隨鉆壓力傳感器地面?zhèn)鬏斝盘栄芯颗c應(yīng)用

陳元鵬

摘要：傳感器電纜信號傳輸是非電物理量監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為解決傳感器電纜信號傳輸過程中遇到的電磁干擾、信號傳輸失真導(dǎo)致無法正常施工的難題，分析了電纜傳輸信號原理及產(chǎn)生干擾的主要因素：及干擾源、傳播途徑及敏感設(shè)備。從傳感器信號波形不同形態(tài)解析了干擾源的產(chǎn)生，通過電纜雙絞線，電纜屏蔽層接地及懸空的方法，對冀中、長慶及四川不同鉆機現(xiàn)場試驗與應(yīng)用效果表明：所采取的方法對電磁干擾引起的信號傳輸失真有很好的抑制效果。

關(guān)鍵詞：傳感器;信號傳輸;電磁干擾;信號抑制

引言

在傳感器電纜傳輸信號的過程中，由于井場存在各種干擾，這些干擾使得信號在傳輸過程中失真，影響測量數(shù)據(jù)的準確性，嚴重時導(dǎo)致終止施工。通過分析信號傳輸原理，分析得到現(xiàn)場頂驅(qū)交流電變頻器、通電導(dǎo)線、操作間接地異常等電磁干擾源。并正對不同的干擾情況做了采取了抑制和消除措施。

1 壓力傳感器信號傳輸原理簡介

鉆井用壓力傳感器按照輸出類型分為電壓輸出型傳感器和電流輸出型傳感器。其中電壓輸出型傳感器抗干擾能力差，輸出的電壓有時發(fā)生疊加的交流成分使單片機產(chǎn)生錯誤判斷，控制出現(xiàn)錯誤，嚴重時還會損壞設(shè)備。電流輸出型傳感器采用電流信號不容易受干擾。并且電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米[1-2]。其輸出范圍大多為4-20mA，采用20mA上限電流是因為電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯、硫化氫等氣體。下限取4mA的原因是為了能檢測信號線的通斷狀態(tài)，正常工作時大于4mA，當傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流就會降為0。當傳感器輸出最小電流及最大電流時，分別表示傳感器所標定的最小及最大額定輸出值。

當立管內(nèi)壓力發(fā)生變化時，傳感器電阻應(yīng)變片發(fā)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化，這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變橋，并通過后續(xù)的放大器進行放大，在傳輸給處理電路。

2 信號傳輸干擾分析與消除方法

2.1傳輸信號受干擾分析

設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力，叫做電磁兼容性[3-4]，在電磁兼容性理論中把被干擾對象統(tǒng)稱為敏感設(shè)備，當信號電纜處于交變電磁環(huán)境中，將在屏蔽層上產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過屏蔽層與線芯之間的轉(zhuǎn)移阻抗在芯線上產(chǎn)生電流、電壓干擾信號，這樣必然影響電纜傳輸?shù)挠蓚鞲衅鳒y量的微弱模擬信號（4-20mv），同時由于信號電纜是效率很高的電磁波接收天線，空間的電磁干擾往往首先被信號電纜接收到，成為電磁能量的高效吸收器。因此，傳輸電纜成為導(dǎo)致電磁兼容問題的最主要因素，可分為以下幾類：

2.1.1電網(wǎng)干擾

電網(wǎng)中的干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器。電網(wǎng)中存在大量的諧波源，如各種整流設(shè)備、交直流轉(zhuǎn)換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備、非線性負載及照明設(shè)備等。這些負荷都使電網(wǎng)中的電壓，電流產(chǎn)生波形畸變，從而對電網(wǎng)中其他設(shè)備產(chǎn)生危害的干擾，變頻器的供電電源收到來自被污染的交流電網(wǎng)的干擾后，若不加以處理，電網(wǎng)噪聲就會通過電網(wǎng)電源電路干擾變頻器，供電電源對變頻器的干擾主要有過壓，欠壓，瞬時掉電，浪涌，跌落，尖峰電壓脈沖，射頻干擾都會干擾變頻器的正常工作。進而引起傳輸信號電纜受干擾。

2.1.2電源干擾

現(xiàn)場交流電三相電在使用中存在三相電不平衡現(xiàn)象，若三相電的電流代數(shù)和為零即三相電流平衡，此時地線中電流為零，如某種用電方法使三相電電流代數(shù)和不為零即三相電不平衡。此時的不平衡電流差就要流向地線，致使與之相連的地線電位升高，引起解碼主機內(nèi)部電路干擾。

