孫海仁，管少斌，唐曉川

（1.核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊 050002；2.中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050002）

隨著我國(guó)鈾礦大基地建設(shè)戰(zhàn)略的實(shí)施，鈾礦勘查重點(diǎn)轉(zhuǎn)向北方地浸砂巖型鈾礦和深部500～1500 m 深度的“第二找礦空間”［1］。隨之而來(lái)的是面對(duì)更為復(fù)雜的測(cè)井環(huán)境、測(cè)井條件和一次下井所需更長(zhǎng)的時(shí)間，以及卡管塌孔的概率更大等。以往測(cè)井中測(cè)量參數(shù)大多是分離式，即所需參數(shù)需要多次下井測(cè)量才能取得［2］，雖將井溫、測(cè)斜和定量γ 等部分參數(shù)進(jìn)行了組合［3］，但基本都是之于以前煤田測(cè)井參數(shù)的組合，專(zhuān)門(mén)針對(duì)鈾礦測(cè)井參數(shù)進(jìn)行組合的探管較少。

國(guó)外三大測(cè)井服務(wù)公司和國(guó)內(nèi)測(cè)井技術(shù)研發(fā)單位都在積極加強(qiáng)常規(guī)測(cè)井系列的集成研究，改進(jìn)儀器傳感器設(shè)計(jì)，優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)和電子線(xiàn)路，大大縮短了組合探管長(zhǎng)度［4］，使常規(guī)測(cè)井儀器向著多組合、小尺寸、高可靠、低成本的方向發(fā)展［5］，在提高測(cè)量準(zhǔn)確度的同時(shí)降低了不確定度，最大限度地解決了一次下井完成所有常規(guī)測(cè)井資料采集的問(wèn)題，提高了測(cè)井作業(yè)的時(shí)效［4］。而且就目前國(guó)內(nèi)外測(cè)井技術(shù)發(fā)展的總體態(tài)勢(shì)來(lái)看，測(cè)井設(shè)備高度集成化、輕型化也是現(xiàn)代測(cè)井技術(shù)發(fā)展的一種必然趨勢(shì)［1］。

國(guó)內(nèi)鈾礦采冶過(guò)程中，測(cè)井任務(wù)主要包括裸孔測(cè)井，固井測(cè)井和成孔測(cè)井三個(gè)階段，其中裸孔測(cè)井主要目的是確定礦段位置、品位及厚度，劃分鉆孔巖性，區(qū)分滲透性和非滲透性巖礦層以及鉆孔的空間傾斜等。以國(guó)內(nèi)某鈾礦床采冶測(cè)井為例，裸孔測(cè)井就選擇了井徑、井斜、視電阻率或三側(cè)向電阻率、自然電位和放射性γ 等6 個(gè)參數(shù)。

現(xiàn)有國(guó)內(nèi)適用于鈾礦采冶的測(cè)井探管不完全針對(duì)該領(lǐng)域的應(yīng)用需求研發(fā)，探管種類(lèi)繁多，產(chǎn)品針對(duì)性不強(qiáng)。以上海地學(xué)儀器研究所開(kāi)發(fā)的鈾礦采冶測(cè)井探管為例，將井溫、井斜、放射性γ 三個(gè)參數(shù)組合成一根探管；將井徑、三側(cè)向電阻率和密度三個(gè)參數(shù)組合成一根探管；將自然電位、視電阻率兩個(gè)參數(shù)組合成一根探管。但這種組合，一次鈾礦采冶裸井測(cè)井，仍需要分別下三根探管，才能得到鈾礦采冶裸孔測(cè)井所有參數(shù)。下井次數(shù)多，測(cè)井時(shí)效低，制約了鉆探進(jìn)度。

