聲波測(cè)井模擬電路老化及檢測(cè)系統(tǒng)研制

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(1.中國(guó)石油大學(xué) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué) 地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102249； 3.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司西南分公司，重慶 400021； 4.中國(guó)石油測(cè)井有限公司天津分公司，天津 300280)

0 引言

近年來(lái)，復(fù)雜地質(zhì)條件的勘探開(kāi)發(fā)促使聲波測(cè)井，測(cè)井技術(shù)也得到了快速發(fā)展，從基于單極的雙發(fā)雙收測(cè)井儀，到基于偶極子的多極子陣列聲波測(cè)井儀，直到現(xiàn)今的正在研制的陣列化的方位聲波測(cè)井及三維聲波測(cè)井儀[1-3]。從測(cè)井儀器發(fā)展歷程可以看出，其發(fā)展顯著特征是聲波測(cè)井儀器的探測(cè)器逐漸趨于陣列化。陣列化的傳感器結(jié)構(gòu)可以獲取豐富的地層信息，使井周地質(zhì)構(gòu)造的精細(xì)描述成為可能。但是陣列化的傳感器結(jié)構(gòu)也帶了電子系統(tǒng)的陣列化[4-5]，特別是處理聲波接收傳感器輸出信號(hào)的模擬電路規(guī)模大幅增加。偶極陣列聲波測(cè)井有8個(gè)接收站，每個(gè)站合成后輸出一路模擬信號(hào)。三維聲波測(cè)井儀有8～13個(gè)站組成，每個(gè)站有8路模擬信號(hào)輸出，總模擬信號(hào)通道數(shù)達(dá)到64～104個(gè)。由于電路規(guī)模大幅增加，電子系統(tǒng)已無(wú)法與聲系分節(jié)放置，聲波測(cè)井儀模擬電路安裝于接收聲系內(nèi)部的承壓倉(cāng)內(nèi)[6]。高溫惡劣工作環(huán)境、陣列化的傳感器、陣列化的電子系統(tǒng)及復(fù)雜的安裝結(jié)構(gòu)使陣列化聲波測(cè)井儀聲系的故障維護(hù)工作變得十分復(fù)雜和艱巨。

電子元件的故障概率曲線為浴盆型，早期失效概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中間使用階段的失效概率[7-9]。聲波測(cè)井儀器工作在井下高溫惡劣環(huán)境中，早期失效概率更高，且電路系統(tǒng)的故障種類也更加繁多。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，聲波測(cè)井模擬電路有些復(fù)雜故障與溫度密切相關(guān)，只有經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的老化，在一定的溫度下才能顯現(xiàn)，因此，只有在老化過(guò)程中在線監(jiān)測(cè)，才能保證老化效果的可靠性。

為解決上述問(wèn)題，需要研制一套檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)陣列化聲波測(cè)井儀器聲系內(nèi)部模擬電路的老化和在線檢測(cè)工作，以保證測(cè)井儀器的可靠性，降低維護(hù)成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

聲波模擬電路的老化及檢測(cè)策略是：檢測(cè)系統(tǒng)控制聲波模擬電路在工作狀態(tài)下經(jīng)過(guò)兩個(gè)周期的高低溫循環(huán)(從室溫按照一定升溫梯度加溫到最高溫度，在此溫度下老化一定時(shí)間，而后按一定降溫梯度降溫到室溫，之后再按照一定加溫梯度加溫到最高溫度，在此溫度下老化一定時(shí)間后，按一定降溫梯度降溫到室溫)；在老化過(guò)程，檢測(cè)系統(tǒng)給模擬電路提供掃頻信號(hào)，并采集模擬電路的輸出信號(hào)，并根據(jù)輸出信號(hào)計(jì)算和分析電路的工作狀態(tài)；檢測(cè)系統(tǒng)給聲波模擬電路供電，并記錄供電電壓和電流，為狀態(tài)分析提供依據(jù)。

