一种新型的高精度电稳定性测试仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于油基钻井液的高精度低功耗电稳定性测试仪器，仪器包括测试仪器、电极、电源线、样品杯、样品杯盖等部分，采用全新的设计思路，其电路包括主控电路、电源管理电路、键盘显示电路、正弦波产生电路、峰值电压检测电路，电流快速检测电路等部分。主要创新点在于采用低功耗嵌入式CPU实现对各个部件的控制和检测；采用高精度正弦波发生电路产生340±0.05HZ正弦波信号，并通过转化、信号调理和升压变压器等输出0-2000VAC的电压；采用高精度电流采样和快速检测电路实现击穿临界点信号的快速检测。本发明采用四节9V碱性电池供电，功耗极低，测量次数超过1000次，测量精度高达0.1%。
【专利说明】一种新型的高精度电稳定性测试仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新型的电稳定性测试仪，具体涉及一种用于油基钻井液的高精度电稳定性测试仪。
【背景技术】
[0002]电稳定性测试仪是一种主要用来测试油包水乳状液相对稳定性的专用仪器。该仪器是对油包水乳化钻井液稳定性范围的一个测试，我们从相对乳化稳定性的测量中可预测出这些系统的电解液杂质的电阻和时间稳定性。所以油基钻井液的电稳定性(ElectricalStability,简称ES)是与其乳状液稳定性与油润湿性相关联的一个参数，测量该值具有重要的意义。目前，测量油基钻井液的电稳定性(ES值)有相关的标准，按照ES的测定标准，其方法是向浸入在钻井液中的一对平行板电极，施加一个电压逐渐上升的正弦信号，开始，其产生的电流一直很微弱，但电流随着电压的上升会缓慢上升，直至电压上升达到一个临界电压，此后电流强度急剧上升，我们把这个临界电压称为钻井液的ES值。那这个临界电压是如何界定的呢？这个临界电压是电流强度达到61uA时所测得的峰值电压，其单位定为伏特。根据通用标准，各种各样的油基钻井液电稳定性测试仪也应运而生。在这些现有的电稳定仪中，设计思路大多都类似，制作的电稳定性测试仪精度都偏低，甚至达不到5%，很多时候达不到使用要求。根据ES标准，制作电稳定仪在设计上主要有两个方面重点考虑。其一，是施加一个电压逐渐上升的正弦信号，这既是重点更是难点，正弦信号采用什么方式获得？怎样才是一个真正的正弦信号？大多数获得的正弦信号严格意义上不是正弦信号，只是一个近似信号，这样就大大影响了测量精度；其二是临界值的获取，在电流强度达到规定值61uA时，要快速准确的获取此时的电压值，但是电流的变化开始是缓慢的，到达临界后再突然急剧上升，这个临界值的状态难以准确判断，而且获取的值必须及时快速地得到，这个值往往有所偏差。正是有诸多因素的影响，目前电稳定性测试仪的研究问题仍是大家热衷研究的问题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种用于油基钻井液的高精度低功耗电稳定性测试仪器，该仪器主要克服现有测量仪器中测量精度低、测量稳定性差，测量功耗高的缺点，实现油基钻井液电稳定性的精确、快速测量。
[0004]围绕ES测试标准中的测量要求和难点问题，本发明采用全新的设计思路。该仪器以低功耗的MCU为主控芯片，其电路组成结构图如图1所示。本设计主要包括主控电路1、电源管理电路2、键盘显示电路3、正弦波产生电路4、峰值电压检测电路5，电流快速检测电路6等主要部分组成，另外有D/Α转换、信号调理电路，功率放大和变压器等部分。主控电路采用低功耗CPU，实现对现场信号的检测、控制和故障自诊断功能；电源管理电路实现对整个系统电源供电的管理和控制，在测量状态时，电源正常供电，在非工作状态，主要电源全部彻底关断，CPU进入低功耗运行模式。键盘显示电路包括三个按键和一个低功耗液晶显示面板，通过这三个按键实现操作控制，通过液晶屏实现显示功能。高精度正弦波发生电路由CPU进行控制，实现150V/S的幅值变化的正弦波输出，并通过D/Α转化电路，信号调理，功率器件和升压变压器输出0-2000VAC的电压；升压变压器采用了特殊设计方式，通过峰值电压检测电路可以实现对输出高压的快速准确检测；高精度电流采样和电流快速检测电路实现击穿临界点信号的快速检测。
