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聲波測井測井儀需要在深井高溫高壓的環(huán)境下使用，對使用條件及組合功能的要求較高�，F今大多數油田廣泛采用1609補償聲波測井儀，其發(fā)射電路因為1609補償聲波測井儀的發(fā)射電路存在缺陷，原電路中的CMOS場(chǎng)效應管易于被擊穿而損壞。因此有些儀器改用可控硅代替CMOS場(chǎng)效應管作發(fā)射開(kāi)關(guān)。美國阿拉斯加公司在 1609電子線(xiàn)路設計中，最早使用的就是可控硅，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，發(fā)現可控硅抗干擾能力較差，比較容易產(chǎn)生誤觸發(fā)，造成儀器工作不正常;聲波觸發(fā)時(shí)間要求準確，可控硅作發(fā)射開(kāi)關(guān)時(shí)，觸發(fā)脈沖上升前沿不是非常陡峭，造成發(fā)射誤差;而且由于可控硅關(guān)斷時(shí)間的不確定性，造成儀器工作電流較大，從而影響組合測井時(shí)其他儀器的正常工作。 本研究采用更先進(jìn)的VMOS管作為發(fā)射開(kāi)關(guān)，通過(guò)深入分析測井儀發(fā)射電路的工作原理及其存在的缺陷，嘗試新的可行的電路組合，調試成功后，用計算機軟件制作電路板模型，并制成電路板，然后將其連接至測井儀工作電路中，檢驗其效能。設計改進(jìn)了原有技術(shù)，提高了儀器可靠性，具有重要的應用價(jià)值。 聲波發(fā)射電路的基本原理 該電路是由N溝道增強型CMOS場(chǎng)效應管Q1(型號為IRFD9120)和P溝道增強型CMOS場(chǎng)效應管Q2(型號為IRFD120)，按照互補對稱(chēng)的形式連接而成，構成反相器。場(chǎng)效應管Q1與場(chǎng)效應管Q2二者的柵極連接在一起引出輸入端，按邏輯解碼器輸出來(lái)發(fā)射脈沖。兩管漏極接在一起作輸出，Q1的源極接電源，Q2的源極接地。從邏輯解碼器輸出的負邏輯脈沖送至該電路X3處，一般情況下，當X3觸發(fā)為高電平脈沖時(shí)，Q1截止，Q2導通，Q3的輸入端接地，使Q3截止，D1兩端的電壓為0;當輸入X3處為低電平，使得場(chǎng)效應管Q1導通，Q2截至，Q3的輸入端接5V電源，因此Q3導通，D1兩端的電壓為高壓信號，導通時(shí)間即為高壓脈沖寬度，從而最終使得圖1中壓電陶瓷換能器將電能轉化為機械能而產(chǎn)生聲振動(dòng)。 
該設計電路中控制信號X3要求在一般情況下為高電平輸入，即Q3大部分時(shí)間處于截止狀態(tài)，否則長(cháng)時(shí)間的導通很容易引起大電流始終存在而引起管子燒壞及工作不正常。為了提高性能，我們改進(jìn)了電路設計，采用連續觸發(fā)的單穩信號作為控制電路，單穩信號的穩定脈沖可以設定，大大提高了電路性能，取得了較好效果。 改進(jìn)的設計方法 555電路是常用的一種最簡(jiǎn)單的電路，具有定時(shí)精確，電路穩定等優(yōu)點(diǎn)，圖2所示為采用555器件設計的單穩態(tài)觸發(fā)器的電路圖和所產(chǎn)生的波形圖。當低電平的外觸發(fā)脈沖到來(lái)的時(shí)候，單穩態(tài)電路產(chǎn)生一脈沖寬度為T(mén)w≈1.1(R+RW)C的高電平信號，信號的寬度可以通過(guò)調整RW和C的值得到不同的定時(shí)值。所設計的脈沖寬度是由壓電陶瓷的諧振頻率fs確定的，在實(shí)際測井中為fs=20kHz，因此在設計中所選取的電阻電容數值必須確保脈沖寬度等于 Ts/2以滿(mǎn)足諧振頻率的需要。
為了連續激發(fā)，本設計采用圖所示為自激多諧振蕩器電路產(chǎn)生的方波信號作為單穩態(tài)電路的觸發(fā)信號，實(shí)現數據的自動(dòng)連續激發(fā)如圖3所示。
