Исследования технического состояния скважины

Стабилизированный ток питания  положительной полярности с жилы геофизического кабеля (ЖК) через разъем Х1, Х2 и Х3 подается на плату блока процессорного А5. Через диод VD1 и модулятор с транзистором VT1 стабилизированный ток поступает на вход параллельного стабилизатора напряжения VE (+20В), выполненного на усилителе постоянного тока (УПТ) DA1.1 и транзисторе VT2. Транзисторы VT1 и VT2 установлены на радиаторе. УПТ сравнивает напряжение стабилизации с опорным напряжением VD (+5В) и вырабатывает сигнал ошибки, управляющий током транзистора VT2.

Из стабилизированного напряжения VE (+20В) формируются напряжение VD (+5В)  микросхемой DA3 для питания цифровой части блока процессорного А5 и VА (+5В) микросхемой DA2 для питания аналоговой части блока процессорного А5 и платы аналоговой А6.

Основной автомат сбора и  передачи данных – это микросхема процессора DD1.

Через конденсатор С1, сформированная на делителе напряжения R3 и R4 с вывода (RA4) микросхемы DD1, формируется двухуровневая посылка в формате КСАТ7 и подается на модулятор VT1.

         Для формирования трехуровневых посылок в коде Манчестер II дополнительно используется вывод (RA5) микросхемы DD1, транзистор VT4

и резистор R9.

Для замера температуры внутри корпуса  используется микросхема - датчик температуры  В1 с нормированным аналоговым выходом. Замер производится на внутреннем АЦП микросхемы DD1.

Процессор на микросхеме DD1 следит за нагревом термоиндикатора притока и при перегреве с помощью ключа на транзисторе VT3 отключает его. При охлаждении датчика СТИ нагрев автоматически включается.

Для связи с верхней и нижней приставками и для записи метрологических  коэффициентов используется линия TX/RX (запрос – ответ по одной линии) с помощью ключей VT5 и VT6 на микросхеме DD1 (RC6 и RC7).

Для связи процессора на микросхеме DD1 с процессорами на микросхемах DD2 и DD3 используется цифровой интерфейс I2С (RC3 и RC4) по линиям SDA и SCL.

Микросхемы АЦП DA5 и DA6 выполняют  аналого-цифровое преобразование входных  сигналов с датчиков и измерительных  схем. Микросхемы DA5 и DA6 подключены к  процессору DD2 по стандартному цифровому  интерфейсу SPI. В интерфейсе SPI используются линии АЦП – DO, DIN, SCLK, CS с одной  стороны и порты ввода-вывода процессора DD2 с другой. SPI интерфейс  и протокол связи формируются  программно. Перед преобразованием программа процессора по цифровому интерфейсу программирует регистры управления каждого АЦП, в результате, выполняется внутренняя калибровка выбранного канала АЦП, устанавливается цифровой фильтр и необходимый коэффициент усиления. По окончанию преобразования каждое АЦП по линиям INT1 и INT2 генерирует сигнал прерывания для процессора.

         Каналы давления, температуры и СТИ подключены к дифференциальным входам АЦП микросхем DA5 и DA6, а остальные каналы - к квазидифференциальным входам.

Микросхемы АЦП DA5 и DA6 производят преобразование входных аналоговых сигналов синхронно  в определённой последовательности (синхронно - АЦП DA5 выполняет преобразование по каналу давления одновременно с  преобразованием канала термокомпенсации давления, который в свою очередь подключен к DA6).

Микросхема АЦП DA5 оцифровывает каналы – давления, СТИ, локатора муфт, фильтра  низких частот, фильтра средних частот и фильтра высоких частот.

Микросхема АЦП DA6 оцифровывает каналы – температуры, влагосодержания, УЭП, зенитного угла, угла поворота, термокомпенсации давления. В качестве источника опорного напряжения +2,5 В для DA5 и DA6 используется микросхема DA4.

Резистор R1 датчика термометра В2 включен в измерительный мост, который включает в себя резистор R22* и два источника тока в микросхеме DA6.

Датчик манометра В4 включен питающей цепью в измерительный мост на резисторах R23*, R24 и R25 c питанием от VA +5В. Резистор R26* предназначен для изменения первоначального смещения выхода датчика манометра. Используя изменение сопротивления датчика манометра В4 от температуры, измеряется величина изменения по каналу термокомпенсации давления. Величина термокомпенсации давления определяется и передается на регистратор только при градуировке канала давления. После определения коэффициентов термокомпенсации канала давления данные по каналу термокомпенсации используются для расчетов внутри модуля и на регистратор не передаются.

