专利名称：用于井下流体含水率测量的阻抗传感器激励电流切换电路的制作方法
技术领域：
用于井下流体含水率测量的阻抗传感器激励电流切换电路 技术领域
本实用新型涉及油田上测井领域使用的一种为阻抗传感器提供 激励电流的电路，具体的说是涉及一种应用在阻抗式过环空产液剖面 测井仪上的阻抗传感器上，可根据不同油井的矿化度，提供自动切换 激励电流的电路。
技术背景
阻抗式过环空产液剖面测井仪已经在油田测井中得到了广,泛的 应用。该仪器采用阻抗传感器测量井下油水两相流的含水率，具有实 时性好、响应速度快、分辨率高的特点，能实时反应含水率大小的变 化。目前，这类仪器在大庆油田自2004年已承担超过80%的产出剖 面测井工作量，已累计测井l万余口，为油井压裂、堵水等措施的实 施和效果评价提供了可靠资料，成为油田产液剖面测井的主力武器。 但是近几年在应用中发现存在如下问题由于不同油井中流体的矿化 度不同，导致阻抗传感器在测量时所需的激励电流也不相词，但是现 有的阻抗传感器激励电流提供电路又不能实现按照不同矿化度进行 自动切换，而只能根据操作工人的经验来选择激励电阻，以得到合适 的激励电流。由此造成含水率测量结果受操作工人主观影响大，导致 测量的可靠性降低。此外，在这种处理方式下，操作工人更换激励电 阻时需要反复起下仪器，使得测井成功率因此而降低。 实用新型内容
为了解决现有的阻抗传感器激励电流提供电路不能按照不同矿 化度进行自动切换，进而导致测量的可靠性以及测井的成功率降低等 问题，本实用新型提供一种专门用于井下流体含水率测量的阻抗传感 器激励电流切换电路，该种用于井下流体含水率测量的阻抗传感器激 励电流切换电路能够根据不同油井的矿化度，自适应切换激励源驱动 电阻，使交流恒流源输出保持在一个合理的线性范围内。
本实用新型的技术方案是该种用于井下流体含水率测量的阻抗 传感器激励电流切换电路，包括激励源驱动模块、持水率处理模块、切换判断模块、单片机控制模块，其中所述激励源驱动模块由函数信
号发生器ICL8038和两个高阻型运算放大器LM412组成，以输出一 个频率和激励电流均可调的正弦交变电流；该电路具有两个信号输出 端，用来连接至阻抗传感器的激励电极。所述持水率处理模块由具有 两个差分信号输入端的仪表放大器AD620、真有效值转换芯片 AD637和压频转换器AD537组成，所述两个差分信号输入端用来与 阻抗传感器的两个测量电极相连接，由此测量电极向持水率处理模块 提供电压差动信号，该信号经过差分放大后得到一个调幅波，该调幅 波经过所述真有效值转换芯片AD637的作用转变为直流信号，该直 流信号在压频转换器AD537的作用下转换为频率信号由频率信号输 出端输出。所述切换判断模块由两个运算放大器LF353组成，该电 路中的-12V电压来自于测井电缆2芯上供给的电压，该电路具有一 个输出端，用来连接至单片机控制模块中单片机HT46R47-H的第8 脚，以供单片机控制模块判断测井电缆2芯是否供有负电压。所述单 片机控制模块由具有8位高性能精简指令集的单片机HT46R47-H、 高速模拟开关MAX313、串行EEPROM存储芯片24C01组成，其中， 所述单片机控制模块的输入端和所述持水率处理模块的频率信号输 出端连接，所述单片机控制模块的两个输出端则连接至所述激励源驱 动模块中激励电阻的两端，所述单片机HT46R47-H将在内置程序的 控制下，根据全水状态下持水率处理模块输出频率的大小来控制高速 模拟开关MAX313中各个开关的状态，进而改变激励源驱动模块中 所输出激励电流的大小，所述串行EEPROM存储芯片24C01负责存 储当前全水状态下激励电阻的工作信息，当测井电缆2芯没有供负电 时，单片机HT46R47-H将直接读取串行EEPROM存储芯片24C01
