電磁探傷系統(tǒng)原理

1、摘要：本文提出了一種使用電磁感應進行多層石油管道探傷的方法。同時利用PIC32芯片作為主控芯片，控制IGBT全橋電路激勵線圈，并通過放大和采樣信號，設計并制作了測井硬件系統(tǒng)。本文還設計了一個能夠配合此系統(tǒng)的能夠接受CAN總線信號，并進行數(shù)據(jù)分析和繪圖的功能全面的軟件。本文的提出為多層石油管道的電磁探傷提供了整套解決方案。 概述設計背景與意義油氣田套管損壞（以下簡稱套損）問題是石油開發(fā)到一定時期遇到的普遍技術難題，國內(nèi)外各油田均受到該問題的困擾。隨著高壓注采、超高壓壓裂等各種增產(chǎn)措施的應用和油田開發(fā)時間的增長、泥巖吸水蠕變、巖層滑動、油層出砂、油田開發(fā)過程中斷層復活、射孔、天然地震、油

2、層壓實等原因，各油田油水井套管損壞問題將會越來越嚴重。 我國各大油田油井損傷非常嚴重，大慶油田1997年套管損壞576口井， 2001年套損井超過700口，整個油田已累計損壞超過8000口井，截至2003年4月，勝利油田共有套損井5400多口。 套損井的大量存在，不僅是固定資產(chǎn)的閑置浪費，還會導致地層壓降逐漸加大，儲量控制程度變差，進而造成油田水驅(qū)儲量、可采儲量不同程度的損失，因此，套損井是制約油田穩(wěn)產(chǎn)的瓶頸問題，開展套損預防與治理技術的研究應用，弄清復雜地層套損機理，尋求相應的預防措施，延長套管使用壽命是目前世界各套損井油氣田迫切需要解決的課題之一，對提高老油田整體開發(fā)效

3、益具有重要意義。在這樣的環(huán)境下，測井就顯示出來重要的作用，被列為石油行業(yè)十大學科之一。 目前用于套管檢測的工程測井儀的方法較多，包括井徑儀、超聲波成像儀及電磁檢測儀等。其中井徑儀對儀器居中要求很高，偏心會導致測量誤差，而且該儀器對于套管嚴重錯斷的井不適用；超聲波法受鉆井液影響比較大，如果鉆井液密度較大，則聲波衰減嚴重，影響檢測精度，檢測前必須進行洗井和替換鉆井液，增加了勞動強度。而電磁檢測儀是根據(jù)電磁原理給出套管完整度的評價，它不受井內(nèi)液體、套管積垢、結(jié)蠟以及井壁附著物的影響，且測量精度比較高。 俄羅斯多層管柱電磁探傷成像測井儀MIDK就是利用電磁理論進行探傷的。在國內(nèi)，針

4、對電磁探傷的研究也是一個熱點，但是大部分都是集中于理論研究，所設計的電磁探傷測井系統(tǒng)的性能和檢測精度還不是很好，因此我們想基于PIC32 32位單片機設計一個高性能和檢測精度的電磁探傷測井系統(tǒng)。 瞬變電磁法套管檢測基本原理瞬變電磁法又稱時間域電磁法，它是根據(jù)電磁感應理論向發(fā)射線圈中通以雙極性直流脈沖，當發(fā)射線圈中的電流發(fā)生變化時，必將在其周圍產(chǎn)生磁場，該磁場稱為一次磁場。根據(jù)導體中的電磁滲透理論，其磁力線穿過油管進入套管，在油管和套管中分別產(chǎn)生感應電流和（如圖 1所示）。在直流電脈沖結(jié)束后，二次磁場在接收線圈中產(chǎn)生感應電動勢。若套管或者油管存在裂縫特別是縱向裂縫時，將部分或全部切斷感

5、應電流和的通路，這將減少感應電動勢的衰減時間。 圖 1  探頭檢測原理示意圖 數(shù)學模型用圖 2所示的包含等效電感Lc和等效電阻Rc的單匝環(huán)路來等效感應電流環(huán)路，兩者具有相似的規(guī)律 圖 2  有限導體的等效回路示意圖其中，emf為感應電動勢，為感應電流， 為管柱的等效電阻，為管柱的等效電感。假設等效回路切斷一次場的磁通量為，則等效回路的瞬態(tài)方程為：         （1）即           &#

6、160;           （2）其中為等效時間常數(shù)。 解微分方程(1)或(2)，得到瞬態(tài)電流方程為：（3） 由于在實際工作中激勵源波形在線圈中發(fā)生變化，發(fā)射波形多為斜階躍波。假設為斜階躍變化的場，為雙極性直流脈沖的關斷時間，那么，磁通將在時間內(nèi)從迅速減小到零，對于就可以表示為：       （4）依據(jù)法拉第電磁感應定律，在等效回路中產(chǎn)生的感應電動勢由給出，因此可以得到等效回路中感應電流表達式為：         （5） 由

7、式（5）得到一次場脈沖間歇期間（）觀測到的感應電壓為   （6）在的情況下         （7） 式中和分別為發(fā)射線圈與等效回路、等效回路與接收線圈之間的互感系數(shù)，它們與發(fā)射線圈、接收線圈與管柱之間相對位置、管柱的幾何形狀有關，當線圈及管柱確定以后，該參數(shù)視為常數(shù)；接收線圈的感應電動勢與管柱的阻抗和有關，而阻抗和又是由管柱的幾何形狀、內(nèi)徑、外徑、電導率以及磁導率等參數(shù)所確定的，從而能夠在接收線圈中感應電動勢與上述參數(shù)之間建立一種函數(shù)關系，通過接收線圈的感應電動勢來判斷管柱的幾何形狀、大小和電磁參數(shù)的變化，這亦是利