[0005]设计主要特点:
[0006]本设计的主要创新点是采用低功耗嵌入式CPU实现对各个部件的控制和检测；高精度正弦波发生电路产生340HZ±0.05HZ正弦波信号，采用快速峰值电压检测电路和击穿检测电路设计，测量精度高，具有自动校准和故障自动检测功能；采用4节9V碱性电池供电，功耗极低，测量次数不低于1000次，测量精度高达0.1%。
[0007]本发明根据测量油基钻井液电稳定性(ES值)的相关标准，主要包括测试仪器7、电源线8、电极9、样品杯盖10、样品杯11等部分，如图2所示。测量时将一对平行电极插入样品杯盖，使样品浸没电极并保持电极不与样品杯壁和底接触，然后施加一个电压逐渐上升的正弦信号，电流由微弱开始逐渐增大，电流开始变化缓慢，但达到临界点后会急速上升，临界点即电流达到61uA时，测量此时的电压值，该值即为电稳定值。其特征在于测试仪器中采用了低功耗CPU控制高精度正弦波发生电路产生稳定准确的正弦波，基于ES标准，采用快速峰值电压检测电路和击穿检测电路获取电稳定性的值，并把测量结果通过液晶显示屏显示。
[0008]本发明将低功耗CPU，高精度正弦波发生电路和信号快速检测电路以及其他的低功耗部件用于仪器设计中，设计的仪器具有数据精度高、性能可靠、连续测试、重复性好、安装方便、操作简单、读数直观、自动化程度高等优点；克服了原有仪器正弦波不稳定，检测临界点不够快速，导致测试值精度低的缺点，实现了油基钻井液电稳定性的连续高精度测量。此外该仪器除了评价油基钻井液，还可以用于评价油基解卡剂、水泥和裂隙水等。因此，可广泛的应用于石油、地矿、钻井队及实验室等部门。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是本发明的电路总体结构图。
[0010]其中，1、主控电路，2、电源管理电路，3、键盘显示电路，4、正弦波产生电路，5、峰值电压检测电路,6、电流快速检测电路
[0011]图2是本发明的外形结构图。
[0012]其中，7、测试仪器，8、电源线，9、电极，10、样品杯盖，11、样品杯。
[0013]图3是本发明控制面板的前面板图。
[0014]其中，12、POWER:开关键，13、STOP键:停止键或复位键，14、RUN键:运行键或测试键，15、POWER指示灯，16、ALARM指示灯:击穿报警指示。17、LED显示窗，18、RUN指示灯，19、电极插座:连接电极。
【具体实施方式】
[0015]如图2所示，本发明由测试仪器7、电源线8、电极9、样品杯盖10、样品杯11等组成。利用本发明对油基钻井液的电稳定性进行测量的方法是:[0016]测量时将一对平行电极插入样品杯盖，使样品浸没电极并保持电极不与样品杯壁和底接触，然后施加一个电压逐渐上升的正弦信号，电流开始很微弱，然后缓慢增大直至达至帽界点后会急速上升，临界点即电流达到61uA时，测量此时的电压值即为电稳定值。
[0017]本发明的设计中，采用了低功耗CPU，该CPU采用了 STM8L151系列，这是一个8位的超低功耗的MCU芯片，具有高达32KB的闪存，IKB的数据EEPR0M，同时具有RTC，液晶显示器，定时器，USART，I2C，SPI，ADC，DAC，比较器等功能。工作电源电压范围从1.8V至3.6V(在掉电时可下降到1.65V)，其工作温度范围是负40°C至85°C或125°C。其低功耗的特性有:(I)有5个低功耗模式:等待，低功耗运行时(5.4 μ Α)，低功耗等待(3 μ Α),低功耗RTC的活跃和停机(I μ Α)，暂停(400ηΑ) ；(2)动态的功耗:192 μ A/MHz ; (3)每个I/O的超低漏电流(50nA) ;(4)从停止中的快速唤醒能力(5us)。该低功耗芯片的使用使测量次数高达1000 次。