芯片中存储的激励源状态信息，并根据该信息来使能相应的高速模拟 开关MAX313。
本实用新型具有如下有益效果由于采取上述方案后，该种电路，
主要由激励源驱动模块、持水率处理模块、切换判断模块、单片机控 制模块构成。其中，激励源驱动模块负责向阻抗传感器输出一个频率
和激励电流均可调的正弦交变电流；持水率处理模块负责采集阻抗传 感器测量电极环上输出的电压，所获得的测量电极输出信号经过差分放大后得到一个调幅波，该调幅波经过真有效值转换芯片AD637的作 用转变为直流信号，该直流信号在压频转换器AD537的作用下转换为 频率信号输出；切换判断模块负责判断测井电缆2芯是否供有负电 压，以决定是否进行激励源电阻自适应切换；单片机控制模块负责根 据全水状态下持水率处理模块输出频率的大小来控制模拟开关 MAX313的各个开关的状态，进而改变激励源驱动模块输出激励电流 的大小，并将当前全水状态下激励电阻的工作信息存储到EEPR0M芯 片24C01中，当测井电缆2芯没有供负电时，HT46R47-H将直接读取 24C01芯片中存储的激励源状态信息，并根据该信息来使能相应的 MAX313开关。因此，这种专门用于井下流体含水率测量的阻抗传感 器激励电流切换电路能够根据不同油井的矿化度，自适应切换激励源 驱动电阻，使交流恒流源输出保持在一个合理的线性范围内，不再需 要操作工人凭经验来选择激励电阻，保证了测量的可靠性。同时，在 这种处理方式下，不再需要反复起下仪器，使得测井成功率得以升高。
图1是本实用新型的组成示意图。
图2是本实用新型中激励源驱动模块原理图。
图3是本实用新型中持水率处理模块原理图。
图4是本实用新型中切换判断模块原理图。
图5是本实用新型中单片机控制模块原理图具体实施方式
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以下结合附图对本实用新型作进一步说明
如图1所示，该种用于井下流体含水率测量的阻抗传感器激励电 流自动切换电路，主要由激励源驱动模块、持水率处理模块、切换判 断模块、单片机控制模块构成。
图2是本实用新型中激励源驱动模块原理图，主体由函数信号发 生器ICL8038和两个高阻型运算放大器LM412组成，以输出一个频
率和激励电流均可调的正弦交变电流；该电路具有两个信号输出端 PA和PD，用来连接至阻抗传感器的激励电极E1和E2。其中，正弦 波由函数发生器ICL8038产生，函数发生器ICL8038的管脚8为频 率调整电压的输入端，管脚7为频率调整偏置电压的输出端，可作为管脚8的输入；管脚9输出的是方波，管脚3输出的是三角波，管脚
2输出的为正弦波。函数发生器ICL8038输出波形的占空比由电阻 R3与电阻R4的比例关系绝决定，具体关系为-
T1:T=(2R3-R4)/2R3 (1)
当式(l)中电阻R3与电阻R4相等时即输出一个占空比为2:1的 波形。此外，函数发生器ICL 8038输出波形的频率由电阻R3、电阻 R4和电容C17共同决定，且当R3-R4^R时具体关系为
/ = 0.33〃i *C,7) (2)
在图2中，电阻R3-R4为10K，电容C17为2200pF，则此时输 出波形频率为15KHz。恒流源电路由高阻型运算放大器LF412实现， 输出端PA接负载RL。经过电路原理分析得到，当电阻116*尺7=电阻 118*1111时，负载RL上的驱动电流IL为
^"ll/(i 6"12) (3)
式中，^为函数发生器ICL 8038输出的电压值。可以看出，负 载RL上的电流与RL的大小没有关系，此电路为恒流源。另外，当 电阻R6和电阻R11均为定值时，此恒流源的输出电流仅由电阻R12 的大小决定，因此，我们将电阻R12称为激励电阻。在图2中，电 阻R6为10K欧姆、电阻Rll为1.5K欧姆，则负载RL上的驱动电 流IL可表示为
