随钻地层测压仪电磁阀驱动电路的设计与应用*

支宏旭，张华勇，余 强，薛永增，高天瑞，郝桂青，胡卫平，沈 阳

(中海油田服务股份有限公司油田技术事业部 河北 三河 065201)

0 引 言

不同于传统的电缆测井仪器，随钻测井仪器对电路的集成度、抗震性和耐温指标都提出了更高的要求。厚膜技术将电子器件集成于陶瓷基板之上，辅以灌胶的加固与散热工艺、金属外壳封装工艺，能极大缩小电路体积、显著增强散热[1-2]和抗震性能，已经是国内井下仪器测控系统的主流设计方向和实现手段[3-5]。本文设计了一种随钻电磁阀驱动电路，通过高温测试和10井次的实际作业，该电路的稳定性和可靠性得到充分验证。

1 电磁阀驱动模块设计

1.1 电路原理与程序设计

图1是电磁阀驱动电路的电路原理图。微控制器MSP430F2619-HT以中断的方式通过RS485接口芯片响应总线命令，RS485接口芯片一般选用耐温性能良好的SN65HVD11。微控制器的IO输出能力有限，无法直接驱动图1(a)中的电磁阀驱动执行电路，必须借助达林顿管阵列的扩流作用。当微控制器通过达林顿管使L产生低电平时，PMOS管导通，电磁阀获得电平UH，称之为电磁阀高压开启电压；L恢复高电平之后，微控制器通过达林顿管使H产生低电平，三极管Q1导通，电磁阀获得电平UL，称之为电磁阀低压工作电压。一般而言，UH>UL。电磁阀启动电流较大，如果驱动电路不能提供足够大的电流，电磁阀吸合不彻底，将无法有效工作，故需要提供一个较大的高压开启电压UH；电磁阀维持电流较小，故需要提供一个较小的低压工作电压UL，如果UH≤UL，电磁阀长期工作在大电流状态，能耗较高且容易损坏。电磁阀的开通过程可以概括为高低压切换的过程：先施加UH产生较大的开启电流，再施加UL产生较小的维持电流。电磁阀的工作周期可分为开(UH)、维持(UL)、关(0 V)3个阶段，具体见图1(b)。

图1(a)中，D2称为电流续流二极管，电磁阀是感性负载，关断电磁阀时线圈电感电流需要经过D2续流，以防止电流尖峰的产生。D3、D1是反向截止二极管，当Q1、Q2其中一个导通、一个截止时，防止电压对另一个器件产生不良影响。D4是稳压二极管，在H低电平时使PMOS管Q2稳定导通。

图1 电磁阀驱动电路原理图

微控制器MSP430F2619-HT的程序流程图如图2所示。上电之后，单片机依次完成晶振、IO电平、串口配置、Flash等模块的初始化工作，之后进入死循环等待RS485的命令。接收到命令后，根据命令内容完成对应电磁阀的开关，之后更新电磁阀状态字，通过RS485总线返回电磁阀的状态数据，并将电磁阀的开关次数等写入片内Flash。最后返回死循环状态，等待RS485命令中断。微控制器MSP430F2619-HT在IAR平台完成程序编写、编译和烧录等开发过程。

图2 程序流程图

1.2 厚膜的实现与优势

图3是电磁阀驱动模块的厚膜外壳与内部实物图。图3(a)是厚膜外壳实物图，长45 mm，宽20 mm，面积约900 mm2。图4是传统电磁阀驱动电路的实物图，图中虚线内部(5 400 mm2)与图3(a)中的厚膜模块实现的功能完全相同，后者面积降低为传统PCB电路的16.7%。随钻仪器电路安装空间狭小，高度集成化的厚膜电路比传统PCB具有显著优势。图3(b)是厚膜电路内部的实物图，图3(d)是晶振，图3(e)是微处理器，图3(f)是达林顿管阵列，图3(g)、图3(h)、图3(i)是相同的3路电磁阀驱动执行电路，其具体原理见图1。这些器件被集成于一块陶瓷基板之上，并装入轻质铝合金外壳之内，之后灌胶，以提高抗震、散热性能，最后盖上顶盖密封镀金。厚膜电路具有很多优势，首先，显著减少电路体积，有效缩短仪器总长度，减少遇卡风险；其次，金属外壳密封处理，MOS管等容易被静电击穿的器件寿命得以延长，更换便捷，维修率下降；最后，因为散热效率的提升，器件耐温性能得到优化。

