電纜測(cè)井深度測(cè)量電路的抗干擾設(shè)計(jì)

蔣海洲

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng)453000）

在電纜測(cè)井過程當(dāng)中,經(jīng)常使用增量式光電編碼器作為深度測(cè)量的測(cè)量傳感器。而測(cè)井使用的環(huán)境較為復(fù)雜，測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)有較強(qiáng)電磁干擾，以及風(fēng)力等自然因素和絞車在開動(dòng)的過程由于加減速等操作都可能導(dǎo)致測(cè)井電纜的抖動(dòng)，從而使光電編碼器產(chǎn)生振動(dòng)和干擾，造成深度計(jì)數(shù)誤差，對(duì)于深度達(dá)數(shù)千米的井，這些計(jì)數(shù)誤差的累計(jì)會(huì)嚴(yán)重影響深度的測(cè)量精度[1]。本文通過對(duì)信號(hào)干擾和電纜抖動(dòng)引起的光電編碼器的誤計(jì)數(shù)的分析，指出了相應(yīng)的的解決方法，并經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用得到了很好的驗(yàn)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(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖量的傳感器。它由光柵盤和光電檢測(cè)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(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出相位差為90°的脈沖信號(hào)[2]，其原理示意圖如圖1所示，單片機(jī)通過計(jì)算光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生電路可以由D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，判向并分別產(chǎn)生正向計(jì)數(shù)脈沖和反向計(jì)數(shù)脈沖，具體工作波形圖如圖3所示[4]。

2 深度計(jì)數(shù)誤差分析

導(dǎo)致深度計(jì)數(shù)誤差的干擾主要有兩種，一種是電磁環(huán)境等干擾帶來的電氣干擾，另一種是自然風(fēng)力和絞車的機(jī)械振動(dòng)引起電纜抖動(dòng)。

圖2 判向和計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生電路原理圖Fig.2 Sentenced to and counting pulse generating circuit principle diagram

圖3 判向和計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)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(jì)數(shù)的原因。當(dāng)A/B相信號(hào)受到干擾而前端處理電路又無法將干擾有效去除時(shí)，信號(hào)中將疊加一些干擾脈沖。如圖4所示，A/B相信號(hào)中疊加了幾種典型的干擾:干擾a1，干擾a2，干擾b1，干擾b2。經(jīng)過上述判向和脈沖計(jì)數(shù)電路后，干擾在正向計(jì)數(shù)脈沖序列中產(chǎn)生了誤計(jì)數(shù)干擾脈沖a1′和a2′,在反向計(jì)數(shù)脈沖序列中產(chǎn)生了誤計(jì)數(shù)干擾脈沖b1′,這些干擾脈沖必然導(dǎo)致深度測(cè)量誤差。

圖4 干擾引起脈沖誤計(jì)數(shù)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(dòng)導(dǎo)致的脈沖誤計(jì)數(shù)的原因。在測(cè)井作業(yè)過程中，一般采用測(cè)井電纜帶動(dòng)馬丁代克或數(shù)字馬達(dá)（內(nèi)置光電編碼器）的方法來測(cè)量深度，測(cè)井電纜經(jīng)絞車，帶動(dòng)車馬丁代克或數(shù)字馬達(dá)，再繞過天地滑輪，然后拉動(dòng)重達(dá)幾百公斤的下井儀器在數(shù)千米深的井中進(jìn)行測(cè)井作業(yè)。一方面，從絞車到天滑輪的電纜長(zhǎng)度一般有幾十米長(zhǎng)，電纜很容易發(fā)生抖動(dòng)。另一方面，電纜受到從幾百公斤到幾噸的拉力，在野外風(fēng)力的和絞車開動(dòng)過程中的機(jī)械振動(dòng)的作用下，電纜一直保持高頻抖動(dòng)狀態(tài)。電纜的抖動(dòng)必然帶動(dòng)光電編碼器碼盤的同步抖動(dòng)，如圖5所示，當(dāng)碼盤抖動(dòng)的間隔與A/B相信號(hào)檢測(cè)器的間隔相近時(shí)，便會(huì)造成深度測(cè)量誤差。

圖5 碼盤抖動(dòng)狀態(tài)示意圖Fig.5 Encoder jitter state diagram

當(dāng)碼盤一直在抖動(dòng)，編碼器輸出抖動(dòng)脈沖，而不是相位差為90°的A/B相信號(hào)，而上述判向計(jì)數(shù)電路將抖動(dòng)脈沖判成正向計(jì)數(shù)脈沖，從而導(dǎo)致深度測(cè)量誤差。

3 抗干擾和防抖動(dòng)設(shè)計(jì)

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

如圖6所示,A相信號(hào)加入干擾脈沖:干擾脈沖a1，a2，a3，a4和抖動(dòng)脈沖，B 相信號(hào)加入干擾脈沖:干擾脈沖 b1，b2，b3，b4，取A↑∩B和↑∩B分別產(chǎn)生正向計(jì)數(shù)脈沖和反向計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)干擾脈沖a1在正向計(jì)數(shù)脈沖中產(chǎn)生誤計(jì)數(shù)干擾脈沖a1′時(shí),同時(shí)也在反向計(jì)數(shù)脈沖序列中產(chǎn)生誤計(jì)數(shù)脈沖a1″，在后續(xù)的計(jì)數(shù)處理過程中干擾脈沖相互抵消。同樣，抖動(dòng)脈沖也相互抵消。

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

4 電路實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用效果

判向和計(jì)數(shù)電路采用Lattice公司的CPLD芯片LC4064來實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部邏輯電路如圖7所示[5]，控制程序軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示[6]。

圖7 判向和計(jì)數(shù)電路Fig.7 Sentenced to and counting circuit

圖8 控制程序軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.8 Control program flow chart of software design

該設(shè)計(jì)已應(yīng)用在許多油田的電纜測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)[7]，在深度系統(tǒng)抗干擾和防電纜抖動(dòng)方面取得了良好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)束語

分析了電纜測(cè)井作業(yè)過程中電磁干擾和電纜抖動(dòng)等因素帶來深度測(cè)量誤差[8]的機(jī)理，提出了新的抗干擾電路設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，已取得良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，也同樣可應(yīng)用于其他增量式光電編碼器的應(yīng)用環(huán)境。

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