Design of Excitation Circuit for Adaptive Acoustic Logging Transducer
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摘要:
随着对声波测井仪器探测距离和探测精度要求的不断提高,传统的脉冲方波激励方式已难以满足低频激励等现场需求。因此,设计了一种基于推挽功率放大技术的正弦波宽频激励电路,以实现对换能器激励频率的精确调节;设计了信号放大和整流电路,以优化正弦激励信号;并针对声波测井仪器在井下作业时受环境(温度和压力等)影响的问题,设计了基于PID控制的功率自适应调整电路,以保持激励能量的恒定。试验结果表明,所设计的激励电路能够实现宽频带、高功率和自适应的正弦波激励,将其应用于声波测井仪器可显著提高激励性能、增大声波远探测测井仪器的探测距离和分辨率,进而促进油气田的勘探与开发。
Abstract:With the continuously increasing requirements for detection distance and detection accuracy of acoustic logging instruments, the traditional square wave pulse excitation method fails to meet the field needs such as low-frequency excitation. Therefore, a sinusoidal wideband excitation circuit based on push-pull power amplification technology was designed to achieve precise adjustment of the transducer excitation frequency, and a signal amplification and rectification circuit were designed to optimize the sinusoidal excitation signal. In addition, to deal with the influence of the environment such as temperature and pressure on the acoustic logging instrument during downhole operations, a power adaptive adjustment circuit based on proportional-integral-derivative (PID) control was designed to maintain constant excitation energy. The experimental results show that the designed excitation circuit can achieve wideband, high-power, and adaptive sinusoidal excitation. The application of this circuit to acoustic logging instruments can significantly improve the excitation performance, improve the detection distance and resolution of acoustic remote logging instruments, and thus promote the exploration and development of oil and gas fields.
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Keywords:
- remote detection /
- acoustic logging /
- transducer /
- excitation circuit /
- low frequency signal /
- power adaptation
