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聲波測井測井儀需要在深井高溫高壓的環境下使用，對使用條件及組合功能的要求較高。現今大多數油田廣泛采用1609補償聲波測井儀，其發射電路因為1609補償聲波測井儀的發射電路存在缺陷，原電路中的CMOS場效應管易于被擊穿而損壞。因此有些儀器改用可控硅代替CMOS場效應管作發射開關。美國阿拉斯加公司在 1609電子線路設計中，最早使用的就是可控硅，經過一段時間的使用，發現可控硅抗干擾能力較差，比較容易產生誤觸發，造成儀器工作不正常;聲波觸發時間要求準確，可控硅作發射開關時，觸發脈沖上升前沿不是非常陡峭，造成發射誤差;而且由于可控硅關斷時間的不確定性，造成儀器工作電流較大，從而影響組合測井時其他儀器的正常工作。 本研究采用更先進的VMOS管作為發射開關，通過深入分析測井儀發射電路的工作原理及其存在的缺陷，嘗試新的可行的電路組合，調試成功后，用計算機軟件制作電路板模型，并制成電路板，然后將其連接至測井儀工作電路中，檢驗其效能。設計改進了原有技術，提高了儀器可靠性，具有重要的應用價值。 聲波發射電路的基本原理 該電路是由N溝道增強型CMOS場效應管Q1(型號為IRFD9120)和P溝道增強型CMOS場效應管Q2(型號為IRFD120)，按照互補對稱的形式連接而成，構成反相器。場效應管Q1與場效應管Q2二者的柵極連接在一起引出輸入端，按邏輯解碼器輸出來發射脈沖。兩管漏極接在一起作輸出，Q1的源極接電源，Q2的源極接地。從邏輯解碼器輸出的負邏輯脈沖送至該電路X3處，一般情況下，當X3觸發為高電平脈沖時，Q1截止，Q2導通，Q3的輸入端接地，使Q3截止，D1兩端的電壓為0;當輸入X3處為低電平，使得場效應管Q1導通，Q2截至，Q3的輸入端接5V電源，因此Q3導通，D1兩端的電壓為高壓信號，導通時間即為高壓脈沖寬度，從而最終使得圖1中壓電陶瓷換能器將電能轉化為機械能而產生聲振動。 
該設計電路中控制信號X3要求在一般情況下為高電平輸入，即Q3大部分時間處于截止狀態，否則長時間的導通很容易引起大電流始終存在而引起管子燒壞及工作不正常。為了提高性能，我們改進了電路設計，采用連續觸發的單穩信號作為控制電路，單穩信號的穩定脈沖可以設定，大大提高了電路性能，取得了較好效果。 改進的設計方法 555電路是常用的一種最簡單的電路，具有定時精確，電路穩定等優點，圖2所示為采用555器件設計的單穩態觸發器的電路圖和所產生的波形圖。當低電平的外觸發脈沖到來的時候，單穩態電路產生一脈沖寬度為Tw≈1.1(R+RW)C的高電平信號，信號的寬度可以通過調整RW和C的值得到不同的定時值。所設計的脈沖寬度是由壓電陶瓷的諧振頻率fs確定的，在實際測井中為fs=20kHz，因此在設計中所選取的電阻電容數值必須確保脈沖寬度等于 Ts/2以滿足諧振頻率的需要。
為了連續激發，本設計采用圖所示為自激多諧振蕩器電路產生的方波信號作為單穩態電路的觸發信號，實現數據的自動連續激發如圖3所示。
電路采用電阻、電容組成RC定時電路，用于設定脈沖的周期和寬度。調節R或電容C，可得到不同的時間常數;還可產生周期和脈寬可變的方波輸出。振蕩周期決定了發射電路的重復頻率。此處重復發射頻率是指兩次發射的時間間隔大小，在實際工作中，發射頻率的大小決定著測井的速度，同時也受限于儀器的采樣時間，在測井工程和實驗室中，重復頻率為20Hz。振蕩周期計算公式：T≈0.7 (R1+2R2) C。因此選取合適的電阻電容數值，就可以確定重復發射頻率的大小。 如前所述，可知原電路中信號經過各器件，各電路部分調理后進入VMOS管(此為RFP460)的輸入端，VMOS功率管的作用相當于一開關，即在高電平或低電平時選擇性地導通電路，從而控制電路。最終影響聲波發射的是電路中R7兩端的電壓脈沖——經變壓器后形成高壓脈沖激勵發射器，產生聲波。
發射電路總體設計及實驗效果分析 聲波發射電路分為三大模塊：整流電路、控制電路及發射激勵電路，所設計電路的控制及發射激勵信號如前所述，整理電路采用橋式整流電路。220V交流電壓經整流后將電容器C充電到300V，該電容器與R7的一端連接R7的另一端與發射激勵板的V4(IRFP460)的漏極相連。當V4導通，R7兩端產生一個脈寬約為28ms的300V的高壓脈沖，該脈沖激勵壓電陶瓷換能器，使其產生聲振動。 對于此電路，為了驗證其與原電路功能的一致性，采用Multisim仿真軟件測試信號與用示波器測試實際連接電路各段信號相結合的方法，驗證了此設計電路的可用性，并將其連接到聲波發射換能器，實驗結果相比較于原電路輸出波形基本一致，聲波發射效果良好。圖5為設計電路所測試的電路各段信號圖。
測試結果表明，由第一級555構成的多諧振蕩器輸出的信號經過由第二級555構成的施密特觸發器后，發生了“倒轉”：由瞬時低電平信號變為瞬時高電平信號，實現了反相器的設計功能。同時V4輸如端為高電平的時候V4截止，R7兩端的電壓為0，當V4輸如端為低電平的時候說明V4電路導通，則R7 兩端的電壓為外接高壓電源電壓值的大小，從而帶動壓電陶瓷換能器工作(注：實驗中為保護示波器，采用調壓器確保低壓測量)。 結語 本實驗通過分析研究發射電路原理及其相關的功能，在成功連接電路并不斷調試的基礎上，對原聲波發射電路做了技術性的改進，提出了合理的改進方案，并經實驗驗證了其可行性。實驗的研究成果已經成功用于本科實驗教學之中，并在實驗室中井筒模擬測量中得到應用。相信本實驗成果能夠應用于油田實際生產過程中，體現使用價值與社會效益，具有一定的市場前景。 參考文獻: [1]牛偉，韓素云，馮愛莉，等.1609 補償聲波測井儀發射電路的改進[R].石油儀器.2004,18 (5): 39-43 [2]王敏英.1609補償聲波側井儀發射電路技術改進[R].石油儀器.2005,19 (4 ):87-88 · [3] 孫 冰,侯春會,趙 萍.聲波發射電路的優化設計[R].石油儀器. 2000,14(4):11-12. [4] 邱關源.電路分析(第五版)[M]. 北京：高等教育出版社，2001 [5] 華中科技大學電子技術課程組.電子技術基礎 (第五版). 北京：高等教育出版社，2003 [6] 楊禮英，陸六剛.測井儀器[M].北京:石油工業出版社，1985 作者：付建偉 趙建國 中國石油大學北京市地球探測與信息技術重點實驗室 時間：2010-04-16 |
