微电阻率成像测井仪发射电路设计

曹 微，师奕兵，王志刚，张 伟

（电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 611731）

微电阻率成像测井仪发射电路设计

曹 微，师奕兵，王志刚，张 伟

（电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 611731）

针对微电阻率成像测井仪的特点，设计了一种基于PWM方式的正弦信号发射源。该系统以PIC单片机为主控芯片，并利用其产生的PWM信号，经半桥功率放大，低通滤波，最后由变压器输出正弦波，为微电阻率成像测井提供信号激励源。实验结果表明，正弦波幅度满足采集电路要求，信噪比满足数据处理电路要求。发射电路已成功运用于实际仪器中，取得了良好的应用效果。

微电阻率成像测井；发射电路；PWM控制；PIC单片机；半桥

1 引 言

微电阻率成像测井仪是一种井壁电成像测井装置[1]，通过高密度测量地层电阻率的微小变化，形成井壁电阻率图像[2]，用于地层分析。

仪器结构原理如图1所示[3]，其等效电路原理如图2所示，其中R1为泥浆电阻，R2为地层电阻，发射电路输出的2kHz正弦信号经过变压器后，一端接在仪器上部回流电极，另一端接仪器下部发射电极，即仪器下部外壳。同时极板电路地也接在外壳上，极板内部经过一个10Ω电阻连到外部电扣上，在仪器工作时电扣紧贴在井壁上，这样在测量时就会形成回路：仪器外壳——10Ω电阻——电扣——地层——回流电极。

仪器的最终目的是测量地层电阻R2，由于R2远大于R3，所以一般可通过下式计算：

图1 仪器结构原理图

式中：U1——R1上电压，即发射输出电压，由处理电路测量；

U3——10Ω电阻上的电压，由极板采集，处理电路计算。

图2 仪器等效电路原理图

其中R2有时可达上百兆欧，此时发射电压在R3上的分压就会很低，不易测量；另外对于发射电路的主要负载R1有时会低于0.5Ω，所以对于发射电路的关键是输出正弦波幅度高、带负载能力强。

2 发射电路硬件总体设计方案

发射电路的主要功能是产生2 kHz可程控幅度的功率发射正弦信号[4]，对地层进行激励。该电路通过串口通信与主控电路进行通信，获得各种控制参数；利用PWM控制方式产生功率驱动信号对地层进行激励；同时还需要采集发射输出的电压及电流，并经串口发送到主控电路，最终传送到地面系统监测；发射供电电源有内部线性电源（+/-15V）供电与外部辅助电源供电两种方式，可以根据测井需要灵活选择。

图3 发射电路硬件结构图

发射电路结构如图3所示，当发射板中的单片机PIC16F876通过UART接口收到主控板的工作指令后[5]，利用PIC芯片的CCP外设模块生成PWM脉宽调制波[6]。PWM波首先经过隔离电路，实现控制电路与输出电路的隔离，之后经过功率MOS管的驱动电路，然后由功率MOS管进行功率放大，再经过LC选频滤波网络，就会得到2kHZ的正弦波发射信号，最后由变压器隔离输出。同时，发射板采集发射电压信号，发射电流信号。这两个信号，一方面做峰值检波，送入PIC，由其内部的AD模块采样；另一方面，又传送给数据处理板，作为数字相敏检波的参考信号。

2.1 隔离整形电路

为简化整只仪器电源设计，半桥使用的功率电源是仪器的±15V电源，而半桥控制电路的参考地需要和半桥的负端相连，所以半桥的控制电路部分需要与PIC输出隔离，单独使用一套隔离电源。

设计所采用的是变压器隔离法，其结构原理如图4所示，由于变压器只能通过交流信号，PWM信号经过变压器后变成一系列尖脉冲信号，所以需要积分整形，在经过比较器后还原成PWM信号。

