MAX274在多頻陣列感應(yīng)成像測(cè)井儀中的應(yīng)用

陳章龍,陳 濤,宋青山,儲(chǔ)妮晟,劉 梟,江旗洪

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心,陜西西安710014;2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司隨鉆測(cè)井儀器研究中心,陜西西安710061;3.中國(guó)石油渤海鉆探定向井技術(shù)服務(wù)分公司,天津300280)

0 引 言

高性能陣列感應(yīng)成像測(cè)井儀由發(fā)射、線圈系和電子儀3部分組成。該儀器的設(shè)計(jì)原理是發(fā)射線圈發(fā)射交變電流,在地層介質(zhì)中產(chǎn)生交變磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生渦流,渦流(渦流的大小與地層的電導(dǎo)率成正比)產(chǎn)生二次磁場(chǎng),二次磁場(chǎng)在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[1]。發(fā)射短節(jié)發(fā)射 3種頻率(105.024、52.512、26.256 kHz)信號(hào),高中低3種頻率信號(hào)的發(fā)射電流之比為1∶4∶16。線圈系由8對(duì)不同尺寸的線圈構(gòu)成,用來(lái)接收二次磁場(chǎng)感應(yīng)出來(lái)的電動(dòng)勢(shì)。電子儀部分將接收的測(cè)量信號(hào)以及刻度信號(hào)進(jìn)行前置放大、帶通濾波、信號(hào)采集以及數(shù)據(jù)處理后送給地面處理。為從測(cè)量信號(hào)中分離出3種頻率感應(yīng)信號(hào),并對(duì)各信號(hào)進(jìn)行增益控制,需要設(shè)計(jì)帶通濾波器[2]。該濾波器基于MAX274芯片,根據(jù)需求設(shè)計(jì)了8個(gè)通道,每個(gè)通道通過(guò)二級(jí)帶通級(jí)聯(lián)組成。整個(gè)帶通電路分為電源轉(zhuǎn)換電路、輸入緩沖電路、濾波電路及求和放大電路4個(gè)部分。在設(shè)計(jì)中,不同信道通過(guò)的頻率以及設(shè)計(jì)的增益均不一樣,以適應(yīng)不同量級(jí)的信號(hào)處理要求,確保 HMIT濾波器在靈敏度、溫度穩(wěn)定性和微調(diào)特性等方面具備良好性能。

1 設(shè)計(jì)要求與硬件結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)要求

為了簡(jiǎn)化電路,通過(guò)高低電平實(shí)現(xiàn)奇偶選通,將8路信號(hào)分成了4路來(lái)測(cè)量,即奇信號(hào)時(shí)06、12、21、 39通道工作,偶信號(hào)時(shí)09、15、27、72通道工作。測(cè)量信號(hào)和刻度信號(hào)由前置放大電路輸出,進(jìn)入帶通濾波電路。在帶通濾波器里,首先進(jìn)入的是帶通的無(wú)放大的輸入緩沖器,信號(hào)從緩沖器出來(lái),進(jìn)入濾波放大器部分(其中06/09這2個(gè)通道只允許中心頻率為105.024 kHz的信號(hào)通過(guò);12/15這2個(gè)通道允許2種中心頻率為105.024 kHz和52.512 kHz的信號(hào)通過(guò);21/27、39/72這4個(gè)通道允許2種中心頻率為 52.512 kHz和26.256 kHz的信號(hào)通過(guò)),1種或2種頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)放大后通過(guò)濾波電路,再經(jīng)過(guò)求和放大器后輸出給數(shù)據(jù)采集單元。8道信號(hào)各道增益大小不一樣,在求和放大器中可進(jìn)行高中低頻信號(hào)的總增益調(diào)整。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

由于低頻、中頻和高頻帶通濾波器的工作原理是相同的,所以各通道的整體結(jié)構(gòu)是相同的。下面的硬件電路結(jié)構(gòu)、各通道增益以及各通道濾波芯片的外部阻值均以12/15通道為例來(lái)說(shuō)明。根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)要求以及MAX274芯片的特點(diǎn),將整個(gè)帶通電路設(shè)計(jì)成3個(gè)部分,即輸入緩沖器、雙頻帶通放大器以及求和放大器,為了讓濾波效果更加理想,濾道只含高頻帶通濾波,21/27、39/72通道與12/15通道結(jié)構(gòu)完全一樣。

