一種新型的高精度電穩(wěn)定性測試儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于油基鉆井液的高精度低功耗電穩(wěn)定性測試儀器，儀器包括測試儀器、電極、電源線、樣品杯、樣品杯蓋等部分，采用全新的設(shè)計思路，其電路包括主控電路、電源管理電路、鍵盤顯示電路、正弦波產(chǎn)生電路、峰值電壓檢測電路，電流快速檢測電路等部分。主要創(chuàng)新點在于采用低功耗嵌入式CPU實現(xiàn)對各個部件的控制和檢測；采用高精度正弦波發(fā)生電路產(chǎn)生340±0.05HZ正弦波信號，并通過轉(zhuǎn)化、信號調(diào)理和升壓變壓器等輸出0-2000VAC的電壓；采用高精度電流采樣和快速檢測電路實現(xiàn)擊穿臨界點信號的快速檢測。本發(fā)明采用四節(jié)9V堿性電池供電，功耗極低，測量次數(shù)超過1000次，測量精度高達(dá)0.1%。
【專利說明】一種新型的高精度電穩(wěn)定性測試儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型的電穩(wěn)定性測試儀，具體涉及一種用于油基鉆井液的高精度電穩(wěn)定性測試儀。
【背景技術(shù)】
[0002]電穩(wěn)定性測試儀是一種主要用來測試油包水乳狀液相對穩(wěn)定性的專用儀器。該儀器是對油包水乳化鉆井液穩(wěn)定性范圍的一個測試，我們從相對乳化穩(wěn)定性的測量中可預(yù)測出這些系統(tǒng)的電解液雜質(zhì)的電阻和時間穩(wěn)定性。所以油基鉆井液的電穩(wěn)定性(ElectricalStability,簡稱ES)是與其乳狀液穩(wěn)定性與油潤濕性相關(guān)聯(lián)的一個參數(shù)，測量該值具有重要的意義。目前，測量油基鉆井液的電穩(wěn)定性(ES值)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，按照ES的測定標(biāo)準(zhǔn)，其方法是向浸入在鉆井液中的一對平行板電極，施加一個電壓逐漸上升的正弦信號，開始，其產(chǎn)生的電流一直很微弱，但電流隨著電壓的上升會緩慢上升，直至電壓上升達(dá)到一個臨界電壓，此后電流強度急劇上升，我們把這個臨界電壓稱為鉆井液的ES值。那這個臨界電壓是如何界定的呢？這個臨界電壓是電流強度達(dá)到61uA時所測得的峰值電壓，其單位定為伏特。根據(jù)通用標(biāo)準(zhǔn)，各種各樣的油基鉆井液電穩(wěn)定性測試儀也應(yīng)運而生。在這些現(xiàn)有的電穩(wěn)定儀中，設(shè)計思路大多都類似，制作的電穩(wěn)定性測試儀精度都偏低，甚至達(dá)不到5%，很多時候達(dá)不到使用要求。根據(jù)ES標(biāo)準(zhǔn)，制作電穩(wěn)定儀在設(shè)計上主要有兩個方面重點考慮。其一，是施加一個電壓逐漸上升的正弦信號，這既是重點更是難點，正弦信號采用什么方式獲得？怎樣才是一個真正的正弦信號？大多數(shù)獲得的正弦信號嚴(yán)格意義上不是正弦信號，只是一個近似信號，這樣就大大影響了測量精度；其二是臨界值的獲取，在電流強度達(dá)到規(guī)定值61uA時，要快速準(zhǔn)確的獲取此時的電壓值，但是電流的變化開始是緩慢的，到達(dá)臨界后再突然急劇上升，這個臨界值的狀態(tài)難以準(zhǔn)確判斷，而且獲取的值必須及時快速地得到，這個值往往有所偏差。正是有諸多因素的影響，目前電穩(wěn)定性測試儀的研究問題仍是大家熱衷研究的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種用于油基鉆井液的高精度低功耗電穩(wěn)定性測試儀器，該儀器主要克服現(xiàn)有測量儀器中測量精度低、測量穩(wěn)定性差，測量功耗高的缺點，實現(xiàn)油基鉆井液電穩(wěn)定性的精確、快速測量。
