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密度測井中新型長短道穩(wěn)譜的電路設(shè)計(jì)

作者:閆俊杰,宋宇,曹宇暢,袁彩華,張森峰(中國石油集團(tuán)測井有限公司測井技術(shù)研究院,北京 100200) 時(shí)間:2023-08-06 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:密度測井在測井過程中因?yàn)楦鞣N環(huán)境因素的影響,能譜會發(fā)生漂移,因此需要在儀器中加入穩(wěn)譜電路,使穩(wěn)譜源的能量峰固定在要求值附近。能譜峰穩(wěn)譜一般采用高壓進(jìn)行調(diào)節(jié),通過高壓的變化使探測器輸出信號幅度發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)譜功能。本文結(jié)合穩(wěn)譜電路的現(xiàn)狀,闡述及對比分析了3種穩(wěn)譜電路:兩道高壓調(diào)節(jié)、固定高壓調(diào)增益、一道調(diào)高壓一道調(diào)增益,并對后者進(jìn)行了詳細(xì)說明。

常見的儀器[1]一般會采用兩個(gè)兩個(gè)探測器輸出,以實(shí)現(xiàn)[2] 功能。本文介紹了用一路高壓實(shí)現(xiàn)兩路,經(jīng)濟(jì)又能節(jié)省空間,特別實(shí)用于空間受限的井下儀器。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202308/449328.htm

1 中高壓介紹

是由放射源銫-137向地層發(fā)射單能伽馬射線,射線的能量為662keV。射線與地層發(fā)生作用,主要是康普頓散射和光電效應(yīng)。作用后的射線能量衰減,一部分被晶體探測器接收到,晶體探測接收到射線后會產(chǎn)生光信號,光信號再經(jīng)過光電倍增管放大后,轉(zhuǎn)換成能夠被電路測量的電信號。不同能量的射線會產(chǎn)生不同電壓的電信號,通過對電壓值的測量就可以分辨出入射射線的能量[1-2]。

為了使測量到的電信號與伽馬射線的能量能夠相互對應(yīng),我們需要將已知的662keV能量射線產(chǎn)生的電信號固定在一個(gè)電壓值上,相當(dāng)于能量的參考值,這個(gè)過程就是穩(wěn)譜。穩(wěn)譜的效果會嚴(yán)重影響測量的精度,穩(wěn)譜不穩(wěn)則相當(dāng)于參考值不穩(wěn),那么所測得的信號也是不準(zhǔn)確的。

信號受環(huán)境影響很大,尤其是溫度的影響。同樣能量的射線和電路,在不同溫度下產(chǎn)生的電壓值是不同的,一般來講,溫度過高或過低時(shí)倍增管效率降低,這時(shí)要使662KeV的信號在原來的電壓值上,必須要適當(dāng)增加倍增管的控制高壓;相之,則應(yīng)該適當(dāng)降低控制高壓。我們通過電路上的調(diào)節(jié),使參考信號處于相對穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi),從而達(dá)到穩(wěn)譜的目的。

2 電路設(shè)計(jì)方案

2.1 兩路

一般的密度測井儀器都有兩個(gè)探測器,長源距探測器和短源距探測器[3]。每個(gè)探測器都會有相應(yīng)的晶體和倍增管總成實(shí)現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換,而每個(gè)倍增管配有1個(gè)輸出電壓可調(diào)的高壓電源模塊,來控制倍增管的工作,如圖1 所示。

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圖1 高壓調(diào)節(jié)電路框圖

在電路上通過MCU和DAC產(chǎn)生1 個(gè)低壓信號Vctrl,用來控制高壓模塊的輸出電壓HV。當(dāng)Vctrl增大時(shí),HV增大,Vin也增大,用多道測量倍增管的輸出信號會發(fā)現(xiàn)能量峰向右偏移。相反,Vctrl降低時(shí),能量峰左移,這樣我們就可以通過調(diào)節(jié)控制電壓的大小,來實(shí)現(xiàn)能量峰的相對固定,而不會產(chǎn)生偏移。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是控制可靠,缺點(diǎn)是需要兩個(gè)高壓模塊,占用的空間大,不便于實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì),而且高溫高壓模塊價(jià)格高,在成本上也會加倍。

2.2 固定增益

該方案是根據(jù)倍增管的坪區(qū)特性,給長短道兩個(gè)倍增管一個(gè)固定的高壓值,兩道產(chǎn)生的信號通過不同的增益控制電路來進(jìn)行信號調(diào)節(jié),使信號輸出在設(shè)定的區(qū)域內(nèi),以此來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)譜功能[4]。如圖2所示,固定高壓HV后,長短道各自輸出信號Vin,經(jīng)過增益調(diào)節(jié)電路后,信號變?yōu)锳*Vin。A是增益值,可通過MCU來控制大小。

