基于電磁感應的多層管柱電磁探傷測井系統

電橋的負載為發(fā)射線(xiàn)圈。我們小組通過(guò)查閱資料，以文獻指標為參考，采用0.6mm漆包線(xiàn)，將發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈密繞在同一根空心塑膠管上，實(shí)物如圖 12所示：

圖 12 自制發(fā)射線(xiàn)圈實(shí)物圖

經(jīng)測量，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的指標為：D=2.6cm，L=0.31mH，R=2.7Ω。 發(fā)射機電路連接如圖 13所示，其中負載為發(fā)射線(xiàn)圈。

圖 13 發(fā)射機電路原理圖

IRS2110的輸入與PIC32單片機的RD9，RD11兩腳相連。通過(guò)RD9和RD11電平的交替變化，時(shí)序如圖7所示，就可以產(chǎn)生交替變化的柵壓，進(jìn)而控制MOSFET開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟，在發(fā)射線(xiàn)圈兩端產(chǎn)生雙極性脈沖。

圖 14 發(fā)射機模塊時(shí)序圖

然而，在實(shí)際應用中，電流脈沖總存在一定的上升延遲和下降延遲，使電流達到穩態(tài)的時(shí)間變長(cháng)，尤其是當下降沿陡度不夠時(shí)，接收線(xiàn)圈對二次場(chǎng)的感應受到一次場(chǎng)的干擾；除此之外，電流脈沖呈線(xiàn)性下降，能夠在油管中產(chǎn)生穩定的感生電流。

故對發(fā)射線(xiàn)圈電流脈沖要求：上升沿盡量陡，下降沿陡且線(xiàn)性度好。

衰減曲線(xiàn)的模擬及模型解釋

鑒于比賽的時(shí)間緊迫和缺少不同損傷類(lèi)型油井管道等硬件條件，我們小組經(jīng)過(guò)討論，決定用可變電阻和瓷片電容并聯(lián)充放電地形式來(lái)模擬接收線(xiàn)圈中的指數衰減曲線(xiàn)，電路如下圖所示：

圖 15 衰減曲線(xiàn)模擬電路

模擬的衰減曲線(xiàn)衰減速率與可變電阻的阻值有關(guān)。根據前述衰減速度同管壁損傷的關(guān)系和

電容充放電公式：和,當滑動(dòng)變阻器的阻值變小時(shí)，模擬的是管壁較?。ㄓ袚p傷）的情況；當滑動(dòng)變阻器的阻值增大時(shí)，模擬的是管壁較厚（無(wú)損傷）的情況。

接收機模塊

接收機模塊由接收線(xiàn)圈，前置放大電路，可編程放大電路以及模數轉換器組成。其中，接收線(xiàn)圈如前文所述，和發(fā)射線(xiàn)圈密繞在同一根空心塑膠管上。

前置放大電路

在瞬變電磁法套管檢測中，信號源是不接地的接受線(xiàn)圈，感應的電壓信號衰變同指數曲線(xiàn)的形態(tài)相似，幅度的變化范圍很大，且在時(shí)間上早、中、晚期的衰變速度相差相當大。信號的頻帶寬度較小，頻譜能量主要集中在低頻部分。就信號的動(dòng)態(tài)范圍考慮，前置放大電路的放大倍數應該很小，信號中、晚期屬弱信號，必須考慮放大器的性能：信號的頻帶寬度要求放大器是低頻放大。為了提高瞬變電磁信號數據采集的精度，減少系統的噪聲，可以從兩個(gè)方面著(zhù)手，一方面是盡量減少前置放大電路的噪聲系數，因為前級放大對噪聲的影響最大；另一方面必須考慮信號源阻抗與前置放大電路源阻抗的匹配，以提高額定功率的增益。此外，放大電路輸入阻抗應使接收線(xiàn)圈處于臨界阻尼狀態(tài)的匹配。按照以上要求，根據瞬變電磁信號的特點(diǎn)，選擇多運放組合的測量放大器作為前置放大電路是較適合的。測量放大器具有很高的共模抑制比，可抑制各種共模干擾引入的誤差。

瞬變電磁法套管檢測系統的前置放大電路如圖 16所示，選擇普通放大器集成芯片OP07來(lái)設計通用的測量放大器，三運放組成的測量放大器如圖中所示。

上面設計的三運放組合式測量放大器由兩級構成，第一級為對稱(chēng)的同相放大器，第二級為差動(dòng)放大器。

圖 16 前置放大電路

為了提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移的能力，設置測量放大器上下對稱(chēng)，根據虛短虛斷，可以推出測量放大器閉環(huán)增益為：

