隨鉆中子測井儀中高壓直流電源的研制

程羽 王昊煒 陳敬智

【摘 要】He3管探測器是隨鉆中子孔隙度測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，工作時需要高壓直流電源激勵，要求高壓直流電源耐高溫，功耗小、紋波小，在高溫時能穩(wěn)定的運行，電壓輸出不會出現(xiàn)波動。基于Cockcroft倍壓電路原理設(shè)計了高壓直流電源，在不同環(huán)境溫度下進行了性能測試、中子靈敏度測試、坪區(qū)特性測試等，該高壓直流電源滿足隨鉆中子測井儀He3管探測器的工作需求。

【關(guān)鍵詞】Cockcroft電路;高壓電源;脈寬調(diào)制;紋波

中圖分類號：TN912 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）07-0055-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.023

【Abstract】He3 tube detector is the key component of the neutron porosity measurement system while drilling. It needs high voltage DC power supply to excite when it works. It requires high temperature resistance， low power consumption and low ripple. It can operate steadily at high temperature， and the voltage output will not fluctuate. Based on the principle of Cockcroft voltage doubling circuit， a high voltage DC power supply is designed. The performance test， neutron sensitivity test and flat area characteristic test are carried out at different ambient temperatures. The high voltage DC power supply meets the working requirements of the He3 tube detector of the neutron logging tool while drilling.

【Key words】Cockcroft Circuit; High Voltage Power; Pulse Width Modulation; Ripple

0 引言

在隨鉆測井作業(yè)中，中子孔隙度測量是隨鉆測井作業(yè)最基本的、最關(guān)鍵的組成部分，地層孔隙度是實施綜合地層評價的重要地質(zhì)參數(shù)之一[1]。由于隨鉆測井的工作環(huán)境惡劣，要求隨鉆中子測井儀及其器件必須滿足耐高溫高壓、抗振動以及空間結(jié)構(gòu)狹小等客觀要求。He3管探測器是隨鉆中子測井儀的關(guān)鍵部分，激勵He3管探測器的高壓直流電源必須耐高溫，功耗小、紋波小，在高溫時直流高壓能穩(wěn)定輸出，不會出現(xiàn)較大的波動。

1 He3管工作原理

He3管由陽極絲、He3氣體、金屬外殼等組成，工作時陽極絲處于高壓激發(fā)狀態(tài)，需要一個穩(wěn)定的直流高壓激勵才能工作。當熱中子進入He3管探測器時，撞擊He3核，引起核反應(yīng)，產(chǎn)生H3（氚）子，該質(zhì)子使其它一部分He3電離，產(chǎn)生帶電的離子和電子，在高壓電場的作用下，電子向陽極運動，產(chǎn)生一負脈沖，脈沖幅度在0.5μV～1.5mV范圍內(nèi)連續(xù)分布，脈沖寬度小于5μs，為隨機信號。He3管工作時，有特定的坪區(qū)高壓，坪區(qū)高壓在1050V～1250V之間，坪區(qū)長度大概是200V，在高溫時直流高壓需要保持穩(wěn)定不變輸出，He3管的阻抗為1012Ω，工作時電流很微弱，輸出的信號電壓只有幾個mV，因此，要求高壓直流電源功耗小，紋波信號干擾小，高溫時穩(wěn)定輸出直流，高壓值不能波動很大[2]。

2 高壓直流電源原理及電路設(shè)計

2.1 高壓直流電源原理

隨鉆中子的高壓直流電源主要是給He3管探測器供電，針對He3管輸入高壓電源必須滿足耐高溫、功耗小、紋波小，溫飄小等特殊要求，基于柯克羅夫特（Cockcroft）倍壓原理設(shè)計了高壓電路，原理是采用變壓器方式產(chǎn)生初級高壓，變壓器初級線圈供電為正負5V，變比為1：20，次級線圈電壓輸出為200V，高壓形成電路采用6級柯克羅夫特（Cockcroft）回路倍壓。上半周時， D10導通，D11截止，變壓器電源經(jīng)D10向C41充電，理想情況下，D10視為短路，電容C41充電至200V;下半周時，D10截止，D11導通，變壓器電源和C41串聯(lián)后電壓為400V，同時給C43充電，依次類推，6級倍壓后C51輸出電壓為1200V，輸出值正好在He3管的坪區(qū)電壓范圍內(nèi)。

