脉冲信号电缆驱动电路传输性能分析

关键词：脉冲信号，铠装电缆，驱动电路，传输性能，分析

 

1 问题的提出

石油测井中的脉冲信号要经过几千米的多芯或单芯铠装电缆才能传输到地面测井仪进行处理，这一过程如图1所示。

 

由图1可以看出，这一过程实现的有效性，主要取决于以下三个方面：

（1）下井仪脉冲驱动电路；

（2）测井电缆传输性能；

（3）地面测井仪脉冲信号检测能力。

目前，地面测井仪脉冲信号检测能力一般为信号幅度大于1V，信号脉冲宽度小于300us，这是必须达到的指标。能否达到这个指标，主要取决于下井仪脉冲驱动电路和测井电缆传输性能。按照可靠性理论，在最坏情况[1]下系统应能正常工作。那么，什么是测井电缆的“最坏情况”？在实践中主要是指传输性能最差的测井电缆。只有在下井仪脉冲驱动电路配接传输性能最差的测井电缆时仍能正常工作，才能确保这一过程的有效性。因此，分析脉冲信号电缆驱动电路在配接传输性能最差的测井电缆时的传输性能，有助于设计出传输性能优越的驱动电路，使基于脉冲信号的石油测井过程可靠进行。

2 测井电缆及其“最坏情况”模拟

目前在用的测井电缆型号较多，有国产电缆，也有进口电缆，传输性能差别很大。最差的电缆5000米直流电阻达400Ω，对信号的衰减很大，12V的脉冲信号经过该电缆后，幅度只有0.4V，给地面测井仪的检测带来了很大困难。

那么，测井电缆在传输脉冲信号时，有什么特点呢？一般认为，测井电缆的传输性能与所传输信号的频率密切相关，对于低频信号，测井电缆呈现阻性特征；对于中频信号，测井电缆呈现容性特征；对于高频信号，测井电缆呈现感性特征。阻性特征使脉冲幅度降低，降低到1V以下，地面测井仪就难以检测；容性特征使脉冲宽度增大，增大到一定程度就会产生脉冲重叠现象，地面测井仪产生漏记，进而影响测量精度。为了传输的需要，石油测井中经常通过分频使脉冲信号频率降低，因此，可认为测井电缆兼具阻容性特征。

为了适应测井电缆的“最坏情况”，就要改进驱动电路，使配接电缆以后的信号仍能满足地面测井仪的检测。为了便于在实验室条件下研究驱动电路的传输性能，参考最差电缆的参数，设计制作模拟电缆，是一条有效的途径。经过反复比对，图2所示的模拟电缆完全能够模拟最差的电缆，能够用于检验驱动电路的驱动能力。

 

 

 

3 驱动电路传输性能分析

3．1 两种驱动电路的分析

常用的传输驱动电路有两种，一种是以驱动变压器为核心的驱动电路，另一种是以集成驱动芯片为核心的驱动电路，研究发现两种驱动电路的性能差别不大，成本相近，集成驱动芯片因集成度高具有明显的应用优势。

3．2 影响电缆传输性能的因素分析

以TD823为核心的驱动电路典型接法如图3所示，下面将在配接了所制作的模拟电缆的情况下，对TD823的传输性能进行分析。

 

 

 

3．2．1 TD823供电电压对带电缆能力的影响

对于ZGJ-C自然伽玛测井仪的钟型脉冲[2]，作了以下两个试验：

（1）供电电压大小的影响

供电电压大小对带电缆能力的影响如表1所示，可见供电电压大小对输出脉冲幅度没有明显的影响。

（2）供电方式的影响

供电方式对带电缆能力的影响如表2所示，可以发现供电方式对带电缆能力的影响很大，因此较好的供电方式应取掉限流电阻，直接给TD823供电。

 

 

　

 

3．2．2 脉冲参数对带电缆能力的影响

对信号而言，其典型参数包括脉冲形状和脉冲宽度，为了探讨各自对带电缆能力的影响，作了以下两个试验：

（1）脉冲形状对带电缆能力的影响

目前在用的石油测井仪器有两种典型的脉冲形状，经过细致的研究发现，脉冲形状对带电缆能力有较大的影响，具体如表3所示。

 

 

 

因此，在设计脉冲信号成形电路时应优先选用方波作为测井信号传输波形。

（2）脉冲宽度对带电缆能力的影响

对于方波，脉冲宽度对带电缆能力的影响如表4所示。

 

 

 

由表4可见，随着脉冲宽度的增加，带电缆以后输出脉冲幅度明显增大，但也存在一定的副作用，即脉冲计数漏记有所增加，大量试验表明，当输入脉冲宽度控制在30us～40us之间时，既能使输出脉冲幅度明显增大，又能将脉冲计数漏记控制在可接受的范围之内。

3．2．3 输出浮地电容对带电缆能力的影响

对于44us方波，输出浮地电容C对带电缆能力的影响如表5所示。

 

 

 

由表5可见，随着电容值的增加，带电缆以后输出脉冲幅度明显增大，但也存在一定的副作用，即脉冲宽度有所增加，大量试验表明，当电容值控制在0.22uF～2.2uF之间时，既能使输出脉冲幅度明显增大，又能将脉冲宽度控制在可接受的范围之内。

4 驱动电路设计及性能评价

依据3.2小节分析，影响驱动电路驱动性能的主要因素为TD823的供电方式、脉冲信号成形电路、输出浮地电容的容值大小，据此，对驱动电路进行了改进设计及验证。

4．1 改进设计

4．1．1 TD823的供电方式改进设计

TD823供电应取掉限流电阻，直接供±12V，增加这一数值，配接模拟电缆以后输出脉冲幅度虽有增加，但增幅不大。

4．1．2 脉冲信号成形电路改进设计

脉冲信号成形电路改进设计，主要是采用集成整形芯片，辅以适当的RC电路，因为这样做可以：

（1）    得到标准的方波信号；

（2）    减小脉冲重叠引起的计数率过载；

（3）    减小基线漂移引起的计数率过载；

（4）    减小低频噪声。

4．1．3 输出浮地电容的容值大小选择

输出浮地接法是组合测井的需要，从电容特性看，容值大的电容具有低通特性，容值小的电容具有高通特性。问题的实质是，容值小的电容对于高频信号其接地导通性良好，而对于低频信号其浮地的导通性差，相当于接地不良，于是出现了短路电容之后信号幅度增加的现象，一旦浮地电容的容值适当，这种接法的效果就不明显。所以，应根据测量对象的频率高低，选用浮地电容的容值。在测井实践中往往遇到的是随机脉冲信号，测量对象的计数率经常变化，此时，某一容值的浮地电容适应性如何？针对ZGJ-C自然伽玛测井仪的研究表明，2.2uF的电容在典型的计数率范围之内，其适应性良好。因此，浮地电容的容值选用2.2uF。

4．2 驱动能力与电缆长度的关系

驱动电路的驱动能力与电缆长度的关系如图4所示，这种关系可以用拟合的数学关系式来表达，并用外推的方法推断驱动电路的极限驱动能力，即一个驱动电路达到地面测井仪脉冲信号检测能力，所能配接的最长电缆。

对图4的数据进行指数拟合，可获得指数计算公式

也就是说，该驱动电路的极限驱动能力为7318米，完全满足最坏条件下的应用。

 

 

 

4．3 设计验证