油氣井出砂信號預處理電路方案

　　引言

　　在油氣井出砂檢測過程中，采用壓電式振動傳感器檢測砂粒與管壁碰撞而產生的聲波信號。由于砂粒撞擊管壁產生的信號很微弱，并且出砂信號的頻率較高，一般電荷放大器的頻響不滿足對出砂信號的測量。因此針對這一問題，研究設計了符合出砂信號檢測的前置放大電路，主要介紹了電荷放大器和濾波電路的設計。其中包括對電荷放大器中所采用的集成運放、電阻、電容的選取進行了分析，以確定合適的參數。通過電路仿真軟件分析了這些器件的參數選取的不同對電荷放大器測量結果的影響。同時對濾波電路也進行了仿真分析，其結果與設計一致。最后設計出了滿足出砂信號檢測的電荷放大器和濾波電路。經過出砂試驗測試取得了較好的效果。

　　出砂預處理電路的總體設計

　　出砂預處理放大電路的總體設計框圖如圖1所示，整個預處理電路主要由電荷放大器、適調放大電路，濾波電路、輸出放大電路等組成。

　　各部分的作用如下：

　　圖1 前置放大電路框圖

　　電荷放大器的作用是把壓電傳感器高內阻的電荷源轉換為傳感器低內阻的電壓源，以實現阻抗變換，并使其輸出電壓與輸入電荷成正比。

　　適調放大電路是為了適應與不同靈敏度的壓電加速度傳感器配接而使其輸出電壓歸一化的電路，即對應于單位加速度，不同傳感器在電荷放大器輸出端對應輸出相同的電壓。

　　由于傳感器輸出的出砂信號在一定的頻率范圍內變化，且該信號中夾雜著其它的干擾信號，為了滿足檢測的要求，所以要通過一個帶通濾波器濾除高頻和低頻干擾信號，以此來獲取較好的出砂信號。

　　輸出放大電路是為了使放大器輸出適宜的電流、電壓信號，以驅動后級電路工作。

　　電荷放大器的設計

　　電荷放大器的設計原理

　　電荷放大器電路如圖2所示。它由一個反饋電容Cf和高增益運算放大器構成。由于運算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流。只有這樣傳感器的信號電荷才不會通過輸入電路泄漏造成大的測量誤差。當加到傳感器上的力變化時，引起傳感器輸出電荷Q的改變。

　　圖2 電荷放大器原理圖

　　此電荷放大器輸出電壓為：

　　電荷放大器的頻率范圍由下面兩式確定：

　　其中，R1為電纜電阻，C為傳感器等效電容，為反饋電容，R2為反饋電阻用于Cf的放電。(注：電荷放大器的上限截止頻率還與電荷放大器采用的運算放大器有關。)

　　電荷放大器中集成運放的選擇

　　電荷放大器是用于放大來自壓電器件的電荷信號的放大電路。這類放大電路的信號源內阻抗極高，同時其電荷信號又很微弱，信號源形成的電流僅為pA級，因而要求電荷放大器具有極高的輸入電阻和極低的偏置電流，否則當放大器的偏置電流與信號電流相近時，信號可能被偏置電流所淹沒，而不能實現正常放大。因此對電荷放大器中采用的運算放大器的合理選擇就顯得特別重要。要求運算放大器必須是高阻輸入運算放大器，且開環增益要高,失調電壓和電流要小，頻帶要寬。

　　根據上述集成運放的選擇要求，設計時選用了美國ADI公司的AD823芯片和Intersil公司的CA3140芯片進行了參數對比，并進行了相關的仿真，驗證了選用AD823是比較合適的。運放AD823和CA3140的主要參數如表1所示。

　　表1運放參數列表

　　反饋電容Cf的選取

　　電荷放大器輸出靈敏度的調節通常通過改變電荷轉換電路的反饋電容Cf實現，反饋電容的值不能選得太小，否則測試系統中使用的低噪聲同軸電纜的寄生電容將影響輸出靈敏度，且有積分漂移和泄露現象;反饋電容的值也不能選的太大，否則容易引起自激現象。而且Cf的精度直接影響測量的精度，所以反饋電容精度要高。一般要求精度在0.5% ~1% ,我們選擇的是聚苯乙烯電容。為了保證一定的增益，Cf 一般取100pF-10000pF。考慮以上因素及實際情況選取Cf為100PF。

　　電阻R1與R2的選擇

　　由于電荷放大器的頻率上限主要決定于運算放大器頻響和和輸入電纜的影響，若電纜太長，雜散電容增加，同時導線的自身電阻也會增加，這些參數都影響放大器的高頻特性。本項目中選用的傳感器本身的等效電容為10PF,振動頻率為100kHz-1MHz,可計算出R1約為16KΩ。

　　電荷放大器的頻率下限由反饋電容Cf和Rf反饋電阻決定。由于在電荷放大器中采用電容負反饋，對直流工作點相當于開路，對電纜噪聲比較敏感,故放大器零漂較大而產生誤差，為減小零漂，使放大器工作穩定，選阻值非常高的電阻，以提供直流反饋。如果要制作頻帶響應非常好的電荷放大器，則反饋電阻必須在1GΩ以上。考慮到以上因素及實際情況選取R2為1GΩ。

　　濾波電路的設計

　　帶通濾波器如圖3所示，它由二階低通濾波電路和二階高通濾波電路組成，其頻帶范圍為100kHz-1MHz。根據有源濾波電路的快速設計理論，很容易得到高低通濾波器的各個參數。