8、用瞬變電磁法對管柱進行檢測的原理。信號的衰減特性由公式（7）可以看出，接收到的感生電動勢近似于指數(shù)衰減曲線。且根據(jù)電磁理論，鋼管的厚度越大，感應電動勢的衰減就緩慢，反之，感應電動勢的衰減就較快。在感應電動勢的衰減過程中，較小的時問段主要表示內(nèi)管的變化，較大的時間段主要表示外管的變化，采用這種方法可以把內(nèi)外管的影響區(qū)別開，這一點已從理論和實驗兩個方面給出了證明和驗證。 在瞬變電磁法檢測時，管柱上利用接收線圈觀測到的感應電壓的異常幅度衰減速度很大程度上決定于管柱的時間常數(shù)值。在值較大的情況下，盡管初始響應的幅值并不是很大，但信號的衰減相當緩慢，典型的衰減時間范圍從100us至20ms，跨

9、越近二個級次。在這么寬的時間范圍內(nèi)，信號衰減的規(guī)律如圖 3所示，在早期，信號幅值高而且衰減速度很快；在晚期的信號很弱，衰減速度卻慢的多。對于同一個觀測信號而言，從早期到晚期的信號幅值從幾伏變到幾十微伏，此大的動態(tài)范圍內(nèi)的信號一般都要求準確測定。 圖 3  瞬變電磁信號采樣示意圖 如此看來，瞬變信號在早、中、晚期的衰減速度差別相當大。為了在很寬的時間范圍內(nèi)不失真地準確確定瞬變衰減特性，除了在足夠?qū)挼臅r間范圍內(nèi)必須有足夠的采樣點外，各采樣點之間的間隔及采樣門寬應隨觀測點不同而有所改變。如圖1.3所示，在早期，信號幅值高而且衰減速度快，因此采樣時間間隔及門寬都必須相當窄

10、才能保證足以精確地分辨信號的衰減特性；在晚期，采樣間隔及門寬應增大，以適應弱信號衰變慢的特性。 此外，為了保證采樣的精確性，必須對早、中、晚期進行不同倍數(shù)的放大，以適應衰減曲線動態(tài)范圍差異大的特點。 系統(tǒng)方案系統(tǒng)架構圖 圖 4  系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)主要包括Microchip公司的微控制器PIC32MX7F512L ，MOSFET驅(qū)動模塊IR2110，多路模擬開關HI-201，CAN收發(fā)器芯片CTM8251A，以及雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7894。 系統(tǒng)實現(xiàn)功能位于井下的PIC32單片機通過MOSFET驅(qū)動模塊在發(fā)射線圈中產(chǎn)生雙極性方波，使得接

11、收線圈由于電磁感應產(chǎn)生衰減感應電動勢，單片機控制多路開關和可變增益放大電路，對不同時期的衰減曲線選擇不同放大倍數(shù)和采樣頻率進行采樣，將采樣數(shù)據(jù)和溫度等輔助信息封裝成幀，通過CAN總線與PC終端通信，并最終在PC的用戶界面上繪制測井曲線和井壁厚度譜。 以上述理論為基礎，在實際應用中通過測得感生曲線，曲線衰減越快且劃分為早期中期和晚期等三段曲線，用迭代的算法繪制早期和晚期的測井曲線，即可將不同層管柱的損傷分離出來。這就是運用電磁法對多層管柱探傷的原理。 硬件電路的設計電源設計電源系統(tǒng)包括井上和井下兩部分。井下儀器需要的電源包括PIC32單片機工作需要的+3.3V電源，運放OP0

12、7、驅(qū)動芯片IRS2110等需要的±15V電源，驅(qū)動IGBT的+12V驅(qū)動電源，以及雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7894需要的工作電壓5V和高精度基準電壓2.5V。 電源系統(tǒng)結(jié)構電磁探傷測井儀的電源系統(tǒng)結(jié)構如圖 9。該電源系統(tǒng)由地面變壓器、直流穩(wěn)壓電路以及多個DC/DC電壓轉(zhuǎn)換電路組成。其中地面變壓器的作用是將220V交流電轉(zhuǎn)換為15V交流電，然后再經(jīng)過直流穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換為直流電。通過電纜將直流電送至井下，在井下通過DC/DC變壓轉(zhuǎn)換電路輸出井下儀器需要的12V、3.3V、±15V、5V、2.5V等電壓。 圖 5  電源系統(tǒng)結(jié)構框圖直流穩(wěn)壓電路本電源系統(tǒng)

13、的直流穩(wěn)壓電路如圖 6所示，T1為15V雙向變壓器，輸出有效值為正負15V的交流電，經(jīng)過整流橋2W10整流后，再由型網(wǎng)絡濾波，輸出20V左右的直流電。其中在整流橋的每個二極管兩端都并聯(lián)了一個0.1u的電容，能夠很好地吸收二極管的開關噪聲，減少后級電路對前級電路的干擾，注意電容的耐壓值需大于變壓器輸出的電壓峰值的2倍以上，且必須為瓷片電容。在型濾波電路中，電容的耐壓值也為輸入電壓的2倍，且電容值較大，交流成分能夠較好地被濾掉，輸出電壓比較平滑。 圖 6  變壓器和直流穩(wěn)壓電路 正負15V電壓轉(zhuǎn)換電路運放OP07、IRS2110等芯片的工作電壓為±15V，利

14、用7815和7915三端穩(wěn)壓芯片可以實現(xiàn)，如圖 7所示。其中二極管1N4001起到保護電路的作用。 圖 7  正負15V電壓轉(zhuǎn)換電路 12V、3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路12V為MOSFET管IRF630N的開啟工作電壓。如圖 8所示。 圖 8  12V、3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路 5V、2.5V精密基準電壓轉(zhuǎn)換電路AD7894是ADI公司的14Bits雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣時需要一個高精度的2.5V基準電壓，而一般的穩(wěn)壓芯片未能提供如此高精度的輸出。我們選擇的是摩托羅拉公司的低電壓基準MC1403芯片，MC1403的輸出電壓波動在25mV以內(nèi)，能