0.15C (4) 由式(4)可以看出，电阻R12阻值越小，则输出电流IL就越大。 所以我们仅需在单片机控制电路中根据油水两相流全水值来适当的 改变电阻R12的大小就可以达到自适应调整激励源电流的目的。
图3是本实用新型中持水率处理模块原理图。由具有两个差分信 号输入端PB和PC的仪表放大器AD620、真有效值转换芯片AD637 和压频转换器AD537组成，上述三元件分别在图上被标明U7、 U8 和U9。所述两个差分信号输入端PB和PC用来与阻抗传感器的两个 测量电极M1和M2相连接，以便采集阻抗传感器测量电极环上输出 的电压，由这两个测量电极向持水率处理模块提供电压差动信号，该 信号经过差分放大后得到一个调幅波，该调幅波经过所述真有效值转 换芯片AD637的作用转变为直流信号，该直流信号在压频转换器AD537的作用下转换为频率信号由频率信号输出端FOUT输出。由 于油水两相流的输出信号非常微弱，所以首先对测量电极环的输出电 压差进行了放大。在如图2所示交流激励恒流源的作用下，传感器输 出电压为一调幅信号，须对其进行解调。本系统采用真有效值转换芯 片AD637芯片来获得经放大后电导波动信号的真有效值。另外，为 了便于信号传输，系统使用压频转换器AD537来将真有效值转换芯 片AD637输出的电压值转换为占空比为2:1的方波信号输出。由图3 可以看出，差分放大电路由仪表放大器AD620组成，负载对阻抗传 感器测量电极输出的电压信号进行差分放大。两路电压信号分别输入 到仪表放大器AD620的2脚和3脚，差分放大结果由仪表放大器 AD620的6脚输出；芯片的供电电源为管脚4与管脚7，分别接± 12V 的直流电源。另外，信号的放大倍数由AD620管脚1与管脚8之间 的电阻R15来决定，具体关系如下-
G = (49.4《/i 15)+l (5) 式中，G为电路的放大倍数。在图3中，电阻R15为4.7K，则 仪表放大器AD620的放大倍数为10.5倍。电导波动信号经放大后被 送入真有效值转换芯片AD637来求真有效值，输入信号Vin由真有 效值转换芯片AD637的13脚输入，输出信号Vout由9脚输出，具 体关系为
K = F. (6) 真有效值转换芯片AD637的外围元件较少，但值得注意的是，8 脚和9脚间的电容C25应用精度较高的钽电容，而不能使用电解电 容。压频转换电路负责对真有效值转换芯片AD637输出的直流电压 信号进行压频转化，即将电压信号转换为频率信号，以便于输出。压 频转换电路主要由压频转换器AD537实现，其输出频率除与输入电 压Vin有关外，还与电阻R18和电容C26有关，具体关系如下
/。 尸、/(10"18*。 (7) 在图3中，电阻R18^0K、电容C26=0.01uf，则当输入电压Vin 为5V时，则有压频转换器AD537的输出频率fout-5KHz。
图4是本实用新型中切换判断模块原理图，负责判断电缆2芯是 否供有负电压，以决定是否进行激励源电阻自适应切换。它主要由两个运算放大器LF353组成，分别在图中标为U16A和U16B。该电路 中的-12V电压来自于测井电缆2芯上供给的电压，该电路具有一个 输出端AN0，用来连接至被标为U18的单片机控制模块中单片机 HT46R47-H的第8脚，以供单片机控制模块判断测井电缆2芯是否 供有负电压。当在测井电缆的2芯上供以负电压时，此时图4中的运 算放大器LF353将工作于士12V电压供电状态。此时，在运算放大 器LF353的输入端第3管脚将得到-1.2V左右的电压，经射极跟随器 后将该-1.2V电压输出至运算放大器LF353的第6脚；之后经反相器 后在运算放大器LF353的第7脚得到+1.2V左右的电压，即AN0端 输出为+1.2V;此时4.7V稳压管D9不起作用。