图3 厚膜外壳与内部实物图

图4 传统电磁阀驱动电路

2 高温测试

本文设计的电磁阀驱动电路所驱动的电磁阀是应用于井下液压系统(20 MPa)[6-7]的特种电磁阀，电磁阀驱动电路如果要搭配实际电磁阀进行测试，必须要为电磁阀设计包含打压装置在内的液压系统，否则单纯进行空载驱动容易造成电磁阀损坏。为简便起见，用100 Ω电阻模拟电磁阀进行高温测试。高温测试装置示意图如图5所示。N6705C电源提供电磁阀高压开启电压+24 V、低压工作电压+15 V和5 V数字电源。PC软件通过USB转RS485电路与电磁阀驱动模块通信。DJH-30L-L烘箱提供恒温环境，精度±1 ℃。开启电磁阀时，驱动模块先输出18 ms的+24 V高压开启电压，之后持续输出+15 V低压工作电压；关断电磁阀时，输出电压迅速下降到0 V。

图5 高温测试装置示意图

试验中，在20 ℃环境，记录驱动电路的3路输出情况，包括高压开启电压UH、低压工作电压UL和低压工作电流IL。之后升温至175 ℃，恒温维持10 h，之后保持环境温度不变，开关电磁阀1 000次，记录驱动电路最后一次的3路输出情况和全部开断失败次数。试验结果见表1。试验表明，在经过10 h的高温环境后，电磁阀驱动电路的通讯较为正常，3路输出情况正常，没有发生性能下降或故障。

表1 试验数据

3 应用实例

本文设计的随钻电磁阀驱动电路，已经被应用于随钻地层测压仪器IFPT之中。IFPT是一种测量地层压力动态响应的测井仪器。在实际工作中，IFPT与组合钻具同时下井到达测点深度时，地面通过钻杆或涡轮发动机下传测压指令，IFPT接到指令后开始地层动态压力响应测量过程。图6是IFPT仪器的探针座封结构示意图，图6(a)是IFPT工具的基体，图6(b)是IFPT的探针。

图6 IFPT随钻测压仪器

到达测点深度时，液压系统动力电机启动，随后电磁阀驱动电路开启探针伸出电磁阀，在液压系统压力的作用下，探针伸出工具，完成座封过程，随后开始地层动态压力的测量过程。测压结束之后，电磁阀驱动电路关闭探针伸出电磁阀，开启探针回收电磁阀，在液压系统压力的作用下，探针慢慢回到基体原位，电磁阀驱动电路关闭探针回收电磁阀，单点地层动态压力测试过程结束。IFPT已完成十井次作业，总测点超过一百次，最高井温超过100 ℃，总工作时长超过100 h，随钻电磁阀驱动电路的可靠性和抗震性能得到充分验证。

4 结论与发展方向

本文设计了一种随钻电磁阀驱动电路，应用厚膜技术，该电路能够在175 ℃环境下有效驱动3路电磁阀开关，高温测试和随钻地层测压仪器IFPT的实际应用，充分验证了该电路的可靠性和稳定性。目前该电路已在多种测井仪器中得到应用。

目前井下电磁阀驱动技术仍然存在很多不足。电磁阀的磁芯材料与温度高度相关，在高温下由于磁性材料性能退化，其驱动电压、响应时间等与常温、低温环境存在差异；不同的液压系统设计对电磁阀的电磁吸力、响应时间等参数也有不同的要求。目前国内测井仪器的温度指标已经跨过150 ℃，175 ℃、205 ℃测井仪器也正在研发。随着石油勘探向深水、深井进发，对235 ℃甚至更高温度等级的测井仪器的需求与日俱增。目前缺少测试电磁阀温度特性的基础试验平台，尤其缺少高温下电磁阀的电磁吸力特性的相关研究，电磁阀驱动电路设计需要以上研究提供基础数据。设计人员目前更多的是凭借经验去设计高压开启电压、低压工作电压、高压开启时长等关键参数，高温电磁阀驱动电路的设计缺少定量的试验和理论依据。