大功率恒流源发射机系统性能研究

引言

相比于浅埋深的管道检测,超深检测需要管道上有足够的电流信号才能有效实施。无论是用于管线防腐层破损检测,还是埋地管道检测,为了加大检测距离和检测深度,都需要增加检测信号强度。目前,可以通过大功率发射机给管道施加足够大的检测信号,只是这种功率足够大的发射机在市场上并不存在,更谈不上实际应用。因此,如何成功地给大埋深管段施加有效检测信号是目前业内亟待突破的瓶颈,也是实现大埋深管段检测的前提。鉴于此,本文设计开发了一款适用于地下管线探测的大功率发射装置,能够实现超深管段检测,对管道运输行业的稳定发展具有重要意义。

1系统设计

图1为系统总体设计框图。其中:(1)为了方便系统散热,使用独立的M0SFET代替集成的IPM芯片,并增加了散热片体积:(2)使用精度更高的霍尔传感器ACS724代替了ACS712:(3)采用了基于电流瞬时值的PI闭环控制:(4)具有用户交互模块:(5)具有DC/DC升压模块。

2测试结果分析

对于发射机这种工作在大功率下的系统,安全、稳定是第一要素。在系统设计开发初期,无法保证系统具

有足够的稳定性和安全性,所以不能将开发阶段的设备直接应用于油田现场。为保证安全性及测试的方便,综合多种因素,将系统的测试分析分为两个阶段:实验室测试阶段和现场测试阶段。

2.1实验室测试阶段

由于场地等多种因素限制,本设计在初期阶段无法在现场环境进行测试。因此,在实验室环境下搭建了实验平台,对系统各个模块进行测试,验证系统的稳定性。pCM发射机系统具体搭建如图2所示。

图2实验室测试环境搭建

针对本系统设计测试实验如下:

(1)利用实验室电流钳、万用表、示波器等仪器设备,在实验室环境下对系统各个模块的各个功能进行测试,确保系统可以正常稳定运行。

(2)利用水泥电阻模拟输油管道,在实验室环境下搭建实验平台,并利用Mat1ab软件对系统输出波形进行测试,检验系统是否能实现单频、双频以及三频电流的输出,且输出电流误差是否满足要求。

2.1.1系统功能检测实验

SPWM波形输出测试:桥式电路中M0SFET开关管驱动波形采用的是双极性调制方式,由STM32控制芯片产生两路互补的SPWM驱动波形。由图3(a)可以看出,SPWM驱动波形输出电压约为3.3V,等同于STM32引脚输出电压幅值,SPWM驱动波形频率为12.8kHz,SPWM驱动波形死区时间为1μS,结果表明SPWM波形满足设计要求。

驱动模块测试:驱动模块的作用是将STM32输出的SPWM信号经过光耦隔离芯片隔离输出为5V信号,再经过自举电路放大至15V,达到驱动M0SFET的作用。驱动模块的输入信号为频率12.8kHz、幅值3.3V的SPWM信号,经过隔离模块与驱动模块后的波形如图3(b)所示。可以看出,信号幅值约为5V,脉冲波形呈幅值相等、脉宽不等的SPWM波形,信号频率为12.8kHz,死区时间为1μS,波形无明显失真,达到了设计要求。

驱动芯片测试:图3(c)为经过驱动芯片IR2110之后的驱动波形,可以看出,信号幅值为15V,频率为12.8kHz,波形没有噪声,有微弱失真,满足设计需求。

图3不同模块输出波形

采样模块包括电流采样模块、输出电压采样模块。对采样模块的测试主要是对经过采样模块的输出信号的幅值和频率进行测试,查看输出信号与输入信号之间是否符合比例,波形有无失真,信号有没有噪声。电流采样模块、输出电压采样模块输出波形如图4所示。

图4采样模块输出波形

电流采样模块的输入信号为有效值1A、频率128Hz的电流信号。由图可知,电流采样模块的输出信号为频率128Hz、有效值100mV的正弦信号,符合霍尔传感器100mV/A的转换比例,且信号没有失真,噪声含量较小。因此,电流采样模块符合设计需求。

输出端电压采样模块的输入信号为有效值40V、频率128Hz的电压信号。输出电压采样模块的输出信号如图4(b)所示,输出信号为有效值1V、频率128Hz的正弦信号,符合分压电路衰减的比例,且信号没有失真。经多次重复测试,电压采样模块功能稳定,符合设计需求。

2.1.2系统误差检测实验

系统误差检测的目的是检测系统是否能实现设计之初所设定的目标,即能否实现0~8A交流电流的连续稳定输出。这里对单频(128Hz)、双频(4/128Hz)及三频(4/8/128Hz)输出信号进行了测试,结果表明,在单频、双频和三频条件下,输出电流值完全相同,如表1所示。从表中数据可以看出,系统输出电流值与设定电流值是存在一定误差的,但该误差在设计指标所允许的范围内,因此,本系统基本实现了输出0~8A交流电流的功能。

对于发射机系统,不但要求其能改变输出电流的大小,并且其还应具有改变频率的功能,即发射机可输出单频、双频、三频电流。图5为系统不同频率电流频谱图,可以看出,发射机的输出电流频率与设定值基本没有偏差,符合设计需求。

2.2现场测试阶段

在经过实验室测试完善了功能及精度之后,在油田现场对仪器进行了现场测试,本次测试负载选取5.1Q,并对系统输出信号进行采集与分析。

2.2.1发射信号多频测试

发射信号多频测试部分主要完成该发射机系统是否可以输出多频信号的测试:测试发射信号为单频(128Hz、640Hz)、双频(4/128Hz、4/640Hz)及三频信号(4/8/128Hz、4/8/640Hz)。经过对设备输出频率的测试结果(表2)可以看出,恒流源发射机可以输出单频、双频及三频信号,且最大误差为0.75%,输出精度高,满足PCM接收机接收信号的要求范围。

2.2.2发射信号参数指标测试

发射信号参数指标测试部分主要完成该发射机系统发射信号参数指标的测试,包括不同频率、不同幅值及波形的测试,以及系统在发射不同频率和幅值信号下长时间工作的稳定性。在这里,对不同频率三项输出幅值进行测试,结果如表3所示。观察数据可知,发射机输出信号的幅值和功率均达到了预期要求,设备可输出多频交流信号,输出信号最大可达到7.27A,且每项设定输出幅值都达到了输出要求。输出信号功率最大为269.55w,且能够长时间稳定工作,满足设计要求。

图5系统不同频率电流频谱图

3结语

本文针对自行设计的大功率恒流源,从实验室和现场两个阶段开展测试。针对SPWM波形、驱动模块、驱动芯片进行了波形输出测试,通过测试电流输出值与设定值的误差和频谱图证明了恒流源误差在可接受的范围内。在现场,以5.1Q负载为例,从多频输出、电流输出幅值、稳定性和功率四个方面开展测试,结果表明,该大功率恒流源能够满足现场的要求。