脈沖信號電纜驅動(dòng)電路傳輸性能分析

關(guān)鍵詞：脈沖信號，鎧裝電纜，驅動(dòng)電路，傳輸性能，分析

1 問(wèn)題的提出

石油測井中的脈沖信號要經(jīng)過(guò)幾千米的多芯或單芯鎧裝電纜才能傳輸到地面測井儀進(jìn)行處理，這一過(guò)程如圖1所示。

由圖1可以看出，這一過(guò)程實(shí)現的有效性，主要取決于以下三個(gè)方面：

（1）下井儀脈沖驅動(dòng)電路；

（2）測井電纜傳輸性能；

（3）地面測井儀脈沖信號檢測能力。

目前，地面測井儀脈沖信號檢測能力一般為信號幅度大于1V，信號脈沖寬度小于300us，這是必須達到的指標。能否達到這個(gè)指標，主要取決于下井儀脈沖驅動(dòng)電路和測井電纜傳輸性能。按照可靠性理論，在最壞情況[1]下系統應能正常工作。那么，什么是測井電纜的“最壞情況”？在實(shí)踐中主要是指傳輸性能最差的測井電纜。只有在下井儀脈沖驅動(dòng)電路配接傳輸性能最差的測井電纜時(shí)仍能正常工作，才能確保這一過(guò)程的有效性。因此，分析脈沖信號電纜驅動(dòng)電路在配接傳輸性能最差的測井電纜時(shí)的傳輸性能，有助于設計出傳輸性能優(yōu)越的驅動(dòng)電路，使基于脈沖信號的石油測井過(guò)程可靠進(jìn)行。

2 測井電纜及其“最壞情況”模擬

目前在用的測井電纜型號較多，有國產(chǎn)電纜，也有進(jìn)口電纜，傳輸性能差別很大。最差的電纜5000米直流電阻達400Ω，對信號的衰減很大，12V的脈沖信號經(jīng)過(guò)該電纜后，幅度只有0.4V，給地面測井儀的檢測帶來(lái)了很大困難。

那么，測井電纜在傳輸脈沖信號時(shí)，有什么特點(diǎn)呢？一般認為，測井電纜的傳輸性能與所傳輸信號的頻率密切相關(guān)，對于低頻信號，測井電纜呈現阻性特征；對于中頻信號，測井電纜呈現容性特征；對于高頻信號，測井電纜呈現感性特征。阻性特征使脈沖幅度降低，降低到1V以下，地面測井儀就難以檢測；容性特征使脈沖寬度增大，增大到一定程度就會(huì )產(chǎn)生脈沖重疊現象，地面測井儀產(chǎn)生漏記，進(jìn)而影響測量精度。為了傳輸的需要，石油測井中經(jīng)常通過(guò)分頻使脈沖信號頻率降低，因此，可認為測井電纜兼具阻容性特征。

為了適應測井電纜的“最壞情況”，就要改進(jìn)驅動(dòng)電路，使配接電纜以后的信號仍能滿(mǎn)足地面測井儀的檢測。為了便于在實(shí)驗室條件下研究驅動(dòng)電路的傳輸性能，參考最差電纜的參數，設計制作模擬電纜，是一條有效的途徑。經(jīng)過(guò)反復比對，圖2所示的模擬電纜完全能夠模擬最差的電纜，能夠用于檢驗驅動(dòng)電路的驅動(dòng)能力。

3 驅動(dòng)電路傳輸性能分析

3．1 兩種驅動(dòng)電路的分析

常用的傳輸驅動(dòng)電路有兩種，一種是以驅動(dòng)變壓器為核心的驅動(dòng)電路，另一種是以集成驅動(dòng)芯片為核心的驅動(dòng)電路，研究發(fā)現兩種驅動(dòng)電路的性能差別不大，成本相近，集成驅動(dòng)芯片因集成度高具有明顯的應用優(yōu)勢。

3．2 影響電纜傳輸性能的因素分析

以TD823為核心的驅動(dòng)電路典型接法如圖3所示，下面將在配接了所制作的模擬電纜的情況下，對TD823的傳輸性能進(jìn)行分析。

3．2．1 TD823供電電壓對帶電纜能力的影響

對于ZGJ-C自然伽瑪測井儀的鐘型脈沖[2]，作了以下兩個(gè)試驗：

（1）供電電壓大小的影響

供電電壓大小對帶電纜能力的影響如表1所示，可見(jiàn)供電電壓大小對輸出脈沖幅度沒(méi)有明顯的影響。

（2）供電方式的影響

供電方式對帶電纜能力的影響如表2所示，可以發(fā)現供電方式對帶電纜能力的影響很大，因此較好的供電方式應取掉限流電阻，直接給TD823供電。

　