[0004]圍繞ES測試標(biāo)準(zhǔn)中的測量要求和難點問題，本發(fā)明采用全新的設(shè)計思路。該儀器以低功耗的MCU為主控芯片，其電路組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本設(shè)計主要包括主控電路1、電源管理電路2、鍵盤顯示電路3、正弦波產(chǎn)生電路4、峰值電壓檢測電路5，電流快速檢測電路6等主要部分組成，另外有D/Α轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理電路，功率放大和變壓器等部分。主控電路采用低功耗CPU，實現(xiàn)對現(xiàn)場信號的檢測、控制和故障自診斷功能；電源管理電路實現(xiàn)對整個系統(tǒng)電源供電的管理和控制，在測量狀態(tài)時，電源正常供電，在非工作狀態(tài)，主要電源全部徹底關(guān)斷，CPU進入低功耗運行模式。鍵盤顯示電路包括三個按鍵和一個低功耗液晶顯示面板，通過這三個按鍵實現(xiàn)操作控制，通過液晶屏實現(xiàn)顯示功能。高精度正弦波發(fā)生電路由CPU進行控制，實現(xiàn)150V/S的幅值變化的正弦波輸出，并通過D/Α轉(zhuǎn)化電路，信號調(diào)理，功率器件和升壓變壓器輸出0-2000VAC的電壓；升壓變壓器采用了特殊設(shè)計方式，通過峰值電壓檢測電路可以實現(xiàn)對輸出高壓的快速準(zhǔn)確檢測；高精度電流采樣和電流快速檢測電路實現(xiàn)擊穿臨界點信號的快速檢測。
[0005]設(shè)計主要特點:
[0006]本設(shè)計的主要創(chuàng)新點是采用低功耗嵌入式CPU實現(xiàn)對各個部件的控制和檢測；高精度正弦波發(fā)生電路產(chǎn)生340HZ±0.05HZ正弦波信號，采用快速峰值電壓檢測電路和擊穿檢測電路設(shè)計，測量精度高，具有自動校準(zhǔn)和故障自動檢測功能；采用4節(jié)9V堿性電池供電，功耗極低，測量次數(shù)不低于1000次，測量精度高達(dá)0.1%。
[0007]本發(fā)明根據(jù)測量油基鉆井液電穩(wěn)定性(ES值)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主要包括測試儀器7、電源線8、電極9、樣品杯蓋10、樣品杯11等部分，如圖2所示。測量時將一對平行電極插入樣品杯蓋，使樣品浸沒電極并保持電極不與樣品杯壁和底接觸，然后施加一個電壓逐漸上升的正弦信號，電流由微弱開始逐漸增大，電流開始變化緩慢，但達(dá)到臨界點后會急速上升，臨界點即電流達(dá)到61uA時，測量此時的電壓值，該值即為電穩(wěn)定值。其特征在于測試儀器中采用了低功耗CPU控制高精度正弦波發(fā)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定準(zhǔn)確的正弦波，基于ES標(biāo)準(zhǔn)，采用快速峰值電壓檢測電路和擊穿檢測電路獲取電穩(wěn)定性的值，并把測量結(jié)果通過液晶顯示屏顯示。
[0008]本發(fā)明將低功耗CPU，高精度正弦波發(fā)生電路和信號快速檢測電路以及其他的低功耗部件用于儀器設(shè)計中，設(shè)計的儀器具有數(shù)據(jù)精度高、性能可靠、連續(xù)測試、重復(fù)性好、安裝方便、操作簡單、讀數(shù)直觀、自動化程度高等優(yōu)點；克服了原有儀器正弦波不穩(wěn)定，檢測臨界點不夠快速，導(dǎo)致測試值精度低的缺點，實現(xiàn)了油基鉆井液電穩(wěn)定性的連續(xù)高精度測量。此外該儀器除了評價油基鉆井液，還可以用于評價油基解卡劑、水泥和裂隙水等。因此，可廣泛的應(yīng)用于石油、地礦、鉆井隊及實驗室等部門。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的電路總體結(jié)構(gòu)圖。
[0010]其中，1、主控電路，2、電源管理電路，3、鍵盤顯示電路，4、正弦波產(chǎn)生電路，5、峰值電壓檢測電路,6、電流快速檢測電路
[0011]圖2是本發(fā)明的外形結(jié)構(gòu)圖。
