電磁探傷儀電源系統(tǒng)研究

0 引言
    電磁探傷儀可用于探測套管的變形、孔洞、斷裂、裂縫等故障并對(duì)故障進(jìn)行精確定位，為生產(chǎn)井的普查提供了有效的方法，也為套損井的修復(fù)提供直接的依據(jù)，對(duì)保障油氣井的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)有著重要的意義和作用。同大多數(shù)生產(chǎn)測井儀一樣，電磁探傷儀采用的也是單芯鎧裝電纜，該電纜既是井下儀器的供電電纜，同時(shí)也是井下儀器與地面的通信電纜，在實(shí)現(xiàn)傳輸與供電的過程中，鎧裝電纜的纜芯和纜皮必須同時(shí)被作為傳輸介質(zhì)才能實(shí)現(xiàn)上述功能，而且必須采用有效的方法使其同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電與信號(hào)傳輸功能。井下儀器的電源包括測試探頭所需要的交流激勵(lì)電源以及井下控制與檢測電路所需要的+5V和±12V的工作電源，為了實(shí)現(xiàn)供電與信號(hào)的傳輸功能，本文所采用的方法是在地面上將220V的交流電變換為合適的直流電，并通過電纜傳到井下，再經(jīng)DC／DC電壓轉(zhuǎn)換電路輸出5V、±12V以及測試探頭所需要的交流驅(qū)動(dòng)電壓。大量的研究試驗(yàn)結(jié)果表明，采用上述方法實(shí)現(xiàn)的電源工作穩(wěn)定，為井下供電的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)井下與地面間的實(shí)時(shí)通信，在傳輸距離為2000m時(shí)，能可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    電磁探傷儀的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由地面變壓器、直流穩(wěn)壓電路、DC／DC變壓器、5V、±12V電壓轉(zhuǎn)換電路和CMOS控制信號(hào)電路等五部分組成。其中地面變壓器的作用是將220V的交流電變?yōu)?70V的交流電，然后再經(jīng)過直流穩(wěn)壓電路將170V的交流變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)過DC／DC變壓器得到7V、15V和測試探頭的驅(qū)動(dòng)電壓，最后分別經(jīng)過5V和±12V電壓轉(zhuǎn)換電路就可得到5V和±12V的工作電壓。

2 主要功能模塊設(shè)計(jì)
2．1 直流穩(wěn)壓電路
    本電源系統(tǒng)中的直流穩(wěn)壓電路如圖2所示，圖2中170V的交流電壓經(jīng)過KC403單向橋式整流后，再由二階II型網(wǎng)絡(luò)濾波，輸出170V的直流電壓。值得一提的是，由于井下數(shù)據(jù)是通過170V直流電纜上傳的，為了防止后續(xù)電路對(duì)前端電路產(chǎn)生干擾，在170V整流橋的每個(gè)二極管上都并聯(lián)一個(gè)0．1μF的電容，此外，這些電容能夠很好地吸收二極管的開關(guān)噪聲。在電源濾波電路中，電容的耐壓值一般為輸入電壓的2倍，且電容比較大，這樣交流成分比較容易被濾掉，輸出電壓比較平滑。

2．2 CMOS控制電路
    所采用的CMOS控制電路是一種脈寬調(diào)制(PWM)電路，PWM波形發(fā)生電路主要由或非門CD4001和D觸發(fā)器CD4013構(gòu)成，如圖3所示。

    通過電阻R6和電容C10組成的RC網(wǎng)絡(luò)的反復(fù)充放電，使或非門CD4001輸出占空比為1：1的方波，經(jīng)D觸發(fā)器CD4013四分頻后，再或非，最終得到占空比為1：4的PWM波形，電路的具體時(shí)序關(guān)系如圖4所示。PWM波形產(chǎn)生后，經(jīng)乙類功率放大電路驅(qū)動(dòng)后用以控制CMOS管的交替導(dǎo)通，從而得到交流電壓。

圖4 DC/DC轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)波形

2．3 DC／DC變壓器
    井下電源模塊需要提供+5V、±12V和驅(qū)動(dòng)測試探頭的電壓，且本模塊采用推挽隔離變換器方式，其電路原理如圖5所示，變壓器T1起隔離和傳遞能量的作用。在開關(guān)管S1開通時(shí)，變壓器T1的NP1繞組工作并耦合到副邊Ns1繞組；開關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)，NP1向Msl釋放能量；反之亦然。在任何工作條件下，開關(guān)管都承受兩倍的輸入電壓，此電路多用于大功率等級(jí)的DC／DC電源中，兩個(gè)開關(guān)管都是相互交替打開的，所以兩組驅(qū)動(dòng)波形(PWM)相位差應(yīng)大于180°，并存在一定死區(qū)時(shí)間。圖5中VOLT+，VOLT-為測試探頭的驅(qū)動(dòng)電壓。

2．4 5V、±12V電壓轉(zhuǎn)換電路
    如圖5所示，從DC／DC變換器輸出的交流電壓VOLT5+和VOLT5-輸入到圖6對(duì)應(yīng)的管腳，即可分時(shí)對(duì)C1、C2、C3充電，一般C1、C2比較大，C3比較小，這是因?yàn)榇笕萘侩娙荽嬖诟锌固匦?，在電源切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻率的噪聲，從而使濾波效果下降，這時(shí)并聯(lián)一個(gè)小電容，彌補(bǔ)這種情況下的不足。將經(jīng)過這3個(gè)電容后的直流電壓接到7805，就可以得到需要的+5V工作電壓。從DC／DC變換器輸出的交流電壓VOLT12揄入到圖7對(duì)應(yīng)的管腳，經(jīng)過D3對(duì)電容C1充電，利用三極管的開關(guān)特性將電容C3兩端的電壓
穩(wěn)到+12V，同理，電容C4兩端被穩(wěn)到-12V。這樣便可得到電磁探傷儀所需要的+5V和±12電壓。

3 結(jié)語
    對(duì)所設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)進(jìn)行了大量的室內(nèi)外試驗(yàn)，結(jié)果表明，該電源系統(tǒng)工作正常，能夠?yàn)榫聝x器提供大功率的電能，并在為2000m的傳輸距離內(nèi)使井下數(shù)據(jù)的可靠傳輸，滿足了電磁探傷儀供電與傳輸系統(tǒng)實(shí)際需求，為電磁探傷儀的可靠工作提供了保證。