15、夠達到1%的精度，且應用電路簡單，性價比高。如圖 14所示為精密基準電壓轉(zhuǎn)換電路。 圖 9  2.5V精密基準電壓轉(zhuǎn)換電路 發(fā)射機模塊雙極性脈沖產(chǎn)生原理根據(jù)上述原理，基于瞬變電磁法(TEM)進行電磁探傷,必須在發(fā)射線圈中雙極性電流脈沖作為激勵,這可由全橋電路產(chǎn)生實現(xiàn)，如圖 10所示: 圖 10  雙極性脈沖產(chǎn)生電路 當S1，S4開啟，S2，S3斷開時,負載發(fā)射線圈兩端電壓為+U,產(chǎn)生雙極性方波的正1/4周期波形；當S2，S3開啟，S1，S4斷開時,負載發(fā)射線圈兩端電壓為-U,產(chǎn)生雙極性方波的負1/4周期波形。 故可通過控制開

16、關周期性地開啟和斷開，來獲得雙極性脈沖。其理想波形如圖 11所示。 圖 11  全橋電路產(chǎn)生的理想波形 假定采樣間距為1cm，測井速度為144m/h，則一個測量周期T = 1cm/(4cm/s) = 250ms。因此，我們將每段脈沖寬度定為125ms。發(fā)射機模塊的實現(xiàn)四路單刀單擲應該具備開啟/關斷可靠，延遲小，驅(qū)動電路簡單的特點，同時具備一定的功耗特性。綜合以上各點考慮，我們選用IR公司的小功率MOSFET管IRF630N。 相應的驅(qū)動芯片我們選用同是IR公司的IRS2110。其為高速雙通道電壓型開關驅(qū)動器，配置簡單，只需2塊芯片就能驅(qū)動整個全橋電路，節(jié)

17、約成本。 電橋的負載為發(fā)射線圈。我們小組通過查閱資料，以文獻指標為參考，采用0.6mm漆包線，將發(fā)射線圈和接收線圈密繞在同一根空心塑膠管上，實物如圖 12所示： 圖 12  自制發(fā)射線圈實物圖 經(jīng)測量，發(fā)射線圈和接收線圈的指標為：D=2.6cm，L=0.31mH，R=2.7。 發(fā)射機電路連接如圖 13所示，其中負載為發(fā)射線圈。圖 13  發(fā)射機電路原理圖 IRS2110的輸入與PIC32單片機的RD9，RD11兩腳相連。通過RD9和RD11電平的交替變化，時序如圖7所示，就可以產(chǎn)生交替變化的柵壓，進而控制MOSFET開關的開啟，在發(fā)射

18、線圈兩端產(chǎn)生雙極性脈沖。 圖 14  發(fā)射機模塊時序圖 然而，在實際應用中，電流脈沖總存在一定的上升延遲和下降延遲，使電流達到穩(wěn)態(tài)的時間變長，尤其是當下降沿陡度不夠時，接收線圈對二次場的感應受到一次場的干擾；除此之外，電流脈沖呈線性下降，能夠在油管中產(chǎn)生穩(wěn)定的感生電流。 故對發(fā)射線圈電流脈沖要求：上升沿盡量陡，下降沿陡且線性度好。 衰減曲線的模擬及模型解釋鑒于比賽的時間緊迫和缺少不同損傷類型油井管道等硬件條件，我們小組經(jīng)過討論，決定用可變電阻和瓷片電容并聯(lián)充放電地形式來模擬接收線圈中的指數(shù)衰減曲線，電路如下圖所示： 圖 15 

19、; 衰減曲線模擬電路 模擬的衰減曲線衰減速率與可變電阻的阻值有關。根據(jù)前述衰減速度同管壁損傷的關系和電容充放電公式：和,當滑動變阻器的阻值變小時，模擬的是管壁較?。ㄓ袚p傷）的情況；當滑動變阻器的阻值增大時，模擬的是管壁較厚（無損傷）的情況。 接收機模塊接收機模塊由接收線圈，前置放大電路，可編程放大電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。其中，接收線圈如前文所述，和發(fā)射線圈密繞在同一根空心塑膠管上。前置放大電路在瞬變電磁法套管檢測中，信號源是不接地的接受線圈，感應的電壓信號衰變同指數(shù)曲線的形態(tài)相似，幅度的變化范圍很大，且在時間上早、中、晚期的衰變速度相差相當大。信號的頻帶寬度較小，頻譜能量主

20、要集中在低頻部分。就信號的動態(tài)范圍考慮，前置放大電路的放大倍數(shù)應該很小，信號中、晚期屬弱信號，必須考慮放大器的性能：信號的頻帶寬度要求放大器是低頻放大。為了提高瞬變電磁信號數(shù)據(jù)采集的精度，減少系統(tǒng)的噪聲，可以從兩個方面著手，一方面是盡量減少前置放大電路的噪聲系數(shù)，因為前級放大對噪聲的影響最大；另一方面必須考慮信號源阻抗與前置放大電路源阻抗的匹配，以提高額定功率的增益。此外，放大電路輸入阻抗應使接收線圈處于臨界阻尼狀態(tài)的匹配。按照以上要求，根據(jù)瞬變電磁信號的特點，選擇多運放組合的測量放大器作為前置放大電路是較適合的。測量放大器具有很高的共模抑制比，可抑制各種共模干擾引入的誤差。 瞬變電

