SWFL-B水流測井儀上采集短節(jié)電路工作原理及故障排除

趙 燕

(中石化經(jīng)緯有限公司中原測控公司 河南 濮陽 457001)

0 引 言

隨著油田開發(fā)進(jìn)入后期，SWFL-B水流測井儀因其不使用放射性示蹤劑，不易受沾污、沉降和污染影響，被廣泛應(yīng)用于注水井吸水剖面測井中[1]。該儀器的上采集短節(jié)是電路的核心，不僅有水流模式下的伽馬探頭的采集電路，還有各種模式的時(shí)序產(chǎn)生電路和中子發(fā)生器陽極及氣壓控制和靶壓控制電路。該短節(jié)出現(xiàn)故障，會(huì)影響整串儀器測井，文本對上采集短節(jié)在測井中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，并總結(jié)出行之有效的解決方法。

1 上采集短節(jié)電路工作流程

儀器總線通訊電路接收遙傳短節(jié)下發(fā)的命令，通過采集控制電路分別下發(fā)給燈絲、靶壓、陽極驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路分別以脈沖信號(hào)、高壓的方式控制中子發(fā)生器產(chǎn)生中子，最后儀器將采集到的中子管工作參數(shù)和伽馬脈沖數(shù)據(jù)通過儀器總線發(fā)送給遙傳短節(jié)。儀器電路原理框圖如圖1所示。

圖1 上采集短節(jié)電路原理框圖

2 上采集短節(jié)電路工作原理及故障排除

2.1 儀器總線通訊電路

2.1.1 電路原理

儀器總線通訊電路包括命令下發(fā)和數(shù)據(jù)上傳電路，原理圖如圖2所示。

圖2 總線通訊電路原理圖

下發(fā)命令經(jīng)過U3比較器的電壓比較，得到正負(fù)脈沖信號(hào)送給FPGA，F(xiàn)PGA處理后，送到單片機(jī)的RX端，單片機(jī)再將返回?cái)?shù)據(jù)通過TX端送至FPGA形成兩路脈沖信號(hào)，經(jīng)MOS管Q1、Q2驅(qū)動(dòng)上傳至儀器總線。

2.1.2 故障排除

儀器總線通訊電路常見故障有3種：

一是TBS點(diǎn)波形不對稱。該點(diǎn)波形幅度為±1.65 V，波形不對稱時(shí)需檢查R2、R3交點(diǎn)電壓是否為1.65 V, 若該點(diǎn)電壓是1.65 V，則需更換MOS管Q1、Q2。若該點(diǎn)電壓不是1.65 V，則需更換分壓電阻R2、R3。

二是無地址下發(fā)。若U3的2、5腳有輸入波形，而1、7腳無輸出波形，則需更換U3。若U3的2、5腳無輸入波形，則需檢查電容C12、C11。

三是無數(shù)據(jù)上傳。若Q1、Q2的G端有輸入波形，C11、C12交點(diǎn)無輸出波形，則更換Q1、Q2。若Q1、Q2的G端無輸入波形，單片機(jī)TX端有輸出波形，則更換FPGA。若單片機(jī)TX端無輸出波形，則更換單片機(jī)。

2.2 采集控制電路

2.2.1 電路原理

采集控制電路包括單片機(jī)和FPGA，是上采集短節(jié)的核心電路,原理圖如圖3所示。

圖3 采集控制電路原理圖

FPGA是可編程邏輯陣列集成電路[2]，主要功能有3個(gè)：一是計(jì)數(shù)器功能，當(dāng)儀器處于中子壽命模式時(shí)，形成兩個(gè)奇門計(jì)數(shù)器和偶門計(jì)數(shù)器，僅對GR1和GR2分別進(jìn)行奇門和偶門計(jì)數(shù)；當(dāng)儀器處于水流模式時(shí)，與單片機(jī)形成3個(gè)獨(dú)立計(jì)數(shù)器，定時(shí)序?qū)R1、GR2、GR3分別計(jì)數(shù)。二是與單片機(jī)通過SPI通訊，改變工作模式，并產(chǎn)生陽極時(shí)序。三是實(shí)現(xiàn)儀器總線的編解碼。

