脉冲信号电缆驱动电路传输性能分析
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关键词: 脉冲信号 铠装电缆 驱动电路 传输性能 分析 AbstractI pulSe Signal uSed in petroleum logging Should be tranSf erred to uphole logging
inStrument to proceSS through logging cable and it S effectiveneSS turnS on driving circuit of doWnhole toolS tranSmiSSion property of logging cable and pulSe Signal detecting capability of uphole logging inStrument. It deSignS and manufactureS analog cable to Simulate the WorSt cable. It analyzeS the factorS affecting tranSmiSSion property of pulSe Signal/ S driving circuit. It deSignS a better driving circuit diScuSSeS the relation betWeen driving capability of driving circuit and the length of logging cable. It alSo giveS out verification teSt reSultS both in laboratory and real logging.
证~ 结果如表 6 所示O
表 6 驱动电路设计验证与性能评价
配接电缆
输出脉冲幅度~ V 输出脉冲宽度~ MS
驱动能力评价
4 芯模拟电缆 2. 8 200 优良
7000 米 7 芯电缆 3. 4 75 优良
由表 6 可以看出~ 所设计的模拟电缆确实模拟了
最差的测井电缆; 所设计的驱动电路具有优良的驱动
为 了 适应测井电 缆 的 N 最 坏 情 况,9就 要 改 进 驱 动 电路9使配接电缆以后的信号仍能满足地面测井仪的 检测O 为了便于在实验室条件下研究驱动电路的传输 性能9参考最差电缆的参数9设计制作模拟电缆9是一 条有效的途径O 经过反复比对9图 2 所示的模拟电缆完 全能够模拟最差的电缆9能够用于检验驱动电路的驱 动能力O
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E 2I 9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9
可见供电电压大小对输出脉冲幅度没有明显的影响O ( 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9可以
收稿日期: 2OO2 O6 O3
32
任晓荣: 脉冲信号电缆驱动电路传输性能分析
呢 ? 一 般 认 为 9测 井 电 缆 的 传 输 性 能 与 所 传 输 信 号 的 频 率密切相关9对于低频信号9测井电缆呈现阻性特征9 对于中频信号9测井电缆呈现容性特征9对于高频信 号9测井电缆呈现感性特征O 阻性特征使脉冲幅度降 低9降低 到 1V 以下9地 面 测井仪就难 以检测9容 性 特 征使脉冲宽度增大9增大到一定程度就会产生脉冲重 叠现象9地面测井仪产生漏记9进而影响测量精度O 为 了传输的需要9石油测井中经常通过分频使脉冲信号 频率降低9因此9可认为测井电缆兼具阻容性特征O
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O 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 3OOMS 这 是 必 须 达
到的指标O 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O 按照可靠性理论 在最 坏情况E1D 下系统应能正常工作O 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O 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O 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O
对于 44MS 方波~ 输出浮地电容 C 对带电缆能力的 影响如表 5 所示O
表 5 浮地电容对带电缆能力的影响
电容值~ MF 脉冲幅度~ V 脉冲宽度~ MS
0. 22 0. 47 1. 0 2. 2 4. 7 1. 4 2. 1 2. 9 3. 4 3. 8 160 210 220 240 260
能力O
( 下转第 37 页D
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Vo!. 28 "o. 9 2002
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控件来实现, 通过 Winsock 控件可以连接到远程的计 算 机 利 用 TCP/ UDP 协 议 进 行 数 据 交 换 服 务 端 可 以接受多台远程计算机的连接请求 以此创建客户端