本文專(zhuān)門(mén)針對(duì)當(dāng)前鈾礦探采，特別是采冶過(guò)程中裸孔測(cè)井領(lǐng)域作為研究方向，旨在解決一次測(cè)井獲取所有必要常規(guī)參數(shù)的難題［3］。利用已成型的測(cè)井技術(shù)理論，在最大程度滿(mǎn)足鈾礦采冶的基礎(chǔ)上，對(duì)鈾礦探采測(cè)井必要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，同時(shí)考慮不同參數(shù)物理場(chǎng)影響因素，對(duì)采集參數(shù)的放置位置、硬件結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。成功研制了井徑、井斜、井溫、三側(cè)向電阻率、自然電位等5 參數(shù)組合，定量γ 和密度參數(shù)作為單獨(dú)短節(jié)，長(zhǎng)度控制在3 m 以?xún)?nèi)的多參數(shù)組合探管，保證了一次測(cè)井，獲取多達(dá)6 種鈾礦探采必要參數(shù)，減少了小隊(duì)測(cè)井工作強(qiáng)度和測(cè)井風(fēng)險(xiǎn)［6］，解決了不同探管記錄不一致造成的回差［7］，控制了數(shù)據(jù)質(zhì)量。從成本、安全和數(shù)據(jù)角度等考量，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于更好地發(fā)揮測(cè)井在鈾礦勘查中的作用，具有十分重要的意義［8］。

1 可行性原則

1.1 適應(yīng)性原則

我國(guó)北方可地浸砂巖型鈾礦，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)豐富，且普遍采用151 mm 或215 mm 小孔徑鉆孔，如果探管過(guò)長(zhǎng)，極易出現(xiàn)卡管等現(xiàn)象。同時(shí)探管過(guò)長(zhǎng)，也不利于探管的安裝、下放及上提等操作，存在一定的安全隱患。故多參數(shù)組合探管的設(shè)計(jì)，必須考慮到探管的長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，便于測(cè)井操作。

筆者以現(xiàn)有測(cè)井技術(shù)原理為基礎(chǔ)，對(duì)鈾礦探采參數(shù)進(jìn)行重新優(yōu)化組合，改進(jìn)探管硬件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電路布局布線(xiàn)以實(shí)現(xiàn)電路微型化，并且采用軟件編程代替硬件電路的方法來(lái)減少元器件數(shù)量［9］，以減小整體架構(gòu)體積和長(zhǎng)度，將組合探管長(zhǎng)度控制在3 m 以?xún)?nèi)。

1.2 抗干擾原則

多種參數(shù)組合探管，主要需要解決的是各參數(shù)間的相互影響，特別是電磁信號(hào)的影響，導(dǎo)致的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。故在設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮并解決耦合干擾影響問(wèn)題，使各個(gè)測(cè)量參數(shù)，滿(mǎn)足測(cè)井規(guī)范要求［10］。

1.3 自動(dòng)識(shí)別原則

為提高測(cè)井時(shí)效，還必須考慮自動(dòng)化方面的設(shè)計(jì)，如探管各參數(shù)的軟件自識(shí)別等。

2 組合探管參數(shù)優(yōu)選方法

根據(jù)鈾礦鉆孔特點(diǎn)和成井要求，對(duì)鈾礦測(cè)井所需采集參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，優(yōu)選應(yīng)用效果較好的參數(shù)［11］，同時(shí)考慮到鈾礦采冶測(cè)量需求，最終確定7 種測(cè)井參數(shù)，分別為定量γ、密度、自然電位、井徑、井斜、電阻率、井溫等。其中將自然電位、井徑、井斜、電阻率、井溫等5 個(gè)參數(shù)作為常規(guī)組合探管，將定量γ 和密度參數(shù)作為單獨(dú)短節(jié)，可根據(jù)需求自由串聯(lián)到組合探管上使用。此種設(shè)計(jì)方案，能最大限度地提高電路集成度、縮短探管長(zhǎng)度、確保各種參數(shù)測(cè)量過(guò)程中互不干擾［8］。