图4 隔离整形电路结构图

2.2 半桥驱动功率放大电路

信号经比较整形后，其驱动能力并没有增强，所以在比较器后级采用了IR21844S芯片对功率MOS管进行驱动[7]，达到功率放大的目的。其结构如图5所示，IR21844S接收比较器输出后，输出两路15V互补信号分别控制两个MOS管，其中HO信号与PWM波波形一致，LO与HO反相，两个MOS管电源V±FIL可采用±15V内部电源供电，所以它们可输出逻辑高电平为30V的具有较强负载能力的PWM信号，当输出需要更高电压时，可切换马达电源供电，电压可从30V连续调至200V。

图5 半桥驱动功率放大电路结构图

2.3 滤波输出电路

滤波输出电路的结构如图6所示，其中将变压器初级看作是一电感，则选频网络是由一组串联LC，再接一组并联LC共同构成。从PWM信号中滤出2kHz正弦波，变压器是降压变压器，起阻抗变换作用，可减小发射电路的输出内阻，适应不同的地层及泥浆环境，增加带负载能力。

2.4 半桥电源及输出变压器选择

图6 滤波输出电路的结构图

仪器在工作的绝大多数时候，图5中半桥所使用的电源电压V±FIL都是±15V内部电源，图6中变压器初级选择变比较低的1，2端，但是，由于井况的不同，偶尔会遇到一些特殊情况，比如地层岩石电阻率太大，导致极板采集电压太小，测量不准；比如泥浆导电率太高，导致发射电路输出正弦波负载电阻太小，输出电压过多地加在内阻上，最终也会使极板采集电压太小，测量不准。

对于第一种情况，单独增加半桥电源电压V±FIL，实际采用的办法是利用PIC控制继电器，使V±FIL在常规时接在±15V内部电源上。需要增大电压时将给仪器马达供电的外部辅助电源接到V±FIL上，外部辅助电源是可由30～250V线性调整的直流电源，所以半桥以后的器件都选用的是耐压600 V以上的高压器件。

对于后一种情况除了要增加半桥电压外，还要减小发射电路内阻，否则过多的功率会消耗在发射电路内部，具体的方式如图6所示。利用继电器在需要减小内阻时，将通过串联LC的信号从变压器初级的2端接到3端上，进一步增加降压变压器的变比，减小输出端的内阻，同时为保证并联LC的谐振频率还在2kHz上，电容也要切换到对应的电容上。

PIC单片机引脚输出无论是电压还是电流都不足以驱动继电器，实际中是使用PIC控制MOS管开关，利用15V电源打开继电器开关。

2.5 输出检测电路

发射电路需要自身检测其输出正弦波电压电流值，同时，由于PIC的AD转换精度较低，以及使用UART与主控电路通信速度较低，不能完成实时高精度测量，其测量值只能用于检测。所以还需将测量模拟信号发送给数据处理做实时高精度测量，其测量点如图6所示，测量1，3点电压即可得到输出正弦波电压，已知1，2点之间电阻为0.01Ω，测得两点的电压即可求出输出电流。以测量输出电压为例，测量电路结构如图7所示，电压信号首先通过AD620进行去噪放大，之后将2kHz正弦信号送给处理板做相敏检波计算，同时该信号由OP284进行半波整形。最后经电阻电容组成的均值检波电路送入控制芯片PIC16F876A的内部A/D中进行采样，即整支仪器会同时在发射板和处理板计算出输出电压和电流。

图7 测量电路结构图

3 PWM波产生机理

为了使发射电路输出的正弦波具有较快的实时响应能力，设计中使用的脉宽调制采用实时计算法，根据计算的数学模型不同，PWM信号产生的方法有许多种[8]，如自然采样法、面积等效法和规则采样法等，其中规则采样法由于其计算简单、占用内存小、便于实时控制而被该次设计所采用。