3．2．2 脈沖參數對帶電纜能力的影響

對信號而言，其典型參數包括脈沖形狀和脈沖寬度，為了探討各自對帶電纜能力的影響，作了以下兩個(gè)試驗：

（1）脈沖形狀對帶電纜能力的影響

目前在用的石油測井儀器有兩種典型的脈沖形狀，經(jīng)過(guò)細致的研究發(fā)現，脈沖形狀對帶電纜能力有較大的影響，具體如表3所示。

因此，在設計脈沖信號成形電路時(shí)應優(yōu)先選用方波作為測井信號傳輸波形。

（2）脈沖寬度對帶電纜能力的影響

對于方波，脈沖寬度對帶電纜能力的影響如表4所示。

由表4可見(jiàn)，隨著(zhù)脈沖寬度的增加，帶電纜以后輸出脈沖幅度明顯增大，但也存在一定的副作用，即脈沖計數漏記有所增加，大量試驗表明，當輸入脈沖寬度控制在30us～40us之間時(shí)，既能使輸出脈沖幅度明顯增大，又能將脈沖計數漏記控制在可接受的范圍之內。

3．2．3 輸出浮地電容對帶電纜能力的影響

對于44us方波，輸出浮地電容C對帶電纜能力的影響如表5所示。

由表5可見(jiàn)，隨著(zhù)電容值的增加，帶電纜以后輸出脈沖幅度明顯增大，但也存在一定的副作用，即脈沖寬度有所增加，大量試驗表明，當電容值控制在0.22uF～2.2uF之間時(shí)，既能使輸出脈沖幅度明顯增大，又能將脈沖寬度控制在可接受的范圍之內。

4 驅動(dòng)電路設計及性能評價(jià)

依據3.2小節分析，影響驅動(dòng)電路驅動(dòng)性能的主要因素為T(mén)D823的供電方式、脈沖信號成形電路、輸出浮地電容的容值大小，據此，對驅動(dòng)電路進(jìn)行了改進(jìn)設計及驗證。

4．1 改進(jìn)設計

4．1．1 TD823的供電方式改進(jìn)設計

TD823供電應取掉限流電阻，直接供±12V，增加這一數值，配接模擬電纜以后輸出脈沖幅度雖有增加，但增幅不大。

4．1．2 脈沖信號成形電路改進(jìn)設計

脈沖信號成形電路改進(jìn)設計，主要是采用集成整形芯片，輔以適當的RC電路，因為這樣做可以：

（1） 得到標準的方波信號；

（2） 減小脈沖重疊引起的計數率過(guò)載；

（3） 減小基線(xiàn)漂移引起的計數率過(guò)載；

（4） 減小低頻噪聲。

4．1．3 輸出浮地電容的容值大小選擇

輸出浮地接法是組合測井的需要，從電容特性看，容值大的電容具有低通特性，容值小的電容具有高通特性。問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是，容值小的電容對于高頻信號其接地導通性良好，而對于低頻信號其浮地的導通性差，相當于接地不良，于是出現了短路電容之后信號幅度增加的現象，一旦浮地電容的容值適當，這種接法的效果就不明顯。所以，應根據測量對象的頻率高低，選用浮地電容的容值。在測井實(shí)踐中往往遇到的是隨機脈沖信號，測量對象的計數率經(jīng)常變化，此時(shí)，某一容值的浮地電容適應性如何？針對ZGJ-C自然伽瑪測井儀的研究表明，2.2uF的電容在典型的計數率范圍之內，其適應性良好。因此，浮地電容的容值選用2.2uF。

4．2 驅動(dòng)能力與電纜長(cháng)度的關(guān)系

驅動(dòng)電路的驅動(dòng)能力與電纜長(cháng)度的關(guān)系如圖4所示，這種關(guān)系可以用擬合的數學(xué)關(guān)系式來(lái)表達，并用外推的方法推斷驅動(dòng)電路的極限驅動(dòng)能力，即一個(gè)驅動(dòng)電路達到地面測井儀脈沖信號檢測能力，所能配接的最長(cháng)電纜。

對圖4的數據進(jìn)行指數擬合，可獲得指數計算公式

也就是說(shuō)，該驅動(dòng)電路的極限驅動(dòng)能力為7318米，完全滿(mǎn)足最壞條件下的應用。

4．3 設計驗證