西安石油大學(xué)光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 張文輝 李志強 宋美華中國電子科技集團公司第二十研究所 王 浩

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光電耦合器在井下儀器測深電路中的應(yīng)用

西安石油大學(xué)光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 張文輝 李志強 宋美華
中國電子科技集團公司第二十研究所 王 浩

【摘要】本文提出了一種運用光電耦合器的高精度深度測量系統(tǒng), 通過光電耦合器的使用，有效地解決了測井車多點接地或深度信號輸入、輸出不共地等問題；通過分析光電編碼器抖動干擾信號的特征，設(shè)計了高精度抗抖動干擾電路，對以前的測深模塊進(jìn)行了改進(jìn)；利用計數(shù)芯片和PIC單片機之間相互配合的方式進(jìn)行脈沖計數(shù)和深度記錄，并運用計算機和LabVIEW軟件實現(xiàn)深度信息的實時顯示。通過在勝利油田的現(xiàn)場試驗，證明該系統(tǒng)切實可行，且具有很高的精確度。

【關(guān)鍵詞】光電耦合器；深度測量；光電編碼器；脈沖計數(shù)

引言

深度是測井資料中一項極為重要的數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)的深度測量數(shù)據(jù)，是準(zhǔn)確定位裸眼井的射孔位置、判斷油藏儲集層，準(zhǔn)確定位套管井套管節(jié)箍、損傷和腐蝕的重要前提[1]。我們瞬變電磁探測儀的測深模塊集成在便攜式的地面操作箱中，在測井現(xiàn)場作業(yè)過程中，需要測井車對其進(jìn)行供電。當(dāng)我們在油田對儀器進(jìn)行試驗時，發(fā)現(xiàn)電纜絞車工作是由井上隨機提供的市電220V或發(fā)電機供電，存在電壓功率低、轉(zhuǎn)換效率差、噪聲干擾大、交流成分復(fù)雜等因素，會使深度脈沖信號引入較大的干擾；而且由于油田測井車種類各異，往往出現(xiàn)多點接地，或光電編碼器和便攜式地面操作系統(tǒng)不共地等情況，影響深度脈沖信號的正常傳輸，導(dǎo)致深度計量出現(xiàn)較大誤差。

為了解決以上問題，本文提出了一種運用光電耦合器的高精度深度測量系統(tǒng)。光耦隔離是一種信號隔離形式，常由光耦器件及其外圍電路組成。光電耦合隔離技術(shù)的應(yīng)用，對不同接地狀態(tài)的互相影響起到隔離作用，保證深度脈沖信號傳輸準(zhǔn)確無誤，使該深度測量系統(tǒng)在抗干擾能力上有很大的改善和提高，也使得便攜式地面操作箱在油田現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性更強。同時對以前的測深模塊進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，使其在鑒相防抖、脈沖計數(shù)和深度實時顯示方面的性能更加優(yōu)越，且結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強，精確度高。

1 光電耦合器的結(jié)構(gòu)及原理

1.1 光電耦合器結(jié)構(gòu)與原理

光電耦合器是一種把發(fā)光器件和光敏器件封裝在同一殼體內(nèi)[2]，中間通過電→光→電的轉(zhuǎn)換來傳輸電信號的半導(dǎo)體光電子器件。

光電耦合器主要由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。

（1）光的發(fā)射部分主要由發(fā)光器件構(gòu)成，一般都是發(fā)光二極管，能將電能轉(zhuǎn)化為光能而發(fā)光，發(fā)光二極管可以用直流、交流、脈沖等電源驅(qū)動。

（2）光的接收部分主要由光敏器件構(gòu)成，一般都是光敏晶體管，光敏晶體管是利用對PN 結(jié)施加反向電壓時，在光線照射下反向電阻由大變小的原理來工作的。

（3）光的信號放大部分主要由電子電路等構(gòu)成。

發(fā)光器件的管腳為輸入端，而光敏器件的管腳為輸出端。工作時把電信號加到輸入端，使發(fā)光器件的芯體發(fā)光，而光敏器件受光照后產(chǎn)生光電流并經(jīng)電子電路放大后輸出，實現(xiàn)電→光→電的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)輸入和輸出電路的電器隔離。由于光電耦合器輸入與輸出電路間互相隔離，且電信號在傳輸時具有單向性等優(yōu)點，目前已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 光電耦合器件具有以下特點

信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，可有效阻斷電路或系統(tǒng)之間的電聯(lián)系，但并不切斷他們之間的信號傳遞；容易和邏輯電路連接；響應(yīng)速度快、傳輸效率高，光電耦合器件的時間常數(shù)通常在微秒甚至毫微秒級；無觸點、壽命長、體積小、耐沖擊。以上特點完全能夠滿足我們的使用要求，并達(dá)到信號隔離、傳輸?shù)哪康摹?/p>