21、磁法套管檢測系統(tǒng)的前置放大電路如圖 16所示，選擇普通放大器集成芯片OP07來設計通用的測量放大器，三運放組成的測量放大器如圖中所示。 上面設計的三運放組合式測量放大器由兩級構成，第一級為對稱的同相放大器，第二級為差動放大器。 圖 16  前置放大電路 為了提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移的能力，設置測量放大器上下對稱，根據(jù)虛短虛斷，可以推出測量放大器閉環(huán)增益為：由上式可知，通過調(diào)節(jié)電阻R1,可以很方便的改變測量放大器的閉環(huán)增益。 可變增益放大電路在瞬變電磁法套管檢測系統(tǒng)中，欲測量的二次場信號的基本特點就是信號弱，且動態(tài)范圍較大，而且要對三路

22、磁探頭信號進行分時處理。為了滿足瞬變電磁信號動態(tài)范圍大、信號弱，以及要對三路磁信號測量的要求，在電路設計中采用前置放大電路后通過四路單刀單擲開關接可變增益放大電路的方法，在不同的時期對三路磁信號進行分時測量，由PIC單片機控制不同的放大倍數(shù)，這樣可以減小信號的動態(tài)范圍，從而使三個磁探頭的信號均能實現(xiàn)有效的檢測?？勺冊鲆娣糯箅娐返脑韴D如圖3.8所示，它是由放大器集成芯片OP27和四路單刀單擲模擬開關H1201相配合構成的，OP27具有噪音低、線性好、穩(wěn)定性高的特點，對于磁探頭信號能實現(xiàn)精確的放大。 圖 17  可變增益放大電路 由于縱向探頭A是主探頭，其作用最為重

23、要；橫向探頭B,C為輔助探頭，協(xié)助縱向探頭A工作，在同一個時期對三路探頭進行分時處理時，采樣順序定為A,A,A,B,C,A,A,A,B,C這是由PIC32的RD1，RD2，RD3三個引腳控制的。 不同時期信號的放大倍數(shù)是由PIC32的RD12，RD13，RD4三個引腳控制的：RD12有效，早期增益RD13有效，中期增益RD4有效，晚期增益通過調(diào)節(jié)的阻值，即能改變放大倍數(shù)。 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇將可變增益放大電路輸出的信號送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即完成了對接收線圈信號的采集。根據(jù)電磁法管柱探傷的特點，模數(shù)轉(zhuǎn)換器應具有如下特點： 1. 較高的采樣速率。根據(jù)香農(nóng)采樣定律，只有當采

24、樣頻率不小于采集信號頻譜最高頻率的2倍，才能不失真地還原出采樣信號。瞬變電磁方法實際上是寬頻的電磁系統(tǒng)，在理論上，其頻譜可以無限延伸，其中包括了頻域電磁方法的整個頻帶(幾Hz幾kHz)。因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最高采樣頻率最少為10kHz。2. 支持雙極性采樣。由于激勵信號時雙極性脈沖，所以接收線圈產(chǎn)生的信號也應是雙極性的。3. 較高的采樣精度。由于采樣信號具有動態(tài)范圍大的特點（幾V幾十uV），在采樣后期，經(jīng)過放大的信號幅值仍然很小，這就需要較高的采樣精度，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)應不小于12Bits。 綜合以上各方面考慮，我們選用了ADI公司的14Bits模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7894。其采樣速率可

25、達到160ksps以上，輸入范圍為-10V +10V，1LSB僅為1.22mV，且為單電壓供電，使用簡單。主要參數(shù)的計算接收機模塊的主要參數(shù)包括：前放增益；前，中，后三個時期的劃分和增益；采樣時隙和點數(shù)確定。 設計參數(shù)時要遵守以下三點：1. 信號放大后不能超過模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍-10V-+10V，控制采樣的放大倍數(shù) ；1. 為了保證采樣的精確性，要合理地劃分時期 ；3. 前期衰減快，時隙應較小；后期衰減慢，時隙應較大。經(jīng)過實驗和計算，我們確定以上參數(shù)為：前放增益：2，前期增益：2，中期增益5.5，后期增益11。 前期：2ms11ms  A探頭采樣6*3個點，B探

26、頭采樣6個點，C探頭采樣6個點。采樣時隙 300us。 中期：11ms45ms  A探頭采樣12*3個點，B探頭采樣12個點，C探頭采樣12個點。采樣時隙 400us。 后期：45ms110ms  A探頭采樣30*3個點，B探頭采樣30個點，C探頭采樣30個點。采樣時隙 500us。 通信模塊設計油井、氣井的一般深度為 3km 左右，有的甚至深達 5km。對于一般的傳輸方法都不能滿足如此大距離的有效傳輸。CAN-bus協(xié)議是一種通用的串行通訊標準，在實際場合中有許多的應用，比如：汽車、煤礦、油田、艦船、電力、生產(chǎn)線等。其具有通信速率高、開放性好

27、、報文短、糾錯能力強以及控制簡單、擴展能力強、系統(tǒng)成本低等特點。CAN總線短距離通信中的數(shù)據(jù)傳輸率最高可達到10Mbps，遠距離通信可以達到10km。本系統(tǒng)采用CAN總線實現(xiàn)井上和井下的通信，在中間加入數(shù)個CAN中繼器后，可以以50kbps的波特率穩(wěn)定的通信。 PIC32MX CAN模塊介紹PIC32MX795F512L單片機提供有控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）模塊，CAN模塊實現(xiàn)了CAN2.0B協(xié)議，該協(xié)議主要用于工業(yè)和汽車應用。該異步串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議能在電氣噪聲環(huán)境下提供可靠的通信。PIC32MX器件系列可以集成了兩個CAN模塊。 