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圖2 增益調(diào)節(jié)電路

這種只調(diào)增益的方法優(yōu)點(diǎn)是電路及控制相對簡單。缺點(diǎn)是信號可調(diào)范圍窄,適應(yīng)性差。對于測井儀器,其環(huán)境溫度變化是很大的,最高可達(dá)200多度。而當(dāng)溫度變化很大時(shí),倍增管的輸出也會發(fā)生變化,當(dāng)信號過小時(shí),則A 需要調(diào)到很大,增益A 過大帶來的后果是信噪比降低;相反如果信號過大時(shí),只調(diào)整增益A又會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。這兩種情況下都會影響測量精度,甚至使儀器出現(xiàn)故障。

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圖3 穩(wěn)譜核心電路

電路中U1(DAC)、U2(運(yùn)放)、U3(高壓模塊)實(shí)現(xiàn)長源距的高壓調(diào)節(jié),保證不同環(huán)境溫度下倍增管都能工作在合理范圍內(nèi)。電路由控制器向U1發(fā)送控制數(shù)DAC1,其輸出電壓經(jīng)過U2 后得到放大,輸出高壓控制電壓Vctrl,然后再經(jīng)過高壓模塊輸出高壓值HV1,二者之間是線性關(guān)系,系數(shù)為K,則長源距的高壓值為:

HV1=Vctrl×K   (1)

HV1經(jīng)過分壓電阻后得到高壓值HV2,用來給短源距倍增管提供高壓;同時(shí)短源距的信號NEARIN先輸入到運(yùn)放U4,可對信號進(jìn)行初步放大,放大系數(shù)為A,然后輸入到可調(diào)增益放大器U5,U5 是R-2R 型的14 bits 的DAC,由控制器向其發(fā)送控制數(shù)DAC2,其輸入輸出的關(guān)系是:

image.png   (2)

這樣硬件上就實(shí)現(xiàn)了長、短源距信號的數(shù)字化控制,結(jié)合穩(wěn)譜算法即可實(shí)現(xiàn)兩路的自動穩(wěn)譜功能。

3 穩(wěn)譜固件實(shí)現(xiàn)

電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后,固件的穩(wěn)譜控制方法[8] 也要隨之改變。如圖4 所示,固件開始運(yùn)行后首先根據(jù)長道的信號對高壓進(jìn)行調(diào)整,由穩(wěn)譜算法計(jì)算出粗調(diào)因子FF1;如果FF1進(jìn)入到了微調(diào)的范圍內(nèi),則需要進(jìn)行細(xì)調(diào),計(jì)算出細(xì)調(diào)因子CFF1;最后根據(jù)FF1或CFF1計(jì)算出DAC的值,發(fā)送DAC完成一次長道高壓調(diào)節(jié)。當(dāng)長道高壓基本穩(wěn)定,即CFF1小于域值時(shí),開始進(jìn)行短道調(diào)節(jié),同樣進(jìn)行粗調(diào)FF2或細(xì)調(diào)CFF2,然后發(fā)送DAC完成一次短道調(diào)節(jié)。至于穩(wěn)譜因子的算法,一般采用四個(gè)能窗穩(wěn)譜[5]的方法,這里不做詳細(xì)介紹了。

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圖4 穩(wěn)譜固件流程

4 結(jié)束語

該電路實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高壓控制長短探測器穩(wěn)譜的功能,所采用的 1 路控制高壓 1 路控制增益的方法有多個(gè)優(yōu)點(diǎn):與兩路高壓控制相比,簡化了硬件設(shè)計(jì),從而縮減空間、降低成本;與兩路增益控制相比具有更好的兼容性和可靠性。該電路已在實(shí)際測井儀器中得到了應(yīng)用,事實(shí)證明穩(wěn)譜效果非常好。

參考文獻(xiàn):

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[2] 黃隆基. 核測井原理[M]. 北京:石油工業(yè)出版社,2000.

[3] 鞠曉東,李會銀,成向陽,等. 新型巖性密度測井研制[J]. 測井技術(shù),2005,29(1).

[4] 盧進(jìn),田彥民,付廣,等. 巖性密度測井儀固定高壓穩(wěn)譜的實(shí)現(xiàn). 艦船防化,2012,(1):35-38.

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[7] 劉易,湯天知,岳愛忠. 一種新型巖性密度測井儀數(shù)據(jù)采集處理電路設(shè)計(jì)[J]. 測井技術(shù),2012,36(4):397-400.

[8] 敖奇,魏義祥,屈建石. NaI譜儀數(shù)字穩(wěn)譜方法設(shè)計(jì)[J]. 核電子學(xué)與探測技術(shù),2009,29(1):19-22.

(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期)



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