圖1 帶通電路原理框圖

2 芯片選擇及原理

考慮到盡可能使儀器簡(jiǎn)短精致、維護(hù)方便,選擇了MAXIM公司的耐高溫芯片MAX274,其正常工作范圍為-55～125℃,若配上保溫瓶,可適應(yīng)高溫測(cè)井環(huán)境。MAX274是1個(gè)八階連續(xù)時(shí)間有源濾波芯片,它包含4個(gè)互相獨(dú)立的二階濾波單元(見(jiàn)圖2中的A/B/C/D)。

每個(gè)濾波單元有5個(gè)外接管腳,分別為輸入(IN)、帶通輸入(BPI)、帶通輸出(BPO)、帶通輸入(LPI)和低通輸出(LPO)。在作帶通濾波器用時(shí), Ui為輸入,Uo為輸出。其中 R1、R2、R3、R4分別為各濾波單元的外圍電阻。每個(gè)單元的中心頻率 F0、Q值、放大倍數(shù)均可由這4個(gè)外接電阻來(lái)確定。相互關(guān)系式為[3]

推導(dǎo)過(guò)程中的Q=ω0/Bω=ω0/2α,K為常數(shù),當(dāng)FC分別接至V+、GND和V-時(shí),K的取值對(duì)應(yīng)為4、1/5、1/25。

該芯片的特點(diǎn)是只需設(shè)計(jì)芯片外接電阻的大小,就可以設(shè)計(jì)出滿足要求的各種高階有源低通、高通、帶通濾波器,如Butterworth、Chebyshev和橢圓函數(shù)型等濾波器。這樣避免了外接電容,既降低了噪聲,又使調(diào)試變得簡(jiǎn)單。

圖2 MAX274外部電路

3 濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1 各級(jí)增益設(shè)置

由于不同頻率發(fā)射電流大小不一樣,每組接收線圈距離發(fā)射線圈的距離也不一樣,這樣每組接收線圈的各個(gè)頻率的信號(hào)幅度相差較大。而前放對(duì)各信號(hào)的放大倍數(shù)是相同的,為使進(jìn)入采集電路的信號(hào)幅度接近,要求帶通放大級(jí)對(duì)不同道的各頻率信號(hào)設(shè)置不同的增益。根據(jù)前放輸出信號(hào)的幅度大小,設(shè)置了各級(jí)的增益大小。其中12/15通道增益見(jiàn)表1。

表1 帶通濾波電路12/15通道增益設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2 電阻值設(shè)置

MAXIM公司為MAX274系列濾波芯片提供了設(shè)計(jì)軟件,該軟件可根據(jù)所要求的濾波形式,計(jì)算出濾波器階數(shù)、極點(diǎn)值、Q值和電阻的大小[3]。該軟件設(shè)計(jì)濾波器主要分兩大步驟:由濾波器指標(biāo)確定極點(diǎn)、Q值和零點(diǎn);完成濾波器在濾波芯片(MAX274)硬件上的實(shí)現(xiàn)。

在濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程中可以根據(jù)濾波器所需要達(dá)到的性能指標(biāo),如通帶內(nèi)最大衰減、阻帶內(nèi)最小衰減,截至頻率、抑制頻率、Q值等,迅速算出各類經(jīng)典濾波器的極點(diǎn)、階數(shù)和Q值;然后選擇所要設(shè)計(jì)濾波器的類型,根據(jù)需要調(diào)整Q值以及中心頻率、階數(shù)和各級(jí)增益;最后根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行外部電阻阻值計(jì)算。一般來(lái)說(shuō),要求端通帶和止帶處的特性曲線變化陡峭,即2端的Q值較大,而中間部分要求曲線平緩,即中間段Q值較小。每個(gè)帶通濾波單元的品質(zhì)因素Q被設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)的Qs=6.5;2級(jí)帶通濾波單元按照Q值從小到大的順序串聯(lián)后總的品質(zhì)因素Qt=10。以保證帶通濾波器可以實(shí)現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)范圍,達(dá)到較好的濾波效果。表2是通過(guò)理論計(jì)算出的12/15通道各級(jí)增益以及外部電阻值分配。