28、;圖 18  PIC32MX CAN 模塊框圖 圖 18是PIC32MX CAN 模塊框圖。CAN模塊有32個報文FIFO，每個FIFO最多可包含32個報文，總共可包含1024個報文，32 個用于報文過濾的接收過濾器，4個用于報文過濾的接收過濾器屏蔽器寄存器，能夠自動響應遠程發(fā)送請求。并且提供環(huán)回、監(jiān)聽所有報文和監(jiān)聽模式，用于自檢、系統(tǒng)診斷和總線監(jiān)視；低功耗工作模式；專用的時間標記定時器等特性。PIC32MX7系列強大的CAN模塊能夠快捷地實現(xiàn)系統(tǒng)的通信部分功能。 CAN總線電路圖 19為給出了典型 CAN 總線拓撲的圖示。 圖 19  典型的

29、 CAN 總線網(wǎng)絡 CAN收發(fā)器我們選擇通用 CAN 隔離收發(fā)器CTM8251AT，CTM8251AT是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件，這些都被集成在不到3平方厘米的芯片上。該芯片特別適合+3.3V系統(tǒng)的CAN控制器，實現(xiàn)CAN節(jié)點的收發(fā)與隔離功能。CTM8251A接口芯片可以實現(xiàn)帶隔離的CAN收發(fā)電路，隔離電壓可以達到DC2500V，可以取代在以往的設計方案中需要光耦、DC-DC電源隔離、CAN收發(fā)器等其他元器件才能實現(xiàn)帶隔離的CAN收發(fā)電路，其接口簡單，使用方便。 圖 20  CAN總線模塊電路圖20是

30、本系統(tǒng)中CAN總線模塊的電路。其中C1RX和C1TX接PIC32MX795F512L單片機的CAN1模塊接收和發(fā)送管腳（87、88管腳）。CGND為收發(fā)器地，F(xiàn)GND為屏蔽線地，F(xiàn)GND接電纜屏蔽線。 CTM8251AT與CAN總線的接口部分也采取了一定的安全和抗干擾措施。CTM8251AT的CANH和CANL引腳各通過一個5.1的電阻和CAN總線相連，電阻可以起到一定的限流的作用，保護CTM8251AT免受過流的沖擊。由于是遠距離，所以終端的一對電阻（RT1）是必要加的，電阻值隨著通訊距離的增加應進行適當?shù)脑黾?，?km通信距離以內(nèi)一般設為120。 通信協(xié)議設計井下設備完

31、全受井上PC客戶端控制，如開始測井、暫停測井等，井下設備負責響應上位機的命令。本系統(tǒng)中定義了測井數(shù)據(jù)幀、命令幀和應答幀三種幀結(jié)構。數(shù)據(jù)幀主要用于井下設備向上位機發(fā)送的測井數(shù)據(jù)，命令幀用于上位機向井下設備發(fā)送控制命令，應答幀為雙方接收到測井數(shù)據(jù)幀和命令幀之后應答成功或者失敗的幀結(jié)構。 · 測井數(shù)據(jù)幀測井數(shù)據(jù)幀結(jié)構定義如表格1所示。測井數(shù)據(jù)幀包括起始標志字節(jié)、幀序號字節(jié)、類型字節(jié)、當前時間字節(jié)、當前深度字節(jié)、溫度字節(jié)、伽馬射線字節(jié)、發(fā)射電路字節(jié)、縱向探頭A電壓字節(jié)、橫向探頭B電壓字節(jié)、橫向探頭C電壓字節(jié)、校驗和字節(jié)以及結(jié)束標志字節(jié)。 表格 1  測井數(shù)據(jù)幀結(jié)

32、構起始標志幀序號類型字節(jié)當前時間當前深度FSTA3字節(jié)1字節(jié)（D）4字節(jié)4字節(jié)溫度伽馬射線發(fā)射電流縱向探頭A電壓橫向探頭B電壓4字節(jié)2字節(jié)2字節(jié)48*3*2字節(jié)48*2字節(jié)橫向探頭C電壓校驗和結(jié)束標志  48*2字節(jié)4字節(jié)FEND   由于PIC32MX7為32位單片機，處理int型數(shù)據(jù)（4字節(jié)）較快，并且CAN2.0B標準幀每幀可以發(fā)送8字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以在協(xié)議中采用4字節(jié)為一個單位的設計。 起始標志字節(jié)為“FSTA”四個字節(jié)，結(jié)束標志字節(jié)為“FEND”四個字節(jié)，幀序號為啟動測井儀器后發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的序號，類型字節(jié)為“D”。其他字節(jié)為當

33、前深度下采集的測井數(shù)據(jù)。 協(xié)議采用簡單的校驗和的方法進行幀的校驗。先將每四個字節(jié)組成一個int型的數(shù)據(jù)，然后所有的數(shù)據(jù)相加，然后將結(jié)果截短到一個int型數(shù)據(jù)的長度。發(fā)送端將待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行校驗和計算，將校驗和值放在數(shù)據(jù)后一起發(fā)送，在接收端對接收到的數(shù)據(jù)進行校驗和計算，然后和接收到的校驗和字節(jié)比較，來進行誤碼判斷。設定要進行校驗和和計算的字節(jié)不包括起始和結(jié)束標志字節(jié)。 · 命令幀命令幀結(jié)構定義如表格2所示。命令幀包括起始標志字節(jié)、幀序號字節(jié)、類型字節(jié)、校驗和字節(jié)和結(jié)束標志字節(jié)。 表格 2  命令幀結(jié)構起始標志幀序號類型字節(jié)校驗和結(jié)束標志FSTA3

