引言

相比于淺埋深的管道檢測(cè),超深檢測(cè)需要管道上有足夠的電流信號(hào)才能有效實(shí)施。無(wú)論是用于管線防腐層破損檢測(cè),還是埋地管道檢測(cè),為了加大檢測(cè)距離和檢測(cè)深度,都需要增加檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。目前,可以通過(guò)大功率發(fā)射機(jī)給管道施加足夠大的檢測(cè)信號(hào),只是這種功率足夠大的發(fā)射機(jī)在市場(chǎng)上并不存在,更談不上實(shí)際應(yīng)用。因此,如何成功地給大埋深管段施加有效檢測(cè)信號(hào)是目前業(yè)內(nèi)亟待突破的瓶頸,也是實(shí)現(xiàn)大埋深管段檢測(cè)的前提。鑒于此,本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款適用于地下管線探測(cè)的大功率發(fā)射裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)超深管段檢測(cè),對(duì)管道運(yùn)輸行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。其中:(1)為了方便系統(tǒng)散熱,使用獨(dú)立的M0SFET代替集成的IPM芯片,并增加了散熱片體積:(2)使用精度更高的霍爾傳感器ACS724代替了ACS712:(3)采用了基于電流瞬時(shí)值的PI閉環(huán)控制:(4)具有用戶交互模塊:(5)具有DC/DC升壓模塊。

2測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)于發(fā)射機(jī)這種工作在大功率下的系統(tǒng),安全、穩(wěn)定是第一要素。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)初期,無(wú)法保證系統(tǒng)具

有足夠的穩(wěn)定性和安全性,所以不能將開(kāi)發(fā)階段的設(shè)備直接應(yīng)用于油田現(xiàn)場(chǎng)。為保證安全性及測(cè)試的方便,綜合多種因素,將系統(tǒng)的測(cè)試分析分為兩個(gè)階段:實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試階段。

2.1實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段

由于場(chǎng)地等多種因素限制,本設(shè)計(jì)在初期階段無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。因此,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試,驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。pCM發(fā)射機(jī)系統(tǒng)具體搭建如圖2所示。

圖2實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境搭建

針對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)如下:

(1)利用實(shí)驗(yàn)室電流鉗、萬(wàn)用表、示波器等儀器設(shè)備,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊的各個(gè)功能進(jìn)行測(cè)試,確保系統(tǒng)可以正常穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)利用水泥電阻模擬輸油管道,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并利用Mat1ab軟件對(duì)系統(tǒng)輸出波形進(jìn)行測(cè)試,檢驗(yàn)系統(tǒng)是否能實(shí)現(xiàn)單頻、雙頻以及三頻電流的輸出,且輸出電流誤差是否滿足要求。

2.1.1系統(tǒng)功能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

SPWM波形輸出測(cè)試:橋式電路中M0SFET開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形采用的是雙極性調(diào)制方式,由STM32控制芯片產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的SPWM驅(qū)動(dòng)波形。由圖3(a)可以看出,SPWM驅(qū)動(dòng)波形輸出電壓約為3.3V,等同于STM32引腳輸出電壓幅值,SPWM驅(qū)動(dòng)波形頻率為12.8kHz,SPWM驅(qū)動(dòng)波形死區(qū)時(shí)間為1μS,結(jié)果表明SPWM波形滿足設(shè)計(jì)要求。

驅(qū)動(dòng)模塊測(cè)試:驅(qū)動(dòng)模塊的作用是將STM32輸出的SPWM信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離芯片隔離輸出為5V信號(hào),再經(jīng)過(guò)自舉電路放大至15V,達(dá)到驅(qū)動(dòng)M0SFET的作用。驅(qū)動(dòng)模塊的輸入信號(hào)為頻率12.8kHz、幅值3.3V的SPWM信號(hào),經(jīng)過(guò)隔離模塊與驅(qū)動(dòng)模塊后的波形如圖3(b)所示?？梢钥闯?信號(hào)幅值約為5V,脈沖波形呈幅值相等、脈寬不等的SPWM波形,信號(hào)頻率為12.8kHz,死區(qū)時(shí)間為1μS,波形無(wú)明顯失真,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

驅(qū)動(dòng)芯片測(cè)試:圖3(c)為經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片IR2110之后的驅(qū)動(dòng)波形,可以看出,信號(hào)幅值為15V,頻率為12.8kHz,波形沒(méi)有噪聲,有微弱失真,滿足設(shè)計(jì)需求。

圖3不同模塊輸出波形

采樣模塊包括電流采樣模塊、輸出電壓采樣模塊。對(duì)采樣模塊的測(cè)試主要是對(duì)經(jīng)過(guò)采樣模塊的輸出信號(hào)的幅值和頻率進(jìn)行測(cè)試,查看輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間是否符合比例,波形有無(wú)失真,信號(hào)有沒(méi)有噪聲。電流采樣模塊、輸出電壓采樣模塊輸出波形如圖4所示。

