数字自然伽马能谱测井仪维修手册.doc

自然伽马能谱测井仪维修手册1.仪器的规格1.1仪器物理参数（仪器外型尺寸图）1.2仪器的技术指标 最高工作温度：400（204）半小时350（177）三小时 最高压力：20000 psi(137.9 MPa) 直 径：3.625 in.(92.1 mm) 最小井眼：4.75 in.（120.7mm） 有效长度：7 ft3.7 in.（2.228 m） 运送长度：8 英尺9.0 英寸（2.667m） 重 量：113 lb (51.3kg) 最大测井速度：能谱：10 ft/min （3 m/min）；伽马：30 ft/min （9 m/min） 测量范围：能谱0.04 到3.5 MeV 测量精度：伽马：标准值的3%钾、铀、钍：标准值的4%（标准值与实际值的对比精度） 稳定性：脉冲增益变化规范保障信号在温度变化时稳定 工作电压&电流 ：电缆头180VAC 时3540mA 电缆要求：七芯电缆和电缆遥测系统 可用的接口：Mode T2 命令和伽马数据Mode T5 能谱数据 摆动&震动：AWS 规格 59832-051 安全：遵循标准，本仪器没有特殊的安全要求 仪器型号使用限制 ： G ：适用于伽马测井 S：适用于伽马和能谱测井2自然伽马能谱测井仪测量原理岩石中自然放射性的强度，主要是由钾、铀、钍放射性核素的含量决定的。而钾、铀、钍所放射伽马射线的能量不同，分别为1.46MeV、1.76MeV、2.62MeV。自然伽马能谱测井仪，在测量地层自然伽马射线总水平的同时，对自然伽马射线进行谱分析，即对自然伽马射线的能量进行分析。选定与主要放射性同位素40K、238U、252Th 相关，能量为1.46MeV、1.76MeV、2.62MeV 的伽马射线谱段分别做记录，运用数字方法对混合谱进行剥谱，求出地层中钾、铀、钍的含量，从而确定地层放射性类型和数量。当一个特定能量的伽马射线和闪烁晶体相互作用时，它就会产生一个光脉冲，光子的强度和伽马射线的能量成正比。光脉冲被转换成一个电子脉冲，被光电倍增管进行放大。脉冲通过前置放大电路输出一个正的电压脉冲，这个脉冲对应着伽马射线的能级。PHA板采集这个脉冲的峰值，输出一个8 位的数字化的等值的量。数字化转换后的脉冲被存储在FIFO 部分，以免丢失数据，释放微处理器处理资源。1K8 位的随机存储器可以为两个谱存储数据。在正常的运转环境下，只要有一个深度中断产生，就会有一个能谱信息被记录，另一个谱就会在同一存储器的不同位置开始被存储，当第二个谱被记录时，已经被锁定的能谱数据就被传输到总线上。谱分析器线路板就会产生一个256 道的谱，每个能谱信息包括64K 脉冲数。I/O 线路板对电缆上的转换的数据进行整形，改善，把电缆上接收到信号进行恢复，为曼彻斯特IC 进行解码。控制板微处理器在T2 曼彻斯特 IC 上接收指令，通过其串口模块与能谱分析板进行通讯。UC 有一个内部计数器，存储PHA 板转换的脉冲数。在这种方式下，仪器就是一个伽马测量仪，同时也是一个脉冲高度分析器。UC2 井同时也控制一个双路D/A 转换器，DA 转换器为PHA 提供可以区分级别的信号，为高压电源提供电压控制。3 自然伽马能谱测井仪电路描述3.1 WTS 仪器总线WTS 总线为十八芯贯通线，用于向仪器串和马达供电，经WTS 遥测短节将地面采集系统的指令传送给仪器串，将仪器串测量数据传给WTS 遥测短节，提供电极和参考引线。所有的WTS 仪器都需要支持WTS-IB 总线，仪器串内的所有仪器与该总线并联。总线短板为无源板，用于接受来自上接头的WTS 总线信号，并将其转至下接头，此板完成仪器与总线之间的所有连线接口。3.2 探测器电路（13-A-006）PMT 为一传感装置，与闪烁探测器一起用于伽马射线探测，当伽马射线通过CsI 晶体时，由于晶体内的能量交换而产生闪烁光，而闪烁强度是伽马能量的函数。CsI 晶体经光耦合接到光电倍增管的阴极，产生的电子在电场的作用下射向第一极，从该极又产生大量的次级电子，并射向后续的极，最终得到一个约10V 的脉冲输出。经最后一级生成的电子汇集到阳极产生信号电流，该电流流经电阻产生一电压脉冲，该负脉冲经耦合电容C13 加到线性前置放大级。PMT 管座内的其它电阻和电容用于调整PMT 增益。