石油测井仪器电流检测系统分析

胡德尧（中国船舶重工集团第七一五研究所，浙江杭州，310000）

石油测井仪器电流检测系统分析

胡德尧
（中国船舶重工集团第七一五研究所，浙江杭州，310000）

在测井仪器的研发期间，对仪器的功耗要进行监测，利于可以科学的给仪器搭配适合的电池，为此设计了可以在大动态情况下，连续的对直流的小电流进行监测的检测系统，对于系统有连续监测小电流的独特需求，设计出了运用高输入阻抗的方法和差分运放的I/V转换方法选用放大信号、多级硬件的电路滤波和数字的滤波相综合形式的制止干扰的方法，主要是制止系统内的噪声和系统外在的工频干扰；在此之外还运用软件来达到自动量程的效替来实现大范围的电流检测要求，通过实验来实现使用的需求。

石油测井仪；电流检测系统

0 引言

石油测井仪器所工作的环境都是在地下，在供电设施缺乏，需用电池来供电。但仪器在每项工作环节所产生的功耗是不一样的：在休眠的状态下所产生的功耗是最低的，电流不超过10微安；工作的时候，电流在0.1到10毫安间；仪器在运行时，电流在100到700毫安之间。为了使仪器能较长时间工资，一定要设计出一种宽动态范围、高精度、有存储的直流微电流的连续监测仪器，能够监测不同情况下电流的大小，由此计算出仪器所用功耗的大小。本文是以单片机为中心的石油测井仪器功耗的检测系统。相互综合运用的方式对噪声进行处理，并且在电路的制作中给予屏蔽处理。这个设计电流选用I/V交替的方法，根据这个方法所设计的直流微电流的检测简单并且实用，性价比也非常高，经过后续的电路调整能够明显有效的制止噪声。我们可以通过一个检测原理图来加以说明，待测微弱电流通过采样电阻转换为电压，而且无源滤波电路可以滤除共模高频干扰信号，在两级级联的差分放大器同时放大电压信号的作用下，巴特沃斯滤除工频干扰和高频噪声，继而再将经过处理的电压信号输入两路A-D转换模块进行模数转换，微控制器对A-D转换结果进行是否在放大器相应

1 微电流的检测和设计方案

对于这项设计中的10微安及微电流的检测相关问题，重要的考虑方向是对信号获取与噪声的消除问题。噪声的来源主要有两方面：一方面是来自电子系统的内部，包含热噪声、脉冲噪声、尖峰噪声、偏置电流与失调电压等；另外一种是来自电子系统外部，包含工频的干扰、射频的噪声，机械的噪声与大气的噪声等。本文运用差分放大电路、减法电路与滤波之间的量程内做出判断，以此决定选取哪一路的A-D转换结果作为本次A-D转换的结果。

图1 系统硬件总体设计思路框图

2 硬件电路的设计方案

硬件系统在被检测的石油测井仪器的小的直流电流通过采样电阻在它两端会生成电压差，采样电阻的两端电压差通过无源滤波电路滤掉电压信号中的高频滤波，电压信号在经过两级差分的放大实行指定倍数放大，然后让两路的电压信号和另一路信号相结合一同进入减法器来实行差动滤波，消除放大阶段的噪声，两路电压的信号再通过巴特沃斯的滤波电路消除工频的干扰，最后在输入到转换器中，把模拟的信号转变成数字的信号，微控制器判断确定选取其中一路转换结果作为此次转换的最后结果，针对多次的最后结果实行数字滤波获取多次结果的平均值，把这个均值实行简单的数学计算转变为测井仪器实际的运作电流。参照这一工作电流来计算出测井仪器实际运作时的电压、功率及功耗，把检测的结果随时存入到外部的存储器并由显示屏幕显示出来，这时用户便能够看到检测的相关信息。

2.1 差分放大电路原理与设计

这一设计是基于高输入阻抗法改进设计而来，还选用差分放大器数据手册中的相关原理作为依据。通过对测井仪器工作时进行电流采样，将产生的压降输入差分放大器放大到可以被ADCn识别的电压幅度再进行A-D转换，由于所选的精密放大器放大位数有限，微安级电流通过一级放大后，电压幅值并不能被识别，因此需要将级联两个放大器。

2.2 滤波电路和设计

检测微弱电流时，不可避免地会出现电磁干扰，如电网的高频谐波与工频干扰，当A-D转换模块中的信号存在高频率情况时，将产生量化误差，这被称作混淆效应，一般情况下都是通过在检测信号输入A-D转换之前进行低通滤波加以预防。本设计中有两处应用到低通滤波器，一处是待测信号进入差分放大环节之前；另一处是待测信号输入A-D转换之前的巴特沃斯滤波。

2.3 外部储存器电路设计

对测井仪器进行了长期监测后，会产生大量的数据信息，需要设计一个外部Flash 存储器进行数据存储，我们所选用的是一款2.7V双接口的顺序读写存储器。

3 结束语

本文所设计研发的石油测井仪器的功耗检测系统，可以达到随时连续的检测测井仪器运行时的电流，它的特点是：动态的范围大并含有微弱的电流，在检测小于10微安电流的时候所产生的误差是10%左右，在大于10微安电流的检没时误差是4%左右。参照所检测生成的电流值在经过计算便可获得测井仪器的实际运行电压、功率及功耗，并且可以存储长时间内的一段检测记录，还能够把检测的记录输入到上位机实行分析及显示，汇总仪器总的功耗，以此为测井仪器搭配容量适用的供电电池，利于成本的节约。

[1]武贵俊.嵌入式石油测井仪器的研究[J].中国石油和化工标准与质量，2014；(2).

[2]胡军.一种微电流测量方法的研究[J].国外电子测量技术，2014；(4).

[3]徐民，张博.基于CP2102 / CP2103的R S232接口转换为USB接口的应用设计[J].电子设计工程，2008；(5).

Analysis of oil logging instrument current measurement system

Hu Deyao
(China Shipbuilding Industry Corp 715 Research Institute,Hangzhou Zhejiang,310000)

During the research and development of logging instruments, power consumption of instrument for monitoring, conducive to collocation to scientific instrument suitable for battery, for this design in large dynamic case, the continuous monitoring of small dc current test system, the unique demand for systems with continuous monitoring of small current, designed using the method of high input impedance and differential op-amp I/V conversion method selects the amplified signal, multi-stage hardware circuit filter and digital filter of the integrated form of stop interference method, mainly to stop the noise of the system and system outside the power frequency interference; In addition, the software is used to achieve a wide range of electrical current testing requirements by using software to achieve the requirements of the use through experiments.

oil Wells; Current detection system