[0012]其中，7、測試儀器，8、電源線，9、電極，10、樣品杯蓋，11、樣品杯。
[0013]圖3是本發(fā)明控制面板的前面板圖。
[0014]其中，12、POWER:開關(guān)鍵，13、STOP鍵:停止鍵或復(fù)位鍵，14、RUN鍵:運行鍵或測試鍵，15、POWER指示燈，16、ALARM指示燈:擊穿報警指示。17、LED顯示窗，18、RUN指示燈，19、電極插座:連接電極。
【具體實施方式】
[0015]如圖2所示，本發(fā)明由測試儀器7、電源線8、電極9、樣品杯蓋10、樣品杯11等組成。利用本發(fā)明對油基鉆井液的電穩(wěn)定性進行測量的方法是:[0016]測量時將一對平行電極插入樣品杯蓋，使樣品浸沒電極并保持電極不與樣品杯壁和底接觸，然后施加一個電壓逐漸上升的正弦信號，電流開始很微弱，然后緩慢增大直至達(dá)至帽界點后會急速上升，臨界點即電流達(dá)到61uA時，測量此時的電壓值即為電穩(wěn)定值。
[0017]本發(fā)明的設(shè)計中，采用了低功耗CPU，該CPU采用了 STM8L151系列，這是一個8位的超低功耗的MCU芯片，具有高達(dá)32KB的閃存，IKB的數(shù)據(jù)EEPR0M，同時具有RTC，液晶顯示器，定時器，USART，I2C，SPI，ADC，DAC，比較器等功能。工作電源電壓范圍從1.8V至3.6V(在掉電時可下降到1.65V)，其工作溫度范圍是負(fù)40°C至85°C或125°C。其低功耗的特性有:(I)有5個低功耗模式:等待，低功耗運行時(5.4 μ Α)，低功耗等待(3 μ Α),低功耗RTC的活躍和停機(I μ Α)，暫停(400ηΑ) ；(2)動態(tài)的功耗:192 μ A/MHz ; (3)每個I/O的超低漏電流(50nA) ;(4)從停止中的快速喚醒能力(5us)。該低功耗芯片的使用使測量次數(shù)高達(dá)1000 次。
[0018]電源管理電路實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)電源的管理，該系統(tǒng)采用電池供電，要求功耗要低，電源管理電路就是為了實現(xiàn)低功耗的目標(biāo)而設(shè)計的，其功能包括兩方面，一個低電壓檢測，一個管理后續(xù)負(fù)載電路的供電。當(dāng)工作時候，CPU正常供電，當(dāng)不工作時所有外圍和后續(xù)負(fù)載電路都斷電，CPU工作在休眠狀態(tài)。比如當(dāng)有按鍵按下時，開始測量，CPU正常工作，打開所有后續(xù)電路供電；當(dāng)測量結(jié)束，轉(zhuǎn)到低功耗狀態(tài)，CPU休眠，外圍電路停止工作，這都由MOS管控制實現(xiàn)。
[0019]在高精度正弦波發(fā)生電路中，產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦信號。本發(fā)明為了提高正弦波的精度，通過采用一個高精度的DDS來實現(xiàn)的。本電路可以產(chǎn)生一個非常標(biāo)準(zhǔn)的340HZ±0.05HZ這樣高精度的正弦波，再通過緩沖放大電路，放大成一個標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號，正負(fù)多少，然后通過CPU送給一個串行的12位的D/Α轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)對正弦波信號的幅值調(diào)整。調(diào)整好的信號再通過調(diào)理放大電路即功放電路，去驅(qū)動升壓變壓器工作。在變壓器的初級線圈一偵牝在正常的范圍內(nèi)，按照一定的升壓速率(次級端測得150V/S的速度)上升，最高可以升到峰值IOV左右，此時變壓器的次級線圈可以從OV上升到2000V左右。本發(fā)明還有個功能是峰值電壓檢測，該變壓器的設(shè)計中巧妙地在次級高壓線圈增加了一組自耦繞組(與輸入繞組匝數(shù)比1:1)，其功能是輔助實現(xiàn)峰值電壓檢測的，所以在后面還有一個專門的峰值電壓快速檢測電路，這個電路的目的是檢測當(dāng)前的峰值電壓值是多少，并通過液晶屏顯示出來。