[0018]电源管理电路实现了对整个系统电源的管理，该系统采用电池供电，要求功耗要低，电源管理电路就是为了实现低功耗的目标而设计的，其功能包括两方面，一个低电压检测，一个管理后续负载电路的供电。当工作时候，CPU正常供电，当不工作时所有外围和后续负载电路都断电，CPU工作在休眠状态。比如当有按键按下时，开始测量，CPU正常工作，打开所有后续电路供电；当测量结束，转到低功耗状态，CPU休眠，外围电路停止工作，这都由MOS管控制实现。
[0019]在高精度正弦波发生电路中，产生稳定的正弦信号。本发明为了提高正弦波的精度，通过采用一个高精度的DDS来实现的。本电路可以产生一个非常标准的340HZ±0.05HZ这样高精度的正弦波，再通过缓冲放大电路，放大成一个标准的正弦波信号，正负多少，然后通过CPU送给一个串行的12位的D/Α转换芯片，实现对正弦波信号的幅值调整。调整好的信号再通过调理放大电路即功放电路，去驱动升压变压器工作。在变压器的初级线圈一侦牝在正常的范围内，按照一定的升压速率(次级端测得150V/S的速度)上升，最高可以升到峰值IOV左右，此时变压器的次级线圈可以从OV上升到2000V左右。本发明还有个功能是峰值电压检测，该变压器的设计中巧妙地在次级高压线圈增加了一组自耦绕组(与输入绕组匝数比1:1)，其功能是辅助实现峰值电压检测的，所以在后面还有一个专门的峰值电压快速检测电路，这个电路的目的是检测当前的峰值电压值是多少，并通过液晶屏显示出来。
[0020]信号快速检测电路包括高精度电流采样和击穿电流检测两部分。在正常测量时，当把某样品钻井液放进样品杯中，按下控制面板上的“RUN”键时，电极间的电压匀速升高，最后会击穿。在击穿时，就是达到临界状态电流为0.6IuA时，必须要快速的检测出当前的击穿电压值。所以设置了高精度电流采样电路，通过快速的电流击穿检测，检测到击穿电流并通过CPU给出信号来控制读取此时的电压值。该电流快速检测电路中采用了芯片LM6511，这个芯片比普通芯片速度快，保证正确有效的读取出当前击穿时刻对应的峰值电压值。LM6511电压比较器在+3V或+3.3V电源供电时，是理想的模拟-数字接口电路，此集电极开路输出允许与各种各样的数字信号的兼容性:+5V，+3V的CMOS，TTL等。LM6511工作功耗小，小于9.45毫瓦(在V+=+2.7V和V-=OV时)。此电压比较器在传统的亚微秒比较中提供了许多功能:输出同步选通脉冲，输入和输出与系统地绝缘，线或门等。LM6511使用行业标准，采用单比较器的引脚配置。其典型特点有如下方面:(1)可工作在+2.7V，+3V,+3.3V，+5V ；(2)低功耗设计，功耗P〈9.45毫瓦(V+=2.7V (max));快速响应时间为180ns,该芯片的使用既满足了本发明低功耗要求，又符合快速检测的要求。
[0021]键盘、显示电路是由键盘和显示两部分组成，键盘部分是指控制面板上的各种按键，有开关键，运行键和停止键，通过按键实现人机交互，操作人员按下按键，通过CPU发出指令，控制相应的电路工作。显示是通过LED液晶显示屏，显示当前的电压值，另外有电源指示灯，运行指示灯和报警灯，方便直观。
[0022]利用该仪器测量时必须注意的问题包括如下几个方面:
[0023]1、使用前检查电稳定性测试仪正常运行，并保持电极间清洁干燥。
[0024]2、测试前打开仪器电源开关按“RUN”键使仪器空运行(不接电极)。仪器空运行15分钟后，再进行测试。
[0025]3、测试过程中，使样品浸没电极并保持电极不与样品杯壁和底接触，用电极搅拌样品30秒，并稳定I分钟。(因液体的流动性较强，故搅拌后必须稳定一段时间再开始测试)
[0026]4、按下控制面板的“RUN”键，开始升压操作，此时LED显示窗的数字逐渐升高，最后停在击穿电压，记录这个读数作为电稳定性读数。(在测量过程中都不得移动电极直至试验结束)
[0027]5、记录电稳定值时，需要重复测量步骤2次或者更多，一般取5次，记录5次的测量平均值。此平均值即为被测样品的电稳定性值。
