電火花震源充電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊德寬，張 劍，胡少兵，王軍民，楊昌樂

（1.中石化石油工程地球物理有限公司勝利分公司，山東東營 257086；2.長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北武漢 430100；3.武漢長大物探科技有限公司，湖北武漢 430100）

電火花震源是一種可控震源，與傳統(tǒng)的炸藥震源相比更加安全環(huán)保，已在地質(zhì)勘探和石油開采中得到廣泛應(yīng)用。電火花震源研究起始于1957 年，但一直受制于子波重復(fù)性差、充電效率低、性能不穩(wěn)定等問題，直到本世紀(jì)初，隨著電力電子和機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，電火花震源的研究取得了重大突破，在國內(nèi)也相繼出現(xiàn)了成熟的電火花震源產(chǎn)品。2009 年，中科院電工所研制的海鰻20 kJ 電火花震源系統(tǒng)在南海北部試驗(yàn)成功，2015 年，武漢長大物探科技有限公司研制出了CD-2 便攜式電火花震源[1-3]。

目前，國內(nèi)投入使用的電火花震源在充電控制環(huán)節(jié)一般采用開環(huán)控制，當(dāng)外界環(huán)境改變時(shí)，開環(huán)控制系統(tǒng)很難保證震源能量的一致性。文中以長大物探科技有限公司的CD-2 便攜式電火花震源作為改進(jìn)對(duì)象，在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了充電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)分作兩路，一路將采樣的電壓信號(hào)無線傳輸?shù)綄Ｓ蔑@示屏，供操作者參考；另一路將采樣的電壓信號(hào)反饋給充電控制系統(tǒng)，由充電控制系統(tǒng)比對(duì)電容儲(chǔ)能電壓是否達(dá)到預(yù)定值或出錯(cuò)，進(jìn)而給出相應(yīng)控制命令，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)充電控制。

1 電火花震源的基本原理

電火花震源是可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動(dòng)力裝置，其本質(zhì)是一種液電效應(yīng)。當(dāng)對(duì)放置于液體中的一對(duì)電極施以脈沖高壓時(shí)，電極間液體電離，形成等離子放電通道，產(chǎn)生的瞬時(shí)大電流會(huì)加熱通道周圍液體，使液體汽化并迅速向外膨脹，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，作用于周圍介質(zhì)[4-5]。其理論儲(chǔ)能大小與電容電壓之間的關(guān)系為：

其中，C為電容，單位為F；U為電容電壓，單位為V；W為震源能量，單位為J。

2 充電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

充電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)見圖1。在CD-2便攜式電火花震源上增加了電壓信號(hào)采集模塊和顯示模塊，如圖中虛線框標(biāo)示[6-9]。采集的電壓信號(hào)一路直接反饋給MCU 主控單元，另一路通過433 無線傳送給手持設(shè)備顯示。信號(hào)采集模塊采用兩片AVR單片機(jī)Atmega328P 作為控制單元，這是一種精簡指令集的8位單片機(jī)，具有價(jià)格低廉、操作簡單、運(yùn)行速度快、功耗低、自帶AD 轉(zhuǎn)換、接口豐富等特點(diǎn)，其性能完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)需求[10]。顯示模塊采用STM8l152c8t6 單片機(jī)作為控制單元，負(fù)責(zé)接收來自433無線模塊的串口數(shù)據(jù)，并控制顯示屏輸出[11-12]。

圖1 充電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.2 電壓信號(hào)采集模塊

電火花震源儲(chǔ)能電容的電壓最高可達(dá)10 kV，必須分壓后才能測(cè)量，電壓采集電路見圖2。C1是儲(chǔ)能電容，與之并聯(lián)的兩個(gè)分壓電阻阻值比為999∶1，若C1上有最大充電電壓10 kV，則Vi最大分壓不超過10 V；電路中并聯(lián)有10 V 的瞬態(tài)抑制二極管，可以有效吸收浪涌脈沖，保護(hù)電路；R3與C2構(gòu)成了一個(gè)基本的RC濾波電路，進(jìn)一步消除電壓采集時(shí)的干擾和毛刺，使采集的電壓值Vi更加穩(wěn)定；HGND 是定義的高壓地，需與隔離的低壓地相區(qū)別。

圖2 電壓采集電路

線性光電隔離采用HCNR201 芯片，其電路聯(lián)結(jié)見圖3。HCNR201是高線性度光耦，它由一個(gè)發(fā)光二極管（LED）和兩個(gè)同種工藝的光電二極管組成。其中一個(gè)光電二極管（PD1）在隔離電路的輸入部分，另一個(gè)光電二極管（PD2）構(gòu)成隔離電路的輸出部分[13]。