高压电源为一DC/DC 转换器，输入端为315VDC产生3001500VDC 的输出，该电路所采用设计，可以对PMT 增益进行调整，以补偿该电路或其它电路所产生的各种漂移。电源经高压滤波板进行滤波，该板与PMT 管座相连。3.3线性前置放大与PHA 电路（13-A-005）IC2 为一反向放大器。R28、C11、R18 构成一极零消除微分电路，用于消除由于放大器的幅度进行调节，增益的改变由微处理的控制PMT 高压来完成。IC3 为一同相放大器， 输出-Se 脉冲波形，C15 为输出耦合电容。Q6、Q7、D1、D2 用于设置脉冲的基线，防止基线偏移，基线的漂移会影响数据资料的精度和质量，这一点对谱测量电路尤为重要，因为对于谱测量电路，基线的漂移会导致能级的漂移。PHA 接收到模拟脉冲信号后将其峰值转换成一个数字量，当一脉冲经J1/P16(SIG-IN)端进入PHA 板后，加到IC5 的+Vin 端等待采样，当脉冲达到最大幅度时，采样开始，由IC1、IC2、IC3、IC4 提供时序逻辑。脉冲宽度约为8us，最大幅度为5V。IC1 的输出信号加到IC2a 的反相端和 IC2b 的同相端， IC2a 的门槛电压为 54mv ，当输入的脉冲幅度大于该值时，输出端变为低电平，该低电平触发单稳态IC3a，单稳态输出脉冲的持续时间（峰探测）为 3-4us 可变，同时对于每只仪器，VR1 值并不是完全相等。IC2b 的反相输入端信号来自于一软件控制的 D/A 转换器，用于调整低电平鉴别。IC2b 的输出 (LLD OUT)用于使IC3b（采样逻辑）接通。峰探测的下降沿和LLD 的高电平到 IC3b/P9 输出为低电平，继而触发 IC4a 和 IC4b。当 IC4a 触发的Q 端(P6)为高电平，从而使得：1） IC4aIC4b 不再被触发。2） 将IC5 置于采样和保持模式，从而捕获到输入的峰脉冲，当IC4b 触发后，Q 端变为高电平并持续3us。Q 高电平的下降沿（开始转换）使能IC7，IC7 将P1 脚的模拟信号转换为12 位数字量，IC7 的最低有效位(D0D3)未接，D4D11 位经IC8 缓冲。当IC4a Q 输出端高电平结束时(timeout)IC4/P7(HOLD NOT 信号)端产生翻转，从低电平变为高电平，锁定转换结果。3.5 能谱分析电路（13-A-004）来自PHA 的脉冲被转换成8 位数据字，经EOC 读取至U6。EF 信号显示U6 的状态，一旦U6 内有数据存在，EF 保持为高电平，U1（微控制器）时刻监测着EF 电平的变化，如 EF 高电平，则U1 产生一个采集(ACQUIRE)脉冲，将数据字从U6 中读出，输入到锁存器U3，此时的数据字变成了 RAM RANK1 的低8 位地址，由 U1 读取 RAM 地址内容，然后将内容值加1，并写回到同一RAM 地址。当出现溢出时，U1 将“0000 0000”写入地址。对于每一道，存入RAM 的最大脉冲数为64K-1。能谱分析板利用U1/P10 入串行接口接收，来自通讯板的指令，U1 定期接收到一个FREEIE SPECTRUM 指令，当接收到该指令时，U1 输出一信号到 RANK 在 RAM 中，RANKO 相当于地址位 9(A9)这样，新的谱以DATA WORD 描述中相同的方式进行累加，在此之前的谱被“锁定”，正常情况下，一条“TX FROIEN SPECTRUM”指令会紧随“FREEIE SPECTRUM”其后，为了采集第二个谱并发送第一个谱，U1 交替进行以下内容，先将数据从 U6 锁存到 RAM，然后又将该数据从 RAM 锁存发到输入寄存器 U7/U8，在第一种情况下，由脉冲控制 RAM 地址线，第二种情况下，则由微控制器自身控制地址线，为了获取对地址线的控制权，微控制器使 P2,3 (U1/P24)变为低电平，使U2 开启， U3停止工作， U1 对外部存储器的访问采取时间多路传输(time-multiplexed),利用ALE 将地址位锁存到 U2， RD 和 WR 用于锁存器的读取。U1 激活 ENABLE I/O(Pt1)，读取代表谱的第一道的两个字节，然后去激活ENABLE，I/O，从而将第一道的 LSB 和 MSB 分别加载到 U7 和 U8 的输入锁存器。