测井深度信号处理方法

2011-01-05高建民谌业和

石油管材与仪器 2011年4期

关键词：信号处理电平编码器

高建民谌业和黄河

(中国石油集团测井有限公司塔里木事业部新疆库尔勒)

测井深度信号处理方法

高建民谌业和黄河

(中国石油集团测井有限公司塔里木事业部新疆库尔勒)

测井深度是测井工程中的一个重要参数,它的准确与否直接影响测井工程的质量。文章介绍一种测井深度信号的修正方法,可以修复深度编码器传来的失真深度脉冲信号,提供给其它深度采集面板使用。

便携式设备;光电编码器;MCU

1 问题提出

无论是成套测井装备,还是便携式地面设备,要完成测井工作,都必须使用深度信号。在深度信号采集箱体内,有各自的信号处理电路和张力信号处理电路,以及深度信号和张力信号的显示方式,在处理信号方式上互有差异,但如果与成套测井装备共同使用张力信号和由深度编码器产生的深度信号时,往往会因为负载增加使得信号衰减过多,加上信号线存在干扰,造成测井深度产生误差。例如我们所使用的XRMI电阻率成像仪器,它的便携式深度面板与5700系统共同使用深度编码器传来的深度信号时,深度显示产生较大的误差;国产的生产测井面板与5700共同使用深度编码器传来的深度信号时,同样深度信号误差较大,而5700系统深度没有受到影响。

2 问题分析

测井使用的深度编码器是增量式光电编码器,它利用机械方法,把直线运动的位移量转换为轴向转动,再把轴向转动转换为光电信号,光电信号的数量对应直线的位移量,光电信号通过进一步整形驱动输出。输出的信号有A、B、-A和-B等信号,A和B信号在时间上有90°的相位差(即两组正交信号)。当编码器顺时针转动时,如果A相信号超前于B相信号90°,那么在逆时针转动时,B相信号将超前于A相信号90°,通过检测A和B信号的相位差可以区分电缆运动的方向。在Atlas的5700系统中使用的编码器输出脉冲为每圈983个脉冲(或者每圈645个脉冲)[1],在光电编码器上有一根控制计数脉冲数量输出数量的控制线,脉冲计数量就取决于控制线的电平高低。大多数测井深度系统中深度脉冲计数值为每米1280个脉冲,改变每米脉冲的计数值就可以适当弥补深度测量系统产生的线性误差。

通过对我们单位使用的多个测井装备深度信号处理电路进行比较,并用示波器测量深度编码器输出的A、B、-A及-B信号,发现国产面板深度预处理电路部分仅需要A,B两个输入信号,而Halliburton和Atlas的深度处理电路均需要A、B、A-和B-四个信号。由于深度编码器装在马丁代克测量轮上,因而编码器的供电电源线和信号线就接近5 m长,编码器的信号传到深度面板的输入电路入口时,其低电平0信号相对于电源地有一定的幅度,同时高电平幅度降低至3V左右,信号传输线上有比较多的干扰,使得深度编码器上传的深度信号产生形状失真和幅度降低。对于幅度降低可以用一个简单电路进行处理:把A、B或A+、A-信号用比较器进行鉴别,低于比较器设定阈值电压输出为0,高于比较器设定阈值电压输出为1,这样通过鉴别使得比较器输出的低电平0信号的幅度降低,高电平信号幅度提高至4 V以上,然后把信号加以缓冲放大,就可以被其它深度面板正确接收。

Atlas的5700深度系统采集电路入口使用双差分线接收器SN75182[2],对深度编码器产生的A、A-,B以及B-信号进行处理。它的入口不仅对输入的信号进行限幅,而且对输入信号进行平衡滤波,把信号经过电缆后产生的干扰滤掉,对信号的幅度要求也比较低,SN75182器件只要差分输入电压大于±0.5 V就可以可靠接收,同时由于信号是差分输入,对共模干扰信号抑制比较强,深度信号的误码大大地降低[3]。

