用于井下张压力测量的微伏差分信号采集电路制造技术

本实用新型专利技术公开了一种用于井下张压力测量的微伏差分信号采集电路，包括射频滤波器、仪表放大器、模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路和线性稳压电路和PCB。本电路的工程应用背景为井下电缆张力测量，是系统中的核心组件，用于采集张压力传感器在受外力作用下产生的差分信号，经过滤波、放大和模数转换后，送入通讯模块，将井下电缆的张压力实时反馈给作业人员，为可靠作业提供了数据和技术支撑。

Microvolt Differential Signal Acquisition Circuit for Underground Tension Pressure Measurement

【技术实现步骤摘要】
用于井下张压力测量的微伏差分信号采集电路
本技术涉及一种用于井下张压力测量的微伏差分信号采集电路，可应用于对温度和精度敏感的井下张压力测量小信号的放大器领域。
技术介绍
现有的井下张压力测量技术主要应用于测井作业，但在射孔行业中没有一种设备可直接测量井下管串所受到的张压力，而通过井上张压力系统测量电缆张压力时，其力的反应往往滞后(遇到水平井或上翘井时更为明显)，结果时常导致遇阻时未能及时减小泵送压力而导致泵脱事件发生，造成巨大的资源和资金损失。若在射孔作业环境中同步测量井下电缆头的张压力，将为作业人员带来极大方便，可提前判断管串是否遇阻(泵压过大泵脱)。
技术实现思路
为解决现有射孔行业井下电缆张压力测量难的问题(井温高达150℃、系统杂讯多、信号幅值小)，本技术提供了用于井下张压力测量的微伏差分信号采集电路，该电路为高温下测量井下张压力传感器的差分小信号提供了一种解决方案。为了实现上述目的，本技术采用以下技术方案予以实现：一种用于井下张压力测量的微伏差分信号采集电路，包括射频滤波器、仪表放大器、模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路、线性稳压电路及单片机；所述的射频滤波器与差分输入接口连接，用于将输入的差分信号滤波，所述的仪表放大器与射频滤波器连接，用于将差分信号不失真的放大，所述的模数转换器与仪表放大器连接，用于将放大后的差分信号进行数字化；所述的单片机与模数转换器连接，用于处理数字化后的差分信号，所述的通讯模块与单片机连接，用于将处理后的数据送至井上仪器；所述的+10V参考源电路与差分输入接口连接，用于为张压力传感器提供参考源；所述的+2.5V参考源电路与仪表放大器和模数转换器均连接，用于为仪表放大器和模数转换器提供信号放大和模数转换的基准；所述的线性稳压电路与仪表放大器、模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路和单片机均连接，用于为仪表放大器、模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路和单片机提供电源。所述的射频滤波器、仪表放大器、模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路、线性稳压电路及单片机均选取结温不小于150℃的器件。所述的射频滤波器的频率截止点为40MHz。所述的模数转换器为24位模数转换器。还包括电流型温度传感器，所述的电流型温度传感器与模数转换器连接，用于标定温度对信号测量带来的漂移。还包括电压跟随电路和电阻R6，电流型温度传感器、电压跟随电路和电阻R6组成电压-电流转换电路；电压-电流转换电路用于通过电流型温度传感器随温度变化改变输出电流信号，电流信号流经电阻R6后变成电压信号、经过电压跟随电路的阻抗变换后送入模数转换器供张压力采集温度标定。所述的微伏差分信号采集电路印制在四层PCB板上。与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：本技术的微伏差分信号采集电路，用于井下张力测量系统中，配合水平井多级射孔桥塞联作施工20余次，在泵送作业过程中能够准确、及时反应井下电缆缆头的受力状况，极大降低了水平井泵送作业过程的工程风险，应用20余次成功率100％。附图说明图1本技术原理框图；图2本技术电路图；图3本技术PCB设计版图顶层；图4本技术PCB设计版图底层。具体实施方式为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本技术进一步详细说明。如图1所示，一种用于井下张压力测量的微伏差分信号采集电路，包括射频滤波器、仪表放大器、24位的模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路、线性稳压电路及单片机电路。具体的部件的作用如下：所述的射频滤波器与差分输入接口连接，用于将输入的差分信号滤波，所述的仪表放大器与射频滤波器连接，用于将差分信号不失真的放大，所述的模数转换器与仪表放大器连接，用于将放大后的差分信号进行数字化；所述的单片机与模数转换器连接，用于处理数字化后的差分信号，所述的通讯模块与单片机连接，用于将处理后的数据送至井上仪器；所述的+10V参考源电路与差分输入接口连接，用于为张压力传感器提供参考源；所述的+2.5V参考源电路与仪表放大器和模数转换器均连接，用于为仪表放大器和模数转换器提供信号放大和模数转换的基准；所述的线性稳压电路与仪表放大器、模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路和单片机均连接，用于为仪表放大器、模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路和单片机提供电源。本技术的工作原理为：射频滤波器将输入的差分信号进行杂散讯号滤除；仪表放大器将差分信号不失真的放大数百倍；模数转换器将放大后的差分信号进行高保真的数字化；单片机与模数转换器通讯，处理数字化后的差分信号，再传输至通讯模块，送至井上仪器；+10V参考源电路用于为张压力传感器提供精确、干净的参考源，以确保产生的小信号尽可能地正比于实际的张压力；+2.5V参考源电路为仪表放大器和模数转换器提供信号放大和模数转换的基准；线性稳压电路为仪表放大器、模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路和单片机在高温下提供稳定的电源。本电路的工程应用背景为井下电缆张力测量，是系统中的核心组件，用于采集张压力传感器在受外力作用下产生的差分信号，经过滤波、放大和模数转换后，送入通讯模块，将井下电缆的张压力实时反馈给作业人员，为可靠作业提供了数据和技术支撑。本技术的电路图如图2所示。电阻R3、电阻R4、电容C8、电容C9和电容C10组成射频滤波器，根据井下设备可能产生的辐射干扰，选取了40MHz左右的频率截止点。差分信号通过射频滤波器后，进入仪表放大器U8。仪表放大器U8的供电由线性稳压器U3提供，仪表放大器U8的参考源由2.5V参考源电路U6提供，使其用于单端输出；根据张压力传感器信号值范围和AD模数转换器的输入范围，选取仪表放大器U8的放大倍数为200倍；为获得良好的放大稳定性及精度，放大器电阻R5选取精度为0.1％、10ppm的电阻。差分信号经过仪表放大器后变成单端信号(0至5V，零位信号为2.5V)，送入模数转换器U2。为能尽可能采集小信号，模数转换器U2选取24位模数转换器，其精度为每微伏可采样3个数据，根据表2，可计算出1lb采样4.5次，精度要求完全满足井况。电流型温度传感器U9、电压跟随电路U10和电阻R6组成电压-电流转换电路，电流型温度传感器U9随温度变化改变输出电流，电流信号流经电阻R6后变成电压信号、经过电压跟随电路U10的阻抗变换后送入模数转换器U2供张压力采集温度标定使用。为尽可能的降低系统自身功耗，单片机采用低压3V供电，动态功耗仅4mA。模数转换器的间歇转换频率为57Hz，满足工况，同时将一直工作时近30mA功耗降低到仅10mA左右(平均功耗)，使得整机功耗维持到仅28mA(张压力传感器需要消耗8mA电流)，大大减少了系统发热，经反复实际井况和实验室150℃工作2小时试验验证，可以长期稳定工作于高温环境。传感器参考电源由+10V参考电源电路U7提供，此电源电路拥有优异的静态电流值。采集电路的系统供电由拥有极低静态工作电流的线性稳压电路U3、线性稳压电路U4和线性稳压电路U5提供，分别为传感器、仪表放大器、模数传感器、单片机等供电。其中，表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于井下张压力测量的微伏差分信号采集电路，其特征在于，包括射频滤波器、仪表放大器、模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路、线性稳压电路、通讯模块及单片机；所述的射频滤波器与差分输入接口连接，用于将输入的差分信号滤波，所述的仪表放大器与射频滤波器连接，用于将差分信号不失真的放大，所述的模数转换器与仪表放大器连接，用于将放大后的差分信号进行数字化；所述的单片机与模数转换器连接，用于处理数字化后的差分信号，所述的通讯模块与单片机连接，用于将处理后的数据送至井上仪器；所述的+10V参考源电路与差分输入接口连接，用于为张压力传感器提供参考源；所述的+2.5V参考源电路与仪表放大器和模数转换器均连接，用于为仪表放大器和模数转换器提供信号放大和模数转换的基准；所述的线性稳压电路与仪表放大器、模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路和单片机均连接，用于为仪表放大器、模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路和单片机提供电源。

