随钻压力传感器地面传输信号研究与应用

陈元鹏

摘要：传感器电缆信号传输是非电物理量监测系统的关键技术之一。为解决传感器电缆信号传输过程中遇到的电磁干扰、信号传输失真导致无法正常施工的难题，分析了电缆传输信号原理及产生干扰的主要因素：及干扰源、传播途径及敏感设备。从传感器信号波形不同形态解析了干扰源的产生，通過电缆双绞线，电缆屏蔽层接地及悬空的方法，对冀中、长庆及四川不同钻机现场试验与应用效果表明：所采取的方法对电磁干扰引起的信号传输失真有很好的抑制效果。

关键词：传感器;信号传输;电磁干扰;信号抑制

引言

在传感器电缆传输信号的过程中，由于井场存在各种干扰，这些干扰使得信号在传输过程中失真，影响测量数据的准确性，严重时导致终止施工。通过分析信号传输原理，分析得到现场顶驱交流电变频器、通电导线、操作间接地异常等电磁干扰源。并正对不同的干扰情况做了采取了抑制和消除措施。

1 压力传感器信号传输原理简介

钻井用压力传感器按照输出类型分为电压输出型传感器和电流输出型传感器。其中电压输出型传感器抗干扰能力差，输出的电压有时发生叠加的交流成分使单片机产生错误判断，控制出现错误，严重时还会损坏设备。电流输出型传感器采用电流信号不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米[1-2]。其输出范围大多为4-20mA，采用20mA上限电流是因为电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯、硫化氢等气体。下限取4mA的原因是为了能检测信号线的通断状态，正常工作时大于4mA，当传输线因故障断路，环路电流就会降为0。当传感器输出最小电流及最大电流时，分别表示传感器所标定的最小及最大额定输出值。

当立管内压力发生变化时，传感器电阻应变片发生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化，这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变桥，并通过后续的放大器进行放大，在传输给处理电路。

2 信号传输干扰分析与消除方法

2.1传输信号受干扰分析

设备或系统在电磁环境中符合要求运行并不对其环境中任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力，叫做电磁兼容性[3-4]，在电磁兼容性理论中把被干扰对象统称为敏感设备，当信号电缆处于交变电磁环境中，将在屏蔽层上产生感应电流，通过屏蔽层与线芯之间的转移阻抗在芯线上产生电流、电压干扰信号，这样必然影响电缆传输的由传感器测量的微弱模拟信号（4-20mv），同时由于信号电缆是效率很高的电磁波接收天线，空间的电磁干扰往往首先被信号电缆接收到，成为电磁能量的高效吸收器。因此，传输电缆成为导致电磁兼容问题的最主要因素，可分为以下几类：

2.1.1电网干扰

电网中的干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器。电网中存在大量的谐波源，如各种整流设备、交直流转换设备、电子电压调整设备、非线性负载及照明设备等。这些负荷都使电网中的电压，电流产生波形畸变，从而对电网中其他设备产生危害的干扰，变频器的供电电源收到来自被污染的交流电网的干扰后，若不加以处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器，供电电源对变频器的干扰主要有过压，欠压，瞬时掉电，浪涌，跌落，尖峰电压脉冲，射频干扰都会干扰变频器的正常工作。进而引起传输信号电缆受干扰。

2.1.2电源干扰

现场交流电三相电在使用中存在三相电不平衡现象，若三相电的电流代数和为零即三相电流平衡，此时地线中电流为零，如某种用电方法使三相电电流代数和不为零即三相电不平衡。此时的不平衡电流差就要流向地线，致使与之相连的地线电位升高，引起解码主机内部电路干扰。

2.1.3关联接地干扰

两个相关联接地的电路，由于地线阻抗的存在，当电流流过地线时，就会在地线上产生电压，当电流较大时，这个电压可以很大，例如附近有大功率用电器启动时（井队配电柜在仪器操作间后面，其接地线和操作间地线距离很近。在冬天录井的烤箱或地暖启动时），会在地线中有个很强的电流，这个电压会对两个设备的连接电缆上产生电流，由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此产生差模电压，对电路造成影响，由于这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的，因此称为地环路干扰。