以最常见也是该次设计最早采用的正弦脉宽调制（SPWM）为例[9]，其原理如图 8（a）所示，用三角波yc作为载波信号，正弦波 ys=Yssin（2πfst）作为基波调制信号，根据yc和ys的交点得到一系列脉宽按正弦规律变化的脉冲信号，即SPWM信号。这种波理论上除基波分量外，谐波主要是角频率为ωc，2ωc及其附近的谐波，很容易通过滤波得到信噪比较高的正弦波，但缺点是所得到的正弦波幅度较小，和基波幅度一致。图8（b）是改进后的设计思路，用梯形波替换以前的正弦波做基波，提高了一定的电压利用率，但是产生的PWM波中引入了角频率为5ωs的谐波，由于和基波频率太近，滤波效果不好，会在最后输出的2kHz正弦波中引入5次谐波。图8（c）是最后的设计方案，将基波梯形波的三角化率降低到0即可变为矩形波，同时为简化软件设计，将矩形波负半周固定在载波最下端，调整调制度时就可以只进行半波调整，这种方式可最大限度地利用电压，但是产生的PWM波会引入方波的所有谐波分量，其中3次和5次谐波分量在滤波中衰减不够，会出现在输出的正弦波中。

图8 PWM波产生机理

最后采用矩形波为基波产生的PWM波的原因主要有两个：（1）以矩形波为基波最后输出的正弦波比采用SPWM方式的输出有明显提高，采用内部电压驱动时，前者最大输出电压有效值为4.4V，后者只有3.4V；（2）虽然矩形波为基波输出的正弦波信噪比有所降低，但是极板采集信号的信噪比却没有明显变化，基本维持在25 dB左右，满足处理电路对采集信号的需要，这是因为采集的电压很小，噪声主要是由极板电路的白噪声构成，而不是发射电路输出的低次谐波。

4 实验结果分析

微电阻率成像测井仪在测井时，发射电路一般工作使用内部电压，输出变压器选择变比较低的初级，发射电路未加负载时，空载输出正弦波电压有效值为4.4V，信噪比约为32 dB，如图9所示，上部是它的频谱图。输出内阻为0.4Ω，虽然不同的井负载差别很大，但是，最低时也大多在1Ω左右。在井况特殊时，也可以根据地面命令将供给马达的外部辅助电压接入发射电路，以提高输出信号幅度，以及切换输出变压器初级引脚，提高降压比，减小内阻。

根据在实验室内测试，像花岗岩这类高电阻率岩石，微电阻率成像测井仪也能准确分辨出。图10是在辽河实验室测试由各种岩石搭建的实验井所成的图像，准确地反映出了测量范围内井壁上各种孔洞沟槽的形状。仪器最终经过多次实地测井，各项指标均达到国际先进水平，图11是仪器在胜利油田孤古-8井测试的部分截图，图像准确清晰地反映出了该井段的实际地层情况[10]。

5 结束语

图9 发射电路输出正弦波

图10 辽河实验井图像

图11 胜利油田测井截图

该文从微电阻率成像测井仪的实际需要出发，介绍了一种基于PIC单片机的激励信号源设计，讲述了系统设计的原理，并给出了具体电路结构以及所采用的PWM的生成机理。该电路已经随微电阻率成像测井仪进行过多次实地测井，经实践证明发射电路运行稳定，配合整支仪器所成图像清晰，满足了设计要求。目前发射电路及仪器其他各部分已经完成产品定型，进入产业化生产阶段。

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Design of transm itting circuit for m icro-resistivity imaging logging tool

CAO Wei，SHI Yi-bing，WANG Zhi-gang，ZHANG Wei
（School of Automation Engineering，University of Electronic Ssience and Technology of China，Chengdu 611731，China）

In this paper，a sine wave transmitter source based on PWM source was designed according to the features of micro-resistivity imaging logging.PIC microprocessor is used as the master control chip of the system.After amplified by half-bridge power amplifier and filtered by low-pass filter，the PWM signal produced by the PIC chip is exported as sine wave by a transformer.The sine wave voltage is used as the driving source for micro-resistivity imaging logging.The experiment results showed that amplitude of the sine wave can meet the requirements of Acquisition Circuit and SNR of the sine wave can meet the requirements for Data Processing Circuit.The transmitting circuit has been successfully applied in actual tool and good effect were achieved.

micro-resistivity imaging logging；transmitting circuit；PWM；PIC；half-bridge

TE2；TP752

A

1674-5124（2011）01-0070-04

2010-01-20；

2010-04-07

中海油企业发展基金（JSKF2007YJ16）

曹 微（1984-），男，四川成都市人，硕士研究生，专业方向为石油工程测井相关信号激励源设计。