由上式可知，通過(guò)調節電阻R1,可以很方便的改變測量放大器的閉環(huán)增益。

可變增益放大電路

在瞬變電磁法套管檢測系統中，欲測量的二次場(chǎng)信號的基本特點(diǎn)就是信號弱，且動(dòng)態(tài)范圍較大，而且要對三路磁探頭信號進(jìn)行分時(shí)處理。為了滿(mǎn)足瞬變電磁信號動(dòng)態(tài)范圍大、信號弱，以及要對三路磁信號測量的要求，在電路設計中采用前置放大電路后通過(guò)四路單刀單擲開(kāi)關(guān)接可變增益放大電路的方法，在不同的時(shí)期對三路磁信號進(jìn)行分時(shí)測量，由PIC單片機控制不同的放大倍數，這樣可以減小信號的動(dòng)態(tài)范圍，從而使三個(gè)磁探頭的信號均能實(shí)現有效的檢測?？勺冊鲆娣糯箅娐返脑韴D如圖3.8所示，它是由放大器集成芯片OP27和四路單刀單擲模擬開(kāi)關(guān)H1201相配合構成的，OP27具有噪音低、線(xiàn)性好、穩定性高的特點(diǎn)，對于磁探頭信號能實(shí)現精確的放大。

圖 17 可變增益放大電路

由于縱向探頭A是主探頭，其作用最為重要；橫向探頭B,C為輔助探頭，協(xié)助縱向探頭A工作，在同一個(gè)時(shí)期對三路探頭進(jìn)行分時(shí)處理時(shí)，采樣順序定為A,A,A,B,C,A,A,A,B,C…這是由PIC32的RD1，RD2，RD3三個(gè)引腳控制的。

不同時(shí)期信號的放大倍數是由PIC32的RD12，RD13，RD4三個(gè)引腳控制的：

RD12有效，早期增益

RD13有效，中期增益

RD4有效，晚期增益

通過(guò)調節的阻值，即能改變放大倍數。

模數轉換芯片的選擇

將可變增益放大電路輸出的信號送入模數轉換器，即完成了對接收線(xiàn)圈信號的采集。根據電磁法管柱探傷的特點(diǎn)，模數轉換器應具有如下特點(diǎn)：

1. 較高的采樣速率。根據香農采樣定律，只有當采樣頻率不小于采集信號頻譜最高頻率的2倍，才能不失真地還原出采樣信號。瞬變電磁方法實(shí)際上是寬頻的電磁系統，在理論上，其頻譜可以無(wú)限延伸，其中包括了頻域電磁方法的整個(gè)頻帶(幾Hz—幾kHz)。因此，模數轉換器的最高采樣頻率最少為10kHz。
2. 支持雙極性采樣。由于激勵信號時(shí)雙極性脈沖，所以接收線(xiàn)圈產(chǎn)生的信號也應是雙極性的。
3. 較高的采樣精度。由于采樣信號具有動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)（幾V—幾十uV），在采樣后期，經(jīng)過(guò)放大的信號幅值仍然很小，這就需要較高的采樣精度，模數轉換器的轉換位數應不小于12Bits。

綜合以上各方面考慮，我們選用了ADI公司的14Bits模數轉換器AD7894。其采樣速率可達到160ksps以上，輸入范圍為-10V — +10V，1LSB僅為1.22mV，且為單電壓供電，使用簡(jiǎn)單。

主要參數的計算

接收機模塊的主要參數包括：前放增益；前，中，后三個(gè)時(shí)期的劃分和增益；采樣時(shí)隙和點(diǎn)數確定。

設計參數時(shí)要遵守以下三點(diǎn)：1. 信號放大后不能超過(guò)模數轉換器的動(dòng)態(tài)范圍-10V--+10V，控制采樣的放大倍數 ；1. 為了保證采樣的精確性，要合理地劃分時(shí)期 ；3. 前期衰減快，時(shí)隙應較??；后期衰減慢，時(shí)隙應較大。經(jīng)過(guò)實(shí)驗和計算，我們確定以上參數為：前放增益：2，前期增益：2，中期增益5.5，后期增益11。

前期：2ms—11ms A探頭采樣6*3個(gè)點(diǎn)，B探頭采樣6個(gè)點(diǎn)，C探頭采樣6個(gè)點(diǎn)。采樣時(shí)隙 300us。

