成电路板,然后将其连接至测井仪工作电路中,检验其效能。设计改进了原有技术,提高了仪器可靠性,具有重要的应用价值。

  声波发射电路的基本原理

  该电路是由N沟道增强型CMOS场效应管Q1(型号为IRFD9120)和P沟道增强型CMOS场效应管Q2(型号为IRFD120),按照互补对称的形式连接而成,构成反相器。场效应管Q1与场效应管Q2二者的栅极连接在一起引出输入端,按逻辑解码器输出来发射脉冲。两管漏极接在一起作输出,Q1的源极接电源,Q2的源极接地。从逻辑解码器输出的负逻辑脉冲送至该电路X3处,一般情况下,当X3触发为高电平脉冲时,Q1截止,Q2导通,Q3的输入端接地,使Q3截止,D1两端的电压为0;当输入X3处为低电平,使得场效应管Q1导通,Q2截至,Q3的输入端接5V电源,因此Q3导通,D1两端的电压为高压信号,导通时间即为高压脉冲宽度,从而最终使得图1中压电陶瓷换能器将电能转化为机械能而产生声振动。

 

  该设计电路中控制信号X3要求在一般情况下为高电平输入,即Q3大部分时间处于截止状态,否则长时间的导通很容易引起大电流始终存在而引起管子烧坏及工作不正常。为了提高性能,我们改进了电路设计,采用连续触发的单稳信号作为控制电路,单稳信号的稳定脉冲可以设定,大大提高了电路性能,取得了较好效果。

  改进的设计方法

  555电路是常用的一种最简单的电路,具有定时精确,电路稳定等优点,图2所示为采用555器件设计的单稳态触发器的电路图和所产生的波形图。当低电平的外触发脉冲到来的时候,单稳态电路产生一脉冲宽度为Tw≈1.1(R+RW)C的高电平信号,信号的宽度可以通过调整RW和C的值得到不同的定时值。所设计的脉冲宽度是由压电陶瓷的谐振频率fs确定的,在实际测井中为fs=20kHz,因此在设计中所选取的电阻电容数值必须确保脉冲宽度等于Ts/2以满足谐振频率的需要。


      为了连续激发,本设计采用图所示为自激多谐振荡器电路产生的方波信号作为单稳态电路的触发信号,实现数据的自动连续激发如图3所示。

 

  电路采用电阻、电容组成RC定时电路,用于设定脉冲的周期和宽度。调节R或电容C,可得到不同的时间常数;还可产生周期和脉宽可变的方波输出。振荡周期决定了发射电路的重复频率。此处重复发射频率是指两次发射的时间间隔大小,在实际工作中,发射频率的大小决定着测井的速度,同时也受限于仪器的采样时间,在测井工程和实验室中,重复频率为20Hz。振荡周期计算公式:T≈0.7 (R1+2R2) C。因此选取合适的电阻电容数值,就可以确定重复发射频率的大小。

  如前所述,可知原电路中信号经过各器件,各电路部分调理后进入VMOS管(此为RFP460)的输入端,VMOS功率管的作用相当于一开关,即在高电平或低电平时选择性地导通电路,从而控制电路。最终影响声波发射的是电路中R7两端的电压脉冲——经变压器后形成高压脉冲激励发射器,产生声波。

 

  发射电路总体设计及实验效果分析

  声波发射电路分为三大模块:整流电路、控制电路及发射激励电路,所设计电路的控制及发射激励信号如前所述,整理电路采用桥式整流电路。220V交流电压经整流后将电容器C充电到300V,该电容器与R7的一端连接R7的另一端与发射激励板的V4(IRFP460)的漏极相连。当V4导通,R7两端产生一个脉宽约为28ms的300V的高压脉冲,该脉冲激励压电陶瓷换能器,使其产生声振动。

      对于此电路,为了验证其与原电路功能的一致性,采用Multisim仿真软件测试信号与用示波器测试实际连接电路各段信号相结合的方法,验证了此设计电路的可用性,并将其连接到声波发射换能器,实验结果相比较于原电路输出波形基本一致,声波发射效果良好。图5为设计电路所测试的电路各段信号图。

 

  测试结果表明,由第一级555构成的多谐振荡器输出的信号经过由第二级555构成的施密特触发器后,发生了“倒转”:由瞬时低电平信号变为瞬时高电平信号,实现了反相器的设计功能。同时V4输如端为高电平的时候V4截止,R7两端的电压为0,当V4输如端为低电平的时候说明V4电路导通,则R7两端的电压为外接高压电源电压值的大小,从而带动压电陶瓷换能器工作(注:实验中为保护示波器,采用调压器确保低压测量)。

  结语

  本实验通过分析研究发射电路原理及其相关的功能,在成功连接电路并不断调试的基础上,对原声波发射电路做了技术性的改进,提出了合理的改进方案,并经实验验证了其可行性。实验的研究成果已经成功用于本科实验教学之中,并在实验室中井筒模拟测量中得到应用。相信本实验成果能够应用于油田实际生产过程中,体现使用价值与社会效益,具有一定的市场前景。