3 組合探管組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于連接接頭過(guò)多，防水密封處理浪費(fèi)了大量的探管長(zhǎng)度。單獨(dú)短節(jié)拆分過(guò)細(xì)，比如自然電位和井溫主要結(jié)構(gòu)件是傳感器，電路部分較少，如果再單獨(dú)加主控和通訊系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于冗余，而且工作效率還低（通訊及通訊切換占用較多的時(shí)間），因此設(shè)計(jì)中應(yīng)該合理搭配功能，劃分結(jié)構(gòu)。

電路方案設(shè)計(jì)時(shí)，采用分離獨(dú)立模塊方案。分離獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)相比緊湊整合方案，測(cè)量效率更低，設(shè)計(jì)冗余重復(fù)器件更多，但通用性高，可以靈活組合搭配，方便后期擴(kuò)展和組合。

由于要求組合探管長(zhǎng)度不超過(guò)3 m，又需要放置電阻率電極和測(cè)斜及井徑等占用長(zhǎng)度較多的結(jié)構(gòu)部分，所以摒棄外部短節(jié)細(xì)分的方案。綜合考慮采用整體探管結(jié)構(gòu)，內(nèi)部電路進(jìn)行細(xì)分模塊的方案，整只儀器模塊細(xì)分為3 組模塊：三側(cè)向電阻率模塊，自然電位測(cè)斜模塊和井徑井溫模塊；再外搭密度或定量γ（長(zhǎng)短源距）短節(jié)。組合探管電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 多參數(shù)常規(guī)組合探管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of multi parameter conventional combined probe pipe

3.1 三側(cè)向電阻率模塊

位于最上端，借用電纜接頭做屏蔽電極，壓縮探管長(zhǎng)度的同時(shí)達(dá)到屏蔽電極長(zhǎng)度要求，屏蔽電極能夠聚焦發(fā)射電流，增大有效測(cè)量半徑，使實(shí)測(cè)結(jié)果更接近巖層真實(shí)電阻率，分層效果更明顯［6］。電阻率部分的激勵(lì)電源放第一級(jí)，也避免功率走線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)，引起電流噪聲干擾其他測(cè)量電路。井溫測(cè)量頭PT1000 外殼需要電流屏蔽，不宜與三側(cè)向電極放在一起，因?yàn)槿齻?cè)向激勵(lì)供電時(shí)，激勵(lì)電壓的換向和抖動(dòng)會(huì)對(duì)熱電阻的小電流弱信號(hào)造成干擾。故井溫不放在這一級(jí)。

3.2 自然電位測(cè)斜模塊

位于第二級(jí)，自然電位電極最佳位置在組合管的底部，避免長(zhǎng)探管的金屬外殼破壞地層中的自然電位原始狀態(tài)［8］。但底部需要加密度短節(jié)，所以放在中間，再在電極兩端加接絕緣管，以達(dá)到較好的測(cè)量效果。兩側(cè)空出來(lái)位置用來(lái)放置線(xiàn)路板和測(cè)斜傳感器，這個(gè)短節(jié)可以單獨(dú)拿出來(lái)標(biāo)定。要求至少傳感器外管用銅管或無(wú)磁不銹鋼管，在兩側(cè)整體套碳纖維絕緣管，測(cè)斜傳感器在整支探管的中部。

3.3 井徑井溫模塊

位于第三級(jí)，井溫探頭安裝在結(jié)構(gòu)接頭上，由于靠近測(cè)斜磁方位傳感器，所以這個(gè)接頭使用銅連接頭，線(xiàn)路板安裝在這個(gè)銅接頭上，井溫和井徑剛好共用一個(gè)AD 轉(zhuǎn)換芯片，井徑電機(jī)控制在這部分線(xiàn)路板上。往下依次是井徑結(jié)構(gòu)和井徑臂位置，減少探管長(zhǎng)度占用。井徑測(cè)量臂同時(shí)用來(lái)作為下掛的密度短節(jié)推靠臂使用，保證密度短節(jié)的有效貼壁。尾部下接頭使用4 芯孔座，兼容FD-3019 接口，方便對(duì)接FD-3019 或密度短節(jié)。

