基于正余弦旋转变压器在井周超声成像中的应用

2011-11-04思孟令红代

石油管材与仪器 2011年1期

关键词：余弦换能器绕组

成思孟令红代辉

(1.中国电子科技集团第二十二研究所河南新乡) (2.延长油田南泥湾采油厂陕西延安)

基于正余弦旋转变压器在井周超声成像中的应用

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(1.中国电子科技集团第二十二研究所河南新乡) (2.延长油田南泥湾采油厂陕西延安)

利用正余弦旋转变压器所产生的角度关系,结合硬软件,为井周超声成像换能器提供精确发射时刻和圈同步信号,同时为电机提供正确的换相时刻。文章简要描述了正余弦旋转变压器的工作原理,重点介绍了硬件和软件方法。该方法简单可靠,可在测角系统中广泛应用。

正余弦旋转变压器;井周超声成像;发射

0 引言

井周超声成像是利用收发合一的超声换能器对井壁(裸眼井或套管井)进行螺旋扫描,然后对反射回的超声波信号进行滤波、增益自动控制和采集,提取首波到达时间和峰值幅度。地面根据提取的到达时间和峰值幅度信息,结合方位,就可以进行幅度成像和时间成像。结合换能器所固有的分辨率,为了达到周向分辨率,要求换能器每旋转一圈就需发射200次(裸眼井)或100次(套管井),也就是每1.8°或3.6°发射一次。如果角度太大,根据采样定理可知信号不能完整复原,从而不能真实反映地层;如果角度太小,信号的重复率就越高,尽管这对信号的复原很有好处,但会大大影响测井速度。所以,精确选取两次发射的间隔角度就显得十分重要。

1 正余弦旋转变压器的工作原理

旋转变压器(resolver)是一种电磁式传感器,又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机,用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度,由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边,接受励磁电压,励磁频率通常用400 Hz、3 000 Hz及5 000 Hz等。转子绕组作为变压器的副边,通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器的转子上没有输入或输出绕组,它只是一个闭合的线圈。定子上所加的励磁信号,感应到转子线圈。定子上的相互垂直的绕组感应转子线圈磁场的变化,从而输出正余弦信号[1]。其原理图如图1所示。

图1 正余弦旋转变压器结构图

其中,θ为轴转角,sin(ωt)为励磁信号,K为变压器变比,V为励磁信号幅度。

旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似,区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的,所以输出电压和输入电压之比是常数,而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变,因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化,输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系。旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号。

2 正余弦角度信号的数字化

旋转变压器的输出是包含着位置信息的模拟信号,单片机处理的是数字信号,故需对其处理并将其转化成对应的包含着位置信息的数字量,才能与单片机控制芯片接口。这就需要设计相应的信号转换电路或者使用专用的旋转变压器—数字转换器(AD2S80)来实现,后者由于有功能强、可靠性高、使用方便等优点而被广泛采用[2]。

AD2S80的优点:

1)允许用户自己选择适合的的分辨率。AD2S80提供有10位、12位、14位或16位的分辨率,用户可根据需要,通过外围器件的不同连接选用不同的分辨率。

2)通过三态输出引脚输出并行的二进制码来表征位置信息,因而很容易与单片机控制芯片接口。

3)采用比率跟踪转换方式,使之能连续输出位置数据并具有较强的抗干扰能力和远距离传输能力。

4)用户可通过外围阻容元件选择,改变转换的动态性能,如带宽、最大跟踪速率等。

5)具有很高的最大跟踪速度,10位分辨率时的最大跟踪速度为1 040转/秒。

6)能提供高精度的速度信号输出。AD2S80能提供与转速成正比的模拟信号,其典型的线性度达到±1%,回差小于±0.3%。

在AD2S80的使用中,其外围的元器件选择需要按照AD2S80的资料比较准确地计算,否则对正余弦输出信号会有一定的影响,严重的可能导致AD2S80不能正常工作。

3 电路设计

正余弦变压器的副边与电机的转子连接在一起,装有超声晶体的扫描头通过连轴器与电机的转子连接。当电机转动时,带动正余弦变压器副边一起转动,从而在正余弦变压器的原边产生角度相关的正余弦信号。以下是电路的结构部分。

电路部分包括:振荡电路、译码电路、电机控制电路和发射电路。

振荡电路为正余弦变压器提供5 V的激励信号,并且为AD2S80处理部分电路提供参考信号。AD2S80根据参考信号和正余弦变压器产生的正余弦信号,自动产生与角度相关的10位数字化信号和转换有效信号。当一次转换结束时,AD2S80的BUSY就置低;当一圈转动结束时,即AD2S80的输出全部为0时,其RCLK就输出一个脉冲。

译码电路由锁存器与EPROM组成。它把AD2S80输出的10位信号和200点/100点选择信号当作地址,把转换有效信号(BUSY)当作触发信号,在0000-1023的地址空间输出此角度需要的控制状态。1024个地址预先存放相对应的发射控制信号和电机换相控制信号。当选择200点时,转子转到1.8°、3.6°、5.4°……360°等须发射的角度时,译码电路就根据此地址选出预存数据来控制超声换能器的发射。当选择100点时,转子转到3.6°、7.2°……360°时,就控制超声换能器发射。同时,它们都在AD2S80输出为0时,EPROM还要输出圈同步信号,通知单片机电机已转动一圈,准备处理此圈的数据。另外,电机的换相控制信号须由电机的型号来具体确定。图2是系统控制框图。

图2 系统控制框图

4 软件设计

由于控制发射信号和换相信号在某个角度是固定的输出,所以译码电路只需锁存器和EEPROM就能满足要求。在编程时,把事先设计好的数据写入到EEPROM就能产生所需的控制信号[3]。

在井周超声成像中,扫描头每转一圈需要晶体发射200次或100次,也就是每1.8°或3.6°发射一次。对于AD2S80,选择10位AD输出时,也就是每变化一个AD数,角度就变化360°/1024=0.3515625°。当选择200次/圈时,从上一次正确发射到本次发射,AD数就要变化5,即5×0.3515625°=1.7578125°。如果一直按照每变化5个AD数就发射一次,当发射200次时,其实际角度为200×0.3515625°=351.5625°,而不是360°。所以,在编程时,就要以实际转过的角度为准。

圈同步信号的产生不存在以上问题。编程时只需在AD2S80输出为000H时,把圈同步信号置高,其余角度输出全部置低,就能产生圈同步信号。

根据准确的发射时刻信号,通过延时产生一定宽度的高压窄脉冲,就能正确地控制超声晶体的发射。

向EPROM写入的部分数据见表1。