[0020]信號快速檢測電路包括高精度電流采樣和擊穿電流檢測兩部分。在正常測量時，當(dāng)把某樣品鉆井液放進樣品杯中，按下控制面板上的“RUN”鍵時，電極間的電壓勻速升高，最后會擊穿。在擊穿時，就是達(dá)到臨界狀態(tài)電流為0.6IuA時，必須要快速的檢測出當(dāng)前的擊穿電壓值。所以設(shè)置了高精度電流采樣電路，通過快速的電流擊穿檢測，檢測到擊穿電流并通過CPU給出信號來控制讀取此時的電壓值。該電流快速檢測電路中采用了芯片LM6511，這個芯片比普通芯片速度快，保證正確有效的讀取出當(dāng)前擊穿時刻對應(yīng)的峰值電壓值。LM6511電壓比較器在+3V或+3.3V電源供電時，是理想的模擬-數(shù)字接口電路，此集電極開路輸出允許與各種各樣的數(shù)字信號的兼容性:+5V，+3V的CMOS，TTL等。LM6511工作功耗小，小于9.45毫瓦(在V+=+2.7V和V-=OV時)。此電壓比較器在傳統(tǒng)的亞微秒比較中提供了許多功能:輸出同步選通脈沖，輸入和輸出與系統(tǒng)地絕緣，線或門等。LM6511使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用單比較器的引腳配置。其典型特點有如下方面:(1)可工作在+2.7V，+3V,+3.3V，+5V ；(2)低功耗設(shè)計，功耗P〈9.45毫瓦(V+=2.7V (max));快速響應(yīng)時間為180ns,該芯片的使用既滿足了本發(fā)明低功耗要求，又符合快速檢測的要求。
[0021]鍵盤、顯示電路是由鍵盤和顯示兩部分組成，鍵盤部分是指控制面板上的各種按鍵，有開關(guān)鍵，運行鍵和停止鍵，通過按鍵實現(xiàn)人機交互，操作人員按下按鍵，通過CPU發(fā)出指令，控制相應(yīng)的電路工作。顯示是通過LED液晶顯示屏，顯示當(dāng)前的電壓值，另外有電源指示燈，運行指示燈和報警燈，方便直觀。
[0022]利用該儀器測量時必須注意的問題包括如下幾個方面:
[0023]1、使用前檢查電穩(wěn)定性測試儀正常運行，并保持電極間清潔干燥。
[0024]2、測試前打開儀器電源開關(guān)按“RUN”鍵使儀器空運行(不接電極)。儀器空運行15分鐘后，再進行測試。
[0025]3、測試過程中，使樣品浸沒電極并保持電極不與樣品杯壁和底接觸，用電極攪拌樣品30秒，并穩(wěn)定I分鐘。(因液體的流動性較強，故攪拌后必須穩(wěn)定一段時間再開始測試)
[0026]4、按下控制面板的“RUN”鍵，開始升壓操作，此時LED顯示窗的數(shù)字逐漸升高，最后停在擊穿電壓，記錄這個讀數(shù)作為電穩(wěn)定性讀數(shù)。(在測量過程中都不得移動電極直至試驗結(jié)束)
[0027]5、記錄電穩(wěn)定值時，需要重復(fù)測量步驟2次或者更多，一般取5次，記錄5次的測量平均值。此平均值即為被測樣品的電穩(wěn)定性值。
[0028]6、重復(fù)試驗的結(jié)果允許偏差為±5%，例如，某一樣品第一次測試數(shù)值為600V，那么重復(fù)試驗的結(jié)果應(yīng)該在555V-645V (600的±5%)之間，否則，檢查電極是否清理干凈或者更換電極。
[0029]7、測試完成后，取出電極，用濾紙或紙巾將電極片之間徹底清洗干凈，干燥備用。
【權(quán)利要求】
1.一種用于油基鉆井液的高精度低功耗電穩(wěn)定性測試儀器，該電穩(wěn)定性測試儀采用全新的設(shè)計思路，其電路特征在于以低功耗的MCU為主控芯片，電路設(shè)計主要包括主控電路、電源管理電路、鍵盤顯示電路、正弦波產(chǎn)生電路、峰值電壓檢測電路，電流快速檢測電路等主要部分組成，另外有D/A轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理電路，功率放大和變壓器電路等部分。
