隨鉆地層測壓儀電磁閥驅(qū)動電路的設(shè)計與應用*

支宏旭，張華勇，余 強，薛永增，高天瑞，郝桂青，胡衛(wèi)平，沈 陽

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部 河北 三河 065201)

0 引 言

不同于傳統(tǒng)的電纜測井儀器，隨鉆測井儀器對電路的集成度、抗震性和耐溫指標都提出了更高的要求。厚膜技術(shù)將電子器件集成于陶瓷基板之上，輔以灌膠的加固與散熱工藝、金屬外殼封裝工藝，能極大縮小電路體積、顯著增強散熱[1-2]和抗震性能，已經(jīng)是國內(nèi)井下儀器測控系統(tǒng)的主流設(shè)計方向和實現(xiàn)手段[3-5]。本文設(shè)計了一種隨鉆電磁閥驅(qū)動電路，通過高溫測試和10井次的實際作業(yè)，該電路的穩(wěn)定性和可靠性得到充分驗證。

1 電磁閥驅(qū)動模塊設(shè)計

1.1 電路原理與程序設(shè)計

圖1是電磁閥驅(qū)動電路的電路原理圖。微控制器MSP430F2619-HT以中斷的方式通過RS485接口芯片響應總線命令，RS485接口芯片一般選用耐溫性能良好的SN65HVD11。微控制器的IO輸出能力有限，無法直接驅(qū)動圖1(a)中的電磁閥驅(qū)動執(zhí)行電路，必須借助達林頓管陣列的擴流作用。當微控制器通過達林頓管使L產(chǎn)生低電平時，PMOS管導通，電磁閥獲得電平UH，稱之為電磁閥高壓開啟電壓；L恢復高電平之后，微控制器通過達林頓管使H產(chǎn)生低電平，三極管Q1導通，電磁閥獲得電平UL，稱之為電磁閥低壓工作電壓。一般而言，UH>UL。電磁閥啟動電流較大，如果驅(qū)動電路不能提供足夠大的電流，電磁閥吸合不徹底，將無法有效工作，故需要提供一個較大的高壓開啟電壓UH；電磁閥維持電流較小，故需要提供一個較小的低壓工作電壓UL，如果UH≤UL，電磁閥長期工作在大電流狀態(tài)，能耗較高且容易損壞。電磁閥的開通過程可以概括為高低壓切換的過程：先施加UH產(chǎn)生較大的開啟電流，再施加UL產(chǎn)生較小的維持電流。電磁閥的工作周期可分為開(UH)、維持(UL)、關(guān)(0 V)3個階段，具體見圖1(b)。

圖1(a)中，D2稱為電流續(xù)流二極管，電磁閥是感性負載，關(guān)斷電磁閥時線圈電感電流需要經(jīng)過D2續(xù)流，以防止電流尖峰的產(chǎn)生。D3、D1是反向截止二極管，當Q1、Q2其中一個導通、一個截止時，防止電壓對另一個器件產(chǎn)生不良影響。D4是穩(wěn)壓二極管，在H低電平時使PMOS管Q2穩(wěn)定導通。

圖1 電磁閥驅(qū)動電路原理圖

微控制器MSP430F2619-HT的程序流程圖如圖2所示。上電之后，單片機依次完成晶振、IO電平、串口配置、Flash等模塊的初始化工作，之后進入死循環(huán)等待RS485的命令。接收到命令后，根據(jù)命令內(nèi)容完成對應電磁閥的開關(guān)，之后更新電磁閥狀態(tài)字，通過RS485總線返回電磁閥的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將電磁閥的開關(guān)次數(shù)等寫入片內(nèi)Flash。最后返回死循環(huán)狀態(tài)，等待RS485命令中斷。微控制器MSP430F2619-HT在IAR平臺完成程序編寫、編譯和燒錄等開發(fā)過程。

圖2 程序流程圖

1.2 厚膜的實現(xiàn)與優(yōu)勢

圖3是電磁閥驅(qū)動模塊的厚膜外殼與內(nèi)部實物圖。圖3(a)是厚膜外殼實物圖，長45 mm，寬20 mm，面積約900 mm2。圖4是傳統(tǒng)電磁閥驅(qū)動電路的實物圖，圖中虛線內(nèi)部(5 400 mm2)與圖3(a)中的厚膜模塊實現(xiàn)的功能完全相同，后者面積降低為傳統(tǒng)PCB電路的16.7%。隨鉆儀器電路安裝空間狹小，高度集成化的厚膜電路比傳統(tǒng)PCB具有顯著優(yōu)勢。圖3(b)是厚膜電路內(nèi)部的實物圖，圖3(d)是晶振，圖3(e)是微處理器，圖3(f)是達林頓管陣列，圖3(g)、圖3(h)、圖3(i)是相同的3路電磁閥驅(qū)動執(zhí)行電路，其具體原理見圖1。這些器件被集成于一塊陶瓷基板之上，并裝入輕質(zhì)鋁合金外殼之內(nèi)，之后灌膠，以提高抗震、散熱性能，最后蓋上頂蓋密封鍍金。厚膜電路具有很多優(yōu)勢，首先，顯著減少電路體積，有效縮短儀器總長度，減少遇卡風險；其次，金屬外殼密封處理，MOS管等容易被靜電擊穿的器件壽命得以延長，更換便捷，維修率下降；最后，因為散熱效率的提升，器件耐溫性能得到優(yōu)化。