KeywOrds: pulse signal armOured cable driving circuit transmissiOn prOperty analysis
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O
图 1 石油测井脉冲信号传输过程示意图
1. 3
0. 8
0. 4
图 2 模拟电缆示意图
3 驱动电路传输性能分析
3. 1 两种驱动电路的比较 常用的传输驱动电路有两种9一种是以驱动变压
器为核心的驱动电路9另一种是以集成驱动芯片为核 心的驱动电路9研究发现两种驱动电路的性能差别不 大9成本相近9集成驱动芯片因集成度高具有明显的应 用优势O 3. 2 影响电缆传输性能的因素分析
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. 22MF ~ 2. 2MF 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O
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O 4. 1 改进设计 4. 1. 1 TD823 的供电方式改进设计
以 TD823 为核心的驱 动 电 路 典 型 接 法 如 图 3 所 示9下面将在配接了所制作的模拟电缆的情况下9对 TD823 的传输性能进行分析O
图 3 TD823 驱动电路典型接法示意图
3. 2. 2 脉冲参数对带电缆能力的影响 对信号而言9其典型参数包括脉冲形状和脉冲宽
度9为了探讨各自对带电缆能力的影响9作了以下两个 试验:
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O
对图 4 的数据进行指数拟合~ 可获得指数计算公 式
y = 16. 3126-0. 3815I
( 1D
式中~ I 为电缆长度~ 单位 km; y 为配接模拟电缆以后 的输出脉冲幅度~ 单位为 VO
令
y= 1V 得
I= 7318m 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O
图 4 输出脉冲幅度与电缆长度的关系
4. 3 设计验证 对以上设计工作进行了实验室验证和实际测井验
电子工程师
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Vol. 28 No. 2OO2
脉冲信号电缆驱动电路传输性能分析
TransmissiOn PrOperty Analysis Of Cable Driving Circuit f Or Pulse Signal
西安石油勘探仪器总厂 ( 西安 71OO54) 任晓荣
摘 要I 石油测井中的脉冲信号要经过铠装电缆传输到地面测井仪进行处理 其有效性取 决于下井仪脉冲驱动电路~ 测井电缆传输性能~ 地面测井仪脉冲信号检测能力O 本文设计制作了模 拟最差测井电缆的模拟电缆 分析了影响脉冲信号电缆驱动电路传输性能的因素 进行了驱动电 路的改进设计 探讨了驱动电路的驱动能力与电缆长度的关系 并对设计结果进行了实验室和实 际测井验证O
( 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9经过细致的研究发现9脉冲形状对带电缆能力有较 大的影响9具体如表 3 所示O
表 3 脉冲形状对带电缆能力的影响
脉冲形状
钟形
方波
模拟电缆输入( AI) 模拟电缆输出( AO)
衰减率( AO/AI) 带电缆能力评价
8. 6V 1. 3V 15. 11%
TD823 供电应取掉限流电阻~ 直接供i 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O 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:
( 1D 得到标准的方波信号; ( 2D 减小脉冲重叠引起的计数率过载; ( 3D 减小基线漂移引起的计数率过载; ( 4D 减小低频噪声O 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O 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O 所以~ 应根据测量对象的频率高低~ 选用浮
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O 最差的电缆 5OOO 米直 流电阻达 4OO0 对信号的衰减很大 12V 的脉冲信号 经过该电缆后 幅度只有 O. 4V 给地面测井仪的检测 带来了很大困难O
那么 测井电缆在传输脉冲信号时 有什么特点
差
12V 2. 8V 23. 33%
强
因此9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O
( 2) 脉冲宽度对带电缆能力的影响 对于方波9脉冲宽度对带电缆能力的影响如表 4 所示O
表 4 脉冲宽度的影响
输入脉冲宽度9MS
30
36
50
输 出 脉 冲 幅 度 9V
1. 4
2. 5
3. 6
34
地电容的容值O 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. 2MF 的电容在典型的计数率范围之内~ 其 适应性良好O 因此~ 浮地电容的容值选用 2. 2MFO 4. 2 驱动能力与电缆长度的关系
脉冲计数漏记情况 <1% <1% <2%
. 33.