3.4 密度（長(zhǎng)短源距）短節(jié)

使用同F(xiàn)D-3019 探管的24V 供電，獨(dú)立采集長(zhǎng)短源距數(shù)據(jù)，通過(guò)同F(xiàn)D-3019 的3 芯連接方案與井溫井徑模塊預(yù)留的接口連接，再通過(guò)第三級(jí)將數(shù)據(jù)掛接到主儀器上，保證了兩個(gè)短節(jié)的可互換通用性。同時(shí)工作測(cè)量時(shí)，井徑臂的支撐能夠保證密度短節(jié)的有效貼壁。

4 組合探管外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組合探管的外形及結(jié)構(gòu)加工，主要分由四部分組成，第一部分為三側(cè)向電阻率部分，第二部分為自然電位和測(cè)斜部分，第三部分為井溫及井徑部分，第四部分為密度短節(jié)（可換接FD-3019 定量γ 短節(jié)），如圖2 所示。

圖2 多參數(shù)組合探管結(jié)構(gòu)全圖Fig.2 Full structural drawing of multi parameter combined probe pipe

整支探管分組合探管和密度短節(jié)部分。其中組合探管部分包含三側(cè)向電阻率、自然電位、井斜（方位）、井溫、井徑等5 個(gè)測(cè)井參數(shù)，組合探管的外徑為Φ50 mm，長(zhǎng)度為2.8 m。其中三側(cè)向電阻率屏蔽電極長(zhǎng)度0.6 m，三側(cè)向測(cè)量電極尺寸為Φ50 mm×0.06 m，使用不銹鋼電極；自然電位測(cè)量電極尺寸為Φ50 mm×0.02 m，使用鉛電極，兩側(cè)絕緣套管長(zhǎng)度0.5 m，使用碳纖維絕緣管；測(cè)斜傳感器在自然電位測(cè)量電極的下方，位于組合探管的中心點(diǎn)位置；溫度傳感器為PT1000熱電阻傳感器，測(cè)溫范圍-20～150 ℃，采用側(cè)面凹槽結(jié)構(gòu)安裝，使用銅無(wú)磁性材料；井徑靠臂為圓桿內(nèi)藏結(jié)構(gòu)，收緊時(shí)內(nèi)藏在探管結(jié)構(gòu)中，井徑靠臂長(zhǎng)度0.25 m，頂端裝可替換耐磨合金材料；尾部為四芯連接頭，方便連接FD-3019定量伽馬探管或定制密度短節(jié)，密度短節(jié)長(zhǎng)度0.85 m，內(nèi)置長(zhǎng)短源距探測(cè)器，底部預(yù)留源室掛載位置。

三側(cè)向電阻率電路部分為單獨(dú)測(cè)量模塊，除三側(cè)向電路外，結(jié)構(gòu)內(nèi)還安裝系統(tǒng)電源模塊和總通信模塊線(xiàn)路板，如圖3。

圖3 多參數(shù)組合探管三側(cè)向電阻率模塊示意圖Fig.3 Three lateral resistivity module diagram of multi parameter combined probe pipe

自然電位及測(cè)斜部分為單獨(dú)測(cè)量模塊，內(nèi)安裝測(cè)斜和自然電位測(cè)量電路線(xiàn)路板和測(cè)斜及方位傳感器結(jié)構(gòu)，外部為鉛環(huán)電極和兩側(cè)的碳纖維絕緣管（圖4）。

圖4 多參數(shù)組合探管自然電位及測(cè)斜模塊示意圖Fig.4 Natural potential and inclinometer measurement module of multi parameter combined probe pipe

井溫和井徑部分為單獨(dú)測(cè)量模塊，連接測(cè)斜結(jié)構(gòu)部分使用無(wú)磁銅（鈦）材料，溫度傳感器安裝在測(cè)開(kāi)窗凹槽中；線(xiàn)路板和開(kāi)閉電機(jī)及結(jié)構(gòu)安裝在井臂的上部，井臂下部為井徑臂收納艙，尾部為短節(jié)掛接頭，如圖5。