2.1.3關(guān)聯(lián)接地干擾

兩個相關(guān)聯(lián)接地的電路，由于地線阻抗的存在，當電流流過地線時，就會在地線上產(chǎn)生電壓，當電流較大時，這個電壓可以很大，例如附近有大功率用電器啟動時（井隊配電柜在儀器操作間后面，其接地線和操作間地線距離很近。在冬天錄井的烤箱或地暖啟動時），會在地線中有個很強的電流，這個電壓會對兩個設(shè)備的連接電纜上產(chǎn)生電流，由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此產(chǎn)生差模電壓，對電路造成影響，由于這種干擾是由電纜與地線構(gòu)成的環(huán)路電流產(chǎn)生的，因此稱為地環(huán)路干擾。

2.1.4公共阻抗干擾

當兩個電路共用一段地線時，由于地線的阻抗，一個電路的地電位會受到另一個電路工作電流的調(diào)制，這樣一個電路中的信號會耦合進另一個電路，這種耦合成為公共阻抗耦合。例如，有時錄井與定向井共用一個接地線，常出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。

2.1.5線間電容

當足夠高頻率的電磁波在較長的電纜長度（大于30米后比較明顯）傳輸時，電纜內(nèi)兩個芯線之間表面積較大，就會顯現(xiàn)出兩線間電容特性，高頻電磁波是走電容的。信號芯線與電源線也會形成線間電容，信號芯線與屏蔽層也會形成線間電容。高頻電磁波從一個信號芯線通過電容到另一個信號芯線，這稱為“串音干擾”，例如A相對B相相互串音干擾。屏蔽層上走的電磁雜波通過線間電容走到信號芯線上，這稱為“外部高頻電磁干擾”。

2.1.6 阻抗干擾

在信號路徑或返回路徑上由于阻抗突變（兩種不同材質(zhì)的信號線連接）而引起的反射與失真，是信號感受到阻抗變化的情況，例如振鈴現(xiàn)象就是由于信號傳輸過程中感受到阻抗的變化，發(fā)生的信號反射及損耗。模擬仿真圖見圖3。線間電容會隨著電纜絕緣皮的老化而性能突變，一些使用久的老化的電纜會突然開始丟信號。

負載電壓波形如下圖所示，電壓信號傳輸比如 0～5（10）V如果一個模擬電壓信號從發(fā)送點通過長的電纜傳輸?shù)浇邮拯c，那么信號可能很容易失真。原因是電壓信號經(jīng)過發(fā)送電路的輸出阻抗，電纜的電阻以及接觸電阻形成了電壓降損失。接觸電壓在所期望的5V左右波動，范圍在8.33V到2.78V之間，最終穩(wěn)定在5V，這就形成了“振鈴現(xiàn)象”。

2.1.7電感特性干擾

足夠長的導(dǎo)線，因傳導(dǎo)電磁波周邊電場形成電感特性，電感特性帶來的是對電磁波信號的延遲。當傳輸信號電纜被干擾時這種電感延遲效應(yīng)將更加突出，會有更多的不確定性的信號延遲出現(xiàn)，由于不同頻率電磁波對于電感的效應(yīng)不同，重新疊加后方波信號已經(jīng)變形失真了。例如：當傳輸電纜破損，在下雨天雨水進入電纜內(nèi)部，會出現(xiàn)波形移動速度變慢，造成解碼誤差。

綜述：在施工現(xiàn)場信號被干擾存在多種情況并存現(xiàn)象，應(yīng)逐一排查。

2.2信號干擾抑制及消除措施

現(xiàn)場抑制和消除電磁干擾常用的方法為接地、屏蔽、隔離、芯片隔離、合理布線等，具體實施為：

2.2.1接地技術(shù)

接地是現(xiàn)場抑制干擾的重要手段，分別為屏蔽層接地、非信號線線芯接地、電源接地。當屏蔽層接地后可使干擾電流經(jīng)屏蔽層短路，從而切斷干擾傳播途徑。屏蔽層接地按照接地方式不同可分為：單端接地、雙端接地、懸浮、混合接地等方式。

（1） 單端接地：是屏蔽電纜的一端將金屬屏蔽層直接接地，另一端不地接或通過保護接地。在單端接地的情況下，假設(shè)信號電流I1從芯線流入屏蔽線I2，流過負載電阻之后，再通過屏蔽層返回信號源，因為電流I1與I2大小相等方向相反，所有它們產(chǎn)生的磁場干擾相互抵消。非接地端的金屬屏蔽層對地之間有感應(yīng)電壓存在，但屏蔽層無電勢環(huán)流通過，因此單端接地就是利用抑制電勢電位差達到消除電磁干擾和磁場耦合干擾的目的。

