《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種抑制電路溫度漂移影響的高溫測(cè)量系統(tǒng)
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
管國(guó)云,孫向陽(yáng),汪 浩
電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院,四川 成都610054
摘要: 設(shè)計(jì)了一種耐155 ℃高溫的井下測(cè)量系統(tǒng),為了滿足多通道信號(hào)的測(cè)量,其前置放大電路采用分時(shí)復(fù)用的工作機(jī)制,刻度信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)分時(shí)送至前置放大器。發(fā)射電流經(jīng)取樣后得到參考信號(hào),運(yùn)用數(shù)字相敏檢波算法計(jì)算其幅度和相位,為分時(shí)導(dǎo)通的刻度信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)提供相位基準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)模擬通道進(jìn)行實(shí)時(shí)的刻度,確保測(cè)量結(jié)果不隨電路的溫度漂移而發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能有效地抑制溫漂對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響。
中圖分類號(hào): TP216+.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)11-0071-04
High temperature measuring system suppressing impacts of temperature drift of circuits
Guan Guoyun,Sun Xiangyang,Wang Hao
School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China
Abstract: This paper proposes a design of an under well measuring system for high temperature up to 155 ℃. In order to measure multi-channel signals, the pre-amplifiers employ a time-division scheme, calibration signal and sensor signals are sent to the amplifier separately through an analog multiplexer. The reference signal is sampled from transmitter circuit, so as to provide phase reference to both calibration and sensor signals. Amplitudes and phases are calculated in a digital phase sensitive detection algorithm. Due to the real-time calibration of analog channels, the measurement remains stable regardless the temperature drift of circuits in the channels. Experiment result shows that, this method can effectively suppress the impact of temperature drift.
Key words : well logging tool;high temperature;temperature drift;digital phase sensitive detection

0 引言

  目前新型的測(cè)井儀器為了獲得豐富的探測(cè)信息,其傳感器大都采用陣列的形式,如陣列感應(yīng)測(cè)井儀、聲波陣列測(cè)井儀和陣列側(cè)向測(cè)井儀等[1-4]。傳感器陣列的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,與其對(duì)應(yīng)的電子測(cè)量與控制系統(tǒng)的規(guī)模也比較龐大。由于井下的工作環(huán)境比較惡劣(高溫與高壓),測(cè)井作業(yè)要求儀器系統(tǒng)必須具備很高的可靠性。除了機(jī)械部分必須耐受很高的壓強(qiáng)外,還要求電子測(cè)量系統(tǒng)適應(yīng)最低150 ℃的高溫。電子系統(tǒng)中諸多器件的性能參數(shù)都對(duì)溫度的變化比較敏感,如電感器、電容器、運(yùn)算放大器等。而由這些器件組成的調(diào)理電路不可避免地會(huì)出現(xiàn)溫度漂移的現(xiàn)象。因此,儀器的溫漂問(wèn)題主要有兩個(gè)方面的原因,分別來(lái)自傳感器陣列和電子線路。目前,大部分的測(cè)井儀器都需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的溫度校正流程。為了保證測(cè)量精度,需要在地面測(cè)得儀器的溫度漂移曲線,用來(lái)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)作后續(xù)的溫度校正。而與傳感器陣列相對(duì)單調(diào)的溫漂曲線相比,電子線路由于受諸多電子元器件溫漂的影響,其溫度漂移趨勢(shì)一般都比較復(fù)雜。如果能抑制電路溫度漂移的影響,就能提升儀器的可靠性,并簡(jiǎn)化整機(jī)的溫度校正工作。

1 測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

  1.1 測(cè)量電路

  測(cè)井儀電路系統(tǒng)一般可由電源、通信、發(fā)射、前置放大、測(cè)量和控制等幾部分構(gòu)成。其中測(cè)量和控制電路集中體現(xiàn)儀器的功能結(jié)構(gòu),是完成信號(hào)測(cè)量和邏輯控制的核心。本文的設(shè)計(jì)中包括測(cè)量控制電路、發(fā)射電路和前置放大電路,三者的結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)射電流經(jīng)過(guò)取樣后,一方面作為參考信號(hào)直接送入測(cè)量控制電路,另一方面經(jīng)過(guò)衰減網(wǎng)絡(luò)得到不同幅度的刻度信號(hào)。