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为了提高探测测井的探测距离,近年来国内外学者提出了远探测测井技术,并且该技术逐渐成熟。远探测测井技术弥补了地震勘探(探测距离数十米到数十千米)和常规测井(探测距离1 m左右)探测距离之间的空白,将探测距离延伸到几十米,其中声波远探测测井技术作为远探测测井技术的核心成分[1–10],在探测地层界面、识别储层裂缝、计算孔隙度等方面有独特优势,其理论研究已经取得了一定的进展,因此声波远探测测井仪器也需要根据理论进行完善和更新。
声波发射电路是声波远探测测井仪器中的核心电路之一,其电路短节位于仪器的底端,可以产生不同频率和幅度的高压激励信号,用来控制处于不同工作模式下的换能器[11–14]。传统单脉冲激励方式换能器的发射电路简单,发射能量分散在多个频点上,单频点发射能量较低,导致仪器探测距离较近。该类换能器只能通过增加发射脉宽或者提高发射电压来提高发射能量,对换能器带宽和激励功率要求极高,然而受换能器自身频带影响,激励电路通常在较窄的频带内工作。郝宪锋等人[15]使用DSP(高速信号处理器)和CPLD构建了单脉冲激励信号的激励电路,研究了脉冲宽度对脉冲激励信号频率的影响,结果表明,单脉冲激励信号的频率主要由换能器的固有属性决定。成向阳等人[16]在前人研究的基础上进行了更深一步的研究,通过试验验证了单脉冲电路的脉宽与发射换能器声波激励信号的关系,试验结果表明,在脉宽大于发射换能器谐振频率一半宽度以上时,发射声波信号的特性与脉宽关系不大,并且难以产生换能器谐振频率以外频率的声波激励信号。在实际测井过程中,井下的高温高压恶劣环境会大幅度改变控制芯片和电路元件的电气参数,导致输出功率不稳定。为提高探测距离和保证功率稳定,笔者设计了发射电路和电压控制电路,通过MCU(DSP28335)和信号处理电路产生频率可调且能量集中的正弦脉冲激励,设计了基于PID(比例积分微分)控制的功率自适应调整电路,对高温高压造成的不良影响进行自动补偿,维持输出功率稳定。
1. 总体方案设计
远探测发射电路及控制电路主要由主控模块、信号处理模块、功率优化模块和电压控制模块等组成,原理如图1所示。
其中主控模块采用的是以德州仪器(TI)公司生产的DSP28335型数字信号处理器为核心的最小系统[17–18],主要用来产生正弦信号和控制反馈电路。信号处理模块由放大电路、滤波电路、整流电路组成,用于优化主控模块所产生的正弦激励信号。优化后的激励信号用于控制功率管的导通和截止,高压激励控制电路的输出连接到发射声系中的变压器,经过变压器升压后产生激发声波换能器的高压激励信号,但换能器在工作时一般会表现为容性元件或感性元件,而信号源的内阻往往表现为纯阻性元件,通过功率优化模块,即串联或并联电容、电感、电阻来提高最大传输功率,在大功率驱动时,保证激励能够使换能器提供近似恒定的振动幅度,以此保证声波信号的稳定。实际工作过程中通常是通过功率优化模块对负载电压电流进行调节,以实现电压电流的稳定输出。
2. 正弦激励发射电路
主控模块通过查表法产生正弦激励信号[19–20],然后将正弦激励信号进行数字化处理,写入到数字信号处理器(DSP)寄存器中;DSP再以固定时间间隔输出采样值的方式合成正弦波,采样点越多,越能真实地表现出一个波形。该方式具有性能强大的优势,并且电路结构简单,信号纯度较高,十分适合井下仪器。正弦激励信号的频率与幅值均可控,发射电路原理如图2所示。
由数模转换芯片(DAC)产生的正弦激励电压不足以开启最后的功率放大器[21–22],要对正弦激励信号进行处理,实现大功率MOSFET管(场效应晶体管)的交替导通[23–24]。将DAC输出的正弦激励信号进行放大整流处理,使其能够控制驱动电路中的中功率MOS管MMPQ2222,MMPQ2222的输出用于驱动高压激励控制电路中的大功率MOS管MTE53N50E,MTE53N50E功率管广泛用于高压、高速开关,其最高耐压500 V,电流53 A,输出电阻仅为80 mΩ,能够满足发射电路的功率要求,且极小的输出电阻有利于后期电路的设计。
3. 功率控制技术
围绕低频、大功率2个关键指标对远探测声波发射电路进行了设计,并且研制了完整的声波发射试验板,由于仪器在井下试验时不可避免地受高温高压等极端条件的影响,使电路参数发生改变,导致输出功率不稳定,因此需要通过添加部分控制电路来保证输出功率的稳定,一方面可以在硬件角度设计控制环节,另一方面还可以在控制芯片中设计自动控制算法对输出进行调整,以保证输出稳定的大功率信号。自适应反馈调节原理如图3所示。
3.1 前馈控制