聲波測(cè)井儀模擬電路老化及檢測(cè)系統(tǒng)是以基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的控制軟件為中心，以集信號(hào)產(chǎn)生卡、多個(gè)數(shù)據(jù)采集卡于一體的PXI系統(tǒng)為硬件平臺(tái)[10-12]，配以少量的專用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)包括PXI系統(tǒng)、信號(hào)衰減電路、輔助控制電路和溫控箱。PXI系統(tǒng)包括一個(gè)PXI控制器、一個(gè)基于PXI總線的低速8通道高精度數(shù)據(jù)采集卡、一個(gè)基于PXI總線的高速8通道高精度數(shù)據(jù)采集卡和一個(gè)基于PXI總線的高精度信號(hào)產(chǎn)生卡。PXI控制器為集成CPU、內(nèi)存、硬盤、PXI總線、以太網(wǎng)、USB和其他IO等為一體的嵌入式控制器，該控制器運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)。PXI控制器插槽數(shù)據(jù)通訊速度可達(dá)2 GB/s，PXI控制器為擴(kuò)展板卡提供多條共享時(shí)鐘和同步觸發(fā)信號(hào)，可以靈活實(shí)現(xiàn)多擴(kuò)展卡的同步工作。低速8通道高精度數(shù)據(jù)采集卡用于待測(cè)模擬板供電電壓和電流的采集，高速8通道高精度數(shù)據(jù)采集卡用于待測(cè)模擬電路輸出信號(hào)的采集。高精度信號(hào)產(chǎn)生卡用于產(chǎn)生待測(cè)模擬電路的輸入信號(hào)。

待測(cè)模擬電路置于溫控箱內(nèi)，溫控箱的控制器通過(guò)RS485總線與輔助控制電路相連。信號(hào)衰減電路用于濾波和程控衰減待測(cè)電路輸入信號(hào)。輔助控制電路用于PXI控制器與溫控箱的溫控器通訊的總線轉(zhuǎn)換、待測(cè)模擬電路輸入信號(hào)衰減控制、待測(cè)模擬電路供電控制和模擬電路供電電壓及電流信號(hào)的調(diào)理。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的硬件包括兩部分，一是PXI系統(tǒng)，該部分由模塊化板卡組成；二是與待測(cè)模擬電路密切相關(guān)的專用輔助電路，該部分需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。該部分電路包括信號(hào)衰減電路和輔助控制電路。

信號(hào)產(chǎn)生卡與數(shù)字系統(tǒng)緊密相連，輸出信號(hào)的本底噪聲幅度較大，直接用于聲波模擬電路高增益檢測(cè)時(shí)會(huì)造成模擬電路飽和失真。因此，需要對(duì)信號(hào)產(chǎn)生卡輸出信號(hào)進(jìn)行濾波并衰減。信號(hào)衰減電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其主要有帶通濾波器、程控衰減器、驅(qū)動(dòng)器和鋰電池組構(gòu)成。帶通濾波器為4階，其上下截止頻率分別為80 kHz和100 Hz，帶寬遠(yuǎn)大于待測(cè)電聲波模擬電路帶寬。程控衰減器由精密電路網(wǎng)絡(luò)和模擬開(kāi)關(guān)組成。衰減電路分為四檔，4個(gè)電阻阻值分別為19.8 kΩ、19.8 kΩ、10 kΩ和100 Ω。電阻網(wǎng)絡(luò)帶負(fù)載能力弱，為驅(qū)動(dòng)多個(gè)待測(cè)聲波模擬通道，電阻網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器后輸出。為保證輸出信號(hào)信噪比，衰減電路由鋰電池組供電，并選用低噪聲運(yùn)算放大器。

圖2 信號(hào)衰減電路結(jié)構(gòu)圖

輔助控制電路功能是為待測(cè)模擬電路供電并提供增益控制信號(hào)、為衰減電路提供衰減控制信號(hào)和PXI控制器與溫控器通訊。輔助控制電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其主要由USB控制器、RS485驅(qū)動(dòng)器、模擬電源、檢流電路、微控制器、繼電器和光隔離器等組成。USB控制器采用FT2232芯片，它可以將USB接口轉(zhuǎn)換為兩串行接口，其中一個(gè)串口經(jīng)光隔離后與RS485驅(qū)動(dòng)器相連，將雙工的串口通訊轉(zhuǎn)換為抗噪性能優(yōu)良的半雙工RS485模式，用于PXI控制器與溫控箱的溫控器通訊；另一個(gè)串口用與微控制器通訊。FT2232在PXI系統(tǒng)中虛擬為兩個(gè)串口。微控制器采用C8051F020芯片，其根據(jù)PXI控制器下發(fā)的控制命令控制繼電器的通斷，實(shí)現(xiàn)待測(cè)電路供電控制。微控制器并實(shí)現(xiàn)衰減電路衰減控制、待測(cè)電路增益控制。為降低電源噪聲對(duì)待測(cè)電路測(cè)量的影響，為待測(cè)電路專門設(shè)計(jì)了模擬電源，該模擬電源輸出電壓噪聲峰峰值不超過(guò)60 μV。檢流電路通過(guò)精密檢流電阻和差分放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。為降低數(shù)字系統(tǒng)噪聲對(duì)模擬電路的干擾，微控制器對(duì)待測(cè)電路的增益控制信號(hào)和對(duì)衰減電路的衰減控制信號(hào)均經(jīng)過(guò)光隔離。