圖5 多參數(shù)組合探管井溫、井徑模塊示意圖Fig.5 Module of well temperature and diameter measurement in multi parameter combined probe pipe

5 組合探管電路設(shè)計(jì)

在硬件電路的設(shè)計(jì)中，以高性能的MCU 芯片為核心［12］，用軟件編程代替了部分硬件電路的功能，簡(jiǎn)化了硬件電路，節(jié)約了空間，實(shí)現(xiàn)了探管體積小型化的目標(biāo)［3］。多參數(shù)組合探管硬件電路由5 部分模塊電路組成：系統(tǒng)供電和通信主控模塊、三側(cè)向測(cè)量模塊、自然電位和測(cè)斜測(cè)量模塊、井溫和井徑測(cè)量模塊、密度測(cè)井短節(jié)。其中前4 部分為一體的組合探管，最后一個(gè)是獨(dú)立的短節(jié)?？梢?huà)旖釉诮M合探管的尾部，但不能與定量伽馬探管同時(shí)掛接。

選擇Silab 生產(chǎn)的C8051F201 單片機(jī)作為主控芯片，其內(nèi)部集成多路模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、I2C、RS232、SPI、電壓比較、定時(shí)計(jì)數(shù)器等滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要的處理單元。通過(guò)配置相關(guān)寄存器，可實(shí)現(xiàn)IO 管腳功能重新定義使設(shè)計(jì)靈活方便。通過(guò)軟件編程的方式提高微處理器的利用率從而代替以往大量的外圍硬件電路設(shè)計(jì)，減小電路板布局節(jié)省空間［13］，系統(tǒng)框架圖如圖6所示。

圖6 多參數(shù)組合探管系統(tǒng)框架圖Fig.6 System framework of multi parameter combined probe pipe

5.1 系統(tǒng)供電和通信主控模塊

系統(tǒng)供電和通信主控模塊主要包含供電電壓輸出電路和通信電路（圖7）。供電開(kāi)關(guān)電源電路將上位機(jī)提供的DC200 V電壓轉(zhuǎn)換成隔離+24V和-14V 和非隔離+12V 和-12V 等4 組電壓，再通過(guò)LDO 濾波穩(wěn)壓給系統(tǒng)供電。其中非隔離電源用于曼碼傳輸部分供電，隔離部分給探管內(nèi)部系統(tǒng)供電。使用光耦合隔離，保證組合探管為一個(gè)獨(dú)立的供電系統(tǒng)，不受地面電源影響。通信電路包含兩部分：曼碼傳輸電路和RS485 總線(xiàn)電路。通信主控通過(guò)曼碼傳輸電路完成與上位機(jī)的命令解析和數(shù)據(jù)發(fā)送，在獲取上位機(jī)的命令后按照協(xié)議通過(guò)RS485 總線(xiàn)分發(fā)指令和輪詢(xún)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)打包組合上傳至上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)解析還原再關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)深度數(shù)值傳送至計(jì)算機(jī)軟件來(lái)繪制曲線(xiàn)和記錄數(shù)據(jù)。

圖7 系統(tǒng)供電和通信主控模塊電路實(shí)物圖Fig.7 Physical circuit of system power supply and communication main control module

5.2 自然電位和測(cè)斜測(cè)量模塊

自然電位和測(cè)斜測(cè)量模塊包含自然電位和測(cè)斜等三個(gè)測(cè)量參數(shù)（圖8、9）。自然電位是把地面來(lái)的N電極電平信號(hào)和測(cè)量點(diǎn)的SP電極電平信號(hào)進(jìn)行差分放大，然后送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，從而測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的電位差。測(cè)斜部分采用重力加速度傳感器測(cè)量鉆孔頂角。采用巨磁效應(yīng)磁阻傳感器測(cè)量大地磁場(chǎng)及鉆孔方向的磁矢量。通過(guò)高精度數(shù)字轉(zhuǎn)換及處理，計(jì)算出鉆孔的頂角和傾斜方位角。其中自然電位共用頂角ADC轉(zhuǎn)換器件。