中期：11ms—45ms A探頭采樣12*3個(gè)點(diǎn)，B探頭采樣12個(gè)點(diǎn)，C探頭采樣12個(gè)點(diǎn)。采樣時(shí)隙 400us。

后期：45ms—110ms A探頭采樣30*3個(gè)點(diǎn)，B探頭采樣30個(gè)點(diǎn)，C探頭采樣30個(gè)點(diǎn)。采樣時(shí)隙 500us。

通信模塊設計

油井、氣井的一般深度為 3km 左右，有的甚至深達 5km。對于一般的傳輸方法都不能滿(mǎn)足如此大距離的有效傳輸。CAN-bus協(xié)議是一種通用的串行通訊標準，在實(shí)際場(chǎng)合中有許多的應用，比如：汽車(chē)、煤礦、油田、艦船、電力、生產(chǎn)線(xiàn)等。其具有通信速率高、開(kāi)放性好、報文短、糾錯能力強以及控制簡(jiǎn)單、擴展能力強、系統成本低等特點(diǎn)。CAN總線(xiàn)短距離通信中的數據傳輸率最高可達到10Mbps，遠距離通信可以達到10km。本系統采用CAN總線(xiàn)實(shí)現井上和井下的通信，在中間加入數個(gè)CAN中繼器后，可以以50kbps的波特率穩定的通信。

PIC32MX CAN模塊介紹

PIC32MX795F512L單片機提供有控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）模塊，CAN模塊實(shí)現了CAN2.0B協(xié)議，該協(xié)議主要用于工業(yè)和汽車(chē)應用。該異步串行數據通信協(xié)議能在電氣噪聲環(huán)境下提供可靠的通信。PIC32MX器件系列可以集成了兩個(gè)CAN模塊。

圖 18 PIC32MX CAN 模塊框圖

圖 18是PIC32MX CAN 模塊框圖。CAN模塊有32個(gè)報文FIFO，每個(gè)FIFO最多可包含32個(gè)報文，總共可包含1024個(gè)報文，32 個(gè)用于報文過(guò)濾的接收過(guò)濾器，4個(gè)用于報文過(guò)濾的接收過(guò)濾器屏蔽器寄存器，能夠自動(dòng)響應遠程發(fā)送請求。并且提供環(huán)回、監聽(tīng)所有報文和監聽(tīng)模式，用于自檢、系統診斷和總線(xiàn)監視；低功耗工作模式；專(zhuān)用的時(shí)間標記定時(shí)器等特性。PIC32MX7系列強大的CAN模塊能夠快捷地實(shí)現系統的通信部分功能。

CAN總線(xiàn)電路

圖 19為給出了典型 CAN 總線(xiàn)拓撲的圖示。

圖 19 典型的 CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

CAN收發(fā)器我們選擇通用 CAN 隔離收發(fā)器CTM8251AT，CTM8251AT是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片，該芯片內部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件，這些都被集成在不到3平方厘米的芯片上。該芯片特別適合+3.3V系統的CAN控制器，實(shí)現CAN節點(diǎn)的收發(fā)與隔離功能。CTM8251A接口芯片可以實(shí)現帶隔離的CAN收發(fā)電路，隔離電壓可以達到DC2500V，可以取代在以往的設計方案中需要光耦、DC-DC電源隔離、CAN收發(fā)器等其他元器件才能實(shí)現帶隔離的CAN收發(fā)電路，其接口簡(jiǎn)單，使用方便。

圖 20 CAN總線(xiàn)模塊電路

圖20是本系統中CAN總線(xiàn)模塊的電路。其中C1RX和C1TX接PIC32MX795F512L單片機的CAN1模塊接收和發(fā)送管腳（87、88管腳）。CGND為收發(fā)器地，FGND為屏蔽線(xiàn)地，FGND接電纜屏蔽線(xiàn)。

CTM8251AT與CAN總線(xiàn)的接口部分也采取了一定的安全和抗干擾措施。CTM8251AT的CANH和CANL引腳各通過(guò)一個(gè)5.1Ω的電阻和CAN總線(xiàn)相連，電阻可以起到一定的限流的作用，保護CTM8251AT免受過(guò)流的沖擊。由于是遠距離，所以終端的一對電阻（RT1）是必要加的，電阻值隨著(zhù)通訊距離的增加應進(jìn)行適當的增加，在2km通信距離以?xún)纫话阍O為120Ω。