MAX274在多频阵列感应成像测井仪中的应用

陈章龙,陈 涛,宋青山,储妮晟,刘 枭,江旗洪

(1.中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西西安710014;2.中国石油集团测井有限公司随钻测井仪器研究中心,陕西西安710061;3.中国石油渤海钻探定向井技术服务分公司,天津300280)

0 引 言

高性能阵列感应成像测井仪由发射、线圈系和电子仪3部分组成。该仪器的设计原理是发射线圈发射交变电流,在地层介质中产生交变磁场,变化的磁场产生涡流,涡流(涡流的大小与地层的电导率成正比)产生二次磁场,二次磁场在接收线圈中产生感应电动势[1]。发射短节发射 3种频率(105.024、52.512、26.256 kHz)信号,高中低3种频率信号的发射电流之比为1∶4∶16。线圈系由8对不同尺寸的线圈构成,用来接收二次磁场感应出来的电动势。电子仪部分将接收的测量信号以及刻度信号进行前置放大、带通滤波、信号采集以及数据处理后送给地面处理。为从测量信号中分离出3种频率感应信号,并对各信号进行增益控制,需要设计带通滤波器[2]。该滤波器基于MAX274芯片,根据需求设计了8个通道,每个通道通过二级带通级联组成。整个带通电路分为电源转换电路、输入缓冲电路、滤波电路及求和放大电路4个部分。在设计中,不同信道通过的频率以及设计的增益均不一样,以适应不同量级的信号处理要求,确保 HMIT滤波器在灵敏度、温度稳定性和微调特性等方面具备良好性能。

1 设计要求与硬件结构

1.1 设计要求

为了简化电路,通过高低电平实现奇偶选通,将8路信号分成了4路来测量,即奇信号时06、12、21、 39通道工作,偶信号时09、15、27、72通道工作。测量信号和刻度信号由前置放大电路输出,进入带通滤波电路。在带通滤波器里,首先进入的是带通的无放大的输入缓冲器,信号从缓冲器出来,进入滤波放大器部分(其中06/09这2个通道只允许中心频率为105.024 kHz的信号通过;12/15这2个通道允许2种中心频率为105.024 kHz和52.512 kHz的信号通过;21/27、39/72这4个通道允许2种中心频率为 52.512 kHz和26.256 kHz的信号通过),1种或2种频率信号经过适当放大后通过滤波电路,再经过求和放大器后输出给数据采集单元。8道信号各道增益大小不一样,在求和放大器中可进行高中低频信号的总增益调整。

1.2 硬件结构

由于低频、中频和高频带通滤波器的工作原理是相同的,所以各通道的整体结构是相同的。下面的硬件电路结构、各通道增益以及各通道滤波芯片的外部阻值均以12/15通道为例来说明。根据滤波器设计要求以及MAX274芯片的特点,将整个带通电路设计成3个部分,即输入缓冲器、双频带通放大器以及求和放大器,为了让滤波效果更加理想,滤道只含高频带通滤波,21/27、39/72通道与12/15通道结构完全一样。

图1 带通电路原理框图

2 芯片选择及原理

考虑到尽可能使仪器简短精致、维护方便,选择了MAXIM公司的耐高温芯片MAX274,其正常工作范围为-55～125℃,若配上保温瓶,可适应高温测井环境。MAX274是1个八阶连续时间有源滤波芯片,它包含4个互相独立的二阶滤波单元(见图2中的A/B/C/D)。

每个滤波单元有5个外接管脚,分别为输入(IN)、带通输入(BPI)、带通输出(BPO)、带通输入(LPI)和低通输出(LPO)。在作带通滤波器用时, Ui为输入,Uo为输出。其中 R1、R2、R3、R4分别为各滤波单元的外围电阻。每个单元的中心频率 F0、Q值、放大倍数均可由这4个外接电阻来确定。相互关系式为[3]

推导过程中的Q=ω0/Bω=ω0/2α,K为常数,当FC分别接至V+、GND和V-时,K的取值对应为4、1/5、1/25。

该芯片的特点是只需设计芯片外接电阻的大小,就可以设计出满足要求的各种高阶有源低通、高通、带通滤波器,如Butterworth、Chebyshev和椭圆函数型等滤波器。这样避免了外接电容,既降低了噪声,又使调试变得简单。

图2 MAX274外部电路

3 滤波器设计过程

3.1 各级增益设置

由于不同频率发射电流大小不一样,每组接收线圈距离发射线圈的距离也不一样,这样每组接收线圈的各个频率的信号幅度相差较大。而前放对各信号的放大倍数是相同的,为使进入采集电路的信号幅度接近,要求带通放大级对不同道的各频率信号设置不同的增益。根据前放输出信号的幅度大小,设置了各级的增益大小。其中12/15通道增益见表1。