[0028]6、重复试验的结果允许偏差为±5%，例如，某一样品第一次测试数值为600V，那么重复试验的结果应该在555V-645V (600的±5%)之间，否则，检查电极是否清理干净或者更换电极。
[0029]7、测试完成后，取出电极，用滤纸或纸巾将电极片之间彻底清洗干净，干燥备用。
【权利要求】
1.一种用于油基钻井液的高精度低功耗电稳定性测试仪器，该电稳定性测试仪采用全新的设计思路，其电路特征在于以低功耗的MCU为主控芯片，电路设计主要包括主控电路、电源管理电路、键盘显示电路、正弦波产生电路、峰值电压检测电路，电流快速检测电路等主要部分组成，另外有D/A转换、信号调理电路，功率放大和变压器电路等部分。
2.如权利要求1所述的测试仪中的电路，其特征在于采用一个8位的超低功耗的MCU芯片，具有高达32KB的闪存，IKB的数据EEPROM，同时具有RTC，定时器，USART, I2C，SPI，ADC，DAC，比较器等功能。其工作温度范围是负40°C至85°C或125°C。其低功耗的特性主要有:(I)有5个低功耗模式:等待，低功耗运行时(5.4 μ Α)，低功耗等待(3 μ Α)，低功耗RTC的活跃和停机(I μ Α)，暂停(400ηΑ) ；(2)动态的功耗:192 μ A/MHz ; (3)每个I/O的超低漏电流(50nA); (4)从停止中的快速唤醒能力(5us)。本仪器通过该低功耗芯片实现对现场信号的检测、控制和故障自诊断功能。
3.如权利要求1所述的测试仪中的电路，其特征在于采用低功耗电源管理电路实现对整个系统电源供电的管理和控制，工作时候，CPU正常供电，当不工作时所有外围和后续负载电路都断电，CPU工作在休眠状态，即进入低功耗运行模式。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于高精度正弦波发生电路由CPU进行控制，实现150V/S的幅值变化的正弦波输出。本发明为了提高正弦波的精度，采用一个高精度的DDS来实现。本电路可以产生一个非常标准的340HZ±0.05HZ这样高精度的正弦波，再通过缓冲放大电路，放大成一个标准的正弦波信号，然后通过CPU送给一个串行的12位的D/Α转换芯片，实现对正弦波信号的幅值调整。调整好的信号再通过调理放大电路即功放电路，去驱动升压变压器工作。在变压器的初级线圈一侧，在正常的范围内，按照一定的升压速率(次级端测得150V/S的速度)上升，最高可以升到峰值IOV左右，此时变压器的次级线圈可以从OV上升到2000V左右。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于升压变压器采用了特殊设计方式，本变压器的设计中巧妙的在次级高压线圈增加了一组自耦绕组(与输入绕组匝数比1:1)，其功能是辅助实现峰值电压检测的，同时在后面还有一个专门的峰值电压快速检测电路，这个电路的目的是检测当前的峰值电压值是多少，并通过液晶屏显示出来。通过峰值电压检测电路可以实现对输出高压的快速准确检测。
6.如权利要求1所述的电路，其特征在于采用高精度电流采样电路，通过快速的电流击穿检测，检测到击穿电流并通过CPU给出信号来控制读取此时的电压值。该电流快速检测电路中采用的芯片响应时间为180ns，功耗小于9.45毫瓦，比普通芯片速度快，保证正确有效的读取出当前击穿时刻对应的峰值电压值。该芯片既满足了本发明低功耗要求，又符合快速检测的要求。
7.如权利要求1所述的电路，其特征在于键盘显示电路包括键盘和显示两部分组成，键盘部分是指控制面板上的各种按键，有开关键，运行键和停止键，通过按键实现人机交互，操作人员按下按键，通过CPU发出指令，控制相应的电路工作。显示是通过LED液晶显示屏，显示当前的电压值，方便直观。
【文档编号】G01N27/92GK103728486SQ201310749470
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】单宝明, 徐啟蕾 申请人:青岛科技大学