1、2023年08月|107AIP04 采集面板张力电路的设计分析与改进杨石俊，刘文浩(中海油田服务股份有限公司油田技术事业部塘沽作业公司，天津 300451)摘要：文章介绍了一种测井采集面板 AIP04，通过实验发现，在测井过程中 CLIS 地面系统记录张力数据存在异常。针对该故障情况，设计了一种改进的张力处理电路，以满足测井作业的需求。关键词：AIP04；CLIS；张力电路；AD620中图分类号：TE93 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)24-0107-03DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.24.030Tension Circuit
2、Design Analysis and Improvement for AIP04 Acquisition PanalYANG Shi-jun,LIU Wen-hao (China Oilfield Services Limited Well-Tech Tanggu Operation Company,Tianjin 300451,China)Abstract:This article introduces a well logging acquation systion AIP04 panel,experiments point out that CLIS systion record th
3、e abnormal tension data during a wireline survey.To keep the tension data normally,a improvement of tension circuit has been designed.Keywords:AIP04;CLIS;tension circuit;AD6200 引言在测井作业中，张力数据是非常重要的数据之一，对测井作业必不可少，关系到测井作业的安全性。在 CLIS 测井地面系统中，AIP04 采集面板作为井下数据采集、井下仪器控制的核心，其功能模块插板深度张力板，主要对深度张力信号进行处理。针对目前 C
4、LIS 系统记录张力信号存在异常，数据不准确等故障情况，设计了一种改进的张力处理电路以满足测井作业的需求。1 AIP04 采集面板概述CLIS 地面系统作为一种测井系统，可以实现从数据采集到资料输出和记录的整个过程，主要由电脑、采集面板、直流电源构成。电脑安装有 CLIS 测井专用软件，通过 USB 接口与 CLIS 采集面板进行通信，实现井下仪器数据参数、深度张力数据的采集，测井软件的数据处理功能模块借助电脑对采集的数据进行实时处理，得到处理后的数据再由解释软件进行解释。AIP04 采集面板是 CLIS 系统的井下数据采集、井下仪器控制的核心。CLIS 直流面板是向井下仪器供电的直流电源，经
5、采集面板的隔离部分由井下电缆向井下仪器供电。拖撬电缆作为地面系统和井下仪器的数据传输总线，采集面板通过它向井下仪器发送控制命令，接收地面数据，包括电压、电流、地面张力、磁记号和深度等数据，同时对井下仪器上传的数据进行滤波、解码，并将数据传送至地面软件显示和记录。采集面板是由信号处理板、遥传通信板、AD-CCL 板、CBL 板、深度张力板、隔离换挡板及相互之间的连线、采集面板供电电源组成的，它们之间协同工作来完成所需功能。信号处理板对来自隔离板的接收信号进行放大、滤波和补偿，以便送到主控板进行解码，同时信号处理板还对发送来的信号进行滤波和幅度控制，以便送到隔离板进行驱动并发送到井下；遥传通信板是
6、采集面板的控制核心和通信枢纽，控制采集面板与嵌入式工控机间的通信、采集面板与井下仪器的通信、各个功能插板之间的通信；AD-CCL 板用于模拟信号和节箍信号的采集、处理；CBL 板用于处理声波信号、同步信号和伽玛信号；深度张力板是采集面板深度的处理系统，并同时处理张力信号；隔离换挡板是隔离电缆信号与仪器供电，并且驱动发送到井下的信号，是井下仪器通过电缆与地面系统信息交换的枢纽。电源包含两部分：为面板内部各功能模块工作提供+5 V 和 15 V 电源，为换挡板提供电源的换挡变压器。2 深度张力板电路原理深度张力板是采集面板的深度和张力处理系统，以数字信号处理芯片为核心处理器，通过 CAN 总线与遥
7、传通信板通信。深度输入信号是由采集面板内部接线板送来的二校-2023-8-下期.indd 1072023/8/17 14:51:28设备运维108|2023年08月四路光栅编码器信号，经过匹配电路再送至差分接收电路，差分信号经阻容匹配后由差分接收，电气隔离后送到去抖电路。深度去抖电路有两部分组成：门电路延迟去抖和可编程逻辑器件去抖。送到正交编码处理电路进行计数和判向，从而计算出深度和速度。但在实际使用过程中由于机械震动、光栅处于临界状态等原因，光栅编码器的输出会出现一路没有输出和另一路有规则或不规则的脉冲信号。而这种信号正交编码处理电路无法判断，依然会按正常的信号计数，显然会造成深度累计误差。