34、字節(jié)1字節(jié)（命令字）4字節(jié)FEND  根據(jù)系統(tǒng)的需要，命令字設有開始命令字、暫停命令字、繼續(xù)命令字和結(jié)束命令字，類型字節(jié)分別是S、P、C、E。 · 應答幀應答幀結(jié)構定義如表格3所示。令幀包括起始標志字節(jié)、幀序號字節(jié)、類型字節(jié)、校驗和字節(jié)和結(jié)束標志字節(jié)。其中接收成功ACK應答幀類型字節(jié)為A，接收失敗NAK應答幀類型字節(jié)為N。 表格 3  應答幀結(jié)構起始標志幀序號類型字節(jié)校驗和結(jié)束標志FSTA3字節(jié)1字節(jié)（A/N）4字節(jié)FEND除了幀結(jié)構的定義以外，整個系統(tǒng)的通信還需要遵守以下規(guī)則：1. 數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p方以100kbps的速率傳輸數(shù)據(jù)，使用

35、主從式通信，主機發(fā)送數(shù)據(jù)，從機接收數(shù)據(jù)；2. 從機在接收完數(shù)據(jù)幀后，將根據(jù)最后的校驗結(jié)構判斷數(shù)據(jù)接收是否成功，若校驗正確，則向主機發(fā)送ACK應答幀，標志接收成功，若校驗錯誤，則發(fā)送NAK應答幀，表示錯誤，請求重發(fā)；3. 主機接收到ACK應答幀，則通信結(jié)束，否則主機將重新發(fā)送這組數(shù)據(jù)。 表格4是測井數(shù)據(jù)傳輸模型，為整個測井過程中數(shù)據(jù)傳輸模型。 表格 4  測井數(shù)據(jù)傳輸模型開始測井標志數(shù)據(jù)幀應答幀數(shù)據(jù)幀應答幀數(shù)據(jù)幀EMISTART數(shù)據(jù)幀0ACK數(shù)據(jù)幀1ACK數(shù)據(jù)幀n應答幀數(shù)據(jù)幀應答幀結(jié)束測井標志 NAK數(shù)據(jù)幀nACKEMITOEND  輔

36、助測量模塊溫度探頭溫度傳感器的選擇主要是要考慮被測量物體的溫度范圍、電阻材料的化學穩(wěn)定性、電阻值與溫度變化要保持線性關系等。 一般來講，地殼中溫度與深度成正比，深度每增加100米溫度便要上升3左右。除此之外，還要考慮油井的深度。早期油井只有幾十至幾百米深，近年來油井深度逐漸加深，大部分石油生產(chǎn)并的深度在1000米至3000米之間。石油生產(chǎn)井的最深記錄是6500米。由于地溫梯度的存在，井下的溫度將隨深度的增加而升高，由此可以對溫度傳感器的所需測溫范圍進行估算。 井底最高溫度可由下式進行計算確定：式中為井底最高溫度()，為地溫梯度(/100m)，h為井深(m)。 當取

37、為/100m，則在6500米處溫度則為23+45×6500/100=3155。因此，測溫部分的溫度傳感器測量范圍選在0320即可滿足絕大多數(shù)條件下的測溫要求。 在此溫度范圍內(nèi)可供選擇的有熱電偶、熱電阻及集成測溫元件等?？紤]到其使用環(huán)境等因素，選用熱電阻作為系統(tǒng)的測溫元件較為適合。 鉑電阻具有測量溫度范圍大、精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠等優(yōu)點，而且具有高熔點、高穩(wěn)定性，因此被我們選為系統(tǒng)的測溫元件。 具體的測溫電路如下圖所示:圖 21  溫度測量原理圖 TL431為OP07提供恒壓源，由于電壓源也不是純粹的恒壓，為消除電壓波動，添加R5和

38、C1作為電源濾波。R2，R3，R4，RT作為測量電橋，通過檢測C端和D端的電壓差來計算溫度的變化，根據(jù)集成運算放大器工作在線性區(qū)域的輸入端虛短特性，OP072端電壓等于3端電壓；由于TL431為OP07提供了相對穩(wěn)定的電壓源，根據(jù)集成運算放大器工作在線性區(qū)域的輸入端虛斷特性，流過R4的電流只流經(jīng)RT，所以相當于有一個恒流源流經(jīng)R4和RT。當電橋達到動態(tài)平衡時，有：。通過計算可知，從而求出RT的變化量。通過查鉑電阻溫度表，即可得到溫度值。 伽馬探頭自然伽馬測井儀測量由地層中放射性元素衰變所產(chǎn)生的自然伽馬射線的強度。自然伽馬資料可以用來劃分地層巖性、求地層的泥質(zhì)含量。在套管井測井中，自然

39、伽馬曲線、套管接箍定位曲線與裸眼井資料的對比可以保證地層定位和射孔深度的準確性。一般自然伽馬電路分閃爍探測器、輸入極、選擇整形級、放大輸出級和高壓電源部分。結(jié)構圖如圖 22所示。 圖 22  自然伽馬探測結(jié)構圖 軟件系統(tǒng)設計下位機軟件設計主程序流程圖圖 23  主程序流程圖 主程序進入之后首先對各模塊進行初始化，包括全局變量、單片機I/O口、CAN總線等模塊。其后進入系統(tǒng)工作狀態(tài)判斷，根據(jù)不同的工作狀態(tài)，系統(tǒng)執(zhí)行不同的內(nèi)容。系統(tǒng)的工作狀態(tài)由系統(tǒng)和上位機控制切換，上位機是通過命令幀給下位機發(fā)送命令。 測井流程圖 圖 24