表1 带通滤波电路12/15通道增益设计参数表

3.2 电阻值设置

MAXIM公司为MAX274系列滤波芯片提供了设计软件,该软件可根据所要求的滤波形式,计算出滤波器阶数、极点值、Q值和电阻的大小[3]。该软件设计滤波器主要分两大步骤:由滤波器指标确定极点、Q值和零点;完成滤波器在滤波芯片(MAX274)硬件上的实现。

在滤波器的设计过程中可以根据滤波器所需要达到的性能指标,如通带内最大衰减、阻带内最小衰减,截至频率、抑制频率、Q值等,迅速算出各类经典滤波器的极点、阶数和Q值;然后选择所要设计滤波器的类型,根据需要调整Q值以及中心频率、阶数和各级增益;最后根据这些参数进行外部电阻阻值计算。一般来说,要求端通带和止带处的特性曲线变化陡峭,即2端的Q值较大,而中间部分要求曲线平缓,即中间段Q值较小。每个带通滤波单元的品质因素Q被设计成标准的Qs=6.5;2级带通滤波单元按照Q值从小到大的顺序串联后总的品质因素Qt=10。以保证带通滤波器可以实现较大的动态范围,达到较好的滤波效果。表2是通过理论计算出的12/15通道各级增益以及外部电阻值分配。

表2 带通板12/15通道增益及外部电阻值分配

3.3 硬件电路

根据带通电路原理框图1,各通道各级增益值以及外部电阻值,可将整个带通电路分为电源转换电路、输入缓冲电路、滤波电路以及求和放大电路。其中,电源转换电路是为MAX274提供±5 V,而HMIT电源部分只提供±15 V与±25 V电压,故需要电源转换,此处采用常见的转换电路。另外3部分具体电路见图3。

输入缓冲器是带通滤波板的输入部分,它接收来自前置放大器的输出信号,作用是提高整个带通板的输入阻抗,同时避免将前置放大器的噪声信号引入到滤波电路。该电路由一个差分运算放大电路来实现,运算放大器采用AD829SQ。滤波电路也是整个带通滤波的核心,每个通道由MAX274和外围电阻组成,实现滤波和各通道的增益变化。输出求和放大电路由选通电路和反向放大电路组成,选通电路选用的是DG189AP/883,反向放大电路的运算放大器选用的是AD829SQ,均属高温芯片。该电路的作用是对带通板的总增益进行调节,并且将带通板与后面电路隔离开来,减小带通板的输出阻抗。为提高带通板耐稳定性,很多芯片采用贴片式的,插件芯片采用硅胶加固,防止因颠簸松动而引起电路故障。

4 调试与加温数据分析

4.1 调试思路

根据MAX274芯片设计思路,每个单元的中心频率 F0、品质因数Q值、放大倍数G均可由其外接电阻R1～R4的设计来确定。其中,输出信号的幅度由R1和R3决定,信号的相位主要由R2和 R4决定。由电位器代替相关电阻(R1、R2、R3、R4以及调输出信号总增益的选通电阻),一二级配合调试直至达到设计的参数要求。

图3 12/15通道电路图

4.2 加温时参数变化以及数据分析

测井仪器通常要经过多次高温试验,以便更好地适应测井环境,达到设计要求。针对12/15带通板,用干燥箱从常温26℃加温至175℃,并记录了26、85、125、145、155、175℃各温度下的数据,以及2 h恒温155℃时的数据。通过数据看出,随着温度的升高,所测感应信号幅度的偏幅达3%～5%,相位差达到4°～9°,试验结果见表3。

表3 12/15通道各温度下输出幅度及相位差值

HMIT设计之初就考虑到温漂现象,即采用二级刻度电路。仪器线圈系发射电流经取样变压器取样后,得到一个正比于发射电流的小电压信号。该信号经高阻抗的二级刻度板放大后给前放提供了正比于发射电流的电压信号,该信号可用来修正因温度升高导致发射电流变化带来的增益和相位的变化,设计的增益变化范围为5%,实验结果在设计范围内。

5 结 论

现场实验表明,用MAX274滤波芯片实现本滤波功能,设计简单,调试、维护方便,噪声低,实现了各道增益控制,很好适应复杂的测井环境。

[1] 张建华,刘振华,仵 杰.电法测井原理与应用[M].西安:西北大学出版社,2002.

[2] 汤天知,陈 涛.MIT阵列感应测井微弱信号检测采集系统设计[J].测井技术,2008,32(6):585-586.

[3] 周凯波,范吉伟,周 伟.多频阵列感应成像测井仪带通滤波电路研制报告[R].2008,12-14.