圖3 輔助控制電路結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

老化及檢測(cè)系統(tǒng)軟件是基于LabVIEW構(gòu)建。從功能角度劃分，檢測(cè)系統(tǒng)軟件主要由溫度控制、供電控制、采集控制、信號(hào)產(chǎn)生控制、數(shù)據(jù)處理、文件存儲(chǔ)和顯示等功能模塊組成，其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。檢測(cè)系統(tǒng)軟件通過(guò)基于USB總線的虛擬串口控制溫控箱的溫度及待測(cè)電路的供電，通過(guò)PXI總線控制各板卡，產(chǎn)生測(cè)量激勵(lì)信號(hào)、采集待測(cè)電路輸出信號(hào)及供電電壓和電流信號(hào)，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算待測(cè)電路的幅頻曲線和失真度以及供電電壓和電流，從而形成全自動(dòng)化的老化和在線檢測(cè)的軟件。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)系統(tǒng)軟件在具體實(shí)現(xiàn)上主要由3個(gè)線程組成，分別是溫度控制線程、檢測(cè)線程和供電控制線程，如圖5所示。溫度控制線程是根據(jù)老化策略的要求設(shè)置加溫曲線，而后通過(guò)虛擬串口控制溫控箱按設(shè)定溫度曲線運(yùn)行。溫度控制是分段實(shí)現(xiàn)，溫度控制線程將整個(gè)加溫過(guò)程分為多個(gè)不同溫度段，通過(guò)虛擬串口設(shè)置每段的目標(biāo)溫度和溫度梯度，恒溫箱的溫控器自動(dòng)調(diào)整PID控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)既定斜率的升降溫。供電控制線程是通過(guò)虛擬串口控制待測(cè)模擬電路的供電，并控制低速采集卡采集待測(cè)電路的供電電壓信號(hào)和供電電流信號(hào)，當(dāng)電流過(guò)大后，切斷待測(cè)電路供電，并停止檢測(cè)。檢測(cè)程序啟動(dòng)后，供電控制線程通過(guò)虛擬串口向微控制器發(fā)送供電命令，微控制器接到命令后控制供電繼電器閉合，給待測(cè)電路供電，而后供電控制線程控制低速采集卡采集待測(cè)電路的供電電壓和供電電流信號(hào)，并計(jì)算供電電壓和供電電流，若供電電流正常，則繼續(xù)下一個(gè)電壓電流采集和計(jì)算循環(huán)，若電流值超過(guò)所設(shè)定警戒值，則下發(fā)停止供電命令給微控制器，微控制器控制繼電器斷開(kāi)，從而切斷待測(cè)電路供電。供電控制線程在這3個(gè)線程中擁有最高的優(yōu)先級(jí)。

圖5 軟件控制流程圖

檢測(cè)線程是核心線程，其工作流程如下：1)通過(guò)基于USB總線的虛擬串口設(shè)置衰減電路的衰減量和待測(cè)電路的增益；2)設(shè)定信號(hào)產(chǎn)生卡產(chǎn)生信號(hào)的頻率和幅度及同步控制方式，設(shè)定高速數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率和采樣深度及同步控制方式。通過(guò)這些設(shè)置使信號(hào)產(chǎn)生卡和高速數(shù)據(jù)采集卡共享PXI母板的時(shí)鐘線和同步線；3)通過(guò)PXI總線下發(fā)同步觸發(fā)信號(hào)給信號(hào)產(chǎn)生卡和數(shù)據(jù)采集卡，二者同步工作，分別產(chǎn)生既定幅度和頻率的正弦信號(hào)和并行采集待測(cè)電路輸出波形；4)計(jì)算待測(cè)電路輸出信號(hào)的幅值和失真率，而后根據(jù)信號(hào)衰減電路的幅頻參數(shù)和增益參數(shù)校正測(cè)量結(jié)果，并存儲(chǔ)和顯示。重復(fù)1)～4)即可測(cè)得待測(cè)電路在各個(gè)增益下的幅頻曲線和失真度。