圖8 測(cè)斜采集電路模塊實(shí)物圖Fig.8 Photo of inclinometer acquisition circuit module

圖9 頂角及方位傳感器電路模塊實(shí)物圖Fig.9 Photo of apex and azimuth module

5.3 三側(cè)向電阻率測(cè)量電路

三側(cè)向測(cè)量模塊主要包含三側(cè)向供電電路和三側(cè)向測(cè)量電路（圖10、11）。將地面的DC200V供電通過(guò)開(kāi)關(guān)電路轉(zhuǎn)換成恒流/恒壓供電，再通過(guò)可控H 橋電路產(chǎn)生64 Hz 的激勵(lì)供電，為了提高三側(cè)向電法測(cè)井的動(dòng)態(tài)范圍，在低阻抗時(shí)使用恒流供電，在高阻抗時(shí)使用恒壓供電，來(lái)兼顧低阻時(shí)的分辨率和高阻的范圍。再將測(cè)量電極A0 的電壓和電流數(shù)據(jù)通過(guò)測(cè)量電路放大量化，從而計(jì)算出三側(cè)向電阻率成果值。

圖11 三側(cè)向測(cè)量電極采集模塊電路實(shí)物圖Fig.11 Photo of circuit module for three side measuring electrode acquisition

5.4 井溫和井徑測(cè)量模塊

井溫和井徑測(cè)量模塊包含井溫和井徑兩個(gè)測(cè)量參數(shù)（圖12、13、14）。井溫使用PT1000 熱電阻傳感器，通過(guò)帶恒流專(zhuān)用ADC，直接量化溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)刻度標(biāo)定轉(zhuǎn)換算成實(shí)際溫度值。井徑通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)靠臂放大最大臂位置，借助彈簧拉力使井徑臂緊貼井壁，井壁開(kāi)合角度變化推動(dòng)軸向的位移傳感器，通過(guò)檢測(cè)位移傳感器的阻值變化來(lái)?yè)Q算井徑值，同時(shí)靠臂也用作密度測(cè)量時(shí)的腿靠臂。兩路模擬信號(hào)共用一組ADC 轉(zhuǎn)換器。

圖12 井溫溫度傳感器實(shí)物圖Fig.12 Photo of well temperature sensor

圖13 井徑臂及可換耐磨頭實(shí)物圖Fig.13 Photo of well diameter arm and replaceable wear-resistant head

圖14 井徑電機(jī)及位移檢測(cè)、限位結(jié)構(gòu)實(shí)物圖Fig.14 Photo of shaft diameter motor，displacement detection and limit structure

5.5 密度測(cè)量電路

密度測(cè)井短節(jié)是一個(gè)獨(dú)立的測(cè)井短節(jié)，使用四芯航空插頭掛接在組合探管的尾部，它與定量伽馬探管選一個(gè)連接或者不連接。密度測(cè)井短節(jié)內(nèi)部有長(zhǎng)源距和短源距兩個(gè)伽馬探測(cè)器，使用不同規(guī)格NaI（TI）晶體和光電倍增管組成伽馬探測(cè)器。帶有屏蔽鉛層，貼壁側(cè)允許伽馬射線(xiàn)射入，底部帶有源室掛接頭（圖15）。DC/DC 變換電路把系統(tǒng)24V 直流電變換為伽馬射線(xiàn)探測(cè)所需的高壓電源。上下兩個(gè)源距的伽馬射線(xiàn)探測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)放大甄別成形后由CPU 計(jì)數(shù)，再將計(jì)數(shù)率數(shù)值換算成密度成果值。