8、去抖电路就是要解决这一问题，使得深度信号经过处理，使正常的正交信号能同通过，而错误的信号被有效抑制，达到了去抖的目的。张力信号处理包括硬件预处理、A/D 转换、采集解码、去干扰、增益控制、存储和传输等，其中采集解码、去干扰、增益控制由 FPGA 完成，张力信号经过输入保护电路送至仪表放大器实现差分放大，再送至DSP 微处理器内部的 A/D 转换。3 张力电路故障分析3.1 问题背景生产井拖撬张力信号一般是先进入绞车面板处理后再输出到地面采集面板，由于之前测井作业未要求记录张力曲线，拖撬内张力信号一般不接入采集面板，操作工程师只能观察绞车面板记录张力数值，为应对今后市场需求和生产要求，现对 CL
9、IS 地面系统AIP04 面板张力电路进行改进升级，以达到对张力曲线的正常记录。张力传感器连接绞车面板，绞车面板输出的张力信号线连接 AIP04 面板张力输入接口，在 CLIS 软件上刻度张力后，地面张力值显示不正确。测试张力时发现张力值在 1.364.54 t 时，软件上的原始采样值均为 1 024 CPS，地面显示张力值均为 4.54 t。其中软件内部设置张力采样值最大为 1 024 CPS。3.2 电路分析AIP04 面板的张力信号是由采集面板的深度张力板进行处理，以数字信号处理芯片为核心处理器，通过 CAN 总线与遥传通信板通信。面板接线板送来的“TEN-”“TEN+”经过由电阻和电容
10、组成的输入保护电路送至放大器 U10(AD620)的两个输入端实现差分放大，该差分放大电路的增益由电位器 W1 调整完成。放大器的输出经过由二极管、电阻、电容组成的保护电路送至 DSP 微处理器内部的 A/D 转换。其中，R42 未接电阻为短路连接，W2 为 5 k 电位器。原张力处理电路如图 1 所示。图1 原张力处理电路分析电路发现，由放大器 U10 及周围电阻组成增益控制电路，通过修改放大倍数可以控制该电路增益。放大器 AD620 是一款单芯片仪表放大器，采用经典的三运放改进设计。放大器内部的输入三极管提供了高精度单差分对双极性输入，通过内部回路的反馈电路使输入三极管维持了恒定的集电极电
11、流，所以输入电压相当于加在外接电阻 RG的两端1，从输入到输出的差分增益为：49.4 k=1GGR+(1)对所需的增益，则外部控制电阻值为：49.4 k=1GRG(2)由以上公式可以得出，调整 AD620 内电阻的绝对值，一个外部控制电阻便可实现对增益的精确编程。AD620 的 5 脚 REF 接地，作为相对输出电压的基准电位。AD620 引脚图如图 2 所示。图2 AD620引脚图3.3 改进方法根据问题分析的情况，为了解决张力值错误的故二校-2023-8-下期.indd 1082023/8/17 14:51:282023年08月|109障，需要修改 AIP04 面板深度张力板的张力处理电路
12、。为满足最大张力值在软件采样值范围内，可以通过减少放大倍数来控制张力的输出。根据 AD620 芯片差分增益计算公式，原电路上 RG 的最大值可设置为 5 k，计算放大倍数 G=11，由于 RG 的阻值偏小，无法更多的减小放大倍速，因此需要增加 RG的阻值。通过软件内部设置与电路对比分析，当 G=2，RG=35 k 时，张力值 4.54 t 对应软件采样值为 998 CPS，小于软件最大采样值 1 024 CPS，因此在保证张力刻度正常情况下，RG应大于等于 35 k。为满足不同张力系统需求，通过实验测试，将原张力处理电路上的 R42 改为 1 k 的电阻，W2 改为 50 k 的电位器，当电位
13、器调整在中间位置时，与绞车面板连接测试张力正常。因此，通过更换电阻R42 和电位器 W2，可以使张力信号的增益范围更大，调节电位器 W2 的阻值可以匹配不同的张力系统需求。另外，为获得较高的共模抑制比，参考端应连接于低阻抗点，因为 AD620 的输出电压与参考端的电位有关，它能够通过简单地将参考端连接到“局部地”来提高共模抑制比，并使两输入端的输入电容与输入电阻差异为最小2。对张力信号，可以外接一个基准来实现完整的处理。基准电路由基准电源芯片 U8(TL431)以及周围的电阻、电容一起产生所需要的各种基准电压值。基准电源芯片 U8 自身是一个+2.5 V 的基准，由它产生的+2.5 V 基准再
14、经过电阻 R29、R30 这两个阻值一样的电阻分压，从而得到+1.25 V 的差分放大电路所需要的基准。改进后的张力处理电路如图 3 所示。图3 改进后的张力处理电路4 结语在测井作业过程中，工程师一般都需要实时观察井下仪器的张力信号，保证测井作业中的安全。本文介绍了一种 CLIS 测井地面系统，当连接张力传感器在 CLIS 软件上完成刻度后，观察到的张力信号显示异常。AIP04 采集面板作为 CLIS 系统的控制核心，张力信号主要是由该面板的深度张力板进行处理，通过对张力电路的分析，发现修改电路中放大器AD620 的增益，可以解决张力信号异常故障，同时外接一个基准电路可以实现电路的完整处理。
15、改进后的电路，保证了张力信号的正常记录，有力支持了现场作业，具备很好的使用价值。另外介绍了 CLIS 测井地面系统张力测试的步骤，通过绞车面板与 CLIS 软件同步张力刻度，确保张力数据的准确性。参考文献：1 吴树荣,陈环,王颖,等.用于功能陶瓷I-V 特性测试的放大电路J.龙岩学院学报,2008,26(3):47-50.2 曹军.仪器放大器AD620 性能及其应用J.电子器件,1997,20(3):62-66.作者简介：杨石俊(1988-)，男，汉族，湖南益阳人，工程师，本科，学士，主要从事测井仪器维修工作，E-mail：。二校-2023-8-下期.indd 1092023/8/17 14:51:28