LOAD/CTS(PE2)为低电平，U12 处于 Load 模式，ALE 只起到时钟计时的作用，“111111”加载到 U12 LOAD/CTS(PE2)为高电平，从而使得：a) 单稳态U17 被触发 (PE5)，U17 由一个八位存储锁存器构成其输出接到一个并入串出8 位移位寄存器，U17 生成的脉冲使 DATA WORD 从 U7/U8 输入锁存器转移到U7/U8 移位寄存器 (Pt6)。b) U12从LOAD 模式变为 COUNT 模式U10被使能，开始一个发送序列。c) 产生一中断信号，INTO(Pt4)，U1 利用该中断信号加载新的一到至输入寄存器U7/U8，使内部计数器加一。上述a、b、c、项发生于第一道信号传送之前。此时U3（曼彻斯特）控制着数据的传送，每发送完16 位，U12 产生一个中断，U1 将停止脉冲采集，加载并复位新的一道，使内部计数器进位，一直到所有道发送完，U1 然后触发 LOAD/CTS 为低电平，完成发送。3.6主控制电路（13-A-003）该板功能如下：M2 通讯对来自地面的命令字和数据字进行译码高压输入控制对仪器内部各模拟电压进行采样。如保温瓶温度以上这些功能均由U1微控制器控制，U1 9为全部程序及数据内存 (EPROM)提供不同的地址空间。微控制器提供了两个外部中断 INTO(P2,3)和 INT1(P3.3)，用于控制 U3 曼彻斯特编码器通讯。两个16 位内部计数器之一(TOP3.4 )用于从 PHA 采样脉冲，该计数器为总伽马射线计数器，另一个计数器未用。U1 内嵌1个全双工串口，用于将通讯板的命令传送到谱分析器板。通讯板上的TXD (P3.I)，连接到谱分析器板的 RXT(P3.0)。3.7 I/O 通讯（13-A-002）I/O 板为WTS 总线与仪器的接口，主要有三部分电路组成。命令总线Mode 2 数据总线Mode 5 数据总线1 命令总线该部分总线用于接收来自WTSCR(3514)的命令，两根线CMD-(P4-6) CMD+(P4/P13)与变压器T1 的线相连，T1 同时与一电阻偏置网络相连，作为 U1 的输入(DS78C20)，电阻R1 的作用是使总线的振铃噪声降至最低。电阻R2、R3、 R4、R5 构成一分压网络与U1 的差分输入端相连，产生的偏置电压使得U1 负输入端高压正输入端100mv，该偏置电压的另一作用是使U1 输出端在两命令的空位时间内通常为低电平，U1 的输出端接到通讯板的缓冲器，而该缓冲器的输出接到6408 译码器的UDI 输入端。2 MODE 2 数据总线该部分总线用于将仪器的Mode 2 数据传输给WTS 遥测短节， WTS IB Mode 2+ Mode 2- 连接到总线耦合变压器T2 的绿色和灰色线上。该变压器同时还经电阻/二极管网络与U2(DS1633J)棕黄色线相连。U2 为一外围驱动器，U2 被激活时起到一个对地的电流通道作用，电流自变压器 T2的 RED 端 +5V 流经被激活的T2 初级半边绕组经 R6 或 R7，D1 和 D2，U2 到地，上述电阻和二极管对 U2 起限流保护作用。U2 的输入端连接到了通讯板的输出驱动器，而通讯板上驱动器的输入端又连到6408编码器的输出端 BZO 和 BOO（通讯板上的U3）。3 MODE 5 数据总线该部分总线由于将M5 的数据传送至WTS 3514 遥测短节， WTS IB 总线 MODE5+(P4/P11)和 MODE-(P4/P10)与总线耦合变压器 T3 的绿线和灰线相连，U3(DS1633J )经电阻/二极管网络与变压器 T3 的相连。U3.8 井下电源（13-A-001）井下电源为AC/DC 电源，为仪器提供所需的稳定电源：+5V、+15V、-15V。从仪器总线上得到180VAC交流电源，输入到变压器的初级绕组，变压器输出有三个次级绕组。第一个次级绕组经过二极管整流桥、电容滤波，再经三端稳压管稳压，得到+15VDC。第二个次级绕组经过二极管整流桥、电容滤波，再经三端稳压管稳压，得到-15VDC。第三个次级绕组经过二极管整流桥、电容滤波，再经三端稳压管稳压，得到+5VDC。