電壓信號(hào)Vi作為輸入，HVCC 是輸入端供電電壓，HGND 是輸入端地，VCC 是輸出端供電電壓，gnd是輸出端地，輸入端與輸出端是隔離的，設(shè)輸出端與輸入端供電比值為K1，供電電壓確定后，K1為一常數(shù)；在發(fā)光二極管LED 導(dǎo)通時(shí)，PD1 上流過的電流為I1，PD2 上流過的電流為I2，電流比值固定，設(shè)輸出端與輸入端電流比值為K2，根據(jù)運(yùn)放的虛短和虛斷概念，輸出端與輸入端有關(guān)系式：

考慮到（2）式中K1、K2、R1、R3都是常數(shù)，Vo與Vi成線性關(guān)系。

電壓信號(hào)采集模塊雙層PCB 電路板見圖4，使用兩片Atmega328P 單片機(jī)分別采集數(shù)據(jù)Vo，其中一塊將采集的數(shù)據(jù)反饋給MCU 主控單元，另一塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示模塊。單片機(jī)Atmega328P 自帶10 位AD轉(zhuǎn)換，當(dāng)采用16 MHz 晶振時(shí)，完成一次AD 轉(zhuǎn)換的時(shí)間小于100 μs。反饋支路對(duì)傳輸速度要求較高，Atmega328P（1）每毫秒采集一次Vo信號(hào)，并通過UART 串口傳輸給MCU 主控單元，波特率設(shè)置為76.8 kbps。顯示支路的數(shù)據(jù)主要用于觀察，每100 ms只需傳輸一次數(shù)據(jù)即可，Atmega328P（2）每10 ms 采集一次Vo信號(hào)，連續(xù)采集10 次，對(duì)10 次數(shù)據(jù)取中位數(shù)，通過UART 串口與433M 無線發(fā)射器相聯(lián)結(jié)，發(fā)送給顯示模塊，波特率設(shè)置為9.6 kbps。

圖4 電壓信號(hào)采集模塊雙層PCB板實(shí)物圖

Atmega328P（1）程序流程見圖5，采用1 ms 定時(shí)中斷，在中斷子程序中完成AD 轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)據(jù)串行發(fā)給MCU 主控單元，串口發(fā)送時(shí)采用查詢方式。

圖5 Atmega328P（1）程序流程圖

Atmega328P（2）程序流程見圖6，采用10 ms 定時(shí)中斷，在中斷子程序中進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)據(jù)存放在RAM 中，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為n+1，判斷n是否等于10，若不等于則中斷返回；若已有10 個(gè)數(shù)據(jù)，則清除計(jì)數(shù)n，選出其中的中位數(shù)，按照通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，再通過串口發(fā)出，串口發(fā)送時(shí)采用查詢方式，最后清除已存儲(chǔ)的電壓數(shù)據(jù)，中斷返回。

圖6 Atmega328P（2）程序流程圖

2.3 無線遙傳和顯示模塊

文中采用蜂鳥無線公司生產(chǎn)的靈-T2A 無線串口發(fā)射模塊和靈-R2 無線串口接收模塊。該模塊采用高性能RF 集成芯片，內(nèi)置諧波抑制電路和MCU，具有體積小、功耗低、電壓范圍寬、串口透傳等特點(diǎn)，每次傳輸數(shù)據(jù)量最多16 字節(jié)，默認(rèn)波特率9.6 kbps。作串口收發(fā)時(shí)，需注意無線模塊的RX 和TX 分別與單片機(jī)的TX 和RX 相連。

串口發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式約定為（每個(gè)數(shù)據(jù)都是16 位）：本包數(shù)據(jù)長度、發(fā)射地址高、發(fā)射地址低、數(shù)據(jù)高、數(shù)據(jù)低、和校驗(yàn)。每次發(fā)6 個(gè)數(shù)據(jù)包，共12 個(gè)字節(jié)。

顯示模塊采用大連奇耘電子公司生產(chǎn)的QYF2968 液晶屏，PCB 板和成品見圖7。PCB 板邊緣紅色帶天線的為靈-R2 串口無線接收器，U1 為單片機(jī)STM8l152c8t6，板上的蜂鳴器可以在充電發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)報(bào)警提示操作者。實(shí)物圖正面即為液晶顯示，該圖抓拍于充電過程中，其上的6553 表示儲(chǔ)能電容在抓拍時(shí)刻的實(shí)時(shí)電壓，單位為V，兩個(gè)按鍵功能分別為電源與背景燈。