在进行信号测试时,为了鉴别各个面板信号处理电路是否能正确无误地接收深度编码器的输出信号,用单片机AT89C2051制作一个模拟光电编码器输出信号的电路,如图1所示。该电路供电后,由程序控制可以在一次循环过程中产生12800个模拟A、B、-A及-B信号,相当于10 m的测井深度,从AT89C2051的P1口上P1.7,P1.6,P1.5,P1.4管脚同时发出,把这个信号输入到各个面板深度电路输入端口A、B、-A及-B端,面板深度显示深度数值(1280/m)和发出的脉冲数均一致。

图1 模拟测井深度信号流程图

3 解决方案

根据以上对几种深度面板的分析,只要把测井深度编码器的输出A和B信号用AT89C2051进行处理后,由其端口同时输出A、B、-A及-B信号,送到深度面板的深度信号入口,深度面板接收的信号就可以完整无缺地被接收处理,并送到深度记录部分和显示部分。测井深度编码器信号同时被传递到5700深度系统,处理后送到绞车面板进行测井。

3.1 电路说明

图2 深度信号处理电路方框图

深度信号处理电路方框图如图2所示。把编码器的输出信号A、B和信号地从测井操作间接线端子引入到比较器LM219输入正端,在比较器的负输入端接入1.25 V的基准电源,这样,当A和B信号对其地线的信号只有在大于1.25 V时比较器的输出才发生变化,低于1.25 V的干扰信号被滤除,提高了电路抗干扰能力;比较器的输出送入方向转换部分,这部分由一个继电器控制,继电器的吸合由外部的开关控制,当测井方向需要变换时,拨动开关即可。经过转换的信号进入T89C2051单片机,单片机在程序的控制下,检测A和B的电平高低,然后从P1口输出和A、B信号相对应的数据,这些数据的变化能真实反映编码器输出脉冲。该数据随后送入驱动放大电路,由54LS244对信号缓冲放大,输出A、B、-A和-B信号就可以提供给其它深度面板使用。

3.2 程序流程

图3 程序流程图

程序流程如图3所示。电路供电正常后,MCU开始初始化。初始化完成以后,立刻检测编码器输出的A信号电平,检测出A信号电平高或低后,再检测B信号电平,根据B信号电平的高或低,跳转到不同的位置,在MCU的P1端口输出不同的数值。然后再检测A、B信号电平的高低,如果A、B信号电平未发生变化,就继续检测,如果A、B信号电平发生变化,就依据A、B信号电平的高或低,程序会跳转到不同的位置,在MCU的P1端口输出相应的数值,例如:开始检测到A信号电平为0,再检测到B信号电平为1,就在P1的端口输出#6FH,然后继续检测A与B信号的电平,如果又检测到A信号电平为0,B信号电平为0,就在P1端口输出#3FH,输出后重新检测A与B信号,根据A与B信号电平高低,从P1输出相应的数值;如果A和B信号电平未改变,继续检测,这个期间P1口不会输出数据,就相当于电缆停止不动。随着深度编码轮的来回转动,MCU的P1端口的P1.7～P1.4脚就不断输出数据,数据的变化正好反映了深度编码器输出的A、B、-A及-B信号。而且当电缆运行速度快时,单片机的输出电平变化频率高,电缆运动速度慢时,单片机的输出电平变化频率低。

张力处理电路比较简单,为了不影响原来地面系统对张力信号的使用,把张力计的输出信号从测井车操作间引出,对张力信号用跟随器进行缓冲放大,以减轻张力计信号的负载,供其它面板使用,原来系统显示的张力信号不变。

4 验证及现场使用结果

先用图1所示流程的模拟深度编码器输出信号的电路进行检验:把模拟深度编码器信号的电路输出分为两路,一路输入到5700系统的深度信号输入端口,另一路输入到该电路中,再把该电路的输出送到其它深度面板,供电运行后,5700深度显示和经过该电路处理后送到其它深度面板的深度显示均一致;用测井车的深度编码器输出的深度信号对电路进行检验,5700深度显示和经过该电路处理后送到其它深度面板的深度显示也一致。

实际使用情况,该电路制作完成后,分别在两种便携式地面面板上配接使用,一种是配接5700深度编码器信号,输出到与Halliburton公司的XRMI成像仪器配套的变携式深度面板,测井十余口;另一种是配接5700深度编码器信号,输出到某国产便携式生产测井地面面板的深度电路,深度显示与5700深度显示(深度经过标准井校验)均一致。