圖15 密度高壓模塊電路實(shí)物圖Fig.15 Photo of circuit module for density high voltage

6 軟件通訊方案及協(xié)議設(shè)計(jì)

本探管為多參數(shù)組合的數(shù)字測(cè)井探管，探管內(nèi)部按功能劃分為5 個(gè)獨(dú)立測(cè)量單元和一個(gè)主控通信單元。獨(dú)立測(cè)量模塊獨(dú)立工作，按照采樣間隔將測(cè)量數(shù)據(jù)數(shù)字化后存儲(chǔ)在內(nèi)部的緩存緩沖區(qū)內(nèi)；主控通信模塊按照定義的測(cè)量參數(shù)來(lái)查詢(xún)獨(dú)立測(cè)量模塊，來(lái)讀取各個(gè)測(cè)量模塊的測(cè)量成果數(shù)據(jù)，再按照定義的參數(shù)順序?qū)⑺械臏y(cè)量數(shù)據(jù)組合打包成數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)降孛?，探管?nèi)部通信拓?fù)淇驁D見(jiàn)圖16。

圖16 探管內(nèi)部通信拓?fù)淇驁DFig.16 Topology block diagram of probe internal communication

為提高內(nèi)部各模塊通信可靠性和擴(kuò)展性，探管內(nèi)部模塊之間使用RS485 總線(xiàn)連接，使用差分電壓信號(hào)傳輸，抗干擾性和EMC 較好，總線(xiàn)收發(fā)靈敏度高。而且方便擴(kuò)展，最多可擴(kuò)展32 個(gè)通信節(jié)點(diǎn)。通信傳輸采用半雙工方式，由主控通信單元模塊作為控制端，按照測(cè)量項(xiàng)目來(lái)輪詢(xún)對(duì)應(yīng)的獨(dú)立測(cè)量模塊，獨(dú)立測(cè)量模塊僅在主控單元查詢(xún)時(shí)與主控單元握手通信。當(dāng)某一測(cè)量模塊通信異常時(shí)，內(nèi)部程序設(shè)計(jì)該模塊掛起不應(yīng)答，直到模塊恢復(fù)正常，主控模塊在詢(xún)問(wèn)獨(dú)立測(cè)量模塊無(wú)應(yīng)答等待超過(guò)內(nèi)部超時(shí)設(shè)置時(shí)，判定該模塊為異常，填充數(shù)據(jù)為異常報(bào)警代碼，繼續(xù)訪(fǎng)問(wèn)其他獨(dú)立測(cè)量模塊。從而保證某一獨(dú)立測(cè)量模塊異常時(shí)不影響其他正常工作的獨(dú)立測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)傳輸?？偩€(xiàn)傳輸速率為38 400 bps，使用改進(jìn)modbus 協(xié)議握手傳輸［14］。

Modbus 是一種串行通信協(xié)議，是Modicon公司（現(xiàn)在的施耐德電氣Schneider Electric）于1979 年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表。Modbus 已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)（De facto），并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式［15］。此處我們只是借用此協(xié)議框架，精簡(jiǎn)內(nèi)部的指令和格式，方便靈活使用。

