电磁探伤仪电源系统研究

0 引言
    电磁探伤仪可用于探测套管的变形、孔洞、断裂、裂缝等故障并对故障进行精确定位，为生产井的普查提供了有效的方法，也为套损井的修复提供直接的依据，对保障油气井的稳产高产有着重要的意义和作用。同大多数生产测井仪一样，电磁探伤仪采用的也是单芯铠装电缆，该电缆既是井下仪器的供电电缆，同时也是井下仪器与地面的通信电缆，在实现传输与供电的过程中，铠装电缆的缆芯和缆皮必须同时被作为传输介质才能实现上述功能，而且必须采用有效的方法使其同时实现供电与信号传输功能。井下仪器的电源包括测试探头所需要的交流激励电源以及井下控制与检测电路所需要的+5V和±12V的工作电源，为了实现供电与信号的传输功能，本文所采用的方法是在地面上将220V的交流电变换为合适的直流电，并通过电缆传到井下，再经DC／DC电压转换电路输出5V、±12V以及测试探头所需要的交流驱动电压。大量的研究试验结果表明，采用上述方法实现的电源工作稳定，为井下供电的同时，可实现井下与地面间的实时通信，在传输距离为2000m时，能可靠地实现数据的传输。

1 电源系统结构
    电磁探伤仪的电源系统结构如图1所示，该系统由地面变压器、直流稳压电路、DC／DC变压器、5V、±12V电压转换电路和CMOS控制信号电路等五部分组成。其中地面变压器的作用是将220V的交流电变为170V的交流电，然后再经过直流稳压电路将170V的交流变为直流，再经过DC／DC变压器得到7V、15V和测试探头的驱动电压，最后分别经过5V和±12V电压转换电路就可得到5V和±12V的工作电压。

2 主要功能模块设计
2．1 直流稳压电路
    本电源系统中的直流稳压电路如图2所示，图2中170V的交流电压经过KC403单向桥式整流后，再由二阶II型网络滤波，输出170V的直流电压。值得一提的是，由于井下数据是通过170V直流电缆上传的，为了防止后续电路对前端电路产生干扰，在170V整流桥的每个二极管上都并联一个0．1μF的电容，此外，这些电容能够很好地吸收二极管的开关噪声。在电源滤波电路中，电容的耐压值一般为输入电压的2倍，且电容比较大，这样交流成分比较容易被滤掉，输出电压比较平滑。

2．2 CMOS控制电路
    所采用的CMOS控制电路是一种脉宽调制(PWM)电路，PWM波形发生电路主要由或非门CD4001和D触发器CD4013构成，如图3所示。

    通过电阻R6和电容C10组成的RC网络的反复充放电，使或非门CD4001输出占空比为1：1的方波，经D触发器CD4013四分频后，再或非，最终得到占空比为1：4的PWM波形，电路的具体时序关系如图4所示。PWM波形产生后，经乙类功率放大电路驱动后用以控制CMOS管的交替导通，从而得到交流电压。

图4 DC/DC转换驱动波形

2．3 DC／DC变压器
    井下电源模块需要提供+5V、±12V和驱动测试探头的电压，且本模块采用推挽隔离变换器方式，其电路原理如图5所示，变压器T1起隔离和传递能量的作用。在开关管S1开通时，变压器T1的NP1绕组工作并耦合到副边Ns1绕组；开关管S1关断时，NP1向Msl释放能量；反之亦然。在任何工作条件下，开关管都承受两倍的输入电压，此电路多用于大功率等级的DC／DC电源中，两个开关管都是相互交替打开的，所以两组驱动波形(PWM)相位差应大于180°，并存在一定死区时间。图5中VOLT+，VOLT-为测试探头的驱动电压。

2．4 5V、±12V电压转换电路
    如图5所示，从DC／DC变换器输出的交流电压VOLT5+和VOLT5-输入到图6对应的管脚，即可分时对C1、C2、C3充电，一般C1、C2比较大，C3比较小，这是因为大容量电容存在感抗特性，在电源切换时会产生高频率的噪声，从而使滤波效果下降，这时并联一个小电容，弥补这种情况下的不足。将经过这3个电容后的直流电压接到7805，就可以得到需要的+5V工作电压。从DC／DC变换器输出的交流电压VOLT12揄入到图7对应的管脚，经过D3对电容C1充电，利用三极管的开关特性将电容C3两端的电压
稳到+12V，同理，电容C4两端被稳到-12V。这样便可得到电磁探伤仪所需要的+5V和±12电压。

3 结语
    对所设计的电源系统进行了大量的室内外试验，结果表明，该电源系统工作正常，能够为井下仪器提供大功率的电能，并在为2000m的传输距离内使井下数据的可靠传输，满足了电磁探伤仪供电与传输系统实际需求，为电磁探伤仪的可靠工作提供了保证。