單片機(jī)MCU主要功能有3個(gè)[3]：一是內(nèi)含有串口，通過儀器總線實(shí)現(xiàn)與遙傳短節(jié)的通訊功能。二是內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)中子管各參數(shù)的采集，其中使用A/D轉(zhuǎn)換器測量中子管陽極電流Ia，再根據(jù)陽極電流大小通過單片機(jī)內(nèi)部的PMW脈寬調(diào)制器調(diào)整燈絲控制命令的占空比，例如從預(yù)熱時(shí)占空比70%到穩(wěn)定時(shí)占空比30%，從而控制燈絲電流的大小，使得陽極電流Ia穩(wěn)定在一定值，實(shí)現(xiàn)中子管內(nèi)氣壓的穩(wěn)定；同時(shí)使用A/D轉(zhuǎn)換器測量靶壓值。三是內(nèi)置的D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生伽馬門檻甄別控制電路，同時(shí)產(chǎn)生靶壓控制電路。

2.2.2 故障排除

采集控制電路核心元器件是單片機(jī)和FPGA。單片機(jī)故障會(huì)出現(xiàn)中子管各參數(shù)采集數(shù)值、GR3采集數(shù)值錯(cuò)誤或靶壓控制命令錯(cuò)誤。FPGA出現(xiàn)故障會(huì)出現(xiàn)GR1、GR2采樣數(shù)值錯(cuò)誤、陽極控制命令錯(cuò)誤。根據(jù)故障現(xiàn)象，分別更換單片機(jī)或FPGA即可。

此外，通訊失敗也是該電路常見故障。一般是單片機(jī)和FPGA之間的數(shù)據(jù)通信出現(xiàn)故障，若RX點(diǎn)有5 V的負(fù)脈沖信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，而TX端無輸出脈沖信號(hào)，則更換單片機(jī)。若RX和TX端均有5 V的負(fù)脈沖信號(hào)，則需要更換FPGA。

2.3 燈絲電路

2.3.1 電路原理

燈絲電路包括燈絲驅(qū)動(dòng)和采樣電路，原理圖如圖4所示。當(dāng)打開燈絲和陽極命令后，經(jīng)過FPGA和單片機(jī)的串口通訊，產(chǎn)生幅度為+3.3 V、占空比為70%的脈沖信號(hào)IfK，控制MOS管VT1導(dǎo)通，產(chǎn)生+5 V的脈沖式電壓發(fā)送到中子管內(nèi)部，給燈絲供電，產(chǎn)生燈絲電流。燈絲電流經(jīng)過采樣、差分放大電路轉(zhuǎn)換成電壓值VIf上傳至單片機(jī)處理，在軟件中對應(yīng)出相應(yīng)的燈絲電流值。

圖4 燈絲電路原理圖

2.3.2 故障排除

實(shí)際測井中最常出現(xiàn)的燈絲故障是打開燈絲命令，無燈絲電流。經(jīng)檢查多為VT1故障。原電路VT1采用Si2301，當(dāng)燈絲命令打開時(shí)，燈絲最大開度，瞬間MOS管漏電流過大[4]，經(jīng)常導(dǎo)致MOS管發(fā)燙損壞或與焊盤脫焊。經(jīng)查看對比器件參數(shù)指標(biāo)，選用同是P溝道的耐電壓、耐電流更高的Si2319，以增強(qiáng)抗沖擊能力。MOS管Si2301和Si2319參數(shù)對比見表1。Si2319導(dǎo)通內(nèi)阻小，發(fā)熱量小，改造后降低了儀器故障。

表1 Si2301和Si2319參數(shù)對比表

2.4 陽極高壓電路

2.4.1 電路原理

陽極高壓電路包括陽極高壓產(chǎn)生和陽極電流采樣電路，原理圖如圖5所示。

圖5 陽極高壓電路原理圖

圖6是Va點(diǎn)和NB點(diǎn)波形曲線。打開陽極命令后，F(xiàn)PGA發(fā)出+5 V時(shí)序脈沖NB(圖6中橙色波形)，經(jīng)過VT1和R72構(gòu)成的脈沖反向放大電路，形成負(fù)脈沖，送入定時(shí)器U10整形成+15 V標(biāo)準(zhǔn)方波，控制VT2的導(dǎo)通或截止，使加載到陽極變壓器T2初級(jí)90 V直流電壓變成90 V的脈沖信號(hào)，在次級(jí)產(chǎn)生1 800 V脈沖高壓Va(圖6中藍(lán)色波形)，送到中子發(fā)生器。Va經(jīng)過分壓電路后產(chǎn)生很小的電流，通過電流采樣電路轉(zhuǎn)變成電壓值VIa，送入單片機(jī)處理。

