综合录井仪传感器接口光电隔离系统的开发

摘要:综合录井仪光电隔离系统的研制实现了仪器采集部分与处理部分的光电隔离。该系统设置有吸收、钳位、泄放电路,再结合光电隔离装置,解决了现场不带隔离栅的仪器防雷、防过压的现实问题,极大的方便了现场的观察维护及直观判断。

关键词:浪涌吸收 过压放电钳位 光电隔离 集成插卡

1、前言

部分综合录井仪传感器与仪器之间没有采取任何隔离措施,传感器信号采取的是直接接入的方式。在现场实际生产中时有雷电及不明原因造成的传感器及板卡损坏,以及不明原因形成的井深数据跳变等非常规故障发生,对长线进行保护隔离有助于仪器的安全运行。综合录井仪信号采集方式分为两种,一种为总线模式,一种为传统分线制模式,文中利用新型光器件及各种吸收保护器件实现了传感器接口的保护与隔离。

2、两类型仪器隔离端口的总体设计

2.1 总线模式的线路保护与隔离

根据总线的特点及现场传感器的布线方式,实现保护及隔离要做到对现场总线进行高频脉冲衰减、放电吸收、钳位保护;在总线各传感器节点加装高速隔离器,保证各节点安全;在现场总线进入仪器端口安装工业级有源防雷光电隔离器。

2.2 分线模式的线路保护与隔离

对每一根从现场导入仪器的导线进行真空放电、浪涌吸收、逐级衰减、钳位、滤波,使传感器及仪器具有一定的抗雷电袭击的能力;在每一路传感器采集的数据与仪器板卡之间进行全光电传输,实现物理上的不供地,全电隔离。由于总线通道较多,系统设计为插卡的方式,利于管理。

3、总线型仪器接口设计

3.1 线路保护与隔离

在总线上使用半导体放电管P0300EA及P0640EA:内部为可控硅结构,在正常情况下,管子有极高的电阻,对数据线路工作无任何影响,当有害的瞬时过压窜入总线线路时,放电管首先击穿放电,其阻值迅速下降呈瞬时对地短路状态,表现为抗雷电突破、瞬间过压防护状态、高安全、高可靠。

3.2 节点保护与隔离

各节点之间通过CAN-bus具有物理电位的连接,一旦有某一节点设备出现短路性的故障则会导致全系统线路电压的跌变,进而导致全系统的故障。现在将各节点间的物理电进行隔离,使每一个节点传感器悬浮地工作在CAN-bus系统中,其主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平,具有DC2500V的隔离功能,具备ESD保护功能及TVS防止总线过压的功能。

4、分线型仪器接口设计

4.1 分线型线路保护设计

在线路中加入放电管及浪涌吸收二极管,两类器件特征如下:

R70W02陶瓷气体放电管。在正常情况下,R70因其特有的高阻抗（≥1000MΩ）及低电容（≤10PF）特性,在它作为保护元件接入传感器线路时,对线路的正常工作没有任何影响,当有害的雷电、高脉冲过压进入传感器线路时,R70对地火花放电,将电压限制在弧光电压（约20V）之下,将过压泄放至大地,从而保护线路及传感器。

4.2 井深传感器回路的光隔离

井深信号取自于绞车传感器,现场使用的绞车传感器有电压型、电流型两种类型,首端设计了传感器类型PID选择开关,将光信号转变为电信号,再经阻容耦合后送至仪器井深采集卡,同时通过光耦的井深信号脉冲也在隔离板上驱动两只发光二极管,用作隔离后的状态指示。

4.3 泵冲、转盘转速的隔离

泵冲、转盘转速都使用二线制金属接近开关作为检测部件,都是单脉冲信号。

由于两线制金属接近开关采收的直接就是电流信号,所以它们的收发可以得到很好的处理方便,通过内部照射到对应的光接收元件,将光信号转变为电信号。

4.4 4～20mA模拟量通道的高线性隔离

4～20mA模拟量呈线性变化,在仪器中将被换算为相对应的检测单元实际的物理参量,要求精度非常之高。

运用LM158做为HCNR201的输入、输出运算放大器,内部有两组独立的、高增益的、效率补偿的运算放大器组成,带宽达1MHZ,它可以与各种形式的逻辑电路兼容,运算速度精度非常高,使用在4～20mA隔离电路中,较为理想,结构框图见图4-4。

图4-4 4-20mA高线性模拟量光电隔离框图

4.5 集成插卡设计

实用模式需要对各单元电路进行整合设计,根据三种类型的传感器特征,将信号保护与隔离方案合并,归总为三种类型的端口插卡,配合母插总成方便更换与维护。

5、结语

该项系统的成功开发增加了综合录井仪器工作的安全性和稳定性,以强有力的方法保护仪器及传感器不易被雷电等高脉冲源的损坏,确保仪器、传感器及人员的安全。这套装置犹如在仪器与传感器之间设置了一道防火墙,使仪器与外部长线实现了100%的全隔离,由于全部使用了光耦,使之内外不共地,对传感器信号的调理、抗干扰有较多益处;由于采用集插式设计,维护更换十分方便,不用任何工具可直接拔插;由于有独立的传感器供电电源,在调试、检查传感器信号回路时不用打开仪器接口及电脑系统,传感器能够脱离仪器独立工作,利于检修和维护。

参考文献

[1]赵负图.《新型传感器集成电路应用手册》人民邮电出版社,2009.09第一版.

[2]高光天.《传感器与信号调理器件应用技术》科学出版社,2002.07第一版.

[3]张伟.《新编实用集成电路选型手册》人民邮电出版社,2008.05第一版.