圖4采樣模塊輸出波形

電流采樣模塊的輸入信號(hào)為有效值1A、頻率128Hz的電流信號(hào)。由圖可知,電流采樣模塊的輸出信號(hào)為頻率128Hz、有效值100mV的正弦信號(hào),符合霍爾傳感器100mV/A的轉(zhuǎn)換比例,且信號(hào)沒(méi)有失真,噪聲含量較小。因此,電流采樣模塊符合設(shè)計(jì)需求。

輸出端電壓采樣模塊的輸入信號(hào)為有效值40V、頻率128Hz的電壓信號(hào)。輸出電壓采樣模塊的輸出信號(hào)如圖4(b)所示,輸出信號(hào)為有效值1V、頻率128Hz的正弦信號(hào),符合分壓電路衰減的比例,且信號(hào)沒(méi)有失真。經(jīng)多次重復(fù)測(cè)試,電壓采樣模塊功能穩(wěn)定,符合設(shè)計(jì)需求。

2.1.2系統(tǒng)誤差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)誤差檢測(cè)的目的是檢測(cè)系統(tǒng)是否能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)之初所設(shè)定的目標(biāo),即能否實(shí)現(xiàn)0~8A交流電流的連續(xù)穩(wěn)定輸出。這里對(duì)單頻(128Hz)、雙頻(4/128Hz)及三頻(4/8/128Hz)輸出信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明,在單頻、雙頻和三頻條件下,輸出電流值完全相同,如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出,系統(tǒng)輸出電流值與設(shè)定電流值是存在一定誤差的,但該誤差在設(shè)計(jì)指標(biāo)所允許的范圍內(nèi),因此,本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了輸出0~8A交流電流的功能。

對(duì)于發(fā)射機(jī)系統(tǒng),不但要求其能改變輸出電流的大小,并且其還應(yīng)具有改變頻率的功能,即發(fā)射機(jī)可輸出單頻、雙頻、三頻電流。圖5為系統(tǒng)不同頻率電流頻譜圖,可以看出,發(fā)射機(jī)的輸出電流頻率與設(shè)定值基本沒(méi)有偏差,符合設(shè)計(jì)需求。

2.2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試階段

在經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試完善了功能及精度之后,在油田現(xiàn)場(chǎng)對(duì)儀器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,本次測(cè)試負(fù)載選取5.1Q,并對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行采集與分析。

2.2.1發(fā)射信號(hào)多頻測(cè)試

發(fā)射信號(hào)多頻測(cè)試部分主要完成該發(fā)射機(jī)系統(tǒng)是否可以輸出多頻信號(hào)的測(cè)試:測(cè)試發(fā)射信號(hào)為單頻(128Hz、640Hz)、雙頻(4/128Hz、4/640Hz)及三頻信號(hào)(4/8/128Hz、4/8/640Hz)。經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)備輸出頻率的測(cè)試結(jié)果(表2)可以看出,恒流源發(fā)射機(jī)可以輸出單頻、雙頻及三頻信號(hào),且最大誤差為0.75%,輸出精度高,滿足PCM接收機(jī)接收信號(hào)的要求范圍。

2.2.2發(fā)射信號(hào)參數(shù)指標(biāo)測(cè)試

發(fā)射信號(hào)參數(shù)指標(biāo)測(cè)試部分主要完成該發(fā)射機(jī)系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)參數(shù)指標(biāo)的測(cè)試,包括不同頻率、不同幅值及波形的測(cè)試,以及系統(tǒng)在發(fā)射不同頻率和幅值信號(hào)下長(zhǎng)時(shí)間工作的穩(wěn)定性。在這里,對(duì)不同頻率三項(xiàng)輸出幅值進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表3所示。觀察數(shù)據(jù)可知,發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)的幅值和功率均達(dá)到了預(yù)期要求,設(shè)備可輸出多頻交流信號(hào),輸出信號(hào)最大可達(dá)到7.27A,且每項(xiàng)設(shè)定輸出幅值都達(dá)到了輸出要求。輸出信號(hào)功率最大為269.55w,且能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5系統(tǒng)不同頻率電流頻譜圖

3結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)自行設(shè)計(jì)的大功率恒流源,從實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)階段開(kāi)展測(cè)試。針對(duì)SPWM波形、驅(qū)動(dòng)模塊、驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行了波形輸出測(cè)試,通過(guò)測(cè)試電流輸出值與設(shè)定值的誤差和頻譜圖證明了恒流源誤差在可接受的范圍內(nèi)。在現(xiàn)場(chǎng),以5.1Q負(fù)載為例,從多頻輸出、電流輸出幅值、穩(wěn)定性和功率四個(gè)方面開(kāi)展測(cè)試,結(jié)果表明,該大功率恒流源能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的要求。