40、60; 測井流程圖在測井狀態(tài)中，單片機控制IGBT全橋電路產(chǎn)生125ms的正向脈沖，根據(jù)不同的時刻控制可編程放大的倍數(shù)并進行A/D采樣。采樣結(jié)束后單片機控制IGBT全橋電路再次產(chǎn)生125ms的負向脈沖，同時通過CAN總線向上位機發(fā)送測井數(shù)據(jù)幀，如果100ms內(nèi)未發(fā)送成功則返回發(fā)送失敗標志并推出發(fā)送。負向脈沖后重復放大和采樣，并發(fā)送測井數(shù)據(jù)幀。最后判斷是否有發(fā)送失敗的測井數(shù)據(jù)幀，并發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)幀。 CAN總線數(shù)據(jù)處理流程圖系統(tǒng)采用PIC32MX的CAN1模塊，波特率設為100kbps，分別使用2個32個報文深的FIFO作為發(fā)送和接收FIFO，采用接收中斷的方式來接收上位機的數(shù)據(jù)。在接

41、收中斷服務程序中對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。如圖 25為CAN總線數(shù)據(jù)處理的流程圖。 圖 25  CAN總線數(shù)據(jù)處理的流程圖 系統(tǒng)在接收到一個完整的數(shù)據(jù)幀之后，且校驗和正確，會對接收緩存數(shù)據(jù)進行處理，會根據(jù)不同的類型的數(shù)據(jù)幀做相應的操作。當發(fā)生未能正確接收一個完整的數(shù)據(jù)幀時，下位機會返回錯誤類型，并回復NAK應答幀。 實時時鐘PIC32MX 器件上提供的實時時鐘和日歷（Real-Time Clock and Calendar，RTCC）硬件模塊及其操作。RTCC是為需要長時間維持精確時間的應用設計的，無需或只需最少的CPU干預。該模塊為低功耗使用進行了優(yōu)化，

42、以便在跟蹤時間的同時延長電池的使用壽命。使用RTCC模塊的要求是需要一個外部32.768 kHz時鐘晶振。 測井數(shù)據(jù)幀的當前時間使用RTCC模塊提供，該模塊只需要初始化并設置起始時鐘和日歷即可自動運行。 上位機軟件設計概述需求概述本軟件的功能主要為接收本系統(tǒng)硬件部分發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過一定的協(xié)議解析，提取并分析信息，計算管壁厚度，繪制厚度可視化的圖形，為工程人員提供直接的和有效的資料。 由于本系統(tǒng)在探傷的同時，著重分析損傷位置，因此必須對遠近有所分離，另外最好能夠繪制從遠到近的厚度譜圖，因此，本軟件需要繪制兩種圖線，一種劃分為遠場近場兩條曲線，另一種給出彩色的厚度譜圖

43、。 由于測井時間很長，工程人員很難全程跟蹤，為了便于從存儲的信息中恢復信息以便日后查閱，還需要給本軟件增加文件存儲和圖像存儲的功能。 最后，工程人員還需要實施觀測現(xiàn)場狀況，隨時得到從井下傳遞來的信息，這樣隨時觀測的方法，可以有效的節(jié)省測井時間，對于損傷過大的井可不必測完。 軟硬件支持環(huán)境本軟件采用VS2008編譯通過，在編寫中使用了.net3.5架構，因此運行本軟件需要Microsoft .net3.5運行時庫的支持。 另外，本系統(tǒng)采用USBCAN模塊進行通信，由于廠商沒有給出其在Windows Vista和Windows 7下的驅(qū)動，因此，本軟件只能工

44、作在Windows XP系統(tǒng)下，且需要安裝USBCAN模塊驅(qū)動。 程序建模本程序采用面向?qū)ο蟪绦蛟O計方法，其中的多數(shù)功能被封裝在對象中，程序有較好的移植性和安全性。程序主要封裝在以下幾個類中 類用途o  記錄測井全程信息、·  文件存儲和讀出o  由下位機傳來的8字節(jié)信息·  由下位機傳來的數(shù)據(jù)包·  其中包括一正一反兩個數(shù)據(jù)包，記錄其平均值和其他的數(shù)據(jù)處理結(jié)果·  測井曲線圖·  衰減曲線圖1.  NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN

45、NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN. 總線通信 另外本軟件采用了多線程處理技術，主程序負責按鍵響應、圖形顯示等處于主線程中，而信息處理算法由子進程執(zhí)行。這樣有效的提升了數(shù)據(jù)處理算法的效率和獨立性，使得又原先的每包處理時間1000ms左右大幅降至14ms左右。 界面設計下圖為一軟件運行時截圖，可以看到程序右左上方的文件/設備控制區(qū)，右上方圖形控制區(qū)，左下方的信息顯示區(qū)以及右下方的圖形顯示區(qū)組成。而其中最重要的，也是占用面積最大部分是圖形顯示區(qū)，較大的面積保證了觀看的方便。另外，為了觀察直觀的一手數(shù)據(jù)，我們還專門設置了顯示由采樣設備直接傳來的未經(jīng)處理的

46、衰減信號，以便工程人員直接判斷測井系統(tǒng)是否正常工作，以及管壁是否發(fā)生嚴重損傷。這個衰減曲線是可以隱藏的，因為它畢竟不是主要需要顯示的內(nèi)容，而且占用屏幕空間較大。如果你覺得圖像顯示空間還不夠大，甚至可以隱藏圖例。這里圖例被設計成懸浮于繪圖之上，可以跟隨滾動條滑動而動。 圖 26  電磁測井工具軟件界面 USBCAN接收模塊由于采用了USBCAN-2A模塊，因此，這里的使用了廠商提供的驅(qū)動程序和dll程序，但是提供的程序是基于c+的，我們的C#程序還需要進行適用于.Net架構的封裝。這其中包括數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，結(jié)構體重寫和函數(shù)的引用。 函數(shù)引用使用DllImp