表2 帶通板12/15通道增益及外部電阻值分配

3.3 硬件電路

根據(jù)帶通電路原理框圖1,各通道各級(jí)增益值以及外部電阻值,可將整個(gè)帶通電路分為電源轉(zhuǎn)換電路、輸入緩沖電路、濾波電路以及求和放大電路。其中,電源轉(zhuǎn)換電路是為MAX274提供±5 V,而HMIT電源部分只提供±15 V與±25 V電壓,故需要電源轉(zhuǎn)換,此處采用常見(jiàn)的轉(zhuǎn)換電路。另外3部分具體電路見(jiàn)圖3。

輸入緩沖器是帶通濾波板的輸入部分,它接收來(lái)自前置放大器的輸出信號(hào),作用是提高整個(gè)帶通板的輸入阻抗,同時(shí)避免將前置放大器的噪聲信號(hào)引入到濾波電路。該電路由一個(gè)差分運(yùn)算放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn),運(yùn)算放大器采用AD829SQ。濾波電路也是整個(gè)帶通濾波的核心,每個(gè)通道由MAX274和外圍電阻組成,實(shí)現(xiàn)濾波和各通道的增益變化。輸出求和放大電路由選通電路和反向放大電路組成,選通電路選用的是DG189AP/883,反向放大電路的運(yùn)算放大器選用的是AD829SQ,均屬高溫芯片。該電路的作用是對(duì)帶通板的總增益進(jìn)行調(diào)節(jié),并且將帶通板與后面電路隔離開(kāi)來(lái),減小帶通板的輸出阻抗。為提高帶通板耐穩(wěn)定性,很多芯片采用貼片式的,插件芯片采用硅膠加固,防止因顛簸松動(dòng)而引起電路故障。

4 調(diào)試與加溫?cái)?shù)據(jù)分析

4.1 調(diào)試思路

根據(jù)MAX274芯片設(shè)計(jì)思路,每個(gè)單元的中心頻率 F0、品質(zhì)因數(shù)Q值、放大倍數(shù)G均可由其外接電阻R1～R4的設(shè)計(jì)來(lái)確定。其中,輸出信號(hào)的幅度由R1和R3決定,信號(hào)的相位主要由R2和 R4決定。由電位器代替相關(guān)電阻(R1、R2、R3、R4以及調(diào)輸出信號(hào)總增益的選通電阻),一二級(jí)配合調(diào)試直至達(dá)到設(shè)計(jì)的參數(shù)要求。

圖3 12/15通道電路圖

4.2 加溫時(shí)參數(shù)變化以及數(shù)據(jù)分析

測(cè)井儀器通常要經(jīng)過(guò)多次高溫試驗(yàn),以便更好地適應(yīng)測(cè)井環(huán)境,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。針對(duì)12/15帶通板,用干燥箱從常溫26℃加溫至175℃,并記錄了26、85、125、145、155、175℃各溫度下的數(shù)據(jù),以及2 h恒溫155℃時(shí)的數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)看出,隨著溫度的升高,所測(cè)感應(yīng)信號(hào)幅度的偏幅達(dá)3%～5%,相位差達(dá)到4°～9°,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 12/15通道各溫度下輸出幅度及相位差值

HMIT設(shè)計(jì)之初就考慮到溫漂現(xiàn)象,即采用二級(jí)刻度電路。儀器線圈系發(fā)射電流經(jīng)取樣變壓器取樣后,得到一個(gè)正比于發(fā)射電流的小電壓信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)高阻抗的二級(jí)刻度板放大后給前放提供了正比于發(fā)射電流的電壓信號(hào),該信號(hào)可用來(lái)修正因溫度升高導(dǎo)致發(fā)射電流變化帶來(lái)的增益和相位的變化,設(shè)計(jì)的增益變化范圍為5%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

5 結(jié) 論

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明,用MAX274濾波芯片實(shí)現(xiàn)本濾波功能,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,調(diào)試、維護(hù)方便,噪聲低,實(shí)現(xiàn)了各道增益控制,很好適應(yīng)復(fù)雜的測(cè)井環(huán)境。

[1] 張建華,劉振華,仵 杰.電法測(cè)井原理與應(yīng)用[M].西安:西北大學(xué)出版社,2002.

[2] 湯天知,陳 濤.MIT陣列感應(yīng)測(cè)井微弱信號(hào)檢測(cè)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)井技術(shù),2008,32(6):585-586.

[3] 周凱波,范吉偉,周 偉.多頻陣列感應(yīng)成像測(cè)井儀帶通濾波電路研制報(bào)告[R].2008,12-14.