電路采用電阻、電容組成RC定時(shí)電路，用于設定脈沖的周期和寬度。調節R或電容C，可得到不同的時(shí)間常數;還可產(chǎn)生周期和脈寬可變的方波輸出。振蕩周期決定了發(fā)射電路的重復頻率。此處重復發(fā)射頻率是指兩次發(fā)射的時(shí)間間隔大小，在實(shí)際工作中，發(fā)射頻率的大小決定著(zhù)測井的速度，同時(shí)也受限于儀器的采樣時(shí)間，在測井工程和實(shí)驗室中，重復頻率為20Hz。振蕩周期計算公式：T≈0.7 (R1+2R2) C。因此選取合適的電阻電容數值，就可以確定重復發(fā)射頻率的大小。 如前所述，可知原電路中信號經(jīng)過(guò)各器件，各電路部分調理后進(jìn)入VMOS管(此為RFP460)的輸入端，VMOS功率管的作用相當于一開(kāi)關(guān)，即在高電平或低電平時(shí)選擇性地導通電路，從而控制電路。最終影響聲波發(fā)射的是電路中R7兩端的電壓脈沖——經(jīng)變壓器后形成高壓脈沖激勵發(fā)射器，產(chǎn)生聲波。
發(fā)射電路總體設計及實(shí)驗效果分析 聲波發(fā)射電路分為三大模塊：整流電路、控制電路及發(fā)射激勵電路，所設計電路的控制及發(fā)射激勵信號如前所述，整理電路采用橋式整流電路。220V交流電壓經(jīng)整流后將電容器C充電到300V，該電容器與R7的一端連接R7的另一端與發(fā)射激勵板的V4(IRFP460)的漏極相連。當V4導通，R7兩端產(chǎn)生一個(gè)脈寬約為28ms的300V的高壓脈沖，該脈沖激勵壓電陶瓷換能器，使其產(chǎn)生聲振動(dòng)。 對于此電路，為了驗證其與原電路功能的一致性，采用Multisim仿真軟件測試信號與用示波器測試實(shí)際連接電路各段信號相結合的方法，驗證了此設計電路的可用性，并將其連接到聲波發(fā)射換能器，實(shí)驗結果相比較于原電路輸出波形基本一致，聲波發(fā)射效果良好。圖5為設計電路所測試的電路各段信號圖。
測試結果表明，由第一級555構成的多諧振蕩器輸出的信號經(jīng)過(guò)由第二級555構成的施密特觸發(fā)器后，發(fā)生了“倒轉”：由瞬時(shí)低電平信號變?yōu)樗矔r(shí)高電平信號，實(shí)現了反相器的設計功能。同時(shí)V4輸如端為高電平的時(shí)候V4截止，R7兩端的電壓為0，當V4輸如端為低電平的時(shí)候說(shuō)明V4電路導通，則R7 兩端的電壓為外接高壓電源電壓值的大小，從而帶動(dòng)壓電陶瓷換能器工作(注：實(shí)驗中為保護示波器，采用調壓器確保低壓測量)。 結語(yǔ) 本實(shí)驗通過(guò)分析研究發(fā)射電路原理及其相關(guān)的功能，在成功連接電路并不斷調試的基礎上，對原聲波發(fā)射電路做了技術(shù)性的改進(jìn)，提出了合理的改進(jìn)方案，并經(jīng)實(shí)驗驗證了其可行性。實(shí)驗的研究成果已經(jīng)成功用于本科實(shí)驗教學(xué)之中，并在實(shí)驗室中井筒模擬測量中得到應用。相信本實(shí)驗成果能夠應用于油田實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，體現使用價(jià)值與社會(huì )效益，具有一定的市場(chǎng)前景。 參考文獻: [1]牛偉，韓素云，馮愛(ài)莉，等.1609 補償聲波測井儀發(fā)射電路的改進(jìn)[R].石油儀器.2004,18 (5): 39-43 [2]王敏英.1609補償聲波側井儀發(fā)射電路技術(shù)改進(jìn)[R].石油儀器.2005,19 (4 ):87-88 · [3] 孫 冰,侯春會(huì ),趙 萍.聲波發(fā)射電路的優(yōu)化設計[R].石油儀器. 2000,14(4):11-12. [4] 邱關(guān)源.電路分析(第五版)[M]. 北京：高等教育出版社，2001 [5] 華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組.電子技術(shù)基礎 (第五版). 北京：高等教育出版社，2003 [6] 楊禮英，陸六剛.測井儀器[M].北京:石油工業(yè)出版社，1985 作者：付建偉 趙建國 中國石油大學(xué)北京市地球探測與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室 時(shí)間：2010-04-16 |