（2）雙端接地：即屏蔽電纜的金屬屏蔽層的兩端均連接接地。在雙端接地的情況下，金屬屏蔽層不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，但金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產(chǎn)生屏蔽環(huán)流通過，如果地點A和地點B的電勢不相等，將形成很大的電勢環(huán)流，環(huán)流對信號產(chǎn)生抵消衰減效果。同時根據(jù)楞次定律，電磁感應(yīng)在屏蔽層金屬表面形成渦流，渦流反過來可以阻礙磁場的變化，阻礙感應(yīng)強度增加，可將感應(yīng)電壓降到不接地時的1%以下。但是，需要注意兩端接地，可能引起接地點電位差，在屏蔽層內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流帶來干擾，所以在信號傳輸過程中遇到干擾時不能盲目的因為兩端接地抗干擾強而都采取兩端接地。

（3）屏蔽層懸?。嚎善帘坞妶鲴詈细蓴_能力但無抑制磁場耦合干擾能力，對振鈴現(xiàn)象有明顯的抑制作用。當兩段信號線阻抗不匹配時可將接收器一端屏蔽線懸空。屏蔽層接地使用原則：屏蔽地一定與對應(yīng)邏輯地相連，信號工作頻率較低時屏蔽地與邏輯地一點相連，在連接處與保護地統(tǒng)一單點接地。信號工作頻率較高時，屏蔽地就近多點接地。

（4）非信號線線芯接地：當傳感器內(nèi)部接地線失效或井隊引入網(wǎng)電引起井架出現(xiàn)的電磁干擾時，可用非信號線線芯連接傳感器外殼，再將外殼端回接鉆機地線。

（5）室內(nèi)電源接地：將室內(nèi)電源插座接地端單獨引線接地，消除網(wǎng)電、輸入電源、室內(nèi)電源插座未接地引起的“浪涌電壓”。

（6）信號線混合接地：將屏蔽網(wǎng)與非信號芯線合并接地，可消除信號芯線與屏蔽層形成較大的線間電容，將干擾的高頻信號從地線引走。

2.2.2屏蔽和隔離技術(shù)

采用屏蔽技術(shù)可以有效的抑制電磁輻射干擾，及用電導(dǎo)率良好的材料對電場屏蔽，用磁導(dǎo)率良好的材料對磁場屏蔽。屏蔽有兩個目的，一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄露出改內(nèi)部區(qū)域，二是防止外來的輻射干擾進入該內(nèi)部區(qū)域。按照屏蔽類型為靜電屏蔽和電磁屏蔽兩種。

（1）靜電屏蔽：用銅等導(dǎo)電性能良好的金屬為材料制作成封閉的金屬外包，并與地線連接，把需要屏蔽器件或信號置于其中，使外部靜電干擾電場不影響其內(nèi)部的電路和信號（現(xiàn)場一般不采用）。

（2）電磁屏蔽：采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽層，將被保護的電路包圍在其中。它屏蔽的干擾對象不是電場，而是高頻（40KHz以上）磁場。干擾源產(chǎn)生的高頻磁場遇到導(dǎo)電良好的電磁屏蔽層時，會有多種可能：反射、折射、吸收、多次折射再反射，或者穿透干擾到內(nèi)部芯線上的信號。

（3）鋁箔隔離：當干擾源發(fā)出的電磁波頻率很高是接近于光波特性，遇到鋁箔屏蔽層，或者很致密的遮蔽層大部分就反射回去了。不是很高頻率的電磁波會有部分折射進入屏蔽層金屬導(dǎo)體，有一部分再次在導(dǎo)體表面反射，多次反射后被吸收，就在屏蔽層其外表面形成電磁波“霧”，從而消耗了高頻干擾的能量，使電磁屏蔽層內(nèi)部的電路免受高頻干擾磁場的影響。如果是單層鋁箔，或者屏蔽層不夠致密，仍然會有部分高頻干擾穿透屏蔽層而干擾到內(nèi)部信號。鋁箔僅對很高頻率的電磁波有100%的反射，還有很多波長較長頻率較低的電磁波將可能透過鋁箔折射進入內(nèi)部。因此，在條件允許的情況下可以考慮用錫箔來屏蔽隔離干擾源。