井下高温是影响仪器电子系统的首要参数,控制电路需要对高温干扰立即做出反应,以维持功率稳定。由于干扰明确,通过反应迅速的前馈控制,将干扰量直接引入调节装置,对干扰进行及时补偿,实现粗调,从而减少细调(负反馈控制)的工作量,前馈控制原理如图4所示。
在前馈控制环节利用温度传感器进行温度补偿来控制正弦激励信号,可以有效防止信号的交越失真,从而保证MOS管导通和截止的交替运行。温度传感器选择LM35型温度传感器,它采用内部补偿,准确率较高,其温度电压转换关系为:
Uout=Cθ (1) 式中:Uout为输出电压,V;C为温度电压转换常数,10 mV/℃;θ为温度,℃。
LM35型温度传感器工作时,在电压允许范围内从电源吸收的电流极小,大约为50 μA,基本不会因为自身发热导致工作异常,特别适合应用于该控制环节。由REF195电源基准芯片对前馈控制环节提供低压基准电压,与LM35温度传感器共同构成开环控制的硬件部分。实际工作过程中,该环节的调节速度快,能够在温度还未对电路造成不利结果时,就能迅速对其做出相应的纠正措施,具有预防性,但是由于没有反馈环节,系统的稳定性不高,控制精度不够,因此需要对最后的输出功率进行闭环控制,以此提高控制精度。
3.2 负反馈控制
仪器在井下工作过程中,除了高温因素会对其造成影响外,还有很多难以预料或不确定的因素也会有影响。为了排除这些干扰,提高控制精度,需要采用闭环控制,当受控对象输出功率发生偏差时,负反馈控制环节会根据偏差大小进行计算,并发出新的控制指令改善输出,以此来调节偏差,从而降低各种干扰对整个系统输出的不利影响。闭环负反馈控制方法能够根据反馈信息发现和纠正系统运行过程中出现的系统输出偏差,抵抗外来干扰的能力更强,从而能够保证输出满足预设值的要求,系统输出稳定性更高。负反馈控制原理如图5所示。
对于恒值控制系统,基本要求是“稳、快、准”。需要系统在受到扰动时,经过一定时间的调整后能够回到预设值,缩短过渡过程。调整到稳定状态之后,稳定输出与参考输入下的期望输出之差足够小,才能满足控制系统的基本要求。常用的控制方法有比例(P)控制、比例积分(PI)控制和比例积分微分(PID)控制等[25–26],其中P控制是最简单直接的负反馈控制方式,当采用纯P控制时,增大比例系数Kp,虽然会使系统反应加快,但由于比例系数较大,控制又有延时,因此无论是增加到稳定值还是减小到稳定值,都会由于系统的惯性而产生超调,导致振荡次数增加,调节时间过长;比例系数较小,会使系统调节过慢,稳态误差也会更大,快速性和稳定性都不能达到要求,即使此时在系统稳定状态下增加比例系数,也只是能小幅提高控制精度,也不能完全消除稳态误差。在此基础上引入积分控制环节,对过去的误差进行积累,只要存在偏差,积分控制环节就会一直存在,在时间足够的条件下,该环节就可以完全消除稳态误差,积分环节的强弱取决于积分时间Ti,Ti 越小则积分作用越强,反之积分作用越弱。
积分环节的控制与偏差e(t)的存在时间有关,与比例环节类似,当积分时间常数Ti过大时,由于系统存在延时,就会不可避免地产生超调,导致振荡次数增加,调节时间过长;当积分时间常数Ti过小时,消除稳态误差的时间又过长,所以积分时间常数Ti的取值在满足稳定性的基础上越大越好。
除PI控制之外,还可以对偏差信号e(t)进行微分控制,提前预测偏差信号的变化,在偏差信号e(t)即将出现变化时及时引入一个修正信号,将产生的偏差补偿掉,以此来缩短系统的调整时间,改善系统的动态性能。微分控制作用的强弱取决于微分控制常数Td,Td越大控制作用越强,反之越弱。
图6所示为P控制、PI控制和PID控制的性能曲线。
从图6可以看出,P控制的输出稳态误差较大,PI控制的输出振荡极为明显。因此,选用比例积分微分控制来调节输出功率,通过误差信号控制被控对象,由比例、积分、微分共同组成控制器,其中的偏差信号设为e(t),它是控制系统最基本的原始信号,在t时刻,输出可以表示为偏差信号e(t)的函数,控制规律为:
u(t)=f[e(t)] (2) 当加入比例、积分、微分对偏差信号e(t)进行调整,以此来得到理想输出时,其控制规律可以表示为:
u(t)=Kp[e(t)+1Ti∫t0e(t)dt+Tdde(t)dt] (3) 为了在DSP中实现这一控制规律,需要将连续PID控制规律变换为数字化PID控制算法,设采样周期为TS,则有:
{de(t)dt=en−en−1TS∫t0e(t)dt=n∑k=0ekTS (4) 根据式(3)与式(4),可以得到当前采样点的输出un为:
un=Kp(en+1Tin∑k=0ekTS+Tden−en−1TS) (5) 前一时刻输出un-1为:
un−1=Kp(en−1+1Tin−1∑k=0ekTS+Tden−1−en−2TS) (6) 2个时刻输出的差为:
un−un−1=Kp[en−en−1+T5Fien+T4K5(en−2en−1+en−2)] (7) 将结果进一步处理,可以得到2种类型的控制规律,位置式PID算法:
un=un−1+Kp[(1+TSTi+TdTS)en−(1+2TdTS)en−1+TdTSen−2] (8) 增量式PID算法:
Δun=Kp[(1+TSTi+TdTS)en−(1+2TdTS)en−1+TdTSen−2] (9) 式中:u(t)为t时刻输出信号;e(t)为t时刻偏差信号;Kp为比例系数;TS为采样时间,s;Ti为积分时间,s;ek为偏差信号;un和un-1分别为当前时刻与前一时刻的输出信号;en,en-1和en-2为连续3次的偏差信号;Δun为增量式输出信号。
由于位置式PID算法需要对已有偏差进行持续保存用于计算,导致该算法存储内容较多,对主控芯片要求较苛刻,所以笔者选择存储变量比较少的增量式PID算法。该算法只需要保存最近3次偏差结果即可完成算法计算,数据量少且控制效果较好。增量式PID控制原理如图7所示。
其中控制效果的关键是需要综合考虑控制的稳定性、准确性和快速性,整定比例系数Kp、微分系数Ki和积分系数Kd等PID参数,使输出功率不仅能够达到预设值,而且稳态误差也满足系统的输出要求。笔者采用的整定方式是利用以往的经验值,之后根据输出效果进行微调,从而使系统达到预期效果。
实际电路板中控制的输出对象为DSP的发射间隔,通过减少或增加单位时间内发送完整正弦波的数量,控制正弦波激励信号的频率。利用采样电阻对实际电流电压进行采样,通过ADC芯片将采集的模拟信号转化为数字信号,有利于在DSP中进行增量式PID算法的处理,得到控制器的输出对DSP的发射间隔进行调整,从而改善输出电压。
4. 实际测量与结果分析
为了得到测试结果,将研制的发射电路板及控制电路板进行单板高温试验,对不同频率正弦激励下的输出电压进行实时监测,得到不同频率触发下的激励信号波形,如图8所示。
从图8可以看出,发射电路能够输出不同频率的正弦激励信号。由于换能器的谐振频率会随温度变化而改变,所以需要根据温度调整激励信号的频率实现换能器的大功率激发。温度越高,换能器的谐振频率越低,实际应用过程中,每个温度段激励信号频率下降幅度的设定由换能器的材料决定。为了方便试验,根据温度传感器的采样值进行设定,随着采样值增大,DSP输出时间的间隔小幅度增加即可保证激励信号频率更接近谐振频率,从而提高换能器的激发效率。
相对于传统发射电路调节发射频率必须改变电路参数而言,笔者采用的频率调节方式更为简单方便,会大幅提高测井效率;并针对仪器在高温等复杂环境下激励电压的高压值会有损失的问题,引入增量式PID算法改变正弦激励信号的频率,对高压值进行补偿,以达到控制高压稳定输出的目的。实际应用过程中,发射换能器短节与发射电路短节都会处于高温环境中,温度对声波换能器谐振频率、静态电容、谐振阻抗的影响较大,需要验证该发射电路是否能实现对输出激励信号高压的自动调节。仪器组装好发射电路短节后,需要进行仪器整体的高温试验,具体试验准备流程是组装仪器、烧录程序、套入外壳、开始高温试验。
将仪器放到高温仪器烘箱中,设定加热时间及目标温度(150 ℃),开始升温,升温过程中输出电压的变化较为缓慢,在温度稳定后需要在不同时间段手动调节温度模拟井下干扰,记录加入干扰后每个时间点激励信号峰值的变化,结果如图9所示。
从图9可以看出,试验进行过程中外界条件变化使仪器电路参数发生变化,导致输出高压值不稳定时,控制器能够根据采样电压的变化,迅速对干扰做出反应,将输出电压调整至设定值。当电压低于预设值时,控制器会提高输出,以此升高激励电压,由于积分环节的存在,激励电压会产生超调来降低累计误差直至消除。从测试结果看,该仪器的调节时间较快,50 ms左右就能完成电压调整,稳定性较强,适用于井下复杂情况。
5. 结 论
1)通过主控模块中的DSP产生控制信号,使该发射系统能够产生频率可调的正弦脉冲激励信号。
2)通过增加前馈控制电路,保证了输出激励信号的稳定;同时增加采样电路,利用增量式PID算法自动调整输出电压。
3)试验结果证实设计的正弦激励发射电路及功率控制电路不仅具有更高的工作效率,满足远探测的距离要求,而且能够保证激发功率恒定,在远探测声波测井仪器中具有强大潜力和应用前景。
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