圖3 厚膜外殼與內(nèi)部實物圖

圖4 傳統(tǒng)電磁閥驅(qū)動電路

2 高溫測試

本文設(shè)計的電磁閥驅(qū)動電路所驅(qū)動的電磁閥是應用于井下液壓系統(tǒng)(20 MPa)[6-7]的特種電磁閥，電磁閥驅(qū)動電路如果要搭配實際電磁閥進行測試，必須要為電磁閥設(shè)計包含打壓裝置在內(nèi)的液壓系統(tǒng)，否則單純進行空載驅(qū)動容易造成電磁閥損壞。為簡便起見，用100 Ω電阻模擬電磁閥進行高溫測試。高溫測試裝置示意圖如圖5所示。N6705C電源提供電磁閥高壓開啟電壓+24 V、低壓工作電壓+15 V和5 V數(shù)字電源。PC軟件通過USB轉(zhuǎn)RS485電路與電磁閥驅(qū)動模塊通信。DJH-30L-L烘箱提供恒溫環(huán)境，精度±1 ℃。開啟電磁閥時，驅(qū)動模塊先輸出18 ms的+24 V高壓開啟電壓，之后持續(xù)輸出+15 V低壓工作電壓；關(guān)斷電磁閥時，輸出電壓迅速下降到0 V。

圖5 高溫測試裝置示意圖

試驗中，在20 ℃環(huán)境，記錄驅(qū)動電路的3路輸出情況，包括高壓開啟電壓UH、低壓工作電壓UL和低壓工作電流IL。之后升溫至175 ℃，恒溫維持10 h，之后保持環(huán)境溫度不變，開關(guān)電磁閥1 000次，記錄驅(qū)動電路最后一次的3路輸出情況和全部開斷失敗次數(shù)。試驗結(jié)果見表1。試驗表明，在經(jīng)過10 h的高溫環(huán)境后，電磁閥驅(qū)動電路的通訊較為正常，3路輸出情況正常，沒有發(fā)生性能下降或故障。

表1 試驗數(shù)據(jù)

3 應用實例

本文設(shè)計的隨鉆電磁閥驅(qū)動電路，已經(jīng)被應用于隨鉆地層測壓儀器IFPT之中。IFPT是一種測量地層壓力動態(tài)響應的測井儀器。在實際工作中，IFPT與組合鉆具同時下井到達測點深度時，地面通過鉆桿或渦輪發(fā)動機下傳測壓指令，IFPT接到指令后開始地層動態(tài)壓力響應測量過程。圖6是IFPT儀器的探針座封結(jié)構(gòu)示意圖，圖6(a)是IFPT工具的基體，圖6(b)是IFPT的探針。

圖6 IFPT隨鉆測壓儀器

到達測點深度時，液壓系統(tǒng)動力電機啟動，隨后電磁閥驅(qū)動電路開啟探針伸出電磁閥，在液壓系統(tǒng)壓力的作用下，探針伸出工具，完成座封過程，隨后開始地層動態(tài)壓力的測量過程。測壓結(jié)束之后，電磁閥驅(qū)動電路關(guān)閉探針伸出電磁閥，開啟探針回收電磁閥，在液壓系統(tǒng)壓力的作用下，探針慢慢回到基體原位，電磁閥驅(qū)動電路關(guān)閉探針回收電磁閥，單點地層動態(tài)壓力測試過程結(jié)束。IFPT已完成十井次作業(yè)，總測點超過一百次，最高井溫超過100 ℃，總工作時長超過100 h，隨鉆電磁閥驅(qū)動電路的可靠性和抗震性能得到充分驗證。

4 結(jié)論與發(fā)展方向

本文設(shè)計了一種隨鉆電磁閥驅(qū)動電路，應用厚膜技術(shù)，該電路能夠在175 ℃環(huán)境下有效驅(qū)動3路電磁閥開關(guān)，高溫測試和隨鉆地層測壓儀器IFPT的實際應用，充分驗證了該電路的可靠性和穩(wěn)定性。目前該電路已在多種測井儀器中得到應用。

目前井下電磁閥驅(qū)動技術(shù)仍然存在很多不足。電磁閥的磁芯材料與溫度高度相關(guān)，在高溫下由于磁性材料性能退化，其驅(qū)動電壓、響應時間等與常溫、低溫環(huán)境存在差異；不同的液壓系統(tǒng)設(shè)計對電磁閥的電磁吸力、響應時間等參數(shù)也有不同的要求。目前國內(nèi)測井儀器的溫度指標已經(jīng)跨過150 ℃，175 ℃、205 ℃測井儀器也正在研發(fā)。隨著石油勘探向深水、深井進發(fā)，對235 ℃甚至更高溫度等級的測井儀器的需求與日俱增。目前缺少測試電磁閥溫度特性的基礎(chǔ)試驗平臺，尤其缺少高溫下電磁閥的電磁吸力特性的相關(guān)研究，電磁閥驅(qū)動電路設(shè)計需要以上研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。設(shè)計人員目前更多的是憑借經(jīng)驗去設(shè)計高壓開啟電壓、低壓工作電壓、高壓開啟時長等關(guān)鍵參數(shù)，高溫電磁閥驅(qū)動電路的設(shè)計缺少定量的試驗和理論依據(jù)。