2 光電耦合器在測深系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 測深系統(tǒng)組成原理框圖

本系統(tǒng)主要由光電編碼器[3]、光耦隔離電路、鑒相防抖電路、脈沖計數(shù)電路、接口電路、以及計算機和上位機軟件等部分組成，系統(tǒng)框圖（系統(tǒng)組成原理框圖）如圖2所示。

圖2　測深系統(tǒng)組成原理框圖

2.2 測深系統(tǒng)工作原理

光電編碼器安裝于測井車上，隨著電纜的運動帶動編碼輪轉(zhuǎn)動，光電編碼器產(chǎn)生A、B相信號，將其直接輸入到放置于測井車上的瞬變電磁探傷儀便攜式地面控制箱里。光耦隔離電路使得信號只能單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，解決了輸入信號和地面控制箱不共地的問題。鑒相防抖電路判斷A、B信號的相位，同時通過電路的邏輯運算實現(xiàn)防抖目的。脈沖計數(shù)電路可以準(zhǔn)確記錄脈沖數(shù)目，并且通過方向控制信號，確定對脈沖數(shù)應(yīng)該采取加計數(shù)或減計數(shù)操作，產(chǎn)生深度數(shù)據(jù)信號。深度數(shù)據(jù)通過接口電路的驅(qū)動，上傳到計算機利用上位機軟件實現(xiàn)深度實時顯示的功能。

2.3 光耦隔離電路

由于在測井車上進(jìn)行現(xiàn)場試驗時，發(fā)現(xiàn)有時候光電編碼器的輸出地和便攜式地面操作箱里的地信號不共地，影響光電編碼器A、B信號的正常傳輸，為此要設(shè)計一個光耦隔離電路，以實現(xiàn)A、B信號的順利采集。光耦具有對輸入、輸出電信號起隔離的作用，實現(xiàn)信號單向傳輸、輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離、輸出信號對輸入端無影響，而且具有抗干擾能力強、工作穩(wěn)定、無觸點、使用壽命長、傳輸效率高等特點。具體電路如圖3所示。

4N35是一款通用光電耦合器，包含一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，并用該二極管驅(qū)動硅光電晶體管。4N35的封裝類型是6腳雙列直插封裝。輸出A、B信號通過上拉電阻R3、R4連接到儀器地面控制箱+5v上，輸出地連接到便攜式地面控制箱的地。

圖3　光耦隔離電路

2.4 鑒相和防抖電路

光電編碼器的基本計量方法是使用一種可逆計數(shù)器，根據(jù)A(B)相脈沖信號上升沿或下降沿時刻所對應(yīng)的B(A)相脈沖信號的邏輯電平值進(jìn)行計數(shù)操作，并由此判斷出光電編碼器的運動方向[4]。若為高電平，則認(rèn)為光電編碼器正轉(zhuǎn)，計數(shù)器加1，若為低電平，則認(rèn)為光電編碼器逆轉(zhuǎn)，計數(shù)器減1。理論上可以采用一個D觸發(fā)器，以其中一相脈沖為時鐘信號，另一相脈沖為數(shù)據(jù)信號，在時鐘上升沿對數(shù)據(jù)采樣，根據(jù)觸發(fā)器的輸出判斷此時編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。但在實際應(yīng)用中，光電編碼器由于各種外界因素的影響可能會發(fā)生抖動，使得光柵在兩個光電傳感器之間來回擺動，造成輸出信號的脈寬和周期產(chǎn)生隨機變化，A，B兩相脈沖信號的相位差也不再是固定的±90°，因此有必要做硬件上的防抖處理。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中對A，B兩相信號邏輯和時序的分析，可以得到這樣的結(jié)論：若A相（或B相）脈沖信號的相鄰跳變沿上，另一相脈沖信號的電平不同，則可視為有效的深度計量信號，如圖4所示。否則應(yīng)作為干擾信號不予計數(shù)。因此可以設(shè)計鑒相和防抖電路方案如圖5所示。

圖5中B相脈沖信號直接和經(jīng)過反相器輸入到兩個D觸發(fā)器D1和D2，作為其時鐘信號，A相脈沖信號輸入到兩個觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端口；此時當(dāng)B相信號的上升沿到來時，D1對A相信號進(jìn)行采樣并保持，當(dāng)與B相信號相鄰的一個下降沿到來時D2采樣到A相信號延遲T/2時的信號，將這兩個信號進(jìn)行異或，則就可以利用該異或門G2的輸出信號判斷輸入脈沖信號是否有效，其是否為1即表示深度脈沖信號是否有效，實現(xiàn)了防抖動的目的。同時，以B相信號上升沿采樣得到的A相信號作為方向控制信號，并將B相信號和脈沖有效判別信號相與，令與門的輸出信號作為計數(shù)電路的時鐘輸入信號。