SE555P芯片控制著電路高壓的產(chǎn)生，555_RST端輸入為高電平時，555工作，產(chǎn)生高壓，555_RST端輸入為低電平時，555復(fù)位，高壓消失。高壓電源的參考電源是由D/A_OUT引腳控制的，D/A_OUT值大小控制著初始高壓值的輸出值，D/A_OUT引腳初始值決定著的初始高壓值，整個電路具有溫度補償功能，采集溫度信號值，隨溫度變化，會有相應(yīng)的溫度補償。

2.1.1 初級電壓監(jiān)測

高壓電路工作時需要監(jiān)測變壓器工作是否正常，產(chǎn)生的高壓值是否正常，因此在在變壓器的后端設(shè)計了初級監(jiān)測電路，TR_1FB是變壓器后面的初級監(jiān)測采集回路，直接監(jiān)測變壓器產(chǎn)生的200V電壓值，經(jīng)過運放，返回到監(jiān)測電路，實時監(jiān)測采集到的電壓值，來判斷變壓器是否正常工作。

2.1.2 高壓直流電源的反饋控制

經(jīng)過6級柯克羅夫特（Cockcroft）回路倍壓產(chǎn)生的1200V高壓，不能直接采集監(jiān)測，采用分壓電阻分壓方式監(jiān)測，分壓到芯片可以檢測到的范圍內(nèi)，OP284EP比較器把采集到的電壓和D/A_OUT輸出電壓比較，控制著555芯片的導通時間，采集的高壓值分量大于D/A_OUT時，比較器輸出負值，從而減小PWM脈寬寬度，從而減少高壓電路變壓器的導通時間，使高壓值變小，反之，采集的高壓值分量小于D/A_OUT時，比較器輸出正值，增大PWM脈寬寬度，從而增加高壓電路變壓器的導通時間，使高壓值變大，通過控制變壓器的的脈寬，調(diào)整高壓的輸出值大小。

2.2 抗干擾設(shè)計

1200V高壓電源，要求抗干擾性能好，高壓電源會產(chǎn)生一些紋波脈沖干擾，直接影響隨鉆地層評價。紋波干擾主要由變壓器逆變電路殘留的交流成分造成，直流高壓電源輸出的紋波干擾主要取決于高頻及電源自身的控制系統(tǒng)噪聲幅值。由脈動的整流電容產(chǎn)生的輸出電壓具有一定的脈沖性，因此會產(chǎn)生不期望的高頻噪聲。高頻紋波產(chǎn)生于高頻逆變過程，在紋波干擾占比中整流環(huán)節(jié)的紋波干擾值較高，因此高壓電源需要紋波抑制，濾除紋波信號。

在1200V產(chǎn)生的電路后面，加上濾波電路，濾除掉紋波噪聲干擾。一邊為濾除紋波的波形，一邊為加上濾波電路的波形，對比二者可知，加上濾波電路之后，紋波信號變得很小，只有幾十mV左右，完全滿足He3管探測器的精度要求。

2.3 高溫設(shè)計

高壓與溫度曲線如圖，如圖1所示，在高于90℃時，輸出電壓為1100VDC，高壓明顯下降，反復(fù)實驗測試，原因是由于反饋電容C143容值過小，PWM調(diào)節(jié)控制時，脈沖寬度太小，高壓無法調(diào)節(jié)過來，把PWM的脈寬調(diào)節(jié)電容C143容值變大，整個高壓輸出值在高溫時可以有效地調(diào)節(jié)，重新做加溫實驗驗證，在150℃時能輸出穩(wěn)定的高壓值。

3 小結(jié)

基于柯克羅夫特（Cockcroft）回路倍壓原理設(shè)計的電路，高壓直流電源滿足耐高溫、功耗小、紋波小，溫飄小等要求。在150℃環(huán)境溫度下進行測試，該電源工作穩(wěn)定，可靠性高，且電路調(diào)試容易。即使在惡劣的環(huán)境下，溫度上升，振動劇烈，輸出的高壓值也不會出現(xiàn)大幅度的波動，滿足He3管探測器測井要求。

【參考文獻】

[1]宋延淳，鄧樂，毛為民.隨鉆中子空隙度測量的數(shù)值模擬研究[A].先進鉆井技術(shù)與裝備論文集[C].北京，2008：23-27.

[2]艾維平，鄧樂，宋延淳.隨鉆中子孔隙度測量系統(tǒng)中高壓電源的研制[J].電力電子技術(shù).第44卷第3期.2010：53-59.