2.1.4公共阻抗干扰

当两个电路共用一段地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位会受到另一个电路工作电流的调制，这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路，这种耦合成为公共阻抗耦合。例如，有时录井与定向井共用一个接地线，常出现干扰现象。

2.1.5线间电容

当足够高频率的电磁波在较长的电缆长度（大于30米后比较明显）传输时，电缆内两个芯线之间表面积较大，就会显现出两线间电容特性，高频电磁波是走电容的。信号芯线与电源线也会形成线间电容，信号芯线与屏蔽层也会形成线间电容。高频电磁波从一个信号芯线通过电容到另一个信号芯线，这称为“串音干扰”，例如A相对B相相互串音干扰。屏蔽层上走的电磁杂波通过线间电容走到信号芯线上，这称为“外部高频电磁干扰”。

2.1.6 阻抗干扰

在信号路径或返回路径上由于阻抗突变（两种不同材质的信号线连接）而引起的反射与失真，是信号感受到阻抗变化的情况，例如振铃现象就是由于信号传输过程中感受到阻抗的变化，发生的信号反射及损耗。模拟仿真图见图3。线间电容会随着电缆绝缘皮的老化而性能突变，一些使用久的老化的电缆会突然开始丢信号。

负载电压波形如下图所示，电压信号传输比如 0～5（10）V如果一个模拟电压信号从发送点通过长的电缆传输到接收点，那么信号可能很容易失真。原因是电压信号经过发送电路的输出阻抗，电缆的电阻以及接触电阻形成了电压降损失。接触电压在所期望的5V左右波动，范围在8.33V到2.78V之间，最终稳定在5V，这就形成了“振铃现象”。

2.1.7电感特性干扰

足够长的导线，因传导电磁波周边电场形成电感特性，电感特性带来的是对电磁波信号的延迟。当传输信号电缆被干扰时这种电感延迟效应将更加突出，会有更多的不确定性的信号延迟出现，由于不同频率电磁波对于电感的效应不同，重新叠加后方波信号已經变形失真了。例如：当传输电缆破损，在下雨天雨水进入电缆内部，会出现波形移动速度变慢，造成解码误差。

综述：在施工现场信号被干扰存在多种情况并存现象，应逐一排查。

2.2信号干扰抑制及消除措施

现场抑制和消除电磁干扰常用的方法为接地、屏蔽、隔离、芯片隔离、合理布线等，具体实施为：

2.2.1接地技术

接地是现场抑制干扰的重要手段，分别为屏蔽层接地、非信号线线芯接地、电源接地。当屏蔽层接地后可使干扰电流经屏蔽层短路，从而切断干扰传播途径。屏蔽层接地按照接地方式不同可分为：单端接地、双端接地、悬浮、混合接地等方式。

（1） 单端接地：是屏蔽电缆的一端将金属屏蔽层直接接地，另一端不地接或通过保护接地。在单端接地的情况下，假设信号电流I1从芯线流入屏蔽线I2，流过负载电阻之后，再通过屏蔽层返回信号源，因为电流I1与I2大小相等方向相反，所有它们产生的磁场干扰相互抵消。非接地端的金属屏蔽层对地之间有感应电压存在，但屏蔽层无电势环流通过，因此单端接地就是利用抑制电势电位差达到消除电磁干扰和磁场耦合干扰的目的。