4 仪器电子线路拆卸与安装4.1 拆装工具图 4-14.2 电子线路总成拆装步骤1）在仪器顶部拆卸掉护帽，使用卡簧钳取下接头卡簧图 4-22）用T型棒专用工具拆卸掉仪器的32芯连接头图 4-33）拆掉仪器的上接头图 4-43）用T型棒专用工具插入上接头顶盖，拉出仪器电子线路总成图 4-54.3 保温瓶拆装图 4-6将保温瓶电缆插头P7从仪器骨架上拆下，拆下接头的时候注意两头的同步，以免损坏接插件。卸掉保温瓶与骨架连接的三颗螺钉，慢慢将保温瓶移除即可。保温瓶拆卸完毕后，即可对仪器电子线路进行调试与维修。4.4 探头总成拆装1）将固定探头总成的六个螺钉拆卸掉，注意弹簧力道。图 4-71）拆除探头与骨架线路连接的DB9接头 图 4-8图 4-95 维修保养5.1检验所需设备 9092便携式ELIS测试系统（含计算机及配套测试程序） 数字万用表（FLUKE187或同等级别产品） 10uc Cs137调试用源 标准钍粉 调试用源 数字式存储示波器（高于200MHZ，2Gs/S的配置）5.2 检验步骤5.2.1仪器电子线路总成部分直观检查1) 确认所有的IC型号与插接方向都正确无误2) 确认所有骨架上的连线与贯通线都连接正确，并检查所有焊点是否牢固。3) 记录仪器安装的电路板编号以及电子线路部分主要配件编号。将记录结果放入仪器档案中。5.2.2仪器电源部分检查1) 将一起贯通线插头拔掉，然后连接好ELIS测试系统。2) 打开ELIS测试系统，给仪器进行供电，供电电压为：180VAC。3) 用数字万用表测量仪器三端稳压器件的输入端，测量值应符合表一的所列范围：表5-1测试点范围纹波+5V稳压电源输入端10V15V+15V稳压电源输入端22V26V-15V稳压电源输入端-22V-26V4)用数字万用表测量仪器三端稳压器件的输入端 表5-2测试点范围纹波+5V稳压电源输入端4.6V5.1V+15V稳压电源输入端14.8V15.2V-15V稳压电源输入端-14.8V-15.2V5.2.3仪器的功能性检查1) 将一起骨架贯通线插好，重新给仪器进行供电。观察测试设备所示电流电流值是否在35mA40mA范围内。2) 打开仪器调试程序，观察相关窗口显示值是否在标准范围内，确认仪器通讯正常：表5-3名称范围TEMP环境温度5LLD100GR环境本底30+5V+5V0.25V3) 使用示波器检查仪器所有晶振的输出，确认晶振的输出频率如表所示：表5-4所属总成频率13-A-0052.5MHZ10%13-A-0034MHZ10%13-A-00312MHZ10%13-A-00412MHZ10%4) 用示波器检查I/O板M2与M5信号，观察通讯状态，仪器测试程序应无报错现象。5.2.4 仪器的调试（室温）1) 给仪器进行供电，供电电压为：180VAC，仪器电流为：35mA40mA。2) 打开调试程序供电，分别将实验室用10uc Cs137 与标准钍粉调试用源放在一起探头上，适当调整增益，观察调试程序界面能谱参数显示是否正常，见表五。如果显示值超出正常范围，请参照3)以.4)进行调试。表5-5名称范围Cs PEAK4749Th PEAK1871893) 前置放大电路的调试（13-A-005 室温）A 将实验室用10uc Cs137 调试用源放在仪器探头上。用示波器观察13-A-005板的”IN”测试点的波形，应该是负的并且没有过冲现象的。B 把示波器的表笔设置为x10档，用示波器观察13-A-005板的IN端的脉冲幅度，记录测量值为：（15V5V），用示波器观察13-A-005板的OUT端的脉冲波形，波形应该是没有过冲与消平现象的并且电压经过波峰后回落的速度要快。C 如果发现波形存在过冲现象则可调节13-A-005板的R28，使波形达到要求。D 在仪器远离放射的情况下用电压测量OUT端与地之间的电压，调节基线设置电位器R29，使基线为零。4) 采样保持电路调整。（13-A-005 室温）用示波器同时观察OUT端与IC5的PIN8，检查峰值探测设置是否正确，调整电位器VR1即可调节触发器的脉冲宽度，从而改变采样保持器的采样点，应该从峰值开始采样.5) 能谱的调整（13-A-005 室温）A 根据仪器档案中光电倍增管的坪区参数进行系统增益设置，光电倍增管的工作电压应该在坪区中央偏左一些进行选取，选择合适的高压后，使用电压测试棒对仪器高压进行测量，同时调整增益将高压设置在预选值上。B 将实