那么当测井电缆2芯 没有供负电或者供正电时，此时运算放大器LF353的第4脚，即负 电压供电端处于浮空状态，它将不能正常工作，从而在第7脚将得到 一个近似为+12V的电压信号，所以采用4.7V稳压管对该电平进行稳 压，从而在AN0处得到+5V左右的电压信号。图中电阻R53为1K 欧姆，作用是限流，从而保护稳压管D9不被击穿。由此可见，单片 机HT46R47在判断是否需要进行激励源切换时，只需判断ANO处的 电压值是否在+1.2V附近就可以了，如判断ANO端的电压是否大于 IV且小于2V。
图5是本实用新型中单片机控制模块原理图。单片机控制模块由 具有8位高性能精简指令集的单片机HT46R47-H、高速模拟开关 MAX313、串行EEPROM存储芯片24C01组成，上述三元件分别标 为U18、 U17、 U19。其中，所述单片机控制模块的输入端和所述持 水率处理模块的频率信号输出端FOUT连接，所述单片机控制模块的 两个输出端ResA和ResB则连接至所述激励源驱动模块中激励电阻 R12的两端，所述单片机HT46R47-H将在内置程序的控制下，根据 全水状态下持水率处理模块输出频率的大小来控制高速模拟开关 MAX313中各个开关的状态，进而改变激励源驱动模块中所输出激励 电流的大小。所述串行EEPROM存储芯片24C01U19负责存储当前 全水状态下激励电阻的工作信息，当测井电缆2芯没有供负电时，单 片机HT46R47-H将直接读取串行EEPROM存储芯片24C01芯片中 存储的激励源状态信息，并根据该信息来使能相应的高速模拟开关MAX313。该模块的核心是Holtek公司针对汽车电子应用领域而推出 的8位高性能精简指令集单片机HT46R47-H,且具有宽工作电压和 宽工作温度范围，-40°C^U+125°C，能够满足油井井下的实际需要。 交流恒流源的激励电阻的更换由高速模拟开关MAX313实现，其最 多可让四路电阻同时工作。系统开始工作时，MAX313的各个开关均 处于断开状态，即电阻R42 R45均不属于交流恒流源的激励电阻。 系统上电后，单片机HT46R47负责采集切换判断模块输出的电压信 号AN0是否在IV附近。如果在IV附近，则说明在测井电缆2芯上 供有负电压，此时需要对交流恒流源的激励电阻进行自适应切换。由 于此时高速模拟开关MAX313的四个开关均属于断开状态，交流恒 流源的激励电阻仅有电阻R12 —个电阻。单片机HT46R47将首先测 量当激励电阻为R12时，持水率处理电路的输出频率；由于此时传 感器属于全水状态，该频率值可称为全水频率值。如果该全水频率值 小于500Hz，则说明恒流源输出的激励电流太小，应适当增大。此时 单片机HTR4647将使能高速模拟开关MAX313芯片的CH0管脚， 即选通电阻R42;即激励电阻变为R12/ZR42。注意到，由于图2 图 6中电阻R12和电阻R42的阻值相等均为2.7K，则二者并联后阻值 变为1.35K，此时激励电流将是原来的一倍，即压频转换器AD537 的输出频率也将变为原来的一倍。由于高速模拟开关MAX313具有 四个模拟开关，所以最多可以并联上4个激励电阻，这样交流恒流源 激励电阻就有如下五种选择
激励电阻-R12
激励电阻-R12/ZR42
激励电阻-Rl 2//R42//R43
激励电阻-Rl 2//R42〃R43//R44
激励电阻-R 12//R42//R43//R44〃R45
由于在图5中电阻R43 电阻R45的阻值均是前一个电阻阻值 的一半，所以每并联上一个电阻，激励电流就近似变为原来的2倍， 此时压频转换器AD537输出的频率也均变为原来的2倍。另外，由 于需要保证每次测井只切换一次激励源电阻，则在系统不需要切换 时，需要记住当前的激励电阻值。为了完成该功能，使用了串行