           Резистор R2 датчика СТИ В5 включен в измерительный мост, который включает в себя два источника тока в микросхеме DA5 и резистор R1 (резистор температурной компенсации), установленный в датчике В5.

Канал влагосодержания построен на принципе измерения разности емкостей – измерительной емкости СИ и  компенсационной емкости СК в  датчике влагосодержания В3.

Устройство содержит четыре аналоговых ключа, выполненных на микросхеме DA8. Включением и выключением ключей управляет микроконтроллер DD4. На линиях GP0 и GP2 микроконтроллер формирует  сигналы управления частотой 100 кГц  с фазовым сдвигом 180 град. Ключи  включаются парами и поочерёдно –  сначала включается пара ключей DA8.1 и DA8.3 затем выключается и включается пара DA8.2 и DA8.4. При включении первая пара ключей DA8.1 и DA8.3 осуществляет заряд  измерительной и компенсационной  ёмкости до напряжения +5 В. Вторая пара DA8.2 и DA8.4 при включении в свою очередь соединяет измерительную  и компенсационную ёмкости с  накопительными конденсаторами С18 и  С19 соответственно.

В результате в первый такт работы схемы происходит заряд измерительной  и компенсационной ёмкости, во второй - перенос заряда до выравнивания потенциалов  на соответствующие накопительные  конденсаторы. Разряд накопительных  конденсаторов происходит через  резисторы R19 и R20. Оцифровывается разность напряжений на накопительных конденсаторах  С18 и С19, которая пропорциональна  изменению измерительной ёмкости  СИ датчика влагосодержания В3.

Датчиком индикации зенитного  угла и угла поворота модуля является акселерометр - микросхема DA7.

Напряжение на выходе 12 микросхемы DA7 пропорционально углу между вертикалью и осью Х микросхемы, которая ориентирована  параллельно оси модуля.

         Напряжение на выходе 11 микросхемы DA7 пропорционально углу между вертикалью и осью Y микросхемы, которая ориентирована перпендикулярно оси модуля.

При движении по стволу скважины в  канале индикации зенитного угла и угла поворота модуля будет регистрироваться и ускорение и вибрация.

На плате аналоговой А6 расположены первичные аналоговые преобразователи канала локатора муфт, каналы индикации шума и канал измерения УЭП.

Сигнал с катушки L1 локатора муфт А2 поступает на активный выпрямитель, собранный на элементе DA1.2. Резисторами R1* и R4* задается усиление и смещение соответственно.

Сигнал с датчика шумоиндикатора В1 через усилитель заряда на микросхеме DA2.1 подается на три фильтра:

• низкой частоты на микросхеме DA2.2 с частотой среза 100 Гц;
• полосовой средней частоты на микросхеме DA3.1 с нижней частотой среза 100 Гц и верхней частотой среза 12 кГц;
• высокой частоты на микросхеме DA3.2 с частотой среза 12 кГц.

Сигналы с трех фильтров, выпрямленные на диодах VD3, VD4 и VD5 проинтегрированные на конденсаторах С6, С9 и С12 поступают на АЦП на процессорной плате.

Работой первичных преобразователей канала УЭП управляет микроконтроллер  на микросхеме DD1.

Микроконтроллер на микросхеме DD1 подает разнофазные сигналы с частотой 100 кГц одновременно на задающий генератор (микросхема DA6.3 и DA6.4) и мультиплексоры выпрямителя (микросхема DA6.1, DA6.2 и конденсаторы С21 , С22).

Измерительная катушка включена на дифференциальный вход усилителя, с  коэффициентом усиления 20, микросхемы DA5.

После выпрямителя напряжение подается на нормирующий усилитель на микросхеме DA7.1 с коррекцией нуля на микросхеме DA7.2.

Блок датчиков А7 выполнен из нержавеющей стали с окнами для установки датчика температуры В2, датчика влагосодержания В3 и датчика индикатора притока В5.

Датчик манометра В4 установлен внутри блока датчиков и имеет канал для подвода скважинной жидкости.

Датчик УЭП В1 имеет проточный канал для обеспечения измерений.

Внизу блока датчиков А7 установлено нижнее стыковочное устройство со специальным разъемом Х4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчетная часть

1. Расчет измерительного усилителя

         Исходные данные:

–амплитудное  значение выходного напряжения и  тока;

–частотный  диапазон;

–выходное сопротивление;

–частотные  и нелинейные искажения.