待測(cè)電路輸出信號(hào)的幅值和失真度反映待測(cè)模擬電路狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，二者都可以通過(guò)由基于擬合和FFT分析的方法計(jì)算[13-15]。但是擬合法容易陷入局部極值，而導(dǎo)致較大偏差。FFT分析法要求采樣序列為2的指數(shù)次方，且為降低柵欄效應(yīng)引起的誤差，需要較長(zhǎng)的采集序列。而老化過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且每個(gè)溫度點(diǎn)要測(cè)多個(gè)增益和多個(gè)頻率點(diǎn)，長(zhǎng)采集序列會(huì)造成檢測(cè)記錄文件會(huì)過(guò)大。為克服上述問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用數(shù)字相敏檢波算法提取信號(hào)的幅度和相位，而后用求得的幅度和相位重構(gòu)一個(gè)正弦信號(hào)序列，通過(guò)測(cè)量信號(hào)與重構(gòu)的正弦序列計(jì)算失真度。

根據(jù)數(shù)字相敏檢波原理[16-17]，可根據(jù)公式(1)和(2)求得信號(hào)的實(shí)部I和虛部Q：

(1)

(2)

公式(1)和(2)中，A為信號(hào)幅度，φ為信號(hào)的相位，N為計(jì)算序列長(zhǎng)度，d(n)為計(jì)算序列的第n個(gè)數(shù)據(jù)，ΔT為采樣間隔。

通過(guò)公式(1)和(2)可以計(jì)算出待測(cè)信號(hào)在給定頻率的幅度和相位，則失真度由式(3)計(jì)算。

(3)

本文所采用的幅度和失真度計(jì)算方法所需采集數(shù)據(jù)量小，計(jì)算量小，在信號(hào)幅度和失真計(jì)算過(guò)程中關(guān)鍵是相敏檢波算法。數(shù)字相敏檢波算法源于傅立葉變換，為保證相敏檢波算法的計(jì)算精度，要求采樣序列包含整數(shù)個(gè)信號(hào)周期。本設(shè)計(jì)中，設(shè)置信號(hào)產(chǎn)生卡和數(shù)據(jù)采集卡共享PXI插槽的同一時(shí)鐘，采樣頻率嚴(yán)格設(shè)置為信號(hào)頻率的50倍，且采樣長(zhǎng)度是50的整數(shù)倍，以保證幅值和失真度求取的準(zhǔn)確。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)高速采集卡采集數(shù)據(jù)計(jì)算所得的待測(cè)電路幅頻響應(yīng)曲線包含了衰減電路的影響，雖然衰減電路中濾波器的帶寬遠(yuǎn)大于待測(cè)電路的帶寬，但是其對(duì)待測(cè)電路幅頻響應(yīng)測(cè)量的影響仍不能忽視。為校正濾波器的影響，采用HP4192A的相對(duì)幅度測(cè)量功能測(cè)量了信號(hào)衰減電路中濾波器的幅頻響應(yīng)。測(cè)量結(jié)果如圖6所示，由于HP4192A相對(duì)幅度測(cè)量功能的最低頻率為100 Hz，所以，衰減電路的幅頻曲線也從100 Hz開(kāi)始?？梢钥闯鏊p電路的濾波器上下截止頻率為79 kHz和105 Hz，與所設(shè)計(jì)的上下截頻率接近，符合設(shè)計(jì)要求。從圖中可以看出，濾波器在頻帶內(nèi)平坦度良好。該數(shù)據(jù)作為校正參數(shù)，用于校正衰減電路濾波器的幅頻響應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