圖7 顯示模塊實(shí)物圖

單片機(jī)STM8l152c8t6 程序流程見圖8，包括串口接收數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)顯示兩部分，都采用中斷方式，串口中斷設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)，防止接收時(shí)被打斷而出錯(cuò)。每20 ms 調(diào)用一次顯示程序，這個(gè)更新頻率既不會(huì)造成屏幕閃爍，也不會(huì)丟失顯示用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖8 單片機(jī)STM8l152c8t6程序流程圖

2.4 MCU主控單元反饋控制算法

MCU 主控單元反饋控制算法需要保證采集電壓數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和正確性。數(shù)據(jù)在采集和傳輸過程中有可能會(huì)出錯(cuò)，直接根據(jù)單次采集電壓作判斷，可能引起錯(cuò)誤的結(jié)果；而電容電壓是持續(xù)遞增的，若是采用滾動(dòng)平滑濾波或取中位數(shù)的數(shù)據(jù)處理方法，又會(huì)丟失信號(hào)的實(shí)時(shí)性。根據(jù)電容電壓不可突變的原理，文中采用將當(dāng)前收到的電壓數(shù)據(jù)與上次數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在充電過程中，該次電壓必然大于或等于上次電壓值且不會(huì)高太多。若差值在設(shè)定范圍內(nèi)則認(rèn)為數(shù)據(jù)有效，否則丟棄該數(shù)據(jù)，并用上次電壓值取代，記錄下出錯(cuò)的次數(shù)。若接下來連續(xù)出錯(cuò)數(shù)次，則證明充電錯(cuò)誤，立即停止充電并釋放掉儲(chǔ)能，提示出錯(cuò)。根據(jù)文獻(xiàn)[14-17]的論述，當(dāng)直線型充電斜率已知時(shí)，可以理論計(jì)算出充電到某個(gè)電壓值需耗費(fèi)的時(shí)間，據(jù)此設(shè)置數(shù)個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，比對(duì)實(shí)際電壓值與理論電壓值，若二者的差值不在限定范圍內(nèi)，則立即停止充電并釋放掉儲(chǔ)能，提示出錯(cuò)。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證充電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了現(xiàn)場測(cè)試，采用了4 組800 μF 的電容并聯(lián)，設(shè)置最終電壓8 000 V，根據(jù)式（1）可知，震源能量約100 kJ。在河溝附近埋設(shè)了震源放電探頭，間隔放電探頭20 m埋設(shè)動(dòng)圈式檢波器，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場見圖9。該實(shí)驗(yàn)共充放電100 多次，驗(yàn)證了以下幾種情況：

圖9 帶有充電監(jiān)控的電火花震源實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖

1）并聯(lián)電容沒有接好時(shí)的充電情況。當(dāng)本應(yīng)接4 組電容而只接了3 組時(shí)，在充放電的第一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，反饋實(shí)時(shí)電壓明顯高于理論電壓，系統(tǒng)停止充電并報(bào)錯(cuò)。證明反饋系統(tǒng)可以檢測(cè)漏接電容的情況，同理多接電容情況也可以被檢測(cè)出來。

2）在確保電容和其他電路聯(lián)結(jié)正確后，記錄了3次充放電實(shí)驗(yàn)，檢波結(jié)果見圖10，可見3 次波形高度相似。

圖10 3次單道檢波結(jié)果對(duì)比圖

最大振幅與首波負(fù)峰振幅見表1，最大振幅相對(duì)誤差不超過3%，首波負(fù)峰振幅相對(duì)誤差不超過2%，證明震源能量一致性非常好。

表1 3次檢波振幅對(duì)比

4 結(jié)論

在CD-2 便攜式電火花震源基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了充電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)電壓、已充電時(shí)間及該時(shí)刻理論電壓值，判斷充放電故障并控制充放電過程；設(shè)計(jì)了手持式顯示模塊，為操作者遠(yuǎn)程手動(dòng)控制提供參考。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的電火花震源能夠自動(dòng)判斷現(xiàn)場施工中的多種錯(cuò)誤，為施工過程提供了安全保障；在電路聯(lián)結(jié)正確的情況下，震源能量一致性有顯著提升，最大振幅相對(duì)誤差不超過3%，為準(zhǔn)確測(cè)量工程數(shù)據(jù)提供了基本保證。該監(jiān)控系統(tǒng)的控制算法簡單而實(shí)用，可為同類產(chǎn)品的充電控制系統(tǒng)改造提供參考。