協(xié)議常量定義：

主機(jī)代碼：0x0A

測(cè)量模塊代碼：三側(cè)向測(cè)量模塊代碼（0x11）、自電測(cè)斜測(cè)量模塊代碼（0x33）、井溫井徑測(cè)量模塊代碼（0x55）

功能碼：寫(xiě)參數(shù)（0x06）、讀數(shù)據(jù)（0x03）

校驗(yàn)碼：CRC16 校驗(yàn)碼。

例：三側(cè)向供電。

主機(jī)命令：0x0A 0x11 0x06 0x01 0x0A 0xAB 0xD8

模塊應(yīng)答：0x0A 0x11 0x06 0x01 0x0A 0xAB 0xD8

井溫井徑數(shù)據(jù)讀?。?/p>

主機(jī)命令：0x0A 0x55 0x03 0x04 0xDF 0x12

模塊應(yīng)答：0x0A 0x55 0x03 0x04 0xXX 0xXX 0xXX 0xXX 0xXX 0xXX

組合探管與上位機(jī)通信是長(zhǎng)電纜傳輸，傳輸線(xiàn)路長(zhǎng)，電纜容感參數(shù)復(fù)雜，容易受到外部干擾，這里采用改良曼碼傳輸。改良曼碼使用雙極性差分信號(hào)傳輸碼元信息，使用固定的時(shí)鐘頻率同步探管和上位機(jī)，傳輸信號(hào)使用正負(fù)脈沖電平來(lái)保證傳輸線(xiàn)路平衡。

7 物理場(chǎng)耦合試驗(yàn)測(cè)試

為進(jìn)一步分析多參數(shù)耦合影響，筆者利用上海地學(xué)儀器原有各獨(dú)立試驗(yàn)參數(shù)短節(jié)或組合探管本身可拆解短節(jié)，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展比對(duì)測(cè)試，測(cè)試每個(gè)單獨(dú)短節(jié)參數(shù)指標(biāo)與全參數(shù)組合后試驗(yàn)探管參數(shù)指標(biāo)，以測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證組合方案的可行性。本次試驗(yàn)測(cè)試的參數(shù)包括井溫、井徑、三側(cè)向電阻率、自然電位、測(cè)斜參數(shù)等5 個(gè)參數(shù)。

7.1 井溫參數(shù)

使用水溫裝置和溫度計(jì)測(cè)試探管井溫修正系數(shù)，比較單獨(dú)短節(jié)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)與全參數(shù)組合時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)，比對(duì)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 溫度單獨(dú)短節(jié)和全參數(shù)組合時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Temperature data comparison of single nipple and full parameter combination

7.2 井徑參數(shù)

井徑刻度器采用高強(qiáng)度鎢鋼或鈦合金制作井徑規(guī)，井徑規(guī)直徑范圍為60～500 mm，允許誤差為±1 mm，單獨(dú)短節(jié)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)與全參數(shù)組合時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)如表2 所示。

表2 井徑單獨(dú)短節(jié)和全參數(shù)組合時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Well diameter data comparison of single nipple and full parameter combination

7.3 三側(cè)向電阻率和自然電位參數(shù)

刻度器選擇多檔位可調(diào)電阻率和自然電位刻度器，電阻率測(cè)量范圍為（0～2×105）Ω·m，自然電位測(cè)量范圍通常為±500 mV。比較單獨(dú)短節(jié)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)與全參數(shù)組合時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)，比對(duì)數(shù)據(jù)如表3、4所示。

從以上單獨(dú)短節(jié)測(cè)試數(shù)據(jù)與全參數(shù)組合測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果可以看出，多參數(shù)組合后各參數(shù)性能仍然能滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)要求，組合方式可行。

8 結(jié)論

多參數(shù)組合探管克服了多參數(shù)集成信號(hào)耦合抗干擾技術(shù)［17］、探管結(jié)構(gòu)小型化技術(shù)和多參數(shù)數(shù)據(jù)收錄同步技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，解決了多參數(shù)集成信號(hào)耦合干擾問(wèn)題，同時(shí)將組合探管長(zhǎng)度控制在2.8 m，適應(yīng)了鈾礦勘查測(cè)井需求。同時(shí)多參數(shù)組合探管設(shè)計(jì)時(shí)采用分離獨(dú)立模塊方案，分離獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)功能模塊專(zhuān)一，通用性高，可以靈活組合搭配，提供了可擴(kuò)展支持，提高了設(shè)計(jì)的合理性，方便了后期擴(kuò)展和組合應(yīng)用。

致謝：設(shè)計(jì)研究和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，得到了上海地學(xué)儀器研究所、核工業(yè)北京地質(zhì)研究院、中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司等單位領(lǐng)導(dǎo)和專(zhuān)家的支持、指導(dǎo)和幫助，在此表示衷心的感謝。