圖6 Va點(diǎn)(藍(lán)色)和NB點(diǎn)(橙色)波形

圖5中陽極開關(guān)模塊的作用是：單片機(jī)發(fā)出的NBD信號(hào)，與Va脈沖高壓有90°的相位差，當(dāng)NBD正脈沖到來時(shí)，陽極開關(guān)內(nèi)的MOS管導(dǎo)通，消耗陽極高壓，完成快速放電，避免陽極高壓出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。

2.4.2 故障排除

陽極高壓電路常見故障有2種：

一是水流模式下打開陽極命令VaON，無陽極高壓。此時(shí)需按照陽極高壓產(chǎn)生流程依次檢查FPGA、VT1、U10和VT2的輸出端波形是否正確。若其中任一元器件有輸入波形、無輸出波形，則更換該器件。若 VT2有+90 V脈沖信號(hào)輸出，如圖7所示，則應(yīng)是變壓器T2次級(jí)故障，更換變壓器。

圖7 VT2輸出端波形

二是水流模式下打開陽極命令VaON，通訊模式自動(dòng)跳轉(zhuǎn)成WTC模式，即上采集短節(jié)與地面通訊失敗。先將變壓器T2與總線Vh斷開，若無模式跳變現(xiàn)象，則是變壓器或陽極開關(guān)模塊故障；再將變壓器T2與總線Vh連接、變壓器次級(jí)與陽極開關(guān)模塊斷開，確定故障器件并更換。若仍有模式跳變現(xiàn)象，則是振蕩電路對+90 V直流電源產(chǎn)生了干擾，此時(shí)依次更換上采集B板和電容板中的電感和濾波電容，直至故障排除。

2.5 靶壓控制電路

2.5.1 電路原理

靶壓控制電路由震蕩電路和低壓模塊構(gòu)成，原理圖如圖8所示。

圖8 靶壓電路原理圖

單片機(jī)發(fā)送增減靶壓命令，通過FPGA發(fā)送給U8，控制其產(chǎn)生0～3.3 V直流電壓，送至低壓模塊，產(chǎn)生0～90 V可變電壓值，經(jīng)過電容C60、L3濾波隔離后，送到中子管內(nèi)升壓變壓器T5-2端。脈寬調(diào)制器U9的11和14腳產(chǎn)生兩個(gè)相位差180°、占空比50%、周期為100 μs的脈沖信號(hào)[1]，如圖9所示，分別經(jīng)過三極管VT3和VT4的驅(qū)動(dòng)后，控制MOS管VT6、VT7導(dǎo)通，VT6、VT7和中子管內(nèi)的變壓器T5構(gòu)成推挽式升壓電路。

圖9 U9的11腳(藍(lán)色)和14腳(橙色)波形

2.5.2 故障排除

實(shí)際測井中常見的靶壓故障是軟件點(diǎn)擊增加靶壓，靶壓顯示值并不增加。首先將中子發(fā)生器換成中子模擬器進(jìn)行通電檢查，若增加靶壓，靶壓顯示值正常，則是中子發(fā)生器的故障。中子發(fā)生器是充氣型密封短節(jié)[5]，需返回廠家維修。若增加靶壓，靶壓顯示值并不增加，則是上采集靶壓控制電路故障。然后根據(jù)靶壓控制信號(hào)產(chǎn)生的流程依次檢查電路，排除故障。

增加靶壓，若低壓模塊V2無電壓值輸出，則檢查控制V2電壓輸出的控制電路。若控制電路有0～3.3 V可變電壓值輸出，則判斷為低壓模塊V2故障，將其更換。若控制電路無可變電壓值輸出，則依次檢查單片機(jī)、FPGA或U8，更換故障器件。

增加靶壓，若低壓模塊V2有0～90 V可變電壓值輸出，則檢查震蕩驅(qū)動(dòng)電路。若脈寬解調(diào)器U9的11、14腳無波形輸出，則更換U9。若脈寬解調(diào)器U9輸出波形正確，則判斷為MOS管VT6或VT7故障，更換故障器件。

3 結(jié)束語

上采集短節(jié)是氧活化儀器工作核心，文章針對其維修中常出現(xiàn)的問題，總結(jié)常用的維修方法，解決了常見故障。儀修人員只有全面了解儀器的工作原理，熟悉信號(hào)流程及掌握每部分電路的作用才能迅速排除儀器故障，為生產(chǎn)提供技術(shù)保障。