2.2.3芯片隔離

在濾波器模塊添加前置無電源信號隔離器WS1562，可有效抑制電磁干擾。圖4為無電源信號隔離器WS1562模塊

2.2.4布線規(guī)則

（1）如果信號電纜和電源之間的間距小于15cm時，在信號電纜和電源電纜之間的設(shè)置屏蔽用的金屬隔板，并將隔板接地

（2）對于某些干擾特別大的應(yīng)用場合，如電源電纜上掛接電壓為220v，電流在10A以上感性負載，而且電源電纜不帶屏蔽層時，要求 信號電纜的垂直方向間隔大于60cm。

（3）避免大功率的開關(guān)量輸出信號線，電源線，動力線等電纜與直接與信號電纜并行捆綁

（4）絕對禁止采用采用一根多芯電纜的傳輸不同功率與頻率的信號

（5）嚴禁同一信號的幾芯線分布在不同的幾條電纜中。

（6）避免和錄井信號線路并行布線。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 總體應(yīng)用情況

通過對冀中、長慶、四川等地區(qū)電動鉆機，機械鉆機、網(wǎng)電接入等情況下的8部鉆機進行了試驗與應(yīng)用，均得到良好的效果。

3.2 電動鉆機70085應(yīng)用

屏蔽線非信號線芯雙接地：該鉆機為電動70鉆機，現(xiàn)場使用網(wǎng)電接入。在未開泵情況下接入傳感器后的波形效果見圖6

從圖6可以看出，在未開泵情況下，泵壓為0，但是波形幅值超過40，接近于儀器正常工作幅值，且波形變化無規(guī)律。采用屏蔽線、非信號線芯、傳感器外殼接地之后的波形見圖7

從圖7可以看出接地之后的泵壓顯示為1.05mp、幅值為1，波形為一條直線與接地之前從在明顯對比。正常鉆進情況下接地前后的對比效果見圖8

圖7、圖8可以看出接地效果消除了干擾現(xiàn)象，分析認為該鉆機接入網(wǎng)電之前未采取電源接地（井隊所有設(shè)備都為發(fā)電機模式下的接地方式），頂驅(qū)變頻器受到網(wǎng)電影響，進而影響傳輸電纜信號。具體接地方式見圖9

3.3 機械鉆機5006應(yīng)用

屏蔽線與非信號線單端接地：該鉆機在網(wǎng)電接入或發(fā)電機供電情況下都出現(xiàn)電磁干擾現(xiàn)象，歷時長達3年之久，時而將信號線與錄井及其它電源線分開放置在地面可以抑制干擾，但效果甚微。采用屏蔽線與非信號線單端接地之后對比效果見圖9

從圖9可以看出，接地之前波形雜亂無法正常解碼，嚴重影響施工。接地之后波形正常。分析認為鉆機接地與其他大功率設(shè)備接地出現(xiàn)環(huán)路電流，引起與鉆機相連的傳感器出現(xiàn)電荷積累效應(yīng)，影響正常傳輸。將非信號線與屏蔽層單端接地，傳感器端屏蔽層懸空。

3.3 機械鉆機40693應(yīng)用

非信號線懸浮屏蔽層單端接地：該鉆機為發(fā)電機供電模式。在不開泵模式下電流檢測為4mA，且信號幅值為一條直線，但開泵之后正常鉆進無法正常解碼。采取措施前后的效果對比見圖10

從10可以看出，在未開泵情況下信號曲線接近直線，開泵之后出現(xiàn)雜波，在正常解碼模式下開泵之后首先出現(xiàn)激動壓力，之后40S為脈沖等待時間。由此，很多情況下誤判為鉆井泵出現(xiàn)異常。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)傳感器跳線與傳輸線線芯材質(zhì)不同。分析認為傳輸線不匹配產(chǎn)生阻抗，引起“振鈴現(xiàn)象”。因此，將屏蔽層接在傳感器外殼，傳輸電纜信號線線芯直接接入傳感器插孔即可消除干擾。

4結(jié)論及建議

（1）傳感器信號傳輸過程中易收到自來不同方向的干擾，不同的干擾源對信號傳輸干擾現(xiàn)象不同，根據(jù)信號波形形態(tài)結(jié)合現(xiàn)場對尋找干擾源有一定的輔助作用

（2）根據(jù)不同干擾源引起的干擾現(xiàn)象采用對應(yīng)的抑制措施，研究認為對信號干擾多采用接地、屏蔽、懸浮等方法可很好的消除干擾

（3）建議采用屏蔽效果好的傳輸電纜，竟可能提高信號的抗干擾能力。

感謝：特別感謝楊國光、黃哲、任偉、李若飛等儀器作業(yè)部同事在試驗過程中提供的思路與試驗數(shù)據(jù)。

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