47、ort語句，以打開設備函數(shù)為例： DllImport("ControlCAN.dll")public static extern UInt32 VCI_OpenDevice(UInt32 DeviceType, UInt32 DeviceInd, UInt32 Reserved); 這里引用的是ControlCAN.dll中的函數(shù)，使用靜態(tài)和外部的引用方式。 第二個要重新封裝的的是數(shù)據(jù)類型，由于.Net架構和C+的數(shù)據(jù)類型不同，因此需要進行大量的改寫。如Dword類型應轉(zhuǎn)換為Uint32類型，這種轉(zhuǎn)換往往比較模式化，具體轉(zhuǎn)換這里不再贅述。

48、60;第三個也是最重要的就是結(jié)構體的重寫。例如public struct VCI_CAN_OBJ                    public UInt32 ID;            public UInt32 TimeStamp;     

49、0;      public Byte TimeFlag;            public Byte SendType;            public Byte RemoteFlag;/是否是遠程幀          &

50、#160; public Byte ExternFlag;/是否是擴展幀            public Byte DataLen;            MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 8)          

51、  public Byte Data;            MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 3)            public Byte Reserved;        ; 這個結(jié)構體，需要在類中重新描述，其中的數(shù)據(jù)

52、類型應按照標準數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，另外其中的數(shù)組應使用MarshalAs修飾符修飾，表示在托管代碼和非托管代碼之間傳送數(shù)據(jù)。驅(qū)動程序中的代碼被托管，這里要收集其數(shù)據(jù)，必須使用MarshalAs方法。 最后，由于我們程序使用的數(shù)據(jù)格式比較固定，因此本類中也對一些常用的方法進行了封裝，使得CAN模塊對上層程序透明，上層程序在接收數(shù)據(jù)的時候好像沒有底層方法一樣。例如CAN模塊定義了打開設備，初始化設備，開始CAN三個方法，但是由于我們的參數(shù)是規(guī)定好的，因此在程序中就將這三個方法進行了一層封裝，每當建立USBCAN實例的時候在構造函數(shù)中自動打開設備。 數(shù)據(jù)分析模塊CAN模塊接收過來的數(shù)據(jù)

53、需要對其進行分析。這里我們采用的是正則表達式分析方法。正則表達式在C#方便易用，效率高，功能強大。 每次接收過來的數(shù)據(jù)時8字節(jié)的小字符串，實際上是8個0-255的數(shù)，由于ASCII碼最大只允許到127，超過127的數(shù)值都被轉(zhuǎn)化成為值為63的”?”字符，因此這里采用ISO8859-1中規(guī)定的擴展ASCII碼進行轉(zhuǎn)碼。 小字符串分為五種，分別用以下五種正則表達式進行匹配："EMISTART$"、"FSTA(.|n)4)$"、"(.|n)8)$"、"EMITOEND$"、"(.|n)4)FE

54、ND$"，分別表示“測井開始”、“數(shù)據(jù)包開始”、“內(nèi)容數(shù)據(jù)”，“測井結(jié)束”，“數(shù)據(jù)包結(jié)束”。分析出五種幀的不同，則可以進行相應的操作。如接收到測井開始幀，則創(chuàng)建新的測井實例，重置圖片，重置存儲文件。如果接收到測井結(jié)束，則銷毀測井實例。收到數(shù)據(jù)包開始的標志時應創(chuàng)建新的消息實例，收到內(nèi)容幀應在最后創(chuàng)建的消息包實例后附加信息。如果收到了數(shù)據(jù)包結(jié)束標志則開始數(shù)據(jù)的處理。 收到了數(shù)據(jù)包結(jié)束標志，馬上開始的應該是數(shù)據(jù)處理的部分。其算法流程如下：  第一步是判斷大小，一個標準的數(shù)據(jù)包大小是512字節(jié)，如果不是，則應該拋棄，這一步的判斷大大節(jié)省了判斷的時間，畢竟校驗和還

55、是比較麻煩的判別方法，很多錯誤的數(shù)據(jù)會由于大小不一致被拋棄。 第二步的校驗和判斷，這里采用的每四個字節(jié)拼合成一個32位整形數(shù)據(jù)，再進行加和的方式，最后得到數(shù)據(jù)和傳遞來的數(shù)據(jù)比較，一致則認為傳遞沒有錯誤。經(jīng)實測，傳遞錯誤率不足千分之一。 第三步是發(fā)送ACK和NAK信息。 第四步對數(shù)據(jù)進行分拆，從字符型數(shù)據(jù)得到有意義的整形或浮點型數(shù)據(jù)。分拆的過程同樣使用的是正則表達式的技術，其表達式為："FSTA(.|n)3)D(.|n)4)(.|n)4)(.|n)4)(.|n)2)(.|n)2)(.|n)288)(.|n)96)(.|n)96)(.|n)4)FEND$&q

56、uot; 接受下來的數(shù)據(jù)采用移位遞加的方式求其相應的整形值，如溫度值為4字節(jié)32位數(shù)據(jù)，接收時首先加其最左側(cè)字節(jié)，右移8位后加左數(shù)第二字節(jié)，依以此類推得到其整型值，由于我們規(guī)定傳送的是其1000倍的數(shù)據(jù)，因此再除以1000即可。其他數(shù)據(jù)的計算方式類似。 軟件濾波由于AD采樣的不確定性，很有可能造成某幾個數(shù)據(jù)的偏差或整體偏差，因此我們采用一些方法來消除測量中產(chǎn)生的偶然因素。 首先由于發(fā)送激勵信號時候如果電流只有一個方向，則可能因為幾何因素造成較大的差異，因此，在激勵時我們采用雙極性方波，正采樣一次再負采樣一次，兩次的絕對值取平均則可得到良好的數(shù)據(jù)結(jié)果。 另外除了消除了幾何結(jié)構造成的偏差，仍不能達到我們的要求，對