【技术特征摘要】
1.一种用于井下张压力测量的微伏差分信号采集电路，其特征在于，包括射频滤波器、仪表放大器、模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路、线性稳压电路、通讯模块及单片机；所述的射频滤波器与差分输入接口连接，用于将输入的差分信号滤波，所述的仪表放大器与射频滤波器连接，用于将差分信号不失真的放大，所述的模数转换器与仪表放大器连接，用于将放大后的差分信号进行数字化；所述的单片机与模数转换器连接，用于处理数字化后的差分信号，所述的通讯模块与单片机连接，用于将处理后的数据送至井上仪器；所述的+10V参考源电路与差分输入接口连接，用于为张压力传感器提供参考源；所述的+2.5V参考源电路与仪表放大器和模数转换器均连接，用于为仪表放大器和模数转换器提供信号放大和模数转换的基准；所述的线性稳压电路与仪表放大器、模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路和单片机均连接，用于为仪表放大器、模数转换器、+10V参考源电路、+2.5V参考源电路和单片机提供电源。2.根据权利要求1所述的用于井下张压力测量的微伏差分信号采集电路，其特征在于，射频滤波器、仪表放大器、模数转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋杰，程豪，陈仙江，李军，朱建新，刘雪峰，尹虹橙，艾力江依不拉音，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，中国石油集团测井有限公司，
类型：新型
国别省市：北京,11