圖4　光電編碼器正反轉(zhuǎn)動信號

圖5　鑒相和防抖電路

圖6　脈沖計數(shù)電路

2.5 脈沖計數(shù)電路

脈沖計數(shù)電路由CD4040和PIC單片機組成，如圖6所示。CD4040是12位二進(jìn)制串行計數(shù)器，在時鐘下降沿進(jìn)行計數(shù)。由于在時鐘輸入端使用施密特觸發(fā)器，對脈沖上升和下降時間無限制。CD4040負(fù)責(zé)脈沖計數(shù)，并把數(shù)據(jù)傳送給PIC單片機。而PIC單片機負(fù)責(zé)按一定的時間間隔讀取計數(shù)器的信號，計算脈沖的個數(shù)；同時依據(jù)RB0端口的方向控制信號，判斷儀器當(dāng)前是處于上提或下放狀態(tài)，并相應(yīng)的執(zhí)行脈沖加、減操作生成深度數(shù)據(jù)；而且PIC單片機還利用RB1引腳輸出的復(fù)位信號控制計數(shù)器的復(fù)位，同時將當(dāng)前深度數(shù)據(jù)及時上傳給上位機進(jìn)行實時顯示[6]。

因為計數(shù)芯片只能加計數(shù)，因此PIC單片機可以設(shè)置合適的讀取間隔Td，使得CD4040在Td間隔內(nèi)至多發(fā)生一次溢出，這樣若后一次脈沖數(shù)的值count2小于前一次脈沖數(shù)的值count1，則可以判定計數(shù)器CD4040發(fā)生了一次進(jìn)位，Td間隔內(nèi)讀入的脈沖數(shù)為count2+212-count1，反之脈沖數(shù)為count2-count1。

圖7　程序設(shè)計流程框圖

3 測深系統(tǒng)整體軟件編程部分

本系統(tǒng)的軟件部分主要包括兩方面，一是PIC單片機對深度數(shù)據(jù)的計算、儲存及發(fā)送。PIC單片機既要進(jìn)行深度數(shù)據(jù)的更新，又要進(jìn)行方向判斷，因此采用中斷機制進(jìn)行程序設(shè)計。程序在主循環(huán)中反復(fù)根據(jù)當(dāng)前方向更新并記錄深度值H，當(dāng)中斷產(chǎn)生時，表示光電編碼器的轉(zhuǎn)動方向發(fā)生改變，隨即進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先保存深度值h，并復(fù)位CD4040，重新開始計數(shù)，直到下一次中斷產(chǎn)生，并判斷方向控制信號的值，若其值為0，則表示之前是正轉(zhuǎn)，現(xiàn)在是反轉(zhuǎn)，用H加上h則表示當(dāng)前深度值。若方向控制信號的值為1，則用H減去h則表示當(dāng)前深度值。程序設(shè)計流程圖如圖7所示。

二是上位機軟件設(shè)計。上位機軟件使用LabVIEW進(jìn)行編寫，LabVIEW主要實現(xiàn)的是串口數(shù)據(jù)的接收、校驗、處理以及實時顯示等，使得儀器操作人員能夠比較簡單、直觀、準(zhǔn)確的獲取井下儀器的深度信息。本系統(tǒng)采用RS-232串口通信協(xié)議實現(xiàn)了脈沖計數(shù)電路與上位機的數(shù)據(jù)通信。在LabVIEW中首先對串口的基本屬性進(jìn)行配置，如波特率、數(shù)據(jù)比特以及奇偶校驗位等；其次，對I/O緩沖區(qū)進(jìn)行設(shè)定；最后，再讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過校驗，將錯誤的數(shù)據(jù)直接丟棄，正確的數(shù)據(jù)進(jìn)行保留做后續(xù)處理。

4 結(jié)論

本設(shè)計通過運用光電耦合器,使瞬變電磁探測儀深度測量系統(tǒng)，能有效消除不同接地狀態(tài)所帶來的干擾和光電編碼器的抖動干擾，精確測量井下儀器的深度信息，并通過計算機進(jìn)行深度信息的實時顯示。該系統(tǒng)，在勝利油田進(jìn)行了多次的現(xiàn)場試驗，均取得了很好的測量效果，表明該系統(tǒng)是切實可行的測深方案。

參考文獻(xiàn)

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[5]朱燦焰.抗光電編碼器抖動技術(shù)[J].華東交通大學(xué)學(xué)報,1995(12).

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張文輝 (1990—），男，陜西漢中人，西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院在讀碩士，主要研究方向：油氣井井下信息探測。

通信作者：

基金項目：國家自然基金 “基于線源的井間剩余油探測理論和方法”(41174160)資助。