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Vol. 28 No. 9 2002
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 30MS~ 40MS 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O 3. 2. 3 输出浮地电容对带电缆能力的影响
发现供电方式对带电缆能力的影响很大9因此较好的 供电方式应取掉限流电阻9直接给 TD823 供电O
表 1 供电电压大小的影响
供 电 电 压 9V
12
输出脉冲幅度9V 0. 34
16. 4 17. 8 0. 36 0. 38
18. 8 0. 40
表 2 供电方式的影响
R90
0
100
270
输 出 脉 冲 幅 度 9V
inStrument to proceSS through logging cable and it S effectiveneSS turnS on driving circuit of doWnhole toolS tranSmiSSion property of logging cable and pulSe Signal detecting capability of uphole logging inStrument. It deSignS and manufactureS analog cable to Simulate the WorSt cable. It analyzeS the factorS affecting tranSmiSSion property of pulSe Signal/ S driving circuit. It deSignS a better driving circuit diScuSSeS the relation betWeen driving capability of driving circuit and the length of logging cable. It alSo giveS out verification teSt reSultS both in laboratory and real logging.
证~ 结果如表 6 所示O
表 6 驱动电路设计验证与性能评价
配接电缆
输出脉冲幅度~ V 输出脉冲宽度~ MS
驱动能力评价
4 芯模拟电缆 2. 8 200 优良
7000 米 7 芯电缆 3. 4 75 优良
由表 6 可以看出~ 所设计的模拟电缆确实模拟了
最差的测井电缆; 所设计的驱动电路具有优良的驱动
为 了 适应测井电 缆 的 N 最 坏 情 况,9就 要 改 进 驱 动 电路9使配接电缆以后的信号仍能满足地面测井仪的 检测O 为了便于在实验室条件下研究驱动电路的传输 性能9参考最差电缆的参数9设计制作模拟电缆9是一 条有效的途径O 经过反复比对9图 2 所示的模拟电缆完 全能够模拟最差的电缆9能够用于检验驱动电路的驱 动能力O
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E 2I 9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9
可见供电电压大小对输出脉冲幅度没有明显的影响O ( 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9可以
收稿日期: 2OO2 O6 O3
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呢 ? 一 般 认 为 9测 井 电 缆 的 传 输 性 能 与 所 传 输 信 号 的 频 率密切相关9对于低频信号9测井电缆呈现阻性特征9 对于中频信号9测井电缆呈现容性特征9对于高频信 号9测井电缆呈现感性特征O 阻性特征使脉冲幅度降 低9降低 到 1V 以下9地 面 测井仪就难 以检测9容 性 特 征使脉冲宽度增大9增大到一定程度就会产生脉冲重 叠现象9地面测井仪产生漏记9进而影响测量精度O 为 了传输的需要9石油测井中经常通过分频使脉冲信号 频率降低9因此9可认为测井电缆兼具阻容性特征O
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O 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 3OOMS 这 是 必 须 达
到的指标O 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O 按照可靠性理论 在最 坏情况E1D 下系统应能正常工作O 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O 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O 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O
对于 44MS 方波~ 输出浮地电容 C 对带电缆能力的 影响如表 5 所示O
表 5 浮地电容对带电缆能力的影响
电容值~ MF 脉冲幅度~ V 脉冲宽度~ MS
0. 22 0. 47 1. 0 2. 2 4. 7 1. 4 2. 1 2. 9 3. 4 3. 8 160 210 220 240 260
能力O
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######################################################################
控件来实现, 通过 Winsock 控件可以连接到远程的计 算 机 利 用 TCP/ UDP 协 议 进 行 数 据 交 换 服 务 端 可 以接受多台远程计算机的连接请求 以此创建客户端
KeywOrds: pulse signal armOured cable driving circuit transmissiOn prOperty analysis