10EEPROM芯片24C01 ，单片机HT46R47将当前全水值下激励电阻的 工作信息均存储在串行EEPROM芯片24C01中，当测井电缆2芯没 有供负电时，单片机HT46R47将直接读取串行EEPROM芯片24C01 中存储的激励源状态信息，并根据该信息来使能响应的高速模拟开关 MAX313。
权利要求1、一种用于井下流体含水率测量的阻抗传感器激励电流切换电路，包括激励源驱动模块、持水率处理模块、切换判断模块、单片机控制模块，其特征在于所述激励源驱动模块由函数信号发生器ICL8038(U5)和两个高阻型运算放大器LM412(U6A，U6B)组成，以输出一个频率和激励电流均可调的正弦交变电流；该电路具有两个信号输出端(PA，PD)，用来连接至阻抗传感器的激励电极(E1，E2)；所述持水率处理模块由具有两个差分信号输入端(PB，PC)的仪表放大器AD620(U7)、真有效值转换芯片AD637(U8)和压频转换器AD537(U9)组成，所述两个差分信号输入端(PB，PC)用来与阻抗传感器的两个测量电极(M1，M2)相连接，由此测量电极向持水率处理模块提供电压差动信号，该信号经过差分放大后得到一个调幅波，该调幅波经过所述真有效值转换芯片AD637(U8)的作用转变为直流信号，该直流信号在压频转换器AD537(U9)的作用下转换为频率信号由频率信号输出端(FOUT)输出；所述切换判断模块由两个运算放大器LF353(U16A，U16B)组成，该电路中的-12V电压来自于测井电缆2芯上供给的电压，该电路具有一个输出端(AN0)，用来连接至单片机控制模块中单片机HT46R47-H(U18)的第8脚，以供单片机控制模块判断测井电缆2芯是否供有负电压；所述单片机控制模块由具有8位高性能精简指令集的单片机HT46R47-H(U18)、高速模拟开关MAX313(U17)、串行EEPROM存储芯片24C01(U19)组成，其中，所述单片机控制模块的输入端和所述持水率处理模块的频率信号输出端(FOUT)连接，所述单片机控制模块的两个输出端(ResA，ResB)则连接至所述激励源驱动模块中激励电阻(R12)的两端，所述单片机HT46R47-H(U18)将在内置程序的控制下，根据全水状态下持水率处理模块输出频率的大小来控制高速模拟开关MAX313(U17)中各个开关的状态，进而改变激励源驱动模块中所输出激励电流的大小，所述串行EEPROM存储芯片24C01(U19)负责存储当前全水状态下激励电阻的工作信息，当测井电缆2芯没有供负电时，单片机HT46R47-H(U18)将直接读取串行EEPROM存储芯片24C01(U19)芯片中存储的激励源状态信息，并根据该信息来使能相应的高速模拟开关MAX313(U17)。
专利摘要一种用于井下流体含水率测量的阻抗传感器激励电流切换电路。主要解决现有的阻抗传感器激励电流提供电路不能按照不同矿化度进行自动切换，进而导致测量的可靠性以及测井的成功率降低等问题。其特征在于阻抗传感器激励电流切换电路包括激励源驱动模块、持水率处理模块、切换判断模块和单片机控制模块，其中，阻抗传感器的激励电极在激励源驱动模块的作用下，提供幅值恒定的交变电流；阻抗传感器的测量电极输出的压差信号在持水率处理模块的作用下变为频率信号输出；单片机控制模块根据全水状态下持水率处理模块输出频率的大小对激励电流进行自动切换；切换判断模块负责保证每次测井只切换一次激励源电阻。具有含水率测量精度高的优点。
文档编号E21B49/08GK201269101SQ200820091219
公开日2009年7月8日 申请日期2008年10月28日 优先权日2008年10月28日
发明者刘兴斌, 孔令富, 张玉辉, 军 李, 李英伟, 练秋生, 罗正权, 胡金海, 兵 蔡, 黄春辉 申请人:大庆油田有限责任公司