001.jpg

  前置放大電路共有3路,每路包含1路刻度信號(hào)和5路目標(biāo)(線圈)信號(hào),通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。因此該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)15路目標(biāo)信號(hào)的采集。前置放大電路根據(jù)目標(biāo)信號(hào)的強(qiáng)度從衰減網(wǎng)絡(luò)中選擇幅度相當(dāng)?shù)目潭刃盘?hào)??潭刃盘?hào)和目標(biāo)信號(hào)被前置放大器分時(shí)放大,然后送入測(cè)量控制電路,完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和DPSD運(yùn)算。

  1.2 測(cè)控電路


002.jpg

  測(cè)控電路主要包括數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)以及4個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。其中3個(gè)用于完成前置放大電路信號(hào)的轉(zhuǎn)換,另一個(gè)用于參考信號(hào)的轉(zhuǎn)換。如圖2所示,4路ADC的并行數(shù)據(jù)同時(shí)輸入FPGA,利用FPGA并行運(yùn)算特性,高效地完成4路信號(hào)的DPSD運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果通過(guò)高速同步串行傳輸總線(SPI)送入DSP,利用DSP較強(qiáng)的浮點(diǎn)運(yùn)算能力,完成數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。DSP通過(guò)異步串口(SCI)將最終的測(cè)量結(jié)果傳輸至地面測(cè)控系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)處理流程

  為了滿足多通道信號(hào)的測(cè)量要求,這里將刻度信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)分時(shí)復(fù)用一個(gè)前置放大器,以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。為了在分時(shí)復(fù)用過(guò)程中,確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相位差,本文從發(fā)射電流取樣,將獲得的參考信號(hào)送入測(cè)量控制電路,通過(guò)DPSD算法計(jì)算出其相位,并將其作為刻度信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)的相位基準(zhǔn)。

003.jpg

  圖3以一路前置放大電路為例給出了信號(hào)分時(shí)導(dǎo)通的時(shí)序圖。參考信號(hào)R作為相位基準(zhǔn),在測(cè)量過(guò)程中需要一直導(dǎo)通??潭刃盘?hào)C與目標(biāo)信號(hào)S1,S2,S3,S4,S5則依次通過(guò)前置放大電路。為測(cè)得各個(gè)信號(hào)的幅度和相位信息,本文采用DPSD算法[5]對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。ADC輸出的數(shù)據(jù)直接與FPGA內(nèi)部歸一化正弦和余弦函數(shù)完成DPSD運(yùn)算[6-8],計(jì)算出信號(hào)的幅度和相位值。

  在FPGA中同時(shí)對(duì)刻度信號(hào)C和參考信號(hào)R作上述正交化的DPSD運(yùn)算,得到兩者的幅度UC、UR和相位?茲C、?茲R,則兩信號(hào)可以表示為UC e和UR e。在DSP中對(duì)兩者作除法運(yùn)算,得到:

  1.png

  因?yàn)閷?duì)刻度信號(hào)和參考信號(hào)的DPSD運(yùn)算是同時(shí)進(jìn)行的,所以C、R是在相同參考相位下測(cè)得的。式(1)中的C-R為刻度信號(hào)與參考信號(hào)的相位差。同樣地,當(dāng)輸入的是目標(biāo)信號(hào)S時(shí),重復(fù)上述計(jì)算,得到目標(biāo)信號(hào)與參考信號(hào)的幅度比和相位差,即:

  2.png

  雖然參考信號(hào)R相位未發(fā)生變化,但由于刻度信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)分時(shí)導(dǎo)通,新一輪的DPSD運(yùn)算的參考相位已經(jīng)改變,故式(2)中的參考信號(hào)相位用R示。在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中,由于受溫度的影響,信號(hào)調(diào)理電路的溫度漂移會(huì)導(dǎo)致放大器的傳遞參數(shù)發(fā)生改變。當(dāng)溫度的變化范圍較寬時(shí),溫漂引起測(cè)量結(jié)果會(huì)發(fā)生很大的變化,若沒(méi)有校正,便難以真實(shí)地反映目標(biāo)的實(shí)際信息。為了考察前置放大器的溫漂對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,這里假設(shè)前置放大電路的傳遞系數(shù)為Aej?漬,其中,A為前置放大電路的增益。當(dāng)溫度變化時(shí),電路的溫漂就體現(xiàn)在A和?漬的漂移。若考慮溫漂對(duì)刻度信號(hào)C和目標(biāo)信號(hào)S測(cè)量結(jié)果的影響,則將前置放大電路傳遞系數(shù)帶入式(1)和式(2)中,得到:

  ]S2{(G4M}2O6R_(LG[$@0VQ.jpg

  不難看出,經(jīng)過(guò)上述運(yùn)算后,S的測(cè)量結(jié)果與前置放大器的A和?漬無(wú)關(guān),從而消除了前置放大電路的溫漂對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。將參考信號(hào)幅值乘以網(wǎng)絡(luò)的衰減系數(shù)便可以得到刻度信號(hào)的幅度UC,最后將式(5)乘以UC,即可算出目標(biāo)信號(hào)的幅值和相位。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

  為驗(yàn)證該方法對(duì)電路系統(tǒng)溫度漂移影響的抑制作用,本文在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成了測(cè)試。通過(guò)單獨(dú)加熱儀器的測(cè)量電路部分,排除傳感器陣列在加熱過(guò)程中對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。測(cè)試過(guò)程中儀器被加熱到155 ℃左右,基本符合實(shí)際作業(yè)時(shí)儀器對(duì)耐高溫性能的要求。本文對(duì)加熱和降溫過(guò)程中的測(cè)量數(shù)據(jù)都做了記錄,一共大約6 000組測(cè)量結(jié)果,如圖4~圖7所示。

  儀器先從室溫32 ℃加熱到最高溫度155 ℃,隨后停止加熱,讓儀器自然降溫到80 ℃,此過(guò)程模擬了儀器在常規(guī)作業(yè)時(shí)的溫度變化過(guò)程。圖5記錄了一路前置放大電路的增益值在測(cè)試過(guò)程中隨溫度的變化曲線。增益值A(chǔ)在儀器升溫和降溫的過(guò)程中有明顯的漂移,說(shuō)明前置放大電路的溫漂是比較明顯的。圖6和圖7分別為對(duì)應(yīng)的5路目標(biāo)信號(hào)幅值和相位的變化曲線。在電路升溫和降溫的過(guò)程中,目標(biāo)信號(hào)的幅值和相位的測(cè)量結(jié)果始終保持穩(wěn)定,并未受到溫漂的影響。

006.jpg

  對(duì)數(shù)據(jù)作統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表1所示。其中的平均值(Mean)取決于各傳感器的輸出,均方差值(Rms)則反映了儀器的測(cè)量精度。0.255 39 V和0.033 50°的最大均方差能夠滿足系統(tǒng)對(duì)精度的要求。

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  在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,主要關(guān)注的是目標(biāo)信號(hào)與發(fā)射信號(hào)同相位的分量,也可稱其為實(shí)部分量,對(duì)應(yīng)的虛部分量則稱為直耦信號(hào)。本文用幅值和相位分析數(shù)據(jù),可以更直觀地考察溫漂對(duì)測(cè)量的影響。另外兩個(gè)前置放大器對(duì)應(yīng)的測(cè)量曲線也表現(xiàn)出同樣的抑制效果。

4 結(jié)論

  針對(duì)油田測(cè)井儀器的需求,本文設(shè)計(jì)的耐高溫測(cè)量系統(tǒng)采用分時(shí)復(fù)用的機(jī)制以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),為多組目標(biāo)信號(hào)的測(cè)量提供了可能。

  高溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,通過(guò)對(duì)模擬調(diào)理電路進(jìn)行實(shí)時(shí)的內(nèi)刻度,并結(jié)合適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法,有效地抑制了信號(hào)調(diào)理電路中的溫漂對(duì)測(cè)量的影響。

  本文所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)的最高工作溫度是150 ℃。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)字與模擬電路作處理后,能達(dá)到175 ℃的耐溫指標(biāo),從而滿足大多數(shù)測(cè)井儀器對(duì)耐溫的要求。采用這種測(cè)量機(jī)制的測(cè)井儀可以省略電子線路的溫度校正,有利于簡(jiǎn)化儀器生產(chǎn)與維護(hù)流程。

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