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O
图 1 石油测井脉冲信号传输过程示意图
1. 3
0. 8
0. 4
图 2 模拟电缆示意图
3 驱动电路传输性能分析
3. 1 两种驱动电路的比较 常用的传输驱动电路有两种9一种是以驱动变压
器为核心的驱动电路9另一种是以集成驱动芯片为核 心的驱动电路9研究发现两种驱动电路的性能差别不 大9成本相近9集成驱动芯片因集成度高具有明显的应 用优势O 3. 2 影响电缆传输性能的因素分析
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. 22MF ~ 2. 2MF 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O
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O 4. 1 改进设计 4. 1. 1 TD823 的供电方式改进设计
以 TD823 为核心的驱 动 电 路 典 型 接 法 如 图 3 所 示9下面将在配接了所制作的模拟电缆的情况下9对 TD823 的传输性能进行分析O
图 3 TD823 驱动电路典型接法示意图
3. 2. 2 脉冲参数对带电缆能力的影响 对信号而言9其典型参数包括脉冲形状和脉冲宽
度9为了探讨各自对带电缆能力的影响9作了以下两个 试验:
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O
对图 4 的数据进行指数拟合~ 可获得指数计算公 式
y = 16. 3126-0. 3815I
( 1D
式中~ I 为电缆长度~ 单位 km; y 为配接模拟电缆以后 的输出脉冲幅度~ 单位为 VO
令
y= 1V 得
I= 7318m 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O
图 4 输出脉冲幅度与电缆长度的关系
4. 3 设计验证 对以上设计工作进行了实验室验证和实际测井验
电子工程师
测控技术与设备
Vol. 28 No. 2OO2
脉冲信号电缆驱动电路传输性能分析
TransmissiOn PrOperty Analysis Of Cable Driving Circuit f Or Pulse Signal
西安石油勘探仪器总厂 ( 西安 71OO54) 任晓荣
摘 要I 石油测井中的脉冲信号要经过铠装电缆传输到地面测井仪进行处理 其有效性取 决于下井仪脉冲驱动电路~ 测井电缆传输性能~ 地面测井仪脉冲信号检测能力O 本文设计制作了模 拟最差测井电缆的模拟电缆 分析了影响脉冲信号电缆驱动电路传输性能的因素 进行了驱动电 路的改进设计 探讨了驱动电路的驱动能力与电缆长度的关系 并对设计结果进行了实验室和实 际测井验证O
( 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9经过细致的研究发现9脉冲形状对带电缆能力有较 大的影响9具体如表 3 所示O
表 3 脉冲形状对带电缆能力的影响
脉冲形状
钟形
方波
模拟电缆输入( AI) 模拟电缆输出( AO)
衰减率( AO/AI) 带电缆能力评价
8. 6V 1. 3V 15. 11%
TD823 供电应取掉限流电阻~ 直接供i 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O 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:
( 1D 得到标准的方波信号; ( 2D 减小脉冲重叠引起的计数率过载; ( 3D 减小基线漂移引起的计数率过载; ( 4D 减小低频噪声O 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O 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O 所以~ 应根据测量对象的频率高低~ 选用浮
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O 最差的电缆 5OOO 米直 流电阻达 4OO0 对信号的衰减很大 12V 的脉冲信号 经过该电缆后 幅度只有 O. 4V 给地面测井仪的检测 带来了很大困难O
那么 测井电缆在传输脉冲信号时 有什么特点
差
12V 2. 8V 23. 33%
强
因此9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O
( 2) 脉冲宽度对带电缆能力的影响 对于方波9脉冲宽度对带电缆能力的影响如表 4 所示O
表 4 脉冲宽度的影响
输入脉冲宽度9MS
30
36
50
输 出 脉 冲 幅 度 9V
1. 4
2. 5
3. 6
34
地电容的容值O 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. 2MF 的电容在典型的计数率范围之内~ 其 适应性良好O 因此~ 浮地电容的容值选用 2. 2MFO 4. 2 驱动能力与电缆长度的关系
脉冲计数漏记情况 <1% <1% <2%
. 33.
电子工程师
测控技术与设备
Vol. 28 No. 9 2002
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 30MS~ 40MS 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O 3. 2. 3 输出浮地电容对带电缆能力的影响
发现供电方式对带电缆能力的影响很大9因此较好的 供电方式应取掉限流电阻9直接给 TD823 供电O
表 1 供电电压大小的影响
供 电 电 压 9V
12
输出脉冲幅度9V 0. 34
16. 4 17. 8 0. 36 0. 38
18. 8 0. 40
表 2 供电方式的影响
R90
0
100
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输 出 脉 冲 幅 度 9V