仪器放大器在石油测井仪器中的应用
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仪器放大器在石油测井仪器中的应用
季海亮
(盘锦辽河油田裕隆实业集团有限公司,辽宁盘锦124011)
摘要:文章针对SDT-1电位梯度井下仪测量电路易受外界干扰造成测量精度降低的问题,
分析了其产生误差的主要原因,提出了一种提高测量电路测量精度的方法。
试验证明,在测量电路中采用仪器放大器代替通用放大器,可以大大提高测井仪器的测量精度。
关键词:仪器放大器;通用放大器;误差;测量精度
一、引言
测井仪器的精度决定了测井曲线反映真实地层的接近程度。
对于电阻率类测井仪器,在地层电阻率值的高端,仪器的线性比较容易满足精度要求,而在地层电阻率的低端,仪器的线性往往难以满足较高的要求。
究其原因,主要有两方面:一是测量电路本身在测量时产生误差;二是由于噪声信号混入测量回路中,叠加在真实信号中。
二者都会导致实际测量值的精度和线性度的降低。
对于小信号来说,同样的噪声干扰会造成较大的相对误差。
因此,如果能切实有效地降低噪声信号对测量电路的影响,则可以有效提高测井仪器的测量精度。
二、测量电路的误差分析
以SDT-1电位梯度井下仪测量电路的改进为例,介绍了优化测量电路的一种方法。
SDT-1电位梯度井下仪采用井下供电方式,恒流源只能提供20mA的电流,对于4.0m梯度而言,2000Ω·m相当于5Ω电阻,在满量程时,从地层输入的原始信号只有100mV,因此4.0 m梯度的测量最容易受外界噪声的干扰。
由于该仪器是同时并测电位、梯度四路信号,测量电路的前置放大级不能采用一端接地,一端反馈放大的方式,只能采用如图1所示的双端差动输入的放大方式。
图1 双端差
动输入放大方式
以前选用通用型高精度运算放大器AD OP07来做前置放大器。
设输入信号电压U IN+=U1,U IN-=U2,K1=R2/R1,K2=R4/R3,在未考虑噪声干扰的情况下,由运算放大器的性质得:U O=-K1(U1-U2)+{[(1+K1)/(1+K2)]K2-K1}U2 ①
在考虑到噪声干扰的情况下(假定噪声电压为U S),运放输入端电压为U IN+=U1+U S,U IN-=U2+U S。
同样可以求出输出电压U OS为:
U OS=-K1(U1-U2)+{[(1+K1)/(1+K2)]K2-K1}U2+[(K2-K1)/(1+K2)]U S ②
比较式①与式②可以看出,式②比式①增加了一个噪声项。
在理想情况下,有K1=K2,即
R2/R1=R4/R3 ③
代入式①和式②中有
U O=-K1(U1-U2) ④
U OS=-K1(U1-U2) ⑤
由式④、式⑤可以看出,在理想情况下,无论有无噪声干扰,输出端电压相同,并且与U1与U2的差成线性关系,此时测量放大器没有误差。
但在实际中,即使采用误差为1%的高精度电阻,也很难保证测量电路达到式③所代表的理想条件。
从式②可以看出,误差由两部分组成,一部分与U2有关,另一部分与U S有关,由于U2和U S不共地,所以其干扰是不确定的。
在满足不了式③时,测量电路输出端显然会产生误差。
在地层电阻率小于2Ω·m时,地层原始信号小于100μV,干扰信号即使不大,在仪器测量段的低端也能对下井仪器的测量精度和线性造成严重影响。
三、测量电路的改进
通过以上分析可以看出,造成这种测量电路精度下降的主要原因是4个电阻之间无法做到很好的匹配。
为了抑制这种不平衡所造成的对原始信号放大的线性度的降低以及干扰信号的窜扰,决定采用仪器放大器INA114代替通用放大器做为测量电路的前置放大器。
INA114是通用的仪器放大器,具有非常高的精度。
INA114由3个运放组成,其内部电阻由激光刻制,因此一致性非常好,即使在温度变化时也能保持一致,基本上达到了式③的理想条件,具有非常高的共模抑制比(增益G=1000时仍可达到115dB),这样就很好地解决了电阻不平衡造成下井仪器测量精度下降的问题。
INA114的使用非常简单,外部电路只要为其提供正负电源,输入信号分别接U IN+、U IN-,再焊接一个增益控制电阻R G即可。
这样设计的测量电路可以获得非常高的共模抑制比,从而提高测量电路的测量精度。
表1是分别采用AD OP07和INA114作为SDT-1电位梯度井下仪4.0 m梯度测量电路前置放大器的测量结果。
从表1可以看出,采用仪器放大器作为双端输入信号的前置放大器,有效地解决了电阻匹配失调造成的非线性误差,从而大大地提高了下井仪器的测量精度,尤其是仪器低端的测量精度。
四、结束语
通常,传感器输出的微弱信号必须由放大器放大后再送到A/D转换电路采集。
影响测量电路本身测量精度的原因很多,包括传感器的转换精度、测量放大器的稳定性、线性等,因此通过选用高精度的传感器和高精度的放大器可以改善测量电路本身的精度。
此外,提高测量电路的抗干扰能力也能提高测量电路的测量精度,从而生产出高精度的石油测井仪器。
参考文献
1.王幸之,王雷,翟成等,单片机应用系统抗干扰技术;
2.中国电子科技集团公司第二十二研究所,SDT-1电位梯度井下仪技术使用说明书;
3.康华光,模拟电子技术;。