電纜測井深度測量電路的抗干擾設計

蔣海洲

（中國電子科技集團公司第二十二研究所 河南 新鄉453000）

在電纜測井過程當中,經常使用增量式光電編碼器作為深度測量的測量傳感器。而測井使用的環境較為復雜，測井現場有較強電磁干擾，以及風力等自然因素和絞車在開動的過程由于加減速等操作都可能導致測井電纜的抖動，從而使光電編碼器產生振動和干擾，造成深度計數誤差，對于深度達數千米的井，這些計數誤差的累計會嚴重影響深度的測量精度[1]。本文通過對信號干擾和電纜抖動引起的光電編碼器的誤計數的分析，指出了相應的的解決方法，并經過現場應用得到了很好的驗證。

1 增量式光電編碼器的工作原理

增量式光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖量的傳感器。它由光柵盤和光電檢測等裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出相位差為90°的脈沖信號[2]，其原理示意圖如圖1所示，單片機通過計算光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速、深度、方向[3]。

圖1 增量式光電編碼器的原理示意圖Fig.1 The principle diagram of the incremental photoelectric encoder

如圖2所示，光電編碼器的判向和計數脈沖產生電路可以由D觸發器來實現，判向并分別產生正向計數脈沖和反向計數脈沖，具體工作波形圖如圖3所示[4]。

2 深度計數誤差分析

導致深度計數誤差的干擾主要有兩種，一種是電磁環境等干擾帶來的電氣干擾，另一種是自然風力和絞車的機械振動引起電纜抖動。

圖2 判向和計數脈沖產生電路原理圖Fig.2 Sentenced to and counting pulse generating circuit principle diagram

圖3 判向和計數脈沖產生電路的波形圖Fig.3 Sentenced to waveform and counting pulse generating circuit diagram

首先分析電氣干擾引起脈沖誤計數的原因。當A/B相信號受到干擾而前端處理電路又無法將干擾有效去除時，信號中將疊加一些干擾脈沖。如圖4所示，A/B相信號中疊加了幾種典型的干擾:干擾a1，干擾a2，干擾b1，干擾b2。經過上述判向和脈沖計數電路后，干擾在正向計數脈沖序列中產生了誤計數干擾脈沖a1′和a2′,在反向計數脈沖序列中產生了誤計數干擾脈沖b1′,這些干擾脈沖必然導致深度測量誤差。

圖4 干擾引起脈沖誤計數分析圖Fig.4 The interference caused by pulse counting error analysis diagram

其次，分析光電編碼器的碼盤抖動導致的脈沖誤計數的原因。在測井作業過程中，一般采用測井電纜帶動馬丁代克或數字馬達（內置光電編碼器）的方法來測量深度，測井電纜經絞車，帶動車馬丁代克或數字馬達，再繞過天地滑輪，然后拉動重達幾百公斤的下井儀器在數千米深的井中進行測井作業。一方面，從絞車到天滑輪的電纜長度一般有幾十米長，電纜很容易發生抖動。另一方面，電纜受到從幾百公斤到幾噸的拉力，在野外風力的和絞車開動過程中的機械振動的作用下，電纜一直保持高頻抖動狀態。電纜的抖動必然帶動光電編碼器碼盤的同步抖動，如圖5所示，當碼盤抖動的間隔與A/B相信號檢測器的間隔相近時，便會造成深度測量誤差。

圖5 碼盤抖動狀態示意圖Fig.5 Encoder jitter state diagram

當碼盤一直在抖動，編碼器輸出抖動脈沖，而不是相位差為90°的A/B相信號，而上述判向計數電路將抖動脈沖判成正向計數脈沖，從而導致深度測量誤差。

3 抗干擾和防抖動設計

通過以上分析可以看出，單邊沿觸發必然帶來干擾脈沖和振動引起誤計數脈沖，要消除這些誤計數脈沖，必須利用同一個信號(A相或者B相信號)的上升沿和下降沿來組合產生正向計數脈沖和反向計數脈沖。正向計數脈沖為A↑∩B，反響計數脈沖為↑∩B。

如圖6所示,A相信號加入干擾脈沖:干擾脈沖a1，a2，a3，a4和抖動脈沖，B 相信號加入干擾脈沖:干擾脈沖 b1，b2，b3，b4，取A↑∩B和↑∩B分別產生正向計數脈沖和反向計數脈沖。當干擾脈沖a1在正向計數脈沖中產生誤計數干擾脈沖a1′時,同時也在反向計數脈沖序列中產生誤計數脈沖a1″，在后續的計數處理過程中干擾脈沖相互抵消。同樣，抖動脈沖也相互抵消。

圖6 抗干擾防抖動波形圖Fig.6 Anti-interference shake waveform figure

4 電路實現及應用效果

判向和計數電路采用Lattice公司的CPLD芯片LC4064來實現，內部邏輯電路如圖7所示[5]，控制程序軟件設計流程圖如圖8所示[6]。

圖7 判向和計數電路Fig.7 Sentenced to and counting circuit

圖8 控制程序軟件設計流程圖Fig.8 Control program flow chart of software design

該設計已應用在許多油田的電纜測井現場[7]，在深度系統抗干擾和防電纜抖動方面取得了良好的應用效果。

5 結束語

分析了電纜測井作業過程中電磁干擾和電纜抖動等因素帶來深度測量誤差[8]的機理，提出了新的抗干擾電路設計，該設計穩定可靠，已取得良好的現場應用效果，也同樣可應用于其他增量式光電編碼器的應用環境。

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