圖6 采集波形和幅頻曲線

信號(hào)衰減電路中的衰減電阻為千分之一的金屬膜電阻，為提高衰減精度，實(shí)際焊接電阻為從千分之一電阻中篩選而來(lái)。雖然衰減電阻經(jīng)過(guò)了篩選，但是實(shí)際衰減值與理論值仍然存在一定的誤差。為提高測(cè)量精度，采用KEITHLEY2002測(cè)量了不同衰減檔時(shí)的輸出電壓值和輸入電壓值，二者相除得到不同衰減檔下的衰減值，如表1所示。從表中可以看出，經(jīng)過(guò)篩選的電阻組成的衰減電路的衰減值與理論值誤差很小，最大相對(duì)誤差為6.24e-4%，保證了檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。

表1 衰減電路衰減表

通過(guò)對(duì)衰減電路帶寬和各衰減檔衰減量的測(cè)量，建立了測(cè)量系統(tǒng)的校正參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了待測(cè)電路幅頻特性的高精度測(cè)量。所研制聲波模擬電路老化及檢測(cè)系統(tǒng)已完成兩支三維聲波測(cè)井儀模擬電路的全自動(dòng)老化及在線檢測(cè)。三維聲波測(cè)井儀模擬電路的老化及檢測(cè)是以一個(gè)接收站的8個(gè)模擬通道為單位，老化和檢測(cè)過(guò)程中三維聲波測(cè)井儀的模擬電路置于溫控箱內(nèi)，其它電路均置于溫控箱外，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)均通過(guò)耐高溫同軸電纜連接，正負(fù)供電通過(guò)雙絞屏蔽線引入。老化及檢測(cè)過(guò)程為兩個(gè)低高溫循環(huán)，具體過(guò)程如下：1)檢測(cè)系統(tǒng)軟件下發(fā)供電命令，給待測(cè)電路供電；2)控制恒溫箱以2.5℃/min的升溫速度加溫到最高老化溫度175℃(地溫梯度平均為3℃/100 m，測(cè)井施工中測(cè)井儀器最高下放速度一般不超過(guò)4 500 m/h，則儀器的溫升速度為2.25℃/min，檢測(cè)中，為提高老化強(qiáng)度將升溫梯度提高10%，則約為2.5℃/min)；3)在175℃下，待測(cè)電路工作4小時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)連續(xù)檢測(cè)待測(cè)電路工作狀態(tài)，并記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)；4)控制恒溫箱以1.25℃/min的降溫速度降溫到35℃；5)在35℃下工作0.5小時(shí)；6)重復(fù)步驟(2)～(5)；7)停止供電，并生成檢測(cè)異常報(bào)告。

圖7為方位聲波測(cè)井儀器一個(gè)接收站的8個(gè)通道模擬電路在175℃時(shí)的波形圖和幅頻曲線。上圖為當(dāng)前采集的波形，下圖為根據(jù)掃頻數(shù)據(jù)計(jì)算和校正后得到的幅頻曲線，頻率范圍為200 Hz～40 kHz，步進(jìn)200 Hz，可以看到這8個(gè)通道的聲波模擬處理電路工作正常，且一致性良好。

圖7 采集波形和幅頻曲線

模擬電路經(jīng)過(guò)該檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)后的兩支三維聲波測(cè)井儀已經(jīng)在華北油田和長(zhǎng)慶油田順利完成多口井的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，記錄的最高井底溫度為168℃，兩支儀器的模擬電路部分均未出現(xiàn)異常。

5 結(jié)束語(yǔ)

聲波模擬電路老化及檢測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)以PXI系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，擴(kuò)展相關(guān)的輔助專用硬件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)控制軟件以LabVIEW為中心，開(kāi)發(fā)了控制及數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)了聲波測(cè)井模擬電路的全自動(dòng)老化和在線檢測(cè)。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中以數(shù)字相敏檢波算法代替擬合算法來(lái)計(jì)算失真度，降低了采樣長(zhǎng)度，簡(jiǎn)化了計(jì)算復(fù)雜度，提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

借助于虛擬儀器的軟件硬件平臺(tái)，結(jié)合相關(guān)輔助專業(yè)硬件，使所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。通過(guò)實(shí)測(cè)證明了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，極大提高了陣列化聲波測(cè)井儀器模擬電路老化和檢測(cè)的效率，為新型高端聲波測(cè)井儀器和現(xiàn)行聲波測(cè)井儀器的可靠性提供了保障。