        По этим данным выбираем схему выходного каскада. Выбранная схема может уточняться в процессе расчета.

         В нашем случае:

R_Н = 1000 Ом;

f_Н = 200 Гц;

f_В = 1 КГц;

U_{ВЫХ max}= 12 В.

         Эти данные показывают, что требуемые выходные параметры могут быть получены с помощью интегрального ОУ с подключением на его выход составного эмиттерного повторителя из n транзисторов. Определим n. Пусть ОУ имеет:

R_Н = 2000 Ом;

U_ВЫХ = 12 В.

          Тогда амплитуда выходного тока ОУ:

.

          Для получения тока в нагрузке:

 

коэффициент усиления по току должен быть равен:

.

 

Т.к. h_{21 Э} у транзисторов находится в диапазоне 20–50, то необходимо использовать в плече составного эмиттерного повторителя один транзистор, т.к. он достаточно обеспечит требуемый К.

Теперь  выберем типы транзисторов плеч выходного  каскада. Их параметры выбирают так, чтобы при работе в режиме «В»  они удовлетворяли неравенствам:

U_{К MAX m} < 0,5E < 0,5*U_{КЭ MAX};

I_{К MAX m}< I_{К MAX};

P_{К MAX}< 0,25*U_{КЭ MAX}*I_{К MAX};

P_HMAX< (2-3)*P_{К MAX}.

           Для нашего случая выбираем  транзисторы КТ315А,  КТ361А с параметрами:

I_{К MAX}  = 100 мА;

U _{КЭ MAX} = 25 В;

;

r_Б = 100 Ом.

           Высокая граничная частота усиления показывает, что данный транзистор оказывает малое влияние на частотные искажения. Оценим эти искажения, вносимые выходным каскадом усиления, с помощью уравнения:

.

            В проектируемой схеме R_Э→∞. Пренебрегаем токами, проходящими через транзисторы VT1 и VT3. Сопротивление Rr в этом выражении – это выходное сопротивление каскада на транзисторах VT1 или VT3.

.

 

Рис.2.1.

          Частотными искажениями маломощных транзисторов VT1 и VT3 можно пренебречь, т.к. их частотные характеристики значительно лучше, чем частотные характеристики транзисторов большой мощности (VT2 и VT4).

.

          Подставляя К_У (jw) при частотах f_Н=200 и f_В=1000 Гц  в следующее выражение, определим глубину ОС γ :

;    (*)

          Оценим входное сопротивление плеча эмиттерного повторителя:

R_ВХ0 = r_Б+ [1+h_21Э] *R_Н = 100 + (1+20)*1000 = 21100 Ом,

R_ВХ(ω) = r_Б+ [1+h_21Э·0,7] *R_Н = 100 + (1+20·0,7)*1000 = 15100 Ом.

           Резисторы R_ВХ  и R3 составляют делитель, который определяет U_ВХ на базах VT1 и VT3.

,

где

         Тогда:

;

.

          Полученное значение требуемого выходного напряжения ОУ говорит о том, что для данного случая следует применить высоковольтный ОУ типа УР1101УД07. Его параметры:

К_У = 0,4·10⁶;                               U_СМ = 75-150 мкВ;

f₁ = 0,4  МГц;                              R_{ВХ  диф}= 2 МОм;

I_ВХ = ± 4-12 нА;                          V_{U ВЫХх} = 0,1 В/мкс;             

U_{ВЫХ max}=12 В;                          R_{Н min}= 2 кОм;

U_П = ± 15 В.

         Построим для выбранного ОУ ЛАЧХ и по этой характеристике найдем для данного усилителя:

Рис.2.2.

20lg К_У(w_Н)= 112; К_У(w_Н)=400000;

20 lgK_У(w_B)=82, то  lgK_У(w_B)=82/20=4,1;

K_У(w_B)=10^4,1=12589,3.

             Подставим эти данные в (*):

;

;

 

.

          С запасом возьмем γ=10^-1 (чтобы обеспечить запас по частотным искажениям). Примем  R1=50 кОм. Для этого включения инвертирующего усилителя:

 

 

 

 

 

  Найдем  коэффициент частотных искажений.  Для этого определим  и :

;

.

 

следовательно, можно получить частотные искажения  меньше заданных,  что говорит о правильном выборе выходного транзистора.