（2）双端接地：即屏蔽电缆的金属屏蔽层的两端均连接接地。在双端接地的情况下，金属屏蔽层不会产生感应电压，但金属屏蔽层受干扰磁通影响将产生屏蔽环流通过，如果地点A和地点B的电势不相等，将形成很大的电势环流，环流对信号产生抵消衰减效果。同时根据楞次定律，电磁感应在屏蔽层金属表面形成涡流，涡流反过来可以阻碍磁场的变化，阻碍感应强度增加，可将感应电压降到不接地时的1%以下。但是，需要注意两端接地，可能引起接地点电位差，在屏蔽层内产生环流带来干扰，所以在信号传输过程中遇到干扰时不能盲目的因为两端接地抗干扰强而都采取两端接地。

（3）屏蔽层悬浮：可屏蔽电场耦合干扰能力但无抑制磁场耦合干扰能力，对振铃现象有明显的抑制作用。当两段信号线阻抗不匹配时可将接收器一端屏蔽线悬空。屏蔽层接地使用原则：屏蔽地一定与对应逻辑地相连，信号工作频率较低时屏蔽地与逻辑地一点相连，在连接处与保护地统一单点接地。信号工作频率较高时，屏蔽地就近多点接地。

（4）非信号线线芯接地：当传感器内部接地线失效或井队引入网电引起井架出现的电磁干扰时，可用非信号线线芯连接传感器外壳，再将外壳端回接钻机地线。

（5）室内电源接地：将室内电源插座接地端单独引线接地，消除网电、输入电源、室内电源插座未接地引起的“浪涌电压”。

（6）信号线混合接地：将屏蔽网与非信号芯线合并接地，可消除信号芯线与屏蔽层形成较大的线间电容，将干扰的高频信号从地线引走。

2.2.2屏蔽和隔离技术

采用屏蔽技术可以有效的抑制电磁辐射干扰，及用电导率良好的材料对电场屏蔽，用磁导率良好的材料对磁场屏蔽。屏蔽有两个目的，一是限制内部辐射的电磁能量泄露出改内部区域，二是防止外来的辐射干扰进入该内部区域。按照屏蔽类型为静电屏蔽和电磁屏蔽两种。

（1）静电屏蔽：用铜等导电性能良好的金属为材料制作成封闭的金属外包，并与地线连接，把需要屏蔽器件或信号置于其中，使外部静电干扰电场不影响其内部的电路和信号（现场一般不采用）。

（2）电磁屏蔽：采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，将被保护的电路包围在其中。它屏蔽的干扰对象不是电场，而是高频（40KHz以上）磁场。干扰源产生的高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时，会有多种可能：反射、折射、吸收、多次折射再反射，或者穿透干扰到内部芯线上的信号。

（3）铝箔隔离：当干扰源发出的电磁波频率很高是接近于光波特性，遇到铝箔屏蔽层，或者很致密的遮蔽层大部分就反射回去了。不是很高频率的电磁波会有部分折射进入屏蔽层金属导体，有一部分再次在导体表面反射，多次反射后被吸收，就在屏蔽层其外表面形成电磁波“雾”，从而消耗了高频干扰的能量，使电磁屏蔽层内部的电路免受高频干扰磁场的影响。如果是单层铝箔，或者屏蔽层不够致密，仍然会有部分高频干扰穿透屏蔽层而干扰到内部信号。铝箔仅对很高频率的电磁波有100%的反射，还有很多波长较长频率较低的电磁波将可能透过铝箔折射进入内部。因此，在条件允许的情况下可以考虑用锡箔来屏蔽隔离干扰源。

2.2.3芯片隔离

在滤波器模块添加前置无电源信号隔离器WS1562，可有效抑制电磁干扰。图4为无电源信号隔离器WS1562模块

2.2.4布线规则

（1）如果信号电缆和电源之间的间距小于15cm时，在信号电缆和电源电缆之间的设置屏蔽用的金属隔板，并将隔板接地

（2）对于某些干扰特别大的应用场合，如电源电缆上挂接电压为220v，电流在10A以上感性负载，而且电源电缆不带屏蔽层时，要求 信号电缆的垂直方向间隔大于60cm。