2.如權(quán)利要求1所述的測試儀中的電路，其特征在于采用一個8位的超低功耗的MCU芯片，具有高達(dá)32KB的閃存，IKB的數(shù)據(jù)EEPROM，同時具有RTC，定時器，USART, I2C，SPI，ADC，DAC，比較器等功能。其工作溫度范圍是負(fù)40°C至85°C或125°C。其低功耗的特性主要有:(I)有5個低功耗模式:等待，低功耗運行時(5.4 μ Α)，低功耗等待(3 μ Α)，低功耗RTC的活躍和停機(I μ Α)，暫停(400ηΑ) ；(2)動態(tài)的功耗:192 μ A/MHz ; (3)每個I/O的超低漏電流(50nA); (4)從停止中的快速喚醒能力(5us)。本儀器通過該低功耗芯片實現(xiàn)對現(xiàn)場信號的檢測、控制和故障自診斷功能。
3.如權(quán)利要求1所述的測試儀中的電路，其特征在于采用低功耗電源管理電路實現(xiàn)對整個系統(tǒng)電源供電的管理和控制，工作時候，CPU正常供電，當(dāng)不工作時所有外圍和后續(xù)負(fù)載電路都斷電，CPU工作在休眠狀態(tài)，即進入低功耗運行模式。
4.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于高精度正弦波發(fā)生電路由CPU進行控制，實現(xiàn)150V/S的幅值變化的正弦波輸出。本發(fā)明為了提高正弦波的精度，采用一個高精度的DDS來實現(xiàn)。本電路可以產(chǎn)生一個非常標(biāo)準(zhǔn)的340HZ±0.05HZ這樣高精度的正弦波，再通過緩沖放大電路，放大成一個標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號，然后通過CPU送給一個串行的12位的D/Α轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)對正弦波信號的幅值調(diào)整。調(diào)整好的信號再通過調(diào)理放大電路即功放電路，去驅(qū)動升壓變壓器工作。在變壓器的初級線圈一側(cè)，在正常的范圍內(nèi)，按照一定的升壓速率(次級端測得150V/S的速度)上升，最高可以升到峰值IOV左右，此時變壓器的次級線圈可以從OV上升到2000V左右。
5.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于升壓變壓器采用了特殊設(shè)計方式，本變壓器的設(shè)計中巧妙的在次級高壓線圈增加了一組自耦繞組(與輸入繞組匝數(shù)比1:1)，其功能是輔助實現(xiàn)峰值電壓檢測的，同時在后面還有一個專門的峰值電壓快速檢測電路，這個電路的目的是檢測當(dāng)前的峰值電壓值是多少，并通過液晶屏顯示出來。通過峰值電壓檢測電路可以實現(xiàn)對輸出高壓的快速準(zhǔn)確檢測。
6.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于采用高精度電流采樣電路，通過快速的電流擊穿檢測，檢測到擊穿電流并通過CPU給出信號來控制讀取此時的電壓值。該電流快速檢測電路中采用的芯片響應(yīng)時間為180ns，功耗小于9.45毫瓦，比普通芯片速度快，保證正確有效的讀取出當(dāng)前擊穿時刻對應(yīng)的峰值電壓值。該芯片既滿足了本發(fā)明低功耗要求，又符合快速檢測的要求。
7.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于鍵盤顯示電路包括鍵盤和顯示兩部分組成，鍵盤部分是指控制面板上的各種按鍵，有開關(guān)鍵，運行鍵和停止鍵，通過按鍵實現(xiàn)人機交互，操作人員按下按鍵，通過CPU發(fā)出指令，控制相應(yīng)的電路工作。顯示是通過LED液晶顯示屏，顯示當(dāng)前的電壓值，方便直觀。
【文檔編號】G01N27/92GK103728486SQ201310749470
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】單寶明, 徐啟蕾 申請人:青島科技大學(xué)