（3）避免大功率的开关量输出信号线，电源线，动力线等电缆与直接与信号电缆并行捆绑

（4）绝对禁止采用采用一根多芯电缆的传输不同功率与频率的信号

（5）严禁同一信号的几芯线分布在不同的几条电缆中。

（6）避免和录井信号线路并行布线。

3 现场应用

3.1 总体应用情况

通过对冀中、长庆、四川等地区电动钻机，机械钻机、网电接入等情况下的8部钻机进行了试验与应用，均得到良好的效果。

3.2 电动钻机70085应用

屏蔽线非信号线芯双接地：该钻机为电动70钻机，现场使用网电接入。在未开泵情况下接入传感器后的波形效果见图6

从图6可以看出，在未开泵情况下，泵压为0，但是波形幅值超过40，接近于仪器正常工作幅值，且波形变化无规律。采用屏蔽线、非信号线芯、传感器外壳接地之后的波形见图7

从图7可以看出接地之后的泵压显示为1.05mp、幅值为1，波形为一条直线与接地之前从在明显对比。正常钻进情况下接地前后的对比效果见图8

图7、图8可以看出接地效果消除了干扰现象，分析认为该钻机接入网电之前未采取电源接地（井队所有设备都为发电机模式下的接地方式），顶驱变频器受到网电影响，进而影响传输电缆信号。具体接地方式见图9

3.3 机械钻机5006应用

屏蔽线与非信号线单端接地：该钻机在网电接入或发电机供电情况下都出现电磁干扰现象，历时长达3年之久，时而将信号线与录井及其它电源线分开放置在地面可以抑制干扰，但效果甚微。采用屏蔽线与非信号线单端接地之后对比效果见图9

从图9可以看出，接地之前波形杂乱无法正常解码，严重影响施工。接地之后波形正常。分析认为钻机接地与其他大功率设备接地出现环路电流，引起与钻机相连的传感器出现电荷积累效应，影响正常传输。将非信号线与屏蔽层单端接地，传感器端屏蔽层悬空。

3.3 机械钻机40693应用

非信号线悬浮屏蔽层单端接地：该钻机为发电机供电模式。在不开泵模式下电流检测为4mA，且信号幅值为一条直线，但开泵之后正常钻进无法正常解码。采取措施前后的效果对比见图10

从10可以看出，在未开泵情况下信号曲线接近直线，开泵之后出现杂波，在正常解码模式下开泵之后首先出现激动压力，之后40S为脉冲等待时间。由此，很多情况下误判为钻井泵出现异常。经过检查发现传感器跳线与传输线线芯材质不同。分析认为传输线不匹配产生阻抗，引起“振铃现象”。因此，将屏蔽层接在传感器外壳，传输电缆信号线线芯直接接入传感器插孔即可消除干扰。

4结论及建议

（1）传感器信号传输过程中易收到自来不同方向的干扰，不同的干扰源对信号传输干扰现象不同，根据信号波形形态结合现场对寻找干扰源有一定的辅助作用

（2）根据不同干扰源引起的干扰现象采用对应的抑制措施，研究认为对信号干扰多采用接地、屏蔽、悬浮等方法可很好的消除干扰

（3）建议采用屏蔽效果好的传输电缆，竟可能提高信号的抗干扰能力。

感谢：特别感谢杨国光、黄哲、任伟、李若飞等仪器作业部同事在试验过程中提供的思路与试验数据。

参考文献：

[1]丁冰.变频器谐波干扰和抑制[J].黑龙江造纸， 2009，37（3）：57-60

[2] 王军.综合录井仪的电磁干扰与及其抑制[J].錄井工程，2002，13（4）：31-35

[3] 何文钧.浅谈电磁兼容和电磁屏蔽技术[C].//2110全国机械装备先进制造技术高峰论文论文汇编.北京：清华大学《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社2010，10：397-400

[4] 中国电力企业联合会.GB 50217-2007电力工程电缆设计规范[S].北京：中国计划出版社.2008